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        基于低凝固點(diǎn)柴油的高密度油基鉆井液體系構(gòu)建及性能*

        2022-04-07 06:18:04徐生江魯鐵梅周澤南謝龍龍劉星雨
        油田化學(xué) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:高密度表觀鉆井液

        葉 成,徐生江,魯鐵梅,周澤南,謝龍龍,谷 文,劉星雨,馬 超

        (1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司新疆油田公司工程技術(shù)研究院,新疆克拉瑪依8 340002;2.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430100)

        0 前言

        準(zhǔn)噶爾南緣山前已鉆的地層主要有第四系(Q),新近系獨(dú)山子組(N2d)、塔西河組(N1t)、沙灣組(N1s)、安集海河組(E2-3a)、紫泥泉子組(E1-2z)、白堊系吐谷魯群(K1tg)以及侏羅系[1],其中復(fù)雜井段主要存在于第三系安集海河組、紫泥泉子組地層[2-3],安集海河組地層和紫泥泉子組地層閉合壓力低,地層壓力高,實(shí)鉆鉆井液密度普遍在2.3~2.5 g/cm3之間,安全密度窗口窄,井漏頻繁[4-5],且地層含有大段膏泥巖,易發(fā)生水化膨脹和分散,造成卡鉆等復(fù)雜事故。高密度油基鉆井液因其本身優(yōu)異的性能已成為該地區(qū)復(fù)雜層段首選體系,目前高密度油基鉆井液采用0#柴油或者白油作為基油,而0#柴油和5#白油的凝固點(diǎn)分別為-4 ℃和10 ℃,一般要求溫度在25 ℃以上才能配制性能優(yōu)良的油基鉆井液,但準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)冬季部分時(shí)段地面環(huán)境溫度較低,甚至低至-40 ℃,低溫環(huán)境不僅給0#柴油和5#白油基油基鉆井液的配制造成一定的困難,而且在地面低溫環(huán)境下鉆井液的流變性受溫度影響較大。為了解決低溫環(huán)境鉆井液的配制困難,增加油基鉆井液的應(yīng)用時(shí)間范圍,保證低溫環(huán)境鉆井液性能的穩(wěn)定性,本文在現(xiàn)場(chǎng)用0#柴油油基鉆井液材料及配方的基礎(chǔ)上,采用低凝固點(diǎn)(-38 ℃)的-35#柴油為基油,通過調(diào)整體系的乳化劑、潤(rùn)濕劑及有機(jī)土等材料的組成,構(gòu)建一種適應(yīng)低溫環(huán)境(低至-10 ℃)的-35#柴油基高密度(密度達(dá)2.5 g/cm3)油基鉆井液體系。評(píng)價(jià)該體系在低溫(-10~-2 ℃)和高溫(180 ℃)條件下的流變性及體系的抗污染、封堵性能。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 材料與儀器

        0#和-35#柴油,中國(guó)石油武漢蔡甸大街加油站及中國(guó)石油克拉瑪依勝利加油站;主乳化劑HIEMUL-1、輔乳化劑HZCOMAT-2、潤(rùn)濕劑HZCOT,中國(guó)石油川慶鉆探工程公司;有機(jī)土HFGEL-120,浙江豐虹新材料有限公司;氧化瀝青FC-TROL150,廣漢??丝萍加邢薰镜?;重晶石加重劑,密度4.3 g/cm3,中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院;提切劑HSV-4、封堵劑FD-F、碳酸鈣(600 目)、石墨粉、成膜劑XLX,湖北漢科新技術(shù)股份有限公司;油溶性膨脹堵漏劑DTMP,實(shí)驗(yàn)室研制。

        ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、GRL-BX3 型熱滾爐、ZNS-2型中壓濾失儀、DWY-2型破乳電壓儀、FA型無滲透濾失儀、HDF-1 型高溫高壓濾失儀、QD-2型堵漏儀,青島海通達(dá)專用儀器有限公司;SYY-2型超低溫鉆井液性能綜合評(píng)價(jià)裝置,青島夢(mèng)創(chuàng)專用儀器有限公司;DW-YW110A型低溫醫(yī)用冰柜,中科美菱低溫科技股份有限公司。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29170—2012《石油天然氣工業(yè)鉆井液實(shí)驗(yàn)室測(cè)試》[6],在高溫(180 ℃和120 ℃)條件下測(cè)定鉆井液的流變性能及穩(wěn)定性。在常溫及低溫條件(25 ℃至-10 ℃)下鉆井液的性能測(cè)試方法如下:先將鉆井液置于SYY-2型超低溫鉆井液性能綜合評(píng)價(jià)裝置的樣品冷凍室,通過低溫控制室控制系統(tǒng)的測(cè)試溫度,達(dá)到要求溫度后將樣品置于性能測(cè)試室并關(guān)閉測(cè)試室,從儀器外部的操作按鈕分別進(jìn)行其流變性及失水性能測(cè)試,評(píng)價(jià)方法仍采用前述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。采用改進(jìn)的高溫高壓濾失儀(模擬縫板寬度為0.5 mm),控制壓差從0.75 MPa 到7.0 MPa 逐漸升壓的方式,計(jì)量濾失量和濾失時(shí)間,觀察漏失現(xiàn)象,評(píng)價(jià)鉆井液的封堵性能。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 0#柴油與-35#柴油基鉆井液體系性能對(duì)比

        考慮到準(zhǔn)噶爾南緣前期鉆遇復(fù)雜地層采用的0#柴油基鉆井液體系性能優(yōu)良,鉆井液材料現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛,首先直接采用-35#柴油代替油基鉆井液中的0#柴油,配制成高密度油基鉆井液,高密度油基鉆井液配方為:0#(-35#)柴油+3%主乳化劑HIEMUL-1+0.2%輔乳化劑HZCOMAT-2+4%潤(rùn)濕劑HZCOT+0.4%有機(jī)土HFGEL-120+3%降濾失劑FC-TROL150+1.5%氧化鈣+1%成膜劑XLX +重晶石,加重至2.50 g/cm3,油水比95∶5,水相為25%CaCl2溶液,密度為2.5 g/cm3。不同溫度0#(-35#)柴油基油基鉆井液的性能見表1和表2。從表1可見,0#柴油基鉆井液體系隨溫度(180~0 ℃)的逐漸降低,其表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力逐漸上升,破乳電壓穩(wěn)定,高溫(180~120 ℃)高壓濾失量大于常溫常壓濾失量,溫度(25~0 ℃)繼續(xù)降低,兩者濾失量基本一致。溫度由180 ℃降至15 ℃時(shí),流變參數(shù)雖然有所增加但變化幅度不大;但當(dāng)溫度由10 ℃降至0 ℃時(shí),表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力上升幅度較大,已不能滿足工程需要;而當(dāng)溫度低于-2 ℃后,鉆井液稠度過大,流變參數(shù)已完全無法測(cè)量。0#柴油中正構(gòu)烷烴和異構(gòu)烷烴所占比例約90%,這種高度異構(gòu)化的簡(jiǎn)單烷烴在低溫條件下分子間力增加,分子聚集,增加了0#柴油的黏度,最終導(dǎo)致鉆井液黏度急劇增加[7-8]。宏觀表現(xiàn)為0#柴油基體系在0 ℃以下時(shí)接近油相凝固點(diǎn),分散性變差,同時(shí)較低的溫度使得油基鉆井液中油包水的乳液破壞,部分基油析出結(jié)蠟?zāi)蹋沟勉@井液體系中微顆粒水相及降濾失劑等其他固相不能充分溶解乳化,導(dǎo)致鉆井液的流變性明顯變差[9-10]。

