新型抗高溫水包油鉆井液研究與應(yīng)用

何瑞兵 范白濤 馬英文 付建民 李曉剛

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司鉆井部）

新型抗高溫水包油鉆井液研究與應(yīng)用

何瑞兵 范白濤 馬英文 付建民 李曉剛

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司鉆井部）

針對(duì)渤海油田潛山地層壓力控制鉆井中水包油鉆井液抗高溫性、穩(wěn)定性、可重復(fù)利用性不足等問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)選抗高溫乳化劑、增粘劑、降濾失劑等研制了新型抗高溫水包油鉆井液。室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，新型抗高溫水包油鉆井液具有良好的抑制性、潤(rùn)滑性、穩(wěn)定性、抗污染性和油氣層保護(hù)能力。根據(jù)JZ25－1S等油田潛山地層井中低溫特性，為降低鉆井液成本，對(duì)新型抗高溫水包油鉆井液配方進(jìn)行了優(yōu)化，取得了成功應(yīng)用，可在渤海其他油田潛山地層中推廣。

新型抗高溫水包油鉆井液 單劑優(yōu)選 室內(nèi)評(píng)價(jià) 潛山地層 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

渤海油田潛山地層裂縫發(fā)育，地層壓力系數(shù)低，采用常規(guī)鉆井工藝和鉆井液技術(shù)井漏風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重，容易造成油氣層損害，給勘探開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很大的難度[1－2]。2006年在渤中28－1油田2口潛山地層井中采用壓力控制鉆井工藝技術(shù)和低密度水包油鉆井液作業(yè)獲得成功[3－4]，為渤海油田潛山油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)找到了一把“金鑰匙”，從此低密度水包油鉆井液也成為海上低壓易漏失油氣藏壓力控制鉆井核心技術(shù)之一。然而，渤中28－1油田初次應(yīng)用水包油鉆井液雖成功解決了潛山油氣藏鉆井過(guò)程中的嚴(yán)重井漏問(wèn)題，并且油氣層保護(hù)效果顯著，但在鉆井作業(yè)中仍存在一些問(wèn)題，主要有：①體系抗高溫能力和穩(wěn)定性不足，長(zhǎng)時(shí)間靜止后體系易變質(zhì)，流變性變差，造成體系中的加重劑（石灰石粉）沉降，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)困難，甚至影響完井作業(yè)；②體系不能重復(fù)利用，成本較高，不利于渤海油田潛山地層的大規(guī)模應(yīng)用。

因此，有必要對(duì)水包油鉆井液進(jìn)行全面改進(jìn)，提高體系的抗溫性、穩(wěn)定性和可重復(fù)利用性，以滿(mǎn)足潛山地層大規(guī)模勘探開(kāi)發(fā)作業(yè)的需要。本文在調(diào)研水包油鉆井液常用添加劑[5－6]基礎(chǔ)上，優(yōu)選了抗高溫水包油鉆井液乳化劑、增粘劑、降濾失劑等，室內(nèi)評(píng)價(jià)了新型抗高溫水包油鉆井液性能，并在JZ25－1S等油田潛山地層井中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好效果。

