密度等因素對油基鉆井液性能的影響情況研究

宋曉雪

（大慶鉆探工程鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

油基鉆井液是以油為外相、鹽水為內(nèi)相的一種鉆井液體系，其主要成分為：油、水、有機土和處理劑。油基鉆井液具有優(yōu)異的潤滑性、抑制性和抗溫性，因此在深井、超深井及頁巖氣水平井等特殊工藝井中仍被廣泛使用。油基鉆井液根據(jù)其使用的分散相可劃分為白油基鉆井液、柴油基鉆井液和氣制油鉆井液等不同類型，受環(huán)境保護要求的影響，目前柴油基鉆井液的使用越來越少，白油基鉆井液和其他低毒環(huán)保型油基鉆井液成為主流。

由于油相在不同溫度下的流動性變化很大，所以油基鉆井液在高溫下的流變性變化較為復雜，尤其是當體系中含有大量重晶石等加重材料時，流變性控制變得更為復雜[1-2]。因此有必要研究不同溫度下，隨密度的變化，油基鉆井液的粘度、切力和破乳電壓等指標的變化情況，從而為現(xiàn)場施工提供更好的技術支持。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及儀器

5#白油、重晶石粉、有機土均為大慶鉆探工程公司現(xiàn)場使用產(chǎn)品；降濾失劑、乳化劑、潤濕劑、流行調(diào)節(jié)劑、其他加重材料（氧化錳、氧化鐵）均為大慶鉆井研究院使用產(chǎn)品；氯化鈣、氧化鈣為國藥試劑。

密度計、破乳電壓儀、六速粘度計、固相含量測定儀等均為青島海通達公司產(chǎn)品；電子天平為梅特勒公司產(chǎn)品。

1.2 油基鉆井液配方及測試程序

油基鉆井液配方：5#白油+2.5%～3.5%主乳化劑+2%～3%輔助乳化劑+0.5%～1%有機土+0.5%～1.0%懸浮穩(wěn)定劑+2%～3%降濾失劑+1%～2%磺化瀝青+加重劑+飽和鹽水。

油基鉆井液的各項性能參照GB/T 29170-2012《石油天然氣工業(yè)鉆井液實驗室測試》進行評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同加重劑對鉆井液沉降穩(wěn)定性的影響

分別使用Mn3O4、Fe3O4、重晶石、超細重晶石作為加重劑將油基鉆井液加重到1.8g/cm3，考察不同加重劑對鉆井液沉降穩(wěn)定性的影響。所選用加重劑的理化參數(shù)見表1。

表1 不同加重劑的理化性能表

表2 為使用不同加重劑后的鉆井液沉降穩(wěn)定性情況，由表2 可知，Mn3O4的沉降穩(wěn)定性最好，F(xiàn)e3O4的沉降穩(wěn)定性最差；超細重晶石的沉降穩(wěn)定性好于普通重晶石，說明在密度相近的情況下，加重劑粒徑越小其沉降速度越緩慢，體系的沉降穩(wěn)定性越好。

表2 不同加重劑對應的沉降穩(wěn)定性表

2.2 密度對鉆井液性能的影響

使用現(xiàn)場使用的普通API 重晶石，配制成不同密度的油基鉆井液，120℃高溫老化后，測量其表觀粘度和破乳電壓等常規(guī)性能的變化，實驗情況見表3。

表3 不同密度對油基鉆井常規(guī)性能的影響

由表3 可知，隨鉆井液密度的增加，表觀粘度和破乳電壓均增加，當密度超過1.8g/cm3后，變化幅度加快，分析原因認為：①隨重晶石含量的增加，重晶石顆粒發(fā)生聚集，增加了體系中的微觀網(wǎng)架結(jié)構，摩擦力增大，最終體現(xiàn)在表觀粘度的增加；②隨重晶石含量的增加，重晶石顆粒發(fā)生聚集，增加了體系的瞬時穩(wěn)定性，所以破乳電壓增加。但當密度超過1.8g/cm3后，粘度的快速增加不利于現(xiàn)場的性能控制[3-4]。

