高密度鉆井液高溫靜態(tài)沉降穩(wěn)定性室內(nèi)研究

董曉強(qiáng)，李雄，方俊偉，張國(guó)

（1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3.中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，烏魯木齊 841000）

隨著油氣勘探的不斷深入，深井、超深井、高溫探井的數(shù)量越來(lái)越多，對(duì)水基鉆井液抗溫能力及熱穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高。因高溫沉降造成的鉆井液密度降低是導(dǎo)致井控安全風(fēng)險(xiǎn)增大的重要因素。目前，鉆井液沉降穩(wěn)定性的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以對(duì)井場(chǎng)鉆井液沉降穩(wěn)定性產(chǎn)生指導(dǎo)作用，其原因主要為：①井場(chǎng)鉆井液材料與實(shí)驗(yàn)室材料生產(chǎn)廠家不一致，材料性質(zhì)及加量不能完全一致，導(dǎo)致體系性能的差異較大；②對(duì)重晶石與膠液未進(jìn)行區(qū)分，主要以高密度鉆井液體系進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，對(duì)加重劑所處的膠液性質(zhì)分析不足；③采用體相流變?cè)u(píng)價(jià)高密度鉆井液體系黏度、切力等參數(shù)難以反映加重劑所處的應(yīng)力氛圍。通過(guò)原位振蕩流變測(cè)試法考察了膠液流變性質(zhì)對(duì)加重劑高溫沉降穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并與井場(chǎng)高密度鉆井液的沉降穩(wěn)定性進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析[1-7]。

1 靜態(tài)沉降穩(wěn)定性影響因素

高溫下高密度鉆井液中的加重劑會(huì)發(fā)生不同程度的沉降[8]。根據(jù)Stocks 定律[9]，重晶石等加重劑在水基鉆井液體系中的下沉速度受介質(zhì)與加重劑密度差、加重劑粒徑大小、加重劑所受切力、介質(zhì)黏度、溫度以及鉆井液處理劑等影響[10-11]。加重劑在體系中的沉降速度如式（1）所示。從式（1）可以看出，加重劑顆粒粒徑越大，與介質(zhì)密度差越大，沉降穩(wěn)定性越差；體系黏度越高，沉降穩(wěn)定性越好。由于Stocks 定律僅考慮體系黏度及密度差的影響，而未考慮處理劑間因相互作用形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及加重劑顆粒與處理劑間的作用，因此該定律不能直接定量分析鉆井液體系沉降穩(wěn)定性。

式中，u為下沉速度，m/s；ρ0為分散介質(zhì)密度，ρ為加重劑密度，kg/m3；μ為介質(zhì)黏度，N·s/m2；R為加重劑球形半徑，m。

近期研究表明，靜置狀態(tài)下高密度水基鉆井液中加重劑顆粒受重力、浮力、黏滯力的共同作用[7]，加重劑沉降與顆粒周?chē)ざ然蚍稚⑾囵ざ扔嘘P(guān)，而與鉆井液體相黏度關(guān)系不大[10]。因此筆者認(rèn)為重晶石在膠液中的懸浮穩(wěn)定性依賴(lài)于重晶石與膠液中處理劑（如大分子聚合物）以及處理劑之間相互作用的強(qiáng)度，鉆井液液相需要相對(duì)重晶石具有一定的黏滯作用力，抵消重力與浮力差，才能達(dá)到懸浮加重劑的目的，因此形成具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的凝膠對(duì)防止或減弱靜置狀態(tài)下重晶石沉降至關(guān)重要[7]。

2 膠液振蕩實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

1）原料（均為井場(chǎng)用鉆井液材料）：膨潤(rùn)土，新疆夏子街土；重晶石，SMC，SMP，SPNH；高密度潤(rùn)滑劑、改性瀝青、耐高溫耐鹽降濾失劑及高溫穩(wěn)定劑均為中石化石油工程技術(shù)研究院產(chǎn)品。

2）儀器：攪拌機(jī)DQJ，鼓風(fēng)干燥箱DGG-9000，六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)ZDD-D6，Zeta 電位儀ZETA PALS，全能分散穩(wěn)定性分析儀LAB-Expert，高溫高壓流變儀MCR101，轉(zhuǎn)子CC25/PR/Ti，接觸角測(cè)量?jī)xDSA100，激光粒度儀2308A。

2.2 評(píng)價(jià)方法

采用低剪切應(yīng)力及低振蕩頻率對(duì)膠液進(jìn)行小幅度原位振蕩測(cè)試，使其在不破壞締合結(jié)構(gòu)的狀態(tài)下做出黏彈性響應(yīng)，通過(guò)儲(chǔ)能模量G’、損耗模量G”和相角θ等參數(shù)分析重晶石在膠液中所處的應(yīng)力環(huán)境及反映靜置條件下膠液中處理劑間的作用。其中，儲(chǔ)能模量G’來(lái)源于形變產(chǎn)生的應(yīng)力，是儲(chǔ)存在樣品中的一種彈性能量，代表膠液的固體或彈性性質(zhì)，G’值反映出弱凝膠溶液的強(qiáng)度，儲(chǔ)能模量G’值較高說(shuō)明體系具有良好的抗聚結(jié)穩(wěn)定性[12]。損耗模量G”代表測(cè)試體系中的黏性大小，通常認(rèn)為儲(chǔ)能模量越高，體系越接近于固體，不易流動(dòng)且穩(wěn)定性高[13]。當(dāng)G’＞G”，膠液呈現(xiàn)出較強(qiáng)的固體或彈性特征，而黏性特征較弱。通常相角θ越大表明黏性成分占優(yōu)，體系表現(xiàn)出流體特征，tanθ越小則彈性成分占優(yōu)，體系表現(xiàn)為固體特征[14]。

