東海大位移井油基鉆井液體系研究及應(yīng)用

耿 鐵，邱正松，苗海龍，張 偉

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，河北 三河065201）

我國東海海域的KQT 氣田距離已開發(fā)的平湖油氣田約63 km。前期勘探表明，該氣田為中低孔、中低滲儲層，天然氣儲量十分豐富。地層溫度可達(dá)170 ℃。前期開發(fā)主要采用直井開發(fā)，后期設(shè)計(jì)采用大位移井開發(fā)。由于該氣田中上部地層存在大段泥頁巖，并夾有薄層煤巖，鉆井過程中頻繁發(fā)生井壁坍塌掉塊、阻卡等，嚴(yán)重影響了鉆井安全，增大了綜合鉆井成本。此外，該氣田還存在高溫高壓地層，作業(yè)風(fēng)險較高。因此，出于安全及作業(yè)效率考慮，采用油基鉆井液進(jìn)行大位移井鉆探開發(fā)，對油基鉆井液提出了較高的技術(shù)要求，油基鉆井液必須具有良好的井眼清潔效果，避免發(fā)生巖屑床堆積等問題[1-4]，而且要求其具有良好的高溫高壓濾失性及抗污染性能等[5-7]。針對這一技術(shù)難題，通過關(guān)鍵處理劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了適合東海大位移井鉆進(jìn)的MO-DRILL 油基鉆井液體系，并成功進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 MO-DRILL油基鉆井液體系

海洋大位移井鉆井作業(yè)要求油基鉆井液具有良好的穩(wěn)定性、流變性及井眼清洗效果[8-10]。因此，重點(diǎn)優(yōu)選油基鉆井液乳化劑、潤濕劑、流型調(diào)節(jié)劑及有機(jī)土。

1.1 乳化劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

選擇現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，且生物毒性低的3 種乳化劑進(jìn)行性能評價，分別為聚酰胺類乳化劑PFMOMUL - 1、十二烷基苯磺酸類乳化劑PF -MOMUL-LT 和脂肪酸類乳化劑HI-EMUL。

1.1.1 乳化劑油水界面吸附特性 界面張力能反映表面活性劑從油水兩相向界面擴(kuò)散和吸附的動態(tài)平衡過程[11]。實(shí)驗(yàn)測試了3 種乳化劑對油水界面張力的影響。結(jié)果表明，PF-MOMUL-1 的油水界面張力最低，為0.3 mN/m，其次是PF-MOMULLT，界面張力為3.2 mN/m，而HI-EMUL 界面張力為16.8 mN/m。

1.1.2 乳化劑性能評價 對乳化劑的乳化效率和破乳電壓進(jìn)行測試。乳化效率的測試方法：取240 mL 白 油（5#）于 高 攪 杯 中，加 入6.0 g 試 樣，在10 000 r/min 下高速攪拌5 min 后，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)26%CaCl2水溶液60 mL，高速攪拌20 min 后，將其裝入老化罐后放入滾子爐中，在150 ℃恒溫滾動16 h 后，取出冷卻至室溫，再高速攪拌20 min，倒入500 mL 量筒中，靜置觀察，讀取不同時間分離出的油層體積。根據(jù)式（1）計(jì)算：

式中，W1為乳化效率，%；V 為不同時間分離出的油層體積，mL。

實(shí) 驗(yàn)結(jié)果如圖1、2 所 示。由圖1、2 可 知，PFMOMUL-1 和PF-MOMUL-LT 乳化 效 率 較 高，隨時間變化較為穩(wěn)定，并且破乳電壓較高，優(yōu)選為乳化劑組合。進(jìn)一步利用電子顯微鏡觀察高溫對乳狀液穩(wěn)定性的影響（見圖3）。從圖3 可以看出，高溫老化后乳狀液仍可保持較好的穩(wěn)定性，原因是優(yōu)選出的乳化劑組合配制的乳狀液界面上能夠形成由定向吸附的乳化劑分子緊密排列的界面膜，乳狀液穩(wěn)定性得到提高。

