高溫高壓油基鉆井液技術研究及應用

宋曉偉，劉 剛，張 鵬，彭三兵，林科雄

(1.中海油服務股份有限公司油田化學事業部，天津 300452；2.荊州市漢科新技術研究所，湖北 荊州 434000)

油基鉆井液因具有抑制性強、耐溫性強、抗污染能力強、潤滑性能好、儲層傷害小等特點，已逐漸成為鉆探高難度的高溫高壓深井、海上鉆井、大斜度定向井及保護儲層的重要手段[1-2]。但在鉆遇高溫高壓深井、大斜度大位移井、窄密度窗口井段時，極易誘發井壁失穩、惡性漏失、鉆具粘卡、井涌井噴等事故。根據Falcaon能源公司數據統計，高溫高壓井較常規井的鉆井時效降低30%以上，粘卡發生率提高30%以上，井涌或井噴發生頻率提高20%以上，非生產時間和經濟成本均增加3倍以上。因此，高溫高壓環境對油基鉆井液的性能提出了更高要求。作者針對高溫高壓油基鉆井液的關鍵技術特點，構建高溫高壓油基鉆井液體系，并進行室內性能評價，為高溫高壓油基鉆井液技術的現場應用提供前期技術支持。

1 高溫高壓油基鉆井液體系的關鍵技術

高溫高壓油基鉆井液的關鍵技術主要有4個方面：(1)處理劑高溫下穩定；(2)固相含量增加，具有抗劣質固相污染能力；(3)當量循環密度(ECD)控制；(4)重晶石沉降穩定。

構建的高溫高壓油基鉆井液體系需滿足以下性能要求：(1)100轉讀數盡可能低；(2)高溫高壓濾失量≤5 mL；(3)沉降因子≤0.52。

2 高溫高壓油基鉆井液的性能評價

2.1 試劑與儀器

基礎油(3#白油、Saraline 185V)、重晶石、氯化鈣、氫氧化鈣(工業級)、主乳化劑、輔乳化劑、傳統有機土、抗高溫有機土、降濾失劑、REV DUST(模擬鉆屑)，天津中海油服化學有限公司。

六速旋轉黏度計，青島海通達；破乳電壓測試儀、高溫高壓濾失量測定儀，美國Fann公司；高溫滾子爐，美國OFITE公司。

2.2 油基鉆井液的配制

在基礎油中加入主、輔乳化劑，高速攪拌5 min；加入氫氧化鈣，高速攪拌2 min；加入有機土，高速攪拌3 min；在高速攪拌下加入25%氯化鈣溶液，高速攪拌10～15 min；加入降濾失劑，高速攪拌5 min；加入重晶石至所需密度，高速攪拌20 min；繼續加入模擬鉆屑，高速攪拌5 min，裝入老化罐后，置于高溫滾子爐中恒溫老化。

2.3 評價方法

(1)乳化效率測試：取240 mL 基礎油于高攪杯中，加入6.0 g乳化劑，在10 000 r·min-1下高速攪拌5 min，加入25%氯化鈣溶液60 mL，高速攪拌20 min；裝入老化罐后，置于高溫滾子爐中，150 ℃恒溫滾動16 h；取出，冷卻至室溫，再高速攪拌20 min，倒入500 mL量筒中，靜置觀察，讀取不同時間分離出的油層體積(V，mL)。按式(1)計算乳化效率(W)：

(1)

(2)潤濕效率測試：稱取50.00 g重晶石放入烘箱中，在(105.0±0.1)℃下干燥120 min，取出后放入干燥器中冷卻，待用。用移液管量取4份10 mL的3#白油分別倒入4個50 mL燒杯中；分別稱取0.10 g、0.15 g、0.20 g樣品，加入到其中3份3#白油中，用保鮮膜密封好，用磁力攪拌器于500 r·min-1下攪拌10 min，配制成均勻的油溶液。稱取2.00 g烘干后的重晶石4份，分別加入上述4個燒杯中，用保鮮膜密封好，用磁力攪拌器于500 r·min-1下攪拌60 min；然后分別迅速轉移到4個10 mL具塞試管中，于25 ℃水浴中靜置，并同時計時。分別記錄上層分離出5 mL澄清油相所需的時間。

(3)油基鉆井液的性能測試：參照GB/T 16783.2-2012測試油基鉆井液的流變性、濾失量和電穩定性等。

(4)靜態沉降穩定性測試：將鉆井液加入不銹鋼罐中，在特定溫度下靜置一段時間后，分別測量鉆井液液柱上部(游離體下層)密度(ρtop)和底部密度(ρbottom)。按式(2)計算靜態沉降因子(SF)：

