李文波 郝彬彬

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，河北 廊坊 065201）

作為世界上三大高溫、高壓并存的地區(qū)之一，南海西部地區(qū)儲(chǔ)層具有典型的地溫梯度高、壓力系數(shù)高、安全密度窗口窄等特性。為在該地區(qū)能安全高效鉆井，鉆井液必須具有抗高溫、高密度特性，并且為應(yīng)對(duì)安全密度窗口窄的問題，抗高溫、高密度鉆井液必須具有良好的流變性，以有效控制鉆井液循環(huán)壓耗，預(yù)防并控制井漏。

然而，隨著高密度鉆井液中加重固相體積分?jǐn)?shù)逐漸變大，鉆井液的流變性[1]、濾失造壁性[2]、沉降穩(wěn)定性[3]的調(diào)控難度顯著增大。當(dāng)同時(shí)面臨井下高溫、多壓力層系等問題時(shí)，鉆井液的性能調(diào)控難度更大。此外，隨著鉆井深度和鉆井液體系密度增加，配制不同密度鉆井液體系所需材料種類和用量也相應(yīng)增加，進(jìn)一步加大了現(xiàn)場工作人員的工作強(qiáng)度和鉆井液體系維護(hù)保養(yǎng)的難度。因此，南海西部海域高溫高壓地層鉆井液技術(shù)已成為該地區(qū)鉆井技術(shù)難點(diǎn)之一。該文通過構(gòu)建和優(yōu)化的鉆井液基礎(chǔ)漿體系，以鐵礦粉和級(jí)配鐵礦粉顆粒為加重材料研制了1.5g/cm3～2.8g/cm3連續(xù)范圍高/超高密度鉆井液體系，并對(duì)其流變性能、抗高溫性能、抗污染性能以及沉降穩(wěn)定性能進(jìn)行了研究和評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)材料與使用方法

1.1 試驗(yàn)材料

普通鐵礦粉（200 目）與細(xì)磨鐵礦粉（1000 目）來自河北建業(yè)礦產(chǎn)品加工廠；甲酸鉀（HCOOK），成都市科龍化工試劑廠；LV-PAC、SPNH、SMP-2、TEX、超細(xì)碳酸鈣、聚胺和JLX-C 來源于藍(lán)海博達(dá)科技有限公司?？垢邷叵♂寗〩JZ 來自湖北漢科新技術(shù)股份有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

鉆井液性能測試：參照GB/T16783.2—2012《石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場測試第1 部分水基鉆井液》測試鉆井液老化前、后的各項(xiàng)性能，基本老化條件為熱滾時(shí)長16h，熱滾溫度150℃～180℃。

2 超高密度鉆井液體系的開發(fā)

2.1 基礎(chǔ)漿鉆井液體系

國內(nèi)超高密度鉆井液體系的技術(shù)路線是以有機(jī)鹽加重材料減少固相，以瀝青等封堵材料加強(qiáng)封堵性能，通過抗高溫降濾失劑調(diào)節(jié)流變性和降低高溫高壓濾失量為主的技術(shù)路線[4-5]。另外，抗高溫稀釋劑能夠與加重材料表面產(chǎn)生物理或化學(xué)吸附，降低加重劑顆粒間的摩擦能，改善高密度鉆井液的流變性能，并能提升體系的沉降穩(wěn)定性[6-7]。

該文在前期研究的基礎(chǔ)上[4]引入抗高溫稀釋劑HJZ，并通過大量優(yōu)化試驗(yàn)構(gòu)建超高密度鉆井液的基礎(chǔ)漿體系配方，配方如下：250mL 淡水+0.3%NaOH+0.3%LV-PAC+6%SPNH+3%SMP-2+2%TEX+8%超細(xì)碳酸鈣+1%小胺+2%HJZ+3%JLXC+1%LUBE+40%甲酸鈉。下文在該基礎(chǔ)漿的基礎(chǔ)上，通過加入不同的加重材料構(gòu)建1.5g/cm3～2.8g/cm3的高/超高密度鉆井液體系，并對(duì)體系流變性能和濾失量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2.1.1 1.5g/cm3～2.0g/cm3高密度鉆井液體系

