低密度鉆井液減輕劑研究進(jìn)展

摘 要：隨著世界范圍內(nèi)石油資源的不斷開采，以及老油田的長期開發(fā)，未來可采油氣儲(chǔ)藏逐漸向地質(zhì)條件復(fù)雜、低壓、低滲、低產(chǎn)能的方向轉(zhuǎn)變，低密度鉆井液將被廣泛應(yīng)用。介紹了當(dāng)前應(yīng)用最廣的低密度鉆井液減輕劑及其體系的組成與特點(diǎn)，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)作了展望。

關(guān)鍵詞：減輕劑；空心玻璃微珠；水包油；微泡沫；低密度鉆井液

1 引言

上世紀(jì)90年代以來，世界范圍內(nèi)的油氣勘探開發(fā)資源條件逐漸惡劣，由高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)向低壓、低滲、低產(chǎn)能方向轉(zhuǎn)變，對(duì)鉆井液的密度提出了新的要求，低密度鉆井液減輕技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。低密度鉆井液通常指密度小于1.0g/cm3的鉆井液，減輕劑是使其密度低于常規(guī)鉆井液的組分，主要分為以下三類[1]：

表1 低密度鉆井液減輕劑體系分類

2 空心玻璃微珠減輕劑

2.1 空心玻璃微珠的特點(diǎn)

空心玻璃微珠減輕劑（簡稱HGS）最早應(yīng)用于上世紀(jì)60年代的前蘇聯(lián)，目前在我國川渝、內(nèi)蒙、大慶、遼河等地油氣田鉆采中均有所應(yīng)用，產(chǎn)生了較好的效果[2]。利用HGS配制的低密度鉆井液具有性能穩(wěn)定、安全、污染小、潤滑性好、較易回收、可控制濾失、保護(hù)儲(chǔ)層好的特點(diǎn)。但HGS成本較高、對(duì)鉆井液非結(jié)構(gòu)性粘度影響較大，其破壞后反而會(huì)成為增重劑，造成鉆采困難。

HGS為單胞堿石灰硅酸硼類，外觀為白色粉末，粒徑在8～85？滋m，具有化學(xué)惰性，抗高溫高壓，不溶于除氫氟酸外的溶液等特點(diǎn)。目前，HGS通常采用美國3M公司產(chǎn)品，真實(shí)密度在0.32～0.60g/cm3，抗壓強(qiáng)度在14～124MPa[3]。

2.2 空心玻璃微珠鉆井液體系的性能

HGS加量與鉆井液密度一般呈線性關(guān)系。因此，可在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)鉆井液密度，一般加量越大，密度越低。隨著HGS加量的增加，鉆井液流變性變差：塑性粘度和動(dòng)切力均增大，但塑性粘度增大幅度更大，即HGS加量的增加對(duì)非結(jié)構(gòu)性粘度產(chǎn)生影響。因此，HGS的加入量一般不超過50%，部分情況下還需在鉆井液中加入降粘劑。

由于HGS呈球形，且硬度高、表面光滑，可起到類似于軸承中滾珠的作用，大幅降低鉆井液的摩擦阻力，提高機(jī)械鉆速，并降低鉆頭磨損。

HGS粒徑很小，與鉆井液處理劑具有非常好的粒級(jí)互補(bǔ)效果，可與其共同形成泥餅，參與井壁堵孔，不需加入降濾失劑就可以達(dá)到較低的濾失量控制要求[4]。鉆井液濾失量一般會(huì)隨著HGS的加入而降低。

2.3 空心玻璃微珠鉆井液的缺點(diǎn)

HGS鉆井液應(yīng)用過程中最主要的問題在于HGS性脆，在剪切的作用下發(fā)生破碎。一旦HGS破碎，其本體密度會(huì)從0.32～0.60g/cm3迅速上升至2.50g/cm3，使HGS從減輕劑轉(zhuǎn)變?yōu)榧又貏?，為維持密度穩(wěn)定需不斷補(bǔ)加，造成HGS消耗量大。

3 油減輕劑

由于油的密度低于水，也可以作為一大類減輕劑應(yīng)用于鉆井液中。將一定量的油分散在淡水或不同礦化度的鹽水中，形成以水為連續(xù)相、油為分散相的乳狀液。它由水相、油相、乳化劑和其它處理劑組成。水包油鉆井液具有密度低、抗溫能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、流動(dòng)性好、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]，但含油量超過74%會(huì)發(fā)生相反轉(zhuǎn)，因此鉆井液密度難以低于0.85g/cm3，一定程度上限制了其應(yīng)用。

