抗160 ℃超高密度柴油基鉆井液體系

尹達，吳曉花，劉鋒報，徐同臺，晏智航，趙續榮

（1.塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000；2.北京石大胡楊石油科技發展有限公司，北京 102200）

0 引言

隨著全球石油需求的不斷增加及已探明儲量的逐漸開采，油氣勘探開發逐步向深層、非常規等油氣藏發展， 鉆遇高溫高壓地層的概率逐漸增大。我國塔里木盆地、準格爾盆地和四川盆地，大部分油氣資源都埋藏在深部地層。特別是塔里木盆地庫車山前，鉆遇庫姆格列木群鹽膏地層時，會鉆遇壓力系數高達2.4～2.7 g/cm3高壓鹽水層。為了防止鉆進高壓鹽水層時發生井漏，需研發性能良好的超高密度2.4～3.0 g/cm3油基鉆井液[1-2]。為了安全鉆進，防止噴、漏、卡等井下復雜情況發生，要求超高密度油基鉆井液能夠抗高溫，具有良好的流變性、封堵性和動/靜沉降穩定性[1-7]，且高溫高壓濾失量低。

塔里木盆地庫車山前所采用的超高密度柴油基鉆井液，使用0#柴油為外相，25%氯化鈣鹽水為內相、加入抗高溫的有機土、主乳化劑、輔乳化劑、潤濕劑、降濾失劑、氧化鈣配制成油包水鉆井液，再采用加重劑加重至所需密度。下面研討各組份對超高密度柴油基鉆井液性能的影響，以形成滿足安全鉆進庫姆格列木群鹽膏地層要求的優質超高密度柴油基鉆井液。

論文中所有鉆井液實驗均在常溫配漿，在160℃熱滾16 h后冷卻至室溫，高速攪拌20 min測性能，按照GB/T 16783-2—2012《石油天然氣工業鉆井液現場測試（第2部分）：油基鉆井液性能測試操作規程》進行測試，流變性能與動沉降穩定性在65 ℃下測定，高溫高壓濾失量在160 ℃、3.5 MPa下測定，動沉降穩定性使用六速黏度計測定的600 r/min底部密度與在100 r/min下攪拌30 min后底部密度差△ρ（g/cm3）表示。

實驗所用的處理劑均采用能抗200 ℃高溫的油基鉆井液處理劑。

1 加重劑的優選

1.1 采用重晶石加重油水比為80∶20的柴油基鉆井液

采用已研發成功的抗160 ℃柴油基鉆井液的配方作為基礎配方，實驗結果見表1。

表1 重晶石（4.2 g/cm3）加重油基鉆井液性能

從表1可知，采用重晶石加重的油水比為80∶20的柴油基鉆井液[3-5]，隨著鉆井液密度從1.8增加至2.0 g/cm3，鉆井液流變性能稍增；鉆井液密度超過2.0 g/cm3，流變性能急劇增大；當密度達2.4 g/cm3時，塑性黏度已高達83 mPa·s；鉆井液密度達2.6 g/cm3，塑性黏度已無法測定。上述數據表明，當柴油基鉆井液油水比為80∶20時，采用重晶石加重的鉆井液密度超過2.2 g/cm3，其流變性能已無法滿足現場需求。

1.2 油水比對重晶石加重高密度柴油基鉆井液性能的影響

為了改善重晶石加重的高密度油基鉆井液流變性，試圖通過調整油水比來實現，結果見表1、表2和表3。從表中可以得出：隨著油水比的增高，采用重晶石加重的油基鉆井液流變性能得到改善，在保持良好流變性前題下，油水比為90∶10時，采用重晶石加重油基鉆井液密度可以加至2.4 g/cm3；油水比為95∶5時，采用重晶石加重油基鉆井液密度可以達2.5 g/cm3。對于抗160 ℃密度超過2.5 g/cm3的油基鉆井液，采用重晶石加重難以獲得良好的流變性能。

表2 重晶石（4.2 g/cm3）加重油水比為90∶10油基鉆井液性能

表3 重晶石（4.2 g/cm3）加重油水比為95∶5油基鉆井液性能

1.3 MicroMax與重晶石按6∶4復配配制超高密度柴油基鉆井液

MicroMax主要成分是Mn3O4，采用特種工藝加工而成，其顆粒形狀呈球形[1-3]。該加重劑密度為 4.7～4.9 g/cm3，MicroMax的粒徑 D50為1.09 μm，D10為 0.40 μm，D90為 2.87 μm，其粒徑小，粒度分布窄，其顆粒表面的Zeta電位小于-30 mV，莫氏硬度為5.5，可溶于無機酸和有機酸。

