連續(xù)動態(tài)多重光散射法評價高密度油基鉆井液穩(wěn)定性

馬 超，蘇 超，周 超，潘蕾茗，徐生江，葉 成，孫曉瑞

(1.長江大學石油工程學院 油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430100；2.中國石油天然氣股份有限公司 新疆油田公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

引 言

深井、超深井等復雜地層鉆井(特別是鉆遇含有巨厚鹽膏地層)對鉆井液提出了高密度、強抑制能力和優(yōu)良的抗高溫穩(wěn)定性等特殊要求。而油基鉆井液在井壁穩(wěn)定、抑制性能、抗高溫、抗鹽抗鈣污染及快速鉆進等方面具有明顯的優(yōu)勢[1]。準噶爾盆地南緣山前鉆遇的安集海河組、紫泥泉子組為膏泥巖和泥巖地層，地層孔隙壓力高、溫度高，采用油基鉆井液密度普遍高于2.3 g/cm3，最高達到2.65 g/cm3[2-3]。由于高密度油基鉆井液中加重劑等固相材料在鉆井液體系中的質量分數可能高達70%，因此，在現場應用時高密度油基鉆井液中需要添加大量的乳化劑、潤濕劑以及有機土等以保證加重材料在體系中的懸浮分散，另外高含量的固相加重劑使鉆井液在深井高溫條件下流動性變差，加重劑遇到高鹽地層水侵易沉降，導致鉆井液流變性失控[4-5]。為此，研究者們采用密度較高的鐵礦粉和微錳粉作加重材料以降低高密度油基鉆井液的固相含量[6-7]，提高油基鉆井液穩(wěn)定性。但鐵礦粉具有磁性且硬度較大，對鉆具、鉆頭和鉆井泵的磨損嚴重，微錳礦粉原料來源少、價格昂貴、制備工藝復雜。因此，高密度油基鉆井液的現場應用中，通常仍然采用密度為4.20 ～4.35 g/cm3、粒徑分布在25～75 mm的API重晶石來提高鉆井液密度[8]。

油基鉆井液的穩(wěn)定性一般由以下3個方面的因素決定[9-10]：(1)乳化穩(wěn)定性。其關鍵取決于表面活性劑的特性及高溫穩(wěn)定性，以及與其他處理劑的配伍性；(2)懸浮穩(wěn)定性。主要由加重劑的油相潤濕性及油包水鉆井液中增黏材料的組成決定；(3)地層的污染。對于鹽膏地層，高鹽地層水(NaCl、CaCl2)及CaSO4侵入油基鉆井液也是影響油基鉆井液穩(wěn)定的主要因素。常規(guī)評價方法是通過測試油基鉆井液的乳化電壓和靜置一定時間后鉆井液上、中、下部的密度差來判斷乳液穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性，但破乳電壓是依靠電極擊穿乳液所需的電壓來間接反映具有油包水乳液特點的鉆井液瞬間穩(wěn)定性，無法反映較長時間鉆井液的穩(wěn)定性，而密度差的方法測試過程繁瑣，精確度不高，難以確定油基鉆井液的綜合穩(wěn)定性。本研究采用多重光散射儀(AGS)持續(xù)測試高密度油基鉆井液靜置不同時間的背散射光強度變化，評價高密度油基鉆井液的穩(wěn)定性。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

油基鉆井液配制用材料：乳化劑：主乳(HIECZ-1)和輔乳(HZCOMAT)，湖北嘉華科技公司；有機土，浙江豐虹(HFGEL-120)；潤濕劑(HZCOT)和成膜劑CZ-1，荊州飛鴻化學品公司；降濾失劑(FC-TROL150)，廣漢福克等公司；重晶石加重劑(密度4.3 g/cm3)，中石油北京鉆井院。NaCl、CaCl2、CaSO4，分析純，天津市福晨化學試劑廠；油基鉆井液配方：0號柴油 + 3%主乳HIECZ-1+ 0.2%輔乳HZCOMAT+ 15 mL 25% CaCl2溶液 + 4%潤濕劑HZCOT+0.5%有機土HFGEL-120 + 3%降濾失劑FC-TROL150+ 1.5% 氧化鈣+3%成膜劑CZ-1 +重晶石加重，油水比95∶5。多重光散射儀(AGS)，北京朗迪森科技有限公司；六速旋轉黏度計、熱滾爐等，青島海通達專用儀器有限公司。