3.1 水包油乳化劑

水包油乳狀液屬熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，影響其穩(wěn)定性的最主要因素是乳化劑[6]。水包油乳化劑的主要作用是將油和水兩種互不相容的液體通過乳化作用形成油是分散相、水是連續(xù)相的乳狀液。原則上，HLB值在8 l8范圍內(nèi)的乳化劑均可以作為水包油鉆井液的乳化劑[7]。實(shí)際選擇需根據(jù)油相的種類確定。

3.2 水包油鉆井液的性能

普通水基鉆井液的耐溫能力一般在100℃以內(nèi)，水包油減輕劑中的油相沸點(diǎn)相對(duì)較高。高溫滾動(dòng)老化實(shí)驗(yàn)表明：水包油鉆井液可在160～180℃、16h保持較好的流變性和較少的濾失量[6，8]。

水包油減輕劑具有較好的穩(wěn)定性，影響其穩(wěn)定性的因素主要來源于水油兩相的乳化作用。電導(dǎo)率測(cè)試法和靜置觀察法表明：相同油水比、相同乳化劑條件下，適當(dāng)增加乳化劑和穩(wěn)定劑添加量、減少加重劑添加量、提高剪切速率、粘土的混入均有利于形成體系的穩(wěn)定化[9]。

鉆井液在鉆井過程中容易受到油、水和鉆屑等污染物的污染，如果是在欠平衡狀態(tài)，這種情況可能更為嚴(yán)重。水包油減輕劑具有較好的抗污染性。通過測(cè)定污染前后的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)水包油減輕劑具有較好的抗原油、天然氣、地層水、膨潤土、鹽、CO2污染能力[10，11]。

巖膨脹儀和巖屑滾動(dòng)回收的測(cè)試表明：相對(duì)于海水和清水鉆井液，水包油鉆井液具有較好的防泥頁巖坍塌的能力和良好的抑制性，膨脹率一般在10%以內(nèi)，滾動(dòng)回收率可超過91.5%[12]。

水包油鉆井液相對(duì)于抑制性鉆井液、聚合物鉆井液、有機(jī)硅鉆井液具有更好的儲(chǔ)層保護(hù)能力。高溫高壓動(dòng)態(tài)失水儀測(cè)試表明：水包油鉆井液的滲透率恢復(fù)值一般在85%～95%，能夠抑制液相和固相的侵入，減少鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害[13]。

4 空氣減輕劑

空氣也可作為一種減輕劑應(yīng)用在鉆井液體系中，可以直接使用空氣鉆井，或形成微泡沫鉆井液。微泡沫一般指由粒徑在10～100？滋m之間的氣體、液體或乳液為核心的微泡沫構(gòu)成的膠體分散體[14]。利用空氣作為減輕劑，鉆井液的密度可調(diào)整至0.1-0.75g/cm3。

4.1 微泡沫鉆井液的組成及特點(diǎn)

微泡沫鉆井液組成包括了發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、增粘劑和其他處理劑，其中發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑是最主要的成分[15]。

微泡沫鉆井液的特點(diǎn)是配制工藝簡單、密度可調(diào)范圍大、具有架橋封堵能力、防漏作用好等[14，15]。但由于空氣具有可壓縮性，脈沖信號(hào)衰減嚴(yán)重，鉆水平井、大位移井需要使用MWD時(shí)限制了其使用，目前僅可應(yīng)用于井深在3000m以內(nèi)的鉆井環(huán)境[16]

4.2 微泡沫鉆井液的性能

由于井內(nèi)各點(diǎn)的壓力分布不同，隨著壓力的增加，空氣被壓縮，泡沫鉆井液的密度增加，因此，微泡沫鉆井液的密度在井內(nèi)是不斷變化的。而溫度對(duì)泡沫密度的影響較弱，這是因?yàn)闇囟仍礁?，分子?dòng)能越大，壓縮越困難，密度變化越小。

此外，在井下壓力的作用下，微泡沫侵入滲透性地層深部的微裂縫或孔道中[17]，具有防漏堵漏的作用，還可通過在微泡沫鉆井液中加入流體抑制劑和井壁穩(wěn)定劑有效防止井壁坍塌[18]。

5 結(jié)束語

減輕劑作為降低鉆井液密度的關(guān)鍵技術(shù)之一，核心理念是通過向常規(guī)鉆井液中加入相對(duì)密度更低的減輕劑從而形成低密度鉆井液，以適應(yīng)較低的地層壓力系數(shù)。目前應(yīng)用較為廣泛的低密度鉆井液體系為空心玻璃微珠、水包油和微泡沫鉆井液體系，但均存在一定的不足，可進(jìn)一步進(jìn)行改良和結(jié)合應(yīng)用，例如提高空心玻璃微珠抵御極端壓力環(huán)境的能力、提高水包油鉆井液的各類穩(wěn)定性、按一定比例復(fù)合空心玻璃微珠和水包油體系等，同時(shí)還可開發(fā)新型的減輕劑以適應(yīng)不同的施工情況。

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