鹽水侵污對油基鉆井液性能的影響及機理*

吳 濤，王志龍，楊龍龍，梁紅軍

（1.長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北荊州434020；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000）

油基鉆井液是以油為分散介質(zhì)的鉆井液，由油、有機土和處理劑［1-5］組成。油基鉆井液根據(jù)基油類型可分為4 類：柴油基鉆井液、白油基鉆井液、氣制油基鉆井液和低毒油基鉆井液。目前大部分油基鉆井液［6-10］選擇柴油為基液。柴油基鉆井液可抗高溫高壓，乳化穩(wěn)定性好，破乳電壓在600 V 以上，可以避免鉆井過程中的污染，保持鉆井液的性能穩(wěn)定［11-15］，且具有良好的防塌效果及潤滑性。庫車山前高壓鹽水層普遍發(fā)現(xiàn)壓力系數(shù)高，在鉆進過程中易發(fā)生高壓鹽水侵污鉆井液，導致鉆井液性能變差，維護處理難度大，鉆井復雜情況產(chǎn)生。因此，深入研究與分析鹽水對鉆井液性能影響的機理，對于鉆井液性能的維護具有指導性，有利于鉆井液性能更好的調(diào)控和穩(wěn)定，提高鉆井效率。本文針對鹽水對油基鉆井液的侵污這一問題，通過一系列的實驗考察了不同量的鹽水侵污對油基鉆井液性能的影響，分析了侵污機理，并提出了維護措施。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

油基鉆井液，取自克深2-1-4 井，取樣井深為5546 m，現(xiàn)場配方為：0 號柴油+2%數(shù)3%主乳化劑INVERMUL NT+2%數(shù)3%輔乳化劑EZ-MUL+0.5%數(shù)0.8%有機土+0.3%數(shù)0.6%懸浮劑SUSPENTONE+1.5%數(shù)2.5%降濾失劑ENEDRIM-0-201FHT+重晶石+鐵礦粉；飽和鹽水：在10 L蒸餾水加3.7 kg NaCl、13.8 g CaCl2、8.3 g MgCl2、76.4 g KCl、29.5 g Na2SO4配制而成。

JJ-1 型增力電動攪拌器，江蘇金壇市中大儀器廠；ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計、GJSS-B12K型高速攪拌器、701-40型滾子加熱爐、GGS42-2型高溫高壓濾失儀、ZNS 型中壓濾失儀，青島海通達專用儀器廠；XYM-3型液體密度計，青島創(chuàng)夢儀器有限公司。

1.2 實驗方法

根據(jù)中國石油天然氣行業(yè)標準SY/T5621—93《鉆井液測試程序》中的鉆井液性能測試程序測定鉆井液的密度、黏度、中壓濾失量、高溫高壓濾失量。

通過對現(xiàn)場鹽水的取樣分析，確定了現(xiàn)場鹽水的組成，室內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場鹽水的組分，配制了模擬地層的飽和鹽水，并以現(xiàn)場鉆井液的量為基準，直接加入不同含量的模擬鹽水并攪拌，測定經(jīng)飽和鹽水侵污后的油基鉆井液的性能。

利用自制的高溫沉降實驗裝置測試沉降穩(wěn)定性，高溫沉降實驗裝置規(guī)格為：內(nèi)徑6.35 cm，內(nèi)空凈高35 cm，高度39 cm，容積1107 mL。高溫沉降罐測試示意圖見圖1。高溫沉降穩(wěn)定性具體測試方法為：先用注射器或移液管移除上部清夜，棄掉上部1.5 cm厚的泥漿，測量上部鉆井液密度，記錄沉降罐液面高度，除去沉降罐中10 cm厚的鉆井液，再次測量鉆井液密度，兩者之差即為鉆井液的密度差。

圖1 高溫沉降罐測試示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)場油基鉆井液體系性能

室內(nèi)對現(xiàn)場油基鉆井液體系（油水比為92∶8）的密度、流變性能、濾失量、抗高溫性等進行測試。將現(xiàn)場油基鉆井液在150℃下熱滾16 h，在60℃下測試流變性能，150℃下測試高溫高壓濾失量，室溫下測試其他性能，結(jié)果如表1所示。由表1可知，現(xiàn)場油基鉆井液體系的性能較好，密度較高且濾失量很低。在150℃下熱滾16 h 后的濾失量、流變性幾乎保持不變，說明該油基鉆井液體系具有很好的抗溫性能。

