新型低固相油基鉆井液研制及性能評價

王曉軍

（中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124010）

新型低固相油基鉆井液研制及性能評價

王曉軍

（中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124010）

為解決常規(guī)油基鉆井液低溫流變性差、低剪切速率下易形成凝膠結(jié)構(gòu)及重晶石沉降等難題，開展了低固相油基鉆井液的研究。選用3#白油為基礎(chǔ)油，甲酸銫溶液為密度調(diào)節(jié)劑，在確定油水比的前提下，對各主處理劑進(jìn)行優(yōu)選及加量確定，研制出一種低固相油基鉆井液體系，并對其抗溫、抗污染、抑制性及儲層保護(hù)效果等性能進(jìn)行了評價。評價結(jié)果表明，低固相油基鉆井液體系具有良好的流變性和觸變性，抗溫達(dá)220℃，抗水污染20%，抗鉆屑污染25%，滾動回收率98.7%，滲透率恢復(fù)值90%以上。分析認(rèn)為，低固相油基鉆井液體系不僅能夠代替常規(guī)油基鉆井液應(yīng)用到強(qiáng)水敏地層及復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，在裂縫性碳酸鹽及低孔低滲儲層也具有良好的應(yīng)用前景。

低固相；油基鉆井液；剪切稀釋性；儲層保護(hù)

油基鉆井液憑借著高溫穩(wěn)定性、強(qiáng)抑制性及良好的潤滑性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于深井、超深井、大斜度定向井、大位移水平井及復(fù)雜地層井［1］。但由于常規(guī)油基鉆井液含有機(jī)土和重晶石等固相，在靜置或低剪切速率下，將形成一種高彈性類凝膠結(jié)構(gòu)，低溫條件下會加快、加劇凝膠結(jié)構(gòu)形成，現(xiàn)場施工中可引起上水不暢、憋泵及泵壓過高等問題的發(fā)生，嚴(yán)重時甚至?xí)T發(fā)井漏事故；非水基鉆井液重晶石的懸浮問題也特別突出，加重材料的沉降會導(dǎo)致防砂網(wǎng)堵塞［2］；此外，鉆井液中含有較高的固相，會污染儲層孔道，對儲層造成損害：因此，急需研發(fā)一種固相含量低、黏切適中的新型油基鉆井液，以克服常規(guī)油基鉆井液因流變性差、固相含量高帶來的一系列技術(shù)難題。

1 處理劑的優(yōu)選

1.1 基礎(chǔ)油

工業(yè)級白油是由加氫裂化生產(chǎn)的基礎(chǔ)油為原料，經(jīng)深度脫蠟、化學(xué)精制等工藝處理后得到的，產(chǎn)品無毒并具有良好的氧化安定性、化學(xué)穩(wěn)定性和光安定性。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的不同，其又被劃分為不同型號［3-4］，不同型號白油密度、黏度技術(shù)指標(biāo)見表1（表中：密度為依據(jù)SH/T 0604—2000標(biāo)準(zhǔn)在20℃時所測的數(shù)值；運動黏度為依據(jù)GB/T 265—1988標(biāo)準(zhǔn)在40℃時所測的數(shù)值）。為盡量降低基液的黏度，選擇3#白油作為體系的連續(xù)相。

表1 不同型號白油的密度、黏度指標(biāo)

1.2 水相

為控制水相活度，避免鉆井液中的水滲入地層造成泥頁巖水化膨脹，使用甲酸銫鹽水作為體系水相。甲酸銫為強(qiáng)電解質(zhì)，其溶液對泥頁巖水化膨脹、分散有較強(qiáng)的抑制作用，與儲層巖石和流體的配伍性好，并且具有良好的抗鹽、抗鈣、抗固相污染的能力［5］。同時，甲酸銫溶解度較高，水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)83.5%，密度可達(dá)2.300 kg/L，非常適合配制低固相鉆井液。

