鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性評價方法

李家學，蔣紹賓，晏智航，回海軍，陳林，崔長顥

（1.塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000；2.北京石大胡楊石油科技發(fā)展有限公司，北京 102200；3.知合環(huán)境（北京）有限責任公司，北京 100035）

隨著對石油資源的不斷勘探和開發(fā)，鉆遇復雜地層增多，為了防止發(fā)生井下復雜情況，在鉆完井作業(yè)過程中保持鉆完井液有良好的靜態(tài)沉降穩(wěn)定性將是一個極大挑戰(zhàn)。在石油工業(yè)中，盡管研究者對鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性做了一些工作，但沒有形成一套系統(tǒng)的評價標準，大致歸納為在不同的測試條件下建立了一些定性和定量評價方法，其中一些評價方法還需精密儀器輔助，因此有必要對鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性的評價方法進行研究。

1 鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性評價方法

國內(nèi)外現(xiàn)有鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性評價方法大多數(shù)是依據(jù)實驗環(huán)境和沉降條件而建立的，因此鉆完井液靜態(tài)沉降測試方法有多種，包括靜態(tài)分層指數(shù)法[1-3]、靜態(tài)沉降穩(wěn)定性測定法[4-5]、沉降因子法[6-8]、高溫高壓沉降穩(wěn)定性測試裝置測定法[9]等定性定量測試方法；針入式沉實度測定法[2]、動態(tài)沉降裝置測定法[3]、穩(wěn)定性分析儀測定法[10-13]、循環(huán)模擬裝置測定法[14-15]等需借助精密儀器檢測鉆完井液沉降穩(wěn)定性的評價方法；較為簡單的落棒法，具體評價方法論述如下。

1）靜態(tài)分層指數(shù)法。它是一種定量定性評價鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性的方法，通過公式（1）計算出靜態(tài)分層指數(shù)（Static Stratification Index），簡稱SSI值，其值越大，鉆完井液沉降越嚴重，反之鉆完井液沉降穩(wěn)定性越好。

式中，V%i為每一層在老化罐內(nèi)所占的體積分數(shù)，%；△MWi為每一層鉆完井液與初始鉆完井液的密度差，g/cm3。

2）針入式沉實度測定法。它是一種基于針入式沉實度測定儀所建立的定性定量沉降穩(wěn)定性評價方法，主要測量鉆完井液沉降阻力以及沉實度，其值越大，沉降越嚴重，反之沉降穩(wěn)定性越好。

3）動態(tài)沉降裝置測定法。此法借助不同位置壓力傳感器測量鉆完井液在靜態(tài)下不同部位壓力隨時間的變化，然后通過模擬計算出鉆完井液密度隨時間變化情況。

4）靜態(tài)沉降穩(wěn)定性測定法。它是一種基于沉降穩(wěn)定性測定儀用來定性測量鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性，依據(jù)單點傳感器所測鉆完井液的平均密度隨時間變化來反推鉆完井液靜態(tài)沉降速率，其密度遞增（△ρ）越大，反映鉆完井液沉降穩(wěn)定性越差，測試結(jié)果局限于某點附近的密度隨時間變化。

5）沉降因子（SF）法。主要測定鉆完井液（游離液除外）上部與下部密度，定義公式見式（2），其中SF為0.5時，說明未發(fā)生靜態(tài)沉降，SF大于0.52說明靜態(tài)沉降穩(wěn)定性較差。

式中，SF為沉降因子，ρ上部為老化罐中除去清液后上部鉆完井液平均密度，ρ下部為老化罐中底部鉆完井液平均密度，g/cm3。

6）高溫高壓沉降穩(wěn)定性測試裝置測定法。該方法是一種定性定量評價鉆完井液沉降穩(wěn)定性的方法，通過對鉆完井液不同位置（主要測量上、中和下3 個點）密度，依據(jù)密度差值大小判定整體鉆完井液的靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。

7）穩(wěn)定性分析儀測定法。此法借助于穩(wěn)定性分析儀來測量樣品沉降穩(wěn)定性，通過累計樣品所有高度處前后兩次掃描測量的光強度變化值，定量、直觀地比較相關(guān)試樣的穩(wěn)定性差異，測試結(jié)果見公式（3），TSI值越小，體系穩(wěn)定性越好。

式中，h為掃描點高度，H為樣品總高度，i為掃描次數(shù)，scani（h）為第i次掃描參比光強度，scani-1（h）為第i-1 次掃描光強值。

8）循環(huán)模擬裝置測定法。此法借助于流動回路裝置，模擬鉆井現(xiàn)場條件進行鉆完井液沉降穩(wěn)定性實驗測試。

9）落棒法。落棒法是一種借助于玻璃棒測量鉆完井液沉降穩(wěn)定性的定性測定方法，當玻璃棒在鉆完井液中緩慢自由沉降時，它受到本身的重力G、液體作用在玻璃棒的浮力和鉆完井液提供的黏滯阻力F三個豎直方向的力，因此玻璃棒自由下落至罐底需要考慮因素太多，所以此法只能粗略評價鉆完井液沉降穩(wěn)定性。