重晶石粒徑較大，其D50為8～9 μm，D90為30 μm，依據Farris效應[6]，采用粒徑不同重晶石與MicroMax復配作為加重劑，所配制的超高密度油基鉆井液，具有良好的流變性，實驗結果見表4。從表4可以看出，隨著加重劑中MicroMax的增加，鉆井液黏度、動切力、靜切力均下降，高溫高壓濾失量稍增，動沉降穩定性得到顯著改善；重晶石與MicroMax比例為60∶40，鉆井液獲得良好性能；繼續增加MicroMax比例，鉆井液仍保持良好流變性能與動沉降穩定性，破乳電壓穩定，但高溫高壓濾失量急劇增大。上述實驗表明，重晶石與MicroMax復配比例為60∶40，超高密度柴油基鉆井液獲得所需各類性能。

表4 重晶石（B）與MicroMax（M）復配對超高密度2.8 g/cm3柴油基鉆井液性能的影響

2 有機土加量對不同密度柴油基鉆井液性能的影響

有機土是親油性膨潤土，在油基鉆井液中主要作為增黏劑與降濾失劑。在不同密度的柴油基鉆井液中，有機土最佳加量是不相同的。

2.1 鉆井液密度為2.4、2.6 g/cm3

如表5所示，對于密度為2.4 g/cm3的柴油基鉆井液，隨著有機土加量從0.3%增至2%，鉆井液塑性黏度、動切力、動塑比、切力增大；有機土加量從0.3%增至1%，高溫高壓濾失量從39.4 mL下降至5.6 mL；動態沉降穩定性變好，△ρ從0.214下降至0.022 g/cm3；繼續增加有機土加量，高溫高壓濾失量增大，動沉降穩定性變差；當有機土含量增為2%時，高溫高壓濾失量增至36 mL，動沉降穩定性△ρ增至0.125 g/cm3。實驗結果表明，對于密度2.4 g/cm3柴油基鉆井液，有機土最佳加量為0.5%～1.5%。對于密度為2.6 g/cm3的柴油基鉆井液，隨著有機土加量從0.3%增至1.0%，鉆井液塑性黏度、動切力、動塑比、切力增大；有機土加量從0.3%增至0.5%，高溫高壓濾失量從13.2 mL下降至7.6 mL，動態沉降穩定性變好，△ρ從0.144下降至0.039 g/cm3；繼續增加有機土加量至1.0%，高溫高壓濾失量增大至9 mL，動沉降穩定性變差，△ρ增至0.073 g/cm3。實驗結果表明，對于密度2.6 g/cm3柴油基鉆井液，有機土最佳加量為0.5%～1%。

表5 有機土加量對超高密度柴油基鉆井液性能的影響

2.2 鉆井液密度為2.8 g/cm3

有機土加量對密度2.8 g/cm3柴油基鉆井液性能影響實驗結果見表6。從表6可以看出，隨著有機土加量從0.3%增至1%，鉆井液塑性黏度、動切力、動塑比、切力增大；隨有機土加量從0.3%增至1.0%，高溫高壓濾失量從3.8 mL稍增至5.8 mL，動態沉降穩定性稍變差，△ρ從0.015增至0.056 g/cm3；破乳電壓隨有機土加量從0.3%至0.8%而下降至1470 V，繼續增加有機土加量至1%，破乳電壓增至1745 V。實驗結果表明，對于密度2.8 g/cm3柴油基鉆井液，有機土最佳加量為0.3%～0.5%。

表6 有機土加量對密度2.8 g/cm3柴油基鉆井液性能的影響

2.3 鉆井液密度為3.0 g/cm3

有機土加量對密度為3.0 g/cm3柴油基鉆井液性能的影響見表7。

表7 有機土加量對密度3.0 g/cm3柴油基鉆井液性能的影響

從表7可知，①隨著有機土加量從0增至0.3%，鉆井液流變性能變化不大，繼續增加有機土加量至0.5%，鉆井液流變性能急劇增加，表觀黏度已無法測量；②隨有機土加量從0增至1.0%，高溫高壓濾失量從5 mL稍增至6 mL；③隨有機土加量從0增至0.5%，均具有良好的動態沉降穩定性，密度差保持在0.024～0.018 g/cm3，有機土加量繼續增至1%，動態沉降穩定性變差，△ρ增至0.091 g/cm3。實驗結果表明，對于密度3.0 g/cm3柴油基鉆井液，有機土最佳加量為0～0.3%。

