巴基斯坦北部區(qū)塊抗高溫高密度柴油基鉆井液體系

黎凌，吉永忠許期聰李巍，楊剛

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探國際工程公司，成都 610051；2.油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川廣漢 618300）；3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院，四川廣漢 618300）

巴基斯坦石油天然氣開發(fā)公司（OGDCL）于1961 年由巴政府組建，是巴國內(nèi)最大的國家石油公司，擁有50 個(gè)區(qū)塊油田[1]。中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司于2019 年10 月成功中標(biāo)OGDCL 鉆井液技術(shù)服務(wù)單項(xiàng)標(biāo)，為其提供合同期2 年的鉆井液技術(shù)服務(wù)，服務(wù)區(qū)塊主要集中在巴基斯坦北部KPK 省的KOHAT、KARAK、FR LAKKI 等區(qū)塊，產(chǎn)層埋深超5000 m。該區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造異常復(fù)雜，為歐亞大陸與印度板塊碰撞期間，科希斯坦巖基和拉達(dá)克花崗巖帶沿著主地幔斷裂南段向南逆沖，與由北向南的褶皺一起構(gòu)成了喜馬拉雅造山帶，印度板塊與歐亞板塊的碰撞導(dǎo)致上覆沉積物抬升、褶皺和逆沖[2]。特殊的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，造成了地質(zhì)復(fù)雜，油氣埋藏深、地層傾角大、井深高溫、高壓、鉆井液密度高，從而導(dǎo)致該區(qū)域鉆井作業(yè)異常艱難，成為巴基斯坦乃至世界上鉆井最復(fù)雜的地區(qū)之一[3]，嚴(yán)重制約了巴基斯坦北部區(qū)塊的勘探開發(fā)進(jìn)程。

1 巴基斯坦北部區(qū)塊鉆井難點(diǎn)

巴基斯坦北部區(qū)塊上部地層Kamlial、Murree&Kohat 為長段軟泥巖地層，存在縮徑、部分漏失風(fēng)險(xiǎn)。中部地層Kuldana、J.Gypsum、Bhadur Khel Salt and Patala 為長段交錯(cuò)的石膏層、鹽巖層、頁巖互層，重復(fù)達(dá)5～6 次；BK Salt 鹽巖層易塑性變形蠕動(dòng)，導(dǎo)致卡鉆、落魚、側(cè)鉆頻繁；Patala 為活性頁巖層，極易吸水膨脹、垮塌，地層壓力系數(shù)高，鉆井液密度大，污染嚴(yán)重，導(dǎo)致卡鉆、落魚、側(cè)鉆頻繁。下部地層Lockhart 為低壓力系數(shù)碳酸鹽和砂巖地層，井漏嚴(yán)重，多為失返性漏失；產(chǎn)層Datta 為砂巖地層。

目前巴基斯坦北部區(qū)塊鉆井作業(yè)，一開采用膨潤土漿鉆進(jìn)；二開、三開多采用氯化鉀聚合物水基鉆井液體系，即腐植酸鉀+無鉻木質(zhì)素磺酸鹽分散體系，該體系鉆進(jìn)過程中存在鉆井液流變性難控制、抗污染差、濾失控制差，多發(fā)生卡鉆事故，嚴(yán)重影響鉆井周期；四開產(chǎn)層段采用抗高溫?zé)o傷害鉆井液體系。國際油服公司Halliburton 之前為當(dāng)?shù)刈畲蟮你@井液服務(wù)商，采用油基鉆井液為該區(qū)塊二開、三開井段提供了約10 口井服務(wù)，但仍然存在由于地層鹽水侵入污染，油基鉆井液抗污染能力差，黏度、切力非常高，流動(dòng)性控制困難，170 ℃高溫導(dǎo)致的油基鉆井液乳化穩(wěn)定性差，加之各開次固井質(zhì)量差，導(dǎo)致高地層壓力系數(shù)地層竄層，鹽膏層蠕動(dòng)，時(shí)常發(fā)生溢流、縮徑卡鉆和填井側(cè)鉆等難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近2 年巴基斯坦北部區(qū)塊油基鉆井液鉆進(jìn)井段卡鉆15 次，填井側(cè)鉆8 次，鉆井平均周期高達(dá)400 d，井眼報(bào)廢率達(dá)15%[4-7]。亟需在現(xiàn)有油基鉆井液體系上進(jìn)一步改進(jìn)，研究出抗高溫高密度油基鉆井液體系，解決流變性控制、抗高溫穩(wěn)定性及抗污染難題，并減少井下事故發(fā)生。

