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。