高密度油基鉆井液流變性影響因素及控制措施

賈國亮，李曉嵐，鄭永太，張士軍

中國石化中原石油工程有限公司 技術公司,河南 濮陽 457001

川南地區的頁巖氣水平井所在的儲層埋藏深、地層壓力系數高，并存在高壓氣層、石英含量高、巖石脆性特征明顯，具有較強層理結構、層理傾角大(40°～60°)，易造成頁巖氣水平井的定向段和水平段井壁失穩；由于黏土礦物含量高(一般為20%～60%)，導致頁巖地層存在著大量的微裂縫、蜂窩狀小孔洞及層理裂縫等特征[1]，所以要求鉆井液具有高密度、強抑制性、潤滑性、封堵性、防塌、活度平衡等特性，高密度油包水乳化鉆井液成為最佳的鉆井液體系之一。但在使用過程中，易出現黏切高等流變性差、凝膠結構強的問題，同時隨著油基老漿的回收循環利用、臨井壓裂作業的影響，加重材料質量不達標等因素，更容易造成鉆井液粘切過高等流變性難以控制的現象，嚴重制約著高效、快速鉆井。本研究從有機土加量[2]、油水比、固相含量、加重材料種類及粒徑大小、乳化劑品種、流型調節劑使用等方面分析影響高密度油基鉆井液流變性的主要因素，并提出優選鉆井液體系、處理劑及嚴控油水比和固相含量等措施，以期能夠有效地調控高密度油基鉆井液的流變性。

1 影響高密度油基鉆井液流變性的因素

1.1 有機土的影響

有機土是保證油基鉆井液膠體穩定性和懸浮穩定性的主要處理劑，具有增黏、降濾失的作用。在高密度油基鉆井液[3]中，有機土添加過多，易引起鉆井液黏切過高問題，通過室內實驗，選擇有機土最佳加量。該基礎配方為0#柴油320 mL+80 mL 20%CaCl2溶液+3%主乳化劑+3%輔助乳化劑+有機土+4%油基降濾失劑+3%石灰+高純度重晶石。對比不同有機土加量對體系穩定性和流變性的影響，實驗結果見表1。

表1 不同有機土加量下油基鉆井液性能(油水比80∶20，密度2.0 g/cm3)

由表1可知:隨著有機土加量的增加，體系的黏度(AV、PV)、切力(YP)等流變性參數增大，破乳電壓(ES)也升高；加量超過2.5%以后，高溫高壓濾失量(FL)降低和破乳電壓(ES)升高都不明顯，但鉆井液的流變性變差。

1.2 油水比的影響

油水比是油包水乳化鉆井液體系的關鍵指標，適宜的油水比[4]是保證體系穩定性的基礎。通過室內實驗，分析油水比與鉆井液黏度、切力等流變性參數的關系。基礎配方為0#柴油+20% CaCl2溶液+3%主乳化劑+3%輔助乳化劑+2%有機土+4%油基降濾失劑+3%石灰+高純度重晶石。實驗中對比不同油水比對體系流變性和穩定性的影響情況，實驗結果見表2。

表2 不同油水比的油基鉆井液性能(密度2.0 g/cm3)

由表2可知：隨著鹽水量的增加，油水比不斷降低，體系的黏度、切力、剪切應力等流變參數則升高，高溫高壓濾失量略有增大，體系流變性變差，破乳電壓ES下降，即穩定性不斷變差，鉆井液的顏色也隨之變淺。由此可見，在乳化劑加量相同的條件下，隨著油水比降低，水相濃度增大，水相液滴具有聚集趨勢，使粒徑也變大，則乳化劑的表面活性分子吸附到油相與水滴之間的界面層的量就會變小，在油水界面膜上排列的就不緊密堅固，導致乳狀液失穩；同時油相內摩擦力增大，油相黏度就升高。隨著油水比的上升，鉆井液的黏度、切力和剪切應力等參數則降低，流變性變好，破乳電壓ES上升，穩定性也變好；高度分散的水滴有堵塞鉆井液濾餅空隙的作用，有利于控制濾失量[5]。