為此，筆者所在的技術(shù)團(tuán)隊(duì)積極開展科研攻關(guān)，針對(duì)上述難題同時(shí)滿足巴國油公司OGDCL 的技術(shù)要求，通過以0#柴油為連續(xù)相，氯化鈣水溶液為分散相，優(yōu)選抗高溫的主乳化劑、輔乳化劑、降濾失劑和提切劑，研發(fā)出一套適合巴基斯坦北部區(qū)塊的抗溫達(dá)180 ℃、密度大于2.20 g/cm3、老化前后破乳電壓大于1200 V 的抗高溫高密度柴油基鉆井液體系，重點(diǎn)解決了該套體系在高溫高密度條件下沉降穩(wěn)定性、乳化穩(wěn)定性、流變性、降濾失性和抗污染能力，以期適應(yīng)巴基斯坦北部區(qū)塊鉆井作業(yè)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

主要實(shí)驗(yàn)材料：有機(jī)土、乳化劑、抗高溫降濾失劑、氯化鈣（工業(yè)級(jí)）、生石灰（工業(yè)級(jí)）。

主要實(shí)驗(yàn)儀器：ZNN-D6B 六速旋轉(zhuǎn)黏度儀、GGS-71B 型高溫高壓濾失儀、Fann23E 電穩(wěn)定性測定儀、Fannix77Rh 型高溫高壓流變性測試儀、M8500 ultra 高溫高壓動(dòng)態(tài)沉降穩(wěn)定儀。

2.2 抗高溫高密度柴油基鉆井液處理劑的優(yōu)選

適用于巴基斯坦北部區(qū)塊的柴油基鉆井液體系，主要優(yōu)選處理劑包括有機(jī)土、主乳化劑、輔乳化劑和抗高溫降濾失劑。優(yōu)選指標(biāo)為：體系的密度范圍為2.0～2.20 g/cm3，抗溫能力≥180 ℃，老化前后破乳電壓≥1200 V，高溫高壓濾失量≤5 mL，動(dòng)切力＜15 Pa。

2.2.1 有機(jī)土

有機(jī)土質(zhì)量好壞主要以膠體率和抗高溫性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過國內(nèi)外調(diào)研并優(yōu)選出4 種有機(jī)土，代號(hào)分別為A、B、C 和D，評(píng)價(jià)得他們的膠體率分別為84%、90%、95%和86%?？梢钥闯觯袡C(jī)土C 的膠體率達(dá)到95%，為4 種有機(jī)土中最優(yōu)的。繼續(xù)評(píng)價(jià)4 種有機(jī)土抗溫性能，將3%有機(jī)土高速分散在0#柴油中，測定180℃老化前后的增黏、提切和降濾失效果，結(jié)果見表1。從表1 可以看出，經(jīng)過180 ℃老化16 h 前后，有機(jī)土A、B、D 在柴油中具有一定的增黏、提切和降濾失量效果，但均不如有機(jī)土C，說明有機(jī)土C 具有更加優(yōu)良的抗溫性能。綜合考慮4 種有機(jī)土的膠體率和抗溫性能指標(biāo)，最終確定選擇有機(jī)土C 作為抗高溫柴油基體系的有機(jī)土。表1 實(shí)驗(yàn)選用配方如下。

