適用于大位移井新型水基鉆井液室內研究

陳斌，周姍姍，趙遠遠，覃建宇，饒志華，狄明利，左坤

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000；3.中海油服油田化學事業(yè)部深圳作業(yè)公司，廣東深圳 518067）

隨著大位移井的不斷開發(fā)，技術的不斷進步，大位移井水平位移越來越長，對鉆井液的潤滑性能要求也越來越高[1-5]。油基鉆井液具有極佳的潤滑性能，能夠有效降低鉆井過程的摩阻扭矩，對大位移井的水平延伸具有重要的意義，并且油基鉆井液還具有更優(yōu)的井壁穩(wěn)定效果以及流變調控能力，是大位移井常用的鉆井液體系。但是，面臨日益嚴峻的環(huán)境保護要求，油基鉆井液的應用越來越受到限制，如何在大位移井實現(xiàn)水基鉆井液替代油基鉆井液是未來的研究方向。研究了一套新型水基鉆井液，以期能夠解決大位移井水基鉆井液的問題[6-10]。

1 大位移井鉆井液技術難點

1.1 通用難點

1）摩阻扭矩。為了增大采油面積及采油量，會盡量延伸大位移水平井的水平位移，但管柱的摩阻扭矩問題一直制約著大位移井的最大延伸范圍。史建剛指出，摩阻和扭矩是大位移井鉆井工程問題的核心[1]。

2）井眼清潔。大位移水平井由于井段較長，且具有一定的傾角或水平段，鉆屑容易沉積在井眼底部，一旦沉積，再沖刷起來將非常困難。

3）當量循環(huán)密度管理。大位移井延伸較長，隨著不斷的鉆進，泵壓持續(xù)升高，帶來壓力激動，甚至壓漏地層等問題。

4）井壁穩(wěn)定。大位移井裸眼段長，鉆井周期長，井壁裸漏與浸泡時間長，給井壁穩(wěn)定帶來了巨大的挑戰(zhàn)[11-14]。

1.2 水基鉆井液難點

井眼清潔與當量循環(huán)鉆井液密度管理是鉆井液的共性問題，而水基鉆井液在摩阻扭矩與井壁穩(wěn)定方面所面臨的問題尤為突出，尤其是如何解決好摩阻扭矩問題，是水基鉆井液能否在大位移井中應用的最大矛盾。

2 新型水基鉆井液設計思路

本文從分析油基鉆井液與水基鉆井液潤滑機理出發(fā)，跳脫出常規(guī)水基鉆井液思路以外，選取了一種同時具備潤滑、降濾失、抑制三合一的多功能基液MBF 來配制水基鉆井液，在著重解決水基鉆井液所具有的潤滑性不好的共性問題以外，一并解決了抑制和降濾失的問題。選取的MBF 為一種新型環(huán)保水溶性聚合物，該聚合物屬于高分子羧酸及其衍生物，分子中同時含有大量胺基基團，該聚合物可在金屬表面形成致密油膜，改善鉆井液潤滑性能；同時具有的大量胺基基團可牢固吸附在黏土和金屬表面，在增加水基鉆井液潤滑性能的同時，提高鉆井液體系的抑制性能；該聚合物在水中分散后，分子鏈在水中伸展，形成空間網狀結構，配合鉆井液中顆粒填充，可降低濾失量。實驗表明，MBF 可抑制黏土水化造漿，保證鉆井液在實際鉆井過程中，在不需要另外添加抑制劑的情況下，體系黏度不因鉆屑的不斷侵入而增加，改善當量循環(huán)密度增大等問題；還因其本身分子結構的特點，其具有一定降濾失的作用。同時MBF 還具有很好的生物降解性，可最終降解為對環(huán)境無害的最終產物，具有很好的環(huán)保性能。