(2)

SF=0.5時，說明未發生靜態沉降；SF>0.52時，說明靜態沉降穩定性較差。

2.4 單劑評價

2.4.1 乳化劑評價結果

2.4.1.1 乳化效率評價

主、輔乳化劑的乳化效率見表1。

表1 主、輔乳化劑的乳化效率

一般要求油基鉆井液乳化劑的乳化效率≥90%[3]。從表1可見，室內研選的主、輔乳化劑在基礎油中的乳化效率均超過90%，乳化效果較好。

2.4.1.2 主乳化劑加量對黏度和電穩定性的影響(圖1)

構建的高溫高壓油基鉆井液體系要求主乳化劑對黏度的影響要盡可能小，并能提升電穩定性。從圖1可見，隨著主乳化劑加量的增加，油包水乳液的黏度逐漸降低，加到一定量后黏度變化幅度較小；破乳電壓則隨著主乳化劑加量的增加逐漸升高，乳液電穩定性增強。室內研選的主乳化劑加量為2%時就能滿足高溫高壓油基鉆井液體系的構建要求。

圖1 主乳化劑加量對黏度(a)和電穩定性(b)的影響

2.4.1.3 輔乳化劑潤濕效率評價

輔乳化劑除具有乳化性能外，還需兼有油潤濕性能，因此，對輔乳化劑進行潤濕效率評價。結果發現，室內研選的輔乳化劑不僅具有基本的乳化性能，而且對油相中的重晶石顆粒潤濕效果較好，當輔乳化劑加量為1.5%時，上層分離出5 mL澄清油相需要148 min(空白對照需要10 min)。

2.4.2 降濾失劑評價結果

將降濾失劑加入到油基鉆井液體系中，評價體系的降濾失效果和電穩定性，結果見圖2。

圖2 降濾失劑加量對濾失量和電穩定性的影響

從圖2可見，室內研選的降濾失劑對油基鉆井液體系的降濾失效果好，且不影響體系的電穩定性，其加量宜控制在3.5%以上。

2.4.3 有機土評價結果

傳統有機土配制的鉆井液很難耐180 ℃高溫，當溫度達到200 ℃時則基本失效[4-7]。室內通過油基鉆井液體系的主要流變參數來評價抗高溫有機土(PF-MOGEL HT、PF-MOGEL 1、PF-MOGEL 2)的性能，結果見圖3。

從圖3可見，抗高溫有機土PF-MOGEL HT(加量1.5%)配制的油基鉆井液體系隨著老化溫度的升高，對應的6轉讀數變化不大，使得油基鉆井液體系的流變性能保持穩定。

圖3 抗高溫有機土對油基鉆井液體系流變參數的影響

2.5 高溫高壓油基鉆井液性能的綜合評價

通過單劑評價篩選出的高溫高壓油基鉆井液體系配方如下：Saraline 185V 481 L·m-3，主乳化劑20 L·m-3，輔乳化劑15 L·m-3，抗高溫有機土15 kg·m-3，石灰28 kg·m-3，降濾失劑35 kg·m-3，25%氯化鈣溶液70 L·m-3，重晶石1 628 kg·m-3，REV DUST 99.75 kg·m-3。

高溫高壓油基鉆井液體系的性能見表2。

表2 高溫高壓油基鉆井液體系的性能

從表2可見，該油基鉆井液體系的流變性能良好，且破乳電壓在800 V以上，高溫高壓濾失量<5.0 mL，沉降因子<0.52，沉降穩定性好，已達到構建高溫高壓油基鉆井液體系的技術要求。

3 高溫高壓油基鉆井液的現場應用

某油田DF區塊井底靜止溫度200 ℃，壓力系數1.75左右，存在安全作業窗口窄、酸性氣體含量高等作業風險。將室內構建的高溫高壓油基鉆井液體系應用于該區塊4口井，作業情況見表3。

表3 高溫高壓油基鉆井液體系現場作業情況

從表3可見，施工過程順利，沒有粘卡和憋扭矩等復雜情況發生。表明，高溫高壓油基鉆井液具有較好的儲層保護性能，現場應用效果良好。

4 結論

通過乳化效率、流變性、電穩定性、潤濕效率等綜合指標評價室內研選的主乳化劑、輔乳化劑、降濾失劑，通過流變參數評價室內研選的抗高溫有機土，構建了一套滿足高溫高壓鉆井作業要求的油基鉆井液體系，其性能完全滿足現場高溫高壓井的技術要求，現場應用效果良好。