270 mL 柴油+30 mL（25%CaCl2鹽水）+3%主乳化劑+3%輔乳化劑+X%有機(jī)土+3%CaO+2%降濾失劑+重晶石（調(diào)節(jié)密度至2.0 g/cm3）

表1 不同有機(jī)土在180 ℃熱滾16 h 前后的抗溫性

考察不同加量有機(jī)土對(duì)基礎(chǔ)配方性能的影響規(guī)律，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，隨著有機(jī)土加量的增加，老化前后體系的表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力都逐漸增大，而體系的高溫高壓濾失量隨有機(jī)土加量的增加而減??；體系的破乳電壓值隨著有機(jī)土加量的增加而增大；當(dāng)有機(jī)土加量超過3%時(shí)，高溫高壓濾失量幾乎都不再下降，破乳電壓的增大幅度較小。因此，綜合考慮，確定有機(jī)土在體系中的最優(yōu)加量為3%。

表2 有機(jī)土C 對(duì)基礎(chǔ)漿性能的影響規(guī)律

2.2.2 乳化劑

收集了4 種國內(nèi)外公司生產(chǎn)的配套主乳化劑以及輔乳化劑，按照配方：270 mL 柴油+30 mL 25%CaCl2鹽水+1%主乳化劑+1%輔乳化劑進(jìn)行了乳化實(shí)驗(yàn)，乳化狀態(tài)對(duì)比見表3。從表3 可以看出，乳化劑B1 和B2 復(fù)配高溫老化后乳化效果仍然理想，乳狀液未分層，同時(shí)破乳電壓值達(dá)到483 V，為此選擇乳化劑B1 和B2 為該體系主乳化劑和輔乳化劑。

表3 不同乳化劑的乳化狀態(tài)數(shù)據(jù)（180 ℃熱滾16 h）

進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同加量乳化劑對(duì)體系流變性能及乳化穩(wěn)定性的影響，選擇油水比為90∶10 的基礎(chǔ)配方，結(jié)果見表4。從表4 可以看出，隨著乳化劑加量的增加，體系的表觀黏度和塑性黏度逐漸下降，動(dòng)切力呈現(xiàn)先下降，后趨于平穩(wěn)的趨勢，分析原因在于乳化劑讓水分子充分地分散在油相中，同時(shí)乳化劑越多，形成的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，表現(xiàn)為顆粒間摩擦力減小，從而表觀黏度和塑性黏度下降；另外體系的濾失量下降，破乳電壓值升高，當(dāng)乳化劑的加量超過3%后，這種升高趨勢不再明顯，故體系主乳化劑和輔乳化劑最優(yōu)加量為3%。

表4 乳化劑加量對(duì)基礎(chǔ)漿性能的影響規(guī)律

2.2.3 抗高溫降濾失劑

油基鉆井液的抗高溫降濾失劑分為改性腐植酸類、高軟化點(diǎn)瀝青和合成聚合物類3 種，室內(nèi)選擇3 種類型降濾失劑：合成聚合物類、改性腐植酸類1、改性腐植酸類2 和高軟化點(diǎn)瀝青，在基礎(chǔ)配方中評(píng)價(jià)可得，其180 ℃下高溫高壓濾失量分別為4.2、8.8、6.8 和14.6 mL。可以看出，合成聚合物類抗高溫降濾失效果優(yōu)于改性腐植酸類，改性腐植酸類優(yōu)于高軟化點(diǎn)瀝青類產(chǎn)品，從形成的泥餅形態(tài)來看，合成聚合物產(chǎn)品的泥餅薄而致密，改性腐植酸類較厚，高軟化點(diǎn)瀝青形成的泥餅虛厚，且溫度越高形成的泥餅越厚，綜合來看，選擇合成聚合物作為該套柴油基鉆井液的降濾失劑。

