適用于大位移井作業的油基鉆井液研究及應用

2017-12-21 00:44:49劉剛中海油田服務股份有限公司油田化學事業部河北燕郊065201

長江大學學報(自科版) 2017年23期

劉剛 (中海油田服務股份有限公司油田化學事業部,河北燕郊 065201)

代運鋒 (中石油川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司,陜西西安 710018)

張亞 (荊州嘉華科技有限公司,湖北荊州 434000)

適用于大位移井作業的油基鉆井液研究及應用

劉剛 (中海油田服務股份有限公司油田化學事業部,河北燕郊 065201)

代運鋒 (中石油川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司,陜西西安 710018)

張亞 (荊州嘉華科技有限公司,湖北荊州 434000)

油基鉆井液在井壁穩定和潤滑性方面有很好的體現，滿足大位移的作業要求，但存在流變性調控不好造成井眼不清潔等問題。因此需要對常規油基鉆井液的流變性進行調控以滿足大位移作業的攜巖要求。通過評價油包水乳液乳化率、固相顆粒潤濕率、配伍性等指標優選滿足油基鉆井液體系構建要求的主乳化劑、輔乳化劑、潤濕劑、降濾失材料，同時引入流型調節劑來有效地提高油基鉆井液的動切力、流變等參數，形成大位移井攜巖要求的油基鉆井液體系。該鉆井液體系現場使用效果好，為現場作業提供了技術保障。

大位移井；油基鉆井液；乳化劑；潤濕劑；流變性

大位移井鉆井液的關鍵技術主要有：①井眼穩定；②保持井眼清潔；③潤滑性；④ECD控制等。油基鉆井液在井眼穩定和潤滑性方面有很好的體現，因此大位移和超大位移井的作業首選油基鉆井液。井眼凈化清潔能力的好壞直接影響到井眼摩阻、軌跡控制、鉆井效率和安全鉆進；直接關系到大位移鉆井的成敗。井眼凈化能力直接與鉆井液的流變性能緊密相關。國內外大位移井鉆井對鉆井液流變性一般要求低塑性黏度、高的動切力和動塑比，一般要求動塑比≥0.3、動切力≥10Pa。室內通過油包水乳液乳化率、固相顆粒潤濕率等的測試來研選合適的乳化劑、潤濕劑以便首先滿足乳化穩定性的要求。降低有機土的用量，引入特殊功能的流型調節劑來有效地提高油基鉆井液的動切力、動塑比，同時維持較低的塑性黏度來滿足大位移井井眼凈化的要求，還配套使用降濾失劑等材料，最終形成一套滿足大位移井作業的油基鉆井液體系。

1 適用于大位移井的油基鉆井液室內研究

1.1 評價材料及儀器

試驗材料：3#白油，有機土PF-MOGEL，降濾失劑，重晶石，氯化鈣，石灰，主乳化劑PF-MOEMUL，輔乳化劑PF-MOCOAT，潤濕劑PF-MOWET，流型調節劑，均取自天津中海油服化學有限公司。

試驗儀器：六速旋轉黏度計，青島海通達；破乳電壓測試儀、高溫高壓濾失量測定儀，美國Fann公司。

1.2 評價方法

1) 油包水乳液的配制分別稱取一定量的主乳化劑和輔乳化劑置于高攪杯中，量取240mL 白油加入高攪杯中，在10000r/min轉速下攪拌5min后，緩慢加入9g(稱準至0.01 g) 氧化鈣高速攪拌5min，加入26% 氯化鈣溶液60mL高速攪拌20min，裝入老化罐后置于高溫滾子爐中恒溫老化。

2)油基鉆井液的配制在3#白油中加入主、輔乳化劑和潤濕劑高速攪拌5min；加入氧化鈣高速攪拌2min；加入有機土高速攪拌3min；加入25%的氯化鈣溶液高速攪拌10～15min；加入流型調節劑高速攪拌5min；加入降濾失劑高速攪拌5min；加入重晶石調節密度高速攪拌20min。

3)乳化率的測試恒溫滾動后的油包水乳液取出冷卻至室溫，再高速攪拌20min，倒入250mL量筒至最高刻度線處，靜置觀察，讀取10min分離出的油層體積數V。乳化率E計算公式如下:

式中：E為乳化率，%；V為分離出的油層體積，mL。

4)潤濕率的測試在高攪杯中加入300mL 3#白油和質量分數為1.2%的潤濕劑，在12000r/min轉速下攪拌5min，加入126g重晶石，攪拌20min，倒入500mL量筒中并記錄體積V1，讀取不同時間分離出的油層體積數V2。潤濕率W的計算公式如下：

式中：W為潤濕率，%；V1和V2分別為初始體積和實驗中分離出的油層體積，mL。

1.3 適用于大位移井的油基鉆井液體系構建

體系構建原則：①復合乳化劑體系用于形成穩定油包水乳液；②合適的潤濕劑用于加重材料及鉆屑等固體顆粒表面的潤濕反轉；③有機土配合流型調節劑控制體系的黏度和切力；④改性瀝青等親油膠體用于封堵降濾失。

