新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系研究*

張健

(中海油能源發展股份有限公司工程技術湛江分公司，廣東湛江 524057)

近年來，隨著全球石油資源需求量的不斷增大，油氣資源的勘探與開發也逐漸向更深的地層發展，未來深層油氣資源的鉆探與開發會逐漸成為石油工業研究的熱點與焦點。隨著鉆井深度的增加，井底溫度和壓力逐漸升高，這就要求鉆井液體系必須具備良好的耐溫性能，并且當鉆遇含鹽量較高的地層時，對鉆井液的抗鹽性能也有了更高的要求。因此，研究出抗高溫、高密度及高鹽的鉆井液體系成為深井鉆井作業施工急需解決的問題[1-5]。

有機鹽鉆井液在高溫、高壓以及高鹽地層鉆進時能夠達到良好的鉆井效果，其通常具有較強的抑制性能以及抗鹽性能，能夠有效穩定井壁，達到安全高效鉆井的目的[6-9]。但單獨使用有機鹽進行加重時，鉆井液的比重往往不夠，并且其成本通常較高；而采用普通重晶石或者鐵礦粉等加重劑聯合加重時，鉆井液的流變性能又難以調控，在高溫高壓環境中容易引起鉆井液增稠聚結，導致處理劑失效，從而嚴重影響鉆井進度[10-12]。因此，筆者以海上某深井區塊為研究對象，使用(w)50%甲酸鉀鹽水為基液，通過優選及研制抗高溫增黏劑、復合降濾失劑以及流型調節劑等主要處理劑，并采用改性鐵礦粉進行加重的方式，開發出一種新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系，室內評價了其基本性能、沉降穩定性、抑制性能、潤滑性能和抗污染性能，以期為深井鉆井高效安全施工提供技術支持。

1 試驗材料及儀器

甲酸鉀(純度97%)，工業品，武漢吉業升化工有限公司；抗高溫增黏劑ZN-D1、復合降濾失劑FH-101、復合降濾失劑FH103、新型流型調節劑LTX-3、抑制劑LYP-1、封堵劑FDP、潤滑劑FRH-105、改性鐵礦粉，實驗室自制；海泡石、重晶石，工業級，河北恒光礦產品有限公司；鐵礦粉，工業級，靈壽縣誠明礦產品加工廠；巖屑，取自目標區塊儲層段。

ZNN-DB型六速旋轉黏度計、ZNS-2A型中壓濾失儀、GGS42-2A型高溫高壓濾失儀，青島恒泰達機電設備有限公司；NB-1型泥漿比重計，河北耀陽儀器設備有限公司；EP-B型極壓潤滑儀，山東美科儀器有限公司。

2 關鍵處理劑優選及鉆井液體系構建

作為有機鹽鉆井液體系的核心處理劑，有機鹽的選擇較為重要，目前國內外常用的有機鹽類型主要為甲酸鹽，其與常用的鉆井液處理劑(增黏劑、降濾失劑、抑制劑以及潤滑劑等)具有良好的配伍性。因此，筆者采用(w)50%甲酸鉀溶液作為新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系的基液；此外，為了提高體系的抗鹽性能，使用海泡石代替常用的膨潤土作為配漿材料。

2.1 加重材料優選

為了考察不同加重材料對鉆井液體系性能的影響，在鉆井液滾動老化條件下(180 ℃，16 h)，室內對比評價了重晶石、鐵礦粉以及改性鐵礦粉對鉆井液流變性和濾失量的影響，試驗結果見表1。試驗用基漿配方(w)為：50%甲酸鉀溶液+3%海泡石+1.5%抗高溫增黏劑ZN-D1，然后在基漿中分別加入不同類型的加重材料加重至2.0 g/cm3。

表1 加重材料優選結果

由表1可見：使用重晶石和鐵礦粉進行加重時，鉆井液老化前后流變性變化較大，并且濾失量也比較大，老化前黏度較稠、切力較高，而老化后黏度和切力的降低幅度均較大。使用改性鐵礦粉加重的鉆井液老化前后流變性變化較小，并且濾失量小于重晶石和鐵礦粉加重時的鉆井液。因此，建議選擇改性鐵礦粉作為新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系的加重材料。

2.2 降濾失劑優選

為了考察不同類型降濾失劑在有機鹽鉆井液體系中的降濾失效果。在鉆井液滾動老化條件(180 ℃，16 h)，高溫高壓濾失量測試條件(180 ℃，3.5 MPa，30 min)，降濾失劑的質量分數均為5%的條件下，室內對比評價了5種不同類型的降濾失劑對鉆井液高溫高壓濾失量的影響情況，試驗結果見圖1。基漿配方(w)為：50%甲酸鉀溶液+3%海泡石+1.5%抗高溫增黏劑ZN-D1+降濾失劑+改性鐵礦粉加重至2.0 g/cm3。

圖1 降濾失劑優選結果

由圖1可見：基漿經過高溫老化后的高溫高壓濾失量較大，而加入不同類型的降濾失劑后，高溫高壓濾失量均明顯降低，其中復合降濾失劑FH-101的降濾失效果最好，當其加量(w，下同)為5%時，可使有機鹽鉆井液基漿的高溫高壓濾失量降低至15 mL以下，達到較好的降濾失效果。因此，采用FH-101作為新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系的降濾失劑。

2.3 流型調節劑加量優選

為了使鉆井液體系老化后仍能保持良好的流變性和動切力，研制了一種新型流型調節劑LTX-3，以動切力為評價指標，在鉆井液滾動老化條件(180 ℃，16 h)下，室內對其加量進行了優選評價，試驗結果見圖2。基漿配方(w)為：50%甲酸鉀溶液+3%海泡石+1.5%抗高溫增黏劑ZN-D1+5%復合降濾失劑FH-101+改性鐵礦粉加重至2.0 g/cm3。