鉆完井液沉降穩(wěn)定性評價方法的應用范圍局限于自身測試條件和環(huán)境因素，因此在實際應用中，穩(wěn)定性評價方法的選擇應取決于測試的準確性、操作性和實用性，綜合分析上述鉆完井液沉降穩(wěn)定性評價方法，得到以下結(jié)果。①全能穩(wěn)定性分析儀測定法適合理論研究鉆完井液沉降穩(wěn)定性。②動態(tài)沉降系統(tǒng)測定法和室內(nèi)循環(huán)模擬裝置測定法適合模擬現(xiàn)場評價鉆完井液沉降穩(wěn)定性。③高溫高壓沉降穩(wěn)定性測試裝置測定法和靜態(tài)沉降穩(wěn)定性測定法適合模擬高溫高壓評價鉆完井液的沉降穩(wěn)定性。④落棒法、針入式沉實度測定法、沉降因子法和靜態(tài)分層指數(shù)法易操作和實用性強，適合實驗室和井場實驗室快速評價鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。

2 靜態(tài)沉降評價方法研討

根據(jù)上述評價方法調(diào)研結(jié)果，選用落棒法、沉降因子法、針入式沉實度測定法和靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法4 種方法對水基鉆完井液進行沉降穩(wěn)定性能評價，依據(jù)實驗結(jié)果，對快速準確判定鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性評價方法進行研討。

2.1 評價方法

分別選取現(xiàn)場水基聚磺完井液A 和B 以及室內(nèi)配制1.80 g/cm3水基聚磺完井液C，其中完井液A 配方：井漿+0.25%NaOH+4%SMP-I+1.5%抗高溫降濾失劑+補加API 重晶石至1.68 g/cm3，完井液B 配方：井漿+1%抗高溫降濾失劑+0.5%JNJS-220+補加API 重晶石至1.80 g/cm3，完井液C 配方：5%膨潤土+6%SMC+6%SMP-1+0.5%高溫穩(wěn)定劑+0.3%降濾失劑+0.3%NaOH+API 重晶石加重至1.80 g/cm3，充分攪拌后分別進行150 ℃靜恒，選取不同時間（1 d、3 d、7 d 和15 d），分別采用落棒法、沉降因子法、靜態(tài)沉降穩(wěn)定性分層指數(shù)法（SSSI 法）和針入式沉實度測定法評價完井液沉降穩(wěn)定性。

2.1.1 落棒法

落棒法的測試結(jié)果見表1。將待測完井液高速攪拌10 min，測密度并記錄，然后裝入老化罐，擰緊；置于烘箱中進行靜置恒溫實驗，待到設定時間，冷卻打開老化罐，將玻璃棒自由落體插入老化罐中，能聽見玻璃棒觸底聲音，說明完井液的靜態(tài)沉降穩(wěn)定性好，反之則差。由表1 可知，將玻璃棒插入老化罐底部，完井液B 和C 均能輕松觸底，但水基完井液A 經(jīng)過3 d 靜置恒溫后，底部有大量重晶石軟沉降，導致玻璃棒不能自由觸底。從實驗結(jié)果上看，落棒法不能定量判定完井液的沉降程度。

2.1.2 沉降因子法

沉降因子法的測試步驟如下，實驗結(jié)果見表2。

表1 在150 ℃下水基完井液的落棒法評價結(jié)果

表2 在150 ℃下水基完井液的沉降因子評價結(jié)果

將待測完井液高速攪拌10 min，測密度，后裝入老化罐擰緊；置于烘箱中進行靜置恒溫實驗，待到設定時間，冷卻打開老化罐，測完井液上下密度，計算游離液，按照公式（2）計算出沉降因子SF。由表2 可知，完井液底部密度隨著靜恒時間延長逐漸增大，即靜態(tài)沉降穩(wěn)定性越來越差，當完井液的分液率較低時，所測沉降因子能反映完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性，但在表2 中完井液A 所測沉降因子呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，按照1.5 方法判定標準，無法正確判斷完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性變差情況。因此沉降因子法不能用于評估較大分液率的完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。

2.1.3 針入式沉實度測定法

測試步驟為：①將待測完井液高速攪拌10 min，測密度，然后裝入老化罐，擰緊；置于烘箱中進行靜止恒溫實驗，待到設定時間，冷卻打開老化罐。②將老化罐置于針入式沉實度測定實驗裝置上，分別記錄4 個不同位置的探測器下降過程中的最大值（沉降阻力）及探棒到底停止后的穩(wěn)定值（沉實度）。③清洗探棒。由表3 可知，完井液A、B 和C 所測沉實度和沉降阻力隨著靜恒時間增長而變大，但在150 ℃下，密度均為1.8 g/cm3完井液B 和C 所測結(jié)果差別較大，說明針入式沉實度測定法所測結(jié)果可能還受其他因素影響。因此針入式沉實度測定方法可以解釋完井液沉降變化趨勢，但不能直接定量確定沉降穩(wěn)定性變化程度。

