密度減輕劑在中國南海超深水鉆井液中的應用

李中 郭磊 胡文軍 李懷科 羅健生 向雄 楊洪烈

1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司；2.中海油服油田化學事業部

近年來海洋石油開發從近海淺水作業逐步走向深水、超深水［1-2］。深水鉆井液作為深水油氣開發的關鍵技術之一，需要解決低溫流變性、井壁失穩以及水合物抑制等問題［3-8］。永樂區塊某井使用HEM 鉆井液作業，由于該井水深達到1 893 m，安全密度窗口極窄，發生井壁失穩的風險極大，且在鉆進過程中為了確保不形成水合物需加入大量的熱力學抑制劑，但這樣又使鉆井液密度偏高，很可能壓漏地層。為解決水合物預防和密度控制的矛盾，需要研發一種抗壓、抗溫能力強，破碎率低，不影響體系流變性且易過篩的密度減輕劑來保證作業安全。

1 室內研究

目前國內外鉆井液中使用較多的是國外知名公司生產的玻璃微珠，實際使用效果并不理想，其在鉆井液循環過程中受到水眼剪切及鉆具間的摩擦易發生破碎，消耗量大，并且同樣加量下鉆井液增稠較嚴重，價格昂貴，所以實驗選擇玻璃微珠作為密度減輕劑，并對其表面進行改性處理。

分別稱取乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷1.5 g，適量過氧化物作為固化劑，與100 g蒸餾水配制成水溶液，再稱取已烘干的玻璃微珠100 g 置入水溶液中低速攪拌2 h，使偶聯劑包裹微珠，在105 ℃烘干后放入干燥器中，所得玻璃微珠為LDA60。

1.1 玻璃微珠LDA60 的單劑實驗評價

1.1.1 玻璃微珠LDA60 特征

LDA60 是用乳液聚合法合成的一種高性能空心玻璃微珠(見圖1)，具有如下特性：(1)壁厚1～3.5 μm，粒徑10～120 μm (如圖2)；(2)密度0.4 g/cm3左右；(3)抗壓可達40MPa，不易壓縮。

圖1 LDA60 玻璃微珠Fig.1 LDA60 glass bead

圖2 LDA60 粒度分布曲線Fig.2 Grain size distribution of LDA 60

1.1.2 灼燒實驗

實驗用馬弗爐將玻璃微珠進行灼燒，實驗溫度650 ℃，稱量灼燒后殘渣的質量，并與3M 公司HGS19000 對比，結果見表1。

表1 2 種玻璃微珠灼燒情況對比Table 1 Ignition comparison between two kinds of glass beads

從表1 可看出，約650 ℃高溫灼燒后，LDA60殘渣平均值在68.51%，這是由于LDA60 表面含有聚合物涂層，經灼燒后質量減少，而3M 產品只是純的玻璃微珠，表面并未有處理，殘渣平均值在100%，且在實驗過程中出現了凝膠現象。

1.2 玻璃微珠在HEM 水基鉆井液中實驗評價

室內經過大量實驗研究，優選了一套滿足現場深水/超深水作業要求并具有很強抑制性的高性能深水水基鉆井液HEM 體系［9-10］，在此不再贅述。

HEM 水基鉆井液配方為：海水+0.3%碳酸鈉+2%改性淀粉+0.3%黃原膠+0.3%低分子量包被劑PF-UCAP+3%聚胺抑制劑PF-UHIB+3%防泥包潤滑劑PF-HLUB+2%磺化瀝青PF-FT-1+2%承壓增強劑PF-STRH+2%承壓封堵劑PF-EZCARB+LDA60+NaCl 加重。

1.2.1 玻璃微珠在HEM 體系中的配伍性

選取3M 公司的HGS3003、HGS19000、HGS 8000X 玻璃微珠與LDA60 進行對比實驗。在HEM體系中分別加入3%各種玻璃微珠100 ℃熱滾后觀察，除LDA60 外其他3 種玻璃微珠在熱滾后均出現凝膠現象，對鉆井液的流動性影響較大，可見這3 種玻璃微珠并不能滿足實際應用要求，而LDA60 滾后并無稠化現象，且流態較好。

1.2.2 LDA60 加量對鉆井液密度的影響

在純水中加入密度0.4 g/cm3的LDA60，隨著加量的增加純水密度逐漸降低，加量50%時水密度從1.0 g/cm3降到0.6 g/cm3左右，但溶液逐漸增稠。圖3 為玻璃微珠加量對HEM 鉆井液密度的影響，可以看出，隨著玻璃微珠LDA60 加量的增加，鉆井液的密度降低明顯，玻璃微珠加量越大，鉆井液的密度越低。但在有聚合物存在的HEM 鉆井液體系中，隨著玻璃微珠加量的增大，鉆井液黏度上漲迅速，加量在6%左右時，鉆井液呈現凝膠狀態，類似果凍狀。在實際現場操作中，鉆井液的密度應根據井深及地層壓力系數決定，玻璃微珠的加量應該根據實際鉆井液的黏度而定，盡量在不影響鉆井液黏度的前提下，達到適當擴大安全密度窗口的目的。

圖3 玻璃微珠加量對鉆井液密度的影響Fig.3 Influence of the dosage of glass bead on the density of drilling fluid