2.2 鹽水對油基現(xiàn)場鉆井液體系性能的影響

為了探尋鹽水侵污對油基鉆井液性能的影響，以現(xiàn)場鉆井液體積為基礎加入不同量的鹽水，測試其對現(xiàn)場油基鉆井液性能的影響，結(jié)果如表2所示，實驗測試條件為：150℃下熱滾16h，在60℃下測試流變性能，150℃下測試高溫高壓濾失量，室溫下測試其他性能。在飽和鹽水加量為5%數(shù)20%時，隨著鹽水加量的增加，鉆井液黏度呈減小的趨勢，但減小幅度較小；飽和鹽水加量繼續(xù)增大時，鉆井液的黏度明顯增大。當鹽水侵污量較少時，體系仍具有較好的流變性能，浸入的鹽水與鉆井液形成了較為穩(wěn)定的乳狀液；而在飽和鹽水加量繼續(xù)增加時，鹽水大量侵入油基鉆井液體系，內(nèi)相含量即水相含量的提升，使得分散液滴更易聚集，并降低了泥漿的乳液穩(wěn)定性而使得泥漿的黏度提高。此外，隨著飽和鹽水加量的增大，API 濾失量幾乎沒有變化而HTHP 濾失量略有增加，不過增幅很小。不同飽和鹽水加量下的油基鉆井液熱滾前后的各項性能差距不大，這說明油基鉆井液的抗溫性能較好。在實驗中觀察發(fā)現(xiàn)，在油基鉆井液中加入了60%的飽和鹽水，在充分攪拌后，鹽水不能均勻分散在油基泥漿中，說明過多的鹽水不參與乳化。

2.3 鹽水對油基現(xiàn)場鉆井液體系沉降穩(wěn)定性的影響

取一定量的油基現(xiàn)場鉆井液，按所取的鉆井液的量分別加入5%、10%、15%、20%、30%、40%、50%、60%的飽和鹽水，配制成1000 mL的鹽水侵污后的鉆井液，置于沉降裝置中，分別在室溫、120℃、150℃條件下放置24 h 后取出冷卻至室溫，并用密度計測試其上下層密度并計算密度差，飽和鹽水加量對油基現(xiàn)場鉆井液沉降穩(wěn)定性的影響如表3所示。在高溫情況下，不同鹽水加量的油基鉆井液析水量可在一定程度上反映該鉆井液的沉降穩(wěn)定性能。在溫度相同的條件下，隨飽和鹽水加量的增大，鉆井液的沉降密度差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在高溫下，鉆井液表面析水量隨飽和鹽水加量的增加而增多，油基鉆井液的沉降穩(wěn)定性降低。隨著溫度的提升，分子間運動速度加快，乳化劑的解吸附速度增加，界面膜強度降低，體系容易發(fā)生油水分層現(xiàn)象，使得油基鉆井液的沉降密度差值變大，鉆井液表面的析水量增多，油基鉆井液的沉降穩(wěn)定性變差。飽和鹽水加量的增大會使得油基鉆井液體系的沉降穩(wěn)定性變差，影響程度會隨著溫度的增加而變得更加明顯。鉆井液的沉降穩(wěn)定性變差，會進一步惡化鉆井液的失水造壁性能；隨著密度下降，在壓力不平衡的狀態(tài)下會加速鹽水侵污的速度，當鹽水侵污量增加到一定的程度，會增大實際鉆井作業(yè)中復雜情況發(fā)生的風險。

