劉衍前

（中石化 江漢石油工程有限公司，湖北 潛江 433100）

在我國頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊，頁巖由于自身易水化膨脹、易破碎和微小孔隙與裂縫發(fā)育的性質(zhì)而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，這是頁巖氣開發(fā)過程中一直面臨的難題[1,2]。同時(shí)大位移井和水平井也是頁巖氣開發(fā)中常用的鉆井方式。因此，油基鉆井液技術(shù)由于本身抑制性能強(qiáng)、耐高溫、潤滑性能優(yōu)異等特點(diǎn)逐漸成為主流技術(shù)[3,4]。

但針對(duì)鉆井液的降本增效的迫切需要，基于頁巖氣的儲(chǔ)層特征，提高油基鉆井液的含水比例，減少油相的使用，從而減少鉆井液的成本[5-7]。韓秀貞等提出降低鉆井液的油水比，能夠大幅降低鉆井液的成本[8]。林永學(xué)等通過將油水比控制在70/30 以下，基礎(chǔ)油的使用量減少了15%，明顯降低了鉆井液的成本[9]。莊嚴(yán)指出在較低的油水比的情況下，水相的增加會(huì)導(dǎo)致鉆井液粘度的增加，同時(shí)會(huì)造成油基鉆井液的不穩(wěn)定，破乳電壓下降[10]。

在鉆井過程中，水相比例的升高、溫度過高、外來污染物對(duì)乳化劑的吸附等情況，均會(huì)對(duì)高含水的油基鉆井液的穩(wěn)定性造成影響。目前，高含水油基鉆井液存在著濾失量較大，流變性較差，抗污染能力弱，電穩(wěn)定性不足等問題[11]。因此，相對(duì)于常規(guī)油基鉆井液，在高含水的油基鉆井液中，為了繼續(xù)維持油基鉆井液的穩(wěn)定性，需要對(duì)關(guān)鍵處理劑的加量進(jìn)行調(diào)整，主要是乳化劑、有機(jī)土和降濾失劑[12]。因此，從提高油包水乳狀液滴穩(wěn)定性的微觀角度下，改善高含水油基鉆井液性能，從而實(shí)現(xiàn)頁巖氣低成本鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

本研究從兩方面進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)：（1）評(píng)價(jià)油包水乳狀液的穩(wěn)定性；（2）評(píng)價(jià)油基鉆井液體系的綜合性能。乳狀液的室內(nèi)評(píng)價(jià)方法采用測(cè)定乳狀液的zeta電位，分析乳狀液的油水界面膜強(qiáng)度；以及測(cè)定乳狀液的接觸角，分析乳狀液的界面張力；通過測(cè)試油基鉆井液的流變性能、濾失性能、高溫穩(wěn)定性能、抗污染性能以及電穩(wěn)定性能等參數(shù)，進(jìn)而選擇性能最佳的處理劑和加量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

油基乳化劑ONEMUL、HiMILE 和EZ-MUL；CaO、CaCl2，均為分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；有機(jī)土BS38、FT27 和MOGEL；HIFLO（降濾失劑）和HIROL（封堵劑），荊州嘉華科技有限公司；重晶石（山東金升礦業(yè)有限公司）。

Zetasizer Nano-ZS 儀器；CA200 自動(dòng)型光學(xué)接觸角測(cè)量儀；六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（青島海通達(dá)）；DWY-2 型鉆井液破乳電壓儀；高溫高壓濾失儀（恒泰達(dá)）；高溫滾子爐（青島森欣）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）乳狀液的配置及性能測(cè)試 量取一定量的3#白油，加入一定量的油基鉆井液主乳化劑、輔乳化劑，在8000r·min-1轉(zhuǎn)速下攪拌20min，分散后根據(jù)油相與水相為65∶35 的比例，添加25%的CaCl2溶液后，在12000r·min-1轉(zhuǎn)速下反應(yīng)30min，制得穩(wěn)定的油包水乳狀液。

采用Zetasizer Nano-ZS 儀器在常溫下測(cè)試乳狀液的zeta 電位值，測(cè)量3 次取平均值。采用CA200自動(dòng)型光學(xué)接觸角測(cè)量儀在常溫下測(cè)試乳狀液與玻璃的接觸角。

