加重劑復配對反相乳化鉆井液性能影響實驗研究

趙睿智， 楊蓮育， 王鵬濤， 陳元鵬， 羅 毅， 胡學恒

(1長江大學石油工程學院2 新疆油田分公司實驗檢測研究院 3中石化綠源地熱能(陜西)開發有限公司 4中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司 5玉門油田分公司老君廟采油廠)

隨油氣勘探開發的不斷深入，開發深層油藏已成為當今油氣勘探開發領域的熱點問題，但由于深層油藏的地質條件復雜、所面臨的地層壓力大以及溫度高等特點對鉆井液技術提出了較高的要求。相對于水基鉆井液，反相乳化鉆井液具有較強的防塌抑制性能、良好的潤滑性和儲層保護性，并且具有耐高溫的特性。然而，在油田現場反相乳化鉆井液的使用過程中常出現鉆井液中重晶石沉積、濾失量過大和巖屑懸浮能力不足等現象，從而引發了井底巖屑堆積、井眼堵塞等問題，造成了安全隱患，對鉆井作業過程造成了一定的阻礙。國內外學者對反相乳化鉆井液的研究常針對于添加分散劑、增黏劑等化學藥劑等方面，而通過加重劑復配來改善反相乳化鉆井液性能的研究較為缺乏[1-3]。

因此，本文針對油田現場反相乳化鉆井液所表現出來的重晶石沉積、濾失量過大和巖屑懸浮能力不足等問題，通過采用重晶石(BaSO4)加重劑和MicroMax(Mn3O4)加重劑進行復配的方式，提出了一種適用于高溫高壓條件下的反相乳化鉆井液，并利用流變儀、高溫高壓反應釜和高溫高壓濾失量測定儀對不同復配比例條件下的反相乳化鉆井液流變性、濾失性和沉降穩定性進行了評價，確定了最佳的復配比例。

一、實驗方法

1. 反相乳化鉆井液的制備

本文以柴油為連續相、以水為分散相，根據表1的配方制取了密度為2.26 g/cm3的反相乳化鉆井液，其中油水比例為80∶20。加重劑由密度為4.2 g/cm3的重晶石(BaSO4)和密度為4.8 g/cm3的MicroMax(Mn3O4)復配而成，復配比例如表2所示。

表1 反相乳化鉆井液配方

表2 不同加重劑復配比例

采用高速混合鉆井液制備器進行了反相乳化鉆井液的制備。首先將柴油和去離子水加入高速混合鉆井液制備器中，按照表1所示逐步添加各種所需組分，每一種組分添加完畢后攪拌10 min以保證添加劑的充分混合，分別制備8種不同加重劑復配比例的反相乳化鉆井液。

2. 沉降實驗

靜態沉降實驗在高溫高壓反應釜中進行。實驗壓力為3.45 MPa，實驗溫度為180℃，分別模擬現場實際的豎直井和井斜角為45°的傾斜井。在豎直狀態和井斜角為45°的狀態下靜置24 h，然后取鉆井液的上部和底部樣品進行密度測試，根據式(1)對其靜態沉降系數進行計算[4]。

(1)

式中：ρBottom—反應釜底部鉆井液的密度，g/cm3；ρTop—反應釜頂部鉆井液的密度，g/cm3；A—靜態沉降系數，無量綱。

采用動態沉降系數測試方法，在100 r/min和50℃條件下使用流變儀進行動態沉降實驗研究，采用式(2)計算了其動態沉降系數。

AVSST=6.95(W2-W1)

(2)

式中:AVSST—動態沉降系數；W2—鉆井液實驗后密度，g/cm3；W1—鉆井液實驗前密度，g/cm3。

二、結果與討論

1. 沉降性測試

在180℃條件下進行了不同加重劑復配比例的鉆井液沉降特性對比實驗測試，靜態沉降系數和動態沉降系數測試結果如圖1～圖3所示。

當加重劑僅為重晶石時鉆井液出現了明顯的重晶石沉積現象，豎直井和井斜角45°條件下靜態沉降系數分別為0.575和0.6，動態沉降系數為0.251；而隨MicroMax占比的增加，鉆井液的靜態沉降系數和動態沉降呈逐漸降低的趨勢，當重晶石∶MicroMax的比例為60∶40時，豎直井和井斜角45°條件下靜態沉降系數分別為0.506和0.507，動態沉降系數為0.021；當加重劑僅為MicroMax時，豎直井和井斜角45°條件下靜態沉降系數分別為0.502和0.503，動態沉降系數為0.012。這是由于重晶石的顆粒直徑較大(1.01～29.82 μm)，而MicroMax的顆粒直徑較小(0.04～1.38 μm)，因此當加重劑僅為重晶石時由于其顆粒直徑較大導致其維持在鉆井液中穩定性的所需靜切應力和動切應力較大，當靜切應力和動切應力不足時容易發生明顯的沉積現象[5]。而當加入一定量的MicroMax時，由于MicroMax的顆粒直徑較小，因此其具有更大的表面體積比導致其所受到的靜切應力和動切應力更大，同時MicroMax顆粒可以填充于重晶石顆粒的間隙之間，從而有效地增加重晶石所受到的靜切應力和動切應力作用。

