高溫高壓油基鉆井液技術(shù)研究及應(yīng)用

宋曉偉，劉 剛，張 鵬，彭三兵，林科雄

(1.中海油服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，天津 300452；2.荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北 荊州 434000)

油基鉆井液因具有抑制性強(qiáng)、耐溫性強(qiáng)、抗污染能力強(qiáng)、潤(rùn)滑性能好、儲(chǔ)層傷害小等特點(diǎn)，已逐漸成為鉆探高難度的高溫高壓深井、海上鉆井、大斜度定向井及保護(hù)儲(chǔ)層的重要手段[1-2]。但在鉆遇高溫高壓深井、大斜度大位移井、窄密度窗口井段時(shí)，極易誘發(fā)井壁失穩(wěn)、惡性漏失、鉆具粘卡、井涌井噴等事故。根據(jù)Falcaon能源公司數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，高溫高壓井較常規(guī)井的鉆井時(shí)效降低30%以上，粘卡發(fā)生率提高30%以上，井涌或井噴發(fā)生頻率提高20%以上，非生產(chǎn)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本均增加3倍以上。因此，高溫高壓環(huán)境對(duì)油基鉆井液的性能提出了更高要求。作者針對(duì)高溫高壓油基鉆井液的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)，構(gòu)建高溫高壓油基鉆井液體系，并進(jìn)行室內(nèi)性能評(píng)價(jià)，為高溫高壓油基鉆井液技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供前期技術(shù)支持。

1 高溫高壓油基鉆井液體系的關(guān)鍵技術(shù)

高溫高壓油基鉆井液的關(guān)鍵技術(shù)主要有4個(gè)方面：(1)處理劑高溫下穩(wěn)定；(2)固相含量增加，具有抗劣質(zhì)固相污染能力；(3)當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)控制；(4)重晶石沉降穩(wěn)定。

構(gòu)建的高溫高壓油基鉆井液體系需滿足以下性能要求：(1)100轉(zhuǎn)讀數(shù)盡可能低；(2)高溫高壓濾失量≤5 mL；(3)沉降因子≤0.52。

2 高溫高壓油基鉆井液的性能評(píng)價(jià)

2.1 試劑與儀器

基礎(chǔ)油(3#白油、Saraline 185V)、重晶石、氯化鈣、氫氧化鈣(工業(yè)級(jí))、主乳化劑、輔乳化劑、傳統(tǒng)有機(jī)土、抗高溫有機(jī)土、降濾失劑、REV DUST(模擬鉆屑)，天津中海油服化學(xué)有限公司。

六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島海通達(dá)；破乳電壓測(cè)試儀、高溫高壓濾失量測(cè)定儀，美國(guó)Fann公司；高溫滾子爐，美國(guó)OFITE公司。

2.2 油基鉆井液的配制

在基礎(chǔ)油中加入主、輔乳化劑，高速攪拌5 min；加入氫氧化鈣，高速攪拌2 min；加入有機(jī)土，高速攪拌3 min；在高速攪拌下加入25%氯化鈣溶液，高速攪拌10～15 min；加入降濾失劑，高速攪拌5 min；加入重晶石至所需密度，高速攪拌20 min；繼續(xù)加入模擬鉆屑，高速攪拌5 min，裝入老化罐后，置于高溫滾子爐中恒溫老化。

2.3 評(píng)價(jià)方法

(1)乳化效率測(cè)試：取240 mL 基礎(chǔ)油于高攪杯中，加入6.0 g乳化劑，在10 000 r·min-1下高速攪拌5 min，加入25%氯化鈣溶液60 mL，高速攪拌20 min；裝入老化罐后，置于高溫滾子爐中，150 ℃恒溫滾動(dòng)16 h；取出，冷卻至室溫，再高速攪拌20 min，倒入500 mL量筒中，靜置觀察，讀取不同時(shí)間分離出的油層體積(V，mL)。按式(1)計(jì)算乳化效率(W)：

(1)

(2)潤(rùn)濕效率測(cè)試：稱取50.00 g重晶石放入烘箱中，在(105.0±0.1)℃下干燥120 min，取出后放入干燥器中冷卻，待用。用移液管量取4份10 mL的3#白油分別倒入4個(gè)50 mL燒杯中；分別稱取0.10 g、0.15 g、0.20 g樣品，加入到其中3份3#白油中，用保鮮膜密封好，用磁力攪拌器于500 r·min-1下攪拌10 min，配制成均勻的油溶液。稱取2.00 g烘干后的重晶石4份，分別加入上述4個(gè)燒杯中，用保鮮膜密封好，用磁力攪拌器于500 r·min-1下攪拌60 min；然后分別迅速轉(zhuǎn)移到4個(gè)10 mL具塞試管中，于25 ℃水浴中靜置，并同時(shí)計(jì)時(shí)。分別記錄上層分離出5 mL澄清油相所需的時(shí)間。

(3)油基鉆井液的性能測(cè)試：參照GB/T 16783.2-2012測(cè)試油基鉆井液的流變性、濾失量和電穩(wěn)定性等。

(4)靜態(tài)沉降穩(wěn)定性測(cè)試：將鉆井液加入不銹鋼罐中，在特定溫度下靜置一段時(shí)間后，分別測(cè)量鉆井液液柱上部(游離體下層)密度(ρtop)和底部密度(ρbottom)。按式(2)計(jì)算靜態(tài)沉降因子(SF)：

(2)

