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

代運(yùn)鋒 (中石油川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司,陜西 西安 710018)

張亞 (荊州嘉華科技有限公司,湖北 荊州 434000)

適用于大位移井作業(yè)的油基鉆井液研究及應(yīng)用

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

代運(yùn)鋒 (中石油川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司,陜西 西安 710018)

張亞 (荊州嘉華科技有限公司,湖北 荊州 434000)

油基鉆井液在井壁穩(wěn)定和潤滑性方面有很好的體現(xiàn)，滿足大位移的作業(yè)要求，但存在流變性調(diào)控不好造成井眼不清潔等問題。因此需要對常規(guī)油基鉆井液的流變性進(jìn)行調(diào)控以滿足大位移作業(yè)的攜巖要求。通過評價(jià)油包水乳液乳化率、固相顆粒潤濕率、配伍性等指標(biāo)優(yōu)選滿足油基鉆井液體系構(gòu)建要求的主乳化劑、輔乳化劑、潤濕劑、降濾失材料，同時(shí)引入流型調(diào)節(jié)劑來有效地提高油基鉆井液的動切力、流變等參數(shù)，形成大位移井?dāng)y巖要求的油基鉆井液體系。該鉆井液體系現(xiàn)場使用效果好，為現(xiàn)場作業(yè)提供了技術(shù)保障。

大位移井；油基鉆井液；乳化劑；潤濕劑；流變性

大位移井鉆井液的關(guān)鍵技術(shù)主要有：①井眼穩(wěn)定；②保持井眼清潔；③潤滑性；④ECD控制等。油基鉆井液在井眼穩(wěn)定和潤滑性方面有很好的體現(xiàn)，因此大位移和超大位移井的作業(yè)首選油基鉆井液。 井眼凈化清潔能力的好壞直接影響到井眼摩阻、軌跡控制、鉆井效率和安全鉆進(jìn)；直接關(guān)系到大位移鉆井的成敗。井眼凈化能力直接與鉆井液的流變性能緊密相關(guān)。國內(nèi)外大位移井鉆井對鉆井液流變性一般要求低塑性黏度、高的動切力和動塑比，一般要求動塑比≥0.3、動切力≥10Pa。室內(nèi)通過油包水乳液乳化率、固相顆粒潤濕率等的測試來研選合適的乳化劑、潤濕劑以便首先滿足乳化穩(wěn)定性的要求。降低有機(jī)土的用量，引入特殊功能的流型調(diào)節(jié)劑來有效地提高油基鉆井液的動切力、動塑比，同時(shí)維持較低的塑性黏度來滿足大位移井井眼凈化的要求，還配套使用降濾失劑等材料，最終形成一套滿足大位移井作業(yè)的油基鉆井液體系。

1 適用于大位移井的油基鉆井液室內(nèi)研究

1.1 評價(jià)材料及儀器

試驗(yàn)材料：3#白油，有機(jī)土PF-MOGEL，降濾失劑，重晶石，氯化鈣，石灰，主乳化劑PF-MOEMUL，輔乳化劑PF-MOCOAT，潤濕劑PF-MOWET，流型調(diào)節(jié)劑，均取自天津中海油服化學(xué)有限公司。

試驗(yàn)儀器：六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島海通達(dá)；破乳電壓測試儀、高溫高壓濾失量測定儀，美國Fann公司。

1.2 評價(jià)方法

1) 油包水乳液的配制 分別稱取一定量的主乳化劑和輔乳化劑置于高攪杯中，量取240mL 白油加入高攪杯中，在10000r/min轉(zhuǎn)速下攪拌5min后，緩慢加入9g(稱準(zhǔn)至0.01 g) 氧化鈣高速攪拌5min，加入26% 氯化鈣溶液60mL高速攪拌20min，裝入老化罐后置于高溫滾子爐中恒溫老化。

2)油基鉆井液的配制 在3#白油中加入主、輔乳化劑和潤濕劑高速攪拌5min；加入氧化鈣高速攪拌2min；加入有機(jī)土高速攪拌3min；加入25%的氯化鈣溶液高速攪拌10～15min；加入流型調(diào)節(jié)劑高速攪拌5min；加入降濾失劑高速攪拌5min；加入重晶石調(diào)節(jié)密度高速攪拌20min。

3)乳化率的測試 恒溫滾動后的油包水乳液取出冷卻至室溫，再高速攪拌20min，倒入250mL量筒至最高刻度線處，靜置觀察，讀取10min分離出的油層體積數(shù)V。乳化率E計(jì)算公式如下:

式中：E為乳化率，%；V為分離出的油層體積，mL。

4)潤濕率的測試 在高攪杯中加入300mL 3#白油和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的潤濕劑，在12000r/min轉(zhuǎn)速下攪拌5min，加入126g重晶石，攪拌20min，倒入500mL量筒中并記錄體積V1，讀取不同時(shí)間分離出的油層體積數(shù)V2。潤濕率W的計(jì)算公式如下：

