加重劑對超高溫高密度油基鉆完井液性能影響研究

王星媛，吳敬恒，石朝敏

1 油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2 中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

近年來隨著油基鉆井液、完井液在四川、塔里木、南海鶯瓊盆地的應(yīng)用［1-3］，發(fā)現(xiàn)油基體系在高溫穩(wěn)定性、沉降穩(wěn)定性、井壁穩(wěn)定、潤滑防卡、抑制地層水化膨脹、抑制地層造漿及快速鉆進(jìn)等方面較水基體系具有明顯的優(yōu)勢。國際上，油基鉆完井液已成為公認(rèn)的解決高溫穩(wěn)定性的有效途徑之一［4-5］。

目前，超高溫高密度油基鉆完井液體系仍存在一些問題，主要表現(xiàn)在體系動態(tài)沉降穩(wěn)定性差（超高溫條件下LSR YP＜3 Pa，Zj＜1.5，SR＜0.3）、長效靜恒溫時間短（靜恒溫時間＜3 d，清油析出率＞20%）、流變性不易控制（超高溫條件下，流變性陡增或陡降）等方面，特別是抗溫能力≥220 ℃、密度≥2.0 g/cm3的超高溫高密度油基鉆完井液體系［6］。關(guān)于加重劑類型對高溫水基、油基鉆完井液性能影響研究已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)［7-9］，但特殊加重劑對超高溫高密度油基鉆完井液的影響研究較少。針對上述問題，本文采用兩種特殊加重劑（微細(xì)重晶石、微錳加重劑）與普通重晶石進(jìn)行復(fù)配，研究其對超高溫高密度油基鉆完井液流變性、高溫高壓濾失量和動靜態(tài)沉降穩(wěn)定性的影響。

1 高溫高密度油基鉆完井液沉降穩(wěn)定性評價(jià)方法

高溫高密度油基鉆完井液配方：白油+1%主乳化劑+3%輔乳化劑+2.0%潤濕劑+0.3%流型調(diào)節(jié)劑+3.5%有機(jī)土+25%氯化鈣鹽水+3% CaO+8%油溶性瀝青+2%超細(xì)碳酸鈣+重晶石（O:W=90:10，密度2.00 g/cm3）。

1. 1 動態(tài)沉降穩(wěn)定性評價(jià)方法

本文采用國標(biāo)GB/T 16783.2—2012《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場測試 第2部分 油基鉆井液》對流變性進(jìn)行測定，并通過相應(yīng)計(jì)算公式對低剪切速率屈服值和攜巖指數(shù)進(jìn)行計(jì)算；通過VSST沉降法［10］測試后計(jì)算得出動態(tài)沉降系數(shù)SR。

（1）低剪切速率率屈服值LSR YP計(jì)算公式［11］表示為：

根據(jù)國外研究中心對1.20 ～ 2.10 g/cm3、不同區(qū)塊的白油、柴油、合成基類油基鉆井液體系動態(tài)沉降穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)低剪切速率屈服值與油基鉆井液體系動態(tài)沉降穩(wěn)定性具有相關(guān)性，LSR YP的最佳范圍為3 ～ 8［11-12］時，體系性能較好且不易發(fā)生動態(tài)沉降。

（2）攜巖指數(shù)Zj計(jì)算公式為：

式中：ρ—鉆井液密度，g/cm3；ρs—巖屑密度。此處ρs取2.6 g/cm3計(jì)算，在1.2 m/s環(huán)空返速條件下，Zj＞1.5時鉆井液體系不易發(fā)生沉降［13］。

（3）動態(tài)沉降趨勢SR計(jì)算公式為：

其 中 動 態(tài) 沉 降 密 度 差Δρ動態(tài)=ρ1-ρ2，κ=10.9；SR≤1.0，SR為1.0時說明無沉降，SR越小，表明沉降穩(wěn)定性越差［14］。

