抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系研究

許 杰，何瑞兵，謝 濤，胡進軍，王 薦

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300451；2.中海油服油田化學事業部油化研究院，

河北燕郊 065201；3.長江大學，湖北荊州 434023；4.湖北省油田化學產業技術研究院，湖北荊州 434000）

隨著油氣勘探的快速發展，油氣勘探開發區域逐漸由淺層向深層地層發展，對鉆探深井、超深井的研究已經逐步開展起來[1]。在鉆探深井過程中，為避免鉆井液中固相對地層損害，發展出了低固相鉆井液體系。無固相甲酸鹽鉆井液體系是無固相鉆井液中應用較廣的一類，是近年來研究開發的環保型鉆井液體系[2]。該體系主要由高分子聚合物、甲酸鹽及其他化學處理劑構成。由于體系中固相含量低，無固相甲酸鹽鉆井液體系具備了以下獨特的優勢：摩阻低，有效提高了機械鉆速；流變性、密度可調范圍大；形成泥餅薄，減少壓差卡鉆；配制維護簡單、生物毒性低等優點，該鉆井液體系廣泛應用于大斜度井、水平井、多支測鉆井等鉆探的需求[3，4]。針對渤中19-6區塊潛山地層，油藏埋藏較深。井底的高溫條件對鉆井液的抗溫性能、抑制性能提出了嚴峻的挑戰。針對現場情況，室內構建了一套抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系。

1 抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液基本組分及作用

1.1 抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液基本組分

無固相甲酸鹽鉆井液體系組成不包含黏土顆粒，主要通過加入高分子聚合物、甲酸鹽和相應的處理劑，就能配制出滿足安全鉆進的鉆井液。體系常用的甲酸鹽可選用甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫，由于甲酸鹽溶液礦化度較高，為保證體系中高分子聚合物能在溶液中充分水化，室內選用了兩種新型抗高溫、抗鹽聚合物HTV-8和HTFL，同時甲酸鹽溶液不易在較高滲透率的地層巖石表面形成致密的泥餅，因此體系中加入少量暫堵劑以滿足對濾失量的調控。

1.2 體系中處理劑的作用

聚合物HTV-8和HTFL作為體系中的增黏提切劑和降濾失劑，當其充分溶解于水相中后，分子鏈舒展增加水相的黏度。同時兩種聚合物分子之間相互作用形成網狀結構來提高體系的結構黏度，形成的空間網狀結構可包裹大量自由水，使其不能自由流動，達到降低濾失量的效果[5]。聚合物分子結構中含有大分子剛性鏈和磺酸基團，提高了聚合物的抗鹽能力[6]，使其能應用于含鹽量高的鉆井液體系中。

構建的抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系采用甲酸鉀鹽水作為基液，甲酸鉀在體系中起到加重和抑制作用，甲酸鉀溶液中K+的水化能小，能輕易的進入黏土晶層間隙，從而置換出水化能較大的Ca2+和Na+；甲酸根HCOO－通過氫鍵吸附于黏土顆粒表面，增加水化膜厚度，從而抑制黏土的水化膨脹，進一步提高井壁穩定性[7，8]。

體系中加入暫堵劑主要是為了降低鉆井液體系的濾失量，使其能在地層孔隙喉道處通過吸附架橋、充填方式形成致密性超低滲透率的泥餅，減輕固、液相對儲層傷害。達到了暫堵、防漏和保護油氣層的目的[9]。

2 抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液配方優選

2.1 抗溫增黏提切劑的優選

鉆探深井過程中，為使無固相甲酸鹽鉆井液性能在高溫條件下具備良好的流變性能。優選出的增黏提切劑應具有較好的抗溫性能。同時，該無固相鉆井液體系以甲酸鉀鹽水作為基液，因此，優選出的增黏提切劑應有較好的抗鹽性能，避免體系在高含鹽量條件下導致體系黏度下降。室內對三種增黏劑進行了對比試驗，其性能（見表1）。由表1可知，在三種增黏提切劑中，HTV-8增黏提切效果最好，其抗溫、抗鹽性能穩定。因此室內選擇HTV-8作為體系的增黏提切劑。基礎配方如下：淡水+0.1%NaOH+1.5%PF-HTFL+3%CaCO3+HCOOK（加重至 1.15 g/cm3）。

2.2 抗溫降濾失劑的優選

室內將新型降濾失劑HTFL與國外降濾失劑Dristemp相比較，實驗結果（見表2）。由表2可知，降濾失劑HTFL在高礦化度、高溫條件下具備較好的降濾失性能，滾后流變性變化不大。其降濾失效果與Dristemp相差不大，因此選用HTFL作為體系的降濾失劑。基礎配方如下：淡水+0.1%NaOH+1.5%HTV-8+3%CaCO3+HCOOK（加重至 1.15 g/cm3）。

