高溫高密度鹽水基鉆井液性能

蔣官澄，姚如鋼，李 威，夏天果，鄧田青

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒841000； 3.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田化學(xué)事業(yè)部，河北 廊坊 065201）

0 引言

深部鹽膏層段安全鉆井技術(shù)難題一直困擾深部油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程，鹽膏層段通常含有高壓鹽水層，鉆井液密度窗口窄，在鉆井過(guò)程中易出現(xiàn)井漏、溢流、井眼縮徑等現(xiàn)象.在鉆遇鹽膏層時(shí)，為防止地層鹽溶解，常使用礦化度很高的鹽水鉆井液鉆進(jìn)［1］，較高濃度金屬鹽離子將嚴(yán)重壓縮黏土雙電層，晶層間吸水能力受到極大抑制，膨潤(rùn)土分散造漿的能力受限.雖然海泡石、凹凸石棒等具有較好的抗鹽性，但成本太高，目前現(xiàn)場(chǎng)主要采用膨潤(rùn)土造漿［2］.雖然無(wú)黏土相鉆井完井液在降低儲(chǔ)層傷害方面取得較好的效果［3-4］；但由于配套的處理劑及維護(hù)工藝技術(shù)等發(fā)展緩慢且尚不成熟，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用并不多見(jiàn).為防止發(fā)生溢流及抑制鹽膏層井眼縮徑，通常需要增加鉆井液密度，要求高密度鹽水鉆井液體系性能具有特殊性，荷蘭皇家殼牌集團(tuán)等［5-10］研究開(kāi)發(fā)甲酸銫／鉀等有機(jī)鹽水低／無(wú)固相體系，應(yīng)用效果較好，但是因成本太高而未得到廣泛推廣.

常規(guī)高密度鹽水鉆井液通常由KCl和NaCl復(fù)配而成.由于常規(guī)高密度鹽水鉆井液體系屬于較稠的膠體懸浮體系，本身具有固相含量大、固相顆粒分散程度高、鉆井液體系自由水量少、鉆屑的侵入和積累不易清除等特點(diǎn)［11］，從而大幅度增大體系的黏度，導(dǎo)致高溫高密度鉆井液流變性及造壁性能調(diào)整控制非常復(fù)雜［12］；溫度、密度、壓力、pH、黏土含量、固相粒徑和含量、高價(jià)金屬離子含量和種類(lèi)，以及各種處理劑等因素將對(duì)鉆井液的流變性和造壁性產(chǎn)生復(fù)雜的影響［13-16］.

由于不清楚各種因素對(duì)鉆井液流變性的影響機(jī)理和規(guī)律，導(dǎo)致在配制高密度鉆井液或在現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)鉆井液性能時(shí)，主要依靠添加各種處理劑以達(dá)到所需要的性能，從而增加鉆井液成本，不利于安全、優(yōu)質(zhì)和高效鉆井［17］.

筆者通過(guò)研究膨潤(rùn)土漿的高溫聚結(jié)與分散特性，以及不同密度時(shí)鹽水體系流變性及失水造壁性能，結(jié)合粒度分布和Zeta電位數(shù)據(jù)，分析溫度、密度及膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鹽水基高密度鉆井液性能的影響及調(diào)控方法，對(duì)高密度鹽水鉆井液配制與性能維護(hù)具有指導(dǎo)意義.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

磺甲基酚醛樹(shù)脂SMP-2：工業(yè)品，勝利油田正旭石油科技有限公司；兩性離子聚合物包被抑制劑FA-367和褐煤樹(shù)脂SPNH：工業(yè)品，新鄉(xiāng)市隆馳化學(xué)有限責(zé)任公司；低黏聚陰離子纖維素PAC-lv：工業(yè)品，青州市清泉纖維素廠；磺化瀝青FT-1A：工業(yè)品，新鄉(xiāng)市百信化工有限公司；夏子街土、重晶石、鐵礦粉和磺化樹(shù)脂型改性降濾失劑（GJL-1、GJL-2及GJL-4）：工業(yè)品，中國(guó)石油鉆井院；聚合醇潤(rùn)滑劑DY-014：工業(yè)品，東營(yíng)市大用石油助劑有限責(zé)任公司；KCl：工業(yè)品，長(zhǎng)城鉆探工程公司；NaOH：分析純，淄博三銀化工有限公司；NaCl：分析純，北京化工有限公司；蒸餾水：自制.

