高密度油基鉆井液抗鹽水侵污染能力影響因素研究

張 迪

高密度油基鉆井液抗鹽水侵污染能力影響因素研究

張 迪

（長慶油田分公司第六采油廠， 陜西 榆林 7190000）

隨著當(dāng)今社會對于石油的需求的持續(xù)增加，易開采的石油資源越來越少，油氣勘探已向深井、超深井等復(fù)雜地層方向發(fā)展，鉆井液作為鉆井系統(tǒng)工程中的重要組成部分，在深井中面對復(fù)雜地層時，提高鉆井液的性能尤為重要。以塔里木盆地庫車坳陷選用的油基鉆井液為研究對象，研討了不同油基處理劑對油基鉆井液抗鹽水污染的影響，從而為解決鉆探過程中高密度油基鉆井液抗鹽水侵污染問題提供現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

高壓鹽水層； 油基鉆井液； 流變性； 處理劑

鉆井液作為鉆井系統(tǒng)工程中的重要組成部分，在鉆井作業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。隨著易采的石油資源逐漸減少，石油和天然氣勘探已向深井和復(fù)雜地層方向發(fā)展[1]。對于出現(xiàn)在深井、復(fù)雜地層等井下的一些特殊情況，鉆井液體系性能的提高尤為重要。目前，在鉆高難度的高溫深井、水平井、大斜度定向井及各種復(fù)雜地層的井段一般都采用高密度油基鉆井液[2]，它具有耐高溫、耐鹽和鈣侵、抗污染能力強(qiáng)、潤滑性好、抑制性能強(qiáng)、性能穩(wěn)定和對儲層傷害小等特點。然而，油基鉆井液在鉆遇深井高壓鹽水層時，由于鹽水污染鉆井液，經(jīng)常會出現(xiàn)鉆井液失水大、黏度高、密度變低等性能變差的現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)井噴、井漏、卡鉆等井下復(fù)雜事故，給鉆進(jìn)過程帶來危害，在鉆遇塔里木盆地庫車坳陷山前構(gòu)造高壓鹽水層時，這種情況就特別嚴(yán)重。鑒于此，通過室內(nèi)實驗研究和探索，認(rèn)識鹽水侵污油基鉆井液機(jī)理，探索影響油基鉆井液處理劑對抗鹽水污染的因素，對解決鉆探過程中高密度油基鉆井液抗鹽水侵污染問題就有很好的現(xiàn)實意義。本文旨在以塔里木盆地庫車坳陷所選用的油基鉆井液為研究對象，通過實驗對高密度油基鉆井液抗鹽水侵污染能力的影響因素進(jìn)行深入研究。

1 實驗方法

1.1 油基鉆井液配制方法

實驗室內(nèi)配制油基鉆井液嚴(yán)格按照以下步驟標(biāo)準(zhǔn)配制[3]:

1）準(zhǔn)備干凈的漿杯，實驗所需處理劑、藥勺、干凈的紙片和電子天平。

2）根據(jù)泥漿體系計算各處理劑的用量。計算方法為：處理劑添加的百分比乘以配制泥漿體系的總體積。加重至所需密度的加重劑量計算方法如下：

當(dāng)加入一種加重劑時，則加量1為

其中：設(shè)計—鉆井液設(shè)計密度；

加重劑—加重劑密度；

1—不加加重劑時體系基液的密度；

—體系的總體積。

當(dāng)兩種加重劑復(fù)配時，如：重晶石與微錳6∶4配制加重，則重晶石質(zhì)量2為：

微錳加量3為：

3）把配制的漿杯去皮后，分別加入計算的主乳、輔乳、潤濕劑質(zhì)量（±0.01 g）。然后緩慢添加到泥漿杯中，并量取所需要量的柴油，固定在高速攪拌器（D90.300，青島海通達(dá)專用儀器有限公司）上以12 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速高速攪拌10 min。

4）根據(jù)體系計算CaCl2的加量。用量筒量取緩慢倒入正在高攪的泥漿杯中再次高攪10 min。

5）在電子天平上把紙片去皮，并依次稱量計算好的有機(jī)土、降濾失劑、CaO。

6）待上次攪拌時間結(jié)束，緩慢將降濾失劑、有機(jī)土等處理劑倒入高速攪拌的泥漿杯中。

7）同時，去皮并稱取加重劑倒入高攪的泥漿杯中，并調(diào)整高攪時間為50 min。

8）攪拌結(jié)束后，量取一定的鉆井液測其密度，如果沒有達(dá)到所需密度，則繼續(xù)添加重劑直到所需密度，如果密度達(dá)到所需密度時，取下高攪杯，完成其余實驗步驟。

