超高密度鉆井液技術(shù)研究

李文波 郝彬彬

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，河北 廊坊 065201）

作為世界上三大高溫、高壓并存的地區(qū)之一，南海西部地區(qū)儲層具有典型的地溫梯度高、壓力系數(shù)高、安全密度窗口窄等特性。為在該地區(qū)能安全高效鉆井，鉆井液必須具有抗高溫、高密度特性，并且為應(yīng)對安全密度窗口窄的問題，抗高溫、高密度鉆井液必須具有良好的流變性，以有效控制鉆井液循環(huán)壓耗，預(yù)防并控制井漏。

然而，隨著高密度鉆井液中加重固相體積分?jǐn)?shù)逐漸變大，鉆井液的流變性[1]、濾失造壁性[2]、沉降穩(wěn)定性[3]的調(diào)控難度顯著增大。當(dāng)同時面臨井下高溫、多壓力層系等問題時，鉆井液的性能調(diào)控難度更大。此外，隨著鉆井深度和鉆井液體系密度增加，配制不同密度鉆井液體系所需材料種類和用量也相應(yīng)增加，進(jìn)一步加大了現(xiàn)場工作人員的工作強(qiáng)度和鉆井液體系維護(hù)保養(yǎng)的難度。因此，南海西部海域高溫高壓地層鉆井液技術(shù)已成為該地區(qū)鉆井技術(shù)難點(diǎn)之一。該文通過構(gòu)建和優(yōu)化的鉆井液基礎(chǔ)漿體系，以鐵礦粉和級配鐵礦粉顆粒為加重材料研制了1.5g/cm3～2.8g/cm3連續(xù)范圍高/超高密度鉆井液體系，并對其流變性能、抗高溫性能、抗污染性能以及沉降穩(wěn)定性能進(jìn)行了研究和評價(jià)。

1 試驗(yàn)材料與使用方法

1.1 試驗(yàn)材料

普通鐵礦粉（200 目）與細(xì)磨鐵礦粉（1000 目）來自河北建業(yè)礦產(chǎn)品加工廠；甲酸鉀（HCOOK），成都市科龍化工試劑廠；LV-PAC、SPNH、SMP-2、TEX、超細(xì)碳酸鈣、聚胺和JLX-C 來源于藍(lán)海博達(dá)科技有限公司?？垢邷叵♂寗〩JZ 來自湖北漢科新技術(shù)股份有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

鉆井液性能測試：參照GB/T16783.2—2012《石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場測試第1 部分水基鉆井液》測試鉆井液老化前、后的各項(xiàng)性能，基本老化條件為熱滾時長16h，熱滾溫度150℃～180℃。

2 超高密度鉆井液體系的開發(fā)

2.1 基礎(chǔ)漿鉆井液體系

國內(nèi)超高密度鉆井液體系的技術(shù)路線是以有機(jī)鹽加重材料減少固相，以瀝青等封堵材料加強(qiáng)封堵性能，通過抗高溫降濾失劑調(diào)節(jié)流變性和降低高溫高壓濾失量為主的技術(shù)路線[4-5]。另外，抗高溫稀釋劑能夠與加重材料表面產(chǎn)生物理或化學(xué)吸附，降低加重劑顆粒間的摩擦能，改善高密度鉆井液的流變性能，并能提升體系的沉降穩(wěn)定性[6-7]。

該文在前期研究的基礎(chǔ)上[4]引入抗高溫稀釋劑HJZ，并通過大量優(yōu)化試驗(yàn)構(gòu)建超高密度鉆井液的基礎(chǔ)漿體系配方，配方如下：250mL 淡水+0.3%NaOH+0.3%LV-PAC+6%SPNH+3%SMP-2+2%TEX+8%超細(xì)碳酸鈣+1%小胺+2%HJZ+3%JLXC+1%LUBE+40%甲酸鈉。下文在該基礎(chǔ)漿的基礎(chǔ)上，通過加入不同的加重材料構(gòu)建1.5g/cm3～2.8g/cm3的高/超高密度鉆井液體系，并對體系流變性能和濾失量進(jìn)行了評價(jià)。