1.3 油水比

一般情況下，油包水鉆井液的水相體積分?jǐn)?shù)為15%～40%，最高可達(dá)60%，且不低于10%。在一定的含水量范圍內(nèi)，隨著水比例的增加，乳狀液的黏度、切力逐漸增大。提高含水量可減少基油用量，降低配制成本，但含水量過大，油水界面增加會不利于乳狀液的穩(wěn)定，導(dǎo)致維持油包水鉆井液乳化穩(wěn)定性的難度也隨之增加［6］。綜合鉆井液的穩(wěn)定性、成本及密度調(diào)整等因素，確定油包水鉆井液的油水比為50∶50。

1.4 乳化劑

為了形成穩(wěn)定的油包水乳化鉆井液，必須正確地選擇和使用乳化劑。絕大多數(shù)用于油包水乳化鉆井液的乳化劑是油溶性的表面活性劑，它們的 HLB（Hydrophile-Lipophile Balance）值一般應(yīng)在3.5～6.0。為了形成密堆復(fù)合膜，增強(qiáng)乳化效果，大部分的主乳化劑都有相應(yīng)的輔乳化劑與之相匹配［7］，輔乳化劑的HLB值大于7.0。

應(yīng)用離心法和乳化電壓法對收集的4種乳化劑進(jìn)行評價優(yōu)選［8］。在200 mL的3#白油中分別加入8 g主乳化劑、8 g輔乳化劑，高速攪拌20 min后加入200 mL蒸餾水，接著高速攪拌20 min后水浴加熱至50℃測破乳電壓；在10 mL離心管中加入10 mL乳狀液，并以2 000 r/min轉(zhuǎn)速離心5 min，測定試管中上部清液的體積，計算乳化率，結(jié)果見表2。

表2 不同乳化劑乳化效果評價

由表 2可知，VERSA乳化劑 （由主乳化劑VERSAMUL和輔乳化劑VERSACOAT配合使用）乳化效果好，破乳電壓較高，高溫老化后乳狀液依然穩(wěn)定，可作為低固相油基鉆井液的乳化劑。

1.5 增黏提切劑

由于低固相油基鉆井液體系中不含有機(jī)土，因此，需要性能較好的油基增黏劑提供黏度和切力，以保證鉆屑攜帶和懸浮。選取目前常用的3種增黏劑OVJ，RZ，GW-VIS，分別以1%的常規(guī)加量加入基漿中，對反映增黏劑性能的主要參數(shù)進(jìn)行測定（見表3），篩選出流型調(diào)節(jié)能力強(qiáng)且抗溫性能好的增黏提切劑。

表3 油基增黏劑性能對比評價

由表3可知，3種增黏提切劑常溫下基本都能滿足使用要求，但是高溫老化后只有GW-VIS仍能保持合適的黏度、切力及動塑比，因此，選擇抗溫性能更好的GW-VIS作為體系的增黏提切劑。

1.6 降濾失劑

自主研發(fā)的油基降濾失劑（GW-OFL）為合成油溶性高分子聚合物，該降濾失劑是通過對油基鉆井液中游離油相的吸附和高分子的封堵作用而起到降濾失作用。該降濾失劑在降低濾失量的同時，還具有增黏提切效果。在基漿（3#白油+2%VERSAMUL+2%VERSACOAT+ 50%HCOOCs飽和溶液）中分別加入2%降濾失劑進(jìn)行對比實驗，結(jié)果表明該降濾失劑降失水效果好，尤其是220℃高溫下失水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他同類產(chǎn)品（見表4）。

表4 不同油基鉆井液降濾失劑性能對比

1.7 堿度調(diào)節(jié)劑

生石灰CaO可使油基鉆井液的pH值控制在8.5～10.5，它在體系中可與乳化劑VERSAMUL生成鈣皂，增加體系的穩(wěn)定性，CaO吸水后生成的Ca（OH）2呈細(xì)分散狀態(tài)，從而可提高體系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，并且能夠克服酸性氣體的侵污［9］。

2 鉆井液體系配方優(yōu)化

2.1 乳化劑加量

在3#白油中加入不同量的主、輔乳化劑，按50∶50油水比加入甲酸銫飽和溶液，220℃熱滾16 h后，在50℃下測定各自性能，結(jié)果見表5。

表5 乳化劑加量對鉆井液性能的影響

由表5可知，當(dāng)主乳化劑VERSAMUL與輔乳化劑VERSACOAT的加量分別達(dá)到2%時，體系穩(wěn)定，破乳電壓高，分別增加各自的加量，體系破乳電壓變化不大。主乳化劑具有潤濕反轉(zhuǎn)作用，考慮到鉆進(jìn)中鉆屑對鉆井液性能的影響，可以適當(dāng)提高VERSAMUL的加量，因此，確定主乳化劑VERSAMUL的加量為2%～ 3%，輔乳化劑VERSACOAT的加量為2%。