表1 現(xiàn)場鉆井液的性能*

表2 鹽水加量對油基鉆井液性能的影響

2.4 鹽水對油基鉆井液破乳電壓的影響

乳狀液的破乳電壓是一種常用的判斷乳狀液穩(wěn)定性的性能指標，破乳電壓越高則表明乳狀液越穩(wěn)定。取一定的油基現(xiàn)場鉆井液，按所取的鉆井液的量分別加入5%、10%、15%、20%、30%、40%、50%、60%的飽和鹽水，并測試在不同鹽水加量下的破乳電壓與熱滾（150℃×16 h）后的破乳電壓，結(jié)果如表4所示。隨著飽和鹽水加量的不斷增大，鉆井液的破乳電壓逐步下降，鉆井液的穩(wěn)定性變差。盡管在熱滾（150℃×16 h）后的破乳電壓有所提高，但其破乳電壓減小的趨勢仍保持不變。鹽水的逐漸侵入降低了油基鉆井液的油水比，由于水相的侵入消耗了乳化劑，乳狀液滴的密集程度增大，從而更容易發(fā)生碰撞聚集使乳狀液變得不穩(wěn)定，降低了體系的電穩(wěn)定性，結(jié)果使得乳狀液的破乳電壓降低。

2.5 鹽水對油基鉆井液潤滑性及濾餅的影響

取一定量的油基現(xiàn)場鉆井液，使用極壓潤滑系數(shù)測定儀測試了飽和鹽水加量為5%、10%、15%、20%、30%、40%、50%、60%時的潤滑系數(shù)，并在熱滾（150℃×16 h）后測量在不同飽和鹽水加量下的濾餅厚度，結(jié)果見表5。由表5可知，隨著飽和鹽水加量的增大，鉆井液體系的的潤滑系數(shù)不斷上升，鉆井液整體保持著良好的潤滑性能。隨著飽和鹽水加量的提升，在高溫高壓條件下，泥漿的穩(wěn)定性能逐漸變差，使得重晶石不易分散在體系中而產(chǎn)生沉降，導致濾餅的厚度逐漸增加。

表3 鹽水侵污油基鉆井液后的沉降穩(wěn)定性

表4 鹽水侵污對鉆井液破乳電壓的影響

2.6 油基鉆井液體系性能維護

油基鉆井液在不同加量鹽水侵污后的維護方案及維護后鉆井液的性能如表6數(shù)8所示。在維護10%鹽水侵污后的油基體系時，主要針對流變性、油水比的恢復來設計維護方案，因為鹽水侵污會降低乳化劑的有效含量，改變油基鉆井液的油水比，在10%的鹽水侵污油基鉆井液體系中少量加入主輔乳化劑，即可使得流變性能恢復；對于20%鹽水侵污時對油基鉆井液直接加重處理，Φ600讀數(shù)已超過儀器測量范圍，加入乳化劑后雖然黏度有所下降，但仍然處于較高的水平，因此對于黏度、密度高的油基鉆井液體系建議適當用柴油調(diào)整黏度。當鹽水加量大于30%時，鉆井液體系的黏度隨飽和鹽水加量增加而增大，通過添加柴油使體系的油水比提高；通過添加主乳乳化劑、副乳化劑和降失水劑等處理劑以及用重晶石加重，使體系的密度、黏度和濾失量均得到較好的控制。

表5 鹽水侵污對鉆井液潤滑性的影響

表6 10%鹽水侵污后油基鉆井液體系維護

表7 20%鹽水侵污后油基鉆井液體系維護

表8 30%鹽水侵污后油基鉆井液體系維護

3 結(jié)論

當鹽水少量侵污時，適當?shù)拿芏日{(diào)整，可使體系各項性能基本滿足鉆井液設計要求。隨著鹽水侵污量的增加，油基鉆井液的黏度、切力下降明顯，流變性能變差，濾失量變高，會導致體系的失水造壁性能降低。鉆井液體系沉降穩(wěn)定性變差、鉆井液密度逐漸降低，會增大井下復雜情況發(fā)生的風險。

油基鉆井液在鹽水侵污后，體系的潤滑性能逐漸下降，泥餅厚度增加，易引起下鉆困難甚至黏附卡鉆現(xiàn)象。

根據(jù)鹽水侵污對油基鉆井液性能的影響機理，在少量鹽水侵污時，可適當補充主輔乳化劑及處理劑，并提高油水比，添加加重劑以維持鉆井液良好的流型及泥漿密度；當鹽水侵污較多時，則建議地面收集處理。