高溫高密度無黏土低固相鉆井液研究

曾 佳，程慧君，楊 雪

（1.荊州學院，湖北荊州 434020；2.湖北特種設備檢驗檢測研究院荊州分院，湖北荊州 434000）

我國常規淺層油氣田資源量逐步減少，油氣開發只能著眼于深層、超深層的勘探開發[1-3]，而深層、超深層都伴隨著地層的高溫、高壓，這給鉆井工程提出了嚴峻的考驗，對鉆井液而言挑戰更大[4，5]。水平井開發是增大泄油面積，提高單井產能的重要手段，水平井裸眼完井對儲存保護要求較高[6，7]，通常采用無固相鉆井液來鉆探水平井，無固相鉆井液主要指不添加黏土和重晶石等固相的鉆井液，其具有儲層保護好的特點，通常采用可溶性鹽來加重，以達到平衡地層壓力的目的。目前已知的可溶鹽包括無機鹽氯化鉀、氯化鈣、氯化鈉、磷酸鹽、溴鹽等，有機鹽甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫等，無機一價金屬鹽加重密度有限，高價金屬鹽雖然加重密度高，但往往鉆井液用增黏劑在高價鹽中匹配性差[8]，有機鹽甲酸鈉和甲酸鉀最高密度為1.6 g/cm3，甲酸銫最高密度可達2.3 g/cm3，但甲酸銫價格昂貴，無法在鉆井液中應用，此時如果需要超過1.6 g/cm3的無固相鉆井液將面臨巨大的挑戰[9，10]。

為解決高溫、高壓水平井儲層保護問題，本文采用折中的方法，即采用無黏土相鉆井液，輔以少量可酸溶碳酸鈣來建立一種無黏土相低固相鉆井液體系，無黏土相可降低黏土亞微米顆粒對儲層的傷害，而碳酸鈣可以通過粒徑級配來降低污染儲層，從而實現儲層保護的目的。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

NaOH、MgO、Na2CO3：分析純，國藥集團化學試劑公司；甲酸鈉、甲酸鉀：工業品，山東恩諾新材料有限公司；增黏劑VIS-B：工業品，荊州嘉華科技有限公司；降濾失劑FLO-STA：工業品，荊州嘉華科技有限公司；潤滑劑SLIP-Y：工業品，荊州嘉華科技有限公司；碳酸鈣：工業品，廣西龍飛礦粉廠。

GJS-B12K 高速攪拌機、XGRL-4 型滾子加熱爐、AB104-N 型電子天平、ZNN-D6 六速旋轉黏度計、SD-3 多聯中壓濾失儀、YM-2 液體密度計、EP-C 極壓潤滑儀、LS-609 激光粒度儀等。

1.2 高溫高密度低固相鉆井液配制

按照鉆井液配制方法，采用GJS-B12K 高速攪拌機配制高溫高密度低固相鉆井液，基本配方如下：淡水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+2.0%MgO+0.5%VIS-B 增黏劑+4.0%FLO-STA 降濾失劑+2.0%SLIP-Y 潤滑劑，采用甲酸鈉或甲酸鉀加重到一定密度后，再采用碳酸鈣加重到1.8 g/cm3。

1.3 鉆井液性能測試

鉆井液性能測試主要參照GB/T 16783.1-2014 鉆井液現場測試，第1 部分水基鉆井液規定的方法進行測試，主要測試鉆井液的流變性能、密度、濾失性能、潤滑性能等。參照SY/T 5358-2010 儲層敏感性流動實驗評價方法測試鉆井液的儲層保護性能。

1.4 加重性能測試

為保證在高密度條件下具有良好的流變性和較低的濾失量，需要對加重材料進行不同配比的優化，通過不斷調整甲酸鈉、甲酸鉀、碳酸鈣的不同配比，同時調整碳酸鈣粒徑來實現高密度下的良好性能。

1.5 耐溫及耐污染性能測試

本實驗分別在130 ℃、140 ℃、150 ℃條件下測試了高密度低固相鉆井液的性能，考察體系的耐溫性能；采用氯化鈣、頁巖巖屑、硫酸鈣來污染鉆井液，考察體系的耐污染性能。

2 結果與討論

2.1 甲酸鉀加重時碳酸鈣粒徑對性能影響

采用甲酸鉀加重至密度為1.6 g/cm3，再采用碳酸鈣進行加重至1.8 g/cm3，采用LS-609 激光粒度儀對不同型號的碳酸鈣粒徑大小進行測試，數據（見圖1）。另外，考察不同粒徑碳酸鈣對鉆井液性能的影響，結果（見表1）。