2.2 增黏提切劑加量

以3#白油+2%VERSAMUL+2%VERSACOAT+ 50%HCOOCs飽和溶液+1%CaO為基漿，檢驗不同增黏提切劑GW-VIS加量對鉆井液流變性能的影響，結(jié)果見表6。

表6 增黏提切劑加量對鉆井液性能的影響

由表6可知，隨著GW-VIS加量的增加，鉆井液黏度、切力增加明顯，為使鉆井液具有合適的黏切及良好的流變性，考慮復(fù)雜結(jié)構(gòu)井對鉆井液切力要求較高，選擇增黏提切劑GW-VIS的加量為1.0%～1.5%。

2.3 降濾失劑加量

以3#白油+2%VERSAMUL+2%VERSACOAT+ 50%HCOOCs飽和溶液+1%GW-VIS+1%CaO為基漿，考察降濾失劑GW-OFL加量對鉆井液流變性能的影響，結(jié)果見表7。

表7 降濾失劑加量對鉆井液性能的影響

由表7可知，當(dāng)油基降濾失劑GW-OFL的加量為2%時，鉆井液具有較低的濾失量和良好的流變性，完全滿足現(xiàn)場施工的需要。

2.4 生石灰加量

以3#白油+2%VERSAMUL+2%VERSACOAT+ 50%HCOOCs飽和溶液+1%GW-VIS+2%GW-OFL為基漿，考察堿度調(diào)節(jié)劑CaO加量對鉆井液流變性能的影響，結(jié)果見表8。

由表8可知，CaO加量從0.5%增加到1.5%，鉆井液黏切有下降趨勢，再增加CaO的量，黏切趨于不變，破乳電壓先增后降，因此，選擇CaO的加量為1.5%。

2.5 低固相油基鉆井液體系配方

通過對主要處理劑的優(yōu)選和加量確定，最終形成的低固相油基鉆井液的基本配方為：3#白油+（2%～3%）VERSAMUL+2%VERSACOAT+50%HCOOCs溶液+（1.0%～1.5%）GW-VIS+2%GW-OFL+1.5%CaO+3% CaCO3，密度在0.900～1.580 kg/L可調(diào)。

表8 生石灰加量對鉆井液性能的影響

3 低固相油基鉆井液體系性能評價

3.1 流變性能

對密度為1.580 kg/L低固相油基鉆井液、全油基鉆井液 （5#白油+3%有機(jī)土+2%降濾失劑+5%有機(jī)褐煤+ 0.5%氧化鈣+3%超細(xì)碳酸鈣+1%潤濕劑+重晶石）和常規(guī)油包水鉆井液（80%柴油+2%有機(jī)土+2%降濾失劑+ 3%有機(jī)褐煤+2.5%高溫乳化劑+1%輔乳化劑+20% CaCl2溶液+0.5%氧化鈣+0.5%潤濕劑+重晶石）分別在室溫（20℃）及低溫（-20℃）條件下靜置24 h，以3 000 r/min攪拌20 min后室溫下進(jìn)行測試，結(jié)果見表9。

表9 3種油基鉆井液流變性能對比

由表9可以看出：與常規(guī)油基鉆井液相比，低固相油基鉆井液具有更好的流變性，其表觀黏度低，動塑比較高，剪切稀釋性強(qiáng)，有利于高效破巖及攜帶巖屑；尤其是在低溫條件下仍保持較好的流變性和觸變性，其較快的弱凝膠空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)使切力與時間無依賴性，有利于鉆屑懸浮，同時能避免重新開泵泵壓過高帶來的一系列問題。

