超高密度油基鉆井液加重劑評價及現(xiàn)場應(yīng)用

劉政，李俊材，徐新紐

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司，成都 610051；2.中國石油集團新疆油田分公司勘探事業(yè)部，新疆克拉瑪依 834000）

隨著全球?qū)μ烊粴?、石油需求量的不斷增長和已探明儲量的逐步開采，油氣勘探開發(fā)逐漸往深層油氣藏進軍，鉆遇高溫高壓地層的機率逐步變大[1]。中國石油新疆油田公司準噶爾盆地南緣區(qū)塊古近系、白堊系、侏羅系等地層，壓力系數(shù)高達2.40～2.65 g/cm3，地層溫度為120～160 ℃。以前，該區(qū)塊常使用超高密度高溫水基鉆井液，在鉆進過程中阻卡嚴重，鉆井液流變性的控制十分困難，事故頻發(fā)，鉆井時效低，周期長。為了保障異常高壓高溫地層的安全鉆進，急需研發(fā)性能優(yōu)異的超高密度高溫油基鉆井液，要求該鉆井液具有良好的流變性、封堵性和高溫沉降穩(wěn)定性[2-5]。近幾年，國外陸續(xù)展開高密度微粉加重劑的研究與應(yīng)用，研究應(yīng)用表明微粉加重劑可以解決超高密度鉆井液存在的問題，但是微粉加重劑成本較高，與普通重晶石復(fù)配使用是微粉加重劑的發(fā)展趨勢。目前，國內(nèi)的超高密度高溫油基鉆井液的應(yīng)用較少，多處于室內(nèi)研究階段[6-7]。因此，實驗選用抗200 ℃高溫的油基鉆井液處理劑，主要開展超高密度油基鉆井液加重劑評價，篩選高品質(zhì)微粉加重劑，確定微粉加重劑與普通重晶石的最優(yōu)復(fù)配比例，并開展現(xiàn)場應(yīng)用。

1 加重劑的微觀形態(tài)及粒徑分布

1）微觀形態(tài)。用Quanta450 型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察普通重晶石、微粉錳礦、微粉重晶石的微觀形態(tài)[8]，結(jié)果顯示，普通重晶石呈層狀、塊狀結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸大，形態(tài)不規(guī)則，棱角分明；微粉錳礦顆粒呈球形，大尺寸的球形顆粒占比少，小尺寸的球形顆粒占比多，總體來看，形態(tài)規(guī)則，分布均勻；微粉重晶石呈層狀、塊狀結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸小，形態(tài)規(guī)則，棱角分明。

2）粒徑分布。使用馬爾文3000 型激光粒度分析儀，測量普通重晶石、微粉錳礦、微粉重晶石的粒徑分布[9]，可知，微粉錳礦和微粉重晶石含有少量雜質(zhì)，雜質(zhì)的粒徑在1000 μm 左右。除去雜質(zhì)，微粉錳礦和微粉重晶石的粒徑比普通重晶石小很多，而且粒徑分布窄；微粉錳礦的D50和D90分別為 4.32 μm 和3.62 μm，顆粒粒徑主要分布在 1～10 μm 之間，顆粒粒徑小，顆粒分布均勻；微粉重晶石的D50和D90分別為 2.14 μm 和 1.92 μm，顆粒粒徑主要分布在1～10 μm 之間，顆粒粒徑小，顆粒分布均勻；普通重晶石的D50和D90分別為15.2 μm 和42.9 μm，粒徑主要分布在5～100 μm 之間，顆粒粒徑大，顆粒分布不均勻。3 種加重劑中，普通重晶石的粒徑最大，顆粒粒徑分布范圍大，小粒徑顆粒占比少。微粉錳礦和微粉重晶石的粒徑小，屬于超細顆粒，顆粒粒徑分布范圍小。

2 微粉加重劑降黏原理

根據(jù)顆粒最密堆積原理，鉆井液中含同樣質(zhì)量分數(shù)的顆粒條件下，表面接觸程度和狀態(tài)，可通過優(yōu)選顆粒級配而減小，因為小顆粒填充空隙可以較大幅度降低總顆粒直接接觸概率。鉆井液流動時，微小顆粒填縫在粗顆粒間，起到滾動減摩擦作用，也可以進一步降低高密度鉆井液的流動阻力。因此，可以利用這種“小顆粒填縫原理”大幅度降低鉆井液體系流動阻力，即降低鉆井液的黏度和切力[10]。

