順北區塊鉆井液瀝青類抑制劑抗高溫性能評價研究

張曉宇，李相臣，馬玉芬，齊 冰，賈曉燕

(1 中國石化西北油田分公司實驗中心，新疆 烏魯木齊 830011；2 中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3 西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500)

順北區塊完鉆井目標層奧陶系一間房組和鷹山組井深多在7300～8800 m，均為垂深超過6000 m的超深井，目標油層中部溫度普遍超過150 ℃[1]。順北地區整體呈現出超深、超高溫、超高壓特征，對鉆井液處理劑的抗高溫性能提出了更高要求[2]。鉆井液體系的抑制性是解決深部地層井壁穩定問題的有效手段，鉆井液的封堵性能是影響井壁穩定的一個重要因素[3]。如果封堵性能不好，鉆井液濾液就會進入地層，破壞井壁穩定[4]。因此，研究地層高溫條件抑制劑的抑制性和封堵性能是具有重大意義的[5-8]。

鉆井液抑制劑抑制效果評價通過線性膨脹實驗更能模擬地層高溫高壓條件，線性膨脹實驗多使用膨脹儀來完成[9-11]。現有高溫動態膨脹量測定儀(工作溫度≤93 ℃，工作壓力為常壓)、高溫高壓泥頁巖膨脹儀(工作溫度≤120 ℃，工作壓力為3.5 MPa)和常溫常壓膨脹儀，均無法滿足溫度高于150 ℃條件下的抑制劑性能評價要求，急需改進抗高溫線性膨脹實驗方法[12]。

本文采用自研的高溫高壓鉆井液抑制性評價裝置，改進了抗高溫鉆井液抑制劑相對膨脹降低率評價方法，進行了天然瀝青類、改性瀝青類、乳化瀝青類三類抑制劑的相對膨脹降低率評價與封堵性能評價，優選出具有優良的抗高溫性能、抑制黏土水化膨脹性能以及封堵性能的鉆井液瀝青類抑制劑[13]。并且探索性地開展了溫度高于150 ℃條件下的抑制劑線性膨脹實驗，對順北區塊高溫地層具有很好的適用性[14]。

1 實驗方法

1.1 實驗樣品

本次實驗用到的鉆井液抑制類處理劑實驗樣品主要分為天然瀝青類、改性瀝青類、乳化瀝青類三大類，如表1所示，樣品狀態為黑色粉末。

表1 鉆井液抑制類處理劑實驗樣品

1.2 實驗儀器

實驗設置為2組：第一組為鉆井液抑制類處理劑線性膨脹性能評價，其中包括6種抑制類處理劑的線性膨脹性能評價、第二組為鉆井液抑制類處理劑封堵性能評價，其中包括6種抑制類處理劑的封堵性能評價。

抑制類處理劑線性膨脹性能評價采用的實驗儀器為自主研制的高溫高壓抑制類處理劑評價儀，主要組成部件為測試部件、氣源、循環加熱系統、中控系統、千分表和計算機等，最高適用溫度可達260 ℃，實驗數據通過計算機實時記錄[15]。

圖1 高溫高壓抑制類處理劑評價儀Fig.1 High temperature and high pressure inhibitorevaluation instrument

抑制劑封堵性能評價實驗的樣品配制采用數顯高速攪拌機GJ-3S，其最高轉速可達到11000 r/min。API濾失試驗采用青島森欣機電設備有限公司生產的多聯中壓失水儀；高溫高壓失水實驗采用美國OFITE生產的高溫高壓失水儀，該失水儀按照美國石油協會(API)規范制造，最高加熱溫度可達300 ℃，具有精度高，重復誤差小，操作簡單，測試數據準確等特點[16]。

