耐高溫鉆井液固化含量研究

蘇 潔，馬貴陽

耐高溫鉆井液固化含量研究

蘇 潔，馬貴陽

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

我國能源需求量大巨大，鉆井行業(yè)隨之迅速發(fā)展，已經(jīng)由20世紀(jì)70年代初的淺層開發(fā)發(fā)展到現(xiàn)在的深層鉆井。但隨著鉆井深度加深，井底升溫顯著，鉆井液性能易被破壞。利用鉆井液中固相含量的配比，從而研制出在高溫狀態(tài)下仍能保持性能的鉆井液。

耐高溫；固化物；流變性；鉆井液

目前，世界經(jīng)濟迅猛發(fā)展，能源動力成為了我們生活密不可分的一部分，石油天然氣能源能夠確保生產(chǎn)建設(shè)可持續(xù)性發(fā)展，是工業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展的有力保障。石油工業(yè)的鉆探開發(fā)已經(jīng)不滿足于淺層開采，由淺至深的鉆探理念，正在日益主導(dǎo)油氣鉆探開發(fā)。

我國上世紀(jì)也鉆有深井，尤其在 70年代后，鉆了許多能夠達到5到6 km的深井，其中利用水基鉆井液技術(shù)，有4口井深能夠超過7 km。但深井在鉆探到更多石油天然氣的同時，井底溫度也明顯增高，很多深井鉆探溫度都高達200 ℃，有的甚至超過 200 ℃［1］。隨著深井的深度加深，井底溫度也明顯升溫，在超高溫的深井中鉆探，鉆井液技術(shù)手段是鉆探深層石油天然氣技術(shù)的首要前提，是勘探開發(fā)發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)。在鉆井技術(shù)方面的突破，往往耗時費力，需要很大的前期及后期資金支持，如果能通過控制固相含量從而得到新型鉆井液，將對深井深層地層的石油天然氣的鉆探開采有著至關(guān)重要的影響，使鉆井技術(shù)水平上升到一個新的水平，而新型鉆井液的實際應(yīng)用推廣，將會帶來巨大的經(jīng)濟前景和社會利益。

1 鉆井液中固化物分析

1.1 鉆井液中固相物的組成

一套完整的鉆井液體系是由固化物質(zhì)、水、加重劑、和降濾失劑、增粘劑等處理劑（低密度固相：膨潤土及鉆屑；高密度固相：加重劑）組成的。而影響鉆井液流變性的根本原因，主要有固相含量，即鉆井液中加入的膨潤土、鉆探過程中產(chǎn)生的鉆屑、以及重晶石類的加重劑等，其次還有顆粒的分布和表面性質(zhì)、鉆井液中游離的水量、鉆井液體系中的處理劑、電解質(zhì)，甚至外在的溫度及固控設(shè)備都對鉆井液的流變性有著影響。

1.1.1 固化物中的低密度固相

（1）鉆井液的固相物質(zhì)主要是由粘土、膨潤土等固相物質(zhì)粒子組成的。粘土能夠保證鉆井液結(jié)構(gòu)體系強度，粘土粒子的分散成程度，粒子極配，以及顆粒大小，都是保持鉆井液性能的關(guān)鍵。為了能夠保持鉆井液性能的穩(wěn)定，在研制鉆井液的時，更應(yīng)該充分考慮鉆井液中固相物質(zhì)的含量，盡量控制有害于鉆井液性能的固相含量［2］。

（2）在鉆探過程中，工程進行掉落的鉆屑也是一個令人頭痛的問題，鉆屑是無用固相，掉落后無法自行清除，混合在鉆井液當(dāng)中。

1.1.2 固化物中的高密度固相

為了保證在鉆井過程中井壁穩(wěn)定，使鉆井工作安全進行，在鉆探進行中，往往會適當(dāng)加入加重試劑，如重晶石等。適量添加重晶石的鉆井液在鉆探過程中能是鉆頭降溫冷卻，平衡井底油氣壓力，更有穩(wěn)固井壁的作用，從而保證石油天然氣產(chǎn)量穩(wěn)定，有效預(yù)防井噴等事故。但鉆井液中固化含量的體積百分比是由加重材料的密度決定的，這也影響著鉆井液流變性［3］。重晶石普遍受重力影響產(chǎn)生沉淀，沉淀會導(dǎo)致鉆井液變化很大，比如鉆井液固相含量比重改變，特別是對鉆井液流變性的影響，這些變化都會對井下鉆井工作帶來嚴(yán)重的后果。