1.2 實驗原理及方法

1.2.1 實驗原理

AGS是采用近紅外光作為光源，有一個透射光檢測器和一個背散射光檢測器。光源與透射光檢測器和背散射光檢測器組成測量探頭。測量探頭從樣品池的底部到樣品池的頂部每40 μm測量一次，完成樣品池從底到頂的測量稱為一次掃描(如圖1所示)。隨著時間的變化，由于樣品的不穩(wěn)定性，透射光和背散射光都會發(fā)生變化，其本質是樣品顆粒的粒徑和(或)濃度發(fā)生了變化[11]。對于透明體系，采用透射光的透過率為指標，不透明體系則采用背散射光的反射率為指標，乳液體系屬于不透明體系，其穩(wěn)定性評價指標為BS[12]，以樣品初始BS為對照，不同掃描時間的BS與之的差值(即背散射光強度的變化率，ΔBS)反映乳化體系的背散射光的變化程度，從而放大了樣品在測定時間內微觀特征的變化，掃描曲線給出了不同掃描時間背散射光變化率隨裝滿樣品的樣品池高度的變化關系。AGS 可以按照預先設計的時間進行掃描，在同一張圖上顯示不同掃描時間的譜線輪廓，進行對比[1]。將樣品池中的鉆井液分為清液層、沉淀層和中間層。隨著掃描時間的延長，樣品池上部背散射光強度減弱的區(qū)域為清液層，表示懸浮液上部出現了澄清液；樣品池底部背散射光逐漸增強的區(qū)域為沉淀層，表示隨顆粒的沉降固相濃度增加；清液層和沉淀層之間為中間過渡層，如圖 2所示。

圖1 多重光散射儀(AGS)測試原理Fig.1 Testing principle of multiple light scattering meter (AGS)

圖2 鉆井液背散射譜Fig.2 Backscattering spectra of drilling fluid

1.2.2 實驗方法

(1)高密度油基鉆井液的配制。按照《石油天然氣工業(yè)鉆井液實驗室測試- GB/T 29170-2012》標準[13]進行配制，并將鉆井液老化(180 ℃×24 h)，分裝到樣品瓶中備用。

(2)油基鉆井液穩(wěn)定性測量。由于高密度油基鉆井液(2.0～2.5 g/cm3)含有加重材料等大量的固相顆粒，且固相顆粒質量分數在40%～50%之間，粒徑在2 000 nm以上，屬于濃懸浮液體系[14]，經多次重復掃描分析后采用背散射光對樣品進行分析。首先將多重光散射儀(AGS)開機預熱，將盛裝樣品的測量池洗凈、烘干 ；將老化后(180 ℃×24 h)油基鉆井液緩慢倒入20 mL測量池至刻度處(無外漏)，將試管放入儀器，并打開儀器的隨機附帶軟件界面，輸入掃描參數，每30 min掃描一次，掃描24 h，測試溫度25 ℃，測量油基鉆井液在24 h內的沉降穩(wěn)定性。

(3)動力學穩(wěn)定性指數(TSI)計算。動力學穩(wěn)定性指數反映油基鉆井液樣品在整個放置時間內的綜合穩(wěn)定性。樣品中沉降顆粒高度的變化幅度越大，動力學穩(wěn)定性指數越大，油基鉆井液體系就越不穩(wěn)定。其計算公式如下：

式中：TSI為動力學穩(wěn)定性指數；scani-1(h)為第i-1次掃描時刻油基鉆井液中沉降顆粒在樣品池中的高度，mm；scani(h)為第i次掃描時刻油基鉆井液中沉降顆粒在樣品池中的高度，mm；H為樣品池的總高度，mm；i為掃描次數。