        表1 不同溫度下0#柴油基鉆井液性能

        表2 不同溫度下-35#柴油基油基鉆井液性能

        從表2 可見,采用-35#柴油為基油的油基鉆井液體系隨溫度的降低,表觀黏度,塑性黏度逐漸增加,溫度由5 ℃降至-10 ℃時(shí),表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力及靜切力變化幅度不大,動(dòng)切力保持在6~9之間,說明采用-35#柴油為基油的油基鉆井液在低溫條件下性能穩(wěn)定。這是因?yàn)?35#柴油中含有聚合物降凝劑,可降低柴油的凝固點(diǎn),從而使鉆井液在低溫條件下具有良好的流動(dòng)性。但體系在180 ℃及120 ℃熱滾后表觀黏度和塑性黏度大幅下降,切力也大幅下降,整個(gè)鉆井液體系變稀,高密度條件下的懸浮性能變差,沉降現(xiàn)象明顯,不能適應(yīng)高密度油基鉆井液抗溫性能的要求。這可能是由于-35#柴油中含有的具有長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的抗凝劑在高溫作用下存在部分的卷曲或者斷鏈,破壞了油基鉆井液形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致鉆井液的黏度和切力下降[11-14]。

        2.2 高密度低凝固點(diǎn)油基鉆井液體系性能調(diào)控

        以-35#柴油為基油的鉆井液在高溫條件下性能無法滿足工程需求,需要進(jìn)一步提高體系在高溫條件下的懸浮攜砂性能,提高油基鉆井液的塑性黏度和動(dòng)切力。通過提高有機(jī)土加量、增加乳化劑加量、適當(dāng)添加提切劑可以提高鉆井液的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度[15-16]。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化,提出在原配方為基礎(chǔ),增加0.2%提切劑HSV-4,將主乳化劑加量從3%提高到3.2%、輔乳化劑加量從0.2%提高到0.4%,重點(diǎn)考察有機(jī)土加量變化(0.4%增加到1.0%)對(duì)體系流變性的影響。低溫條件下,有機(jī)土加量對(duì)鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力的影響分別見圖1—圖3,180℃熱滾24 h后,不同有機(jī)土加量鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力見圖4。從圖1—圖3 可見,對(duì)于有機(jī)土加量確定的體系,當(dāng)溫度從-2 ℃降至-10 ℃,鉆井液的表觀黏度、塑性黏度及動(dòng)切力均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。相同的溫度條件下,隨著有機(jī)土加量的增加,鉆井液表觀黏度、塑性黏度及動(dòng)切力也表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。從圖4 可見,高溫(180 ℃)條件下,隨有機(jī)土加量的增加,鉆井液動(dòng)切力有所增加,表觀黏度和塑性黏度變化幅度較小。結(jié)合該體系在低溫和高溫條件下的性能,當(dāng)有機(jī)土加量為0.8%時(shí)表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力比較適中,因此,優(yōu)選有機(jī)土加量為0.8%。

        圖1 有機(jī)土加量對(duì)表觀黏度的影響

        圖2 有機(jī)土加量對(duì)塑性黏度的影響

        圖3 有機(jī)土加量對(duì)動(dòng)切力的影響

        圖4 有機(jī)土加量對(duì)流變性的影響(180 ℃)

        采用優(yōu)化后的體系進(jìn)一步評(píng)價(jià)-35#柴油基高密度油基鉆井液的綜合性能。優(yōu)化后的配方為:-35#柴油+3.2%主乳化劑HIEMUL-1+0.4%輔乳化劑HZCOMAT-2+4%潤(rùn)濕劑HZCOT+0.8%有機(jī)土HFGEL-120+3%降濾失劑FC-TROL150+0.2%提切劑(HSV-4)+1.5% 氧化鈣+1%成膜劑XLX+重晶石,加重2.50 g/cm3,油水比95∶5,水相為25%CaCl2溶液。不同溫度下-35#柴油高密度油基鉆井液性能見表3。從表3可知,-35#柴油高密度油基鉆井液的表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力的流變性參數(shù)反映體系在低溫條件下流動(dòng)性良好,能滿足低溫環(huán)境下的配制要求;體系在高溫下表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力、破乳電壓、失水等綜合性能參數(shù)也可滿足高溫地層對(duì)性能的要求。

