梁文利 代一欽

1. 中國(guó)石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司 2. 中國(guó)石化江漢石油工程有限公司鉆井二公司

0 引言

隨著涪陵頁巖氣向深層開發(fā)，特別是平橋、江東區(qū)塊，油基鉆井液密度最高達(dá)到1.90 g/cm3，由于密度增高和固相含量增加，油基鉆井液的流動(dòng)性變差，循環(huán)壓耗高，泵壓高，最高達(dá)到28 MPa，高泵壓會(huì)影響機(jī)械動(dòng)力，能源消耗大。常規(guī)采用加入柴油稀釋降黏的方法，會(huì)導(dǎo)致鉆井液密度迅速降低，最終造成出氣，需進(jìn)行循環(huán)壓井，降低了生產(chǎn)時(shí)效，另外，固井前要求油基鉆井液具有較低的黏度，以有利于提高固井時(shí)的水泥漿頂替效率。目前市場(chǎng)上的原油降凝降黏劑與油基鉆井液的配伍性不好，部分產(chǎn)品加入之后不降黏反而增黏；部分產(chǎn)品會(huì)導(dǎo)致油基鉆井液破乳，電穩(wěn)定性急劇降低，增加頁巖的井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)有關(guān)油基鉆井液用降黏劑的報(bào)道很少，相關(guān)的專利文獻(xiàn)幾乎沒有，國(guó)外有少量關(guān)于油基鉆井液降黏劑的研究和應(yīng)用，如哈里伯頓的用于低溫的油基鉆井液降黏劑專利，但是國(guó)外市場(chǎng)上的降黏劑的抗溫能力并不十分理想[1-4]。因此，迫切需要研制一種針對(duì)高密度高固相油基鉆井液的多功能降黏劑，可降低黏度、切力，提高鉆井液的流動(dòng)性，并且有助于強(qiáng)化其他性能。對(duì)此，研制了一種油基降黏劑，可降低油基鉆井液黏度30%以上，提高了油基鉆井液的流動(dòng)性和老漿重復(fù)利用率，已在涪陵工區(qū)多口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

1 高密度油基鉆井液黏切高的原因

1）高密度油基鉆井液由于基液密度低，在加重至高密度情況下，鉆井液中固相含量高，影響了鉆井液的流動(dòng)性；

2）由于頁巖氣地層井壁穩(wěn)定的需要，向油基鉆井液中加入了大量的瀝青類降濾失劑，瀝青可以分散在柴油中，導(dǎo)致油基鉆井液黏度高、切力高；

3）對(duì)于鄰井處于壓裂工序中的井，壓裂液容易竄入油基鉆井液中，導(dǎo)致油基鉆井液中水相比例增大，鉆井液黏度增高；

4）在鉆進(jìn)過程中，劣質(zhì)固相不斷的進(jìn)入到油基鉆井液中，使得低密度固相含量增大，由于鉆屑是親水性的，而油基鉆井液的潤(rùn)濕性欠缺，鉆屑的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)吸附大量的潤(rùn)濕劑，隨著鉆屑不斷從振動(dòng)篩篩出，乳化劑吸附在鉆屑上，造成油基鉆井液的潤(rùn)濕性變差，引起鉆井液黏度和切力增大[5-8]。

2 油基鉆井液降黏劑的研制及性能評(píng)價(jià)

2.1 油基鉆井液降黏劑的研制

根據(jù)高密度油基鉆井液流變性差、黏切高的原因，進(jìn)行了油基鉆井液降黏劑的研究及相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)。研發(fā)思路如下：①由于鉆井液密度高，鉆井液體系本身固相含量高且低密度鉆屑等劣質(zhì)固相侵入油基鉆井液中會(huì)造成固相含量更高，需要研制強(qiáng)親油性并具有潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)功能的材料，因此研制了多胺基雙子表面活性劑A1；②針對(duì)高密度油基鉆井液中瀝青含量高的情況，需要研制具有瀝青分散功能的材料，因此研制了瀝青分散劑A2；③為防止水相增大、流變性變差，需要研制具有強(qiáng)乳化功能、能夠在低油水比情況下具有良好流變性和穩(wěn)定性的材料，因此研制了多點(diǎn)吸附表面活性劑A3[9-12]；④選用密度2.0 g/cm3的油基老漿作為樣本，進(jìn)行降黏劑配方研制，在室內(nèi)經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，將A1、A2、A3配制成以多胺基雙子表面活性劑為主劑的油基降黏劑，命名為SSC-OXS。油基鉆井液降黏劑配方組成及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 油基鉆井液降黏劑配方組成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2.2 油基鉆井液降黏劑性能評(píng)價(jià)