1. 2 靜態(tài)沉降穩(wěn)定性評價(jià)方法

本文通過清油析出率、SF沉降因子［14-16］、SSSI靜態(tài)沉降穩(wěn)定性評分等方法進(jìn)行靜態(tài)沉降穩(wěn)定性評價(jià)。熱滾溫度為220 ℃，靜恒溫時間為72 h，其中：

2 加重劑對體系性能影響研究

2. 1 加重劑粒度分析

根據(jù)Furnas粉末堆積理論及粒度級配方案，不同粒徑的顆粒及分布范圍對體系摩阻、流變性等具有較大影響［17］，因此本文采用激光粒度儀對微錳加重劑Micromax、普通重晶石及微細(xì)重晶石進(jìn)行粒度分析（見表1）。

表1 不同加重材料粒度分布分析

根據(jù)表1，Micromax中值粒徑最低，但分布范圍最寬，與中值粒徑的整體分布偏差最大，其中，粒徑＜D50部分的一致性為0.69，粒徑＞D50部分的一致性為12.84，說明Micromax粒徑存在較嚴(yán)重的極化分布，即存在大量粒徑尺寸較為均一的小顆粒和少數(shù)粒徑尺寸不均勻的大顆粒，其顆粒粒徑在＜10 μm范圍內(nèi)呈集中式分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中值粒徑方面，普通重晶石＞微細(xì)重晶石＞Micromax；粒徑分布寬度方面，Micromax＞普通重晶石＞微細(xì)重晶石；粒徑分布均勻性方面，微細(xì)重晶石＞普通重晶石＞Micromax。

2. 2 加重劑對體系流變性、高溫高壓濾失量、ECD的影響研究

2. 2. 1 加重劑對體系流變性、高溫高壓濾失量的影響

顆粒形狀不規(guī)則有利于顆粒間連接、搭橋，形狀規(guī)則的圓形顆粒有利于降低體系內(nèi)摩阻。當(dāng)體系中顆粒尺寸分布廣，特別是存在小顆粒填充大顆?？紫肚闆r時，顆粒與顆粒之間的接觸半徑越小，顆粒之間相互連接懸浮作用越明顯，因此，對體系流變性、沉降穩(wěn)定性等均有影響。本文選用三種不同的加重劑進(jìn)行復(fù)配加重實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明，微細(xì)重晶石對體系高溫高壓濾失量影響小，對AV、PV、YP、G有一定提升作用，微細(xì)重晶石最佳占比為10% ～ 40%。Micromax對體系高溫高壓濾失量影響較大，加量占比＞30%情況下FLHTHP增長率高達(dá)140.91%，但對AV、PV、YP有明顯降低效應(yīng)，最佳占比為10% ～ 30%。

2. 2. 2 加重劑對體系ECD影響

采用川慶鉆探公司《鉆井液性能及水力參數(shù)模擬軟件》對體系井底循環(huán)密度ECD進(jìn)行計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，結(jié)果表明，隨著井眼尺寸減小，微細(xì)重晶石含量增多，ECD增加；Micromax可有效降低體系ECD，當(dāng)Micromax占比20%以上，對體系ECD影響幅度趨于平緩，Micromax復(fù)配體系更適合窄密度窗口井、小井眼井。

表2 不同加重劑復(fù)配后對油基鉆完井液體系流變性及HTHP影響

圖1 不同加重劑復(fù)配體系在?241.3 mm及?139.7 mm井眼的ECD

2. 3 加重劑對體系動態(tài)沉降穩(wěn)定性影響研究

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明，微細(xì)重晶石或Micromax與普通重晶石復(fù)配后均能有效提高體系的動態(tài)沉降穩(wěn)定性，Micromax對體系的動態(tài)沉降穩(wěn)定性提高幅度更大。隨著所占比例增加，Zj從1.27最高可提升至2.87，LSR YP從3 Pa提升至11 Pa，SR提升率高達(dá)163.02% ～ 219.87 %。