        表3 不同溫度下-35#柴油高密度油基鉆井液性能

        2.3 低凝固點(diǎn)高密度油基鉆井液的抗鹽污染性能

        2.3.1 飽和NaCl溶液對(duì)鉆井液性能的影響

        在優(yōu)化后的體系中加入飽和NaCl溶液,評(píng)價(jià)鉆井液的抗NaCl 鹽污染性能,結(jié)果見圖5。從圖5 可知,飽和NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增至12%,鉆井液體系熱滾(180 ℃×24 h)后的動(dòng)切力穩(wěn)定;表觀黏度和塑性黏度略有下降,但能滿足體系的性能要求;破乳電壓仍然大于1000 V;API 濾失量和HTHP 濾失量小且穩(wěn)定。這說明該體系可抗12%的飽和NaCl溶液污染。

        圖5 飽和NaCl溶液加量對(duì)高密度油基鉆井液流變性的影響

        2.3.2 飽和CaCl2溶液對(duì)鉆井液性能的影響

        在優(yōu)化后的體系中加入飽和CaCl2溶液,評(píng)價(jià)鉆井液抗CaCl2鹽污染性能,結(jié)果見圖6。從圖6 可知,隨飽和CaCl2溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增至20%,鉆井液體系熱滾(180 ℃×24 h)后的動(dòng)切力比較穩(wěn)定;表觀黏度和塑性黏度略有升高,但能滿足體系的性能要求。這說明該體系可抗20%的飽和CaCl2溶液污染。為了平衡地層的高礦化度水,控制鉆井液的活度,油基鉆井液形成乳液的水相本身就是飽和的CaCl2溶液,因此加入飽和CaCl2溶液對(duì)體系性能影響較小,但水相的增加會(huì)對(duì)油包水乳液有一定的影響,從而導(dǎo)致流變性有一定變化。

        圖6 飽和CaCl2溶液加量對(duì)高密度油基鉆井液流變性的影響

        2.4 低凝固點(diǎn)高密度油基鉆井液的防漏性能

        為考察-35#柴油基鉆井液的封堵性能,采取在0#柴油基體系中具有良好封堵能力的復(fù)合封堵劑(1%FD-F+1%碳酸鈣(600 目)+0.5%石墨粉+3%油溶性膨脹堵漏劑DTMP),采用高溫高壓失水儀(0.5 mm寬縫板)進(jìn)行封堵性能評(píng)價(jià),結(jié)果見表4。從表4的數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可見,加入復(fù)合堵漏劑后-35#柴油基鉆井液體系在0.5 mm寬縫板承壓能力實(shí)驗(yàn)中,隨著壓力的增加,會(huì)有少量漏失,但隨著模擬裂縫堵住后再無漏失,且承壓能力達(dá)到了7 MPa,這說明在0#柴油基體系中具有良好封堵能力的復(fù)合封堵劑也可以用于-35#柴油基高密度油基鉆井液的堵漏。

        表4 5#柴油基鉆井液的堵漏性能

        3 結(jié)論

        以-35#柴油為基油,通過調(diào)控鉆井液主乳化劑、輔乳化劑、有機(jī)土、提切劑等組分,構(gòu)建能適應(yīng)低溫(低至-10 ℃)環(huán)境的低凝固點(diǎn)高密度(2.5 g/cm3)油基鉆井液體系:-35#柴油+3.2%主乳化劑HIEMUL-1+0.4%輔乳化劑HZCOMAT-2+4%潤(rùn)濕劑HZCOT+0.8%有機(jī)土HFGEL-120+3%降濾失劑FC-TROL150+0.2%提切劑HSV-4+1.5% 氧化鈣+1%成膜劑XLX+重晶石(加重2.50 g/cm3,油水比95∶5,水相為25%CaCl2溶液)。

        構(gòu)建的油基鉆井液體系綜合性能優(yōu)良,在溫度達(dá)到180 ℃、密度達(dá)到2.5 g/cm3的條件下,流變性和乳化性能穩(wěn)定(破乳電壓1000 V 以上)且抗污染性能強(qiáng)。用于0#柴油基體系的復(fù)合封堵劑對(duì)低凝固點(diǎn)高密度體系同樣具有良好的封堵性能。

        以-35#柴油為基油構(gòu)建的高密度油基鉆井液可有效解決低溫配制困難的問題,進(jìn)而提高準(zhǔn)噶爾盆地南緣鉆井有效時(shí)段,同時(shí)也能為油基鉆井液在高寒地區(qū)的應(yīng)用起借鑒作用。

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