3 潤濕劑加量對不同密度柴油基鉆井液性能的影響

加重劑表面是親水的，將加重劑加至柴油基鉆井液中，加重劑會發生聚結，使得鉆井液黏度增高和沉降。潤濕劑是一種表面活性劑，用來降低液體和固相之間的界面張力和潤濕角。在柴油基鉆井液中加入潤濕劑，使加重劑與鉆屑表面由親水性而迅速轉為親油性，從而保證它們在油相中具有良好的懸浮性。該劑在油基鉆井液中也可用作輔乳化劑，起到一定潤濕作用。故在油基鉆井液中，潤濕劑的最佳加量與所采用的輔乳化劑性能與加量有關。

3.1 鉆井液密度為2.4 g/cm3

在2.4 g/cm3高密度柴油基鉆井液中，不加入潤濕劑，黏度極高，無法配漿。當潤濕劑加量至1%時，可配制出良好流變性能的油基鉆井液；繼續增加潤濕劑至2%，鉆井液流變性能變化不大；高溫高壓濾失量從5.6 mL增加至8.8 mL，動沉降穩定性變差，△ρ從0.022增加到0.158 g/cm3，見表8。以上實驗結果表明，對于密度2.4 g/cm3柴油基鉆井液，潤濕劑最佳加量為1%。

表8 潤濕劑加量對密度2.4 g/cm3柴油基鉆井液性能的影響

3.2 鉆井液密度為2.6 g/cm3

在2.6 g/cm3高密度柴油基鉆井液中，不加入潤濕劑，黏度極高，無法配漿。當潤濕劑加量至1%時，可配制出良好流變性能的油基鉆井液；繼續增加潤濕劑至2%，鉆井液流變性能稍增；高溫高壓濾失量從7.6 mL稍降至5.2 mL，動沉降穩定性稍變差，從0.039增加到0.066 g/cm3，見表9。以上實驗結果表明，對于密度2.6 g/cm3柴油基鉆井液，潤濕劑最佳加量為1%。

表9 潤濕劑加量對柴油基鉆井液性能的影響

3.3 鉆井液密度為2.8 g/cm3

在2.8 g/cm3高密度柴油基鉆井液中，不加入潤濕劑，黏度極高，成固態。隨著潤濕劑加量增至0.5%，可配制出良好流變性能的油基鉆井液，但高溫高壓濾失量極大，高達54 mL ，動態沉降穩定性為0.053 g/cm3；繼續增加潤濕劑至1%，鉆井液流變性能稍降；高溫高壓濾失量降至5.6 mL，動沉降穩定性變好，降到0.003 g/cm3；再增加潤濕劑加量到2%，鉆井液流變性能稍降；高溫高壓濾失量變化不大，動沉降穩定性稍變差，增到0.043 g/cm3，見表10。以上實驗結果表明，對于密度2.8 g/cm3柴油基鉆井液，潤濕劑最佳加量為1%。

表10 潤濕劑加量對柴油基鉆井液性能的影響

4 主乳化劑加量的影響

乳化劑是油包水乳狀液是否穩定的決定因素，它在乳狀液中的主要作用是在油水界面形成一層堅固的膜。乳化劑分為主乳化劑和輔乳化劑。主乳化劑又稱第一乳化劑，是用于油包水鉆井液的主要乳化劑，它的主要作用是形成膜的骨架，適宜做主乳化劑的HLB值為3～6。

主乳化劑加量對柴油基鉆井液性能影響實驗結果見表11。從表11可以得出：在柴油基鉆井液中不加主乳化劑，油水無法乳化，配制不出柴油基鉆井液；當主乳化劑加量增到為0.5%時，鉆井液具有很好流變性能，高溫高壓濾失量為7 mL，破乳電壓較高達1659 V，具有較好的動沉降穩定性，△ρ為0.036 g/cm3；主乳化劑加量增到0.8%，鉆井液流變性能稍增，高溫高壓濾失量下降至5.2 mL，并具有很好動沉降穩定性，△ρ降至0.008 g/cm3，破乳電壓增大至1740 V；繼續增加主乳化劑加量增到1.2%，鉆井液流變性能稍降、高溫高壓濾失量降至4.1 mL、△ρ增大；繼續增加主乳化劑加量增到2%，鉆井液流變性能、高溫高壓濾失量、破乳電壓均增大，動沉降穩定性變差，△ρ增至0.085 g/cm3。以上實驗結果表明，對于密度2.8 g/cm3柴油基鉆井液，主乳化劑最佳加量為0.5%～1.2%。

