油基鉆井液降黏劑的室內(nèi)研究及評(píng)價(jià)

彭碧強(qiáng)，范 勁，譚梟麒

(1.川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司， 四川 成都 610051；2.荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北 荊州 434000；3.湖北省油田化學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，湖北 荊州 434000)

目前川渝地區(qū)頁巖氣鉆井主要采用油基鉆井液，具有井壁穩(wěn)定性好、封堵性強(qiáng)、潤滑優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。而川渝地區(qū)頁巖地層壓力系數(shù)普遍偏高，通常在2.0以上，為平衡地層壓力，油基鉆井液密度需在2.0 g·cm-3以上。由于油基鉆井液配制成本高，為了降低綜合開發(fā)成本，會(huì)對(duì)油基鉆井液進(jìn)行回收再利用[3-4]。由于鉆進(jìn)過程中的鉆屑污染，油基鉆井液中的固相含量通常超過40%，部分高密度油基鉆井液老漿的固相含量超過50%[5]，造成體系固液比急劇增大，固相顆粒間碰撞幾率增大，宏觀表現(xiàn)為油基鉆井液黏度明顯增大。因此，在鉆井后期及新鉆井老漿重復(fù)利用時(shí)，如何對(duì)油基鉆井液的流變性進(jìn)行調(diào)控，成為鉆井施工作業(yè)的主要難題。通常采用新老漿混配的方式調(diào)控流變性，但是該操作會(huì)提高油基鉆井液配制及維護(hù)成本，增大油基鉆井液后處理難度[6]。鑒于此，在分析油基鉆井液增稠原因的基礎(chǔ)上，室內(nèi)研制適合川渝地區(qū)油基鉆井液的降黏劑，并使用瀘X井現(xiàn)場(chǎng)油基泥漿對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，以滿足鉆井作業(yè)施工和調(diào)控需要。

1 油基鉆井液增稠原因分析

通過文獻(xiàn)調(diào)研及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)油基鉆井液后期增稠原因主要包括以下幾個(gè)方面：(1)固液比的改變。當(dāng)油基鉆井液固相含量由40%升至50%時(shí)，固液比由1∶1.5升至1∶1，上升比例為33%，分散相的增加及分散介質(zhì)的減少疊加作用，使體系黏度增大。(2)固相潤濕性的改變。重晶石及鉆屑通常為水濕性表面，即在油基鉆井液中分散時(shí)，固相顆粒表面會(huì)吸附一層水化膜，導(dǎo)致固相顆粒碰撞體積增加，在油基鉆井液剪切時(shí)摩阻增大，宏觀表現(xiàn)為油基鉆井液黏度增大[7]。(3)膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量的改變。目前，油基鉆井液中的降濾失劑主要為瀝青類降濾失劑，其中重質(zhì)組分由于碳鏈較長、分子體積大，無法通過泥餅濾失進(jìn)入地層而被截留在油基鉆井液中，隨著油基鉆井液的重復(fù)利用，基液中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量不斷增加，導(dǎo)致基液黏度增大，體系黏度也隨之增大[8]。

2 油基降黏劑的降黏機(jī)理

針對(duì)油基鉆井液增稠原因，降低油基鉆井液黏度可以通過以下幾種途徑：(1)降低固相含量；(2)改變固相潤濕性；(3)分解大分子膠質(zhì)、瀝青質(zhì)，降低基液黏度。但降低固相含量主要通過現(xiàn)場(chǎng)固控設(shè)備清除無用的固相顆粒，油基降黏劑降黏主要側(cè)重于后兩者。

室內(nèi)合成了降黏劑MOVRM，其分子結(jié)構(gòu)具有酰胺類活性基團(tuán)，可以吸附于固相顆粒表面，將固相顆粒的潤濕性由水濕轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐瘢煌瑫r(shí)，分子中包含長碳鏈基團(tuán)，能夠插入膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子間，產(chǎn)生競(jìng)爭吸附，使膠質(zhì)、瀝青質(zhì)層片狀結(jié)構(gòu)的間距增大，在鉆頭水眼高剪切的作用下，打散結(jié)構(gòu)，降低基液黏度。

3 降黏劑室內(nèi)性能評(píng)價(jià)

3.1 泥漿性能測(cè)試

3.1.1 固相含量

對(duì)瀘X井現(xiàn)場(chǎng)油基泥漿進(jìn)行固相含量測(cè)試，測(cè)得泥漿水相體積4.5 mL、油相體積25 mL、泥漿密度1.974 g·cm-3、油相密度0.83 g·cm-3，計(jì)算得到油水比85∶15、平均固相密度3.54 g·cm-3、固相含量41%，其中低密度固相含量17.5%，即重晶石與低密度固相體積比約為6∶4，處于較高水平。

3.1.2 流變性能

對(duì)瀘X井現(xiàn)場(chǎng)油基泥漿進(jìn)行流變性能測(cè)試，并模擬現(xiàn)場(chǎng)使用情況，將泥漿加重至2.1 g·cm-3，不同密度下泥漿流變性能如表1所示。

表1 不同密度下泥漿流變性能

由表1可知，將泥漿加重至2.1 g·cm-3后，其塑性黏度(PV)提高了近一倍，這會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)流變性調(diào)控帶來不利影響。

3.2 降黏劑性能評(píng)價(jià)

由于瀘X井現(xiàn)場(chǎng)油基泥漿初始性能較正常，使用加重至2.1 g·cm-3的泥漿進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

3.2.1 對(duì)泥漿流變性能的影響

在泥漿中加入不同量的降黏劑MOVRM，測(cè)試泥漿流變性能，熱滾條件為100 ℃×16 h，測(cè)試溫度為65 ℃，結(jié)果如表2所示。

表2 降黏劑MOVRM加量對(duì)泥漿流變性能的影響

由表2可知，降黏劑MOVRM加量為2%時(shí)，泥漿明顯降黏，動(dòng)切力(YP)降低率達(dá)到70%以上，且熱滾后泥漿性能保持穩(wěn)定。

3.2.2 對(duì)泥漿粒徑分布的影響

為模擬降黏劑MOVRM對(duì)泥漿中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)膠團(tuán)的影響，分別對(duì)2%降黏劑MOVRM加入前后泥漿的粒徑分布進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，加入2%降黏劑MOVRM后，D10由1.38 μm降至0.29 μm，D50由57.23 μm降至2.31 μm，泥漿中的大粒徑膠團(tuán)明顯減小，D90由145.71 μm降至97.56 μm，說明MOVRM能夠有效拆散泥漿中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)膠團(tuán)，降低泥漿黏度。

圖1 降黏劑MOVRM加入前(a)后(b)泥漿粒徑分布變化Fig.1 Change of particle size distribution of mud before(a) and after(b) addition of viscosity reducer MOVRM

4 結(jié)論

在分析油基鉆井液增稠原因的基礎(chǔ)上，室內(nèi)研制了一種酰胺類的油基鉆井液降黏劑MOVRM，其通過吸附改變固相顆粒的潤濕性，同時(shí)通過長直鏈插入膠質(zhì)、瀝青質(zhì)層間，拆散膠質(zhì)、瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到降黏效果。采用瀘X井現(xiàn)場(chǎng)油基泥漿對(duì)降黏劑MOVRM進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，降黏劑MOVRM加量為2%時(shí)，動(dòng)切力降低率達(dá)到70%以上，泥漿粒徑D90由145.71 μm降至97.56 μm，降黏效果良好，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)流變性調(diào)控及密度調(diào)整需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。