1.2 儀器

YM型液體密度計(jì)、ZNN-D6A型6速旋轉(zhuǎn)黏度儀、XGRL-4型高溫滾子加熱爐、GJSS-B12K型變頻高速攪拌器和GGS71-A型高溫高壓失水儀：青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器制造廠；SD6A型多聯(lián)中壓濾失儀：膠南同春石油儀器有限公司；Malvern Mastersizer 2000型激光粒度儀和Zetasizer Nano ZS型激光納米粒度及Zeta電位分析儀：英國(guó)馬爾文儀器公司.

2 結(jié)果與討論

2.1 黏土聚結(jié)

鉆井液性能主要基于黏土與鉆井液內(nèi)各組分之間直接或間接的物理化學(xué)作用.首先考察膨潤(rùn)土漿在高溫下的性能，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將預(yù)水化膨潤(rùn)土漿（1%～5%及8%）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）分別在不同溫度下老化16h后取出，冷卻至溫度30℃左右測(cè)試表觀黏度AV（見(jiàn)圖1）.由圖1可知，膨潤(rùn)土漿表觀黏度呈現(xiàn)先逐漸升高（低于聚結(jié)溫度前）再降低（高于聚結(jié)溫度后）的趨勢(shì).在130℃溫度時(shí)，8%膨潤(rùn)土漿開(kāi)始聚結(jié)并下沉，聚結(jié)程度最為嚴(yán)重，1%及2%膨潤(rùn)土漿在180℃溫度后并無(wú)聚結(jié)現(xiàn)象.老化溫度及膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鉆井液體系的黏土聚結(jié)有重要影響，聚結(jié)程度隨鉆井液中膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大，聚結(jié)溫度隨膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而降低.

這主要是由于高溫增強(qiáng)水分子進(jìn)入蒙脫石晶層間的能力，促進(jìn)蒙脫石晶格膨脹，加劇黏土水化分散，黏土顆粒之間通過(guò)端—面和端—端黏結(jié)形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，從而增大鉆井液黏度.隨著老化溫度升高，黏土顆粒熱運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)逐步被破壞，蒙脫石晶層間水解吸附現(xiàn)象增強(qiáng)，黏土顆粒碰撞概率增大，高溫聚結(jié)／固化下沉現(xiàn)象逐漸凸顯，膨潤(rùn)土漿黏度開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì).在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于動(dòng)切力太小，未呈現(xiàn)明顯規(guī)律性變化.在高溫深井鉆井過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)在其臨界聚結(jié)質(zhì)量分?jǐn)?shù)以下.

2.2 密度及高溫老化的影響

2.2.1 鉆井液性能

通過(guò)一系列處理劑及其加量?jī)?yōu)選和處理劑配伍性實(shí)驗(yàn)，得到1＃實(shí)驗(yàn)配方——2.0% 夏子街土＋0.30%PAC-lv＋9.0%GJL-2＋1.0%GJL-4＋1.0%SMP-2＋2.0%SPNH＋2.0%FT-1A＋2.0%聚合醇＋7.0%KCl＋22.0%NaCl＋0.65%NaOH＋加重劑（m（重晶石）∶m（鐵礦粉）＝1∶1），分析1＃配方在不同密度條件下的流變性及濾失造壁性能.在鉆井液樣品配制過(guò)程中，使用高速（8 000r／min）攪拌，按照配方依次緩慢加入各處理劑，攪拌5min后再加入下一個(gè)處理劑，所有處理劑及加重劑加入之后再高速攪拌1h；測(cè)定流變性及濾失量前先低速（3 000r／min）攪拌20min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 在不同密度條件下基礎(chǔ)配方的流變性及失水造壁性能Table 1 Rheological and wall building properties of basic drilling fluid with different densities