表11 主乳化劑加量對密度2.8 g/cm3柴油基鉆井液性能的影響

5 輔乳化劑加量的影響

輔乳化劑也稱第二乳化劑或乳化穩定劑。它的主要作用是使主乳化劑形成的乳狀液更穩定，適宜做輔乳化劑的HLB值為8～18。

輔乳化劑加量對柴油基鉆井液性能影響實驗結果見表12。從表12可以得出：在柴油基鉆井液中不加輔乳化劑，加重劑發生絮聚，鉆井液塑性黏度、動切力高達測不出，高溫高壓濾失量大到59.4 mL；當輔乳化劑加量增到0.5%時，鉆井液具有很好流變性能，但高溫高壓濾失量仍高達50 mL；輔乳化劑加量增到1%，鉆井液流變性能變化不大，高溫高壓濾失量急劇下降至5.2 mL，并具有很好動沉降穩定性，△ρ降至0.008 g/cm3；繼續增加輔乳化劑加量至2%，高溫高壓濾失量、△ρ均增大。以上實驗結果表明，對于密度2.8 g/cm3柴油基鉆井液，輔乳化劑最佳加量為0.5%～1%。

表12 輔乳化劑加量對柴油基鉆井液性能的影響

6 降濾失劑加量的影響

降濾失劑為親油膠體，在油基鉆井液中降低濾失量。國內外油基鉆井液所使用的降濾失劑可歸為3類：瀝青類、有機褐煤類、聚合物類。

本研究采用高軟化點瀝青類降濾失劑進行實驗，優選其在密度2.8. g/cm3柴油基鉆井液降濾失劑最佳加量，實驗結果見表13。

表13 密度2.8 g/cm3不同降濾失劑加量性能對比

從表13可以得出：降濾失劑加量為3%時，鉆井液具有良好的流變性能，高溫高壓濾失量可降到8.8 mL；隨著降濾失劑加量從3%增加至5%，柴油基鉆井液中塑性黏度稍增，動切力稍降，高溫高壓濾失量下降，動沉降穩定性改善，△ρ降至0.003 g/cm3。以上實驗表明，降濾失劑加量最佳加量為4%～5%。

7 CaO加量的影響

CaO在柴油基鉆井液中用作堿度控制劑，穩定油基鉆井液堿度，可提供鈣離子，與離子型表面活性劑生成鈣鹽型表面活性劑，從而保證所加入乳化劑充分發揮作用。柴油基鉆井液不加CaO，無法配制出良好性能的油漿，鉆井液破乳電壓低、濾失量高；只有當CaO達到1%時，才能配制出乳化性能較好的油基鉆井液；因而本研究CaO加量從1%開始進行實驗。

CaO加量對密度2.8 g/cm3柴油基鉆井液性能影響實驗結果見表14。從表14可以得出：隨著CaO加量從1%增加至3.5%，柴油基鉆井液中塑性黏度稍增，動切力稍降，高溫高壓濾失量下降，動沉降穩定性改善，當CaO加量為3%時，△ρ降至0.008 g/cm3，繼續增加CaO加量為3.5%，動沉降穩定性稍變差，△ρ增至0.036 g/cm3。以上實驗表明，CaO加量最佳加量為2.5%～3%。

表14 CaO加量對密度2.8 g/cm3柴油基鉆井液性能影響

8 超高密度柴油基鉆井液配方的確定

通過實驗研究，優選出抗160 ℃密度2.4～3.0 g/cm3的柴油基鉆井液配方，見表15。加重劑全部采用重晶石與MicroMax按6∶4的比例復配加重。

表15 抗160 ℃超高密度柴油基鉆井液配方

9 結論

1.采用單一重晶石加重，通過提高油水比至90∶10～95∶5，可以改善高密度柴油基鉆井液的流變性能，但無法配制出具有良好流變性能與動沉降穩定性能的超高密度柴油基鉆井液。

2.依據Farris效應，采用兩種粒徑不同加重劑∶重晶石與MicroMax按6∶4復配，可配制的出2.4～3.0 g/cm3抗160 ℃高溫超高密度油基鉆井液（所采用的處理劑必須能抗180℃以上高溫），該鉆井液具有良好的流變性、低的高溫高壓濾失量、高的破乳電壓和極好的動沉降穩定性。

3.通過優選各種抗160 ℃高溫油基鉆井液的處理劑加量，得出密度為2.4～3.0 g/cm3的超高密度柴油基鉆井液配方為：0#柴油與25%氯化鈣鹽水比例為90∶10，加入有機土+（0.5%～1.2%）主乳化劑+（0.5%～1%）輔乳化劑+1%潤濕劑+（4%～5%）降 濾 失 劑+（2.5%～3%）CaO+加 重劑，其中密度為2.4、2.6、2.8、3.0 g/cm3的柴油基鉆井液的最佳有機土加量分別為0.5%～1.5%、0.5%～1.0%、0.3%～0.5%、0～0.3%。