1.1.3 油水體積比對乳化劑性能的影響 以白油為基油，使用3%PF-MOMUL-1 和1%PF-MMUL-LT 配制乳狀液，水相為質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%CaCl2溶液，考察不同油水體積比下乳狀液的穩(wěn)定性。油水體積比為5∶5 時乳狀液有明顯的油水分層現(xiàn)象，原因是水相含量高時，較少的乳化劑用量不足以降低兩種液體間界面張力而使混合體系達(dá)到穩(wěn)定作用，導(dǎo)致油水分層。由不同油水體積比的乳狀液顯微鏡測試結(jié)果（見圖4）和乳狀液液滴粒徑測試結(jié)果（見表1）可知，油水體積比為6∶4、7∶3、8∶2 的乳狀液較穩(wěn)定，經(jīng)過160 ℃老化24 h 后，粒徑均有明顯的增加，其中油水體積比8∶2 的乳狀液粒徑增加最明顯。因此，油水體積比越高的乳狀液由于其液滴的分散程度和界面層上乳化劑分子密集程度高而呈現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。

圖1 乳化率測試Fig.1 Results of emulsifying efficiency tests

圖2 加入不同乳化劑的乳狀液破乳電壓測試Fig.2 Emulsion-breaking voltage of emulsions with different emusifiers

圖3 高溫老化前后乳狀液顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Photographs of emulsions observed by microscope before and after high temperature aging

1.2 潤濕劑優(yōu)選

測試3 種潤濕劑在乳狀液中的潤濕效率，包括兩性離子表面活性劑HIRLF 及脂肪酸類衍生物潤濕劑MOWET-1 和PF-MOWET-LT，結(jié)果如圖5所示。由圖5 可以看出，隨著靜置時間增加，分離出的油的體積逐漸增加，潤濕效率降低，其中，MOWET-1 和HIRLF 潤濕效果較好。

圖4 不同油水體積比乳狀液液滴高溫老化后的顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 Photomicrographs of emulsions with different oil/water ratios after high temperature aging

表1 不同油水體積比乳狀液高溫前后液滴粒徑變化Table 1 Variations of drop size of emulsions at different oil/water ratios before and after high temperature aging

圖5 潤濕劑潤濕率測試Fig.5 Humidity test for wetting agent

1.3 流型調(diào)節(jié)劑優(yōu)選

大位移井對鉆井液攜巖效果提出了更高的要求。若油基鉆井液切力及低剪切速率黏度低，懸浮性能差，容易形成巖屑床，影響正常鉆進(jìn)。使用有機(jī)土提高切力時，由于有機(jī)土高溫下易稠化，且加量大，對鉆井液的流變性影響較大。聚合物流型調(diào)節(jié)劑不僅能夠調(diào)控油基鉆井液的流變性，提高油基鉆井液攜巖能力，同時也能減少油基鉆井液中有機(jī)土的用量[12]，達(dá)到降低塑性黏度，提高鉆速的效果。為了滿足大位移井低塑性黏度、高動塑比的要求，需要優(yōu)選高效流型調(diào)節(jié)劑。選取3 種聚酰胺類流型調(diào)節(jié)劑PF-MOVIS、HRP 和PF-MOHSV-4 進(jìn)行評價實(shí)驗(yàn)。

1.3.1 不同流型調(diào)節(jié)劑對鉆井液性能的影響實(shí)驗(yàn)評價 分別加入0.5% 的流型調(diào)節(jié)劑PFMO-IS、HRP 及PF-MOHSV-4 的油 基 鉆 井 液，在150 ℃老化16 h 前后的基本性能，結(jié)果如表2 所示。

表2 加入不同流型調(diào)節(jié)劑前后鉆井液流變性測試Table 2 Rheological properties of drilling fluid with different rheology modifiers

