賈國亮，李曉嵐，鄭永太，張士軍

中國石化中原石油工程有限公司 技術(shù)公司,河南 濮陽 457001

川南地區(qū)的頁巖氣水平井所在的儲(chǔ)層埋藏深、地層壓力系數(shù)高，并存在高壓氣層、石英含量高、巖石脆性特征明顯，具有較強(qiáng)層理結(jié)構(gòu)、層理傾角大(40°～60°)，易造成頁巖氣水平井的定向段和水平段井壁失穩(wěn)；由于黏土礦物含量高(一般為20%～60%)，導(dǎo)致頁巖地層存在著大量的微裂縫、蜂窩狀小孔洞及層理裂縫等特征[1]，所以要求鉆井液具有高密度、強(qiáng)抑制性、潤滑性、封堵性、防塌、活度平衡等特性，高密度油包水乳化鉆井液成為最佳的鉆井液體系之一。但在使用過程中，易出現(xiàn)黏切高等流變性差、凝膠結(jié)構(gòu)強(qiáng)的問題，同時(shí)隨著油基老漿的回收循環(huán)利用、臨井壓裂作業(yè)的影響，加重材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等因素，更容易造成鉆井液粘切過高等流變性難以控制的現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著高效、快速鉆井。本研究從有機(jī)土加量[2]、油水比、固相含量、加重材料種類及粒徑大小、乳化劑品種、流型調(diào)節(jié)劑使用等方面分析影響高密度油基鉆井液流變性的主要因素，并提出優(yōu)選鉆井液體系、處理劑及嚴(yán)控油水比和固相含量等措施，以期能夠有效地調(diào)控高密度油基鉆井液的流變性。

1 影響高密度油基鉆井液流變性的因素

1.1 有機(jī)土的影響

有機(jī)土是保證油基鉆井液膠體穩(wěn)定性和懸浮穩(wěn)定性的主要處理劑，具有增黏、降濾失的作用。在高密度油基鉆井液[3]中，有機(jī)土添加過多，易引起鉆井液黏切過高問題，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，選擇有機(jī)土最佳加量。該基礎(chǔ)配方為0#柴油320 mL+80 mL 20%CaCl2溶液+3%主乳化劑+3%輔助乳化劑+有機(jī)土+4%油基降濾失劑+3%石灰+高純度重晶石。對比不同有機(jī)土加量對體系穩(wěn)定性和流變性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同有機(jī)土加量下油基鉆井液性能(油水比80∶20，密度2.0 g/cm3)

由表1可知:隨著有機(jī)土加量的增加，體系的黏度(AV、PV)、切力(YP)等流變性參數(shù)增大，破乳電壓(ES)也升高；加量超過2.5%以后，高溫高壓濾失量(FL)降低和破乳電壓(ES)升高都不明顯，但鉆井液的流變性變差。

1.2 油水比的影響

油水比是油包水乳化鉆井液體系的關(guān)鍵指標(biāo)，適宜的油水比[4]是保證體系穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分析油水比與鉆井液黏度、切力等流變性參數(shù)的關(guān)系?；A(chǔ)配方為0#柴油+20% CaCl2溶液+3%主乳化劑+3%輔助乳化劑+2%有機(jī)土+4%油基降濾失劑+3%石灰+高純度重晶石。實(shí)驗(yàn)中對比不同油水比對體系流變性和穩(wěn)定性的影響情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同油水比的油基鉆井液性能(密度2.0 g/cm3)

由表2可知：隨著鹽水量的增加，油水比不斷降低，體系的黏度、切力、剪切應(yīng)力等流變參數(shù)則升高，高溫高壓濾失量略有增大，體系流變性變差，破乳電壓ES下降，即穩(wěn)定性不斷變差，鉆井液的顏色也隨之變淺。由此可見，在乳化劑加量相同的條件下，隨著油水比降低，水相濃度增大，水相液滴具有聚集趨勢，使粒徑也變大，則乳化劑的表面活性分子吸附到油相與水滴之間的界面層的量就會(huì)變小，在油水界面膜上排列的就不緊密堅(jiān)固，導(dǎo)致乳狀液失穩(wěn)；同時(shí)油相內(nèi)摩擦力增大，油相黏度就升高。隨著油水比的上升，鉆井液的黏度、切力和剪切應(yīng)力等參數(shù)則降低，流變性變好，破乳電壓ES上升，穩(wěn)定性也變好；高度分散的水滴有堵塞鉆井液濾餅空隙的作用，有利于控制濾失量[5]。

