密度對油基鉆井液性能的影響

潘誼黨，于培志

（中國地質大學（北京）工程技術學院，北京100083）

油基鉆井液具有抑制性強、潤滑性好、抗溫抗污染能力強等優點，被廣泛應用于深井、超深井、大斜度井和水平井等復雜井[1-2]。隨著我國能源需求的增加，以川渝地區頁巖氣為代表的非常規油氣資源的開發逐漸加快[3]，越來越多的高密度油基鉆井液在鉆井現場被使用。與水基鉆井液相比，油基鉆井液流變性更容易受溫度影響[4-6]。油基鉆井液是固體顆粒的懸浮液，隨著鉆井液密度增大，加重材料加量的增大，鉆井液的流變性變得難以控制[7-9]。研究表明，通過減少有機土加量[10-11]或改用微粉加重材料[12]等方法，可以改善高密度時油基鉆井液的流變特性。但是，現場使用高密度油基鉆井液時仍然遇到很大困難。以四川威遠縣威204H37-5井為例，該井水平井段油基鉆井液密度最高達2.15 g/cm3，在鉆井過程中時常會發生黏度和切力突然增大或者破乳電壓突然降低的情況，表現出鉆井液性能的不穩定。高密度對油基鉆井液性能影響的研究目前仍然十分缺乏，研究了密度對油基鉆井液性能的影響，以及不同密度下溫度、剪切時間、油水比、有機土、CaCl2濃度和劣質固相對油基鉆井液性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

主乳化劑、輔乳化劑、潤濕劑、降濾失劑，河南龍翔石油助劑有限公司；0#柴油；API重晶石、有機土，華東局六普鉆井公司鉆井現場使用；CaCl2、CaO，工業級；巖屑，威204H37-5井目的層龍馬溪組頁巖（密度為2.15 g/cm3）。

NB-1型泥漿比重計，上海路達實驗儀器有限公司；電穩定性測試儀DWY-2，青島同春石油儀器有限公司；六速旋轉黏度計1103-12、黏度計量加熱器JR，青島創夢儀器有限公司；全自動張力儀JK99C，上海中晨數字技術設備有限公司；ZNG-A型鉆井液固相含量測定儀，青島海通達專用儀器有限公司；JSM-7401場發射掃描電鏡。

1.2 實驗方法

1.2.1 油基鉆井液的配制

基本配方：油水比8∶2（0#柴油∶25%CaCl2水溶液），4%主乳化劑，2%輔乳化劑，1%潤濕劑，4%降濾失劑，2%有機土，3%氧化鈣，使用API重晶石加重至所需密度。

配制步驟：①取240 mL柴油加入高腳杯中，以12 000 r/min高速攪拌15 min，并加入主乳化劑、輔乳化劑和潤濕劑；②以12 000 r/min高速攪拌10 min，并加入CaCl2水溶液；③以12 000 r/min高速攪拌15 min，并加入降濾失劑、有機土和氧化鈣；④以12 000 r/min高速攪拌40 min，加入重晶石。

1.2.2 鉆井液基本性能測定

參照GB/T 29170—2012《石油天然氣工業鉆井液實驗室測試》測定鉆井液流變性、電穩定性、密度和固相含量。測量不同溫度下鉆井液的流變性時，使用黏度計量加熱器進行加熱和保持恒溫。鉆井液老化條件為：120 ℃下熱滾16 h。老化后的鉆井液先以12 000 r/min高速攪拌10 min，然后再進行性能的測定。鉆井液的配制和測量嚴格按照規定的步驟進行，保證測量結果的準確性和可對比性。

2 結果與討論

2.1 密度對油基鉆井液表觀黏度和破乳電壓的影響

配制不同密度油基鉆井液，老化后在70 ℃下測量鉆井液的破乳電壓和表觀黏度[13]，實驗結果見表1。隨著密度的增加，油基鉆井液表觀黏度和破乳電壓都呈上升的趨勢，密度大于1.9 g/cm3后，這種上升趨勢更加明顯。因為鉆井液的密度和加入的重晶石的量并不呈線性關系。隨著密度增加，重晶石的加入量呈加速增加的趨勢。因此在高密度時，油基鉆井液的表觀黏度和破乳電壓上升得很快。

