高密度低油水比油基鉆井液體系研究

畢 闖

[中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300452]

頁(yè)巖油氣田、海上油氣田為了實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)發(fā)，通常使用油基鉆井液作為開(kāi)發(fā)流體進(jìn)行鉆進(jìn)。與水基鉆井液相比，油基鉆井液具有黏土水化抑制性強(qiáng)、潤(rùn)滑性能好、耐高溫、性能穩(wěn)定、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是頁(yè)巖油氣井、海上大位移井、深井超深井等復(fù)雜油氣井首選的鉆井液體系[1-4]。隨著油氣井鉆井深度的增加，井底面臨的壓力越來(lái)越大。較大的井底壓力需要使用高密度油基鉆井液體系才能保證油氣井安全鉆井，對(duì)油基鉆井液性能提出了更高的要求[5-6]。此外，目前油氣田開(kāi)發(fā)使用的油基鉆井液體系大多為高油水比鉆井液體系，但是高油基鉆井液體系價(jià)格昂貴，不利于油氣井經(jīng)濟(jì)開(kāi)采，因此，針對(duì)深層油基鉆井液體系研究，需要開(kāi)發(fā)兼具高密度和低油水比特性的油基鉆井液體系。

為了研究適用于深層復(fù)雜井鉆井的油基鉆井液體系，室內(nèi)對(duì)不同的油基鉆井液添加劑開(kāi)展研究，構(gòu)建了高密度低油水比油基鉆井液體系，并對(duì)油基鉆井液性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 高密度低油水比油基鉆井液體系關(guān)鍵處理劑研究

1.1 乳化劑

乳化劑是油基鉆井液體系的關(guān)鍵組分之一，它的性能直接決定了油包水乳化體系的穩(wěn)定性。對(duì)于乳化劑來(lái)說(shuō)，主要通過(guò)在油水界面形成吸附膜、降低油水界面張力、增加黏度等方式保證油基鉆井液的性能[7-8]。為了研究適用于油基鉆井液體系的乳化劑，室內(nèi)對(duì)不同比例主乳化劑和輔乳化劑性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，鉆井液熱滾后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 乳化劑評(píng)價(jià)結(jié)果

從表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著乳化劑加量和配比的變化，油基鉆井液體系的流變性、破乳電壓和失水量也隨之變化。當(dāng)主乳化劑MR1和輔助乳化劑FR1分別為2.5%和0.5%時(shí)，油基鉆井液體系綜合性能最佳。

1.2 降濾失劑

油基鉆井液降濾失劑的主要作用是降低鉆井液的濾失量。當(dāng)降濾失劑添加到油基鉆井液后，主要通過(guò)增黏、吸附和物理堵塞等作用方式改善油基鉆井液的性能[9]。為了研究適用于高密度油基鉆井液的降濾失劑，室內(nèi)對(duì)3%不同類型降濾失劑進(jìn)行評(píng)價(jià)，鉆井液熱滾后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1。

圖1 降失水劑作用效果

從圖1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同的加量下，使用降失水劑HFW后的油基鉆井液體系的高溫高壓失水量較小，其主要原因可能是降濾失劑添加到油基鉆井液中后，一方面形成吸附水化層，另一方面提高黏土顆粒的電動(dòng)電位，從而提高鉆井液的穩(wěn)定性，形成致密的泥餅[10]。

為了研究降濾失劑HFW對(duì)油基鉆井液性能的影響規(guī)律，室內(nèi)評(píng)價(jià)了不同降濾失劑加量的油基鉆井液的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖2 HFW加量對(duì)性能的影響

從圖2中數(shù)據(jù)可以看出，隨著HFW加量逐漸增大，油基鉆井液穩(wěn)定性的影響較小，但是失水量明顯降低。降失水劑HFW可以有效降低油基鉆井液濾失量。

1.3 有機(jī)土

有機(jī)土是一種無(wú)機(jī)礦物和有機(jī)物的復(fù)合物，具有良好的懸浮穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性等性能。當(dāng)有機(jī)土添加到油基鉆井液中后，其能提高鉆井液體系的黏度和切力，同時(shí)兼具一定的降失水功能[11]。室內(nèi)評(píng)價(jià)了添加劑1%不同類型的有機(jī)土油基鉆井液的性能，鉆井液熱滾后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 有機(jī)土評(píng)價(jià)結(jié)果

表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加有機(jī)土MNL的油基鉆井液具有較好的流變性和破乳電壓，能形成性能較優(yōu)異的油基鉆井液體系，因此有機(jī)土MNL可作為油基鉆井液有機(jī)土使用。

為了評(píng)價(jià)有機(jī)土MNL對(duì)鉆井液性能的影響，研究了不同加量有機(jī)土MNL油基鉆井液體系的性能，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 有機(jī)土加量對(duì)鉆井液性能影響