從圖1 和表1 所知，激光粒度儀顯示碳酸鈣型號TS-1 到TS-4 粒徑逐漸減小，越來越細，選用的碳酸鈣粒徑分布均為近正態分布，代表性較強。

圖1 碳酸鈣粒徑粒度分布圖

從表1 可知，采用四種碳酸鈣配制出的1.8 g/cm3密度的鉆井液后，隨著粒徑逐步變細，黏度逐步增大，濾失量呈現先降低后略微增大的現象，實驗結果說明，碳酸鈣粒徑對鉆井液綜合性能產生影響，其最優粒徑為TS-3 型號的碳酸鈣，流變性與濾失量均較好。

表1 碳酸鈣不同粒徑對性能影響

2.2 甲酸鹽加重至不同密度時性能影響

在選取了合適的碳酸鈣粒徑后，先采用甲酸鹽將鉆井液加重至一定密度后，再通過碳酸鈣加重至1.8 g/cm3，對鉆井液性能進行評價，主要考察在不同甲酸鹽及加重到不同密度時，鉆井液能否達到合理性能，且能夠具有最優的成本，數據（見表2）。

從表2 可知，甲酸鈉單獨加重時，采用碳酸鈣加重到1.8 g/cm3，鉆井液黏度非常高，且濾失量增大，說明無法采用甲酸鈉與碳酸鈣進行復配加重；當采用甲酸鈉與甲酸鉀復配加重至1.5 g/cm3后，再采用碳酸鈣加重后，鉆井液流變性和濾失量均較好；采用甲酸鉀單獨加重至1.5 g/cm3和1.6 g/cm3后，再采用碳酸鈣加重，鉆井液流變性和濾失量均較好。由于甲酸鉀價格遠高于甲酸鈉，綜合考慮，可以采用甲酸鈉、甲酸鉀、碳酸鈣三者復配的加重方案，一方面可以實現鉆井液良好的性能，另一方面，成本也較低。

表2 甲酸鹽加重至不同密度時對鉆井液性能的影響

2.3 鉆井液耐溫性能測試

將鉆井液在不同溫度下老化24 h 后，分別測試其流變性和濾失量數據（見表3）。從表3 中可知，隨著溫度的升高，鉆井液黏切逐漸降低，且濾失量逐步升高，但仍然都在較為合理的范圍內；體系的摩阻系數隨著溫度的升高，逐步增大，但總體均小于0.12，體系具有較好的潤滑性能，表明該高溫高密度低固相體系具有較好的耐溫能力，能夠滿足不同溫度條件下的水平井鉆進的要求。

表3 高溫高密度低固相鉆井液耐溫性能評價

2.4 鉆井液耐污染性能測試

在體系中加入氯化鈣、硫酸鈣、頁巖巖屑，在140 ℃條件下老化24 h，分別測試其流變性和濾失量，數據（見表4）。從表4 可知，該體系受到鈣鹽污染時，黏切略有降低，濾失量略有升高，具有較好的抗鈣能力；體系在受到頁巖巖屑污染后，黏切升高較多，濾失量變化不大，說明體系具有一定的耐巖屑污染的能力，能夠滿足不同地質條件下的鉆井要求。

表4 高溫高密度低固相鉆井液耐污染性能評價

2.5 儲層保護性能測試

將高溫高密度低固相鉆井液采用高溫高壓動態污染的方式對不同滲透率的露頭巖心進行污染后，采用直接返排的方式測試滲透率恢復率（巖心污染端不進行切面處理），評價鉆井液的儲層保護，數據（見表5）。從表5 可知，高溫高密度低固相鉆井液污染后的露頭巖心滲透率恢復率可達80%以上，說明該體系具有較好的儲層保護效果，采用低固相進行水平井鉆井來保護儲層是可行的。

表5 儲層保護性能

3 結論

（1）高溫高密度低固相鉆井液采用甲酸鹽復配碳酸鈣加重密度可達1.8 g/cm3，且可采用甲酸鈉與甲酸鉀復配來降低成本，亦可采用甲酸鉀單獨復配碳酸鈣加重以獲取更優的鉆井液性能，碳酸鈣粒徑控制在D50為23 μm 左右時，且呈正態分布，對鉆井液流變性和濾失性影響最小。

（2）高溫高密度低固相鉆井液具有較好的耐溫性能，最高可達150 ℃，具有良好的耐鈣與巖屑污染性能，且具有潤滑性能與儲層保護性能好的特點，能夠用于高溫深層水平井鉆井的保護儲層鉆井液。