（2）油基鉆井液的配置及性能測(cè)試 基于配置好的油包水乳狀液中依次加入定量的有機(jī)土、CaO、HIFLO（降濾失劑）、HIROL（封堵劑）和重晶石。每種處理劑在加入后，在攪拌速度為12000r·min-1下攪拌10min 使之充分分散。在所有材料都加完后繼續(xù)攪拌40min，獲得油基鉆井液。

采用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定試驗(yàn)鉆井液的流變性能。采用DWY-2 鉆井液破乳電壓儀測(cè)定油基鉆井液的破乳電壓值。使用高溫高壓濾失儀測(cè)定油基鉆井液的濾失性能。采用高溫滾子爐對(duì)鉆井液進(jìn)行滾動(dòng)老化，模擬井下溫度與環(huán)境。

2 結(jié)果與討論

2.1 油包水乳狀液穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

油基鉆井液是以水滴為分散相，油為連續(xù)相，并添加適量的乳化劑、潤濕劑、親油膠體和加重劑等形成的乳狀液體系。油包水乳狀液的穩(wěn)定性對(duì)油基鉆井液的性能影響極大。因此，探尋油基鉆井液中關(guān)鍵處理劑對(duì)高含水的油包水乳狀液穩(wěn)定性的影響，有利于對(duì)體系的研究。

2.1.1 乳化劑對(duì)乳狀液穩(wěn)定性能的影響 乳化劑作為表面活性劑，是降低油水界面張力的關(guān)鍵處理劑，在形成穩(wěn)定的油包水乳狀液的過程中起著決定性的作用[13]。因此，乳化劑的篩選和加量的選擇是有必要的。選擇3個(gè)來自不同公司的乳化劑產(chǎn)品，ONEMUL、HEMILE、EZ-MUL。選用不同的乳化劑對(duì)油包水乳狀液的zeta 電位數(shù)值與接觸角進(jìn)行對(duì)比，判斷油水界面膜強(qiáng)度的優(yōu)劣。優(yōu)選合適的處理劑與加量。

（1）乳化劑對(duì)乳狀液的zeta 電位的影響 選擇不同公司生產(chǎn)的乳化劑，以1%～6%的加量，測(cè)試不同配方下油包水乳狀液（油水比為65∶35）的界面膜強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1 可知，使用乳化劑ONEMUL 的乳狀液的zeta 電位值明顯最高。相對(duì)于乳化劑HiMile 和乳化劑EZ-Mul，zeta 電位值高了21%～28%左右。因此，看出乳化劑ONEMUL 對(duì)界面膜強(qiáng)度增強(qiáng)性最好，更有助于維持穩(wěn)定的油包水微小結(jié)構(gòu)，界面膜強(qiáng)度增加。隨著加量的增加，Zeta 電位逐漸上升，當(dāng)加量達(dá)到4%后，zeta 電位值上升的較為緩慢，從提高乳狀液穩(wěn)定性與處理劑使用成本兩方面考慮，選擇5%的加量更為合適。

（2）乳化劑對(duì)乳狀液接觸角的影響 采用不同乳化劑，以油相與水相比例為65∶35 的比例配置乳狀液。通過將乳狀液滴在光滑的玻璃片上（其玻璃片表面為疏水的）測(cè)試其接觸角。以判別哪一種乳化劑對(duì)油水界面張力降低效果最好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同配方的乳狀液的接觸角Fig.2 Contact angles of emulsions with different formulations

由圖2 可以看出，乳化劑的增加與接觸角的減小呈正相關(guān)。使用乳化劑ONEMUL 所形成的乳狀液與玻璃形成的接觸角最小。在加量為5%時(shí)，即可達(dá)到較為理想的效果。而其他兩個(gè)乳化劑所形成的乳狀液的界面張力均大于ONEMUL 乳化劑。

2.1.2 有機(jī)土對(duì)乳狀液流變性能影響 有機(jī)土作為油基鉆井液最基礎(chǔ)的親油膠體，能夠有效提高體系的黏度與切力，改善鉆井液的流型。選擇3 種有機(jī)土作為高含量油基鉆井液的親油膠體，分別為BS38有機(jī)土、FT27 有機(jī)土和MOGEL 有機(jī)土。分析對(duì)比3種有機(jī)土對(duì)流變性的改善效果，其添加量均為1.0%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同類型的有機(jī)土對(duì)乳狀液的流變性能的影響Fig.3 Effects of different types of organic soils on the rheological properties of emulsions

