低粘切高密度油基鉆井液體系

李子鈺，于培志

(中國地質大學(北京)工程技術學院， 北京 100081)

0 引言

頁巖氣在全球具有豐富的儲量，不僅是一種高效的能源種類，而且還對環境十分友好，另由于其擁有更長的開采期限與生產周期，因此比常規天然氣更具有優勢(鄭言，2009；佟吉等，2015)。近年來，隨著國內頁巖氣勘探開發地不斷推進，頁巖氣井逐漸往深井、超深井方向發展。我國深層頁巖氣資源量巨大，據測算，中國石化在川東南地區深層頁巖氣資源量高達4612×108m3(蔣廷學等，2017；樊好福等，2019)。為了滿足深井、超深井及頁巖氣水平井鉆井的需要，國內多種鉆井液體系得到不同程度地發展與應用，其中油基鉆井液以其抑制性強、抗高溫、潤滑性好等優勢有了快速發展(林永學和王顯光，2014；王中華，2019)。且由于井深的增加，鉆井液朝著高密度、超高密度的方向發展，高密度鉆井液是指密度高于2.20 g/cm3的鉆井液，而密度高于2.50 g/cm3的鉆井液為超高密度鉆井液(蔡利山等，2011；王中華，2016；裴琦，2018)。

然而高密度、超密度鉆井液存在粘度大、固相含量高等難題，僅通過減少有機土的加量、增加油水比等調整配方的方式，可以一定程度改善高密度油基鉆井液的流變性能，但是不能很有效地解決高密度帶來的流變性問題(潘誼黨和于培志，2019)。超高密度條件下，考慮研究使用無土相油基鉆井液體系，但無土相油基鉆井液由于失去有機土的協同作用，體系的穩定性差、易發生沉降(張小平等，2014；陳在君，2015)。部分國內研究者已經從提切劑的方向入手，嘗試通過使用提切劑來替換油基鉆井液中有機土的使用，從而達到降粘的效果。與傳統的油基鉆井液相比，無黏土油基鉆井液具有獨特的“脆性凝膠”流變特性，且具有機械鉆速高、濾餅薄、強抗水侵和滲透率恢復值極高等優點(Goncalves et al.，2007；王茂功等，2009；李建成等，2014)。王燕等(2019)開發了一種無黏土高溫高密度油基鉆井液，以研制的乳化劑和提切劑配置的無黏土高溫高密度油基鉆井液，密度達2.50 g/cm3，老化后乳化穩定性好，不出現分層現象，高溫高壓濾失量小于10.0 mL，克服了有機土油基鉆井液高溫易降解失效和高密度下流變性差的缺點。蔣官澄等基于超分子原理，研制的提切劑在水相中締合形成的超分子結構顯著增加了反相乳液的彈性，提切效果優異(蔣官澄等，2016)。楊斌(2019)以脂肪酸二聚體與多元醇為原料的反應產物與肉豆蔻酸復配，研制出的提切劑使用在高密度油基鉆井液中在現場取得良好應用。也有部分研究者從加重劑方向出發，研究加重劑對高密度油基鉆井液的影響。尹達等通過大量實驗得出，在超高密度的情況下，只采用重晶石、氧化鐵粉、MicroMax等單一加重劑加重，無法配制出具有全面滿足鉆井工程需要的油基鉆井液，但將重晶石與MicroMax按60∶40的比例復配使用時，可配制出性能良好的超高密度油基鉆井液(尹達，2019；朱金智等，2019)。

傳統有土相鉆井液在高密度情況下粘度過大，通過減少有機土的加量，可以有效降低體系的粘度，但不利于乳液體系的穩定性，而無土相油基鉆井液體系提切劑的研究尚不成熟。本文通過研制的主乳化劑EMUL-2和輔乳化劑COAT-2出發，構建了一種無土相油基鉆井液體系，來解決高密度情況下油基鉆井液粘度過高的問題及無土相體系中的穩定性問題，通過實驗研究與優選，確定了不同密度條件下的性能優良的無土相油基鉆井液體系及其對應最優加量配方。