由表1可以看出：各鉆井液樣品在150℃溫度老化16h后，表觀黏度和塑性黏度較老化前出現(xiàn)一定程度的下降，降低程度隨樣品密度的增加而增大.相較于老化前，在中、低密度條件下（樣品2＃、樣品3＃），各樣品老化后的動(dòng)切力出現(xiàn)較大幅度的下降；在高密度條件下（樣品4＃、樣品5＃），各樣品老化后的動(dòng)切力相對(duì)增大.這是由于高密度鉆井液中固體顆粒表面大量吸附體系中的自由水，即增加體系剩余水中黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在一定程度上促進(jìn)高溫條件下黏土的聚結(jié)，從而使得高密度鉆井液動(dòng)切力在老化后出現(xiàn)增大的現(xiàn)象.在高密度鉆井液（樣品5＃）中，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，固相顆粒間距小，顆粒間摩擦大，并且?guī)缀跞刻幚韯┓肿訁⑴c到與固相顆粒的交聯(lián)作用中，從而使得黏切力也較大，高溫促進(jìn)處理劑在黏土顆粒表面的解吸附及處理劑的分解，弱化體系的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；在低密度鉆井液中，由于固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，盡管一部分處理劑在高溫作用下失效，體系中仍有足夠的處理劑分子與固相顆粒相互交聯(lián)，從而維持體系的流變性能基本不變（樣品2＃）.

2.2.2 鉆井液體系Zeta電位

在高密度鹽水基鉆井液體系中，吸附在黏土片層上的金屬陽(yáng)離子將壓縮黏土顆粒雙電層，并且降低水化膜厚度，從而使體系膠體穩(wěn)定性變差；同時(shí)高溫也將促使處理劑在黏土顆粒上解吸附甚至分解，弱化體系的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，降低體系的穩(wěn)定性.因此，需要優(yōu)選高溫護(hù)膠能力強(qiáng)的抗鹽處理劑（如GJL系列、FA-367等），進(jìn)行處理劑之間的復(fù)配（如SMP-2、SPHN及聚合醇等），研發(fā)耐高溫抗鹽高密度鉆井液高效流變性調(diào)節(jié)劑、護(hù)膠劑等.

考察密度及老化溫度對(duì)鉆井液膠體穩(wěn)定性的影響，分別測(cè)定2?！?＃鉆井液樣品高溫老化前后Zeta電位（見(jiàn)圖2）.由圖2可以看出：高溫老化和提高鉆井液密度將使Zeta電位降低.原因是隨鉆井液密度的提高，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，體系中自由水減少，Na＋及K＋濃度增大，黏土雙電層及水化膜厚度被進(jìn)一步壓縮，從而使得Zeta電位逐漸降低；同時(shí)，高溫使得處理劑及黏土顆粒上的水化膜進(jìn)一步變薄，Zeta電位再次降低，膠體穩(wěn)定性變差.

2.2.3 鉆井液粒度分布

鉆井液絮凝現(xiàn)象是處理劑通過(guò)交聯(lián)作用將鉆井液體系中所含固相顆粒膠結(jié)成絮團(tuán)，對(duì)高密度鉆井液流變性及失水造壁性有重大影響.隨鉆井液密度增加，顆粒間距變小，顆粒間摩擦增大，從而使得黏切力增大.5＃鉆井液樣品老化前后的累計(jì)粒度分布見(jiàn)圖3.由圖3可以看出：高溫后，鉆井液樣品微米級(jí)（1～30 μm）、亞微米級(jí)（0.1～1μm）及納米級(jí)（1～100nm）固相顆粒體積分?jǐn)?shù)呈明顯上升趨勢(shì)，體系向細(xì)分散轉(zhuǎn)變.高溫后，剩余活性處理劑分子已無(wú)力維持高溫前的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，處理劑在黏土顆粒表面上的解吸附加劇，從而導(dǎo)致體系黏切力下降（見(jiàn)表1），并使體系向細(xì)分散轉(zhuǎn)變（見(jiàn)圖3），體系性能維護(hù)難度增大.