2.3 溫度對鉆井液性能的影響

由于現(xiàn)場使用時，鉆井液在循環(huán)過程中面臨井下高溫而井口常溫的溫度變化，而且由于油基鉆井液以油為外相，而油相粘度受溫度影響變化較大，因此有必要對高溫高密度條件下的油基鉆井液變化情況進行研究。表4是在不同溫度老化后不同密度的鉆井液性能變化情況。

表4 溫度對不同密度油基鉆井常規(guī)性能的影響

從表4 可以看出，不同密度的鉆井液在老化后，隨溫度的上升表觀粘度均明顯下降，當密度較低時，下降幅度和溫度成近似的線性關系；當密度較高時，隨溫度的增加，表觀粘度下降幅度變小，但初始下降幅度較大，說明高密度鉆井液對溫度的變化更為敏感，流型調(diào)節(jié)難度更大。

2.4 油水比對不同密度鉆井液性能的影響

油作為鉆井液的主要組份，其含量對油基鉆井液的性能有很大影響。表5為不同油水比與鉆井液密度之間的關系。從表5可以得知，在不同油水比條件下，高密度鉆井液的表觀粘度和破乳電壓均明顯高于低密度鉆井液；隨著油水比的增加，鉆井液體系的表觀粘度降低，但高密度體系的降低幅度更大，說明高密度鉆井液的性能對油水比更為敏感，為了避免粘度過大，現(xiàn)場配制高密度鉆井液時，應適當提高油水比，當現(xiàn)場施工過程中發(fā)生粘度過高的情況時，提高油水比也是有效的解決手段[5-6]。從表5 還可以得知，隨著油水比的增加，破乳電壓也隨之增加，但低密度鉆井液的增加幅度較為緩慢，而高密度鉆井液的增加較為迅速，說明高密度油基鉆井液的破乳電壓也對油水比更為敏感，因此在現(xiàn)場施工過程中，應適當提高高密度油基鉆井液的化驗頻率并制定更為詳細的鉆井液性能調(diào)整方案。

表5 不同油水比對油基鉆井常規(guī)性能的影響

2.5 有害固相對不同密度鉆井液性能的影響

在鉆井施工過程中，巖屑會不斷混入鉆井液中，雖然固控系統(tǒng)可以清除其中的絕大多數(shù)，但仍會有少量小顆粒巖屑無法清除。低密度鉆井液中如果混入較多固相后，其密度會發(fā)生較明顯的變化，很容易被發(fā)現(xiàn)，但高密度鉆井液則不同，因此有必要研究有害固相對高密度鉆井液的性能影響。本文使用現(xiàn)場的頁巖巖屑，經(jīng)粉碎后過80 目篩子，加入配制好的油基鉆井液中，實驗數(shù)據(jù)見表6。從表6 中可以看出，隨固相含量的增加低密度鉆井液的表觀粘度增幅較小，而高密度鉆井液的表觀粘度變化幅度很大，說明高密度鉆井液對固相含量的敏感度更大。

表6 不同有害固相加量對油基鉆井常規(guī)性能的影響

3 結(jié)論和建議

（1）在密度相近的情況下，加重劑粒徑越小其沉降速度越緩慢，體系的沉降穩(wěn)定性越好，因此在部分重點井施工過程中可適當采用超細重晶石等加重劑來降低作業(yè)風險，提高鉆井成功率。

（2）隨鉆井液密度的增加，表觀粘度和破乳電壓均增加，當密度超過1.8g/cm3后，變化幅度加快，

（3）不同的鉆井液密度在老化后，隨溫度的上升表觀粘度均明顯下降，當密度較低時，下降幅度和溫度成近似的線性關系；當密度較高時，隨溫度的增加，表觀粘度下降幅度變小，但初始下降幅度較大，說明高密度鉆井液對溫度的變化更為敏感，流型調(diào)節(jié)難度更大。

（4）高密度油基鉆井液的破乳電壓也對油水比和有害固相含量更為敏感，因此在現(xiàn)場施工過程中，應適當提高高密度油基鉆井液的化驗頻率并制定更為詳細的鉆井液性能調(diào)整方案。