1 實驗用處理劑、儀器及實驗方法

配方材料：0#柴油，主乳化劑，輔乳化劑，潤濕劑，降濾失劑，氧化鈣，質量分數25%CaCl2水溶液。

材料來源：主乳化劑EMUL-2、主乳化劑2(開平聯技化工有限公司)、主乳化劑3(固安恒科信石油化工有限公司)、主乳化劑4(河南龍翔石油助劑有限公司)、輔乳化劑COAT-2、輔乳化劑2(開平聯技化工有限公司)、輔乳化劑3(固安恒科信石油化工有限公司)、輔乳化劑4(河南龍翔石油助劑有限公司)、潤濕劑(河南龍翔石油助劑有限公司)、降濾失劑(河南龍翔石油助劑有限公司)、氧化鈣與無水氯化鈣(西隴化工股份有限公司)、0#柴油(市售)。

性能測試實驗儀器：旋轉粘度儀(青島海通達專用儀器有限公司，圖1)、電穩定性測試儀(青島創夢儀器有限公司，圖2)、高溫高壓濾失儀(青島海通達專用儀器有限公司，圖3)。

圖1 旋轉粘度儀

圖2 電穩定性測試儀

配漿方法：用高速攪拌機12000 r/min的轉速常溫配漿，在160 ℃下熱滾16 h老化，老化后在65.5 ℃的條件下測量流變性能與破乳電壓，160 ℃下測量高溫高壓濾失量。

2 無土相高密度油基鉆井液體系

2.1 2.20 g/cm3無土相柴油基體系的構建

為研究主乳、輔乳及潤濕劑的加量對體系性能的影響，設計如下正交實驗：

基礎配方：0#柴油∶質量分數25%CaCl2水溶液=80∶20

主乳EMUL-2+輔乳COAT-2+潤濕劑+CaO 3%+降濾失劑4%+重晶石(2.20 g/cm3)。

以主乳、輔乳、潤濕劑為因素，設計三因素三水平正交實驗(表1)。

表1 體系優化因素與水平

根據160 ℃老化16 h后的實驗結果分析實驗數據，正交試驗數據處理結果如表2所示。

表2 正交實驗結果

按照正交試驗設計數據處理規則，對正交實驗結果進行分析。

本正交實驗目的為優選出穩定的低粘低切油基鉆井液體系，因此確定優選配方主乳、輔乳和潤濕劑加量為：2%主乳+2.5%輔乳+3%潤濕劑。

2.2 2.20 g/cm3無土相柴油基優選配方評價

配方：柴油∶質量分數25%CaCl2水溶液=80∶20

主乳(EMUL-2)2%+輔乳(COAT-2)2.5%+潤濕劑3%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石

優選配方實驗結果如表3所示：

表3 老化后鉆井液性能(160 ℃×16 h)

將優選配方設定為⑩號，對比⑩號配方與正交實驗中九組配方的初、終切，得到圖4、圖5。優選配方所配制高密度油基鉆井液如圖6所示。

圖4 初切性能對比圖

圖5 終切性能對比圖

圖6 優選配方配制鉆井液圖

從圖4、圖5我們可以看出，優選配方老化后初、終切均低于正交實驗中的九組配方，符合低切要求，且其他性能均滿足需求，因此可選取該配方為該體系2.20 g/cm3無土相柴油基最優配方。該配方性能優良，達到了高密度條件下的低粘度效果；終切低，有利于現場停鉆后恢復泵送，可以有效避免壓漏地層；破乳電壓>400 V；高溫高壓濾失量低。

2.3 2.20 g/cm3無土相柴油基優選配方對比實驗

使用2.20 g/cm3無土相柴油基最優配方，對比不同廠家主、輔乳。實驗編組：①主乳EMUL-2+輔乳COAT-2；②主乳2+輔乳2；③主乳3+輔乳3。得到老化后的數據如下：

實驗數據表明，主乳EMUL-2和輔乳COAT-2配制的鉆井液，粘度低、終切低、破乳電壓大于400 V、濾失量低；而主乳2和輔乳2配制的鉆井液，粘度大，終切過大；主乳3和輔乳3配制的鉆井液實驗觀察沉降現象明顯，數據中可以看出切力不足，且體系破乳、濾失量過大。因此選擇主乳EMUL-2和輔乳COAT-2作為體系優選的乳化劑。