3 實驗評價

依據(jù)加重劑“小顆粒填縫原理”，綜合考慮微粉加重劑價格高的因素，實驗選用LT1 井現(xiàn)場四開密度2.40 g/cm3的油基鉆井液作為基礎(chǔ)鉆井液，將基礎(chǔ)鉆井液密度分別加重至2.50、2.60 和2.70 g/cm3，評價3 種加重劑復(fù)配的最佳比例。通過實驗研究，優(yōu)化出超高密度油基鉆井液的配方，評價了其高溫沉降穩(wěn)定性能和抗水污染性能，結(jié)果見表1～表3。

3.1 3種加重劑復(fù)配的最佳比例

由表1 可知，使用普通重晶石加重的超高密度油基鉆井液塑性黏度高，整體流變性能差；當(dāng)密度高于2.50 g/cm3后，塑性黏度超出測量范圍，因此單獨使用普通重晶石加重超高密度油基鉆井液的效果差。由表2 可知，當(dāng)普通重晶石與微粉重晶石的質(zhì)量比為7∶3 時，加重配制的密度為2.60、2.70 g/cm3的油基鉆井液，其塑性黏度可以測量出來，但是偏高。其余質(zhì)量比的密度為2.60、2.70 g/cm3的油基鉆井液的塑性黏度超出測量范圍。因此，使用普通重晶石與微粉重晶石復(fù)配加重，配制的超高密度油基鉆井液，整體流變性能較差，效果不好。

分析表3 數(shù)據(jù)可知，使用普通重晶石與微粉錳礦復(fù)配加重超高密度油基鉆井液，配制的密度為2.60、2.70 g/cm3的油基鉆井液，其塑性黏度基本上可以測量出來，整體流變性能較好，效果好。特別是當(dāng)普通重晶石與微粉錳礦質(zhì)量比為7∶3 時，效果最佳。

表1 普通重晶石加重超高密度油基鉆井液性能

表2 普通重晶石與微粉重晶石復(fù)配加重超高密度油基鉆井液性能（油水比為95∶5）

對比分析表1、表2 和表3 可以看出，使用普通重晶石與微粉錳礦復(fù)配效果最好，普通重晶石與微粉重晶石復(fù)配效果其次，單獨使用普通重晶石效果最差。復(fù)配方案中，隨著微粉加重劑的比例提高，超高密度油基鉆井液的流變性變好，質(zhì)量比7∶3時效果最好，微粉加重劑的比例再提高，效果反之變差。因此，現(xiàn)場選擇使用普通重晶石與微粉錳礦復(fù)配，復(fù)配質(zhì)量比為7∶3，配制超高密度油基鉆井液。

表3 普通重晶石與微粉錳礦復(fù)配加重超高密度油基鉆井液性能（油水比為95∶5）

3.2 超高密度油基鉆井液配方

在加重劑使用普通重晶石∶微粉錳礦=7∶3、基礎(chǔ)油使用0#柴油、分散相使用質(zhì)量濃度30%的氯化鈣溶液的基礎(chǔ)上，通過實驗研究，進一步優(yōu)化出密度為2.50、2.60、2.70 g/cm3的超高密度油基鉆井液配方，如表4 所示。

表4 超高密度油基鉆井液配方

3.3 高溫沉降穩(wěn)定性

使用普通重晶石與微粉錳礦復(fù)配，復(fù)配質(zhì)量比為7∶3，加重配制2.50、2.60、2.70 g/cm3超高密度油基鉆井液。配制完成后160 ℃分別靜恒溫24、48、72、96、120 h，靜恒溫完成后用The Viscometer Sag Shoe Test（Vsst）沉降測試方法，在60 ℃測定上下密度差值[11]，結(jié)果見圖1。由圖1 可知，密度為2.50、2.60、2.70 g/cm3的超高密度油基鉆井液靜恒溫24 h，上下密度差值在0.01～0.02 g/cm3，靜恒溫120 h，上下密度差值在0.1～0.14 g/cm3，密度差值小。說明使用普通重晶石與微粉錳礦復(fù)配，復(fù)配質(zhì)量比為7∶3，加重配制的2.50、2.60、2.70 g/cm3超高密度油基鉆井液具有好的高溫沉降穩(wěn)定性。

圖1 超高密度油基鉆井液高溫沉降穩(wěn)定性

3.4 抗水污染性能

使用普通重晶石與微粉錳礦復(fù)配加重，復(fù)配質(zhì)量比為7 ∶3，配制不同超高密度油基鉆井液，并在該鉆井液中分別加入不同含量的清水，在160 ℃下熱滾24 h，測定油基鉆井液性能，結(jié)果見表5。從表5 可知，在密度為2.50、2.60、2.70 g/cm3的超高密度油基鉆井液中加入清水量少于15 %時，其各項性能都比較穩(wěn)定，說明超高密度油基鉆井液具有好的抗水污染性能。