表1 密度對鉆井液表觀黏度和破乳電壓的影響

油基鉆井液一般使用API重晶石進行加重，討論密度對鉆井液的影響，實質上是討論重晶石加量對鉆井液的影響。可以看出，重晶石的加入會提高油基鉆井液的乳化穩定性。圖1是文中所使用的重晶石掃描電鏡照片。從圖中可以看出，重晶石顆粒呈不規則狀，并且棱角分明。隨著鉆井液密度的增加，重晶石含量不斷增加，不規則狀的重晶石顆粒會大大增加鉆井液中固相和液相、固相和固相之間的摩擦，因此隨著密度增加鉆井液的塑性黏度會增大。從圖中還可以觀察到，重晶石粒徑大小不一，存在很多相對微小的顆粒。重晶石等加重材料表面性質多屬于水濕性[12]。在油基鉆井液中，微小的重晶石顆粒更傾向于聚集在一起，增加了不必要的網架結構，增大了鉆井液的動切力。表觀黏度值是塑性黏度和動切力的和，因此密度的增加會使鉆井液表觀黏度增大。

圖1 重晶石掃描電鏡圖

2.2 不同密度下其它因素對油基鉆井液性能的影響

2.2.1 溫度對油基鉆井液黏度的影響

油基鉆井液在井底會經歷高溫老化，性能發生變化。表2是密度為1.5和2.1 g/cm3時油基鉆井液老化前后不同溫度下的塑性黏度和動切力值。

表2 溫度對油基鉆井液性能影響

從表2可以看出，2種密度的油基鉆井液老化前后，塑性黏度變化幅度不大；密度為1.5 g/cm3時油基鉆井液老化前后動切力少量增加，而密度為2.1 g/cm3時老化后的動切力大約是老化前的1.5倍，增幅顯著。這表明高溫老化會提高油基鉆井液動切力，并且這種趨勢在高密度時更加明顯，因此油基鉆井液在高密度時要重點關注老化后的性能。由表2還可以看出，無論是老化前后，密度2.1 g/cm3的油基鉆井液比密度1.5 g/cm3的油基鉆井液塑性黏度和動切力受溫度的影響更大。密度不僅僅單獨地影響油基鉆井液的性能，也會影響油基鉆井液對其它因素的敏感性。因此，研究不同密度下其它因素對油基鉆井液的影響十分必要。

為研究不同密度時溫度對油基鉆井液的影響，配制不同密度油基鉆井液，老化后測量不同溫度下的表觀黏度，實驗結果見圖2。隨著溫度降低，油基鉆井液的表觀黏度增加，這種增加趨勢在高密度時尤為明顯。因此，高密度油基鉆井液表觀黏度受溫度的影響比低密度時大很多。

圖2 不同溫度下油基鉆井液的表觀黏度

不同密度時不同溫度油基鉆井液的表觀黏度圖見圖3。

圖3 不同密度油基鉆井液的表觀黏度

如圖3所示，當密度小于1.9 g/cm3時密度對油基鉆井液表觀黏度影響較小，而密度大于1.9 g/cm3時，表觀黏度不僅迅速增加，表觀黏度受溫度的影響也迅速增大。密度的增加使油基鉆井液表觀黏度對溫度的敏感性增加，并且存在一個臨界密度，大于該密度的油基鉆井液表觀黏度受溫度的影響迅速增大。

2.2.2 剪切時間對不同密度油基鉆井液破乳電壓的影響

配制不同密度油基鉆井液，在加入重晶石的時候開始計時，每隔5 min測量一次破乳電壓值，實驗結果見圖4。可以看出，隨著剪切時間增加，油基鉆井液破乳電壓不斷升高。破乳電壓最終達到一個相對穩定的值，密度越高，破乳電壓穩定值越高。并且密度越高，達到穩定值需要的剪切時間越短。這說明，重晶石的加入不僅有利于提高鉆井液的乳化穩定性，還能加速鉆井液的乳化。

圖4 剪切時間對油基鉆井液破乳電壓的影響

圖5 是不同剪切時間下密度對破乳電壓的影響圖。從圖5可以看出，相同剪切時間時，高密度油基鉆井液破乳電壓始終高于低密度鉆井液。存在一個臨界密度，大于該密度的油基鉆井液破乳電壓隨密度的增加升高的很快。

圖5 密度對油基鉆井液破乳電壓的影響

固體顆粒對乳狀液的穩定作用，主要是固體顆粒在油水界面形成具有一定機械強度的界面膜[14]。重晶石顆粒在油水界面上，減少了油水接觸面積，有利于乳狀液的穩定。在攪拌過程中，重晶石顆粒增加了鉆井液的切力，加快了大液滴形成小液滴的過程，因此能夠加速鉆井液的乳化。然而，重晶石提高油基鉆井液乳化穩定性和加速乳化的作用在高密度時才得以體現。