3.2 抗溫性能

將密度為1.580 kg/L的低固相油基鉆井液分別在不同溫度熱滾16 h后測定其流變性及高溫高壓濾失量，結(jié)果見圖1。

圖1 低固相油基鉆井液抗溫性能

由圖1可以看出，隨著溫度的升高，鉆井液塑性黏度和動切力有下降趨勢，鉆井液高溫高壓濾失量有上升趨勢，但整體流變性能良好，黏切適中，濾失量仍控制在較低值，說明低固相油基鉆井液具有較好的高溫穩(wěn)定性。

3.3 抗污染性能

3.3.1 抗水污染

圖2為低固相油基鉆井液抗水污染性能指標(biāo)測試情況。

圖2 低固相油基鉆井液抗水污染性能

由圖2可以看出，密度為1.580 kg/L的低固相油基鉆井液被清水污染后，流變性變化不大，破乳電壓有下降趨勢，但水侵入量達(dá)到20%時，其破乳電壓仍大于1 000 V，整體性能穩(wěn)定，說明該鉆井液抗水污染能力較強(qiáng)。若在施工中混入過量的水，應(yīng)及時補(bǔ)充乳化劑及白油，保證體系油水比平衡及流變性穩(wěn)定［10］。

3.3.2 抗鉆屑污染

圖3為低固相油基鉆井液抗鉆屑污染性能指標(biāo)測試情況。由圖可以看出：當(dāng)鉆屑侵入量達(dá)到25%時，密度為1.580 kg/L的低固相油基鉆井液仍具有良好的流變性及較低的濾失量，說明該鉆井液抗鉆屑污染能力強(qiáng)；隨著鉆屑混入量的增大，鉆井液的塑性黏度略微增高，切力變化不大，這主要是由于塑性黏度受固相體積分?jǐn)?shù)影響更大一些，因此，在施工中必須保證固控設(shè)備使用率100%。

圖3 低固相油基鉆井液抗鉆屑污染性能

3.4 抑制性能

將取自遼河油田大民屯凹陷沙四下亞段油頁巖巖屑過100目篩，分別放在3種油基鉆井液中，并測定鉆井液濾液的CST值及220℃下滾動16 h后巖屑(40目)的回收率（見表10）。由表10可以看出，低固相油基鉆井液具有較強(qiáng)的控制泥頁巖水化分散的能力［11］，其抑制性能與全油基鉆井液相當(dāng)，優(yōu)于常規(guī)油包水鉆井液，原因為低固相油基鉆井液中水相為強(qiáng)電解質(zhì)甲酸銫，其抑制性能強(qiáng)于氯化鈣。

表10 3種鉆井液對巖屑的抑制性比較

3.5 儲層保護(hù)效果

在220℃，3.5 MPa壓力下，選用不同儲層物性的巖心，結(jié)合相應(yīng)地層水資料，利用高溫高壓動態(tài)失水儀來模擬1.580 kg/L低固相油基鉆井液在鉆井條件下對儲層的動態(tài)污染，結(jié)果見表11。

表11 低固相油基鉆井液室內(nèi)模擬損害評價

由表11可知，不同儲層物性的巖心被污染后，其滲透率恢復(fù)值均在90%以上，說明被測試的低固相油基鉆井液具有優(yōu)良的儲層保護(hù)性能。這是由于低固相油基鉆井液具有較低的濾失量和較強(qiáng)的抑制性，避免了黏土顆粒水化膨脹給儲層帶來的傷害［12-13］，同時較低的固相含量也減小了固相顆粒堵塞孔隙通道的幾率。

4 結(jié)論

1）低固相油基鉆井液比常規(guī)油基鉆井液具有更好的剪切稀釋性及觸變性，應(yīng)用不再受溫度及攪拌條件制約，并避免了重晶石加重帶來的沉降難題。

2）低固相油基鉆井液具有良好的高溫穩(wěn)定性及抗污染能力，還具有較強(qiáng)的抑制性及良好的儲層保護(hù)效果。

3）低固相油基鉆井液兼具低固相鉆井液及油基鉆井液的優(yōu)點,可代替水基無固相鉆井液應(yīng)用到裂縫性碳酸鹽巖儲層，代替常規(guī)油基鉆井液應(yīng)用到頁巖氣井、油頁巖水平井、鹽巖井等，也可作為保護(hù)儲層的鉆完井液應(yīng)用到低孔低滲儲層，因此具有良好的應(yīng)用前景。

［1］DAVISION J M，JONE M.Oil-based muds for reservoir drilling：their performance and clean-up characteristic［R］.SPE 72063，2001.

