高密度低油水比油基鉆井液體系研究

畢 闖

[中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452]

頁巖油氣田、海上油氣田為了實現高效開發，通常使用油基鉆井液作為開發流體進行鉆進。與水基鉆井液相比，油基鉆井液具有黏土水化抑制性強、潤滑性能好、耐高溫、性能穩定、易于維護等優點，是頁巖油氣井、海上大位移井、深井超深井等復雜油氣井首選的鉆井液體系[1-4]。隨著油氣井鉆井深度的增加，井底面臨的壓力越來越大。較大的井底壓力需要使用高密度油基鉆井液體系才能保證油氣井安全鉆井，對油基鉆井液性能提出了更高的要求[5-6]。此外，目前油氣田開發使用的油基鉆井液體系大多為高油水比鉆井液體系，但是高油基鉆井液體系價格昂貴，不利于油氣井經濟開采，因此，針對深層油基鉆井液體系研究，需要開發兼具高密度和低油水比特性的油基鉆井液體系。

為了研究適用于深層復雜井鉆井的油基鉆井液體系，室內對不同的油基鉆井液添加劑開展研究，構建了高密度低油水比油基鉆井液體系，并對油基鉆井液性能進行評價。

1 高密度低油水比油基鉆井液體系關鍵處理劑研究

1.1 乳化劑

乳化劑是油基鉆井液體系的關鍵組分之一，它的性能直接決定了油包水乳化體系的穩定性。對于乳化劑來說，主要通過在油水界面形成吸附膜、降低油水界面張力、增加黏度等方式保證油基鉆井液的性能[7-8]。為了研究適用于油基鉆井液體系的乳化劑，室內對不同比例主乳化劑和輔乳化劑性能進行評價，鉆井液熱滾后的實驗結果如表1。

表1 乳化劑評價結果

從表1的實驗結果可以看出，隨著乳化劑加量和配比的變化，油基鉆井液體系的流變性、破乳電壓和失水量也隨之變化。當主乳化劑MR1和輔助乳化劑FR1分別為2.5%和0.5%時，油基鉆井液體系綜合性能最佳。

1.2 降濾失劑

油基鉆井液降濾失劑的主要作用是降低鉆井液的濾失量。當降濾失劑添加到油基鉆井液后，主要通過增黏、吸附和物理堵塞等作用方式改善油基鉆井液的性能[9]。為了研究適用于高密度油基鉆井液的降濾失劑，室內對3%不同類型降濾失劑進行評價，鉆井液熱滾后的實驗結果如圖1。

圖1 降失水劑作用效果

從圖1實驗結果可以看出，在相同的加量下，使用降失水劑HFW后的油基鉆井液體系的高溫高壓失水量較小，其主要原因可能是降濾失劑添加到油基鉆井液中后，一方面形成吸附水化層，另一方面提高黏土顆粒的電動電位，從而提高鉆井液的穩定性，形成致密的泥餅[10]。

為了研究降濾失劑HFW對油基鉆井液性能的影響規律，室內評價了不同降濾失劑加量的油基鉆井液的性能，實驗結果如圖2。

圖2 HFW加量對性能的影響

從圖2中數據可以看出，隨著HFW加量逐漸增大，油基鉆井液穩定性的影響較小，但是失水量明顯降低。降失水劑HFW可以有效降低油基鉆井液濾失量。

1.3 有機土

有機土是一種無機礦物和有機物的復合物，具有良好的懸浮穩定性、高溫穩定性、潤滑性等性能。當有機土添加到油基鉆井液中后，其能提高鉆井液體系的黏度和切力，同時兼具一定的降失水功能[11]。室內評價了添加劑1%不同類型的有機土油基鉆井液的性能，鉆井液熱滾后的實驗結果如表2。