1.2 固化物的膠體特性分析

高溫鉆井液的固化物質(zhì)是由多種膠體體系組成的，首先是具有控制其流變性和濾失性的粘土礦物，其次是特殊處理劑，也可是不具有功能的污染物，通常是可溶性無機化合物［4］。當(dāng)然，可溶性有機化合物通常都具備較好的使用性能。最后，例如重晶石等不溶性的惰性材料來充當(dāng)處理劑，亦或者是污染物。

1.3 高溫對固化物的影響

常規(guī)的鉆井液體系，普遍不能承受高溫，通常在超過150 ℃時，就會發(fā)生固化沉淀或者反應(yīng)物交聯(lián)，從而致使鉆井液失去原有的效用。鉆井液在高溫作用下易老化增稠的根本原因是膨潤土等固相物質(zhì)高溫變性［5］，影響鉆井液的流動穩(wěn)定性，配備鉆井液時應(yīng)選擇合適的固相物質(zhì)含量，確保高溫高壓情況下鉆井液性能穩(wěn)定性。

1.4 粘土限量值

經(jīng)過前人多年的探索和實踐，為了保證深井鉆井液的流變性和熱穩(wěn)定性穩(wěn)定發(fā)揮，必須嚴(yán)格控制高密度鉆井液體系中固相，即膨潤土含量，這一含量必須在一定范圍內(nèi)，并且使用限量具有最低值，即深井鉆井液的“粘土限量值”。

2 高溫下固相物對鉆井液的影響

2.1 高溫下固化物對鉆井液性能的影響

鉆井液的流變性是鉆井液體系最具有代表性的特性之一，研究鉆井液的流變性對配置鉆井液起著至關(guān)重要的作用。在水基鉆井液中，處理劑以粘土和水為介質(zhì)條件，先通過與水作用（吸水、溶解），接著處理劑會附著于粘土顆粒之上，但這些物質(zhì)在深井高溫作用下，處理劑與粘土或膨潤土之間的作用變差，降解和解吸效果不再明顯，對粘土性能產(chǎn)生影響，固化物遇高溫分解，使粘土密度變大，鉆井液性能損壞。

2.1.1 粘土及膨潤土對鉆井液性能的影響

（1） 礦物粘土是目前普遍被大家使用的固相物質(zhì)之一，在高溫作用下，它的特性是直接影響水基鉆井液的各項性能，比如說流變性、濾失性等，這種作用的本質(zhì)就是粘土顆粒受高溫后分解，顆粒分散度增大，比表面積增加，顆粒濃度、粘度、切應(yīng)力也同樣增大。其表面的膠體特性會通過和周圍其他液相物質(zhì)相互反應(yīng)而形成膠黏結(jié)構(gòu)。礦物粘土在高溫情況下，其物理性能有較大的改變并且不能維持自身穩(wěn)定性。合理使用固相設(shè)備，運用離心機、振動篩等清除鉆井過程中產(chǎn)生的固相廢物，使鉆井液保持良好的清潔。

（2）在深井下進行鉆探，將要面臨著高溫高壓環(huán)境及隱蔽的地質(zhì)情況，鉆井液中膨潤土的合理配比是鉆探工程順利進展的基礎(chǔ)保障。固相物質(zhì)水化后的結(jié)構(gòu)強度能夠提高整體穩(wěn)定性，研究表明，過高含量的膨潤土經(jīng)過水化分解，導(dǎo)致鉆井液粘稠，內(nèi)部切應(yīng)力升高，使鉆井液流動性減弱或喪失，且這時一個不可逆的過程，鉆頭及鉆本身承受的摩擦力大大增加，產(chǎn)生不安全因素，導(dǎo)致鉆速下降或卡鉆等現(xiàn)象［6］。高密度高溫下，膨潤土?xí)瑫r增稠和減稠，這兩種情況都是危險的，都會對鉆井液的沉淀穩(wěn)定性及流變性造成影響。而過低含量的膨潤土處于高溫高壓狀態(tài)下，顆粒會發(fā)生反應(yīng)形成雙電層，導(dǎo)致膨潤土高溫凝結(jié)，降低鉆井液整體的凝膠性和沉淀穩(wěn)定性，對井下工作造成困難。