表3 在150 ℃下水基完井液的針入式沉實度評價結(jié)果

2.1.4 靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法

靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法（Static Stable Stratification Index）在1.1 評價方法基礎上改進的方法，具體步驟：將完井液加入老化罐中，在特定溫度下靜態(tài)放置一段時間后，將老化罐中鉆完井液從上至下分為4 層，依次為游離液，上層（h=2.5 cm）、中層和下層（h=2.5 cm），分別移至燒杯中，并記錄各層體積，然后用密度計測試密度，并記錄，最后依據(jù)公式（4）計算靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)（SSSI），實驗結(jié)果見4。

表4 在150 ℃下水基完井液的靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)評價結(jié)果

由表4 可知，完井液A、B 和C 所測SSSI 值隨著靜恒時間增長而變大，且在150 ℃下，密度均為1.8 g/cm3完井液B 和C 所測SSSI 值可以明顯判定出它們沉降穩(wěn)定性差異。從完井液A 所測SSSI 變化趨勢，可以看出完井液的穩(wěn)定性變差時候發(fā)生在靜恒1～3 d 時間段。因此，SSSI 法不僅能區(qū)分相同密度完井液沉降穩(wěn)定性靜恒過程發(fā)生的變化，還能判定完井液沉降穩(wěn)定性變差發(fā)生時間段。

2.2 4種評價方法結(jié)果綜合分析

對落棒法、沉降因子法、針入式沉實度測定法和靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法4 種方法所得到的結(jié)果進行綜合分析，結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 不同沉降穩(wěn)定性評價方法測試水基完井液A 結(jié)果與底部密度之間關(guān)系

圖2 不同沉降穩(wěn)定性評價方法測試水基完井液B 結(jié)果與底部密度之間關(guān)系

圖3 不同沉降穩(wěn)定性評價方法測試室內(nèi)配制水基完井液C 結(jié)果與底部密度之間關(guān)系

落棒法存在較強的主觀性，只能粗略定性完井液沉降穩(wěn)定性，不能定量判斷完井液的沉降程度。由圖2、圖3可知，在靜恒15 d 期間，靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法所測結(jié)果與底部密度相關(guān)性最好，其相關(guān)系數(shù)R2值可達0.98 以上，其次是針入式沉實度測定法所測結(jié)果，其相關(guān)系數(shù)R2值在0.6～0.9 范圍，最差為沉降因子法，其相關(guān)系數(shù)R2值低于0.6，因此靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法所測結(jié)果能較為客觀反映水基完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。

2.3 鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性的影響因素

選取室內(nèi)配制完井液，在150 ℃下進行15 d靜態(tài)沉降穩(wěn)定性實驗，實驗結(jié)果見表5。

表5 2.0 g/cm3 完井液在150 ℃下的 15 d 靜態(tài)沉降穩(wěn)定性

由表6 可知，完井液在高溫靜恒實驗中底部密度一直在逐漸增大，表明完井液沉降持續(xù)在進行，而SSSI 值逐漸增大，說明完井液沉降穩(wěn)定性逐漸變差；從1#和2#配方實驗結(jié)果可知，加重劑的粒徑和完井液黏度對完井液沉降穩(wěn)定性影響較少，而分液率對完井液沉降穩(wěn)定性測試結(jié)果影響較大；從3#和4#配方沉降穩(wěn)定性可知，完井液的表觀黏度對完井液沉降穩(wěn)定性的影響較少，但分液率和加重劑的粒徑對完井液沉降穩(wěn)定性結(jié)果有一定的影響。因此，依據(jù)Stokes 定律[16-17]，影響鉆完井液沉降穩(wěn)定性能的因素一般包括加重劑的粒徑和密度以及鉆完井液的黏度和密度。

3 認識與建議

1.通過對靜態(tài)沉降穩(wěn)定性測試方法的調(diào)研分析，從準確性、操作性和實用性方面考慮，落棒法、針入式沉實度測定法、沉降因子法和靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法能簡單快速評價鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。

2.靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)所測鉆完井液結(jié)果比較真實反映完井液沉降穩(wěn)定性，所測SSSI 值與底部密度相關(guān)系數(shù)R2高達0.97 以上；針入式沉實度測定法所測結(jié)果只能判定鉆完井液靜態(tài)沉降趨勢，無法定量評價完井液實際沉降程度；沉降因子法只適合評價分液率較低鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性；落棒法只能粗略判斷鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。

3.如何長效控制和調(diào)控加重劑沉降穩(wěn)定性應該著重以下兩個方向，一方面需發(fā)一種新的儀器，定量測定各種溫度與壓力下，鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性，測試條件既能模擬現(xiàn)場，又能簡化操作。另一方面要深入研究影響不同密度鉆完井液性能在不同溫度與壓力下靜態(tài)沉降穩(wěn)定性的因素。