為了考察合成聚合物類降濾失劑L-TROL 在柴油基鉆井液中的最優(yōu)加量，實(shí)驗(yàn)中測定了不同L-TROL 加量下的鉆井液性能。測得L-TROL 加量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%時(shí)，高溫高壓濾失量分別為12.8、8.6、6.0、4.8、4.4 和4.2 mL?？梢?，隨著L-TROL 加量的增加，鉆井液的高溫高壓濾失量逐漸降低，當(dāng)L-TROL 加量超過2%后，老化后高溫高壓濾失量趨于平穩(wěn)，且繼續(xù)增大加量對(duì)降濾失效果改善不顯著，因此降濾失劑L-TROL 的最優(yōu)加量為2%。

2.2.4 氧化鈣加量

氧化鈣是油包水鉆井液中必不可少的組分，主要是通過與體系中的乳化劑反應(yīng)，生成鈣皂，可以提高體系的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，另外還起到調(diào)節(jié)體系堿度的作用。評(píng)價(jià)了不同加量氧化鈣對(duì)鉆井液體系性能的影響，結(jié)果見表5。從表5 可以看出，氧化鈣的加量對(duì)該柴油基鉆井液的流變性、濾失性及電穩(wěn)定性有顯著的影響，隨著氧化鈣加量由1%增加到3%時(shí)，體系的流變性更優(yōu)，表觀黏度、塑性黏度都逐漸下降，高溫高壓濾失量逐漸降低，同時(shí)破乳電壓值逐漸升高，分析原因在于氧化鈣的加入促進(jìn)了體系的穩(wěn)定性，從而表現(xiàn)為破乳電壓值升高、高溫高壓濾失量下降；繼續(xù)增大氧化鈣的加量，體系的表觀黏度和塑性黏度變化不明顯，動(dòng)切力略有增大，高溫高壓濾失量升高，破乳電壓值下降，分析原因在于氧化鈣過量，體系趨于水潤濕。綜合考慮確定氧化鈣加量為 2%～3%。

表5 氧化鈣加量對(duì)油基鉆井液性能的影響（180 ℃、16 h）

3 抗高溫高密度柴油基鉆井液的性能

通過上述評(píng)價(jià)確定了抗高溫高密度柴油基鉆井液配方如下。在實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)該體系的抗溫性能、沉降穩(wěn)定性和高溫高壓下的流變性能以及抗鹽水污染還需要進(jìn)一步考察，需根據(jù)井下情況靈活調(diào)整上述材料的加量，以適應(yīng)鉆井需求。

270 mL 柴油+30 mL 25%CaCl2鹽水+3% 主乳化劑P-HT+3%輔乳化劑S-HT+3%有機(jī)土GELHT+3%CaO+2%降濾失劑L-TROL+重晶石，密度為2.0～2.2 g/cm3

3.1 抗溫性能

柴油基體系在不同溫度熱滾后的性能見表6。從表6 可以看出，當(dāng)溫度從 150 ℃升高到180 ℃，該柴油基鉆井液流變性良好，其中表觀黏度和動(dòng)切力變化很小，靜切力指標(biāo)優(yōu)良，高溫高壓濾失量由4.0 mL 增加至6.4 mL，滿足低于10 mL 的要求，同時(shí)破乳電壓由1800 V 降至1260 V，滿足高于1200 V 要求；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至190 ℃時(shí)，高溫高壓濾失量突增至10.6 mL，破乳電壓急劇降至928 V，低于標(biāo)準(zhǔn)值，體系中的處理劑發(fā)生了降解或者解吸附，同時(shí)表明該體系在180 ℃，密度為2.00 g/cm3下具有良好的抗溫性能。

表6 柴油基鉆井液在不同溫度熱滾后的性能（ρ=2.00 g/cm3）

3.2 沉降穩(wěn)定性

配制柴油基鉆井液，在180 ℃熱滾16 h，然后置于M8500 ultra 高溫高壓動(dòng)態(tài)沉降穩(wěn)定儀中測定不同時(shí)間后樣品的密度差，結(jié)果見表7。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在180 ℃、120 MPa 動(dòng)態(tài)模擬2.00～2.20 g/cm3密度范圍柴油基鉆井液的沉降穩(wěn)定性，48 h后密度差僅為0.02～0.04 g/cm3，未出現(xiàn)柴油析出的現(xiàn)象，高溫作用后性能穩(wěn)定，說明該柴油基鉆井液具有良好的沉降穩(wěn)定性。

