密度等因素對油基鉆井液性能的影響情況研究

宋曉雪

（大慶鉆探工程鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

油基鉆井液是以油為外相、鹽水為內(nèi)相的一種鉆井液體系，其主要成分為：油、水、有機(jī)土和處理劑。油基鉆井液具有優(yōu)異的潤滑性、抑制性和抗溫性，因此在深井、超深井及頁巖氣水平井等特殊工藝井中仍被廣泛使用。油基鉆井液根據(jù)其使用的分散相可劃分為白油基鉆井液、柴油基鉆井液和氣制油鉆井液等不同類型，受環(huán)境保護(hù)要求的影響，目前柴油基鉆井液的使用越來越少，白油基鉆井液和其他低毒環(huán)保型油基鉆井液成為主流。

由于油相在不同溫度下的流動性變化很大，所以油基鉆井液在高溫下的流變性變化較為復(fù)雜，尤其是當(dāng)體系中含有大量重晶石等加重材料時，流變性控制變得更為復(fù)雜[1-2]。因此有必要研究不同溫度下，隨密度的變化，油基鉆井液的粘度、切力和破乳電壓等指標(biāo)的變化情況，從而為現(xiàn)場施工提供更好的技術(shù)支持。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及儀器

5#白油、重晶石粉、有機(jī)土均為大慶鉆探工程公司現(xiàn)場使用產(chǎn)品；降濾失劑、乳化劑、潤濕劑、流行調(diào)節(jié)劑、其他加重材料（氧化錳、氧化鐵）均為大慶鉆井研究院使用產(chǎn)品；氯化鈣、氧化鈣為國藥試劑。

密度計、破乳電壓儀、六速粘度計、固相含量測定儀等均為青島海通達(dá)公司產(chǎn)品；電子天平為梅特勒公司產(chǎn)品。

1.2 油基鉆井液配方及測試程序

油基鉆井液配方：5#白油+2.5%～3.5%主乳化劑+2%～3%輔助乳化劑+0.5%～1%有機(jī)土+0.5%～1.0%懸浮穩(wěn)定劑+2%～3%降濾失劑+1%～2%磺化瀝青+加重劑+飽和鹽水。

油基鉆井液的各項性能參照GB/T 29170-2012《石油天然氣工業(yè)鉆井液實驗室測試》進(jìn)行評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同加重劑對鉆井液沉降穩(wěn)定性的影響

分別使用Mn3O4、Fe3O4、重晶石、超細(xì)重晶石作為加重劑將油基鉆井液加重到1.8g/cm3，考察不同加重劑對鉆井液沉降穩(wěn)定性的影響。所選用加重劑的理化參數(shù)見表1。

表1 不同加重劑的理化性能表

表2 為使用不同加重劑后的鉆井液沉降穩(wěn)定性情況，由表2 可知，Mn3O4的沉降穩(wěn)定性最好，F(xiàn)e3O4的沉降穩(wěn)定性最差；超細(xì)重晶石的沉降穩(wěn)定性好于普通重晶石，說明在密度相近的情況下，加重劑粒徑越小其沉降速度越緩慢，體系的沉降穩(wěn)定性越好。

表2 不同加重劑對應(yīng)的沉降穩(wěn)定性表

2.2 密度對鉆井液性能的影響

使用現(xiàn)場使用的普通API 重晶石，配制成不同密度的油基鉆井液，120℃高溫老化后，測量其表觀粘度和破乳電壓等常規(guī)性能的變化，實驗情況見表3。

表3 不同密度對油基鉆井常規(guī)性能的影響

由表3 可知，隨鉆井液密度的增加，表觀粘度和破乳電壓均增加，當(dāng)密度超過1.8g/cm3后，變化幅度加快，分析原因認(rèn)為：①隨重晶石含量的增加，重晶石顆粒發(fā)生聚集，增加了體系中的微觀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，摩擦力增大，最終體現(xiàn)在表觀粘度的增加；②隨重晶石含量的增加，重晶石顆粒發(fā)生聚集，增加了體系的瞬時穩(wěn)定性，所以破乳電壓增加。但當(dāng)密度超過1.8g/cm3后，粘度的快速增加不利于現(xiàn)場的性能控制[3-4]。