1.3 乳化劑種類和用量的影響

乳化劑是保證油包水乳化鉆井液穩定性的關鍵處理劑，大多數乳化劑來自工業表面活性劑，專門針對油基鉆井液研發的專用乳化劑品種少、類別成分不同其功效側重點也不同。選擇原則是乳化能力強、產品質量穩定、抗高溫，在鉆井液中表現為破乳電壓高，對鉆井液的黏切力等性能影響小。針對高密度油包水乳化鉆井液，選擇在保證乳化穩定性好、增黏效應小的乳化劑。選擇5個品種的乳化劑，考察其對鉆井液體系乳化穩定性和流變性的影響。基礎配方為0#柴油320 mL+80 mL 20%CaCl2溶液+乳化劑+2%有機土+4%油基降濾失劑+3%石灰+高純度重晶石。1#為4%主乳+1%輔乳+1%潤濕劑液體、2#為4%主乳+2%輔乳液體、3#為3%主乳+3%輔乳液體、4#為6%復合乳化劑液體、5#為6%粉狀乳化劑、6#為1#+1%粉狀乳化劑。實驗中對比在加量相同時不同品種的乳化劑對體系穩定性和流變性的影響，實驗結果見表3。

表3 不同品種乳化劑的油基鉆井液性能(油水比80∶20，密度1.54 g/cm3)

由表3可知：1#、2#配方的破乳電壓ES較低、鉆井液黏切高；3#配方的破乳電壓ES居中、鉆井液黏切最低；4#配方的破乳電壓ES最高，鉆井液黏切適中；5#配方的破乳電壓ES居中、鉆井液黏切也低，4#乳化劑最優；從5#和6#看，粉狀乳化劑有輔助降低鉆井液黏切作用，液體乳化劑都有輔助增黏作用；3#、4#、5#這3種乳化劑更適合高密度油包水乳化鉆井液體系。

1.4 流型調節劑的影響

流型調節劑是調節油基鉆井液流變性的主要處理劑，又稱流型改進劑。對比不使用和使用不同加量流型調節劑對鉆井液穩定性和流變性的影響，基礎配方為0#柴油320 mL+80 mL 20%CaCl2溶液+6%復合乳化劑+2%有機土+4%油基降濾失劑+3%石灰+流型調節劑+高純度重晶石。實驗結果見表4。

表4 不同加量流型調節劑下油基鉆井液性能(油水比80∶20，密度2.00 g/cm3)

由4表可知：隨著流型調節劑加量的增加，鉆井液的表觀黏度、塑性黏度有所降低，但降低不明顯；動切力和動塑比升高明顯，破乳電壓有所增大，體系更穩定。

1.5 加重材料種類的影響

加重材料是提高鉆井液密度的必須處理劑，主要有石灰石粉、重晶石粉、鐵礦粉、鈦鐵礦粉、方鉛礦粉、黑錳礦粉等。對于高密度油基鉆井液，需要高等級的重晶石粉、鐵礦粉和黑錳礦粉。不同密度、不同粒徑的加重材料對鉆井液流變性的影響不同，在實驗室內對比重晶石粉(密度為4.2 g/cm3的重晶石，其D90為29.82 μm、D50為3.79 μm；密度為4.3 g/cm3的重晶石，其D90為30.3 μm、D50為9.05 μm)，黑錳礦粉(D90為,1.38 μm、D50為0.19 μm)和鐵礦粉對鉆井液流變性的影響。基礎配方為0# 柴油360 mL +40 mL 20%CaCl2溶液+3%主乳化劑+3%輔乳化劑+2%有機土+4%油基降濾失劑+3%石灰+加重材料。實驗結果見表5。

表5 加重劑種類對油基鉆井液性能的影響(油水比90∶10)

由表5可知：同一種加重劑，隨著鉆井液密度的升高，其黏度、切力也升高，流變性逐漸變差；在4種加重劑中，使用密度最高、粒徑最小的黑錳礦粉，配制的鉆井液流變性最好、循環密度最低，但高溫高壓濾失量FLHTHP太高；使用密度為4.3 g/cm3的2#重晶石配制的鉆井液流變性較好，FLHTHP最低，能滿足井下需求；但鉆井液密度超過2.5 g/cm3以上時，4種加重劑都不能滿足鉆井需要。

由此可見，單獨使用各種加重劑配制的超高密度油基鉆井液都不能滿足鉆井需要，根據Farris效應，可采用不同粒徑的顆粒進行復配。密度為4.3 g/cm3的重晶石為大顆粒，黑錳礦粉為小顆粒，這兩種顆粒的加重劑復配，符合Farris效應，重晶石和黑錳礦粉以60∶40比例復配，可以配制出具有良好流變性的超高密度油基鉆井液[6]。

1.6 固相含量的影響

固相含量高易導致鉆井液密度、黏度、切力升高，鉆井液性能不穩定；固相含量高，含砂就高，就降低鉆速、縮短鉆頭壽命；濾餅厚、質地松散質量差，摩擦系數高，導致鉆具扭矩大、磨損嚴重；因濾餅疏松、濾失量就大，易造成起下鉆遇阻和卡鉆現象。超高密度油基鉆井液中固相含量過高，鉆井液的表觀黏度由“結構黏度”和“非結構黏度”組成，增加了固相顆粒緊密接觸摩擦引起的黏度。固相含量接近50%時，鉆井液的流型將發生改變。