［2］王中華.國內(nèi)外油基鉆井液研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］.斷塊油氣田，2011，18（4）：533-537.

［3］中國石油化工集團(tuán)公司石油化工科學(xué)研究院.原油和石油產(chǎn)品密度測定法（U形振動管法）：SH/T 0604—2000［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

［4］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.石油產(chǎn)品運動黏度測定法和動力黏度計算法：GB/T 265—1998［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

［5］鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)［M］.東營：石油大學(xué)出版社，2001：424-425.

［6］張志財.強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系的研究及應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2016，23（1）：109-112.

［7］KIRSNER J，MILLER J，BRACKEN J.Additive for oil-based drilling fluids：US7008907［P］.2006-03-07.

［8］高海洋，黃進(jìn)軍，崔茂榮，等.高溫下乳狀液穩(wěn)定性的評價方法［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，23（4）：57-59.

［9］李麗，曾穎峰，劉偉，等.一種新型水基高效液體潤滑劑性能評價及應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2015，22（3）：398-401.

［10］DALMAZZONE C，F(xiàn)OLLOTEC A L，AUDIBERT-HAYET A，et al. Development of an optimized formulation for cleaning water injection wells drilled with oil-based systems［R］.SPE 107632，2007.

［11］李建成，關(guān)鍵，王曉軍，等.蘇53區(qū)塊全油基鉆井液的研究與應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2014，42（5）：62-67.

［12］張斌，杜小勇，楊進(jìn)，等.無固相弱凝膠鉆井液技術(shù)［J］.鉆井液與完井液，2005，22（5）：35-37.

［13］馬喜平，許帥，王曉磊，等.低壓氣藏用低密度無固相泡沫修井液的研制及試驗［J］.石油鉆探技術(shù)，2015，43（5）：100-105.

（編輯 史曉貞）

Development and performance evaluation of new low-solid oil-based drilling fluid

WANG Xiaojun
(Engineering Research Institute,Great Wall Drilling Company Ltd.,CNPC,Panjin 124010,China)

The conventional oil-based drilling fluid has many problems,such as poor rheology,being easy to form strong gel structure at low shear rate and barite settlement.In order to solve these puzzles,a low-solid oil-based drilling fluid technology was carried out.With 3#white oil as base oil,cesium formate solution as density modifier,reasonable oil/water ratio,main treatment agents optimization and added amount,a low-solid oil-based drilling fluid system was developed.The temperature resistance, contamination resistance,inhibition and formation protection were evaluated.The novel mud has good rheology,thixotropic, temperature resistance(up to 220℃),strong inhibition(98.7%scroll recovery)and excellent contamination resistance(20%water tolerance and 25%cuttings tolerance),and it can also effectively protect reservoir and achieve more than 90%of permeability recovery.Analysis shows that the new mud system not only can be applied to strong water sensitive formation and complex structure wells instead of conventional oil-based drilling fluid,but also has good prospect in fractured carbonate and low porosity and permeability reservoirs.

low-solid phase;oil-based drilling fluid;shear thinning;reservoir protection

國家科技重大專項課題“深井超深井優(yōu)質(zhì)鉆井液與固井完井技術(shù)研究”（2016ZX05020-004）；中石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目“連續(xù)管側(cè)鉆井技術(shù)與裝備現(xiàn)場試驗”（2015F-2001）、“高溫高密度鉆井液與可排放海水基鉆井液成套技術(shù)研發(fā)”（2014E-3802）

TE254

A

10.6056/dkyqt201703028

2016-11-27；改回日期：2017-03-15。

王曉軍，男，1984年生，工程師，主要從事鉆井液技術(shù)和油氣層損害診斷與保護(hù)等方面的研究工作。E-mail：wangxiaojun666666@126.com。

王曉軍.新型低固相油基鉆井液研制及性能評價［J］.斷塊油氣田，2017，24（3）：421-425.

WANG Xiaojun.Development and performance evaluation of new low-solid oil-based drilling fluid［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（3）：421-425.