1.2.3 LDA60 加量對流變性的影響

在密度1.10 g/cm3的HEM 水基鉆井液中加入LDA60 玻璃微珠，觀察其加入前后鉆井液流變性的變化。實驗熱滾溫度100 ℃，熱滾后測試鉆井液的流變性，測試溫度50 ℃，流變性能如表2 所示。

表2 LDA60 加量對HEM 鉆井液流變性的影響Table 2 Influence of the dosage of LDA60 on the rheological property of HEM drilling fluid

從表2 可以看出，隨著LDA60 加量增加，鉆井液表觀黏度略有增大，動切力基本無變化，API 濾失量減小，鉆井液的密度從1.10 g/cm3降到1.06 g/cm3，表明LDA60 對體系的流變性影響較小并能有效降低體系的密度。

1.2.4 LDA60 在HEM 體系中的抗壓能力評價

實際鉆井中，鉆井液需要經過鉆頭水眼剪切，考慮到泵壓及液柱壓力，需要玻璃微珠有較強的抗壓能力，實驗測試了不同壓力下玻璃微珠LDA60 的完好率，實驗結果見圖4，可以看出，隨著壓力的增大，LDA60 完好率隨之降低，其中在40 MPa 下完好率達到80%，60 MPa 下完好率達到50%。

1.2.5 LDA60 過篩能力評價

圖4 不同壓力下玻璃微珠的完好率Fig.4 Intact rate of glass bead under different pressures

將已加入LDA60 的鉆井液經100 ℃老化后，分別過100 目、120 目、140 目標準篩，測試LDA60的過篩能力。在加入LDA60 后，100 目的標準篩下通過率達到99%，140 目的通過率達94%，說明鉆井液在加入玻璃微珠后過篩能力強。

2 現場應用

2.1 工程數據

永樂8-1 構造位于瓊東南盆地松南低凸起伸入寶島凹陷的構造脊上，部署某預探井于該構造中部較高部位，井點水深約為1 893 m，鉆探主要目的層為陵水組生物礁灰巖和基底花崗巖潛山，設計井深-3 010.0 m (海拔垂深)，完鉆層位前古近系。目的層設計于?215.9 mm 井眼內，裸眼完井。

該井為常溫常壓井，預測全井地層壓力系數約為1.00，目的層安全密度窗口1.10～1.20 g/cm3，預測目的層溫度為48.7～55.3 ℃，井底溫度約為55.3 ℃，全井使用HEM 鉆井液作業,考慮加入10%的氯化鈉及20%的乙二醇抑制水合物的生成，此時鉆井液密度達到1.13 g/cm3,安全密度窗口極窄，在0.07 g/cm3左右，給現場實際操作帶來風險，故需要考慮使用密度減輕劑。根據目的層安全密度窗口確定合理的鉆井液密度，在保證鉆井液良好流變性能的同時，使玻璃微珠在鉆井液中得到穩定的分散。

2.2 鉆井液使用情況

目地層為?311 mm 井段(2 794～2 964 m)，繼續使用深水水基鉆井液HEM 體系。回收上部井段部分老漿，將其和新漿混合處理作為本井段開鉆鉆井液。本井段鉆井液體系配方調整如表3 所示。

表3 ?311 mm 井段HEM 鉆井液體系配方Table 3 Formula of HEM drilling fluid system in the ?311 mm hole section

此井段開鉆鉆井液密度1.09 g/cm3，最大密度1.14 g/cm3，其中在電測期間需要將氯化鈉的加量提高至22%，屆時密度將達到1.13 g/cm3，這給現場操作帶來較大風險，所以根據地漏情況和現場實際，在鉆進過程中加入2%～3%玻璃微珠LDA60，降低密度0.01～0.03 g/cm3，加入后鉆井液的流變性基本無影響(表4)。

表4 加入玻璃微珠前后鉆井液性能的變化Table 4 Performance change of drilling fluid before and after the adding of glass bead

從現場作業的情況來看，加入玻璃微珠LDA60后鉆井液實測密度從1.09 g/cm3降至1.06 g/cm3左右，保證鉆井液良好流變性能的同時有效降低了密度，對鉆井作業無影響，在現場振動篩并未發現玻璃微珠，說明其過篩能力強。在鉆井液循環期間適當補充LDA60 以繼續維持鉆井液的密度，完鉆后，充分通井，在最后起鉆前向循環井漿中加入1%～2%的PF-HLUB，以提高鉆井液的潤滑性，利于電測作業。

3 結論

(1)室內研究發現，所用玻璃微珠LDA60 在40 MPa 下完好率達到80%，抗壓能力強，能夠滿足現場應用需要；經高溫灼燒后發現其質量減少，說明其表面經過了改性處理；在一定的加量下，與HEM體系配伍性好，沒有出現凝膠現象。

(2)室內研究表明，玻璃微珠LDA60 加入能夠有效降低HEM 水基鉆井液的密度，且對體系的流變性幾乎無影響，并降低了體系的濾失量。

(3)現場應用結果表明，加入LDA60 后對現場鉆井液的流變性能無影響，密度降低0.03 g/cm3左右，和室內研究結果一致，達到了預想效果。