不同加重材料對(duì)高密度鉆井液體系流變性能的調(diào)控難度影響較大[8]。重晶石是應(yīng)用最廣泛的鉆井液加重劑，密度為4.3g/cm3～4.6g/cm3，一般用于加重密度不超過2.3g/cm3的高密度鉆井液。鐵礦粉密度高于重晶石，密度為4.9g/cm3～5.3g/cm3，因此可用于配制超高密度鉆井液體系。如果使用重晶石和鐵礦粉配制同一密度鉆井液體系，鐵礦粉加重鉆井液體系中的固相含量少于重晶石加重鉆井液體系，更有利于調(diào)控流變性能的和提高鉆速。

該文為提升流變性能調(diào)控的靈活性和鉆井液材料材料的統(tǒng)一性，選擇在基礎(chǔ)漿內(nèi)加入鐵礦粉至相應(yīng)密度來構(gòu)建1.5g/cm3～2.0g/cm3高密度鉆井液體系，并對(duì)體系性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，見表1?？梢钥闯?，當(dāng)密度為1.5g/cm3～2.0g/cm3時(shí)，研發(fā)的高密度鉆井液體系滾后流變性良好，150℃高溫滾后表觀黏度（AV）不高于50mPa·s，高溫高壓高壓濾失量小于10mL。因此使用同一套基礎(chǔ)漿體系實(shí)現(xiàn)不同密度的高/超高密度鉆井液連續(xù)性調(diào)整具有現(xiàn)實(shí)可行性。

表1 1.5g/cm3～2.0g/cm3 高密度鉆井液體系基本性能

2.1.2 2.5g/cm3超高密度鉆井液體系

加重材料的粒度對(duì)超高密度鉆井液體系的性能有重大影響。一方面，使用顆粒較粗且分布較窄的普通材料加重，在鉆井液體系內(nèi)高分子材料的吸附作用下，加重材料顆粒間搭橋嚴(yán)重，造成體系摩阻上升、黏度增大，體系沉降穩(wěn)定性差；另一方面，使用顆粒較細(xì)且粒度分布較窄的細(xì)磨材料加重，雖然可以顯著提升體系的沉降穩(wěn)定性，但顆粒比表面積較大，顆粒數(shù)量巨大，使顆粒間碰撞概率升高，進(jìn)而造成體系的黏度和切力變大。當(dāng)超高密度鉆井液體系的固相含量急劇上升（＞50%）時(shí)，保持體系的流變性能和沉降穩(wěn)定性間的平衡是解決超高密度鉆井液技術(shù)的關(guān)鍵。

該文分別以普通鐵礦粉、顆粒級(jí)配鐵礦粉和細(xì)磨鐵礦粉為加重劑，配制了一系列2.5g/cm3超高密度鉆井液體系，配方如下：1）2.5-1，基漿+200 目鐵礦粉加重到2.5g/cm3。2）2.5-2，基漿+1000 目鐵礦粉加重到1.55g/cm3+200 目鐵礦粉加重到2.5g/cm3。3）2.5-3，基漿+1000 目鐵礦粉加重到2.15g/cm3+200 目鐵礦粉加重到2.5g/cm3。4）2.5-4，基漿+1000 目鐵礦粉加重到2.5g/cm3。

體系性能見表2。可以看出，使用普通鐵礦粉加重的配方2.5-1 顆粒較粗，表觀黏度較高，高溫高壓濾失量超過12.5mL。而使用細(xì)磨鐵礦粉加重的配方2.5-4 的體系中顆粒比表面積遠(yuǎn)大于2.5-1，體系中自由水含量更低，導(dǎo)致其表觀黏度更大，高溫高壓濾失量顯著增加。使用級(jí)配鐵礦粉為加重劑的配方2.5-2 和2.5-3 的表觀黏度（AV）和高溫高壓濾失量有顯著改善，配方2.5-2 的高溫滾后AV小于50mPa·s，高溫高壓濾失量低于10mL，體系性能優(yōu)異。和配方2.5-2 相比，配方2.5-3 體系中含有更高含量的小顆粒細(xì)磨鐵礦粉，不同顆粒間的緊密堆積效果變差，從而表現(xiàn)為表觀黏度升高，體系切力變大。因此經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，使用級(jí)配鐵礦粉加重的配方2.5-2 的比例最優(yōu)。