通過在固相含量為47%、油水比接近95/5的高密度油基鉆井液中添加不同比例的20%濃度CaCl2鹽水，對比鉆井液的黏度和切力變化。結果見表6。

表6 鹽水對高固相低含水油基泥漿的影響

由表6可知：在高固相低含水油基鉆井液中，即使加少量的鹽水，鉆井液的黏度、切力有所下降；在固相含量高時，每降低1%，鉆井液的流變性會有明顯的改善；每增大1%，危害性就成倍增加，固相控制對高密度油基鉆井液尤為重要。

2 高密度油基鉆井液流變性的控制措施

2.1 有機土的控制

高密度油基鉆井液中，有機土加量不宜超過2.5%，開始配制新泥漿時，以2.0%加量為宜，如果使用老漿，添加量可再低點，施工中期逐漸減少加量，后期甚至不用添加。

針對常規含土的油基鉆井液，在高密度條件下流變性控制困難、當量循環密度高，在起下鉆或開泵時激動壓力較高，易誘發井漏或井壁失穩等問題，采用油溶性或油溶脹性的聚合物代替有機土，通過優化乳化劑而研發無土相高密度油包水乳化鉆井液體系，該體系具有塑性黏度低、靜切力小、當量循環密度低等突出特點，可以解決高密度油基鉆井液的流變性問題。

2.2 油水比的控制

控制油水比大小是調整油基鉆井液黏度、切力等流變性的主要手段之一。在保證油基鉆井液穩定性的前提下，選擇合適的油水比，盡量減少油相的用量，多加鹽水，降低鉆井液成本。高密度油包水乳化鉆井液體系使用中后期，容易出現黏度高、切力大等流變性差、凝膠結構強的問題，可以增大油相、提高油水比，降低鉆井液的黏切，甚至轉化為全油基鉆井液體系。全油基鉆井液與油包水乳化鉆井液相比，具有更好的流變性能，在相同動切力時，塑性黏度更低；具有更好的剪切稀釋性能，在低剪切速率范圍內可得到相當高的黏度，便于攜帶巖屑；更有利于提高機械鉆速、井壁穩定和儲層保護。在川南地區頁巖氣水平井施工后期，油水比接近95∶5，類似全油基鉆井液體系了。

當地層水侵入油基鉆井液時，必然導致油水比的變化，嚴重時影響油基鉆井液的穩定性。水侵后，隨著油水比降低，鉆井液的黏切升高、密度下降，破乳電壓不斷降低。特別是臨井壓裂作業造成在鉆頁巖氣水平井地層局部高壓而溢流、地層出水而污染油基鉆井液的情況，油水比大于1時，鉆井液屬于塑性流體；油水比小于1時，鉆井液更傾向于假塑性流體，鉆井液污染嚴重了就不能再使用，會造成井壁失穩定。具體處理措施如下：

1)及時檢測破乳電壓、堿度值和油水比等鉆井液性能參數，對比油水比變化量，計算出入侵水量，再計算出柴油、乳化劑及石灰等材料的添加量。

2)加重。保持鉆井液密度不降低，及時平衡地層壓力，做好井控工作。

3)及時調整油基鉆井液性能。在配漿罐內，按照計算量加入柴油、乳化劑、石灰等處理劑，配制新漿，按循環周補充到循環污染的鉆井液中，并視具體情況補充CaCl2溶液。

4)如果有部分油基鉆井液嚴重污染，配制新泥漿置換出嚴重污染部分。

2.3 乳化劑、潤濕劑、流型調節劑的選擇及使用

2.3.1 選擇針對油基鉆井液體系的專用乳化劑

選擇原則是乳化能力強、產品質量穩定、抗高溫，在鉆井液中表現破乳電壓高，對鉆井液的黏度、切力等性能影響小。針對大多數主乳化劑，需要輔助乳化劑配合使用，輔助乳化劑具有輔助乳化和潤濕作用。粉狀乳化劑單獨使用或粉狀乳化劑與液體乳化劑配合使用，可以改善鉆井液的流變性。