圖1 豎直條件下不同加重劑復配比例的靜態沉降系數

圖2 井斜角45°條件下不同加重劑復配比例的靜態沉降系數

圖3 不同加重劑復配比例的動態沉降系數

當重晶石∶MicroMax比例由60∶40繼續上升至0∶100時，反相乳化鉆井液的靜態沉降系數和動態沉降系數的降低幅度并不明顯，這是由于重晶石顆粒之間的間隙是一定的，當重晶石之間的間隙被填充完畢時繼續添加MicroMax時對靜態沉降系數和動態沉降的降低幅度并不明顯[6]。因此，重晶石與MicroMax的最佳比例為60∶40。

2. 流變性測試

在180℃條件下進行了不同加重劑復配比例的鉆井液流變性對比實驗測試，屈服極限、凝膠強度和塑性黏度測試結果分別如圖4～圖6所示。

圖4 不同加重劑復配比例屈服極限測試結果

圖5 不同加重劑復配比例凝膠強度測試結果

圖6 不同加重劑復配比例塑性黏度測試結果

從圖圖4～圖6中可以發現，當加重劑的復配比例由重晶石∶MicroMax的100∶0上升至60∶40時，反相乳化鉆井液的屈服極限由15.9 Pa上升至23.6 Pa，凝膠強度由7.8 Pa上升至13 Pa。這是由于MicroMax微小顆粒呈現為圓球狀，而重晶石的顆粒外形并不規則，從而導致了在剪切作用過程中重晶石微小顆粒之間所受到的顆粒表面摩擦作用較大，而MicroMax顆粒之間所受到的顆粒摩擦作用較小[7-9]。與此同時，MicroMax由于其顆粒直徑較小并且密度大于重晶石，從而導致了在加入MicroMax后鉆井液的凝膠強度和屈服極限出現了上升的現象，而其塑性黏度則明顯的降低[10-12]。

3. 濾失性測試

在180℃、壓差3.45 MPa的條件下，使用高溫高壓濾失量測定儀對不同加重劑復配的鉆井液進行了過濾實驗，濾失量和濾餅厚度實驗測試結果如圖7、圖8所示，實驗后濾餅如圖9所示。

圖7 不同加重劑復配比例濾失量測試結果

圖8 不同加重劑復配比例濾餅厚度測試結果

圖9 加重劑復配比例60∶40條件下濾失實驗后的濾餅

從圖7、圖8中可以發現，當加重劑僅為重晶石時鉆井液的濾失量較小僅為10.2 mL，而當隨加重劑中MicroMax含量的增加鉆井液的濾失量逐漸增加，當加重劑的復配比例由60∶40繼續增加時，鉆井液的濾失量增加速率逐漸上升[13-18]。這是由于MicroMax的顆粒直徑較小，并不能很好的填充過濾盤所形成的縫隙，從而阻止鉆井液的濾失作用；而重晶石的顆粒直徑較大，在鉆井液的濾失過程中能夠填充濾餅所形成的孔隙，從而有效降低鉆井液的濾失量。因此，可以認為在加重劑復配比例為60∶40條件下時，反相乳化鉆井液的抗濾失性能相對較好，能滿足現場實際需求。

三、 結論

(1)重晶石加重劑反相乳化鉆井液具有較好的抗濾失性能，但其流變性和沉降穩定性較差； MicroMax加重劑反相乳化鉆井液具有較好的流變性和沉降穩定性，但其抗濾失性能較差。本文采用加重劑復配的方式，提出了一種能適用于高溫高壓鉆井環境且具有較好的抗濾失性、流變性和沉降穩定性的反相乳化鉆井液。

(2)重晶石和MicroMax的復配比例由100∶0上升至60∶40時，反相乳化鉆井液的抗濾失性出現了一定程度的下降，流變性和沉降穩定性則得到了加強。當繼續加大MicroMax所占比重時，反相乳化鉆井液的抗濾失性急劇降低，而流變性和程度穩定性變化并不明顯。

(3)重晶石和MicroMax的最佳復配比例為60∶40，在此復配比例條件下既能兼顧流變性和沉降穩定性的需求，同時能滿足反相乳化鉆井液對抗濾失性的需求。