2.3 高密度鉆井液實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)優(yōu)選水基鉆井液處理劑并優(yōu)化各組分加量，確定耐溫200 ℃、密度2.0 g/cm3高溫高密度鉆井液配方如下。

1.5%膨潤(rùn)土漿+4%SMC+4% SMP-3+3% SPNH+1%高密度潤(rùn)滑劑+1% 改性瀝青+1.5% 耐高溫耐鹽降濾失劑+0.3% 高溫穩(wěn)定劑+0.3% NaOH+重晶石

對(duì)比高密度鉆井液體系與膠液流變性能（見(jiàn)表1）可知，高密度鉆井液中重晶石含量高（φ=32%）、顆粒間受摩擦及靜電作用，處理劑在重晶石表面吸附后與處理劑的相互作用導(dǎo)致流型與膠液流型明顯不同。密度2.0 g/cm3高密度體系中，重晶石顆粒（密度4.0 g/cm3、平均粒徑13.6 μm）均勻分散在膠液中，理論計(jì)算顆粒間平均間距為1.75 μm，加重劑顆粒間的平均間距遠(yuǎn)大于發(fā)生范德華力需要的作用間距[15]，因此推斷膠液體系中組分間的相互作用是影響沉降穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

表1 重晶石加重密度為2.00 g/cm3 鉆井液的性能

首先對(duì)高密度鉆井液及其膠液進(jìn)行應(yīng)力掃描確定線性黏彈區(qū)，然后在應(yīng)力線性黏彈區(qū)內(nèi)選擇合適的應(yīng)力值并在0.1～10 Hz 的范圍內(nèi)進(jìn)行頻率掃描，結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 高密度鉆井液（a）及其膠液（b）線性黏彈區(qū)掃描結(jié)果（實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃）

從圖1 可知，振蕩頻率為1 Hz、高密度鉆井液及膠液應(yīng)力線性黏彈區(qū)分別小于2.0 Pa 和小于3.3 Pa。選取1 Pa 應(yīng)力，對(duì)體系進(jìn)行頻率掃描，結(jié)果見(jiàn)圖2。較高的剪切黏度和儲(chǔ)能模量能夠表現(xiàn)出更高的抗分層穩(wěn)定性和抗聚結(jié)穩(wěn)定性。圖2 中儲(chǔ)能模量和損耗模量隨振蕩頻率的增加而逐漸增大，0.6～8 Hz 頻率范圍內(nèi)相角變化不大，表明該振蕩頻率下體系中結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯變化，由此推斷，處理劑間的締合作用不僅未受到破壞，而且隨著振蕩頻率的增大而增大，因處理劑水化基團(tuán)電荷產(chǎn)生的靜電作用、聚合物疏水鏈間的締合和橋接作用以及磺化材料和水化膨潤(rùn)土顆粒水化膜斥力及水化膜彈性等作用，處理劑之間的彈性逐漸增強(qiáng)[15-16]，表明高溫下膠液仍能形成較強(qiáng)的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，有助于阻緩重晶石的沉降。

圖2 高密度鉆井液用膠液振蕩頻率掃描結(jié)果（200 ℃）

升溫過(guò)程中，儲(chǔ)能模量和損耗模量的變化可用來(lái)判斷膠液黏彈性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，以此反映分子間作用的變化。圖3 為靜置狀態(tài)下高密度鉆井液用膠液在1 Hz、1 Pa 條件下的振蕩實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 高密度鉆井液用膠液模量及相角隨溫度變化