1.2 油基鉆井液黏度和切力測定

實驗儀器：六速黏度計（ZNN.D6S，青島海通達(dá)專用儀器有限公司）, 泥漿杯加熱套（JR.175，青島海通達(dá)專用儀器有限公司）。

將高速攪拌后的鉆井液緩慢倒入鉆井液樣品杯中至刻度線位置，使泥漿剛好到達(dá)外筒刻度線位置處。打開儀器開關(guān)，泥漿杯加熱套溫度調(diào)整至65±2 ℃，溫度升至上述溫度時，按如下步驟測量[4]：

1）將鉆井液加熱至所需溫度時，應(yīng)以600 r·min-1的轉(zhuǎn)速連續(xù)的攪拌，使溫度均勻受熱樣品。

2）使儀器分別以600 r·min-1、300 r·min-1、200 r·min-1、100 r·min-1、6 r·min-1、3 r·min-1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)黏度計表盤上指針?biāo)甘镜目潭戎捣€(wěn)定時，分別讀取刻度值，記錄為Φ600、Φ300、Φ200、Φ100、Φ6、Φ3。

3）調(diào)整外筒以600 r·min-1轉(zhuǎn)速持續(xù)10 s，然后靜止10 s，讀取3 r·min-1的速度最大偏轉(zhuǎn)讀數(shù)，記為Φ310 s；然后使外筒以600 r·min-1轉(zhuǎn)速持續(xù)10 s，讀取3 r·min-1的速度最大偏轉(zhuǎn)讀數(shù)，記錄為Φ310 min。

4）按以下公式計算：

表觀黏度：a=φ600/2 （4）

塑性黏度：p=φ600-φ300（5）

動切力： YP=μa-μp（6）

初切： G10s=φ310s/2 （7）

終切： G10 min=φ310 min/2 （8）

2 不同添加劑對油基鉆井液抗鹽水污染的影響

2.1 主乳化劑對油基鉆井液抗鹽水污染的影響

在配制油包水鉆井液時，為了使油基鉆井液體系的性能穩(wěn)定，必須添加使用乳化劑，乳化劑在鉆井液體系中的主要作用有以下三個方面[5]：在油水兩相界面上形成堅固的吸附膜；降低油水兩相的界面張力；增加體系外相黏度。但是，在實際的應(yīng)用過程中需要考慮成本等因素，因此需要考慮主乳化劑添加量與相關(guān)性能之間的關(guān)系，從而確定最佳的添加量，見圖1。

圖1 主乳化劑對油基鉆井液抗鹽水污染的影響

從圖1可以看出:（1）主乳的增加使油基鉆井液整個體系黏度、切力、破乳電壓增加，濾失量逐漸減小，變化幅度不大；（2）對于不同量鹽水的污染，整個體系的黏度、切力、濾失量逐漸增大，破乳電壓降低；（3）主乳量加之1.1%時，對于抗50%鹽水黏度和切力過高，不宜使用。說明主乳對抗鹽水污染的黏度有一定的影響，當(dāng)油基體系用于高于鹽水層時，其使用量不宜過高。

2.2 輔乳化劑對油基鉆井液抗鹽水污染的影響

當(dāng)使用兩種類型的乳化劑時，通常會形成一種復(fù)合界面膜，這種復(fù)合膜相對于單一膜具有界面膜致密、強(qiáng)度高等優(yōu)點[6]。輔乳化劑與乳化劑進(jìn)行復(fù)配的主要功能是讓兩種互不相溶的油和水變成具有穩(wěn)定性的油包水鉆井液，同時使一些親水固體表面變?yōu)橛H油。然而不同種類乳化劑對所形成的界面膜會對體系造成一定的影響。根據(jù)對油基鉆井液的處理劑的機(jī)理認(rèn)識，輔乳化劑一般是親水性的表面活性劑。當(dāng)兩種乳化劑混合在一起，形成的乳狀液穩(wěn)定性明顯提高[7]。同時，也需要考慮輔乳化劑的用量對鉆井液性能的影響。