2.1.2 鉆屑對鉆井液性能的影響

在鉆頭的不斷切削下，被分解成微小的顆粒粉末，有的形成膠體微粒后活性增強，表面吸附大量水分，使鉆井液中液態(tài)水含量減少，顆粒之間作用后，很大程度影響了鉆井液的流變性能，甚至?xí)沽髯冃酝耆?，所以清除鉆井液中的鉆屑也是控制鉆井液體系流變性的重要手段之一。

2.1.3 重晶石對鉆井液性能的影響

（1） 當(dāng)鉆井液固相含量相對較大時，固化顆粒會與鉆井液體系其他物質(zhì)形成新的結(jié)構(gòu)，尤其是高溫高壓的情況下，加速老化形成絮凝結(jié)構(gòu)，造成固相含量密度升高。同樣的，隨著鉆井液固相密度變化，固化顆粒數(shù)也隨之升高，聚集起來的顆粒形成的表面積也隨之增大，固化顆粒間相互作用，摩擦力增大，塑性粘度明顯增大。

（2） 鉆井液中的固相物質(zhì)容易發(fā)生沉淀，而發(fā)生這種沉淀的能力稱之為沉淀穩(wěn)定性，在鉆井液密度保持一定的情況下，重晶石的沉淀穩(wěn)定性取決于其顆粒度，顆粒度大則沉淀穩(wěn)定性差，顆粒形狀亦對沉淀穩(wěn)定性和鉆井液粘度有影響。

（3） 重晶石在鉆探過程中，其表面會進行水化反應(yīng)，加之重晶石的沉淀，會對鉆井液的濾失量造成影響。所以控制重晶石顆粒的大小也是維持濾失量的關(guān)鍵因素。

2.2 密度對鉆井液性能的影響

在鉆探的過程中，使用高密度的鉆井液進行鉆探，會使鉆井液濾失量增大，固相增加、泥餅變厚、流動性能減弱，很難維持鉆井液原有性能。地層溫度隨著鉆井深度的增加而增加，濾失量顯著變大，其他處理劑加速分解，導(dǎo)致鉆井液粘度增加甚至固化，這對井壁的穩(wěn)定有著直接的影響。深井井底的多層次壓力系統(tǒng)也是需要被關(guān)注的重要問題，提高井底井壁的地層承受壓力能力，結(jié)合鉆井液固化密度調(diào)控，在鉆探的過程中封堵防塌，也是確保鉆探順利進行的關(guān)鍵點。

3 耐高溫鉆井液固化含量分析試驗

3.1 主要實驗儀器及工作原理介紹

3.1.1 ZNG型鉆井泥漿固相含量測定儀

（1）概述：本儀器依據(jù) Q/02NSJ001-1998標(biāo)準(zhǔn)制造，泥漿固相含量測定儀，是專用于測定鉆井泥漿中所含固相成分的儀器。

（2）基本參數(shù)：泥漿杯容量：(20±0.2)mL；加熱棒功率：100 W；量筒：(20±0.2)mL

（3）本儀器依據(jù)蒸餾原理，取一定量（20 mL）泥漿，用高溫（加熱）將其蒸干，然后固相稱重，算出固相成份之重量或體積百分含量。

（4）儀器主要有整流器、加熱棒、電源接頭、冷凝體、量筒等部分組成。

（5）儀器的操作步驟：取樣、蒸餾、冷卻、稱重、計算。

固體的百分含量=100%—水和油的百分含量

3.1.2 ZNN-D6S數(shù)顯六速粘度計(可旋轉(zhuǎn))

對牛頓流體液體流動服從于牛頓內(nèi)摩擦定律。塑性流體流動服從于賓漢公式。假塑流體和膨脹流體流動服從于冪函數(shù)式。六速旋轉(zhuǎn)粘度計是以步進電機為動力的旋轉(zhuǎn)型儀器。被測液體處于兩個同心圓筒間的環(huán)形空間內(nèi)，有步進電機帶動外轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)，外轉(zhuǎn)筒通過被測液體作用于內(nèi)筒產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，使同扭簧鏈接的內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)了一個相應(yīng)角度，依據(jù)牛頓定律，該轉(zhuǎn)角的大小與液體的粘度成正比，于是液體粘度的測量轉(zhuǎn)為內(nèi)筒轉(zhuǎn)角的測量。通過計算即為液體粘度、切應(yīng)力。