1.3 乳化劑種類和用量的影響

乳化劑是保證油包水乳化鉆井液穩(wěn)定性的關(guān)鍵處理劑，大多數(shù)乳化劑來自工業(yè)表面活性劑，專門針對油基鉆井液研發(fā)的專用乳化劑品種少、類別成分不同其功效側(cè)重點(diǎn)也不同。選擇原則是乳化能力強(qiáng)、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、抗高溫，在鉆井液中表現(xiàn)為破乳電壓高，對鉆井液的黏切力等性能影響小。針對高密度油包水乳化鉆井液，選擇在保證乳化穩(wěn)定性好、增黏效應(yīng)小的乳化劑。選擇5個(gè)品種的乳化劑，考察其對鉆井液體系乳化穩(wěn)定性和流變性的影響。基礎(chǔ)配方為0#柴油320 mL+80 mL 20%CaCl2溶液+乳化劑+2%有機(jī)土+4%油基降濾失劑+3%石灰+高純度重晶石。1#為4%主乳+1%輔乳+1%潤濕劑液體、2#為4%主乳+2%輔乳液體、3#為3%主乳+3%輔乳液體、4#為6%復(fù)合乳化劑液體、5#為6%粉狀乳化劑、6#為1#+1%粉狀乳化劑。實(shí)驗(yàn)中對比在加量相同時(shí)不同品種的乳化劑對體系穩(wěn)定性和流變性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同品種乳化劑的油基鉆井液性能(油水比80∶20，密度1.54 g/cm3)

由表3可知：1#、2#配方的破乳電壓ES較低、鉆井液黏切高；3#配方的破乳電壓ES居中、鉆井液黏切最低；4#配方的破乳電壓ES最高，鉆井液黏切適中；5#配方的破乳電壓ES居中、鉆井液黏切也低，4#乳化劑最優(yōu)；從5#和6#看，粉狀乳化劑有輔助降低鉆井液黏切作用，液體乳化劑都有輔助增黏作用；3#、4#、5#這3種乳化劑更適合高密度油包水乳化鉆井液體系。

1.4 流型調(diào)節(jié)劑的影響

流型調(diào)節(jié)劑是調(diào)節(jié)油基鉆井液流變性的主要處理劑，又稱流型改進(jìn)劑。對比不使用和使用不同加量流型調(diào)節(jié)劑對鉆井液穩(wěn)定性和流變性的影響，基礎(chǔ)配方為0#柴油320 mL+80 mL 20%CaCl2溶液+6%復(fù)合乳化劑+2%有機(jī)土+4%油基降濾失劑+3%石灰+流型調(diào)節(jié)劑+高純度重晶石。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同加量流型調(diào)節(jié)劑下油基鉆井液性能(油水比80∶20，密度2.00 g/cm3)

由4表可知：隨著流型調(diào)節(jié)劑加量的增加，鉆井液的表觀黏度、塑性黏度有所降低，但降低不明顯；動(dòng)切力和動(dòng)塑比升高明顯，破乳電壓有所增大，體系更穩(wěn)定。

1.5 加重材料種類的影響

加重材料是提高鉆井液密度的必須處理劑，主要有石灰石粉、重晶石粉、鐵礦粉、鈦鐵礦粉、方鉛礦粉、黑錳礦粉等。對于高密度油基鉆井液，需要高等級(jí)的重晶石粉、鐵礦粉和黑錳礦粉。不同密度、不同粒徑的加重材料對鉆井液流變性的影響不同，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對比重晶石粉(密度為4.2 g/cm3的重晶石，其D90為29.82 μm、D50為3.79 μm；密度為4.3 g/cm3的重晶石，其D90為30.3 μm、D50為9.05 μm)，黑錳礦粉(D90為,1.38 μm、D50為0.19 μm)和鐵礦粉對鉆井液流變性的影響?；A(chǔ)配方為0# 柴油360 mL +40 mL 20%CaCl2溶液+3%主乳化劑+3%輔乳化劑+2%有機(jī)土+4%油基降濾失劑+3%石灰+加重材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 加重劑種類對油基鉆井液性能的影響(油水比90∶10)