表7 柴油基鉆井液的高溫高壓沉降穩(wěn)定性（180 ℃、16 h）

3.3 高溫高壓流變性

配制了密度為2.00 g/cm3的柴油基鉆井液，采用Fann IX77Rh 型高溫高壓流變性測試儀測定該體系在高溫高壓下流變性，結(jié)果見表8。設(shè)定溫度范圍為50～180 ℃，壓力分別為40、80、100、120 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在高溫高壓下，該柴油基鉆井液體系的塑性黏度和動(dòng)切力都是隨溫度的升高而減小，隨壓力的升高而增大；該體系在180 ℃、120 MPa 下的塑性黏度為11.63 mPa·s，動(dòng)切力為4.68 Pa，這就說明該體系在高溫高壓下仍能保持較好的流變性，對(duì)重晶石的懸浮穩(wěn)定性好，具有良好的攜帶巖屑能力，同時(shí)還表明在淺井時(shí)溫度是影響流變性的關(guān)鍵因素，深井時(shí)壓力成為影響流變性的關(guān)鍵因素。

表8 高溫高壓對(duì)柴油基鉆井液流變性的影響（ρ=2.00 g/cm3）

3.4 抗污染評(píng)價(jià)

1）抗鹽水污染評(píng)價(jià)。巴基斯坦北部區(qū)塊鹽水污染導(dǎo)致的油基鉆井液體系流變性差及乳化穩(wěn)定性一直是個(gè)難題，為此室內(nèi)采用飽和氯化鈉鹽水模擬現(xiàn)場污染，按照確定的基礎(chǔ)配方配制密度為2.00 g/cm3柴油基鉆井液，加入5%～15%的飽和氯化鈉鹽水，高速攪拌后測定老化前后體系的性能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表9 所示。

表9 柴油基鉆井液體系抗飽和鹽水污染評(píng)價(jià)

從表9 可知，隨著飽和鹽水加量的增加，該柴油基鉆井液在老化前后的表觀黏度、塑性黏度和切力均逐漸增大，濾失量也逐漸變大，破乳電壓值逐漸下降。當(dāng)飽和鹽水加量為15%時(shí)，體系的流變性在可以接受范圍，破乳電壓大于600 V，說明該柴油基鉆井液體系受到飽和鹽水污染后，具有良好的穩(wěn)定性能，能抗15%飽和鹽水污染。

2）抗巖屑污染評(píng)價(jià)。在該柴油基鉆井液中加入10%的鉆屑，在180 ℃滾動(dòng)老化16 h 后，體系的流變性變化不大，同時(shí)破乳電壓值仍然具有較高值，這就說明該套體系具有抗10%鉆屑污染的能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 柴油基鉆井液體系抗鉆屑污染評(píng)價(jià)

4 結(jié)論

1.通過處理劑和加量優(yōu)選形成了一套柴油基鉆井液體系，該體系抗溫達(dá)180 ℃，最高密度達(dá)2.20 g/cm3，老化前后破乳電壓大于1200 V；該體系在高溫高壓下48 h 后的沉降穩(wěn)定性好，密度差僅為0.02～0.04 g/cm3，未出現(xiàn)柴油析出的現(xiàn)象，高溫作用后性能穩(wěn)定，說明該柴油基鉆井液體系具有良好的沉降穩(wěn)定性。

2.該體系在高溫高壓下仍能保持較好的流變性，對(duì)重晶石的懸浮穩(wěn)定性好，具有良好的攜帶巖屑能力。

3.通過抗污染實(shí)驗(yàn)證明，該體系具有抗15%鹽水、10%頁巖和石膏污染的能力，滿足巴基斯坦北部區(qū)塊鉆井作業(yè)的應(yīng)用需求。