1.3 實驗步驟

鉆井液抑制類處理劑線性膨脹性能評價具體實驗步驟如下：①稱取干燥膨潤土樣品10 g裝入巖樣杯內，用壓力機以4 MPa壓力壓制樣品5 min，游標卡尺測量深度H1，巖樣長度H2=H0-H1。②將巖樣杯裝入承壓杯內部并倒入150 mL鉆井液抑制類處理劑，安裝評價儀器，此時百分表讀數為H3；③采用氮氣加壓，根據實時監測系統、位移監測系統及軟件，實時監測目標溫度T0、目標壓力P3條件下的巖樣膨脹量[17]。

鉆井液抑制類處理劑封堵性能評價實驗步驟如下：①預處理。用高速攪拌器將鉆井液樣品6 ℃恒溫攪拌10 min；②組裝高壓濾失試驗儀器，施加測試溫度下回壓，保持1h后繼續增加回壓3450 kPa(500 psi)，收集濾液30 min；③冷卻濾液5 min以上后校正到過濾面積為45.8 cm2時的體積，測量并記錄濾餅厚度[18]。

1.4 數據處理

鉆井液抑制類處理劑線性膨脹性能評價數據處理主要根據蒸餾水巖心線性膨脹量及處理劑溶液巖心線性膨脹量按式1計算的相對膨脹降低率，繪制實驗溫度為橫坐標，相對膨脹降低率為縱坐標的每種抑制類處理劑在不同溫度下相對膨脹降低率對比柱狀圖。

(1)

式中：ΔH-蒸餾水巖心線性膨脹量，mm；ΔH’-處理劑溶液巖心線性膨脹量，mm。

2 相對膨脹降低率評價

2.1 天然瀝青類抑制劑評價結果

基于高溫高壓抑制類處理劑評價儀開展的常溫/120 ℃/150 ℃/180 ℃/200 ℃、常壓為3.5 MPa，兩種天然瀝青類抑制劑溶液性能評價結果如圖2、圖3所示。

圖2 KYC-002處理劑溶液性能評價結果Fig.2 Performance evaluation results of KYC-002 treatment agent solution

圖3 KYX-032處理劑溶液性能評價結果Fig.3 Performance evaluation results of KYX-032 treatment agent solution

對比兩種天然瀝青類抑制劑溶液性能評價結果，KYX-032處理劑溶液作用下黏土的相對膨脹降低率在常溫-150 ℃與200 ℃環境下均高于KYC-002處理劑，只有在180 ℃環境下KYC-002處理劑溶液作用下黏土的相對膨脹降低率略高于KYX-032處理劑。因此，從相對膨脹降低率的評價角度，KYX-032處理劑比KYC-002處理劑抗高溫性能與抑制黏土水化膨脹性能更優良。

2.2 改性瀝青類抑制劑評價結果

基于高溫高壓抑制類處理劑評價儀開展的常溫/120 ℃/150 ℃/180 ℃/200 ℃、常壓為3.5 MPa，兩種改性瀝青類抑制劑溶液性能評價結果如圖4、圖5所示。

圖4 KYC-047處理劑溶液性能評價結果Fig.4 Performance evaluation results of KYC-047 treatment agent solution

圖5 KYC-072處理劑溶液性能評價結果Fig.5 Performance evaluation results of KYC-072 treatment agent solution

對比兩種改性瀝青類抑制劑溶液性能評價結果，KYX-047處理劑溶液作用下黏土的相對膨脹降低率在常溫環境下高于KYC-072處理劑，但隨著溫度進一步升高，KYX-047處理劑溶液作用下黏土的相對膨脹降低率大幅度下降，KYX-072處理劑的相對膨脹降低率有所上升，隨后呈下降趨勢，在180 ℃時失效，而KYX-047處理劑的相對膨脹降低率無較大變化，這說明KYX-047處理劑的抗高溫性能更加穩定，溫度在小于150 ℃時，KYC-072處理劑的抗高溫性能更好。

2.3 乳化瀝青類抑制劑評價結果

基于高溫高壓抑制類處理劑評價儀開展的常溫/120 ℃/150 ℃/180 ℃/200 ℃、常壓為3.5 MPa，兩種乳化瀝青類抑制劑溶液性能評價結果如圖6、圖7所示。