由表5可知：同一種加重劑，隨著鉆井液密度的升高，其黏度、切力也升高，流變性逐漸變差；在4種加重劑中，使用密度最高、粒徑最小的黑錳礦粉，配制的鉆井液流變性最好、循環(huán)密度最低，但高溫高壓濾失量FLHTHP太高；使用密度為4.3 g/cm3的2#重晶石配制的鉆井液流變性較好，F(xiàn)LHTHP最低，能滿足井下需求；但鉆井液密度超過2.5 g/cm3以上時(shí)，4種加重劑都不能滿足鉆井需要。

由此可見，單獨(dú)使用各種加重劑配制的超高密度油基鉆井液都不能滿足鉆井需要，根據(jù)Farris效應(yīng)，可采用不同粒徑的顆粒進(jìn)行復(fù)配。密度為4.3 g/cm3的重晶石為大顆粒，黑錳礦粉為小顆粒，這兩種顆粒的加重劑復(fù)配，符合Farris效應(yīng)，重晶石和黑錳礦粉以60∶40比例復(fù)配，可以配制出具有良好流變性的超高密度油基鉆井液[6]。

1.6 固相含量的影響

固相含量高易導(dǎo)致鉆井液密度、黏度、切力升高，鉆井液性能不穩(wěn)定；固相含量高，含砂就高，就降低鉆速、縮短鉆頭壽命；濾餅厚、質(zhì)地松散質(zhì)量差，摩擦系數(shù)高，導(dǎo)致鉆具扭矩大、磨損嚴(yán)重；因?yàn)V餅疏松、濾失量就大，易造成起下鉆遇阻和卡鉆現(xiàn)象。超高密度油基鉆井液中固相含量過高，鉆井液的表觀黏度由“結(jié)構(gòu)黏度”和“非結(jié)構(gòu)黏度”組成，增加了固相顆粒緊密接觸摩擦引起的黏度。固相含量接近50%時(shí)，鉆井液的流型將發(fā)生改變。

通過在固相含量為47%、油水比接近95/5的高密度油基鉆井液中添加不同比例的20%濃度CaCl2鹽水，對比鉆井液的黏度和切力變化。結(jié)果見表6。

表6 鹽水對高固相低含水油基泥漿的影響

由表6可知：在高固相低含水油基鉆井液中，即使加少量的鹽水，鉆井液的黏度、切力有所下降；在固相含量高時(shí)，每降低1%，鉆井液的流變性會(huì)有明顯的改善；每增大1%，危害性就成倍增加，固相控制對高密度油基鉆井液尤為重要。

2 高密度油基鉆井液流變性的控制措施

2.1 有機(jī)土的控制

高密度油基鉆井液中，有機(jī)土加量不宜超過2.5%，開始配制新泥漿時(shí)，以2.0%加量為宜，如果使用老漿，添加量可再低點(diǎn)，施工中期逐漸減少加量，后期甚至不用添加。

針對常規(guī)含土的油基鉆井液，在高密度條件下流變性控制困難、當(dāng)量循環(huán)密度高，在起下鉆或開泵時(shí)激動(dòng)壓力較高，易誘發(fā)井漏或井壁失穩(wěn)等問題，采用油溶性或油溶脹性的聚合物代替有機(jī)土，通過優(yōu)化乳化劑而研發(fā)無土相高密度油包水乳化鉆井液體系，該體系具有塑性黏度低、靜切力小、當(dāng)量循環(huán)密度低等突出特點(diǎn)，可以解決高密度油基鉆井液的流變性問題。

2.2 油水比的控制

控制油水比大小是調(diào)整油基鉆井液黏度、切力等流變性的主要手段之一。在保證油基鉆井液穩(wěn)定性的前提下，選擇合適的油水比，盡量減少油相的用量，多加鹽水，降低鉆井液成本。高密度油包水乳化鉆井液體系使用中后期，容易出現(xiàn)黏度高、切力大等流變性差、凝膠結(jié)構(gòu)強(qiáng)的問題，可以增大油相、提高油水比，降低鉆井液的黏切，甚至轉(zhuǎn)化為全油基鉆井液體系。全油基鉆井液與油包水乳化鉆井液相比，具有更好的流變性能，在相同動(dòng)切力時(shí)，塑性黏度更低；具有更好的剪切稀釋性能，在低剪切速率范圍內(nèi)可得到相當(dāng)高的黏度，便于攜帶巖屑；更有利于提高機(jī)械鉆速、井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層保護(hù)。在川南地區(qū)頁巖氣水平井施工后期，油水比接近95∶5，類似全油基鉆井液體系了。

