抗高溫高密度鉆井液配方的研制與性能評價

( 中國石油集團西部鉆探工程有限公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000 )

深井鉆進過程中，井底溫度高、壓力高，地層結構復雜，鉆井過程經常會遇到高壓油氣層、膏泥巖和高壓鹽水層等復雜地層[1～4]。在鉆井作業過程中會發生軟泥巖和鹽膏層蠕變、高壓鹽水侵入、井壁失穩等問題，從而引起卡鉆、鉆井液污染、井壁坍塌、溢流等井下復雜事故，給鉆井作業帶來極大困難和風險[5～7]。為防止軟泥巖蠕變、平衡地層壓力、保持高壓鹽水層、維持井壁穩定，需要研制出一種具有良好性能的抗高溫高密度鉆井液配方[8,9]。

1 高密度鉆井液技術難點

1.1 懸浮性和流變性之間的矛盾

提高鉆井液懸浮性通常的做法是在鉆井液中加入結構穩定劑，加強鉆井液空間網狀結構作用，這種做法提高了鉆井液懸浮性，但是會對鉆井液流變性造成影響，在高密度鉆井液中這種矛盾尤其突出，經常會陷入提高懸浮性——流變性變差——改善流變性——懸浮性變差的惡性循環[10～12]。因此需要平衡懸浮性和流變性之間的矛盾。

1.2 污染物對高密度鉆井液性能影響

在鉆進過程中，地層巖屑等有害固相混入、鹽膏層污染、地層鹽水侵入等都會對鉆井液造成極大污染。對于常規低密度鉆井液，少量污染物侵入不會對鉆井液性能造成太大影響，但對于高密度鉆井液，少量污染物侵入就會造成流變性變差、濾失量增大、懸浮性變差等，造成鉆井液流動困難、井壁虛泥餅厚、加重材料下沉等現象[13～15]，從而引起起鉆掛卡、下鉆下不到底、中途遇阻，甚至卡鉆等井下復雜事故，因此高密度鉆井液對抗污染性能要求更高。

1.3 高溫對鉆井液性能影響

鉆井液在高溫作用下，能夠使鉆井液中處理劑發生高溫降解，從而造成處理劑失效，使得鉆井液性能變差，引起膠凝、固化、減稠以及濾失量上升、泥餅增厚等問題[1]。

2 抗高溫降濾失劑的合成

2.1 合成原料

丙烯酸，陽離子單體，丙烯酰胺，引發劑，磺酸基聚合物。

2.2 磺酸鹽共聚物的合成

圖1 SSDP的IR譜圖

在蒸餾水中溶解磺酸基聚合物、丙烯酸，調節溶液pH值，不斷攪拌并加入丙烯酰胺，待其充分溶解后，加入陽離子單體，升溫，調節溶液pH值，然后向溶液中加入引發劑，在一定溫度下，可得膠凝狀產物。膠凝狀產物自然冷卻后，將產物剪切成顆粒狀態，在105℃下烘干、粉碎，即可得到磺酸鹽共聚物降濾失劑(SSDP)。

2.3 SSDP的表征

3 處理劑的評價與優選

3.1 降濾失劑SSDP

在質量分數4%淡水膨潤土基漿(以下簡稱基漿)中加入降濾失劑SSDP，不同溫度下鉆井液性能如表1所示。加入降濾失劑SSDP后，濾失量降低，動切力提高。

表1 膨潤土漿中加入SSDP后的性能

注：配方中的百分數均為質量分數；熱滾條件為180℃×16h。下同。

3.2 防塌封堵劑FF

在質量分數4%淡水膨潤土基漿中加入防塌封堵劑FF后性能如表2所示。表觀黏度、塑性黏度和動切力都略有降低，濾失量降低顯著，說明防塌封堵劑FF在膨潤土漿中有很好的封堵性能。

在質量分數4%鹽水膨潤土漿中加入防塌封堵劑FF后性能如表3所示。防塌封堵劑FF在鹽水膨潤土漿中仍然具有較好性能，隨著防塌封堵劑FF加量增加，鉆井液表觀黏度、塑性黏度和動切力變化不大，濾失量顯著降低。

表2 淡水膨潤土漿中加入FF后性能

表3 鹽水膨潤土漿中加入FF后的性能

4 鉆井液配方性能評價

通過室內試驗優選出抗溫抗鹽性能良好的磺化酚醛樹脂SMP-3、磺化褐煤樹脂SPNH、抑制劑胺基聚醇AP-1和降黏劑XY-27，最終形成鉆井液配方為：水+0.2%NaOH+0.3%Na2CO3+2%鈉膨潤土+0.2%降濾失劑SSDP+3%磺化酚醛樹脂SMP-3+4%磺化褐煤樹脂SPNH +0.2%天然高分子包被劑IND30+4%防塌封堵劑FF +1%抑制劑胺基聚醇AP-1+0.2%降黏劑XY-27+高密度重晶石粉(密度為4.3g/cm3)。

