新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系研究*

張健

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司，廣東湛江 524057)

近年來，隨著全球石油資源需求量的不斷增大，油氣資源的勘探與開發(fā)也逐漸向更深的地層發(fā)展，未來深層油氣資源的鉆探與開發(fā)會逐漸成為石油工業(yè)研究的熱點與焦點。隨著鉆井深度的增加，井底溫度和壓力逐漸升高，這就要求鉆井液體系必須具備良好的耐溫性能，并且當(dāng)鉆遇含鹽量較高的地層時，對鉆井液的抗鹽性能也有了更高的要求。因此，研究出抗高溫、高密度及高鹽的鉆井液體系成為深井鉆井作業(yè)施工急需解決的問題[1-5]。

有機(jī)鹽鉆井液在高溫、高壓以及高鹽地層鉆進(jìn)時能夠達(dá)到良好的鉆井效果，其通常具有較強(qiáng)的抑制性能以及抗鹽性能，能夠有效穩(wěn)定井壁，達(dá)到安全高效鉆井的目的[6-9]。但單獨使用有機(jī)鹽進(jìn)行加重時，鉆井液的比重往往不夠，并且其成本通常較高；而采用普通重晶石或者鐵礦粉等加重劑聯(lián)合加重時，鉆井液的流變性能又難以調(diào)控，在高溫高壓環(huán)境中容易引起鉆井液增稠聚結(jié)，導(dǎo)致處理劑失效，從而嚴(yán)重影響鉆井進(jìn)度[10-12]。因此，筆者以海上某深井區(qū)塊為研究對象，使用(w)50%甲酸鉀鹽水為基液，通過優(yōu)選及研制抗高溫增黏劑、復(fù)合降濾失劑以及流型調(diào)節(jié)劑等主要處理劑，并采用改性鐵礦粉進(jìn)行加重的方式，開發(fā)出一種新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系，室內(nèi)評價了其基本性能、沉降穩(wěn)定性、抑制性能、潤滑性能和抗污染性能，以期為深井鉆井高效安全施工提供技術(shù)支持。

1 試驗材料及儀器

甲酸鉀(純度97%)，工業(yè)品，武漢吉業(yè)升化工有限公司；抗高溫增黏劑ZN-D1、復(fù)合降濾失劑FH-101、復(fù)合降濾失劑FH103、新型流型調(diào)節(jié)劑LTX-3、抑制劑LYP-1、封堵劑FDP、潤滑劑FRH-105、改性鐵礦粉，實驗室自制；海泡石、重晶石，工業(yè)級，河北恒光礦產(chǎn)品有限公司；鐵礦粉，工業(yè)級，靈壽縣誠明礦產(chǎn)品加工廠；巖屑，取自目標(biāo)區(qū)塊儲層段。

ZNN-DB型六速旋轉(zhuǎn)黏度計、ZNS-2A型中壓濾失儀、GGS42-2A型高溫高壓濾失儀，青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司；NB-1型泥漿比重計，河北耀陽儀器設(shè)備有限公司；EP-B型極壓潤滑儀，山東美科儀器有限公司。

2 關(guān)鍵處理劑優(yōu)選及鉆井液體系構(gòu)建

作為有機(jī)鹽鉆井液體系的核心處理劑，有機(jī)鹽的選擇較為重要，目前國內(nèi)外常用的有機(jī)鹽類型主要為甲酸鹽，其與常用的鉆井液處理劑(增黏劑、降濾失劑、抑制劑以及潤滑劑等)具有良好的配伍性。因此，筆者采用(w)50%甲酸鉀溶液作為新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系的基液；此外，為了提高體系的抗鹽性能，使用海泡石代替常用的膨潤土作為配漿材料。

2.1 加重材料優(yōu)選

為了考察不同加重材料對鉆井液體系性能的影響，在鉆井液滾動老化條件下(180 ℃，16 h)，室內(nèi)對比評價了重晶石、鐵礦粉以及改性鐵礦粉對鉆井液流變性和濾失量的影響，試驗結(jié)果見表1。試驗用基漿配方(w)為：50%甲酸鉀溶液+3%海泡石+1.5%抗高溫增黏劑ZN-D1，然后在基漿中分別加入不同類型的加重材料加重至2.0 g/cm3。