當(dāng)?shù)貙铀秩胗突@井液時(shí)，必然導(dǎo)致油水比的變化，嚴(yán)重時(shí)影響油基鉆井液的穩(wěn)定性。水侵后，隨著油水比降低，鉆井液的黏切升高、密度下降，破乳電壓不斷降低。特別是臨井壓裂作業(yè)造成在鉆頁巖氣水平井地層局部高壓而溢流、地層出水而污染油基鉆井液的情況，油水比大于1時(shí)，鉆井液屬于塑性流體；油水比小于1時(shí)，鉆井液更傾向于假塑性流體，鉆井液污染嚴(yán)重了就不能再使用，會(huì)造成井壁失穩(wěn)定。具體處理措施如下：

1)及時(shí)檢測破乳電壓、堿度值和油水比等鉆井液性能參數(shù)，對比油水比變化量，計(jì)算出入侵水量，再計(jì)算出柴油、乳化劑及石灰等材料的添加量。

2)加重。保持鉆井液密度不降低，及時(shí)平衡地層壓力，做好井控工作。

3)及時(shí)調(diào)整油基鉆井液性能。在配漿罐內(nèi)，按照計(jì)算量加入柴油、乳化劑、石灰等處理劑，配制新漿，按循環(huán)周補(bǔ)充到循環(huán)污染的鉆井液中，并視具體情況補(bǔ)充CaCl2溶液。

4)如果有部分油基鉆井液嚴(yán)重污染，配制新泥漿置換出嚴(yán)重污染部分。

2.3 乳化劑、潤濕劑、流型調(diào)節(jié)劑的選擇及使用

2.3.1 選擇針對油基鉆井液體系的專用乳化劑

選擇原則是乳化能力強(qiáng)、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、抗高溫，在鉆井液中表現(xiàn)破乳電壓高，對鉆井液的黏度、切力等性能影響小。針對大多數(shù)主乳化劑，需要輔助乳化劑配合使用，輔助乳化劑具有輔助乳化和潤濕作用。粉狀乳化劑單獨(dú)使用或粉狀乳化劑與液體乳化劑配合使用，可以改善鉆井液的流變性。

2.3.2 潤濕劑的使用

及時(shí)添加潤濕劑，保證巖屑和加重材料進(jìn)入鉆井液能及時(shí)潤濕反轉(zhuǎn)，保持鉆井液的沉降穩(wěn)定性，還有輔助乳化作用。

2.3.3 流型調(diào)節(jié)劑的使用

流型調(diào)節(jié)劑一般加入1%就能明顯降低塑性黏度、提高動(dòng)切力和動(dòng)塑比，不必加入過多；流型調(diào)節(jié)劑還有降低泵壓，減少環(huán)空壓耗的作用。

2.4 加重材料的選擇

2.4.1 使用優(yōu)質(zhì)重晶石

配制高密度油基鉆井液時(shí)，必須選擇密度4.2 g/cm3以上高等級(jí)的重晶石，最好用密度4.3 g/cm3重晶石，因?yàn)槭褂妹芏鹊突螂s質(zhì)多的重晶石，加重時(shí)易出現(xiàn)鉆井液增稠、重晶石不易加入的現(xiàn)象，造成鉆井液體系含砂高，增黏效應(yīng)明顯。

2.4.2 使用預(yù)處理的超細(xì)顆粒重晶石

使用預(yù)處理的超細(xì)顆粒重晶石，可以獲得低黏度、低凝膠強(qiáng)度的高密度鉆井液。

2.4.3 使用復(fù)配加重材料

配制超高密度油基鉆井液時(shí)，可以使用重晶石和黑錳礦粉，以60∶40比例復(fù)配，來滿足鉆井液的良好流變性。

2.5 固相含量的控制

2.5.1 固相含量控制在最佳值

不管是活性還是惰性固體，一旦進(jìn)入油基鉆井液中就與油相接觸被油潤濕了，增加鉆井液的密度、黏度和切力，同時(shí)也影響鉆井液的費(fèi)用、鉆速、水馬力及發(fā)生井漏的可能性。無用固相盡可能清除，過量的固相也是有害的，必須盡量降低其含量，防止其擴(kuò)散。具體措施：