2.1 MBF的潤滑性能

室內采用FANN212 極壓潤滑儀，評價了油基鉆井液與水基鉆井液常用基液的潤滑性能。結果顯示，聚合醇純劑具有一定的潤滑性能，但其仍低于白油的潤滑性能。而MBF 的潤滑性能遠遠高于白油、水和聚合醇，其純劑的潤滑系數(shù)達到了0.005。同時評價了不同MBF 加量下基液的潤滑系數(shù)，見表1。從表1 可知，隨著MBF 加量增大，基液的潤滑系數(shù)逐漸降低，加入50%的MBF 潤滑系數(shù)為0.033，與白油潤滑性能接近。FANN212 極壓潤滑儀測試是金屬滑塊與金屬滑環(huán)之間的摩擦，潤滑劑通過在金屬表面形成油膜來降低摩阻，隨著MBF加量的增多，潤滑系數(shù)逐漸降低，表明MBF 加量的逐漸增多，其在金屬表面形成的油膜越來越致密。

表1 常用基液潤滑及抗磨性能評價

2.2 MBF抗磨性能

在實際的鉆井過程中，鉆具和井壁可能會出現(xiàn)點與點之間的摩擦，這種情況下，摩擦點間的壓強快速上升，因此單一的潤滑系數(shù)不能完全滿足現(xiàn)場作業(yè)需求。李斌等提到用四球摩擦實驗來評價金屬表面點與點接觸條件下的長期抗磨損性能[2]。該方法雖然可以根據(jù)磨痕評價其抗磨性能，但無法量化抗磨程度。

該實驗采用KMY201 型抗磨試驗機評價不同潤滑劑的抗磨性能，該儀器主要通過砝碼增加金屬表面點與點之間的摩擦壓力，評價最終金屬表面磨痕及其可承受最多砝碼數(shù)量，量化不同潤滑的抗磨程度，砝碼為質量為800 g 的金屬塊。

室內評價了MBF 以及白油等基液的抗磨性能。評價結果表明，海水與白油的抗磨性能差異不大，僅能抗3～4 塊砝碼即卡停，而MBF 具有極佳的抗磨性能，10%加量時砝碼可加至7 塊，30%加量時砝碼可加至10 塊，圖1 為抗磨性能評價后形成的磨痕，可以看出，MBF 磨痕非常小，而白油和海水的磨痕非常大，且粗糙。說明MBF 在金屬表面形成的油膜可在高負荷下保持穩(wěn)定，故能夠防止套管磨損的發(fā)生。

圖1 常用基液的磨痕對比

2.3 MBF的抑制性能

評價結果顯示，MBF 具有極佳的抑制效果，其抑制膨潤土造漿性能和防膨率均較好。MBF 含量為10%～30%時，防膨率均達到了90%以上，高于聚胺和氯化鉀；并且，在受到25%鈉膨潤土污染后，MBF 基液的黏度仍然能夠維持本身基液的黏度不變，表明其具有極強的抑制鈉膨潤土造漿的能力，如表2 所示。

表2 在淡水中加入MBF 與加入常用抑制劑抑制性能對比

2.4 MBF的降濾失性能

室內評價了MBF 的降濾失性能，考察了基液在基漿中的加量變化對API 濾失量的影響，結果見表3。結果顯示，隨著MBF 加量的增大，API濾失量逐步降低，說明其具有很好的降濾失效果。MBF 加入，使基漿滾后黏度降低，分析認為，因MBF 有較強的抑制性能，可使水化好的膨潤土漿去水化，導致配制基漿黏度降低，同時MBF 所含大分子在基漿中分子鏈伸展，形成空間結構，配合膨潤土顆粒的填充，有效降低了膨潤土漿的濾失量。

表3 不同MBF 加量對濾失性能影響評價

2.5 MBF的生物毒性

采用GBT18420.2—2009 海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性檢驗方法檢測MBF 生物毒性，該方法要求在一級海區(qū)水基鉆井液半數(shù)致死濃度大于30 000 mg/L，二級海區(qū)水基鉆井液半數(shù)致死濃度大于20 000 mg/L。室內采用鹵蟲法評價，30%MBF 半數(shù)致死濃度為76 400 mg/L，50%MBF半數(shù)致死濃度為42 600 mg/L，該MBF 生物毒性滿足一級海區(qū)要求，具有較好的環(huán)境相容性。

3 大位移井新型水基鉆井液體系

基于上述對MBF 性能的評價，發(fā)現(xiàn)其具有良好的潤滑、抑制、封堵降濾失性能，將MBF 引入到常見的PLUS/KCl 水基鉆井液體系中，建立了一套新型水基鉆井液體系，該體系基本性能見表4。