2.4 2.20 g/cm3無土相柴油基優選配方抗污染實驗

取瀘州區塊現場使用的老漿與該配方新漿按不同比例混合①老漿∶新漿=1∶3、②老漿∶新漿=1∶2、③老漿∶新漿=1∶1、④老漿∶新漿=2∶1、⑤老漿∶新漿=3∶1。老漿現場使用性能如表5所示：

新漿、老漿按不同比例混合后，加重至2.20 g/cm3老化后性能見表6：

從表6可以看出，隨著老漿比例的增加，鉆井液的粘度、初終切、切力、破乳電壓和濾失量均隨著增大，但性能均比較優異，抗老漿污染能力強。根據實驗結果，新漿中混入的老漿量控制在1∶1之內，混合漿依舊可以構建低粘切體系。

表4 老化后鉆井液性能(160 ℃×16 h)

表5 老漿性能(油水比49∶4≈92.5∶7.5、120 ℃)

表6 老化后鉆井液性能(160 ℃×16 h)

2.5 2.40 g/cm3無土相柴油基體系

構建2.40 g/cm3無土相柴油基體系，采用2.20 g/cm3的優選配方，調整油水比與潤濕劑的加量，配方如下，實驗結果如表7所示。

表7 老化后鉆井液性能(160 ℃×16 h)

①柴油：質量分數25%CaCl2水溶液=80∶20

主乳2%+輔乳2.5%+潤濕劑3%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石

②柴油：質量分數25%CaCl2水溶液=90∶10

主乳2%+輔乳2.5%+潤濕劑3%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石

③柴油：質量分數25%CaCl2水溶液=90∶10

主乳2%+輔乳2.5%+潤濕劑4%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石

從表7可以看出，提高體系的密度后粘度迅速上升，為降低粘度，提升了體系的油水比及潤濕劑的加量，對比數據表明，隨著油水比的增加，粘切隨著大幅度降低，而在提升油水比的同時增加潤濕劑的加量，略微降低了粘度以及切力，因此可以優選90∶10的油水比、4%的潤濕劑作為密度2.40 g/cm3條件下無土相油基鉆井液的加量。

2.6 2.40 g/cm3無土相柴油基優選配方抗污染實驗

選取上組實驗③號配方配制新漿，取瀘州區塊現場使用的老漿與該配方新漿按不同比例混合①老漿∶新漿=1∶3、②老漿∶新漿=1∶2、③老漿∶新漿=1∶1。老漿現場使用性能如表5所示。新漿、老漿按不同比例混合后，加重至2.40 g/cm3老化后性能見表8：

表8 老化后鉆井液性能(160 ℃×16 h)

從表8可以看出，隨著老漿量的增加，鉆井液的粘度、切力、破乳電壓隨之增大，還可以發現的是，在密度更高的情況下，增加老漿的比例，粘度上升幅度更大。三種新、老漿混合比例下，性能均比較優異，根據實驗結果，新漿中混入的老漿量控制在1/3之內，依舊能很好地構建低粘切體系。

表9 老化后鉆井液性能(160 ℃×16 h)

3 無土相超高密度油基鉆井液體系

3.1 2.60 g/cm3無土相柴油基體系

構建2.60 g/cm3無土相柴油基體系，采用2.20 g/cm3的優選配方，調整油水比與潤濕劑的加量，配方如下，實驗結果如表9所示。

①柴油：質量分數25%CaCl2水溶液=80∶20

主乳2%+輔乳2.5%+潤濕劑3%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石

②柴油：質量分數25%CaCl2水溶液=90∶10

主乳2%+輔乳2.5%+潤濕劑3%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石

③柴油：質量分數25%CaCl2水溶液=90∶10

主乳2%+輔乳2.5%+潤濕劑4%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石

④柴油：質量分數25%CaCl2水溶液=90∶10

主乳2%+輔乳2.5%+潤濕劑5%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石

由表9可見，隨著密度增加到2.60 g/cm3時，粘度大大增加，在原配方下，已不能滿足需求；在提升油水比之后，粘切隨之降低，除了第①組實驗外，各個性能參數都較理想；但由第②、③、④組對比實驗可以得出，油水比相同條件下，潤濕劑的加量在提升到4%后，性能得到進一步提升，但是再增加到5%加量的潤濕劑時，粘度反而提升，因此潤濕劑加量最好控制在4%。選擇配方③作為2.60 g/cm3條件下的優選配方。