1)使用細(xì)目高速振動(dòng)篩，篩布粒度在74 μm以上，清除鉆屑是固相控制的基礎(chǔ)。

2)利用好四級(jí)固控設(shè)備，加強(qiáng)合理布置。使用雙離心機(jī)，利用二級(jí)離心效果，最大限度地降低低密度固相含量。

3)及時(shí)補(bǔ)充新漿和使用細(xì)目高速振動(dòng)篩相結(jié)合是控制固相最有效的方法。

2.5.2 加強(qiáng)油基老漿循環(huán)利用工作

隨著鉆井成本的壓縮和環(huán)保壓力增大，提高油基老漿循環(huán)利用率、降低油水比、減少油基鉆井液漏失是現(xiàn)階段控制成本的主要途徑。由于油基老漿回收利用工藝不夠完善，回收的油基鉆井液中含有大量微細(xì)鉆屑和固井沖洗液等水相，導(dǎo)致油基老漿普遍具有固相含量高、含水多、破乳電壓低等特點(diǎn)，所以對油基老漿再利用提出了極高的要求，使用前要進(jìn)行預(yù)處理和調(diào)整工作，達(dá)到能夠直接使用的水平。具體措施如下：

1)首先要加強(qiáng)有害固相去除工作。利用振動(dòng)篩和離心機(jī)，對油基老漿進(jìn)行處理，清除回收過程中的雜質(zhì)和鉆屑，盡可能地降低有害固相含量。

2)檢測處理后油基老漿的性能，尤其是固含率、油水比、破乳電壓、堿度值等參數(shù)。

3)根據(jù)老漿總量，計(jì)算出需要配制的新泥漿量和柴油、高濃度CaCl2溶液、乳化劑、降濾失劑及石灰等處理劑的量。

4)配制特定的新漿。在需要的柴油中，按順序加入乳化劑等各種處理劑，最后緩慢加入高濃度的鹽水進(jìn)行調(diào)整。

5)新老漿混合。啟開泥漿泵低壓循環(huán)，在油基老漿中，均勻混入特定的新漿。

6)再測混勻后泥漿的性能及微調(diào)。如果FLHTHP濾失量大和切力小的話，最后進(jìn)行微調(diào)，因?yàn)榻禐V失劑也有增黏效應(yīng)，因此在流性、黏度調(diào)整到位后，再擇機(jī)加入；調(diào)整過程中，注意切力變化和重晶石懸浮穩(wěn)定性，必要時(shí)補(bǔ)加有機(jī)土或結(jié)構(gòu)劑。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)高密度油基鉆井液體系的有機(jī)土添加量不超過2%,中后期逐漸減少，如果使用油基老漿，鉆井液具有良好的懸浮穩(wěn)定性，可以少加或者不添加。

2)高密度油基鉆井液使用到中后期，容易出現(xiàn)黏度高、切力大等流變性差、凝膠結(jié)構(gòu)強(qiáng)的問題，通過增加油相、提高油水比，降低鉆井液的黏切，甚至直接轉(zhuǎn)化為全油基鉆井液體系。

3)加重材料的選擇是高密度油基鉆井液配制的關(guān)鍵。最好選擇高等級(jí)重晶石和黑錳礦粉，易加重到需要密度，且無增黏效應(yīng)；特別是重晶石與黑錳礦粉以60∶40比例復(fù)配，配制的鉆井液具有良好的流變性能。

4)保持低的固相含量。充分利用四級(jí)固控設(shè)備強(qiáng)化固控管理工作，最大限度地降低低密度有害固相。

5)提高油基的老漿循環(huán)利用率。使用前要進(jìn)行預(yù)處理和調(diào)整工作，達(dá)到能夠直接使用的水平。

6)當(dāng)?shù)貙铀秩胗突@井液時(shí)(尤其是壓裂作業(yè)的影響)，導(dǎo)致鉆井液的密度、油水比、破乳電壓不斷降低，黏切力不斷升高，嚴(yán)重時(shí)影響其穩(wěn)定性。要做好井控工作，應(yīng)根據(jù)鉆井液性能的變化，及時(shí)處理調(diào)整，保證鉆井液穩(wěn)定，滿足井下需要。