SF=0.5時(shí)，說(shuō)明未發(fā)生靜態(tài)沉降；SF>0.52時(shí)，說(shuō)明靜態(tài)沉降穩(wěn)定性較差。

2.4 單劑評(píng)價(jià)

2.4.1 乳化劑評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4.1.1 乳化效率評(píng)價(jià)

主、輔乳化劑的乳化效率見(jiàn)表1。

表1 主、輔乳化劑的乳化效率

一般要求油基鉆井液乳化劑的乳化效率≥90%[3]。從表1可見(jiàn)，室內(nèi)研選的主、輔乳化劑在基礎(chǔ)油中的乳化效率均超過(guò)90%，乳化效果較好。

2.4.1.2 主乳化劑加量對(duì)黏度和電穩(wěn)定性的影響(圖1)

構(gòu)建的高溫高壓油基鉆井液體系要求主乳化劑對(duì)黏度的影響要盡可能小，并能提升電穩(wěn)定性。從圖1可見(jiàn)，隨著主乳化劑加量的增加，油包水乳液的黏度逐漸降低，加到一定量后黏度變化幅度較??；破乳電壓則隨著主乳化劑加量的增加逐漸升高，乳液電穩(wěn)定性增強(qiáng)。室內(nèi)研選的主乳化劑加量為2%時(shí)就能滿足高溫高壓油基鉆井液體系的構(gòu)建要求。

圖1 主乳化劑加量對(duì)黏度(a)和電穩(wěn)定性(b)的影響

2.4.1.3 輔乳化劑潤(rùn)濕效率評(píng)價(jià)

輔乳化劑除具有乳化性能外，還需兼有油潤(rùn)濕性能，因此，對(duì)輔乳化劑進(jìn)行潤(rùn)濕效率評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)研選的輔乳化劑不僅具有基本的乳化性能，而且對(duì)油相中的重晶石顆粒潤(rùn)濕效果較好，當(dāng)輔乳化劑加量為1.5%時(shí)，上層分離出5 mL澄清油相需要148 min(空白對(duì)照需要10 min)。

2.4.2 降濾失劑評(píng)價(jià)結(jié)果

將降濾失劑加入到油基鉆井液體系中，評(píng)價(jià)體系的降濾失效果和電穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 降濾失劑加量對(duì)濾失量和電穩(wěn)定性的影響

從圖2可見(jiàn)，室內(nèi)研選的降濾失劑對(duì)油基鉆井液體系的降濾失效果好，且不影響體系的電穩(wěn)定性，其加量宜控制在3.5%以上。

2.4.3 有機(jī)土評(píng)價(jià)結(jié)果

傳統(tǒng)有機(jī)土配制的鉆井液很難耐180 ℃高溫，當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)則基本失效[4-7]。室內(nèi)通過(guò)油基鉆井液體系的主要流變參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)抗高溫有機(jī)土(PF-MOGEL HT、PF-MOGEL 1、PF-MOGEL 2)的性能，結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3可見(jiàn)，抗高溫有機(jī)土PF-MOGEL HT(加量1.5%)配制的油基鉆井液體系隨著老化溫度的升高，對(duì)應(yīng)的6轉(zhuǎn)讀數(shù)變化不大，使得油基鉆井液體系的流變性能保持穩(wěn)定。

圖3 抗高溫有機(jī)土對(duì)油基鉆井液體系流變參數(shù)的影響

2.5 高溫高壓油基鉆井液性能的綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)單劑評(píng)價(jià)篩選出的高溫高壓油基鉆井液體系配方如下：Saraline 185V 481 L·m-3，主乳化劑20 L·m-3，輔乳化劑15 L·m-3，抗高溫有機(jī)土15 kg·m-3，石灰28 kg·m-3，降濾失劑35 kg·m-3，25%氯化鈣溶液70 L·m-3，重晶石1 628 kg·m-3，REV DUST 99.75 kg·m-3。

高溫高壓油基鉆井液體系的性能見(jiàn)表2。

表2 高溫高壓油基鉆井液體系的性能

從表2可見(jiàn)，該油基鉆井液體系的流變性能良好，且破乳電壓在800 V以上，高溫高壓濾失量<5.0 mL，沉降因子<0.52，沉降穩(wěn)定性好，已達(dá)到構(gòu)建高溫高壓油基鉆井液體系的技術(shù)要求。

3 高溫高壓油基鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某油田DF區(qū)塊井底靜止溫度200 ℃，壓力系數(shù)1.75左右，存在安全作業(yè)窗口窄、酸性氣體含量高等作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。將室內(nèi)構(gòu)建的高溫高壓油基鉆井液體系應(yīng)用于該區(qū)塊4口井，作業(yè)情況見(jiàn)表3。

表3 高溫高壓油基鉆井液體系現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況

從表3可見(jiàn)，施工過(guò)程順利，沒(méi)有粘卡和憋扭矩等復(fù)雜情況發(fā)生。表明，高溫高壓油基鉆井液具有較好的儲(chǔ)層保護(hù)性能，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)論

通過(guò)乳化效率、流變性、電穩(wěn)定性、潤(rùn)濕效率等綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)室內(nèi)研選的主乳化劑、輔乳化劑、降濾失劑，通過(guò)流變參數(shù)評(píng)價(jià)室內(nèi)研選的抗高溫有機(jī)土，構(gòu)建了一套滿足高溫高壓鉆井作業(yè)要求的油基鉆井液體系，其性能完全滿足現(xiàn)場(chǎng)高溫高壓井的技術(shù)要求，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。