從圖3 可以看出，在170 ℃以?xún)?nèi)隨著溫度的逐漸升高，儲(chǔ)能模量和損耗模量均表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，而且損耗模量G”大于儲(chǔ)能模量G’，表明升溫過(guò)程中膠液的黏彈性質(zhì)以黏性為主，膠液中共聚物類(lèi)大分子相互纏繞并締合形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的弱溶膠[17]，具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的溶膠型膠液能夠阻緩重晶石因重力與浮力差作用導(dǎo)致的沉降。從上述振蕩測(cè)試結(jié)果可以推斷，溫度升高造成膠液中聚合物極性基團(tuán)的水合作用降低，并使聚合物間分子作用增強(qiáng)，同時(shí)隨著溫度升高會(huì)破壞聚合物疏水基團(tuán)周?chē)乃Y(jié)構(gòu)、抑制聚合物鏈的伸展和聚合物等高分子間的締合，聚合物橋接作用減弱，并由分子間締合逐漸轉(zhuǎn)為分子內(nèi)締合，表現(xiàn)為體系黏度逐漸降低[17-18]。根據(jù)彈性理論，G’的大小反應(yīng)體系交聯(lián)程度的好壞，因此溫度升高導(dǎo)致體系交聯(lián)變差，從而導(dǎo)致體系黏度、G’和G”都出現(xiàn)一定程度下降。隨著溫度的繼續(xù)增加，聚合物分子柔順性增強(qiáng)[19]，造成G’和G”逐漸降低并趨于一平臺(tái)，即不再隨著溫度增加而變化，體系趨于一恒定的黏性松弛。但隨著溫度繼續(xù)升高，弱凝膠儲(chǔ)能模量增加幅度高于損耗模量，體系黏彈性表現(xiàn)為以彈性為主，即處理劑分子水化基團(tuán)的靜電作用以及磺化材料和水化膨潤(rùn)土顆粒水化膜斥力及水化膜彈性等彈性作用為主，處理劑間締合作用減弱。而且從原位振蕩實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，不同溫度下鉆井液均表現(xiàn)為黏彈性流體。另外文獻(xiàn)報(bào)道，G’大于10 Pa 推斷體系形成一種凝膠類(lèi)結(jié)構(gòu)[11]，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)論相近。

3 水基鉆井液沉降穩(wěn)定性結(jié)果分析

高密度鉆井液用膠液為黏土-磺化材料-共聚物分散體系，共聚物在黏土顆粒表面吸附，部分取代黏土顆粒間原有的卡片房子狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，部分形成以共聚物橋接作用形成柔性網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[17]。共聚物對(duì)含黏土分散體系儲(chǔ)能模量影響小，但損耗模量隨聚合物濃度增加而增加，共聚物加量對(duì)損耗模量的影響較大[13]，該現(xiàn)象與膠液體系屈服值和黏度隨聚合物濃度增加而增加的趨勢(shì)相一致。另外，磺化材料中含有大量磺酸根基團(tuán)，具有良好的水化特性，可在黏土顆粒周?chē)纬珊竦乃?，增加黏土顆粒間水化膜斥力及水化膜彈性[16]，同時(shí)共聚物類(lèi)降濾失劑中的疏水鏈節(jié)締合形成疏水微區(qū)，對(duì)增強(qiáng)黏土顆粒間的空間起到協(xié)同穩(wěn)定作用[17]，處理劑間的聚結(jié)作用增強(qiáng)，提高了體系高溫靜置狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)力，進(jìn)而增強(qiáng)了重晶石等固相顆粒高溫沉降穩(wěn)定性。

重晶石加入膠液后，共聚物、磺化材料等處理劑在重晶石表面吸附改變了重晶石顆粒表面理化性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。隨著處理劑在重晶石表面的吸附，增強(qiáng)顆粒表面的Zeta 電位，增大顆粒間的斥力，有利于阻止顆粒在高溫靜置過(guò)程中的聚結(jié)，同時(shí)表面的接觸角增大，說(shuō)明共聚物在顆粒表面發(fā)生吸附，表面疏水鏈朝外表現(xiàn)為疏水性增強(qiáng)，有助于顆粒通過(guò)疏水鏈締合在黏土-磺化材料-共聚物弱凝膠結(jié)構(gòu)中，增強(qiáng)高溫沉降穩(wěn)定性。

從表3 可知，依據(jù)沉降穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算的沉降速度遠(yuǎn)低于Stocks 計(jì)算的沉降速度，黏土-磺化材料-共聚物弱凝膠結(jié)構(gòu)可明顯阻緩重晶石的沉降速度，重晶石受弱凝膠網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的“撐托”作用，沉降過(guò)程中受到的黏滯作用力也明顯減小。由于Stocks 公式未考慮體系結(jié)構(gòu)力對(duì)沉降速度的影響，不適用于預(yù)測(cè)加重劑在形成明顯結(jié)構(gòu)力體系中的沉降速度。

表2 重晶石顆粒物理化學(xué)性質(zhì)（ρ=4.2 g/cm3）

表3 重晶石沉降速度對(duì)比

4 結(jié)論

1.鉆井液屬于黏彈性流體，Stocks 公式未考慮體系結(jié)構(gòu)力變化對(duì)沉降速度的影響，因此不適用預(yù)測(cè)溫度變化環(huán)境中加重劑的沉降速度和沉降穩(wěn)定性。

2.采用低應(yīng)力原位振蕩流變儀對(duì)膠液評(píng)價(jià)能夠較好反映加重劑在高密度鉆井液中的高溫沉降穩(wěn)定性。高密度鉆井液膠液升溫過(guò)程中主要表現(xiàn)為黏性特征（G”＞G’），鉆井液處理劑如共聚物等通過(guò)疏水締合、橋接作用以及黏土-磺化材料-共聚物形成具有柔性網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的弱凝膠，通過(guò)組分間的協(xié)同作用提高了高密度鉆井液沉降穩(wěn)定性。