準噶爾盆地南緣高溫高密度有機鹽鉆井液技術

謝龍龍，葉 成，袁 翊，徐生江，谷 文，劉星雨，馬 超*

(1.長江大學石油工程學院，武漢 430100；2.新疆油田公司工程技術研究院，克拉瑪依 834000；3.川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術服務公司，成都 610051)

準噶爾盆地南緣是新疆油田油氣增儲增產的重要區塊，該區塊地層結構復雜，深井段存在異常高壓系統和巨厚鹽膏層[1-2]。現場所用有機鹽鉆井液在深井段高密度下流變性難以控制，高溫條件下濾失量大，井壁易縮徑和垮塌，而高溫高密度磺化鉆井液和油基鉆井液環保壓力大。準噶爾盆地南緣亟須一種新型高溫高密度水基鉆井液體系保障安全高效的鉆井進程[3]。

有機鹽鉆井液具有環保、無毒、抗高溫、抑制性強等特點[4]，在中外油田應用廣泛。葉艷等[5]在飽和鹽水磺化鉆井液的基礎上，研制出高密度甲酸鉀飽和鹽水磺化鉆井液體系，室內研究結果表明，該體系在密度高達 2.26 g/cm3的情況下可抗溫至180 ℃。候偉超[6]從流變性調控的角度出發，利用研制的流變性調節劑 CFP-I，實驗優化得出密度為2.3 g/cm3、抗溫達 200 ℃的有機鹽鉆井液配方，180 ℃高溫高壓濾失量為15 mL。但是這兩種體系均含有多種磺化材料，無法有效滿足目前嚴苛的環保要求。國內對于提升高溫高密度鉆井液性能多集中在改善流變性，控制高溫高密度鉆井液的濾失量對于提升鉆井液性能也至關重要。濾失量是評價鉆井液性能的重要指標，鉆井液濾失量受濾餅質量影響較大[7]，質量好的濾餅光滑致密、薄而有韌性、滲透率低，提高濾餅質量關鍵在于優選高性能處理劑和控制固相顆粒的粒度級配。深井地層溫度較高，鉆井液高分子處理劑易發生降解和交聯，處理劑和黏土易發生解吸附和去水化作用，使鉆井液性能惡化[8]。改性納米SiO2可牢固地吸附在黏土顆粒和處理劑分子的不飽和鍵上，降低黏度和切力[9]，改善泥餅質量，增強降濾失性能。聚合物HF-1可在高溫下形成空間網狀結構束縛自由水，降低濾失量。為降低高溫高密度鉆井液濾失量，同時避免磺化處理劑環保性差的問題，在當前二開井段所用的有機鹽鉆井液中引入降濾失劑改性納米SiO2和抗高溫聚合物HF-1。有機鹽作為加重劑可降低高密度鉆井液固相含量[10]，同時搭配具有多級分布的加重材料可強化高密度體系降濾失性能。在現場二開井段用有機鹽體系的基礎上，現研究新型高溫高密度有機鹽鉆井液體系，并進行性能評價，以期望提高準噶爾盆地南緣的鉆井效率，促進新疆油田油氣增儲增產。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

巖屑，高101井三開井段5 530～5 590 m；Span80、碳酸鈉、氧化鈣、氫氧化鉀、氯化鉀，分析純，天津市北聯精細化學品開發有限公司；Redu200、Weigh2、Weigh3，北京培康佳業技術發展有限公司；膨潤土、石墨粉潤滑劑、API重晶石、微粉重晶石、白油，工業級，市售；腐植酸丙磺酸酰胺多元共聚物(RSTF)、有機硅護壁劑(MFG)，工業級，重慶天澤鉆井工程有限公司；納米SiO2，工業級，濰坊萬合材料有限公司；聚合物降失水劑(HF-1)、天然瀝青粉(KH-n)、懸浮劑，工業級，川慶鉆探鉆井液公司。

LS-C(III)激光粒度分析儀，珠海歐美克儀器有限公司；GJSS-B12K變頻高速攪拌機、GGS42-2高溫高壓濾失儀，青島森欣機電設備有限公司；泥漿密度計、GRL-BX3熱滾爐、YLJ600壓力機、NP-2D頁巖膨脹儀、ZNS-2A型中壓濾失儀，青島海通達專用儀器有限公司；ZNN-D6B六速旋轉黏度計，青島善德石油儀器有限公司。

1.2 實驗方法

(1)鉆井液基本性能測試。參照《石油天然氣工業 鉆井液實驗室測試》(GB/T 29170—2012)進行測試，抗鹽膏和抗巖屑污染測試以飽和NaCl溶液、CaSO4和巖屑為介質并參照該標準進行。