因此，在鉆井過(guò)程中需要反復(fù)處理井漿，并不斷補(bǔ)充各種處理劑.對(duì)于高密度鉆井液，應(yīng)降低鉆井液加重劑體積分?jǐn)?shù)，如采用更高密度加重劑或配合采用甲酸鹽膨潤(rùn)土漿等，并且優(yōu)化加重劑粒度級(jí)配.在調(diào)控高密度鉆井液性能時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)高效耐高溫包被抑制劑的研發(fā)和應(yīng)用，將影響機(jī)械鉆速和損害儲(chǔ)層的亞微米顆粒體積分?jǐn)?shù)控制在適當(dāng)范圍內(nèi).

3 鉆井液配方優(yōu)化與性能評(píng)價(jià)

在高溫深井鉆井過(guò)程中，黏土顆粒體積分?jǐn)?shù)超過(guò)鉆井液體系所能承受的范圍后，易在高溫條件下聚結(jié)，導(dǎo)致體系性能維護(hù)困難，甚至不可控；需要事先測(cè)定所用膨潤(rùn)土不同條件下的聚結(jié)情況，控制黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)在其聚結(jié)質(zhì)量分?jǐn)?shù)以下，加強(qiáng)固控系統(tǒng)的運(yùn)行及其清潔能力，開(kāi)發(fā)適當(dāng)?shù)奶幚韯?duì)黏土改性處理，以增加聚結(jié)難度，避免黏土顆粒在高溫井段發(fā)生聚結(jié).考慮1＃鉆井液樣品在高密度條件下性能較差，結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將GJL-2及GJL-4替換為GJL-1，同時(shí)在配方中增加FA-367，形成6＃鉆井液配方——2.0%夏子街土＋0.30%PAC-lv＋9.0%GJL-1＋0.5%FA-367＋1.0%SMP-2＋2.0%SPNH＋2.0%FT-1A＋2.0%聚合醇＋7.0%KCl＋22.0%NaCl＋0.65%NaOH＋加重劑（m（重晶石）∶m（鐵礦粉）＝1∶1），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.由表2可知：相較于5＃鉆井液樣品，6＃鉆井液樣品老化前后流變性及濾失造壁性能明顯改善.

表2 鉆井液優(yōu)化配方性能Table 2 Properties of the optimized drilling fluids

繼續(xù)調(diào)整6＃鉆井液樣品，將SMP-2、SPNH及聚合醇的加量統(tǒng)一調(diào)整為3.0%，得到7＃鉆井液樣品，其高溫高壓濾失量得到進(jìn)一步降低，黏切力顯著增大.這是由于SMP-2、SPNH及聚合醇起到協(xié)同增效的作用，從而改善鉆井液的濾失造壁性能.考慮高溫高密度條件下黏土聚結(jié)現(xiàn)象將使得體系增稠，并且降低鉆井液造壁性能.因此，將7＃鉆井液配方中膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0.5%，得到8＃配方［18］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低后黏切力得到顯著下降，而濾失造壁性能得到顯著提升.

4 結(jié)論

（1）老化溫度及膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鹽水基鉆井液黏土聚結(jié)有重要影響，黏土聚結(jié)程度隨膨潤(rùn)土漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大，聚結(jié)溫度隨膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而降低，在用好固控系統(tǒng)的同時(shí)，也可以通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚韯?duì)黏土進(jìn)行改性處理，以增強(qiáng)其抗高溫聚結(jié)能力.

（2）在鹽水基鉆井液中，高溫和高密度將使Zeta電位降低，從而導(dǎo)致體系膠體穩(wěn)定性變差，可以通過(guò)優(yōu)選高溫護(hù)膠能力強(qiáng)的抗鹽處理劑（如GJL系列、FA-367等），以及處理劑之間的復(fù)配（如SMP-2、SPHN以及聚合醇等）等提高鉆井液性能的穩(wěn)定性.

（3）高密度鉆井液的亞微米顆粒體積分?jǐn)?shù)較低密度鉆井液的高，高溫老化將提高鉆井液的亞微米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以通過(guò)增強(qiáng)體系的抗高溫抑制性、降低鉆井液加重劑體積分?jǐn)?shù)等措施改善體系的粒度分布.

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