式中：W為潤濕率，%；V1和V2分別為初始體積和實(shí)驗(yàn)中分離出的油層體積，mL。

1.3 適用于大位移井的油基鉆井液體系構(gòu)建

體系構(gòu)建原則：①復(fù)合乳化劑體系用于形成穩(wěn)定油包水乳液；②合適的潤濕劑用于加重材料及鉆屑等固體顆粒表面的潤濕反轉(zhuǎn)；③有機(jī)土配合流型調(diào)節(jié)劑控制體系的黏度和切力；④改性瀝青等親油膠體用于封堵降濾失。

1.3.1乳化劑的優(yōu)選

乳化劑的選擇是能否形成穩(wěn)定油包水乳液油基鉆井液的關(guān)鍵因素，為了增加界面膜的強(qiáng)度，用復(fù)合乳化劑比用單一乳化劑效果更好。兩種乳化劑構(gòu)成的膜比單一乳化劑的膜更為結(jié)實(shí)。按照復(fù)合乳化劑的優(yōu)選原則，選取主乳化劑(PF-MOEMUL)和輔乳化劑(PF-MOCOAT)作為油包水乳液的乳化劑體系。進(jìn)一步通過油包水乳液的乳化率評價(jià)，優(yōu)選出主乳化劑和輔乳化劑的加量組合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。主乳化劑和輔乳化劑質(zhì)量比為0.8～1時(shí)，油包水乳液的乳化率都在90%以上，能夠獲得穩(wěn)定的油包水乳液。綜合性價(jià)比考慮，選取主乳化劑和輔乳化劑質(zhì)量比為0.8。

圖1 主乳化劑與輔乳化劑按不同比例混合后的乳化率對比圖

1.3.2潤濕劑的優(yōu)選

通過評價(jià)不同潤濕劑對重晶石顆粒的潤濕率來優(yōu)選潤濕劑。從表1中的數(shù)據(jù)可見，熱滾前PF-MOWET、PF-MOWET-1、PF-MOWET-2三種具有兩親結(jié)構(gòu)的表面活性劑都對重晶石顆粒起到潤濕效果，但通過高溫?zé)釢L老化后發(fā)現(xiàn)，非離子型的潤濕劑PF-MOWET-2經(jīng)過高溫(120℃)熱滾后分子鏈斷裂明顯，潤濕效果明顯減弱，陽離子型的潤濕劑PF-MOWET-1經(jīng)過高溫(120℃)熱滾后也有部分分子鏈斷裂，潤濕效果也有減弱。而具有酰胺基團(tuán)的PF-MOWET抗溫性要優(yōu)于其余兩種潤濕劑，即使經(jīng)過高溫老化后也能起到很好的潤濕效果。

表1 熱滾前后潤濕率對比

1.3.3降濾失劑的優(yōu)選

在150℃×16h的熱滾條件下，在基漿中加入不同的降濾失劑測試鉆井液性能，基漿配方：320mL 3#白油+0.9%主乳化劑PF-MOEMUL+1.1%輔乳化劑PF-MOCOAT+1.5%潤濕劑PF-MOWET+2.5%有機(jī)土PF-MOGEL+3%石灰+80mL 26%CaCl2溶液+重晶石(密度加重到1.5g/cm3)(配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，測試結(jié)果如表2所示。PF-MOHFR-2、PF-MOHFR降濾失效果好，但PF-MOHFR-2對油基鉆井液的乳化穩(wěn)定性和黏度影響較大，綜合考慮選擇PF-MOHFR為體系降濾失劑。

表2 降濾失劑的優(yōu)選評價(jià)

注：μa為表觀黏度；μp為塑性黏度；τd為動切力；UES為破乳電壓；Vhthp為高溫高壓濾失量。下同。

1.3.4流型調(diào)節(jié)劑的優(yōu)選

室內(nèi)評價(jià)了3種流型調(diào)節(jié)劑PF-MOVIS、PF-FSHSV及PF-MOHSV，試驗(yàn)結(jié)果見表3?；鶟{配方：320mL 3#白油+0.9% 主乳化劑PF-MOEMUL+1.1% 輔乳化劑PF-MOCOAT +1.5% 潤濕劑PF-MOWET+2.5%有機(jī)土PF-MOGEL+3%石灰+80mL 26%CaCl2溶液+2%降濾失劑PF-MOHFR +流型調(diào)節(jié)劑+重晶石(密度加重到1.5g/cm3)。試驗(yàn)結(jié)果表明，加入PF-MOVIS后的油基鉆井液老化前后表觀黏度、塑性黏度和動切力幾乎不變，且動塑比變化較小。另兩種流型調(diào)節(jié)劑抗溫能力差，老化后黏度和切力明顯下降，動塑比也明顯降低。因此選用PF-MOVIS作為油基鉆井液體系的流型調(diào)節(jié)劑。