表5 抗水污染實驗結(jié)果

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 維護工藝技術(shù)

1）鉆進過程中，使用好三級固控設(shè)備，振動篩使用孔徑為0.076 mm 的篩布，一體機使用篩孔為0.063 mm 的篩布，篩布勤檢查，發(fā)現(xiàn)損壞立即更換。振動篩、一體機使用率100%，高、中速離心機配套使用率70%以上。

2）密度為2.65 g/cm3的超高密度油基鉆井液體系第一次投井使用，需要精細維護處理。每天測6 次油基鉆井液全套性能，發(fā)現(xiàn)性能變化，立即分析原因，通過室內(nèi)小型處理實驗，制定相應(yīng)的處理方案。

3）在異常高壓氣、水層鉆進過程中，重點監(jiān)測超高密度油基鉆井液的密度、油水比、破乳電壓的變化。如果發(fā)現(xiàn)這些性能參數(shù)有下降趨勢，證明地層水在不斷進入油基鉆井液中。應(yīng)馬上采取逐步提高油基鉆井液密度，平衡高壓水層，同時進一步優(yōu)化油基鉆井液的抗水污染能力，保證油基鉆井液性能穩(wěn)定。

4）起鉆作業(yè)前，在異常高壓氣、水層段，泵入高密度、高抗水污染能力的全油基鉆井液，一方面平衡循環(huán)壓耗，另一方面預(yù)防高壓水層段油基鉆井液被地層水污染嚴重，導(dǎo)致破乳，影響井下安全。

5）下鉆作業(yè)過程中，分段循環(huán)超高密度油基鉆井液，破壞鉆井液的靜結(jié)構(gòu)力，預(yù)防井漏復(fù)雜。分段循環(huán)的同時，監(jiān)測油基鉆井液性能。如發(fā)現(xiàn)性能異常，及時調(diào)整。

4.2 應(yīng)用簡況

LT1 井是2019 年中石油集團公司部署在新疆油田的重點風(fēng)險探井，設(shè)計井深6950 m，鉆探目的是主探侏羅系喀拉扎組、兼探白堊系。LT1 井位于新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯縣境內(nèi)，距吐谷1井東偏南2.19 km[12]。該井井身結(jié)構(gòu)及鉆井液體系見表6、表7。2020 年4 月21 日四開開鉆，2021年3 月24 日該井五開正常鉆進至井深6110 m。在4640～5010 m 井段鉆遇異常高壓氣水層，使用普通重晶石與微粉錳礦復(fù)配、復(fù)配質(zhì)量比為7∶3 的技術(shù)方案，逐步將井漿密度從2.25 g/cm3提高至2.65 g/cm3。四開鉆進過程中，超高密度油基鉆井液的各項性能優(yōu)異，如表8 所示。目前井下安全順利，創(chuàng)造了中國石油集團公司現(xiàn)場油基鉆井液密度使用最高紀錄。

表6 LT1 井井身結(jié)構(gòu)

表7 鉆井液體系及密度范圍

表8 超高密度油基鉆井液性能

5 結(jié)論與建議

1.普通重晶石呈層狀、塊狀結(jié)構(gòu)，形態(tài)不規(guī)則，棱角分明。微粉錳礦呈球形，形態(tài)規(guī)則，分布均勻。微粉重晶石呈層狀、塊狀結(jié)構(gòu)，形態(tài)規(guī)則，棱角分明。

2.3種加重劑中，普通重晶石的粒徑最大，顆粒粒徑分布在 5～100 μm 之間。微粉錳礦和微粉重晶石的粒徑小，屬于超細顆粒，顆粒粒徑分布在1～10 μm 之間。

3.實驗評價表明，配制超高密度油基鉆井液加重劑最佳復(fù)配方案，普通重晶石∶微粉錳礦=7∶3。超高密度油基鉆井液具有好的高溫沉降穩(wěn)定性和抗水污染性能。

4.現(xiàn)場應(yīng)用表明，密度為2.65 g/cm3的超高密度油基鉆井液，鉆進過程中，全程鉆井液性能表現(xiàn)良好，井下安全正常。建議該體系可以在其他區(qū)塊推廣應(yīng)用，并不斷總結(jié)完善。