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3 種流型調(diào)節(jié)劑都能提高油基鉆井液的黏度，尤其是熱滾前黏度明顯提高。加入PF-MOVIS 的油基鉆井液熱滾前后黏度幾乎不變，低剪切速率黏度（Φ6 和Φ3）提高明顯，破乳電壓較高，高溫高壓濾失量小。加入HRP 的油基鉆井液熱滾后表觀黏度明顯降低，低剪切速率黏度有所增加。而加入PF-MOHSV-4 的油基鉆井液老化后表觀黏度降低，Φ6 和Φ3 沒有明顯增加。因此，選擇PF-MOVIS 作為油基鉆井液的流型調(diào)節(jié)劑。

1.3.2 流型調(diào)節(jié)劑對油基鉆井液黏彈性的影響評價 傳統(tǒng)的鉆井液流變性評價方法無法反映流型調(diào)節(jié)劑對油基鉆井液體系結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理。采用安東帕MCR102 智能流變儀，實(shí)驗(yàn)分析了3 種流型調(diào)節(jié)劑及不同加量的PF-MOVIS 對油基鉆井液體系黏彈性的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 油基鉆井液的頻率掃描Fig.6 Frequency scanning curves of oil-based drilling fluids

圖6 中G'為彈性模量，是指材料發(fā)生形變時，由于彈性（可逆）形變而儲存能量的大小，反映材料的彈性大小；G''為黏性模量，是指材料發(fā)生形變時，由于黏性形變（不可逆）而損耗能量的大小，反映材料黏性大小。油基鉆井液乳狀液的G'大于G''，且G'基本上不隨頻率發(fā)生改變，說明乳狀液形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由圖6（a）可知，與空白基漿相比較，加入PF-MOHSV-4 的乳狀液G'幾乎無增加，說明乳狀液的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并沒有明顯提高，而加入HRP 及PFMOVIS 的乳狀液G'增加明顯，說明增強(qiáng)了乳狀液結(jié)構(gòu)。圖6（b）可知，隨著PF-MOVIS 加量增加，G'上升，說明乳狀液結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，破壞結(jié)構(gòu)所需的能量更大。而且加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5% 和1.0% 的PFMOVIS 的乳狀液頻率掃描曲線幾乎重合，表明加入0.5%PF-MOVIS 的乳狀液可形成具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的油基鉆井液。

1.3.3 PF-MOVIS 對油基鉆井液微觀結(jié)構(gòu)的影響分析 通過顯微鏡觀察加入PF-MOVIS 前后油基鉆井液的乳狀液結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果見圖7。由圖7 可知，在放大400 倍條件下，不含PF-MOVIS 的乳狀液顆粒分散，相互之間聯(lián)接不緊密；而加入了0.5%PF-MOVIS 的乳狀液，液滴顆粒有聚集的趨勢，顆粒相互緊密聯(lián)接，形成了具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的乳狀液，與乳狀液微觀流變性和黏彈性的結(jié)果相吻合。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，PF-MOVIS 不能分散到基礎(chǔ)油中，但是，當(dāng)在基礎(chǔ)油中加入少量有機(jī)土后，能使PF-M-VIS 完全分散，初步分析是PF-MOVIS 分子中的極性基團(tuán)與有機(jī)土中的極性基團(tuán)相互作用，形成比表面積大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)增黏、提切的目的。

圖7 乳狀液結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of emulsion

1.4 有機(jī)土優(yōu)選

對常用的3 種鋰蒙脫石有機(jī)土的膠體率及對鉆井液流變性的影響進(jìn)行測試（見表3）。

表3 有機(jī)土對鉆井液流變性的影響實(shí)驗(yàn)Table 3 Effect of organic clay on the rheological properties of drilling fluid

表3 結(jié)果表明，3 種有機(jī)土都具有較好的性能，其中PF-MOGEL 已成功應(yīng)用到230 ℃的油基鉆井液體系，因此，選擇其為大位移井油基鉆井液用有機(jī)土。

為了分析優(yōu)選的乳化劑和有機(jī)土復(fù)配后乳狀液的微觀特征，利用熒光聚焦顯微鏡和光學(xué)顯微鏡觀察乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)（見圖8）。