1 新型抗高溫水包油鉆井液?jiǎn)蝿﹥?yōu)選

1.1 抗高溫乳化劑

水包油鉆井液是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，影響其高溫穩(wěn)定性的最主要因素是乳化劑。國(guó)內(nèi)外多選擇HLB值介于8～18之間的水溶性表面活性劑作為水包油鉆井液的主乳化劑，其親水性大于親油性，外相水化膜的厚度大于內(nèi)相油溶劑化膜的厚度，但為了形成密堆復(fù)合膜和增強(qiáng)乳化效果，需要同時(shí)復(fù)配使用HLB值小于8的表面活性劑作為輔乳化劑。在渤中28－1油田應(yīng)用的水包油鉆井液中分別采用HTO－1和HTO－2作為體系的主、輔乳化劑，但存在抗高溫性不足的問(wèn)題，高溫下長(zhǎng)時(shí)間靜置后容易變質(zhì)[4]，為此選擇多種乳化劑進(jìn)行初選實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法是先在海水中加入乳化劑，高溫?cái)嚢韬蠹尤?號(hào)白油，油水比為3∶7，再高溫?cái)嚢?0 min后倒入量筒中靜置觀察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，3%HTO－5、0.5%AES＋0.5%T80＋0.5%A－20、4%HTO－4、2%HWZR＋1.5%HWFR等作為水包油乳化劑時(shí)乳化能力較好。為了再進(jìn)一步考察上述4種乳化劑的抗高溫能力，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)乳狀液高溫老化后的乳化能力強(qiáng)弱來(lái)評(píng)價(jià)乳化劑的抗溫能力。評(píng)價(jià)方法是先將初選合格的乳化劑在150℃高溫下老化16 h，再高溫?cái)嚢?0 min后倒入量筒中靜置觀察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 新型抗高溫水包油鉆井液乳化劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，2%HWZR＋1.5%HWFR作為乳化劑時(shí)抗高溫性最好。分析認(rèn)為，HWZR是在陰離子表面活性劑的疏水基和親水基間嵌入了聚氧乙烯鏈，使其分子結(jié)構(gòu)中同時(shí)帶有陰離子基團(tuán)和非離子基團(tuán)而得到的陰－非離子表面活性劑，而HWFR是一種HLB值小于8的油溶性脂肪酸鹽表面活性劑，2種改進(jìn)后的乳化劑的乳化能力和抗高溫能力都滿(mǎn)足要求，可以通過(guò)復(fù)配形成密堆復(fù)合膜來(lái)顯著增強(qiáng)鉆井液的乳化效果和穩(wěn)定性。由優(yōu)選的抗高溫乳化劑組成的水包油鉆井液性能評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 新型抗高溫水包油鉆井液抗高溫乳化劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 由優(yōu)選的抗高溫乳化劑組成的新型水包油鉆井液性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2 抗高溫增粘劑

對(duì)PAC－HV、80A51、HPAM、YJD及疏水締合物HVY等增粘劑進(jìn)行了抗高溫優(yōu)選評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，疏水締合物HVY在150℃下具有較好的穩(wěn)定性，粘度和切力在高溫后變化較??；相對(duì)于HVY，增粘劑YJD的抗溫能力較差，但是YJD具有較低的塑性粘度和高的3轉(zhuǎn)、6轉(zhuǎn)值，可以考慮將其作為流型調(diào)節(jié)劑來(lái)提高水包油鉆井液攜巖能力，同時(shí)對(duì)乳狀液的穩(wěn)定性也有提高。因此，選擇0.5%HVY作為新型水包油鉆井液的抗高溫增粘劑，YJD作為流型調(diào)節(jié)劑。

表4 新型抗高溫水包油鉆井液抗高溫增粘劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.3 抗高溫降濾失劑

常用的水包油鉆井液降濾失劑是PAC、改性淀粉和改性瀝青粉等，抗溫能力不超過(guò)120℃。目前抗高溫能力達(dá)150℃且適合于水包油鉆井液的降濾失劑并不多，優(yōu)選時(shí)還需考慮到降濾失劑與乳化劑和增粘劑之間的配伍性。因此，選擇多種降濾失劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

抗高溫降濾失劑HWFL屬于AMPS和AM二元共聚體的聚合物，由于在分子中引入了磺酸基團(tuán)和酰胺基，從而具有較強(qiáng)的抗高溫、抗鹽能力，具有顯著降濾失效果，且與其它處理劑配伍性好，得到的水包油鉆井液性能穩(wěn)定，因此選擇3%HWFL作為新型水包油鉆井液的抗高溫降濾失劑。

表5 新型抗高溫水包油鉆井液抗高溫降濾失劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 新型抗高溫水包油鉆井液性能評(píng)價(jià)

2.1 基本性能

通過(guò)上述單劑篩選實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定的新型抗高溫（150℃）水包油鉆井液基本配方為：（V海水∶V5號(hào)白油（或氣制油）＝7∶3）＋0.2%NaOH ＋0.15%Na2CO3＋2%預(yù)水化膨潤(rùn)土漿＋2%主乳化劑HWZR＋1.5%輔助乳化劑HWFR＋0.5%抗高溫增粘劑HVY＋0.25%流型調(diào)節(jié)劑YJD＋3%HWFL＋1.5%SMP－2＋1.5%TEX＋1.5%SPNH。新型抗高溫水包油鉆井液基本性能見(jiàn)表6。