為了探究重晶石加量與破乳電壓的關系，取剪切時間為90 min、95 min和100 min時破乳電壓的平均值，當做不同密度油基鉆井液最終穩定的破乳電壓值。作出重晶石加量-破乳電壓穩定值的散點圖，并作線性擬合，結果如圖6。可以看出，破乳電壓穩定值和重晶石加量的線性相關系數為0.9896，呈高度線性關系。根據擬合公式，計算密度1.3、1.5、2.1和2.3 g/cm3時的理論破乳電壓值。密度2.3 g/cm3的鉆井液比密度2.1 g/cm3增加了158 V，而密度1.5 g/cm3的鉆井液僅比密度1.3 g/cm3增加了80 V，相差近一倍。這是因為，隨著密度增加，重晶石的加入量呈加速增加的趨勢。目前在鉆井現場，重晶石對破乳電壓的影響并不受重視，但這顯然忽略了在高密度時重晶石提高油基鉆井液乳化穩定性的潛力。

圖6 重晶石加量對油基鉆井液破乳電壓的影響

2.2.3 油水比對油基鉆井液表觀黏度和破乳電壓的影響

油水比是油基鉆井液中油和水的體積比，油水比的大小對鉆井液的流變性和穩定性影響很大。配制不同油水比不同密度的油基鉆井液，老化后在70 ℃下測量鉆井液的表觀黏度和破乳電壓，實驗結果見表3。從表3可以看出，不同油水比時，密度2.1 g/cm3的油基鉆井液表觀黏度和破乳電壓都比密度1.5 g/cm3的鉆井液高，并且這種差值在低油水比時更加明顯。隨著油水比升高，油基鉆井液表觀黏度降低，并且密度2.1 g/cm3的油基鉆井液降低的很快。可以說明，高密度油基鉆井液表觀黏度受油水比的影響比低密度大。因此，為了降低高密度時油基鉆井液黏度，應該適當提高油水比。表3還可以看出，油水比越高，鉆井液破乳電壓越高。實驗基本配方中乳化劑的加量是按照油水比8∶2設計的，在油水比6∶4和7∶3時乳化劑的加量不足，因此破乳電壓很低。油水比從8∶2提高到9∶1時，即在乳化劑的量充足時，提高油水比仍然能起到提高破乳電壓的作用。當油水比從7∶3增加至8∶2時，密度2.1 g/cm3的鉆井液破乳電壓陡然增加，而密度1.5 g/cm3的鉆井液緩慢增加。說明高密度油基鉆井液破乳電壓受油水比的影響比低密度大。綜上可知，在高密度時油基鉆井液對油水比更敏感，保持較高、穩定的油水比十分重要。

表3 油水比對油基鉆井液性能的影響

2.2.4 CaCl2濃度對油基鉆井液破乳電壓的影響

油基鉆井液通常使用25%的CaCl2水溶液配制，用以平衡井下地層水的活度，減少鉆井液中水的流失。在油基鉆井液中CaCl2的濃度通常不被現場重視，因為在低密度情況下CaCl2的濃度似乎對油基鉆井液沒有影響。但是，隨著國內高密度油基鉆井液使用的越來越多，CaCl2的濃度對油基鉆井液的影響也逐漸被現場工程師發現。

使用不同濃度的CaCl2水溶液配制密度為1.5 g/cm3和2.1 g/cm3的油基鉆井液，老化后測量破乳電壓，結果見表4。隨著氯化鈣濃度增大，油基鉆井液破乳電壓逐漸降低，并且高密度下這種降低趨勢更明顯。2.1 g/cm3密度時，當CaCl2的濃度從0提高到20%，鉆井液的破乳電壓從1563 V降低到796 V，降低了49%。而密度1.5 g/cm3時，僅降低了32%。因此，CaCl2的濃度對高密度油基鉆井液影響比低密度時大。在使用高密度油基鉆井液的時候要適當減小CaCl2濃度。另外，如果用其他鹽替代傳統的氯化鈣鹽，性能會得到改善。甲酸鹽作為內鹽，通常比氯化鈣具有更好的性能[6]。

為了探究CaCl2濃度對油基鉆井液破乳電壓的影響機理，使用全自動張力儀對不同濃度的CaCl2水溶液表面張力進行測量，結果見表4。隨著CaCl2濃度增大，CaCl2水溶液的表面張力逐漸增大。這表明溶液中分子間的吸引力增大，水滴更容易聚合到一起，增加了乳狀液的不穩定。另外，CaCl2濃度對破乳電壓的影響程度受密度的影響，說明重晶石也參與了其影響機理。針對CaCl2濃度對油基鉆井液性能的影響機理，還需要進一步的研究。