取密度為2.0 g/cm3的油基鉆井液老漿，其中1份不加降黏劑，其他分別加入1.5%和3%的油基降黏劑，測(cè)定老化前后的各項(xiàng)性能，并將自主研制的降黏劑與國(guó)外的油基降黏劑進(jìn)行性能對(duì)比，結(jié)果見表2?？梢钥闯觯杭尤朐撚突@井液降黏劑之后，能夠降低高密度油基鉆井液的黏度和切力，黏度降低率接近30%，高溫高壓濾失量有一定程度的降低，破乳電壓有所增高，作用效果明顯。

按照傳統(tǒng)的降黏方法向油基鉆井液中加入柴油，雖然流變性改善，但高溫高壓濾失量增加，電穩(wěn)定性下降，需要補(bǔ)充大量的降濾失劑和主乳劑、輔乳劑。特別是對(duì)于高密度油基鉆井液而言，加入大量柴油之后，密度會(huì)降低，對(duì)于頁巖氣井，井控風(fēng)險(xiǎn)增加（表3）。

綜上，結(jié)論認(rèn)為所研制的高密度油基鉆井液降黏劑具有良好的降黏剪切效果，配伍性良好。與國(guó)外降黏劑對(duì)比，自主研制的降黏劑效果更佳。

2.3 油基降黏劑的作用機(jī)理、應(yīng)用特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

2.3.1 作用機(jī)理

該油基降黏劑是采用多胺基雙子表面活性劑作為主劑，配套其他多種表面活性劑而成的高效能油基鉆井液降黏劑。該產(chǎn)品具有強(qiáng)吸附潤(rùn)濕特性，可吸附在鉆屑和重晶石等親水材料的顆粒表面，利用潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)特性，提高鉆屑和重晶石的親油性，從而提高流動(dòng)性；特別是高密度油基鉆井液，其固相含量高，固相顆粒之間的摩擦阻力大，造成鉆井液的黏度和切力高；高固相鉆井液在管路中循環(huán)時(shí)，固相顆粒與管具間的摩擦力增大，該降黏劑可以降低固相顆粒與管具間的摩擦力，即降低循環(huán)壓耗，從而降低泵壓，降低動(dòng)力設(shè)備負(fù)荷；瀝青顆粒、有機(jī)土在油基鉆井液中呈現(xiàn)分散膠體狀態(tài)，其固相顆粒呈現(xiàn)為納—微米級(jí)顆粒，油基鉆井液中由于堆積了大量的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等大分子，造成油基鉆井液膠體黏度高，該油基降黏劑的分子主鏈?zhǔn)歉咛纪榛?，可以借助?qiáng)的形成氫鍵能力和滲透性，油基降黏劑的分散作用使得膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子結(jié)構(gòu)變得疏松，同時(shí)降低了瀝青間的聚合力，從而達(dá)到降黏的效果[13-19]。

表2 油基鉆井液降黏劑性能評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表3 高密度油基鉆井液添加柴油性能評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表

1）油基老漿的固相顆粒分布

油基鉆井液流變性的影響因素有：液相本身的黏度、外來固相顆粒之間產(chǎn)生的摩擦、加重材料顆粒之間產(chǎn)生的摩擦[20]。因此需要對(duì)油基鉆井液老漿、新漿的顆粒粒度進(jìn)行分析。用2 000 ZD濕法激光粒度儀（量程0.1～300.0 μm）測(cè)試油基鉆井液的固相顆粒粒度分布，該儀器采用白油作為分散介質(zhì)，將油基鉆井液樣品加入白油中進(jìn)行超聲震蕩，超聲時(shí)間為300 s，使樣品完全分散均勻，然后采用激光粒度儀測(cè)定各項(xiàng)參數(shù)（表4），并進(jìn)行分析。

表4 油基老漿與新漿的固相顆粒對(duì)比

由表4可以看出，老漿中的固相粒度分布處于亞微米狀態(tài)，油基老漿的粒度明顯比油基新漿更小，比表面積更大一些，說明鉆進(jìn)過程中鉆屑會(huì)侵入油基鉆井液中，而且鉆屑分散得很細(xì)，含有大量亞微米顆粒的固相對(duì)鉆井液流變性的影響較大[21]。

為了分析鉆屑對(duì)流變性的影響，進(jìn)行了在相同密度（1.80 g/cm3）下油基老漿與新漿的性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5?？梢钥闯隼蠞{的黏度切力是新漿的2倍以上，主要原因就是鉆屑的影響。

2）潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)作用

頁巖的親油親水特性表現(xiàn)為油基降黏劑可以使頁巖巖屑表面由親水轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油。研究表明，龍馬溪頁巖為親水巖石，其清水接觸角為0。用2%油基降黏劑溶液浸泡后的龍馬溪頁巖的清水接觸角為144°，龍馬溪組頁巖的親油性增強(qiáng)。巖屑的親油性增強(qiáng)會(huì)使得巖屑很容易從油基鉆井液中分離出去，而且可以抑制鉆屑的穩(wěn)定性，防止分散，固相顆粒的減少，使得油基鉆井液黏度保持較低的狀態(tài)[22-23]。