高含水的乳狀液本身黏度較高，原因是乳狀液滴由于水相部分的升高，乳狀液滴粒徑變大，致使液滴與液滴之間的碰撞機(jī)會(huì)增加，導(dǎo)致乳狀液黏度會(huì)迅速增加。因此，選擇合適的有機(jī)土對(duì)改變高含水的油基鉆井液的流變性能至關(guān)重要。由圖3 可以看出，BS38 有機(jī)土對(duì)高含水的乳狀液的黏度增加過高，導(dǎo)致乳狀液的黏度較大。而FT27 有機(jī)土則由于分散性較差，造漿率較低，導(dǎo)致乳狀液的流變性能較差。因此，選擇MOGEL 有機(jī)土最合適。

2.2 高含水油基鉆井液性能評(píng)價(jià)

根據(jù)之前研究對(duì)關(guān)鍵處理劑的篩選以及加量的選擇。使用配方：260mL 3#白油+5% ONEMUL（乳化劑）+1.2% CaO+1% MOGEL（有機(jī)土）+3% HIFLO（降濾失劑）+1% HIROL（封堵劑）+140mL 25% CaCl2水溶液+重晶石至1.4g·cm-3，作為高含水的油基鉆井液的配方。并針對(duì)該油基鉆井液進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

2.2.1 抗溫性能 油基鉆井液是基于油包水乳狀液所形成的鉆井液體系。乳狀液屬于熱不穩(wěn)定體系，因此，溫度對(duì)乳狀液的影響極大。尤其是當(dāng)水相含量升高，乳狀液滴變大，體系趨向于不穩(wěn)定，體系的性能對(duì)環(huán)境溫度愈發(fā)的敏感。因此，有必要評(píng)價(jià)溫度對(duì)該油基鉆井液體系的影響。分別測(cè)試油基鉆井液在80～140℃范圍內(nèi)的抗溫性能，觀測(cè)能否滿足現(xiàn)場(chǎng)的要求。實(shí)驗(yàn)條件：80～140℃熱滾16h，50℃測(cè)性能，高溫高壓失水測(cè)試條件為80～140℃×30min×500psi。表1 為溫度對(duì)高含水油基鉆井浪的性能影響。

表1 溫度對(duì)高含水油基鉆井液的性能影響Tab.1 Effect of temperature on the properties of high water-cut oil-based drilling fluids

由表1 可知，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，鉆井液的黏度有輕微的增加，當(dāng)溫度為140℃時(shí)，鉆井液的流變性能保持較好。并沒有因?yàn)楦邷貙?dǎo)致鉆井液增稠或變稀失效的情況，說明油包水界面膜保持一定強(qiáng)度，高含水油基鉆井液體系在140℃溫度下能夠保持良好的穩(wěn)定性。高含水油基鉆井液體系電穩(wěn)定性逐漸升高再降低，當(dāng)保持在400V 以上能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆井的需要。高溫高壓濾失量隨著溫度的增加而增加，但也保持在5mL 以下。

2.2.2 抗污染性能 在鉆井過程中，在井眼周圍所產(chǎn)生的巖屑和泥頁巖地層中的土相會(huì)對(duì)油基鉆井液的性能造成很大的影響[14]。高含水鉆井液面臨的主要問題是，抗污染能力弱。一旦有外來污染物，多固相含量的材料進(jìn)入后，分散在油水界面的表面活性劑會(huì)部分吸附在固相顆粒上面，減少了乳狀液的穩(wěn)定性。因此，選擇外來污染物的加量對(duì)高含水油基鉆井液的性能影響進(jìn)行研究。選擇頁巖區(qū)塊的鉆屑作為污染物，通過不同的加量驗(yàn)證高含水鉆井液的抗污染能力。并在140℃條件下老化24h 后，測(cè)試其油基鉆井液性能，結(jié)果見表2。

表2 頁巖鉆屑侵污對(duì)油基鉆井液性能的影響Tab.2 Influence of shale cuttings contamination on the performance of oil-based drilling fluids

由表2 可知，隨著外來污染物的比例增加，油基鉆井液的黏度增加越來越大，但鉆井液的增稠行為應(yīng)控制在安全范圍內(nèi)。當(dāng)頁巖巖屑添加量為15%時(shí)，破乳電壓下降了大致100V 左右，但在500V 以上。雖然部分乳化劑被巖屑吸附，但該配方下的高含水油包水鉆井液中剩余部分乳化劑仍能滿足穩(wěn)定油基鉆井液的性能。表明在高比例污染物條件下，高含水油基鉆井液仍能保持良好的電穩(wěn)定性以及流變性能，可以有效處理頁巖地層的鉆井過程。