表6 抗高溫（150℃）水包油鉆井液性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 抑制性與潤(rùn)滑性

采用JZ25－1S油田的6～10目巖屑，稱(chēng)取50 g，加入到350 m L鉆井液中，在150℃下老化16 h后過(guò)40目篩，篩余巖屑在105℃下烘干稱(chēng)重，計(jì)算熱滾后巖屑回收率。防膨性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)時(shí)稱(chēng)取10 g巖樣粉（過(guò)100目篩）在105℃下烘2 h，壓制5 mm巖心，用頁(yè)巖膨脹儀測(cè)量其16 h的膨脹量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型抗高溫水包油鉆井液能有效抑制巖屑水化分解和水化膨脹，抑制性強(qiáng)，防膨率高。

表7 新型抗高溫水包油鉆井液的巖屑回收率及膨脹率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

另外，對(duì)新型抗高溫水包油鉆井液的潤(rùn)滑性能與其它幾種常用的鉆井液進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)（表8），潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)采用泥餅粘附系數(shù)儀測(cè)定。從表8對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，優(yōu)選的新型抗高溫水包油鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性能。

表8 新型抗高溫水包油鉆井液與其他鉆井液潤(rùn)滑性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 穩(wěn)定性

為了考察新型抗高溫水包油鉆井液的自身穩(wěn)定性，150℃熱滾后分別在以下實(shí)驗(yàn)條件下靜置來(lái)拍攝考察：①玻璃瓶中常溫靜置；②玻璃瓶中80℃下靜置；③老化罐中150℃下高溫靜置后開(kāi)罐的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。從表9實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，新型抗高溫水包油鉆井液具有較好的乳化穩(wěn)定性，常溫、80℃和150℃下靜置均未發(fā)生明顯的析油分層現(xiàn)象，說(shuō)明所選擇的各種添加劑及鉆井液的抗高溫能力滿(mǎn)足150℃高溫條件下的作業(yè)要求。

表9 新型抗高溫水包油鉆井液穩(wěn)定性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 抗污染性

通過(guò)在新型抗高溫水包油鉆井液中分別加入NaCl、MgCl2、CaCl2、劣質(zhì)土、海水和原油，評(píng)價(jià)其熱滾前后鉆井液性能的變化，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。從表10可以看出，新型抗高溫水包油鉆井液抗各種無(wú)機(jī)鹽、劣質(zhì)土、海水和原油的能力很強(qiáng)，即使在150℃高溫滾動(dòng)后仍具有較好的流變性能、抗高溫降失水性能和穩(wěn)定性，滿(mǎn)足各種污染條件下的鉆井需要。

表10 新型抗高溫水包油鉆井液抗污染性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.5 油氣層保護(hù)評(píng)價(jià)

采用高溫高壓動(dòng)態(tài)失水儀，按照SY/T6540－2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》，在溫度90℃、壓力3.5 MPa條件下對(duì)2塊人造巖心進(jìn)行了動(dòng)態(tài)濾失和油氣層保護(hù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。從表11實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，2塊巖心滲透率恢復(fù)值都在85%以上，累計(jì)動(dòng)態(tài)濾失體積都很小，說(shuō)明鉆井液具有很好的封堵和保護(hù)油氣層能力。

表11 新型抗高溫水包油鉆井液油氣層保護(hù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

JZ25－1S油田太古界潛山地層主要由二長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)片麻巖、變質(zhì)花崗巖基體與花崗巖侵入體兩部分組成，儲(chǔ)層具有孔、洞、縫并存，非均質(zhì)性較高的雙重介質(zhì)特點(diǎn)，埋深1600～1950 m，屬于正常溫壓系統(tǒng)，地層壓力系數(shù)1.02～1.09，巖性致密，井壁穩(wěn)定。由于其地層靜溫在70～75℃，為降低鉆井液成本，提高體系針對(duì)性，對(duì)新型抗高溫（150℃）水包油鉆井液配方進(jìn)行了優(yōu)化，不加入2%的膨潤(rùn)土漿和0.5%HVY增粘劑，得到了中低溫水包油鉆井液體系，進(jìn)一步提高了油層保護(hù)效果（表12）。