圖2 輔乳化劑對油基鉆井液抗鹽水污染的影響

從圖2可以看出:（1）輔乳的增加使油基鉆井液整個體系黏度有所降低，切力、破乳電壓、濾失量變化幅度較小；（2）對于不同量鹽水的污染，整個體系的黏度、切力、濾失量逐漸增大，破乳電壓逐漸降低；（3）輔乳量在1%和2%時，對于抗50%鹽水黏度和切力儀器無法測出，隨著輔乳量的增大，整個體系性能逐步穩(wěn)定，呈現(xiàn)基本不變，但是失水量相比有所增加。說明輔乳對抗鹽水污染有重要的影響，其為親水性的表面活性劑，使得油水混合形成的乳狀液穩(wěn)定性更好，但是輔乳加量也要在一定范圍之內(nèi)。

2.3 潤濕劑對油基鉆井液抗鹽水污染的影響

油包水鉆井液中的潤濕劑是一種降低體系液體和固相表面能的處理劑，鉆井液體系內(nèi)加重時所需的固體顆粒材料和鉆屑等親水固體顆粒一般統(tǒng)稱為固相[8]。如果油包水鉆井液的潤濕劑潤濕程度較低，導(dǎo)致體系中固相的懸浮能力變差以及鉆速降低，鉆井液體系的穩(wěn)定性也會變壞。若固相表面油潤濕程度較高，懸浮性也會有所降低，固相可能會沉淀，乳狀液的穩(wěn)定性對于潤濕劑來說，需要滿足的最重要的條件是將體系內(nèi)的固相是被油水兩相潤濕，并最終吸附在油水界面上。因此潤濕劑的用量對于相關(guān)性能的表現(xiàn)具有重要意義。

從圖3可以看出:（1）潤濕劑的增加使油基鉆井液整個體系黏度和破乳電壓逐漸降低，切力先增加后降低，濾失量逐漸增大；（2）對于不同量鹽水的污染，整個體系的黏度、切力、濾失量逐漸增大，破乳電壓逐漸降低；（3）潤濕劑量在1.2%時，對于抗50%鹽水黏度和切力過高，隨著潤濕劑增加至1.5%時，黏度和切力下降，且整個體系比1.8%的潤濕劑的體系更穩(wěn)定。說明潤濕劑對抗鹽水污染有重要的影響，其為兩親結(jié)構(gòu)的表面活性劑，使得油水、固相等混合形成的乳狀液穩(wěn)定性更好。

圖3 潤濕劑對油基鉆井液抗鹽水污染的影響

2.4 有機(jī)土對油基鉆井液抗鹽水污染的影響

有機(jī)黏土的主要作用是增黏，鉆井液使用的有機(jī)土是由親水的膨潤土與季銨鹽類陽離子表面反應(yīng)形成的親油性黏土，配制油包水鉆井液的有機(jī)土一般由烷基三甲基氯化銨和烷基芐基二甲基氯化銨處理膨潤土兩種季銨鹽型表面活性劑所制得[9]。由于陽離子的吸附，膨潤土就變成親油繼而易于分散于油的體系中，在體系中不僅增加黏度和提高了對加重材料的懸浮能力，還有利于降低油包水乳化鉆井液中的濾失量。

通常用于油包水鉆井液的有機(jī)土表面為油潤濕，并添加到油基鉆井液中不斷分散、溶解和膨脹，通過高速攪拌逐步呈膠體形式存在于油基泥漿體系之中[10]。在油包水鉆井液體系中有機(jī)土是高度分散的，有利于有機(jī)土和其它處理劑相互吸附、聚結(jié)形成具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膠體分子，這種膠體分子對于提高油基鉆井液的黏度和切力是極為有利的。但是有機(jī)土顆粒表面不可能全部被為油潤濕，在整個體系中還會顯示出一定的親水性，使得黏土顆粒和乳化液滴在油基鉆井液體系中有一定程度上的互相結(jié)合，這樣會使其空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)固，整個體系的黏度和切力也會增加。

從圖4可以看出:（1）有機(jī)土的增加使油基鉆井液整個體系黏度、切力、濾失量、破乳電壓、逐漸增大；（2）對于不同量鹽水的污染，整個體系的黏度、切力、濾失量逐漸增大，破乳電壓逐漸降低；（3）有機(jī)土量在1%時，其體系切力過低，有機(jī)土量在2%時，對于抗50%鹽水黏度和切力過高，整個體系在1.5%時更穩(wěn)定。說明有機(jī)土對油基體系的黏土和切力有重要影響，面對抗鹽水污染時，適量的加入會其空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)固，穩(wěn)定性更好。