2 結果與討論

2.1 密度變化對鉆井液穩(wěn)定性的影響

將密度分別為2.0、2.2、2.3、2.5、2.55、2.6 g/cm3且經過老化熱滾后(180 ℃×24 h)的油基鉆井液樣品放入多重光散射儀的樣品池中進行動態(tài)掃描，記錄動態(tài)背散射光強度。圖3中曲線的橫坐標的左邊部分代表樣品池的底部，右邊代表樣品池的頂部。掃描圖被設置在有參比的模式下(即所顯示的數據為多次掃描與第一次掃描的差值)?？v坐標為光強的變化，光強增加為正，反之，光強降低為負。第一次掃描顯示藍色，最后一次掃描顯示紅色。

從圖3可見：對于某一特定密度的油基鉆井液(如密度為2.3 g/cm3)而言,隨著掃描時間的增加，樣品池底部的背散射光強度變化值有一定的降低，掃描曲線出現一個向下的波浪型的形態(tài)，說明樣品池底部有少量固相顆粒沉淀團聚的現象。這主要是因為油基鉆井液是穩(wěn)定的油包水的乳化液，由于布朗運動和重力作用下的遷移[14-15]，乳化粒子連續(xù)運動并不斷與其他粒子發(fā)生碰撞，進而導致油基鉆井液的沉淀、聚集；而中間光強值變化不大，說明中間部分乳化比較穩(wěn)定；樣品池頂部掃描的光強值變化率增大，掃描曲線出現一個有一定寬度的下凸形狀，說明油基鉆井液樣品池頂部有清液析出，乳液的穩(wěn)定性發(fā)生了變化。隨著密度的增加(2.0～2.6 g/cm3)，樣品池底部光強(波浪線)變化幅度減小，油基鉆井液析出的清液層逐漸變薄，清液量逐漸減少，說明隨著密度的增加，油基鉆井液沉降穩(wěn)定性增加。

從圖4的動力學穩(wěn)定性指數也可以看出，隨著密度增加，油基鉆井液的穩(wěn)定性增加。這跟通常認為密度增加油基鉆井液穩(wěn)定性降低的現象并不一致[16]，原因在于密度在一定范圍內逐漸升高，更多的重晶石加重固相進入液相，乳化劑和潤濕劑能充分發(fā)揮作用，使得油基鉆井液的黏度增加，加重固相下沉和分相的能力下降。

圖3 不同密度油基鉆井液的背散射光強變化曲線Fig.3 Backscattering spectra intensity curves of oil-based drilling fluid of different density

圖4 不同密度的油基鉆井液動力學穩(wěn)定性指數(TSI)Fig.4 Kinetic stability index (TSI)of oil-based drilling fluid of different density

2.2 飽和(溶液)污染對油基鉆井液穩(wěn)定性的影響

分別將3%、12% NaCl及5%、25%CaCl2溶液加入油基鉆井液中進行掃描，考察NaCl、CaCl2污染對油基鉆井液穩(wěn)定性的影響(圖5)。分別將3%、5%、7%、10%、12% NaCl溶液加入油基鉆井液中進行掃描，并計算其動力學穩(wěn)定性指數(圖6)。分別將5%、10%、15%、20%、25% CaCl2溶液加入油基鉆井液中，并計算其動力學穩(wěn)定性指數(圖7)。

從圖5(a)、(b)可見,對于某一特定濃度的NaCl溶液加入到油基鉆井液中，樣品池底部的“波浪線”波峰變化幅度小，且基本相似，說明受到NaCl溶液污染后油基鉆井液的穩(wěn)定性有小幅降低但變化不大，穩(wěn)定性良好。從圖6的動力學穩(wěn)定性指數曲線可見，NaCl溶液濃度對油基鉆井液的穩(wěn)定性影響不大。這是因為一價金屬鹽溶液可增加油包水乳液的水相黏度，使得乳液的油水相密度更趨于接近，從而更加穩(wěn)定。