3.2 2.60 g/cm3無土相柴油基乳化劑對比

在2.60 g/cm3的條件下，對比不同乳化劑，配方如下，實驗結果見表10。

表10 老化后鉆井液性能

①柴油：質量分數25%CaCl2水溶液=90∶10

主乳(EMUL-2)2%+輔乳(COAT-2)2.5%+潤濕劑4%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石

②柴油：質量分數25%CaCl2水溶液=90∶10

主乳(4)2%+輔乳(4)2.5%+潤濕劑4%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石

③柴油：質量分數25%CaCl2水溶液=90∶10

主乳(4)2.5%+輔乳(4)2%+潤濕劑4%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石

由表10可以看出，②、③組使用主乳4和輔乳4，老化后性能差，粘度大，切力低，破乳電壓不及400 V，且濾失量>10 mL，實驗中觀察沉降現象嚴重。表明主乳EMUL-2和輔乳COAT-2的性能更優異，在超高密度條件下依舊可以使鉆井液體系獲得良好性能。

3.3 2.65 g/cm3、2.70 g/cm3無土相柴油基體系

構建2.65 g/cm3、2.70 g/cm3無土相柴油基體系，采用2.20 g/cm3的優選配方，調整油水比與潤濕劑的加量，配方如下，實驗結果如表11所示。

表11 老化后鉆井液性能(160 ℃×16 h)

柴油：質量分數25%CaCl2水溶液=90∶10

主乳2%+輔乳2.5%+潤濕劑3%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石(2.65 g/cm3)

主乳2%+輔乳2.5%+潤濕劑4%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石(2.65 g/cm3)

主乳2%+輔乳2.5%+潤濕劑3%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石(2.70 g/cm3)

主乳2%+輔乳2.5%+潤濕劑4%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石(2.70 g/cm3)

主乳2%+輔乳2.5%+潤濕劑5%+氧化鈣3%+降濾失劑4%+重晶石(2.70 g/cm3)

由表10可以看出，該體系在密度加重到2.65 g/cm3時，粘度已經過高，但潤濕劑加量在4%時，六速可以讀數，性能依舊滿足需求，且破乳電壓以及高溫高壓濾失量均性能優異；當加重到2.70 g/cm3時，體系的破乳電壓及高溫高壓濾失量性能滿足，但粘度過高，六速600 r/min無法讀數，故無法滿足使用需求。

4 結論

(1)本文使用主乳EMUL-2和輔乳COAT-2構建了低粘切高密度、超高密度油基鉆井液體系，在2.20 g/cm3、2.40 g/cm3、2.60 g/cm3的情況下，體系均具有良好的目標性能，粘切低，破乳電壓>400 V，高溫高壓濾失量<5 mL；并且該體系在高密度情況下，抗老漿污染能力強，可以大比例混合老漿使用，切力和破乳電壓值得到提升，高溫高壓濾失量<5 mL；

(2)使用主乳EMUL-2和輔乳COAT-2構建的油基鉆井液體系相對其他乳化劑在高密度情況下具有更好的性能，粘切更低、體系更穩定；而在密度2.60 g/cm3超高密度情況下，依舊可以使得油基鉆井液體系擁有良好的性能。實驗優選分別得到了性能良好的高密度2.20 g/cm3、2.40 g/cm3及超高密度2.60 g/cm3低粘切油基鉆井液的最優配方；

(3)在超高密度情況下，密度為 2.60 g/cm3時，體系能擁有目標性能，但表觀粘度值高，無法考慮繼續混合老漿使用；密度為2.65 g/cm3時，體系通過調節潤濕劑的加量，表觀粘度還能控制在150 mPa·s之內；但在密度為2.70 g/cm3時，粘度過高。因此該體系能滿足2.65 g/cm3以下密度的性能需求。