2.3 溫度對鉆井液性能的影響

由于現(xiàn)場使用時，鉆井液在循環(huán)過程中面臨井下高溫而井口常溫的溫度變化，而且由于油基鉆井液以油為外相，而油相粘度受溫度影響變化較大，因此有必要對高溫高密度條件下的油基鉆井液變化情況進(jìn)行研究。表4是在不同溫度老化后不同密度的鉆井液性能變化情況。

表4 溫度對不同密度油基鉆井常規(guī)性能的影響

從表4 可以看出，不同密度的鉆井液在老化后，隨溫度的上升表觀粘度均明顯下降，當(dāng)密度較低時，下降幅度和溫度成近似的線性關(guān)系；當(dāng)密度較高時，隨溫度的增加，表觀粘度下降幅度變小，但初始下降幅度較大，說明高密度鉆井液對溫度的變化更為敏感，流型調(diào)節(jié)難度更大。

2.4 油水比對不同密度鉆井液性能的影響

油作為鉆井液的主要組份，其含量對油基鉆井液的性能有很大影響。表5為不同油水比與鉆井液密度之間的關(guān)系。從表5可以得知，在不同油水比條件下，高密度鉆井液的表觀粘度和破乳電壓均明顯高于低密度鉆井液；隨著油水比的增加，鉆井液體系的表觀粘度降低，但高密度體系的降低幅度更大，說明高密度鉆井液的性能對油水比更為敏感，為了避免粘度過大，現(xiàn)場配制高密度鉆井液時，應(yīng)適當(dāng)提高油水比，當(dāng)現(xiàn)場施工過程中發(fā)生粘度過高的情況時，提高油水比也是有效的解決手段[5-6]。從表5 還可以得知，隨著油水比的增加，破乳電壓也隨之增加，但低密度鉆井液的增加幅度較為緩慢，而高密度鉆井液的增加較為迅速，說明高密度油基鉆井液的破乳電壓也對油水比更為敏感，因此在現(xiàn)場施工過程中，應(yīng)適當(dāng)提高高密度油基鉆井液的化驗頻率并制定更為詳細(xì)的鉆井液性能調(diào)整方案。

表5 不同油水比對油基鉆井常規(guī)性能的影響

2.5 有害固相對不同密度鉆井液性能的影響

在鉆井施工過程中，巖屑會不斷混入鉆井液中，雖然固控系統(tǒng)可以清除其中的絕大多數(shù)，但仍會有少量小顆粒巖屑無法清除。低密度鉆井液中如果混入較多固相后，其密度會發(fā)生較明顯的變化，很容易被發(fā)現(xiàn)，但高密度鉆井液則不同，因此有必要研究有害固相對高密度鉆井液的性能影響。本文使用現(xiàn)場的頁巖巖屑，經(jīng)粉碎后過80 目篩子，加入配制好的油基鉆井液中，實驗數(shù)據(jù)見表6。從表6 中可以看出，隨固相含量的增加低密度鉆井液的表觀粘度增幅較小，而高密度鉆井液的表觀粘度變化幅度很大，說明高密度鉆井液對固相含量的敏感度更大。

表6 不同有害固相加量對油基鉆井常規(guī)性能的影響

3 結(jié)論和建議

（1）在密度相近的情況下，加重劑粒徑越小其沉降速度越緩慢，體系的沉降穩(wěn)定性越好，因此在部分重點井施工過程中可適當(dāng)采用超細(xì)重晶石等加重劑來降低作業(yè)風(fēng)險，提高鉆井成功率。

（2）隨鉆井液密度的增加，表觀粘度和破乳電壓均增加，當(dāng)密度超過1.8g/cm3后，變化幅度加快，

（3）不同的鉆井液密度在老化后，隨溫度的上升表觀粘度均明顯下降，當(dāng)密度較低時，下降幅度和溫度成近似的線性關(guān)系；當(dāng)密度較高時，隨溫度的增加，表觀粘度下降幅度變小，但初始下降幅度較大，說明高密度鉆井液對溫度的變化更為敏感，流型調(diào)節(jié)難度更大。

（4）高密度油基鉆井液的破乳電壓也對油水比和有害固相含量更為敏感，因此在現(xiàn)場施工過程中，應(yīng)適當(dāng)提高高密度油基鉆井液的化驗頻率并制定更為詳細(xì)的鉆井液性能調(diào)整方案。