表1 加重材料優(yōu)選結(jié)果

由表1可見：使用重晶石和鐵礦粉進(jìn)行加重時，鉆井液老化前后流變性變化較大，并且濾失量也比較大，老化前黏度較稠、切力較高，而老化后黏度和切力的降低幅度均較大。使用改性鐵礦粉加重的鉆井液老化前后流變性變化較小，并且濾失量小于重晶石和鐵礦粉加重時的鉆井液。因此，建議選擇改性鐵礦粉作為新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系的加重材料。

2.2 降濾失劑優(yōu)選

為了考察不同類型降濾失劑在有機(jī)鹽鉆井液體系中的降濾失效果。在鉆井液滾動老化條件(180 ℃，16 h)，高溫高壓濾失量測試條件(180 ℃，3.5 MPa，30 min)，降濾失劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為5%的條件下，室內(nèi)對比評價了5種不同類型的降濾失劑對鉆井液高溫高壓濾失量的影響情況，試驗結(jié)果見圖1?；鶟{配方(w)為：50%甲酸鉀溶液+3%海泡石+1.5%抗高溫增黏劑ZN-D1+降濾失劑+改性鐵礦粉加重至2.0 g/cm3。

圖1 降濾失劑優(yōu)選結(jié)果

由圖1可見：基漿經(jīng)過高溫老化后的高溫高壓濾失量較大，而加入不同類型的降濾失劑后，高溫高壓濾失量均明顯降低，其中復(fù)合降濾失劑FH-101的降濾失效果最好，當(dāng)其加量(w，下同)為5%時，可使有機(jī)鹽鉆井液基漿的高溫高壓濾失量降低至15 mL以下，達(dá)到較好的降濾失效果。因此，采用FH-101作為新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系的降濾失劑。

2.3 流型調(diào)節(jié)劑加量優(yōu)選

為了使鉆井液體系老化后仍能保持良好的流變性和動切力，研制了一種新型流型調(diào)節(jié)劑LTX-3，以動切力為評價指標(biāo)，在鉆井液滾動老化條件(180 ℃，16 h)下，室內(nèi)對其加量進(jìn)行了優(yōu)選評價，試驗結(jié)果見圖2?；鶟{配方(w)為：50%甲酸鉀溶液+3%海泡石+1.5%抗高溫增黏劑ZN-D1+5%復(fù)合降濾失劑FH-101+改性鐵礦粉加重至2.0 g/cm3。

圖2 流型調(diào)節(jié)劑加量優(yōu)選結(jié)果

由圖2可見：隨著新型流型調(diào)節(jié)劑LTX-3加量的不斷增大，鉆井液體系老化后的動切力逐漸升高，當(dāng)LTX-3加量為0.8%時，動切力可以達(dá)到18 Pa，能夠滿足有機(jī)鹽鉆井液體系流變性能的要求，再繼續(xù)增大LTX-3的加量，動切力過高，使鉆井液體系的流變性能調(diào)控變得困難。因此，新型流型調(diào)節(jié)劑LTX-3的加量優(yōu)選0.8%。

2.4 新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系配方

綜合以上優(yōu)選評價試驗結(jié)果，結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊實際情況，再配合相應(yīng)的抑制劑、封堵劑和潤滑劑等處理劑，最終確定新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系的配方(w)為：50%甲酸鉀溶液+3%海泡石+1.5%抗高溫增黏劑ZN-D1+5%復(fù)合降濾失劑FH-101+0.8%流型調(diào)節(jié)劑LTX-3+2%抑制劑LYP-1+4%封堵劑FDP+2%潤滑劑FRH-105+改性鐵礦粉加重至2.0 g/cm3。

3 新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液綜合性能評價

3.1 綜合性能

采用2.4中的配方配制鉆井液體系，然后將其在180 ℃下滾動老化16 h后，在高溫高壓濾失量測試條件(180 ℃，3.5 MPa，30 min)下，使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計和濾失量測定儀測量了新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系老化前后的流變性和濾失量，試驗結(jié)果見表2。

表2 新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系綜合性能

由表2可見：新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系老化前后表觀黏度、塑性黏度和動切力的變化相對較小，表明體系的流變性能比較穩(wěn)定。鉆井液體系經(jīng)過180 ℃老化后，API濾失量為2.3 mL，高溫高壓濾失量為9.5 mL，表明體系的失水量較小，能夠起到良好的降濾失效果。