表3不同流型調(diào)節(jié)劑對油基鉆井液性能的影響

樣品狀態(tài)μa/(mPa·s)μp/(mPa·s)τd/PaN?6N?3UES/VVhthp/mL基漿老化前1915443593-老化后22.5184.5657241.6基漿+0.5%PF-MOVIS老化前322391110809-老化后34241013126560.4基漿+0.5%PF-FSHSV老化前35.52411.51716985-老化后24.5195.5876161.2基漿+0.5%PF-MOHSV老化前47242329271683-老化后25214547532.0

注1：Nφ6、Nφ3分別為六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)6、3r/min對應(yīng)的讀值。下同。

注2：老化試驗(yàn)條件為150℃×16h。下同。

1.4 適用于大位移井的油基鉆井液體系抗污染性能

油基鉆井液具有較強(qiáng)的抗鈣土污染和海水污染，試驗(yàn)評價(jià)結(jié)果見表4、表5。抗污染評價(jià)基礎(chǔ)配方：320mL 3#白油+0.9% 主乳化劑PF-MOEMUL+1.1% 輔乳化劑PF-MOCOAT +1.5% 潤濕劑PF-MOWET+2.5%有機(jī)土PF-MOGEL+3%石灰+80mL 26%CaCl2溶液+2%降濾失劑PF-MOHFR +0.5%流型調(diào)節(jié)劑PF-MOVIS+重晶石(密度加重到1.5g/cm3)。結(jié)果表明該油基鉆井液具有較好的抗鈣土和海水污染的能力。

表4 鈣土污染對油基鉆井液性能的影響

注：Nφ600、Nφ300、Nφ200、Nφ100分別為六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)600、300、200、100r/min對應(yīng)的讀值；τi為初切力；τf為終切力。下同。

表5 海水污染對油基鉆井液性能的影響

2 油基鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用

油基鉆井液在大位移井KA-1井(最大井斜70.3°，最大位移3810.16m)作業(yè)時(shí)鉆井液性能如表6所示。該油基鉆井液乳化穩(wěn)定性好，流變性能穩(wěn)定且能滿足攜巖的要求，且現(xiàn)場返出鉆屑具有連續(xù)性，鉆屑表面齒痕明顯且光亮沒有水潤濕跡象(圖2)。

表6 油基鉆井液現(xiàn)場實(shí)測性能

注：ρ為密度；μf為漏斗黏度；n為流型指數(shù)；k為稠度系數(shù)。

圖2 現(xiàn)場返出的鉆屑

由現(xiàn)場作業(yè)情況可以看出，油基鉆井液體系在KA-1井作業(yè)順利，體系具有的抗溫、抗污染、流變性穩(wěn)定、低黏高切等優(yōu)點(diǎn)使得在起下鉆及下套管等施工過程中，沒有出現(xiàn)遇阻、卡鉆等復(fù)雜情況，為現(xiàn)場施工提供了有力的支持。

3 結(jié)論

1)油包水乳液的乳化率和潤濕率測試可以優(yōu)選出穩(wěn)定的復(fù)合乳化劑體系用于穩(wěn)定乳液以及合適的潤濕劑用于固體顆粒的表面潤濕反轉(zhuǎn)。

2)通過優(yōu)選合適的流型調(diào)節(jié)劑來保證油基鉆井液的低黏高切特性，以及較高的動塑比來滿足大位移井井眼清潔的要求。

3)構(gòu)建的油基鉆井液體系具有抗溫、抗污染、流變性穩(wěn)定且低黏高切等特性，能滿足大位移井中的作業(yè)要求。

[1]黃漢仁，楊坤鵬，羅平亞 .鉆井液工藝原理[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.

[2]張文波，戎克生，李建國，等. 油基鉆井液研究及現(xiàn)場應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào))，2010，32(3)：303～305.

[3]藍(lán)強(qiáng)，蘇長明，劉偉榮，等.乳液和乳化技術(shù)及其在鉆井液完井液中的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2006，23(2)：61～69.

[4]劉雪婧，趙春花，侯瑞雪,等.一種油基鉆井液流型調(diào)節(jié)劑的性能評價(jià)方法[J].精細(xì)石油化工，2016，33(4)：19～22.

2017-01-07

劉剛(1983-)，男，碩士，工程師，長期從事鉆井液的研究工作,liugang16@cosl.com.cn。

[引著格式]劉剛,代運(yùn)鋒,張亞，等.適用于大位移井作業(yè)的油基鉆井液研究及應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(23):61～65.

TE254

A

1673-1409(2017)23-0061-05

[編輯] 帥群