地層水入侵對油基鉆井液性能的影響與調控技術研究

米占虎

地層水入侵對油基鉆井液性能的影響與調控技術研究

米占虎

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524000）

通過對不同量的地層水對油基鉆井液侵入后的性能測試，分析對油基鉆井液性能的影響程度。通過對關鍵處理劑乳化劑和有機土加量的改變，調整鉆井液體系性能，滿足現場鉆井需要。實驗結果表明：水相的侵入量達到20%，對鉆井液的性能影響破壞極大，體系迅速增稠，沉降穩定性降低，同時破乳電壓降至400 V以下。通過增加乳化劑的加量，提高油基鉆井液體系的穩定性，也可以略微改善流變性能。通過減少有機土的加量，減小鉆井液的稠度。

油基鉆井液；水相；乳化劑；有機土

隨著勘探開發向非常規油氣區塊的發展，鉆井中所面臨的地質條件也更加復雜。常規的水基鉆井液難以滿足在復雜條件下的鉆井需要。對于油基泥漿，它能夠提供優秀的高溫穩定性、良好的潤滑性能、井眼穩定性和攜巖性能[1-3]。如今，油基鉆井液在頁巖氣涪陵區塊、塔里木高溫高壓區塊等區塊應用非常普遍。油基鉆井液是采取油作為連續相，水作為分散相并添加適量的親油膠體、乳化劑、潤濕劑以及加重材料混合而成的分散體系[5-7]。油基鉆井液的性能調控與水基鉆井液有很大的區別，油基鉆井液的油包水乳狀液穩定性是影響油基鉆井液性能的重要因素。而油包水乳狀液是屬于不穩定體系，其穩定性能與溫度、水相、鹽度以及乳化劑含量 相關[8]。

在使用油基鉆井液鉆井過程中，當鉆遇地層水后，其對油基鉆井液性能影響會非常大。水相的侵入會改變油基鉆井液的油水比例，導致鉆井液的性能急劇變化[9-11]。因此本文通過實驗分析地層水入侵對油基鉆井液的影響規律，獲得調控油基鉆井液體系穩定性的方法，為現場油基鉆井液的施工調控提供了相應的理論與實驗依據。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗配方

基于頁巖水平井的高性能油基鉆井液體系，開展關于水相侵入油基鉆井液體系的相關實驗，通過模擬地層水與柴油的比例調整實驗。現場常用油基鉆井液體系配方組成為：柴油+1.6%主乳化劑+0.4%輔乳化劑+3%降濾失劑+1%封堵劑+1.0%CaO+1.0%有機土+鹽水（26%CaCl2溶液）+江漢重晶石加重至=1.6 g·cm-3。

1.2 實驗配方

按照上述配方在室內進行了油基鉆井液體系的配置，步驟如下：加入配比量的柴油、乳化劑和潤濕劑，高速攪拌10 min后加入鹽水，再高速攪拌 20 min；然后依次加入有機土、CaO、降濾失劑、提切劑和封堵劑，每種處理劑加入后高速攪拌15 min，所有處理劑加完后再高速攪拌30 min，之后加入重晶石，再次攪拌30 min。

使用六速旋轉黏度計，用于測試6種不同剪切速率下鉆井液的黏度大小；使用高溫高壓濾失儀器，測試油基鉆井液在高溫高壓下的濾失量。使用高溫滾子加熱爐，用于在130 ℃下養護鉆井液，模擬鉆井液在井下的循環條件。使用接觸角測定儀，測試油包水乳狀液的潤濕性以及描述界面膜的界面張力大小。

2 地層水侵入對油基鉆井液性能的影響規律分析

2.1 乳狀液的接觸角變化對潤濕性的影響

采用0號柴油與26% CaCl2溶液按照95∶5的比例至50∶50的比例，配置出一系列的油水比不同的乳狀液。通過將乳狀液滴在光滑的玻璃片上，其玻璃片表面為疏水的，測試其接觸角，結果如圖1 所示。

圖1 不同油水比乳狀液的接觸角

通過實驗發現，當形成乳狀液的油水比發生變化時，水相的比例逐漸變大時，乳狀液與玻璃片的接觸角逐漸變大。這說明隨著水相比例的增加，接觸角在逐漸變大，乳狀液的界面膜強度在逐漸減弱，從而導致液滴的接觸角變大，在玻璃板上由平鋪轉換成液滴的形式。

2.2 地層水侵入對油基鉆井液破乳電壓的影響

地層水侵入對油基鉆井液破乳電壓的影響如圖2所示。地層水侵入的對油基鉆井液的破乳電壓影響較大，當體系中的水相部分大于30%之后，破乳電壓低于400 V，不能滿足現場施工的需要。在體系受到地層水的侵入之后，經過130 ℃、16 h老化后，油基鉆井液的破乳電壓明顯變差，說明溫度對受到地層水侵入后的油基鉆井液體系性能影響較大。

圖2 地層水的侵入對油基鉆井液破乳電壓的影響2.3 地層水侵入對油基鉆井液流變性能影響

通過對130 ℃老化前后的油基鉆井液流變性能的測試可以看出，水相的侵入明顯增加了鉆井液的黏度，如圖3所示。不過老化后的鉆井液黏度相對來說略有下降，可能是在高溫熱滾條件下，鉆井液中各種處理劑的分散更為充分，黏度下降，流變性能變化。從圖3中數據可以看出，在老化前，在體系的水相大于30%后表觀黏度有明顯增加，從 46 mPa·S增加至100 mPa·S，且隨著水相比例每增加10%，表觀黏度會增加20 mPa·S左右。而體系的切力則隨著水相比例的增加，變化較小，當地層水侵入后，水相比例在體系中占比達40%后，切力會明顯上升，增加至17 Pa。