新型水基鉆井液：70%海水+30%MBF+0.1%NaOH+0.4%PAC-LV+0.5%PLUS+2%淀粉降濾失劑+0.15%XC+2%防塌封堵劑+重晶石，ρ=1.3 g/cm3

從表4 可以看出，該新型水基鉆井液具有較好的黏度和切力值，高溫高壓濾失量在130 ℃時僅為3.6 mL，表明優(yōu)選出的MBF 多功能基液與常見水基鉆井液處理劑配伍性良好，可抗130 ℃。

表4 新型水基鉆井液抗溫性能評價

3.1 抑制性能

1）抑制造漿率。由表5 可知，新型水基鉆井液具有很好的耐污染能力，20%鈉膨潤土侵污后，流變性能等其它性能基本維持不變。

表5 不同鉆井液體系抑制造漿率評價

PLUS/KCl 鉆井液：淡水+0.4%NaOH+0.2%Na2CO3+1.5%淀粉降濾失劑+2%SPNH+3%LSF+3% 封堵劑CMJ+0.15%XC+7%KCl+10%NaCl+2%潤滑劑+2%聚胺+重晶石，ρ=1.3 g/cm3

2）滾動回收率。室內測得PLUS/KCl、油基鉆井液、新型水基鉆井液的滾動回收率分別為93.80%、99.62%和95.34%。油基鉆井液抑制性最好，新型水基鉆井液次之，但3 個體系均具有較好的抑制黏土水化分散的作用。油基鉆井液配方如下。

白油/鹽水（白油∶鹽水=80∶20）+2.0%主乳化劑+1.0%輔乳化劑+0.8%提切劑+1.5%堿度調節(jié)劑+2%有機土+3%降濾失劑+3%封堵劑+重晶石（密度為1.3 g/cm3）

3）線性膨脹率。如圖2 所示，室內利用膨脹量測試儀測得去離子水膨脹量達到了73.37%，而油基鉆井液膨脹量僅為0.2%，新型水基鉆井液為3.62%，略優(yōu)于PLUS-KCl 體系的4.52%。表明新型水基鉆井液體系在不另外添加抑制劑的情況下，具有較好的抑制效果。

3.2 潤滑性能

對上述3 套鉆井液體系的潤滑性能進行了評價，從極壓潤滑系數(shù)和抗磨兩個方面進行了對比評價，結果見表6。由表6 可知，新型水基鉆井液在不額外添加潤滑劑的情況下，潤滑系數(shù)可達到0.064，抗磨達到10 塊上限，無限接近于油基，明顯優(yōu)于常用的水基鉆井液體系。

表6 不同鉆井液體系潤滑及抗磨性能評價

3.3 抗鹽性能

新型鉆井液的抗鹽性能見表7。

表7 新型鉆井液體系抗鹽性能評價

從表7 可以看出，隨著NaCl 加量不斷增多，體系的黏度和切力呈降低趨勢，高溫高壓濾失量略有升高，但當NaCl 加量為15%，體系滾后切力依然達到7 Pa，高溫高壓濾失量為5 mL，可以滿足大位移井對鉆井液的流變要求，表明該水基鉆井液具有較好的抗NaCl 污染的能力。

4 結論及建議

1.新型水基鉆井液另辟蹊徑，以多功能基液MBF為基礎，著重解決了潤滑、封堵、抑制3個問題，為水基鉆井液帶了新的研究方向。

2.MBF 本身具有極佳的潤滑和抗磨性能，并兼具了抑制和封堵性能，以此建立的新型水基鉆井液具有很好的流變性、潤滑性，濾失量低，較常用的水基鉆井液優(yōu)勢明顯，潤滑性與油基鉆井液相當。

3.新型水基鉆井液在抑制黏土水化造漿，分散及膨脹性等方面，均具有良好的效果，具有極佳的耐污染性能，可防止大位移井井下當量循環(huán)密度過高而引起壓漏地層等井下復雜情況。

4.新型水基鉆井液基液是環(huán)保無毒的，環(huán)境友好，可生物降解。