3.2 實驗結(jié)論

在溫度超高的地層處進行鉆探時，低固相含量的鉆井液起著決定性的作用。經(jīng)過實驗測得（實驗數(shù)據(jù)見表1），當(dāng)鉆井液中固相含量高于6%時，其粘度在最初的升溫過程中并沒有顯著改變，基本保持穩(wěn)定，但當(dāng)升溫至200 ℃高溫時，粘度開始突然增大，隨著溫度的持續(xù)升高，鉆井液粘度顯著升高，呈現(xiàn)出明顯的粘稠現(xiàn)象，鉆井液的流動性超過允許范圍，鉆井液失效。

當(dāng)鉆井液中固相含量控制在 6%以內(nèi)時，鉆井液的粘度隨溫度變化不大，沒有突然增高的現(xiàn)象，這說明鉆井液在低密度固相含量的情況下，鉆井液穩(wěn)定性好，流動性穩(wěn)定。從以上實驗得出的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，為了確保鉆井液在高溫環(huán)境下流動的穩(wěn)定性，鉆井液配方中的膨潤土應(yīng)盡量控制在較低含量。在高溫情況下，若鉆井液的固相含量較高，保持鉆井液流動穩(wěn)定性的費用普遍遠遠高于控制鉆井液固相含量的費用，所以在鉆井液的研制過程中，應(yīng)注意固相含量的配比。

4 結(jié) 論

在目前的鉆井技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，進行深井抗高溫抗高壓鉆井液的技術(shù)研究，降低鉆井液系統(tǒng)中固相含量，盡可能攻克阻礙鉆井液研制當(dāng)中遇到的難題，進而研制出滿足在鉆探過程中的技術(shù)要求、安全可靠、質(zhì)優(yōu)價廉、保護井壁和油層、環(huán)保、在高溫高壓環(huán)境下能夠保持各項性能的新型鉆井液，這在目前能源開采行業(yè)被迫切需求，并有實際意義。

［1］曾義金，劉建立．深井超深井鉆井技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].石油鉆探技術(shù)，2005(5)：1-5．

［2］ 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].山東:石油大學(xué)出版社,2001:348-360.

［3］吳隆杰，楊鳳霞．凍鉆井液處理劑膠體化學(xué)原理[D].成都：成都科學(xué)技術(shù)大學(xué)，1992．

［4］ 李樣華，張景陽等.Z4超深井鉆井液工藝技術(shù)[J].西部探礦工程，2005,114:139-141.

［5］ 胡繼良，陶士先，單文軍，等．超深井高溫鉆井液技術(shù)概況及研究方向的探討[J].地質(zhì)與勘探，2012，48(1)：155-159．

［6］ 沈麗．抗高溫鉆井液體系的研究與應(yīng)用[J].精細(xì)石油化工進展，2008，9(4)：5-9．

Study on Solid Content of High Temperature Resistance Drilling Fluids

SU Jie，MA Gui-yang
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

China's energy demand is huge, so the drilling industry has gained rapid development from the shallow layer development in the early70's to the deep drilling now. But with increasing of drilling depth, bottom hole temperature rises significantly, the performance of drilling fluid is easily damaged. In this paper, through improving solid content ratio of drilling fluid, high temperature resistance drilling fluid was developed.

High temperature resistance; Solid; Rheology; Drilling fluids

TE 357

： A

： 1671-0460（2015）05-0985-03

2014-03-30

蘇潔（1987-），女，遼寧撫順人，助理工程師，2015畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，油氣田開發(fā)：開發(fā)設(shè)計工作研究。E-mail：117022044@qq.com。