表1 不同增黏提切劑的增黏效果

3 抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液綜合性能評價

3.1 體系抗溫性能評價

室內通過優選出增黏提切劑HTV-8、降濾失劑HTFL，確定了抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系的配方為：淡水+0.1%NaOH+1.5%HTV-8+1.5%HTFL+3%CaCO3+HCOOK（加重至1.15 g/cm3）。為考察體系的抗溫能力，將抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液在不同溫度下熱滾16 h后，測定其流變性能。實驗結果（見表3）。

由表3可知，體系經200℃老化后，鉆井液流變性能變化不大，失水照壁性穩定，動塑比為0.6，保證體系具備較好的攜帶和懸浮巖屑能力。因此該抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系抗溫可達200℃。具有良好的抗溫性能。

3.2 抑制性能評價

室內通過線性膨脹率和巖屑滾動回收率來評價抗高溫無固相鉆井液的抑制性能。滾動回收率實驗采用現場泥頁巖鉆屑，實驗條件：200℃、16 h。線性膨脹實驗采用高溫高壓智能型膨脹儀測定現場土的膨脹率，實驗條件：50℃、16 h。實驗結果表明，泥頁巖鉆屑在鉆井液中滾動回收率達92.8%；現場土浸泡在鉆井液中16 h后，線性膨脹濾僅為9.2%。表明，抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系對黏土礦物、泥頁巖的水化膨脹與分散起到很好的抑制效果。這對保護儲層和穩定井壁是至關重要的。

3.3 抗污染能力評價

在鉆井過程中黏土和無機鹽不可避免的會侵入到鉆井液中，從而影響鉆井液流變性能。因此需要對配制的鉆井液體系進行抗污染性能實驗。為了確定抗高溫無固相鉆井液體系抗污染能力的強弱，室內采用CaCl2、污染土作為污染物來評價抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系的抗污染能力，結果（見表4）。

從表4可知，該抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系具備較好的抗無機鹽能力，抗污染土的能力較好，隨著污染土加量的增加，黏度稍有增加，但變化較小，濾失量減少。總體來說，構建的抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系性能穩定，抗污染能力較好，可以滿足現場鉆井作業的需求。

3.4 不同密度下的鉆井液性能

通過調節甲酸鉀的加量，可以對抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系的密度進行調控。室內分析了甲酸鉀加量對鉆井液性能的影響，結果（見表5）。

從表5可以看到，隨著甲酸鉀加量的增加，鉆井液黏度、切力大幅降低。由于甲酸鉀加量的增加，鉆井液活度降低，自由水含量減少，聚合物HTFL、HTV-8分子鏈卷曲收縮，不能充分水化。因此，該抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液使用甲酸鉀加重時，甲酸鉀最佳加量為1.25 g/cm3。

表2 不同降濾失劑的降濾失效果

表3 抗高溫無固相鉆井液體系抗溫性能評價

表4 抗高溫無固相鉆井液抗污染性能評價

表5 甲酸鉀加量對體系流變性影響

表6 電測前后鉆井液體系流變性能

4 現場應用

在室內完成抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系的構建后，該鉆井液體系首先在渤海地區BZ13-2-2井進行了現場試驗。現場使用抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系成功完成了對該井六開井段高溫地層的鉆進。完鉆井深5 233 m，井底溫度185℃。通過三次電測測得該鉆井液體系井漿性能（見表6）。現場配方：海水+0.4%NaOH+1.4%HTFL+0.5%HTV-8+0.3%Na2CO3+0.2%PF-SSY+0.4%PF-LUBE+HCOOK。

由表6的現場數據可知，該抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系在電測期間，由于長時間靜止于井底高溫環境下，體系中聚合物分子存在少量的高溫降解，使得鉆井液體系的黏度、切力有所下降。但該鉆井液體系在井底靜止39 h、96.5 h和132 h后，仍具有較好的流變性，其動塑比大于0.5，滿足了井底攜帶巖屑的要求。現場測得靜止漏速為0.1 m3/h～0.5 m3/h，表明該鉆井液體系封堵性能好、井壁穩定性能強。因此，該抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系適合該區塊地層特性，順利鉆完了目的層。該井測試時日產氣量148 672 m3、日產油量314.88 m3，現場測試產量良好，油氣產量均達到預期水平。

5 結論

（1）室內通過優選出新型抗溫、抗鹽增黏提切劑和降濾失劑，構建了一套抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系。配方為：淡水+0.1%NaOH+1.5%HTV-8+1.5%HTFL+3%CaCO3+HCOOK（視密度而定）。

（2）該抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系在渤海地區BZ13-2-2井成功應用。該鉆井液體系具備長期抗溫穩定性、流變性較好、封堵性能強、抑制性好、抗污染能力強等特點。滿足了現場鉆井的需求。