表4 CaCl2濃度對油基鉆井液性能的影響

2.2.5 有機土對油基鉆井液表觀黏度的影響

使用不同有機土加量，配制密度1.5 g/cm3和密度2.1 g/cm3的油基鉆井液，老化后70 ℃下測量表觀黏度和破乳電壓，結果見圖7。

圖7 有機土對油基鉆井液表觀黏度的影響

從圖7可知，隨著有機土加量的增加，油基鉆井液的表觀黏度隨之增大。當有機土加量從0增加到3%時，密度為2.1 g/cm3油基鉆井液的表觀黏度增加了49 mPa·s，而密度為1.5 g/cm3的鉆井液僅增加了約16 mPa·s。可以說明，高密度油基鉆井液的表觀黏度受有機土加量的影響比低密度大很多。鉆井現場一般使用的有機土加量不超過2%，在使用高密度油基鉆井液時，還需適當減少有機土的加量。

研究表明，油基鉆井液對溫度的依賴性取決于鉆井液中存在的固相和有機黏土的量[15-16]。配制密度為2.1 g/cm3的油基鉆井液，老化后測量不同溫度下的表觀黏度，結果見圖8。由圖8可知，有機土加量的增加不僅會提高油基鉆井液的表觀黏度，還增加了溫度對鉆井液的影響。綜上可知，與低密度相比，高密度油基鉆井液對有機土加量更加敏感。

圖8 不同有機土加量時溫度對表觀黏度的影響

2.2.6 劣質固相對油基鉆井液的影響

鉆井液中不利于維護和提高鉆井液性能的固相被稱為劣質固相，油基鉆井液中的劣質固相主要是微小的巖屑。大塊的巖屑可以通過鉆井液凈化系統自動除去，然而微小的巖屑因為其低重力，因此很難從鉆井液中除去。低密度鉆井液中劣質固相含量增加會使鉆井液密度明顯增加，容易被發現和處理。而高密度鉆井液中混入了過量的劣質固相并不會使鉆井液的密度顯著增加，因此很容易被現場工程師忽略。以四川威遠縣威204H37-5井為例，現場鉆井液密度2.15 g/cm3時，固相含量最高達53%（室內實驗測得密度2.1 g/cm3的油基鉆井液固相含量為43%），遠高于理論值。

為了探究劣質固相對不同密度油基鉆井液的影響，將頁巖巖屑粉碎并通過80目篩網，模擬劣質固相。配制密度1.5 g/cm3和密度2.1 g/cm3的油基鉆井液，加入不同量的劣質固相，12 000 r/min高速攪拌10 min后測量其表觀黏度，結果見表5。由表5可知，隨著劣質固相增加，油基鉆井液表觀黏度隨之增加。劣質固相加量從0增加到40%時，密度2.1 g/cm3的油基鉆井液表觀黏度增加了32 mPa·s，而密度為1.5 g/cm3的鉆井液僅增加了8 mPa·s。可以說明，高密度油基鉆井液表觀黏度受劣質固相的影響比低密度大很多。因此，在使用高密度油基鉆井液時要更加注重對劣質固相的監控和處理。

表5 劣質固相加量對油基鉆井液表觀黏度的影響

3 結論

1.討論密度對鉆井液的影響，實質上是討論重晶石加量對鉆井液的影響。重晶石能增加油基鉆井液的黏度和切力，提高鉆井液的乳化穩定性。油基鉆井液的破乳電壓和重晶石的加入量呈線性關系。隨著密度的增加，油基鉆井液表觀黏度和破乳電壓都呈加速上升的趨勢，而這種趨勢是由鉆井液的加重機制決定的。

2.密度不僅單獨對油基鉆井液性能造成影響，還提高了油基鉆井液對其它因素的敏感性。在高密度時，油基鉆井液的表觀黏度受溫度、油水比、有機土和劣質固相的影響程度比低密度時更大。密度的提高不僅提高油基鉆井液的破乳電壓，還減小了達到破乳電壓穩定值的剪切時間。破乳電壓在高密度時對油水比、CaCl2濃度和有機土的影響比低密度更加敏感。綜上可知，油基鉆井液在高密度時性能會更加不穩定。

3.在鉆井現場使用高密度油基鉆井液時要注意以下幾點：①有機土不僅影響油基鉆井液的黏度，還增加了鉆井液黏度對溫度的依賴性，因此需要盡量減小有機土的加量；②保持較高、穩定的油水比，防止油水比降低導致鉆井液破乳電壓急劇降低；③適當減小CaCl2的濃度，或用其他鹽替代傳統的氯化鈣鹽；④注重對劣質固相的監控和處理。