2. 4 加重劑對體系長效靜恒溫性能影響研究

2. 4. 1 加重劑對體系靜恒溫后流變性、動態(tài)沉降穩(wěn)定性影響研究

對加重劑復(fù)配體系在220 ℃、3 MPa條件下靜恒溫3 d后的流變性進(jìn)行對比分析（見表4），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微細(xì)重晶石對體系A(chǔ)V、PV影響較小，對YP影響較大。Micromax靜恒溫3 d后，體系出現(xiàn)一定程度的稠化現(xiàn)象，表觀黏度增長率最高達(dá)96.40 %。分析認(rèn)為，因?yàn)槲㈠i加重劑粒徑小且均勻、比表面積大，對油基鉆井液中表面活性劑的損耗大，且在高溫靜恒溫環(huán)境下，會加重與有機(jī)土的結(jié)合稠化作用。

表3 不同加重劑復(fù)配后對油基鉆完井液體系動態(tài)沉降穩(wěn)定性影響

2. 4. 2 加重劑對體系靜態(tài)沉降穩(wěn)定性影響研究

采用SF因子、SSSI及清油析出率對不同加重劑復(fù)配體系的靜態(tài)沉降穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)研究（見表5），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微細(xì)重晶石和Micromax均可有效提升體系的靜態(tài)沉降穩(wěn)定性，特別是Micromax加量占比為10% ～ 20%時，清油析出率＜10%，SF=0.52。但根據(jù)流變性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Micromax體系在超高溫靜恒溫后黏度陡增，需要特別注意流變性方面的調(diào)控。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

復(fù)配加重劑形成的高溫油基鉆完井液體系分別在SX133、SX131、M126井進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，其性能數(shù)據(jù)見表6。

表4 不同加重劑對體系靜恒溫后流變性及動態(tài)沉降穩(wěn)定性影響

表5 不同加重劑對體系靜態(tài)沉降穩(wěn)定性影響

SX131井射孔完井，井深7 859 m，井底實(shí)測溫度147.5 ℃，井斜角最大為88.8°。SX133井祼眼完鉆，井眼小（?149.2 mm），井深8 102 m，井底實(shí)測溫度達(dá)154.5 ℃，井斜角為90.30°。M126井祼眼完鉆，井深5 708 m，井底實(shí)測溫度達(dá)143 ℃，井斜角為76°。高溫油基鉆完井液體系配方為：鉆井漿+2% ～ 6%有機(jī)土+1.0% ～ 5.0%主乳化劑+ 2.0% ～ 8.0%輔乳化劑+6% ～ 10%降失劑+2% ～ 3%油溶性瀝青+1% ～ 2%流性調(diào)節(jié)劑+1% ～ 3% CaO+25% ～ 30%氯化鈣溶液+30% ～ 40%微細(xì)重晶石粉+普通重晶石粉（至設(shè)計(jì)密度）+1% ～ 2%除硫劑。

表6 微細(xì)重晶石復(fù)配油基鉆井液體系現(xiàn)場性能數(shù)據(jù)

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，體系在現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，作業(yè)期間起下油管順利，未發(fā)生嚴(yán)重沉降、阻卡情況。

4 結(jié)論及建議

（1）微細(xì)重晶石最佳占比為20% ～ 40%，微錳加重劑最佳占比為10% ～ 30%，上述兩種加重劑均能有效提高體系動態(tài)沉降穩(wěn)定性。其中，Micromax對體系高溫高壓濾失量影響較大，對表觀黏度、塑性黏度、動切力、靜切力、ECD均有降低作用。

（2）微細(xì)重晶石與Micromax均能提高體系靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。但在220 ℃條件下，油基鉆井液中有機(jī)土容易發(fā)生表面膜破裂情況，粒徑較細(xì)的Micromax容易與有機(jī)土產(chǎn)生不可逆的交聯(lián)作用，使鉆井液增稠，出現(xiàn)流變性陡增現(xiàn)象。

（3）采用特殊加重劑與普通重晶石復(fù)配后形成的高溫油基鉆完井液技術(shù)在SX133、SX131、M126井進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，作業(yè)期間起下油管順利，未發(fā)生嚴(yán)重沉降、阻卡情況，應(yīng)用效果較好。