表5 油基老漿與新漿性能對(duì)比

2.3.2 應(yīng)用特點(diǎn)

該油基降黏劑是液體產(chǎn)品，傾點(diǎn)低、黏度低、流動(dòng)度好。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)可直接加入循環(huán)中的油基鉆井液，按照循環(huán)周添加，直至全井油基鉆井液中均含有降黏劑，加量介于1%～3%，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)性能合理調(diào)整降黏劑加量，保證油基鉆井液的流變性降至合理的范圍內(nèi)。在加入之前最好先做小型實(shí)驗(yàn)，確定加量后再進(jìn)行全井調(diào)整。流變性能調(diào)整到要求之后，進(jìn)行全套性能測(cè)定，包括高溫高壓濾失性能、電穩(wěn)定性能等[24]。

2.3.3 應(yīng)用范圍

該油基降黏劑是一種復(fù)合制劑，具有良好的潤(rùn)濕性和分散瀝青能力，并具有一定的乳化功能，適用于高密度油基鉆井液特別是密度大于1.80 g/cm3的油基鉆井液。高密度油基鉆井液的固相含量高達(dá)35%以上，鉆屑進(jìn)入油基鉆井液之后，鉆井液的黏度切力增高使得鉆井泵泵壓過高，負(fù)荷太大，機(jī)械動(dòng)力設(shè)備不能承受，加入該油基降黏劑可以降低循環(huán)壓耗，降低摩阻，從而大幅度提高排量[25-26]；該油基降黏劑還可以應(yīng)用于完井后油基老漿重復(fù)利用的再處理，提高老漿的流動(dòng)性和再利用價(jià)值。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

油基鉆井液降黏劑SSC-OXS已經(jīng)在焦頁44-7HF井、44-8HF井、焦頁29-S3井、焦頁59-7HF井、186-2HF井等10余口井成功應(yīng)用，應(yīng)用效果顯著。以焦頁186-2HF井為例，具體現(xiàn)場(chǎng)施工過程如下。

1）焦頁186-2HF井的施工前期情況：前期該井出氣，還有鄰井的壓裂液侵入，使油基鉆井液受到污染，油水比降低，加入柴油、乳化劑、降濾失劑等材料調(diào)整鉆井液的穩(wěn)定性；對(duì)于出氣則進(jìn)行循環(huán)壓井，提高密度，鉆井液密度從1.68 g/cm3提高至1.89 g/cm3，鉆井液黏度高達(dá)120 s，流動(dòng)性差，泵壓高達(dá)28 MPa，在井深3 927 m處，由于黏度、切力高和泵壓高，最后被迫起鉆調(diào)整處理油基鉆井液性能。

2）降黏施工過程：下鉆到底之后，開泵循環(huán)鉆井液，正常之后開始加入油基降黏劑，在鉆井液罐上面，按照循環(huán)周，直接向油基鉆井液中均勻地加入油基降黏劑，全井和地面一共300 m3油基鉆井液，按照3%的加量進(jìn)行施工。加入油基降黏劑后，泵壓明顯降低，由28 MPa降低至25 MPa。

鉆井液性能參數(shù)如表6，可以看出，在加入油基降黏劑之后，油基鉆井液的漏斗黏度從120 s降低至95 s，隨著降黏劑的不斷加入，最終降低至90 s，鉆井液的流動(dòng)性變好，高溫高壓濾失量幾乎不變，破乳電壓有所上升，并降低了泵壓。這是因?yàn)榻档土斯苈纺ψ瑁徒档土擞突@井液中固相顆粒之間的摩擦力以及固相顆粒與循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備之間的摩擦阻力，從而大幅提高了高密度油基鉆井液的管具通過能力。

4 結(jié)論

1）2種因素共同導(dǎo)致高密度油基鉆井液的流變性難以調(diào)控：①鉆井液中固相增加，特別是高密度油基鉆井液中固相含量過高；②油基鉆井液中加有大量瀝青，以及龍馬溪組頁巖鉆屑分散在油基鉆井液中，使得親水性強(qiáng)的鉆屑和重晶石顆粒遇油之后，潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)過程滯后，需要潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的時(shí)間，造成鉆井液黏度切力增大；

2）以多胺基雙子表面活性劑為主劑的油基降黏劑，降黏率高達(dá)30%；

3）油基降黏劑在涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊多口井的應(yīng)用效果明顯，流變性適宜，泵壓穩(wěn)定，降黏率達(dá)到25%。

表6 焦頁186-2HF井加入降粘劑前后油基鉆井液性能