圖6 KYC-073處理劑溶液性能評價結果Fig.6 Performance evaluation results of KYC-073 treatment agent solution

圖7 KYC-019處理劑溶液性能評價結果Fig.7 Performance evaluation results of KYC-019 treatment agent solution

對比兩種乳化瀝青類抑制劑溶液性能評價結果，KYX-019處理劑溶液作用下黏土的相對膨脹降低率在常溫-120 ℃環境下均高于KYC-073處理劑，并且隨著溫度從150 ℃上升至200 ℃，相對膨脹降低率快速上升，這說明KYX-019處理劑在150～200 ℃環境下的抗高溫性能更優良；但在120～150 ℃環境下KYC-073處理劑的相對膨脹降低率呈上升趨勢并且相對膨脹降低率相比于KYX2020-019處理劑略高，這說明在此環境下KYX2020-019處理劑的抗高溫性能更優良。

3 封堵性能評價

3.1 天然瀝青類抑制劑封堵性能評價結果

對比不同測試溫度下的天然瀝青類抑制劑封堵性能評價結果，以API、HTHP(120 ℃、150 ℃、200 ℃)濾失量為評價指標可知，KYC2020-002抑制劑的30 min濾失量小于KYC2020-032抑制劑的30 min濾失量，KYC2020-002抑制劑封堵性能更好。而溫度為180 ℃時，KYC2020-002抑制劑30 min濾失量為50 mL，而KYC2020-032抑制劑30 min濾失量為30 mL，KYC2020-032抑制劑封堵性能更佳。

表2 天然瀝青類抑制劑封堵性能評價結果

3.2 改性瀝青類抑制劑封堵性能評價結果

表3 改性瀝青類抑制劑封堵性能評價結果

對比不同測試溫度下的改性瀝青類抑制劑封堵性能評價結果，以API濾失量為評價指標可知， KYC2020-047抑制劑封堵效果更佳，其30 min濾失量為6 mL，而KYC2020-072抑制劑30 min濾失量為14 mL。以HTHP(120 ℃、150 ℃、180 ℃、200 ℃)濾失量為評價指標發現，不同溫度下KYC2020-047抑制劑30 min的濾失量均小于KYC2020-072抑制劑30 min的濾失量，KYC2020-047抑制劑封堵性能優于KYC2020-072抑制劑。

3.3 乳化瀝青類抑制劑封堵性能評價結果

表4 乳化瀝青類抑制劑封堵性能評價結果

對比不同測試溫度下的乳化瀝青類抑制劑封堵性能評價結果發現，以API濾失量為評價指標時，KYX-019抑制劑和KYC-073抑制劑的30 min API濾失量均為9 mL，封堵效果相當。以HTHP(120 ℃)濾失量為評價指標時，KYX-019抑制劑30 min濾失量為20 mL，KYC-073抑制劑30 min濾失量為37.60 mL，KYX-019抑制劑的封堵效果優于KYX-073抑制劑。而隨著溫度的進一步升高至150 ℃、180 ℃和200 ℃時，KYX-019抑制劑30 min的濾失量均大于KYC-073抑制劑30 min的濾失量，KYC-073抑制劑的封堵性能更佳。

4 討 論

4.1 相對膨脹降低率評價結果分析

大部分瀝青粉類抑制劑在常溫條件下的防膨效果都大于高溫條件下，在120～200 ℃其防膨效果呈“V”字曲線，即上先下降后升[19]，這是因為瀝青類處理劑的封堵機理是使瀝青軟化封堵抑制流體進入從而達到抑制的效果，其作用效果受溫度的影響較大，當溫度較低時，瀝青顆粒隨著水流和壓差作用緊貼在樣品表面起到一定的封堵作用，當溫度開始升高，樣品內粘土礦物的水化膨脹作用隨溫度的增高而增強，抑制劑的防膨性能開始下降，當溫度較高達到瀝青軟化點時，瀝青顆粒開始軟化緊密貼在樣品表面阻止水相接觸樣品，此時抑制劑的防膨性能開始回升，由于不同瀝青處理劑的軟化點不一，其變化趨勢會有所不同[20]。