圖2 流型調節劑加量優選結果

由圖2可見：隨著新型流型調節劑LTX-3加量的不斷增大，鉆井液體系老化后的動切力逐漸升高，當LTX-3加量為0.8%時，動切力可以達到18 Pa，能夠滿足有機鹽鉆井液體系流變性能的要求，再繼續增大LTX-3的加量，動切力過高，使鉆井液體系的流變性能調控變得困難。因此，新型流型調節劑LTX-3的加量優選0.8%。

2.4 新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系配方

綜合以上優選評價試驗結果，結合目標區塊實際情況，再配合相應的抑制劑、封堵劑和潤滑劑等處理劑，最終確定新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系的配方(w)為：50%甲酸鉀溶液+3%海泡石+1.5%抗高溫增黏劑ZN-D1+5%復合降濾失劑FH-101+0.8%流型調節劑LTX-3+2%抑制劑LYP-1+4%封堵劑FDP+2%潤滑劑FRH-105+改性鐵礦粉加重至2.0 g/cm3。

3 新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液綜合性能評價

3.1 綜合性能

采用2.4中的配方配制鉆井液體系，然后將其在180 ℃下滾動老化16 h后，在高溫高壓濾失量測試條件(180 ℃，3.5 MPa，30 min)下，使用六速旋轉黏度計和濾失量測定儀測量了新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系老化前后的流變性和濾失量，試驗結果見表2。

表2 新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系綜合性能

由表2可見：新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系老化前后表觀黏度、塑性黏度和動切力的變化相對較小，表明體系的流變性能比較穩定。鉆井液體系經過180 ℃老化后，API濾失量為2.3 mL，高溫高壓濾失量為9.5 mL，表明體系的失水量較小，能夠起到良好的降濾失效果。

3.2 沉降穩定性

室內通過測定新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系老化后的上下密度差用以評價其沉降穩定性，滾動老化溫度為180 ℃，老化時間分別為1，3，5，10 d，試驗結果見圖3。

圖3 新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系沉降穩定性試驗

由圖3可見：隨著老化時間的不斷延長，新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系的上下密度差越來越大，但當老化時間為10 d時，密度差也僅為0.07 g/cm3，表明鉆井液體系比較穩定，不會發生明顯沉降，能夠在較長的時間內保持良好的沉降穩定性，滿足鉆井作業施工的需要。

3.3 抑制性能

在鉆井液滾動老化條件(180 ℃，16 h)下，試驗用巖屑取自目標區塊儲層段，室內采用巖屑滾動回收試驗評價了新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系的抑制性能，并與清水和現場鉆井液(常規聚磺鉆井液體系)的抑制性能進行了對比，試驗結果見圖4。

由圖4可見：目標區塊儲層段巖屑在清水中的滾動回收率僅為35.2%，表明巖屑易水化分散；現場鉆井液對巖屑的滾動回收率為84.3%；新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液對巖屑的滾動回收率則可以達到95%以上，表明該鉆井液體系具有良好的抑制性能，能夠較好地抑制黏土礦物的吸水膨脹、分散和運移，進而有效避免井壁失穩現象的發生。

圖4 鉆井液體系抑制性能試驗結果

3.4 潤滑性能

在鉆井液滾動老化條件(180 ℃，16 h)下，室內以極壓潤滑系數為考察指標，評價了新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系的潤滑性能，并與現場鉆井液(常規聚磺鉆井液體系)和常用油基鉆井液體系進行了對比，試驗結果見圖5。

圖5 不同鉆井液體系潤滑性能對比結果

由圖5可見：3種不同類型的鉆井液中，油基鉆井液體系的極壓潤滑系數最小，新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系的極壓潤滑系數在0.1左右，而現場鉆井液體系則為0.136。說明研制的新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系具有良好的潤滑性能，能夠滿足深井鉆井對鉆井液潤滑性能的要求。

3.5 抗污染性能

在鉆井液滾動老化條件(180 ℃，16 h)，高溫高壓濾失量測試條件下(180 ℃，3.5 MPa，30 min)，分別在新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系中加入不同質量分數的巖屑粉、NaCl和CaCl2，然后測定鉆井液體系老化前后流變性及濾失量的變化情況，以此評價鉆井液體系的抗污染性能，結果見表3。

由表3可見：在新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系中分別加入(w)10%巖屑粉、(w)10% NaCl和(w)1% CaCl2后，鉆井液體系經過高溫滾動老化后流變性能仍比較穩定，濾失量雖有所升高，但升高的幅度不大，表明開發的新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系具有良好的抗污染性能。

表3 鉆井液體系抗污染性能試驗結果

4 結論

1)室內通過對加重材料、降濾失劑以及流型調節劑的優選及評價試驗，并配合加入抑制劑、潤滑劑和封堵劑，開發出一套新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系，其配方(w)為：50%甲酸鉀溶液+3%海泡石+1.5%抗高溫增黏劑ZN-D1+5%復合降濾失劑FH-101+0.8%流型調節劑LTX-3+2%抑制劑LYP-1+4%封堵劑FDP+2%潤滑劑FRH-105，以改性鐵礦粉加重至2.0 g/cm3。

2)新型抗高溫高密度有機鹽鉆井液體系性能評價結果表明：該鉆井液體系具有穩定的流變性、較低的濾失量和良好的沉降穩定性，此外，該鉆井液體系還具有良好的抑制性能、潤滑性能和抗污染能力，能滿足深井鉆井施工對鉆井液性能的綜合要求。