圖8 乳化劑與有機(jī)土復(fù)配制備乳狀液的顯微鏡照片F(xiàn)ig.8 Photomicrographs of emulsions prepared by emulsifier and organic clay

圖8 結(jié)果表明，有機(jī)土顆粒吸附在鹽水液滴表面，較為密集且乳狀液液滴粒徑小。原因是乳化劑為十二烷基苯磺酸鹽類，可以有效改變有機(jī)土潤濕性，從而使?jié)櫇裥赃m中的有機(jī)土顆粒吸附在鹽水液滴表面，進(jìn)一步增強(qiáng)了乳狀液穩(wěn)定性。

2 大位移井油基鉆井液體系構(gòu)建與現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 油基鉆井液配方與性能評價

在關(guān)鍵處理劑優(yōu)選基礎(chǔ)上，通過配方優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了油基鉆井液體系，配方為：80%白油+1.2%乳化劑+1%輔乳化劑+1.5%潤濕劑+0.5%流型調(diào)節(jié)劑+3%氧化鈣+2%有機(jī)土+2%降濾失劑+20%氯化鈣溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%）+重晶石（配方中百分?jǐn)?shù)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。鉆井液基本性能如表4 所示。表4 結(jié)果表明，該鉆井液體系具有良好的流變性，150 ℃高溫高壓濾失量僅為0.2 mL。經(jīng)過180 ℃高溫?zé)釢L后，乳狀液仍可保持穩(wěn)定，并且鉆井液體系可保持較高的動切力和較低的濾失量。表5 為油基鉆井液抗劣土及海水污染性能測試。表5 結(jié)果表明，在分別受到5%鉆屑和10%海水污染后，鉆井液破乳電壓降低，黏度稍有增加，但仍可保持合理的流變性和濾失性，表明其具有良好的抗污染能力。

表4 油基鉆井液基本性能評價Table 4 Basic properties of oil-based drilling fluid

表5 油基鉆井液抗劣土及海水污染性能測試Table 5 Results of clay and seawater resistance tests for oil-based drilling fluid

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用

新研制的油基鉆井液體系目前已在KQT 氣田應(yīng)用了4 口井。鉆井過程中，17-1/2″井段使用海水膨潤土漿鉆進(jìn)，12-1/4″和8-3/8″井段使用新研制的油基鉆井液體系鉆進(jìn)。表6 為4 口井在12-1/4″和8-3/8″井段使用新研制的油基鉆井液的現(xiàn)場實(shí)測性能參數(shù)。由表6 可以看出，該鉆井液在現(xiàn)場應(yīng)用中保持了較低的黏度和較高的動切力；破乳電壓較高，多維持在1 100 V 以上，體系穩(wěn)定性好；并且具有良好的降濾失效果，高溫高壓濾失量控制在7 mL 以內(nèi)。該體系在現(xiàn)場工程應(yīng)用中表現(xiàn)出了抗高溫、抗污染、井眼清洗效果好、流變性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，將繼續(xù)在我國東海以及南海海域的大位移井中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

表6 東海KQT 氣田4 口井12-1/4″井段油基鉆井液性能Table 6 Properties of oil-based drilling fluid in 12?1/4″hole section of 4 wells in KQT gas field

3 結(jié) 論

（1）針對我國東海KQT 氣田大位移井油基鉆井液技術(shù)難題，實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出乳化劑、潤濕劑及流型調(diào)節(jié)劑等關(guān)鍵處理劑，構(gòu)建了大位移井油基鉆井液體系配 方：80% 白 油+1.2% 乳 化 劑+1% 輔 乳 化 劑+1.5%潤濕劑+0.5%流型調(diào)節(jié)劑+3%氧化鈣+2%有機(jī)土+2%降濾失劑+20%氯化鈣溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%）+重晶石。

（2）新研制的油基鉆井液體系穩(wěn)定性好，具有良好的流變性及濾失性，低剪切速率黏度高，已在我國東海KQT 氣田進(jìn)行了成功應(yīng)用，表現(xiàn)出了抗高溫、抗污染、井眼清洗效果好等優(yōu)點(diǎn)。