2.1.1 1.5g/cm3～2.0g/cm3高密度鉆井液體系

不同加重材料對高密度鉆井液體系流變性能的調(diào)控難度影響較大[8]。重晶石是應(yīng)用最廣泛的鉆井液加重劑，密度為4.3g/cm3～4.6g/cm3，一般用于加重密度不超過2.3g/cm3的高密度鉆井液。鐵礦粉密度高于重晶石，密度為4.9g/cm3～5.3g/cm3，因此可用于配制超高密度鉆井液體系。如果使用重晶石和鐵礦粉配制同一密度鉆井液體系，鐵礦粉加重鉆井液體系中的固相含量少于重晶石加重鉆井液體系，更有利于調(diào)控流變性能的和提高鉆速。

該文為提升流變性能調(diào)控的靈活性和鉆井液材料材料的統(tǒng)一性，選擇在基礎(chǔ)漿內(nèi)加入鐵礦粉至相應(yīng)密度來構(gòu)建1.5g/cm3～2.0g/cm3高密度鉆井液體系，并對體系性能進(jìn)行評價(jià)，見表1。可以看出，當(dāng)密度為1.5g/cm3～2.0g/cm3時，研發(fā)的高密度鉆井液體系滾后流變性良好，150℃高溫滾后表觀黏度（AV）不高于50mPa·s，高溫高壓高壓濾失量小于10mL。因此使用同一套基礎(chǔ)漿體系實(shí)現(xiàn)不同密度的高/超高密度鉆井液連續(xù)性調(diào)整具有現(xiàn)實(shí)可行性。

表1 1.5g/cm3～2.0g/cm3 高密度鉆井液體系基本性能

2.1.2 2.5g/cm3超高密度鉆井液體系

加重材料的粒度對超高密度鉆井液體系的性能有重大影響。一方面，使用顆粒較粗且分布較窄的普通材料加重，在鉆井液體系內(nèi)高分子材料的吸附作用下，加重材料顆粒間搭橋嚴(yán)重，造成體系摩阻上升、黏度增大，體系沉降穩(wěn)定性差；另一方面，使用顆粒較細(xì)且粒度分布較窄的細(xì)磨材料加重，雖然可以顯著提升體系的沉降穩(wěn)定性，但顆粒比表面積較大，顆粒數(shù)量巨大，使顆粒間碰撞概率升高，進(jìn)而造成體系的黏度和切力變大。當(dāng)超高密度鉆井液體系的固相含量急劇上升（＞50%）時，保持體系的流變性能和沉降穩(wěn)定性間的平衡是解決超高密度鉆井液技術(shù)的關(guān)鍵。

該文分別以普通鐵礦粉、顆粒級配鐵礦粉和細(xì)磨鐵礦粉為加重劑，配制了一系列2.5g/cm3超高密度鉆井液體系，配方如下：1）2.5-1，基漿+200 目鐵礦粉加重到2.5g/cm3。2）2.5-2，基漿+1000 目鐵礦粉加重到1.55g/cm3+200 目鐵礦粉加重到2.5g/cm3。3）2.5-3，基漿+1000 目鐵礦粉加重到2.15g/cm3+200 目鐵礦粉加重到2.5g/cm3。4）2.5-4，基漿+1000 目鐵礦粉加重到2.5g/cm3。

體系性能見表2?？梢钥闯?，使用普通鐵礦粉加重的配方2.5-1 顆粒較粗，表觀黏度較高，高溫高壓濾失量超過12.5mL。而使用細(xì)磨鐵礦粉加重的配方2.5-4 的體系中顆粒比表面積遠(yuǎn)大于2.5-1，體系中自由水含量更低，導(dǎo)致其表觀黏度更大，高溫高壓濾失量顯著增加。使用級配鐵礦粉為加重劑的配方2.5-2 和2.5-3 的表觀黏度（AV）和高溫高壓濾失量有顯著改善，配方2.5-2 的高溫滾后AV小于50mPa·s，高溫高壓濾失量低于10mL，體系性能優(yōu)異。和配方2.5-2 相比，配方2.5-3 體系中含有更高含量的小顆粒細(xì)磨鐵礦粉，不同顆粒間的緊密堆積效果變差，從而表現(xiàn)為表觀黏度升高，體系切力變大。因此經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，使用級配鐵礦粉加重的配方2.5-2 的比例最優(yōu)。