(2)抑制性測試。參照中華人民共和國石油天然氣行業標準《鉆井液用頁巖抑制劑評價方法》(SY-T 6335—1997)。滾動回收率采用高101井復雜地層的巖屑，將巖屑粉碎、烘干，稱取5～10目的巖屑20 g加入體系中，180 ℃熱滾16 h，過32目篩并清洗剩余巖屑，105 ℃下干燥4 h稱其質量，與原加入質量20 g的比值即為滾動回收率。頁巖膨脹實驗使用粉碎后過100目的頁巖屑，105 ℃干燥4 h，稱取8 g，用油壓機4 MPa壓5 min，測出壓后樣品厚度h0。用頁巖膨脹儀測試樣品在各體系中膨脹量，直至膨脹儀指針不再變化，記錄8 h膨脹量為d，計算8 h膨脹率S，公式為

S=d/h0

(1)

(3)鉆井液加重劑粒度級配。使用激光粒度分析儀干法測試現場API重晶石和優選的超微粉重晶石的粒度分布，對比兩種加重材料的微分分布和累積分布曲線。為實現重晶石粒徑的多級分布，將兩種重晶石按不同比例對鉆井液進行加重，逐步提高超微粉重晶石占比，分別加重至密度為2.0 g/cm3，160 ℃熱滾16 h后評價各項性能。

2 結果與討論

2.1 抗高溫降濾失劑復配

當前有機鹽鉆井液體系在水敏性強的高溫地層失水量大，說明存在具有降濾失和造壁作用的高分子處理劑在高溫下發生氧化降解，性能下降。聚合物處理劑在高溫下適度交聯可抵消或緩解由于高溫降解導致的性能下降。聚合物降失水劑HF-1是以丙烯酰胺為線性骨架, 包含具有水化作用的羧基和吸附作用的季銨基，并引入陰離子基團，HF-1在高溫下形成具有吸附性的空間網狀結構，束縛自由水，同時吸附黏土顆粒并使其分布在聚合物的空間網格分子鏈中[11]，提升濾餅致密性，控制失水量。經兩親嵌斷共聚物修飾的改性納米SiO2可有效地吸附在井壁的黏土表面，使濾餅表面形成致密膜，而改性材料中含有的—OH可與黏土礦物中的Si—OH發生縮聚反應，強化膜韌性，降低濾餅滲透率，進一步防止濾液滲入地層。在以1.5%Redu200+5%RSTF+2.5%MFG為降濾失劑的基礎上復配了封堵劑改性納米SiO2和聚合物降失水劑HF-1，通過濾失量降低率評價其降濾失性能，結果如表1所示。

由表1可知，加入改性納米SiO2后體系黏度稍減小，改性納米SiO2和HF-1都能使高溫高壓濾失量HTHPFL顯著降低，二者同時作用可使濾失降低率高達70%,而在二開用有機鹽體系中同時加入4%改性納米SiO2和0.5%HF-1后HTHPFL為15 mL。綜合成本和其他因素考慮，選擇改性納米SiO2和HF-1加量分別為4%和0.5%。

表1 納米SiO2和HF-1降濾失性能

2.2 加重材料優化

鉆井液加重材料粒徑和粒度分布對體系的流變性，濾失性和泥餅質量有較大影響[12-13]，加重材料的粒徑越小，其在溶液中的自由沉降速率越小[14]。根據顆粒緊密堆積原理，具有多級粒度分布的加重材料可產生軸承效應，降低鉆井液黏度和濾失量，提升泥餅質量。

鉆井液加重劑Weigh系列有機鹽在水中溶解度高且流變性好，搭配高密度微粉重晶石可有效降低固相含量，可減少固相顆粒間摩擦和固-液界面摩擦，降低切力[15]。在有機鹽和API重晶石為加重材料基礎上搭配優選的超微粉重晶石進行加重，二者粒度布如圖1(a)、圖1(b)所示，API重晶石和超微粉重晶石中值粒經分別為3.65 μm和1.31 μm，都是單級分布。由表2可以看出，用單一的API重晶石加重的鉆井液黏度和失水量偏大，通過粒徑級配確定API重晶石∶超微粉重晶石為3∶1，此時黏度和切力適當減小，失水量明顯降低，相對于具有單級分布的API重晶石加重的二開所用有機鹽鉆井液體系，其性能大幅改善。API重晶石與超微粉重晶石按3∶1混合后粒度分布如圖1(c)所示，中值粒徑為2.15 μm，呈現多級分布。

圖1 加重材料的粒度分布

表2 不同比例的兩種重晶石加重的鉆井液性能對比

2.3 優化前后有機鹽鉆井液基本性能比較

二開井段用有機鹽鉆井液配方為: 1%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.4%CaO+1.5%KOH+1.5%Redu200+5%RSTF+9%KCl+28%Weigh2+13%Weigh3+2.5%MFG+3%KH-n+1%石墨粉+4%懸浮劑+5%白油+0.3%Span80+API重晶石，基本性能如表3所示。由表3可知，當溫度在140 ℃、密度升至2.2 g/cm3時，黏度和切力明顯增大，APIFL和HTHPFL偏大，尚不能滿足當前三開及更深井段鉆井要求。