2.2.3 沉降穩(wěn)定性 對(duì)配置鉆井液測(cè)試其靜態(tài)的沉降性能，確定高含水油基鉆井液的沉降穩(wěn)定性。將量筒以垂直的方式，放置在烘箱中，在溫度為140℃的條件下，測(cè)試量筒上部的密度與量筒下部密度差別。使用公式1 量化沉降因子：

式中 F：沉降因子；ρ上部：老化罐中上部分的平均密度，g·cm-3；ρ下部：老化罐下部鉆井液平均密度，g·cm-3。

其中F 為0.5 時(shí)，說明未發(fā)生靜態(tài)沉降，F(xiàn) 大于0.52，說明靜態(tài)沉降穩(wěn)定性較差[15]。

圖4 為高含水油基鉆井液的靜態(tài)沉降過程。

圖4 高含水油基鉆井液的靜態(tài)沉降過程Fig.4 Static settlement process of high water-cut oil-based drilling fluid

由圖4 可知，鉆井液的沉降穩(wěn)定性變差發(fā)生在7～15d 之間，在這個(gè)范圍，沉降因子開始大于0.52，在第7 天的時(shí)間段，高含水油基鉆井液的沉降因子為0.514，在安全范圍內(nèi)。說明高含水油基鉆井液在前7d 能保持良好的沉降穩(wěn)定性。

2.2.4 與常規(guī)體系性能對(duì)比評(píng)價(jià) 室內(nèi)按高含水油基鉆井液配方配制油基鉆井液，與常規(guī)80/20 油水比體系性能進(jìn)行了對(duì)比，兩種油基鉆井液在140℃溫度下，老化16h 后。結(jié)果見表3。

表3 油基鉆井液性能對(duì)比評(píng)價(jià)Tab.3 Comparative evaluation of oil-based drilling fluid performance

由表3 可以看出，高含水油基鉆井液體系老化前后流變性能變化不大，而且破乳電壓均大于400V，且高溫高壓失水均小于5.0mL，與常規(guī)80/20油水比體系性能相差不大，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)頁巖氣鉆井的要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該高含水油基鉆井液體系在焦頁5-XHF 井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)，該區(qū)塊的水平井的水平段均在1000m 以上，地層溫度在140℃左右。在該井的水平段作業(yè)中應(yīng)用了高含水油基鉆井液體系，鉆井過程順利，無復(fù)雜事故發(fā)生。在焦頁某井鉆井期間，高含水鉆井液的具體性能隨井深增加而變化的過程見圖5。

圖5 焦頁某井高含水油基鉆井液實(shí)際性能Fig.5 Actual performance of high water-cut oil-based drilling fluid in a well in Jiaoye

由圖5 可知，針對(duì)整口井的維護(hù)，保證了油基鉆井液的油水比在65/35 左右，黏度也控制在65～82mPa·s，塑性黏度低于45mPa·s，動(dòng)切力維持在7～13Pa，高溫高壓失水控制在2mL 以下，破乳電壓保持持續(xù)上升趨勢(shì)，最高升到865V；測(cè)試結(jié)果表明，性能優(yōu)異，滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工要求。為鉆井施工順利進(jìn)行提供了良好保障，應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)對(duì)高含水乳狀液性能從乳狀液的界面膜強(qiáng)度和界面張力兩方面進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，乳化劑ONEMUL 和有機(jī)土MOGEL 被選擇作為關(guān)鍵處理劑，能夠維持高含水乳狀液良好的穩(wěn)定性能。

（2）高含水油基鉆井液在140℃下保持良好的流變性能，體系能夠抗15%的鉆屑的高比例污染物，以及在7d 內(nèi)能夠保持一定的沉降穩(wěn)定性能，說明從鉆井液的綜合性能表現(xiàn)來看，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用需要。

（3）該高含水油基鉆井液體系在頁巖5-XHF 井得到成功的應(yīng)用，滿足了現(xiàn)場(chǎng)施工要求，為順利施工提供了良好的保障，有推廣應(yīng)用價(jià)值。