綜合對比天然瀝青類、改性瀝青類、乳化瀝青類三大類共6組相對膨脹降低率評價結果，可以得出：天然瀝青類與乳化瀝青類抑制劑的抗高溫性能與抑制黏土水化膨脹性能均優于改性瀝青類抑制劑，因此從相對膨脹降低率的評價結果來看，可以從天然瀝青類與乳化瀝青類中優選性能更好的抑制劑；從抗高溫性能的對比分析來看，乳化瀝青類中的兩種處理劑溶液在150～180 ℃的高溫環境中作用于黏土的相對膨脹降低率均高于天然瀝青類抑制劑，因此在高溫環境下乳化瀝青類抑制劑的抗高溫性能更加優良，在150～180 ℃高溫環境下可以選擇KYX-073處理劑，在達到200 ℃的高溫環境下可以選擇KYX-019處理劑。

4.2 封堵性能評價結果分析

綜合對比分析不同溫度下三種瀝青類抑制劑封堵性能評價結果，可以發現在API濾失量評價指標下，天然瀝青類中KYX2020-002抑制劑和改性瀝青類中KYC2020-047抑制劑的封堵效果最佳，30 min的濾失量為6 mL，乳化瀝青類中的KYX2020-019和KYC2020-073的封堵效果次之，30 min的濾失量為9 mL。在溫度120 ℃、150 ℃和200 ℃條件下，乳化瀝青類的抑制劑在三類抑制劑中的封堵性能最佳，其中KYC2020-073抑制劑的封堵性能為六組樣品中最好的，30 min的濾失量為40 mL，KYX2020-019的封堵性能次之，30 min的濾失量為48 mL。

4.3 抑制劑優選

從相對膨脹降低率評價結果與封堵性能評價結果綜合來看，KYC2020-073抑制劑在150～180 ℃的高溫環境中作用于黏土的相對膨脹降低率高于其他五種抑制劑；并且KYC2020-073抑制劑的封堵性能為六種抑制劑中最好的，在150～180 ℃的高溫環境中濾失量最小。因此優選出乳化瀝青類KYX-073處理劑，其具有優良的抗高溫性能、抑制黏土水化膨脹性能以及封堵性能，對順北區塊高溫地層具有很好的適用性。

表5 抑制劑性能評價綜合對比結果

(1)從相對膨脹降低率的評價結果來看，乳化瀝青在150～180 ℃的高溫環境中相比于天然瀝青與改性瀝青具有更好的抑制性。

(2)從封堵性能的評價結果來看，乳化瀝青同樣在150～180 ℃的高溫環境中相比于天然瀝青與改性瀝青濾失量更低，具有更好的封堵性能。

(3)從相對膨脹降低率評價結果與封堵性能評價結果綜合來看，因此優選出乳化瀝青類KYX-073處理劑，其具有優良的抗高溫性能、抑制黏土水化膨脹性能以及封堵性能，對順北區塊高溫地層具有很好的適用性。

(4)大部分瀝青粉類抑制劑在常溫條件下的防止黏土水化膨脹效果都大于高溫條件下，在120～200 ℃其防止黏土水化膨脹效果呈“V”字曲線，即上先下降后升。這是因為當溫度較低時，瀝青顆粒隨著水流和壓差作用緊貼在樣品表面起到一定的封堵作用，當溫度開始升高，樣品內粘土礦物的水化膨脹作用隨溫度的增高而增強，抑制劑的防膨性能開始下降，當溫度較高達到瀝青軟化點時，瀝青顆粒開始軟化緊密貼在樣品表面阻止水相接觸樣品，此時抑制劑的防膨性能開始回升。