1.3.1乳化劑的優選

乳化劑的選擇是能否形成穩定油包水乳液油基鉆井液的關鍵因素，為了增加界面膜的強度，用復合乳化劑比用單一乳化劑效果更好。兩種乳化劑構成的膜比單一乳化劑的膜更為結實。按照復合乳化劑的優選原則，選取主乳化劑(PF-MOEMUL)和輔乳化劑(PF-MOCOAT)作為油包水乳液的乳化劑體系。進一步通過油包水乳液的乳化率評價，優選出主乳化劑和輔乳化劑的加量組合，實驗結果如圖1所示。主乳化劑和輔乳化劑質量比為0.8～1時，油包水乳液的乳化率都在90%以上，能夠獲得穩定的油包水乳液。綜合性價比考慮，選取主乳化劑和輔乳化劑質量比為0.8。

圖1 主乳化劑與輔乳化劑按不同比例混合后的乳化率對比圖

1.3.2潤濕劑的優選

通過評價不同潤濕劑對重晶石顆粒的潤濕率來優選潤濕劑。從表1中的數據可見，熱滾前PF-MOWET、PF-MOWET-1、PF-MOWET-2三種具有兩親結構的表面活性劑都對重晶石顆粒起到潤濕效果，但通過高溫熱滾老化后發現，非離子型的潤濕劑PF-MOWET-2經過高溫(120℃)熱滾后分子鏈斷裂明顯，潤濕效果明顯減弱，陽離子型的潤濕劑PF-MOWET-1經過高溫(120℃)熱滾后也有部分分子鏈斷裂，潤濕效果也有減弱。而具有酰胺基團的PF-MOWET抗溫性要優于其余兩種潤濕劑，即使經過高溫老化后也能起到很好的潤濕效果。

表1 熱滾前后潤濕率對比

1.3.3降濾失劑的優選

在150℃×16h的熱滾條件下，在基漿中加入不同的降濾失劑測試鉆井液性能，基漿配方：320mL 3#白油+0.9%主乳化劑PF-MOEMUL+1.1%輔乳化劑PF-MOCOAT+1.5%潤濕劑PF-MOWET+2.5%有機土PF-MOGEL+3%石灰+80mL 26%CaCl2溶液+重晶石(密度加重到1.5g/cm3)(配方中的百分數為質量分數，下同)，測試結果如表2所示。PF-MOHFR-2、PF-MOHFR降濾失效果好，但PF-MOHFR-2對油基鉆井液的乳化穩定性和黏度影響較大，綜合考慮選擇PF-MOHFR為體系降濾失劑。

表2 降濾失劑的優選評價

注：μa為表觀黏度；μp為塑性黏度；τd為動切力；UES為破乳電壓；Vhthp為高溫高壓濾失量。下同。

1.3.4流型調節劑的優選

室內評價了3種流型調節劑PF-MOVIS、PF-FSHSV及PF-MOHSV，試驗結果見表3。基漿配方：320mL 3#白油+0.9% 主乳化劑PF-MOEMUL+1.1% 輔乳化劑PF-MOCOAT +1.5% 潤濕劑PF-MOWET+2.5%有機土PF-MOGEL+3%石灰+80mL 26%CaCl2溶液+2%降濾失劑PF-MOHFR +流型調節劑+重晶石(密度加重到1.5g/cm3)。試驗結果表明，加入PF-MOVIS后的油基鉆井液老化前后表觀黏度、塑性黏度和動切力幾乎不變，且動塑比變化較小。另兩種流型調節劑抗溫能力差，老化后黏度和切力明顯下降，動塑比也明顯降低。因此選用PF-MOVIS作為油基鉆井液體系的流型調節劑。

表3不同流型調節劑對油基鉆井液性能的影響

樣品狀態μa/(mPa·s)μp/(mPa·s)τd/PaN?6N?3UES/VVhthp/mL基漿老化前1915443593-老化后22.5184.5657241.6基漿+0.5%PF-MOVIS老化前322391110809-老化后34241013126560.4基漿+0.5%PF-FSHSV老化前35.52411.51716985-老化后24.5195.5876161.2基漿+0.5%PF-MOHSV老化前47242329271683-老化后25214547532.0

注1：Nφ6、Nφ3分別為六速旋轉黏度計6、3r/min對應的讀值。下同。

注2：老化試驗條件為150℃×16h。下同。

1.4 適用于大位移井的油基鉆井液體系抗污染性能

油基鉆井液具有較強的抗鈣土污染和海水污染，試驗評價結果見表4、表5。抗污染評價基礎配方：320mL 3#白油+0.9% 主乳化劑PF-MOEMUL+1.1% 輔乳化劑PF-MOCOAT +1.5% 潤濕劑PF-MOWET+2.5%有機土PF-MOGEL+3%石灰+80mL 26%CaCl2溶液+2%降濾失劑PF-MOHFR +0.5%流型調節劑PF-MOVIS+重晶石(密度加重到1.5g/cm3)。結果表明該油基鉆井液具有較好的抗鈣土和海水污染的能力。