從表3中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，有機(jī)土MNL添加到鉆井液后的增粘效果好，并且有機(jī)土加量越高，形成的油基鉆井液體系破乳電壓越高，高溫高壓失水越低，建議加量為0.9%左右。

1.4 堿度調(diào)節(jié)劑

堿度調(diào)節(jié)劑主要用于調(diào)節(jié)油基鉆井液的pH，并控制Ca2+的濃度。室內(nèi)選擇了堿度調(diào)節(jié)劑JNS作為高密度油基鉆井液添加劑，并對(duì)不同加量的堿度調(diào)節(jié)劑進(jìn)行評(píng)價(jià)，鉆井液熱滾后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 堿度調(diào)節(jié)劑加量對(duì)鉆井液性能影響

從表4中的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，堿度調(diào)節(jié)劑JNS的加入會(huì)增加鉆井液的黏度，破乳電壓先增大后降低，適量的堿度調(diào)節(jié)劑JNS可以較好地改善油基鉆井液的性能。

2 高密度低油水比油基鉆井液體系構(gòu)建與性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)研究了油基鉆井液添加劑材料，研選了適用于高密度低油水比油基鉆井液的乳化劑、降濾失劑、有機(jī)土等處理劑，構(gòu)建了密度為2.2 g/cm3的高密度油基鉆井液體系，其組成為：白油+2.5%主乳化劑MR1+0.5%輔乳化劑FR1+1.5%堿度調(diào)節(jié)劑JNS+0.9%有機(jī)土MNL+3.0%降濾失劑HFW +重晶石（按密度加入），油水比70:30。為了研究構(gòu)建的高密度油基鉆井液體系性能，室內(nèi)對(duì)高密度油基鉆井液性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 抗溫性評(píng)價(jià)

溫度是油氣井重要的地質(zhì)特征。在油基鉆井液使用過(guò)程中，一旦井底溫度超過(guò)了油基鉆井液可承受的最大溫度，鉆井液添加劑將失效，導(dǎo)致鉆井液性能劣化，嚴(yán)重影響油氣井施工的安全性。室內(nèi)評(píng)價(jià)了不同溫度下油基鉆井液熱滾后的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 抗溫性能評(píng)價(jià)

表5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的升高，構(gòu)建的高密度油基鉆井液體系破乳電壓增大，穩(wěn)定性升高，黏度增大，但流動(dòng)性較好，失水量較低，構(gòu)建的高密度油基鉆井液體系抗溫性能優(yōu)異。

2.2 抑制性能評(píng)價(jià)

油基鉆井液具有良好的抑制性，可以降低鉆井液使用過(guò)程中地層發(fā)生水化的可能性，維持井壁穩(wěn)定。若鉆井液抑制性差，極易引起井眼不規(guī)則、泥餅虛厚等復(fù)雜工況，會(huì)影響鉆井效率。室內(nèi)將鉆屑加入鉆井液中，對(duì)鉆井液抑制性進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 抑制性能評(píng)價(jià)

從表6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，構(gòu)建的高密度油基鉆井液體系加入鉆屑后破乳電壓依然較高，鉆井液穩(wěn)定性，滾動(dòng)回收率達(dá)到了98.9%，對(duì)鉆屑具有良好的抑制性能，可以滿足鉆井過(guò)程中防塌的要求。

2.3 沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

由于高密度油基鉆井液摻入加重材料，并且在鉆井過(guò)程中，鉆井液也會(huì)攜帶大量固相材料。若鉆井液沉降穩(wěn)定性差，很容易發(fā)生沉降，影響鉆井液體系的性能。室內(nèi)評(píng)價(jià)了油基鉆井液體系的沉降穩(wěn)定性，以鉆井液上下密度差作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 油基鉆井液沉降穩(wěn)定性

從表7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，構(gòu)建的高密度鉆井液體系上下密度差較小，并且隨著溫度的升高，密度差未明顯增大，鉆井液體系具有良好的沉降穩(wěn)定性，使用過(guò)程中可保證較好的性能。

3 結(jié)論

1）研究的主乳化劑MR1、輔乳化劑FR1、堿度調(diào)節(jié)劑JNS、有機(jī)土MNL、降濾失劑HFW能有效調(diào)節(jié)油基鉆井液體系的穩(wěn)定性、失水量、流變性等性能。

2）構(gòu)建的高密度低油水比油基鉆井液體系抗溫性能好，巖屑滾動(dòng)回收率高，抑制性強(qiáng)，可有效保證其使用性能。

3）構(gòu)建的高密度低油水比油基鉆井液體系沉降穩(wěn)定性好，密度較高配方也沒(méi)有明顯的沉降現(xiàn)象。