2.3.2 潤濕劑的使用

及時添加潤濕劑，保證巖屑和加重材料進入鉆井液能及時潤濕反轉，保持鉆井液的沉降穩定性，還有輔助乳化作用。

2.3.3 流型調節劑的使用

流型調節劑一般加入1%就能明顯降低塑性黏度、提高動切力和動塑比，不必加入過多；流型調節劑還有降低泵壓，減少環空壓耗的作用。

2.4 加重材料的選擇

2.4.1 使用優質重晶石

配制高密度油基鉆井液時，必須選擇密度4.2 g/cm3以上高等級的重晶石，最好用密度4.3 g/cm3重晶石，因為使用密度低或雜質多的重晶石，加重時易出現鉆井液增稠、重晶石不易加入的現象，造成鉆井液體系含砂高，增黏效應明顯。

2.4.2 使用預處理的超細顆粒重晶石

使用預處理的超細顆粒重晶石，可以獲得低黏度、低凝膠強度的高密度鉆井液。

2.4.3 使用復配加重材料

配制超高密度油基鉆井液時，可以使用重晶石和黑錳礦粉，以60∶40比例復配，來滿足鉆井液的良好流變性。

2.5 固相含量的控制

2.5.1 固相含量控制在最佳值

不管是活性還是惰性固體，一旦進入油基鉆井液中就與油相接觸被油潤濕了，增加鉆井液的密度、黏度和切力，同時也影響鉆井液的費用、鉆速、水馬力及發生井漏的可能性。無用固相盡可能清除，過量的固相也是有害的，必須盡量降低其含量，防止其擴散。具體措施：

1)使用細目高速振動篩，篩布粒度在74 μm以上，清除鉆屑是固相控制的基礎。

2)利用好四級固控設備，加強合理布置。使用雙離心機，利用二級離心效果，最大限度地降低低密度固相含量。

3)及時補充新漿和使用細目高速振動篩相結合是控制固相最有效的方法。

2.5.2 加強油基老漿循環利用工作

隨著鉆井成本的壓縮和環保壓力增大，提高油基老漿循環利用率、降低油水比、減少油基鉆井液漏失是現階段控制成本的主要途徑。由于油基老漿回收利用工藝不夠完善，回收的油基鉆井液中含有大量微細鉆屑和固井沖洗液等水相，導致油基老漿普遍具有固相含量高、含水多、破乳電壓低等特點，所以對油基老漿再利用提出了極高的要求，使用前要進行預處理和調整工作，達到能夠直接使用的水平。具體措施如下：

1)首先要加強有害固相去除工作。利用振動篩和離心機，對油基老漿進行處理，清除回收過程中的雜質和鉆屑，盡可能地降低有害固相含量。

2)檢測處理后油基老漿的性能，尤其是固含率、油水比、破乳電壓、堿度值等參數。

3)根據老漿總量，計算出需要配制的新泥漿量和柴油、高濃度CaCl2溶液、乳化劑、降濾失劑及石灰等處理劑的量。

4)配制特定的新漿。在需要的柴油中，按順序加入乳化劑等各種處理劑，最后緩慢加入高濃度的鹽水進行調整。

5)新老漿混合。啟開泥漿泵低壓循環，在油基老漿中，均勻混入特定的新漿。

6)再測混勻后泥漿的性能及微調。如果FLHTHP濾失量大和切力小的話，最后進行微調，因為降濾失劑也有增黏效應，因此在流性、黏度調整到位后，再擇機加入；調整過程中，注意切力變化和重晶石懸浮穩定性，必要時補加有機土或結構劑。

3 結論與認識

1)高密度油基鉆井液體系的有機土添加量不超過2%,中后期逐漸減少，如果使用油基老漿，鉆井液具有良好的懸浮穩定性，可以少加或者不添加。

2)高密度油基鉆井液使用到中后期，容易出現黏度高、切力大等流變性差、凝膠結構強的問題，通過增加油相、提高油水比，降低鉆井液的黏切，甚至直接轉化為全油基鉆井液體系。

3)加重材料的選擇是高密度油基鉆井液配制的關鍵。最好選擇高等級重晶石和黑錳礦粉，易加重到需要密度，且無增黏效應；特別是重晶石與黑錳礦粉以60∶40比例復配，配制的鉆井液具有良好的流變性能。

4)保持低的固相含量。充分利用四級固控設備強化固控管理工作，最大限度地降低低密度有害固相。

5)提高油基的老漿循環利用率。使用前要進行預處理和調整工作，達到能夠直接使用的水平。

6)當地層水侵入油基鉆井液時(尤其是壓裂作業的影響)，導致鉆井液的密度、油水比、破乳電壓不斷降低，黏切力不斷升高，嚴重時影響其穩定性。要做好井控工作，應根據鉆井液性能的變化，及時處理調整，保證鉆井液穩定，滿足井下需要。