2.5 降濾失劑對油基鉆井液抗鹽水污染的影響

降濾失劑的主要作用為降低鉆井液侵入地層的流體損失量及在井壁上形成薄而致密的泥餅。油基鉆井液目前使用降濾失劑的主要類型為:油基鉆井液用有機(jī)土、有機(jī)土激活劑、聚合物降濾失劑、有機(jī)褐煤4種油基鉆井液處理劑[11-12]，它們都有性能穩(wěn)定、抑制性強(qiáng)、抗污染、潤滑性好、儲層保護(hù)效果好等優(yōu)點。

圖4 有機(jī)土對油基鉆井液抗鹽水污染的影響

目前研究指出，降濾失劑可以獨(dú)立地起作用，在高溫下具有良好的流變性能和穩(wěn)定性[13-14]。當(dāng)濾失量控制劑加量較少的時候，塑性黏度增加很慢，只有加量很大時，塑性黏度才突然增大，另外，加入降濾失劑以后，不僅增加抗污染性能和促使水相分散，還增加乳狀液穩(wěn)定性。所以，添加特定量的降濾失劑對鉆井高效工作來說尤為重要。

從圖5可以看出:（1）降濾失劑的增加使油基鉆井液整個體系黏度稍微增加，但幅度較小，切力基本不變，濾失量和破乳電壓有所減小；（2）對于不同量鹽水的污染，整個體系的黏度、切力、濾失量逐漸增大，破乳電壓不斷減小。說明降濾失劑有降低濾失作用和一定增黏作用，其對抗鹽水污染影響較小。為了滿足現(xiàn)場需求，從機(jī)理和成本考慮，降濾失劑的加量需要適宜。

圖5 降濾失劑對油基鉆井液抗鹽水污染的影響

3 結(jié) 論

本文系統(tǒng)研究了油基泥漿處理劑及油水比抗鹽水污染研究認(rèn)識來研討其影響因素，通過研究得出以下結(jié)論：

1）乳化劑對鹽水污染高密度油基鉆井液的影響較大。主乳的使用既能穩(wěn)定地乳化分散液滴，又能增加體系黏度，但主乳過多時，鹽水大量的侵入使得體系黏度過高。輔乳的加入形成復(fù)合界面膜，使互不相溶的油和水變成更具穩(wěn)定性的油包水鉆井液，所以，面對大量鹽水污染油基體系時，輔乳起至關(guān)重要的作用。

2）潤濕劑和有機(jī)土對油基鉆井液抗鹽水污染的能力有一定影響。潤濕劑為兩親結(jié)構(gòu)的表面活性劑，使水溶性變成油溶性。當(dāng)鹽水侵入體系中造成黏度和切力過高時，適當(dāng)增加潤濕劑或減少有機(jī)土的量，可以減小體系黏度和切力，增強(qiáng)體系穩(wěn)定性。

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Study on the Factors Influencing the Ability of High-Density Oil-Based Drilling Fluid to Resist Saline Intrusion Pollution

(Changqing Oilfield Branch No.6 Oil Production Plant, Yulin Shaanxi 7190000, China）

With the increasing demand for oil in today's society, there are fewer and fewer easy-to-exploit oil resources, and oil and gas exploration has developed to deep wells, ultra-deep wells and other complex formations. As an important part of drilling system engineering, it is particularly important to improve the performance of drilling fluid when facing complex formations in deep wells. In this paper,taking the oil-based drilling fluid selected in Kuqa Depression of Tarim Basin as the research object, the influence of different oil-based additives on the salt water pollution resistance of oil-based drilling fluid was discussed, so as to provide practical guiding significance for solving the problem of salt water pollution resistance of high-density oil-based drilling fluid during drilling.

High pressure saline layer; Oil-based drilling fluid; Rheology; Treatment agent

2022-07-19

張迪（1995-），男，助理工程師，陜西省延安市人，2019年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專業(yè)，研究方向：從事井筒穩(wěn)定性研究工作。

TQ314.258

A

1004-0935（2023）01-0017-06