采用上述中低溫水包油鉆井液配方在JZ25－1S油田A18、A31和A35S等3口潛山地層井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。A18井φ215.9井眼采用密度1.03 g/cm3的水包油鉆井液配合壓力控制鉆井工藝開(kāi)鉆，整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆井液各項(xiàng)性能穩(wěn)定，順利鉆進(jìn)至完鉆井深2270 m，鉆井液密度1.05 g/cm3。A31井和A35S井都采用A18井剩余大約180 m3的水包油鉆井液，采用振動(dòng)篩和離心機(jī)循環(huán)處理，降低鉆井液密度至0.99 g/cm3后開(kāi)鉆，同時(shí)配制約40 m3的水包油鉆井液新漿進(jìn)行維護(hù)，2口井完鉆時(shí)鉆井液密度1.02 g/cm3，整個(gè)鉆井過(guò)程中鉆井液各項(xiàng)性能穩(wěn)定，鉆進(jìn)過(guò)程安全順利。返排投產(chǎn)時(shí)3口井都獲得高產(chǎn)油氣流（表13），油氣層保護(hù)效果顯著。

表12 中低溫水包油鉆井液性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表13 JZ25－1S油田3口潛山地層井投產(chǎn)產(chǎn)量

上述3口井鉆井作業(yè)結(jié)束后，剩余的超過(guò)200 m3水包油鉆井液老漿在泥漿池中放置了近半年，隨后送至CFD18－1油田，在其A1H井和A2 HS井潛山井段進(jìn)行三開(kāi)作業(yè)，鉆井過(guò)程中鉆井液各項(xiàng)性能滿(mǎn)足鉆井作業(yè)要求，而且油氣層保護(hù)效果顯著，返排的油氣產(chǎn)量超過(guò)配產(chǎn)的2倍。CFD18－1油田A1 H井和A2HS井鉆井作業(yè)結(jié)束后將剩余的老漿再次用船返送回JZ25－1S油田A平臺(tái)泥漿池中存儲(chǔ)，進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后繼續(xù)在該油田后續(xù)的十多口潛山地層井中進(jìn)行了大規(guī)模重復(fù)應(yīng)用，鉆井液各項(xiàng)性能良好，大幅度節(jié)約了該油田潛山地層鉆井的鉆井液成本。

4 結(jié)論

（1）研制的新型抗高溫水包油鉆井液性能穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間存放后仍可重復(fù)利用，成本較低，體系較成熟，對(duì)渤海油田潛山地層大規(guī)?？碧介_(kāi)發(fā)具有重要意義。

（2）JZ25－1S等油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，所研制的新型水包油鉆井液抗溫性能更好，流變性易調(diào)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)配制維護(hù)方便，油氣層保護(hù)效果顯著，可在渤海其他油田潛山地層中推廣應(yīng)用。

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Study and application of the new high temperature tolerance oil－in－water drilling fluid

He Ruibing Fan Baitao Ma Yingwen Fu Jianmin Li Xiaogang
（Drilling Department of Tianjin Branch of CNOOC Ltd.，Tianjin，300452）

To solve the scarce of high temperature tolerance，stability and recycle of oil－in－water drilling fluid used in burial hill formation pressure control drilling in Bohai Sea，a new high temperature tolerance oil－in－water drilling fluid is studied by optimizing high temperature tolerance emulsifier，viscosifier and fluid loss agent.The laboratory evaluation results show that the new high temperature tolerance oil－in－water drilling fluid has well rejection，oiliness，stability，pollution tolerance and oil ＆ gas formation protection.For adapting to medium and low temperature in burial hill formation in JZ25－1S oilfield，the new high temperature tolerance oil－in－water drilling fluid has been optimized and applied successfully so as to decline drilling fluid cost.The new oil－in－water drilling fluid can spread to other oilfields in Bohai Sea.

the new high temperature tolerance oilin－water drilling fluid；agent optimize；laboratory evaluate；burial hill formation；field application

何瑞兵，男，工程師，2002年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院油氣井工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，目前主要從事鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用工作。地址：天津市塘沽區(qū)渤海石油路688號(hào)501信箱（郵編：300452）。

2011－01－24改回日期：2011－04－22

（編輯：孫豐成）