表2 2.5g/cm3 超高密度鉆井液體系基本性能

將不同粒徑尺寸的加重劑根據(jù)一定比例混合，利用小顆粒填充大顆粒間的空間，擴(kuò)大加重材料粒度分布范圍，減少自由水濾失通道，降低濾餅的孔隙度和滲透率，有利于形成致密的濾餅。因此采用級配加重材料配置的超高密度鉆井液的高溫高壓濾失量更低，從而有利于改善超高密度鉆井液的流變性和造壁性。因此，以構(gòu)建的基漿體系為基礎(chǔ)，采用加重劑顆粒級配技術(shù)可有效提升超高密度鉆井液流變性能的調(diào)控空間。

2.1.3 2.8g/cm3超高密度鉆井液體系

2.8g/cm3超高密度鉆井液體系基本性能見表3。2.8g/cm3超高密度鉆井液體系基本配方和試驗(yàn)結(jié)果如下：1）2.8-1，基漿+1000 目鐵礦粉加重到1.75g/cm3+200 目鐵礦粉加重到2.8g/cm3。2）2.8-2，基漿+1000 目鐵礦粉（加重到2.25g/cm3）+200 目鐵礦粉加重到2.8g/cm3。

表3 2.8g/cm3 超高密度鉆井液體系基本性能

從表3 數(shù)據(jù)可以看出，在上述基礎(chǔ)漿基礎(chǔ)上加入級配鐵礦粉，可較容易地構(gòu)建2.8g/cm3超高密度鉆井液體系。相比下，2.8-1 滾后表觀黏度低于70mPa·s，高溫高壓濾失量不高于10mL，體系性能更優(yōu)；而2.8-2 體系中含有比例更高的細(xì)磨鐵礦石顆粒，破壞了加重材料間的穩(wěn)定堆積形態(tài)，導(dǎo)致高溫高壓濾失量有所增加。

上述研究表明，以顆粒級配的鐵礦石粉作為加重材料，有利于改善體系的各項(xiàng)性能，但需控制細(xì)磨的小顆粒鐵礦粉加量，最優(yōu)不能超過50%。含量過高的小顆粒填充會破壞體系高固相材料間的堆積穩(wěn)定性，從而提高體系的濾失量，降低體系的造壁穩(wěn)定性。

2.2 超高密度鉆井液體系的性能評價(jià)

上述研究在基礎(chǔ)漿體系中加入了不同尺寸的鐵礦粉顆粒加重，構(gòu)建了1.5g/cm3～2.8g/cm3超高密度鉆井液體系，保持了寬范密度下體系的連續(xù)性和一致性。下文將對其抗溫性能、抗污染性能以及沉降穩(wěn)定性進(jìn)行介紹。

2.2.1 超高密度鉆井液體系抗溫性能

超高密度鉆井液抗溫性能以2.5g/cm3為例（配方2.5-2），見表4。可以看出，研制的超高密度鉆井液體系具有良好的抗溫性能，在160℃～180℃不同溫度條件下熱滾16h 后未出現(xiàn)高溫增稠或者團(tuán)聚凝膠現(xiàn)象，流變性能穩(wěn)定良好。180℃熱滾后高溫高壓濾失量仍低于10mL，說明該體系抗溫不低于180℃。由于體系中含有抗高溫降濾失劑（SPNH）、抗高溫稀釋劑（HJZ）以及高含量的有機(jī)鹽（甲酸鈉），因此保證了超高密度鉆井液體系的高溫穩(wěn)定性，能滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。