從圖5(c)、(d)可見：對于某一特定濃度的CaCl2溶液對油基鉆井液穩(wěn)定性隨時間變化的影響和NaCl溶液的影響相似。從圖7的動力學穩(wěn)定性指數曲線可見，CaCl2濃度的增加使得油基鉆井液的穩(wěn)定性更加良好，這是因為具有二價金屬離子的CaCl2溶解在水中增加了油包水體系中水相的密度，降低了沉降顆粒和水相的密度差，另外過量的CaCl2可能會補充鉆井液中乳化劑Ca2+的流失，使得乳化劑體系乳化性能提高，從而使得油基鉆井液乳液更加穩(wěn)定。

2.3 CaSO4污染對油基鉆井液穩(wěn)定性的影響

分別將3%、5%、7%、10%、12%、15% CaSO4溶液加入油基鉆井液中進行掃描，考察CaSO4污染程度對油基鉆井液穩(wěn)定性的影響(圖8)，并計算其動力學穩(wěn)定性指數(圖9)。

從圖8可見：對于某一特定濃度的CaSO4加入到油基鉆井液中，隨著掃描時間的增加，掃描曲線呈現的規(guī)律和無機鹽的污染相似。從圖9的動力學穩(wěn)定性指數曲線可見，CaSO4濃度的增加對油基鉆井液的穩(wěn)定性影響較大，CaSO4難溶固相顆粒的增加使得體系更容易發(fā)生聚沉而更加不穩(wěn)定。CaSO4質量分數在12%時穩(wěn)定性最好， CaSO4質量分數較低(3%～10%)與較高(15%)穩(wěn)定性均會下降。

圖5 加入不同濃度NaCl(CaCl2)時的油基鉆井液背散射光強變化曲線Fig.5 Backscattering spectra intensity curves of oil-based drilling fluid of different density when NaCl (CaCl2) of different concentration is added

圖6 加入不同濃度NaCl時動力學穩(wěn)定性指數(TSI)Fig.6 Kinetic stability index (TSI)of oil-based drilling fluid of different density when NaCl of different concentration is added

圖7 加入不同濃度CaCl2時動力學穩(wěn)定性指數(TSI)Fig.7 Kinetic stability index (TSI)of oil-based drilling fluid of different density when CaCl2 of different concentration is added

圖8 加入不同濃度CaSO4時的油基鉆井液背散射光強度變化曲線Fig.8 Backscattering spectra intensity curves of oil-based drilling fluid of different density when CaSO4 of different concentration is added

圖9 不同濃度CaSO4動力學穩(wěn)定性指數(TSI)Fig.9 Kinetic stability index (TSI)of oil-based drilling fluid of different density when CaSO4 of different concentration is added

3 結 論

(1)多重光散射法是一種評價高密度油基鉆井液穩(wěn)定性的新方法。該方法可以持續(xù)動態(tài)評價高密度油基鉆井液的密度變化、NaCl、CaCl2、CaSO4污染后油基鉆井液的穩(wěn)定性。

(2)隨著密度的增加(2.0～2.6 g/cm3)，油基鉆井液不但具有良好的沉降穩(wěn)定性而且綜合穩(wěn)定性更好，說明采用的油基鉆井液具有良好的密度穩(wěn)定性。

(3)飽和NaCl溶液污染對油基鉆井液穩(wěn)定性影響不大；飽和CaCl2溶液濃度在一定幅度(5%～25%)增加會提高油基鉆井液乳液的穩(wěn)定性。

(4)CaSO4濃度的增加對油基鉆井液的穩(wěn)定性影響較為復雜，在高濃度(15%)和低濃度(3%～10%)時穩(wěn)定性均會降低， 12%時穩(wěn)定性最好。

(5)油基鉆井液為油包水的乳液，多重光散射法的基本原理就是根據顆粒(乳液顆粒)的遷移對光散射強度的影響來判斷穩(wěn)定性，因此該方法可以對油基鉆井液的乳化劑選擇和評價、加重劑的選擇、密度變化、污染性進行連續(xù)動態(tài)評價。