表2 有機土評價結果

表2實驗結果表明，添加有機土MNL的油基鉆井液具有較好的流變性和破乳電壓，能形成性能較優異的油基鉆井液體系，因此有機土MNL可作為油基鉆井液有機土使用。

為了評價有機土MNL對鉆井液性能的影響，研究了不同加量有機土MNL油基鉆井液體系的性能，其結果見表3。

表3 有機土加量對鉆井液性能影響

從表3中的實驗結果可以看出，有機土MNL添加到鉆井液后的增粘效果好，并且有機土加量越高，形成的油基鉆井液體系破乳電壓越高，高溫高壓失水越低，建議加量為0.9%左右。

1.4 堿度調節劑

堿度調節劑主要用于調節油基鉆井液的pH，并控制Ca2+的濃度。室內選擇了堿度調節劑JNS作為高密度油基鉆井液添加劑，并對不同加量的堿度調節劑進行評價，鉆井液熱滾后的實驗結果如表4。

表4 堿度調節劑加量對鉆井液性能影響

從表4中的評價結果可以看出，堿度調節劑JNS的加入會增加鉆井液的黏度，破乳電壓先增大后降低，適量的堿度調節劑JNS可以較好地改善油基鉆井液的性能。

2 高密度低油水比油基鉆井液體系構建與性能評價

室內研究了油基鉆井液添加劑材料，研選了適用于高密度低油水比油基鉆井液的乳化劑、降濾失劑、有機土等處理劑，構建了密度為2.2 g/cm3的高密度油基鉆井液體系，其組成為：白油+2.5%主乳化劑MR1+0.5%輔乳化劑FR1+1.5%堿度調節劑JNS+0.9%有機土MNL+3.0%降濾失劑HFW +重晶石（按密度加入），油水比70:30。為了研究構建的高密度油基鉆井液體系性能，室內對高密度油基鉆井液性能進行評價。

2.1 抗溫性評價

溫度是油氣井重要的地質特征。在油基鉆井液使用過程中，一旦井底溫度超過了油基鉆井液可承受的最大溫度，鉆井液添加劑將失效，導致鉆井液性能劣化，嚴重影響油氣井施工的安全性。室內評價了不同溫度下油基鉆井液熱滾后的性能，實驗結果如表5。

表5 抗溫性能評價

表5的實驗結果表明，隨著溫度的升高，構建的高密度油基鉆井液體系破乳電壓增大，穩定性升高，黏度增大，但流動性較好，失水量較低，構建的高密度油基鉆井液體系抗溫性能優異。

2.2 抑制性能評價

油基鉆井液具有良好的抑制性，可以降低鉆井液使用過程中地層發生水化的可能性，維持井壁穩定。若鉆井液抑制性差，極易引起井眼不規則、泥餅虛厚等復雜工況，會影響鉆井效率。室內將鉆屑加入鉆井液中，對鉆井液抑制性進行評價，實驗結果見表6。

表6 抑制性能評價

從表6的實驗結果可以看出，構建的高密度油基鉆井液體系加入鉆屑后破乳電壓依然較高，鉆井液穩定性，滾動回收率達到了98.9%，對鉆屑具有良好的抑制性能，可以滿足鉆井過程中防塌的要求。

2.3 沉降穩定性評價

由于高密度油基鉆井液摻入加重材料，并且在鉆井過程中，鉆井液也會攜帶大量固相材料。若鉆井液沉降穩定性差，很容易發生沉降，影響鉆井液體系的性能。室內評價了油基鉆井液體系的沉降穩定性，以鉆井液上下密度差作為穩定性評價指標，實驗結果見表7。

表7 油基鉆井液沉降穩定性

從表7的實驗結果可以看出，構建的高密度鉆井液體系上下密度差較小，并且隨著溫度的升高，密度差未明顯增大，鉆井液體系具有良好的沉降穩定性，使用過程中可保證較好的性能。

3 結論

1）研究的主乳化劑MR1、輔乳化劑FR1、堿度調節劑JNS、有機土MNL、降濾失劑HFW能有效調節油基鉆井液體系的穩定性、失水量、流變性等性能。

2）構建的高密度低油水比油基鉆井液體系抗溫性能好，巖屑滾動回收率高，抑制性強，可有效保證其使用性能。

3）構建的高密度低油水比油基鉆井液體系沉降穩定性好，密度較高配方也沒有明顯的沉降現象。