圖3 地層水的侵入對油基鉆井液流變性能影響

2.4 沉降狀態

油基泥漿在130 ℃老化18 h后取出，靜置不同時間后，通過鋼尺伸入老化罐的泥漿中直至觸底后停止伸入，此時的高度顯示為1，整個泥漿罐的高度為2，通過計算表征沉降率S，結果如表1所示。通過不同量的地層水侵入泥漿后的沉降狀態，觀察其穩定性。

表1 不同油水比的油基鉆井液靜置后的沉降百分率

地層水的侵入對油基鉆井液的沉降穩定性有著極大的影響，當水相與油相的比在30∶70時，沉降穩定性就明顯變差，在8 h后就出現了7.9%的沉降率。一般來說，當鉆井液的沉降率超過5%時，該體系的穩定性就比較差，嚴重影響鉆井液在鉆井施工中的功能。

3 油基鉆井液性能調控技術實驗分析

常規的油基鉆井液的油水比為8∶2，通過以上實驗對油水比的分析可知，當水相侵入使油基鉆井液體系油水比達到6∶4后，體系的性能變化較大，明顯變差。因此后續實驗以油相與水相6∶4為基礎，通過對油基泥漿中的關鍵處理劑進行調整，從而改進被水相侵入后的油基鉆井液泥漿性能。在地層水侵入油基鉆井液后，導致水相含量的提高，一般是采用提高乳化劑的加量提高乳化穩定性，調整有機土的加量控制油基鉆井液的流變性。

3.1 乳化劑的添加

油包水鉆井液是一種熱力學不穩定性體系，影響其穩定性的關鍵因素之一是乳化劑。乳化劑能夠在油水界面上形成具有一定強度的吸附膜，有效降低界面張力，增加外相黏度，從而阻止非連續相液滴聚并變大，維持油基鉆井液的穩定性。乳化劑對油基鉆井液性能的影響如表2所示。

表2 乳化劑對油基鉆井液性能的影響

乳化劑加量過低，乳狀液體系不穩定，表現為老化后乳狀液電穩定性較低。當提高乳化劑的加量后，整體破乳電壓有著明顯增加。且乳化劑加量增加后，整體的流變性能變好，滾前表觀黏度從 60.5mPa·s降低至43.0 mPa·s，降幅達29%，動切力也有了一定的下降，但保持著一定的大小，能維持鉆屑的攜帶。

3.2 有機土的添加

有機土可以在油基鉆井液中很好的分散。其在鉆井液中主要起著增黏提切的作用，有機土對鉆井液流變性能和攜巖能力有著很大的影響。同時有機土顆粒分散在油水界面膜上，附著在上面可增強界面膜的穩定性，提高油基鉆井液的穩定性。在以4%的乳化劑加量下，對油相與水相6∶4的比例下的油基鉆井液體系進行調控。有機土對油基鉆井液性能的影響如表3所示。

通過減少有機土的加量，解決地層水入侵油基鉆井液導致的黏切變高的問題。雖然要降低有機土的加量，但有機土的加入參與濾餅的形成，控制濾失量。因此將有機土的加量減少至0.8%較好，此時仍然能夠維持較好的黏切力以及破乳電壓。

表3 有機土對油基鉆井液性能的影響

4 結 論

1）在以油包水的基礎上，水相的增加會導致乳狀液的界面強度減弱，液滴變大，與疏水表面的玻璃接觸角逐漸變大。

2）地層水的侵入對油基鉆井液的流變性能影響較大，極大地增加了油基鉆井液黏度與切力，造成泥漿迅速增稠；同時破乳電壓下降幅度也較大，在油水比為6∶4的時候，破乳電壓在400 V以下；濾失量也隨著水相的侵入而逐漸增加。

3）水相的侵入過多后，鉆井液的沉降穩定性也較差，在油水比為7∶3時，8 h沉降率較高。

4）通過對乳化劑加量與有機土加量的優化，能有效增強乳狀液的穩定性，改善油基鉆井液體系的流變性能，減小濾失量。

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Study on the Influence of Formation Water Invasion on the Performance of Oil-based Drilling Fluid and Its Control Technology

（CNOOC China Limited Zhanjiang Branch, Zhanjiang Guangdong 524000, China）

Through the performance test of oil-based drilling fluid invaded by different amount of formation water, the influence degree on the performance of oil-based drilling fluid was analyzed. And by changing the dosage of key treatment agent emulsifier and organic soil, the performance of drilling fluid system was adjusted to meet the needs of on-site drilling. The experimental results showed that when the invasion of aqueous phase reached 20%, it had a great impact on the performance of drilling fluid, the system thickened rapidly, the settlement stability decreased, and the demulsification voltage dropped below 400 V. By increasing the amount of emulsifier, the stability of oil-based drilling fluid system was improved, and the rheological properties was also slightly improved. Reducing the amount of organic soil could reduce the consistency of drilling fluid.

Oil based drilling fluid; Aqueous phase; Emulsifier; Organic soil

2021-11-11

米占虎（1985-），男，2009年畢業于西南石油大學石油工程專業，研究方向：海洋油氣開采。

TE254+6

A

1004-0935（2022）06-0866-04