3.2 沉降穩(wěn)定性

室內(nèi)通過測定新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系老化后的上下密度差用以評價其沉降穩(wěn)定性，滾動老化溫度為180 ℃，老化時間分別為1，3，5，10 d，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系沉降穩(wěn)定性試驗

由圖3可見：隨著老化時間的不斷延長，新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系的上下密度差越來越大，但當(dāng)老化時間為10 d時，密度差也僅為0.07 g/cm3，表明鉆井液體系比較穩(wěn)定，不會發(fā)生明顯沉降，能夠在較長的時間內(nèi)保持良好的沉降穩(wěn)定性，滿足鉆井作業(yè)施工的需要。

3.3 抑制性能

在鉆井液滾動老化條件(180 ℃，16 h)下，試驗用巖屑取自目標(biāo)區(qū)塊儲層段，室內(nèi)采用巖屑滾動回收試驗評價了新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系的抑制性能，并與清水和現(xiàn)場鉆井液(常規(guī)聚磺鉆井液體系)的抑制性能進(jìn)行了對比，試驗結(jié)果見圖4。

由圖4可見：目標(biāo)區(qū)塊儲層段巖屑在清水中的滾動回收率僅為35.2%，表明巖屑易水化分散；現(xiàn)場鉆井液對巖屑的滾動回收率為84.3%；新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液對巖屑的滾動回收率則可以達(dá)到95%以上，表明該鉆井液體系具有良好的抑制性能，能夠較好地抑制黏土礦物的吸水膨脹、分散和運(yùn)移，進(jìn)而有效避免井壁失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 鉆井液體系抑制性能試驗結(jié)果

3.4 潤滑性能

在鉆井液滾動老化條件(180 ℃，16 h)下，室內(nèi)以極壓潤滑系數(shù)為考察指標(biāo)，評價了新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系的潤滑性能，并與現(xiàn)場鉆井液(常規(guī)聚磺鉆井液體系)和常用油基鉆井液體系進(jìn)行了對比，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 不同鉆井液體系潤滑性能對比結(jié)果

由圖5可見：3種不同類型的鉆井液中，油基鉆井液體系的極壓潤滑系數(shù)最小，新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系的極壓潤滑系數(shù)在0.1左右，而現(xiàn)場鉆井液體系則為0.136。說明研制的新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系具有良好的潤滑性能，能夠滿足深井鉆井對鉆井液潤滑性能的要求。

3.5 抗污染性能

在鉆井液滾動老化條件(180 ℃，16 h)，高溫高壓濾失量測試條件下(180 ℃，3.5 MPa，30 min)，分別在新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的巖屑粉、NaCl和CaCl2，然后測定鉆井液體系老化前后流變性及濾失量的變化情況，以此評價鉆井液體系的抗污染性能，結(jié)果見表3。

由表3可見：在新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系中分別加入(w)10%巖屑粉、(w)10% NaCl和(w)1% CaCl2后，鉆井液體系經(jīng)過高溫滾動老化后流變性能仍比較穩(wěn)定，濾失量雖有所升高，但升高的幅度不大，表明開發(fā)的新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系具有良好的抗污染性能。

表3 鉆井液體系抗污染性能試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1)室內(nèi)通過對加重材料、降濾失劑以及流型調(diào)節(jié)劑的優(yōu)選及評價試驗，并配合加入抑制劑、潤滑劑和封堵劑，開發(fā)出一套新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系，其配方(w)為：50%甲酸鉀溶液+3%海泡石+1.5%抗高溫增黏劑ZN-D1+5%復(fù)合降濾失劑FH-101+0.8%流型調(diào)節(jié)劑LTX-3+2%抑制劑LYP-1+4%封堵劑FDP+2%潤滑劑FRH-105，以改性鐵礦粉加重至2.0 g/cm3。

2)新型抗高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系性能評價結(jié)果表明：該鉆井液體系具有穩(wěn)定的流變性、較低的濾失量和良好的沉降穩(wěn)定性，此外，該鉆井液體系還具有良好的抑制性能、潤滑性能和抗污染能力，能滿足深井鉆井施工對鉆井液性能的綜合要求。