表3 二開井段有機鹽鉆井液基本性能

由表4可知，通過抗高溫降濾失劑復配和加重劑優化后的有機鹽體系在密度1.8～2.4 g/cm3范圍內老化后流變性良好，APIFL適中，濾失量和黏度均隨密度增大逐漸增大，密度在2.4 g/cm3時，HTHPFL為10.5 mL。說明該體系密度可調范圍寬且在高密度下性能優良，優于目前二開井段所用的有機鹽鉆井液體系。最終確定配方為：1%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.4%CaO+1.5%KOH+1.5%Redu200+0.5%HF-1+5%RSTF+9%KCl+28%Weigh2+13%Weigh3+2.5%MFG+3%KH-n+1%石墨粉+4%納米SiO2+4%懸浮劑+5%白油+0.3%Span80+API重晶石∶超微粉重晶(3∶1)。

表4 優化后有機鹽鉆井液基本性能

2.4 抗高溫性能

為進一步考察有機鹽鉆井液的高溫穩定性，逐步升高溫度評價其抗高溫能力，密度為2.4 g/cm3鉆井液抗高溫性能如圖2所示。由圖2可知，隨著溫度的升高，鉆井液黏度和切力略微減小，APIFL和HTHPFL稍增大。溫度繼續升高，鉆井液黏度和濾失量增大，在升至180 ℃時，HTHPFL為13.5 mL，黏度和失水量均在允許范圍內。分析原因是有機鹽體系中聚合物在高溫下降解，降低體系黏度[16]，另外部分聚合物高溫下交聯，形成三維空間網狀結構，束縛自由水[17]，改性納米SiO2在高溫下可增強濾餅表面膜的韌性和致密性，降低濾失量。由表5數據可知，密度為2.4 g/cm3的有機鹽鉆井液在160 ℃老化72 h后流變性基本保持穩定，濾失量低于15 mL，因此，該體系具有良好的抗高溫穩定性。

圖2 高密度鉆井液抗高溫性能

表5 高密度鉆井液高溫穩定性能

2.5 抑制性能

有機鹽水溶液本身抑制性強，甲酸鹽電離出的HCOO-既能與水分子形成氫鍵，束縛自由水，而且可吸附在黏土端面，壓縮雙電層，降低黏土顆粒ζ電位，有效抑制黏土水化膨脹[18]，防止井壁縮徑和坍塌。改性納米SiO2具有較強的表面活性，在頁巖表面形成疏水膜，阻止水分子進入黏土顆粒的間隙，有效防止泥頁巖吸水膨脹[19]。

通過對比聚合物和有機鹽體系滾動回收率和頁巖8 h膨脹率評價鉆井液抑制性。由表6可知，含有高101井三開井段巖屑的有機鹽鉆井液16 h熱滾后回收率達97%，8 h頁巖膨脹率僅4.7%，抑制性良好，且優于目前常用的聚合物鉆井液。

表6 滾動回收率和頁巖膨脹實驗結果

2.6 抗鹽抗污染性能

鉆井時會經常遇到高礦化度地層，鉆井液難免會受到鹽膏和巖屑污染，性能惡化。有機鹽特殊的理化性質決定了有機鹽鉆井液抗鹽抗污染能力強的特點。由表7可知，有機鹽鉆井液隨著NaCl和CaSO4含量增加，APIFL稍增大，各項性能變化不大，在12%NaCl污染條件下性能依然穩定，抗石膏污染能力達2%，鉆井液密度、黏度、切力、濾失量隨著巖屑含量增加而增大，當巖屑污染達10%時，各項性能指標在合理范圍內，抗污染能力顯著。

表7 抗鹽膏抗巖屑污染實驗結果

3 結論

(1)探究了降濾失劑和加重劑粒徑級配是影響高溫高密度鉆井液濾失性的重要因素，在現場所用有機鹽體系基礎上復配了改性納米SiO2和聚合物降失水劑HF-1，并優化重晶石粒度級配，確定了高溫高密度有機鹽鉆井液體系配方為：1%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.4%CaO+1.5%KOH+1.5%Redu200+0.5%HF-1+5%RSTF+9%KCl+28%Weigh2+13%Weigh3+2.5%MFG+3%KH-n+1%石墨粉+4%納米SiO2+4%懸浮劑+5%白油+0.3%Span80+API重晶石∶超微粉重晶(3∶1)。

(2)高溫高密度有機鹽鉆井液高溫下密度可調，密度高達2.4 g/cm3，可抗高溫180 ℃，流變性可控，濾失性良好，具有較強的抑制性和抗鹽膏、巖屑污染能力。

(3)經過改性的有機鹽體系可滿足南緣三開及深層鉆井需要，為新疆油田南緣鉆井液提供選擇途徑，對于高溫高壓復雜井段具有一定的參考價值和應用潛力。