4.1 防塌性能

表4 鉆井液配方抑制性能評價

采用回收率試驗，對優選配方抑制性能進行評價，試驗結果見表4，可以看出，巖屑在優選鉆井液中頁巖回收率遠遠大于水中頁巖回收率，說明優選鉆井液具有良好抑制性能，能夠有效抑制泥頁巖分散膨脹，防止井眼縮頸和井壁坍塌。

4.2 抗污染性能

4.2.1 抗NaCl污染

分別用質量分數為4%、15%及飽和NaCl溶液配制鉆井液，在室溫和180℃下鉆井液性能結果見表5。可以看出，高密度鉆井液有較好抗NaCl污染能力。當鉆井液中NaCl質量分數達到15%時，180℃老化后塑性黏度不超過60mPa·s，動切力為5Pa，高溫高壓濾失量僅為16mL，鉆井液流變性能較好，高溫高壓濾失量較小。因此，配方至少能抗15%NaCl污染。

表5 鹽水對鉆井液性能的影響

4.2.2 抗鈣污染

將外耳道清洗干凈后，用醫用無菌棉簽拭干，再用氧氟沙星滴耳液（規格為5 mL：15 mg/瓶）治療，6～10滴/次，患者的患側耳道朝上，外用滴入，2次/d。治療7 d為1個療程，共1個療程。

鉆井液中分別加入質量分數0.2%、0.5%、0.8%CaCl2，鉆井液性能變化見表6。可以看出，當鉆井液中CaCl2質量分數為0.5%時，老化后鉆井液塑性黏度為60mPa·s，動切力為8Pa，高溫高壓濾失量為15mL，鉆井液性能良好；但當鉆井液中CaCl2質量分數為0.8%時，高溫高壓濾失量上升至32.2mL，鈣鹽對鉆井液性能有影響。

表6 鈣質量分數對鉆井液性能的影響

4.2.3 抗劣土污染

在鉆井液中加入質量分數2%、4%、6%劣土，鉆井液性能見表7。可以看出，當鉆井液中劣土質量分數達到4%時，鉆井液仍有較好流變性，較低濾失量；當劣土質量分數達到6%時鉆井液流變性略微變差。

表7 劣土污染對鉆井液性能的影響

圖2 鉆井液性能隨溫度變化

4.3 抗溫性能

鉆井液在90、120、150、180、210℃溫度下老化前后性能變化如圖2所示。在不同溫度下老化16h后，鉆井液塑性黏度為57～82mPa·s，動切力為10～18Pa，鉆井液性能穩定，具有很好的抗溫性能。

4.4 沉降穩定性能

將配制好的優選配方裝入高溫老化罐中，在180℃恒溫靜置48h，分別測量高溫老化罐中上下兩部分鉆井液密度。鉆井液上部密度為2.41g/cm3，下部密度為2.39g/cm3，上下密度差僅為0.02g/cm3，說明其具有很好的沉降穩定性能。

4.5 保護油氣層性能

表8 滲透率恢復試驗

為了評價鉆井液保護油氣層的能力，進行油氣層損害程度評價試驗。試驗壓差為3.5MPa、溫度為150℃、污染時間為1h，試驗結果見表8。可以看出，巖心有較高滲透率恢復率，說明優選鉆井液保護油氣層效果較好。

4.6 井筒水力學計算

1)鉆井液條件 鉆井液密度2.40g/cm3，塑性黏度75mPa·s，動切力15Pa，賓漢塑性流型，排量為20L/s(5個?14mm的噴嘴)。

2)井深結構 表層：?444.5mm井眼+?339.7mm表層套管，井深500m；二開：?311.2mm井眼+?244.5mm技術套管，井深3000m；三開：?215.9mm井眼+?177.8mm油層套管，井深4500m。

3)三開鉆具組合 ?215.9mm鉆頭+?158.8mm鉆鋌×18根+?158.8mm隨鉆震擊器+?158.8mm鉆鋌×2根+?127mm鉆桿。

4)分析結果 使用流體模擬分析軟件對鉆井液的流變性進行分析，結果見表9。該鉆井液在井筒循環過程中各性能參數合理，能夠滿足現場施工要求。

表9 水力學分析結果

5 結論與建議

1)通過室內試驗合成出一種性能優良的抗高溫降濾失劑SSDP，優選出性能良好的防塌封堵劑FF。

2)研制出一套性能良好的抗高溫高密度鉆井液配方。該配方使用重晶石加重，密度可達2.4g/cm3，抗溫達180℃，具有良好的流變性、濾失性和沉降穩定性，抗污染能力強，巖心滲透率恢復率較高，保護油氣層效果好。

3)該鉆井液配制工藝簡單，易于操作，用重晶石加重，大大地減少了鉆井液配制和維護成本，該配方的研制可為現場應用提供一定的理論基礎和數據支撐。

4)為了進一步提高鉆井液密度，同時改善鉆井液流變性、減少鉆井液中固相含量，建議可以采用有機鹽類可溶性加重劑加重。