表4 2.5g/cm3 超高密度鉆井液體系抗溫性能

2.2.2 超高密度鉆井液體系抗污染性能

在鉆井過程中，鉆井液不可避免地會溶入無機(jī)鹽、劣質(zhì)土等污染物，鉆井液的性能有可能會發(fā)生變化，如果變化較大，就會影響鉆井的安全性。因此，室內(nèi)研究對高密度鉆井液體系的抗污染能力進(jìn)行評價(jià)，考慮優(yōu)選的鉆井液體系基本框架一致，因此室內(nèi)研究對高密度有機(jī)鹽鉆井液體系抗污染性能仍以2.5g/cm3體系（配方2.5-2）為準(zhǔn)?？刮廴拘阅馨筃aCl 污染、抗CaCl2污染以及抗鉆屑污染，鉆井液配方如下：配方1，2.5-2#；配方2，2.5-2#+10%NaCl；配方3，2.5-2#+1.2%CaCl2；配方4，2.5-2#+15%鉆屑。

試驗(yàn)結(jié)果見表5?？梢钥闯?，研制的超高密度有機(jī)鹽鉆井液體系具有較好的抗鹽、鈣污染性能，鉆井液體系分別加入NaCl、CaCl2和鉆屑后，黏度、切力與濾失量變化幅度均不大，能滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。在鉆井過程中仍需控制好鉆井液中的固相含量，保障鉆井安全。

表5 2.5g/cm3 超高密度液體系抗污染性能

2.2.3 超高密度鉆井液體系沉降穩(wěn)定性

對超高密度鉆井液體系來說，由于體系中含有大量加重材料，因此超高密度鉆井液的沉降穩(wěn)定性尤為重要，它直接關(guān)系到鉆井液體系自身的穩(wěn)定性及懸浮能力。一方面，根據(jù)顆粒在靜水條件下的沉降模型，鉆井液沉降穩(wěn)定性與液相黏度、固相顆粒尺寸存在明顯關(guān)系，顆粒越大，沉降越容易發(fā)生。理論和試驗(yàn)研究均表明，單獨(dú)使用普通鐵礦粉加重配制超高密度鉆井液，老化靜置后體系沉降嚴(yán)重，體系上、下密度差較大。加入小顆粒的細(xì)磨鐵礦粉則有利于降低加重材料的沉降速度，提高體系的沉降穩(wěn)定性。另一方面，以小顆粒細(xì)磨鐵礦粉填充于普通鐵礦粉顆粒間，在抗高溫稀釋劑的吸附作用下，有利于形成較穩(wěn)定的顆粒堆積，從而進(jìn)一步提升超高密度鉆井液體系的沉降穩(wěn)定性。

使用鉆井液靜態(tài)沉降儀對1.5g/cm3～2.8g/cm3高/超高密度鉆井液體系的沉降穩(wěn)定性能進(jìn)行評價(jià)（如圖1 所示）?？梢钥闯?，在1.5g/cm3～2.8g/cm3的密度下，鉆井液體系在常溫下靜置24h 和48h 后密度差變化不大。2.8g/cm3超高密度鉆井液24h 上、下密度差為0.03g/cm3，48h 上、下密度差也僅為0.05g/cm3，表明構(gòu)建的一系列高/超高密度鉆井液體系具有良好的沉降穩(wěn)定性。

圖1 1.5g/cm3～2.8/cm3 鉆井液體系沉降穩(wěn)定性

3 結(jié)論

該文構(gòu)建了超高密度鉆井液的基礎(chǔ)漿體系，在此基礎(chǔ)上使用普通鐵礦粉和級配的鐵礦粉加重，研制了密度為1.5g/cm3～2.8g/cm3的連續(xù)變化的高/超高密度鉆井液體系。當(dāng)密度為1.5g/cm3～2.8g/cm3時，該體系具有良好的流變性能、抗溫性能、抗污染能力和沉降穩(wěn)定性，能夠預(yù)防鉆井過程中復(fù)雜情況的發(fā)生，滿足安全鉆井的要求。全井使用同一套鉆井液基礎(chǔ)漿體系配方，便于鉆井液的轉(zhuǎn)化和后期的維護(hù)處理。