表2 2.5g/cm3 超高密度鉆井液體系基本性能

將不同粒徑尺寸的加重劑根據(jù)一定比例混合，利用小顆粒填充大顆粒間的空間，擴(kuò)大加重材料粒度分布范圍，減少自由水濾失通道，降低濾餅的孔隙度和滲透率，有利于形成致密的濾餅。因此采用級(jí)配加重材料配置的超高密度鉆井液的高溫高壓濾失量更低，從而有利于改善超高密度鉆井液的流變性和造壁性。因此，以構(gòu)建的基漿體系為基礎(chǔ)，采用加重劑顆粒級(jí)配技術(shù)可有效提升超高密度鉆井液流變性能的調(diào)控空間。

2.1.3 2.8g/cm3超高密度鉆井液體系

2.8g/cm3超高密度鉆井液體系基本性能見表3。2.8g/cm3超高密度鉆井液體系基本配方和試驗(yàn)結(jié)果如下：1）2.8-1，基漿+1000 目鐵礦粉加重到1.75g/cm3+200 目鐵礦粉加重到2.8g/cm3。2）2.8-2，基漿+1000 目鐵礦粉（加重到2.25g/cm3）+200 目鐵礦粉加重到2.8g/cm3。

表3 2.8g/cm3 超高密度鉆井液體系基本性能

從表3 數(shù)據(jù)可以看出，在上述基礎(chǔ)漿基礎(chǔ)上加入級(jí)配鐵礦粉，可較容易地構(gòu)建2.8g/cm3超高密度鉆井液體系。相比下，2.8-1 滾后表觀黏度低于70mPa·s，高溫高壓濾失量不高于10mL，體系性能更優(yōu)；而2.8-2 體系中含有比例更高的細(xì)磨鐵礦石顆粒，破壞了加重材料間的穩(wěn)定堆積形態(tài)，導(dǎo)致高溫高壓濾失量有所增加。

上述研究表明，以顆粒級(jí)配的鐵礦石粉作為加重材料，有利于改善體系的各項(xiàng)性能，但需控制細(xì)磨的小顆粒鐵礦粉加量，最優(yōu)不能超過50%。含量過高的小顆粒填充會(huì)破壞體系高固相材料間的堆積穩(wěn)定性，從而提高體系的濾失量，降低體系的造壁穩(wěn)定性。

2.2 超高密度鉆井液體系的性能評(píng)價(jià)

上述研究在基礎(chǔ)漿體系中加入了不同尺寸的鐵礦粉顆粒加重，構(gòu)建了1.5g/cm3～2.8g/cm3超高密度鉆井液體系，保持了寬范密度下體系的連續(xù)性和一致性。下文將對(duì)其抗溫性能、抗污染性能以及沉降穩(wěn)定性進(jìn)行介紹。

2.2.1 超高密度鉆井液體系抗溫性能

超高密度鉆井液抗溫性能以2.5g/cm3為例（配方2.5-2），見表4?？梢钥闯觯兄频某呙芏茹@井液體系具有良好的抗溫性能，在160℃～180℃不同溫度條件下熱滾16h 后未出現(xiàn)高溫增稠或者團(tuán)聚凝膠現(xiàn)象，流變性能穩(wěn)定良好。180℃熱滾后高溫高壓濾失量仍低于10mL，說明該體系抗溫不低于180℃。由于體系中含有抗高溫降濾失劑（SPNH）、抗高溫稀釋劑（HJZ）以及高含量的有機(jī)鹽（甲酸鈉），因此保證了超高密度鉆井液體系的高溫穩(wěn)定性，能滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。

表4 2.5g/cm3 超高密度鉆井液體系抗溫性能

2.2.2 超高密度鉆井液體系抗污染性能

在鉆井過程中，鉆井液不可避免地會(huì)溶入無機(jī)鹽、劣質(zhì)土等污染物，鉆井液的性能有可能會(huì)發(fā)生變化，如果變化較大，就會(huì)影響鉆井的安全性。因此，室內(nèi)研究對(duì)高密度鉆井液體系的抗污染能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，考慮優(yōu)選的鉆井液體系基本框架一致，因此室內(nèi)研究對(duì)高密度有機(jī)鹽鉆井液體系抗污染性能仍以2.5g/cm3體系（配方2.5-2）為準(zhǔn)?？刮廴拘阅馨筃aCl 污染、抗CaCl2污染以及抗鉆屑污染，鉆井液配方如下：配方1，2.5-2#；配方2，2.5-2#+10%NaCl；配方3，2.5-2#+1.2%CaCl2；配方4，2.5-2#+15%鉆屑。

試驗(yàn)結(jié)果見表5。可以看出，研制的超高密度有機(jī)鹽鉆井液體系具有較好的抗鹽、鈣污染性能，鉆井液體系分別加入NaCl、CaCl2和鉆屑后，黏度、切力與濾失量變化幅度均不大，能滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。在鉆井過程中仍需控制好鉆井液中的固相含量，保障鉆井安全。

表5 2.5g/cm3 超高密度液體系抗污染性能

2.2.3 超高密度鉆井液體系沉降穩(wěn)定性

對(duì)超高密度鉆井液體系來說，由于體系中含有大量加重材料，因此超高密度鉆井液的沉降穩(wěn)定性尤為重要，它直接關(guān)系到鉆井液體系自身的穩(wěn)定性及懸浮能力。一方面，根據(jù)顆粒在靜水條件下的沉降模型，鉆井液沉降穩(wěn)定性與液相黏度、固相顆粒尺寸存在明顯關(guān)系，顆粒越大，沉降越容易發(fā)生。理論和試驗(yàn)研究均表明，單獨(dú)使用普通鐵礦粉加重配制超高密度鉆井液，老化靜置后體系沉降嚴(yán)重，體系上、下密度差較大。加入小顆粒的細(xì)磨鐵礦粉則有利于降低加重材料的沉降速度，提高體系的沉降穩(wěn)定性。另一方面，以小顆粒細(xì)磨鐵礦粉填充于普通鐵礦粉顆粒間，在抗高溫稀釋劑的吸附作用下，有利于形成較穩(wěn)定的顆粒堆積，從而進(jìn)一步提升超高密度鉆井液體系的沉降穩(wěn)定性。

使用鉆井液靜態(tài)沉降儀對(duì)1.5g/cm3～2.8g/cm3高/超高密度鉆井液體系的沉降穩(wěn)定性能進(jìn)行評(píng)價(jià)（如圖1 所示）。可以看出，在1.5g/cm3～2.8g/cm3的密度下，鉆井液體系在常溫下靜置24h 和48h 后密度差變化不大。2.8g/cm3超高密度鉆井液24h 上、下密度差為0.03g/cm3，48h 上、下密度差也僅為0.05g/cm3，表明構(gòu)建的一系列高/超高密度鉆井液體系具有良好的沉降穩(wěn)定性。

圖1 1.5g/cm3～2.8/cm3 鉆井液體系沉降穩(wěn)定性

3 結(jié)論

該文構(gòu)建了超高密度鉆井液的基礎(chǔ)漿體系，在此基礎(chǔ)上使用普通鐵礦粉和級(jí)配的鐵礦粉加重，研制了密度為1.5g/cm3～2.8g/cm3的連續(xù)變化的高/超高密度鉆井液體系。當(dāng)密度為1.5g/cm3～2.8g/cm3時(shí)，該體系具有良好的流變性能、抗溫性能、抗污染能力和沉降穩(wěn)定性，能夠預(yù)防鉆井過程中復(fù)雜情況的發(fā)生，滿足安全鉆井的要求。全井使用同一套鉆井液基礎(chǔ)漿體系配方，便于鉆井液的轉(zhuǎn)化和后期的維護(hù)處理。