朱金智，徐同臺，吳曉花，胡日蘇，羅威，任玲玲

（1.塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000；2北京石大胡楊石油科技發(fā)展有限公司，北京 102200）

在塔里木盆地庫車山前鉆遇庫姆格列木群鹽膏地層時，遇到壓力系數(shù)高達(dá)2.4～2.6g/cm3的高壓鹽水層與易漏地層，2者同處于一個裸眼，前者孔隙壓力與后者漏失壓力十分接近[1-2]。采用柴油基鉆井液鉆遇高壓鹽水層發(fā)生溢流時，需采用超高密度（2.5～2.8g/cm3）鉆井液壓井，為了防止壓井過程中發(fā)生井漏，要求超高密度油基鉆井液抗溫160℃，具有流變性好、高溫高壓濾失量低和良好的封堵性與動、靜沉降穩(wěn)定性[3-5]。超高密度鉆井液中加重劑已占其體積50%以上，該鉆井液在流動時，加重劑顆粒間緊密接觸的摩擦力隨之急劇增加，因而超高密度鉆井液的表觀黏度不再由“結(jié)構(gòu)黏度”和“非結(jié)構(gòu)黏度”兩部分構(gòu)成，增加了顆粒緊密接觸摩擦而引起的黏度，因而加重劑特性對超高密度鉆井液性能起到極其重要的作用，本文主要研究加重劑對抗高溫超高密度柴油基鉆井液性能的影響[6-11]。

1 實(shí)驗(yàn)用處理劑及實(shí)驗(yàn)方法

處理劑：柴油，主乳化劑，輔乳化劑，潤濕劑，有機(jī)土，降濾失劑，增黏劑，提切劑，CaO與25%CaCl2水。

配漿方法：用高速攪拌器常溫配漿，在160℃下熱滾16 h，冷卻后測性能，在65℃下測量流變性能與破乳電壓，160℃下測高溫高壓濾失量。

常規(guī)性能測量方法：按照國標(biāo)GB/T 1678.2—2012進(jìn)行測定。

動沉降穩(wěn)定性：用改進(jìn)的The Viscometer Sag Shoe Test（Vsst）沉降測試方法在65℃下進(jìn)行測定。

顆粒度：使用歐美克Top Sizer激光粒度分析儀進(jìn)行測定。

2 單一加重劑對抗高溫超高密度柴油基鉆井液性能的影響

采用不同密度、不同粒徑的重晶石以及氧化鐵粉、Microdense、MicroMax等5種加重劑配制超高密度柴油基鉆井液，研究其對超高密度柴油基鉆井液性能的影響。所采用的加重劑性能見表1。

表1 5種加重劑性能

2.1 加重劑種類對流變性能的影響

加重劑種類對油水比為90∶10柴油基鉆井液流變性能的影響見表2。

表2 加重劑種類對油水比90∶10柴油基鉆井液性能的影響

從表2可以看出，采用重晶石（ρ=4.2g/cm3）加重柴油基鉆井液，鉆井液密度達(dá)2.4g/cm3時仍具有較好流變性能，鉆井液密度超過2.4g/cm3，表觀黏度增高，無法滿足要求；使用重晶石（ρ=4.3g/cm3），氧化鐵粉或Microdense加重柴油基鉆井液密度至2.5g/cm3時，鉆井液流變性能稍有改善，但仍然偏高，無法滿足要求；只有采用顆粒度D90為1.38 μm的球形MicroMax加重的密度為2.8g/cm3超高密度油基鉆井液，具有較好的流變性能；采用重晶石加重，鉆井液具有較低的高溫高壓濾失量，鉆井液密度從2.4 提高至2.8g/cm3，高溫高壓濾失量保持穩(wěn)定；采用氧化鐵粉與Microdense加重，高溫高壓濾失量稍高，分別為4.2～5.0mL與4.5～8.6mL ；而采用超細(xì)的MicroMax加重鉆井液的濾失量高達(dá)82～100mL。

2.2 對破乳電壓的影響

加重劑種類對柴油基鉆井液破乳電壓的影響見圖1。從圖1可知：采用重晶石、MicroMax加重柴油基鉆井液，鉆井液具有較高的破乳電壓；采用Microdense加重，油基鉆井液乳化性能一般，破乳電壓基本能達(dá)到要求；采用氧化鐵粉加重，油基鉆井液乳化性能不好，破乳電壓不足400 V；各類加重劑加重時，鉆井液密度從2.4g/cm3增至2.5g/cm3，破乳電壓均下降，鉆井液密度繼續(xù)增高，破乳電壓增高。

圖1 加重劑種類對油水比90∶10油基鉆井液破乳電壓的影響

2.3 對動態(tài)沉降穩(wěn)定性的影響

采用Microdense與MicroMax加重油基鉆井液，鉆井液密度從2.4提高到2.8g/cm3，由于其顆粒度小，鉆井液均具有良好的動態(tài)沉降穩(wěn)定性，詳見圖2。

圖2 加重劑種類對油基鉆井液動態(tài)沉降的影響

由圖2可知，MicroMax在低塑性黏度條件下可以與Microdense保持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，而采用重晶石與氧化鐵粉加重的密度為2.4g/cm3的油基鉆井液，雖然其塑性黏度非常高，但是其沉降穩(wěn)定性還是不如2種超微加重劑好。

3 加重劑復(fù)配對超高密度柴油基鉆井液性能的影響

通過以上實(shí)驗(yàn)，單獨(dú)使用各種類型加重劑加重超高密度柴油基鉆井液，其性能均無法全面滿足鉆井作業(yè)的需求。

根據(jù)Farris效應(yīng)[5]，采用粒徑不同顆粒進(jìn)行復(fù)配。在不同粒徑固相體系中，小粒徑顆?？梢蕴畛湓诖箢w粒間空隙中。對雙組分體系，黏度與兩組分濃度比和體系總濃度間存在一定關(guān)系，如圖3所 示[5-6]。從圖3可知，當(dāng)向大顆粒體系中逐漸加入小顆粒時，體系黏度隨之降低，小顆粒濃度達(dá)到0.4左右時，體系黏度最低，此現(xiàn)像稱為Farris效應(yīng)。

圖3 雙組分體系相對黏度隨兩組分（粒徑比 1∶5）濃度比、體系總濃度的關(guān)系

由上述實(shí)驗(yàn)可知，MicroMax在超高密度油基鉆井液中有著獨(dú)特的優(yōu)勢，因此選擇MicroMax與重晶石進(jìn)行復(fù)配。

3.1 重晶石與MicroMax復(fù)配對顆粒度的影響

采用重晶石與MicroMax復(fù)配產(chǎn)物的顆粒度見表3。從表3可以看出，隨著MicroMax加量增加，D90、D50均逐漸減小，重晶石∶MicroMax為50∶50時顆粒度變化明顯。

3.2 復(fù)配比例對超高密度柴油基鉆井液性能的影響

重晶石與MicroMax復(fù)配對超高密度柴油基鉆井液性能的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可以看出，隨著加重劑中MicroMax的增加，鉆井液黏度、動切力、靜切力均下降，重晶石與MicroMax比例為30∶70，繼續(xù)增加MicroMax，鉆井液黏度、動切力、靜切力增大；高溫高壓濾失量隨著加重劑中MicroMax的增加變化不大，當(dāng)重晶石與MicroMax比例超過50∶50時，高溫高壓濾失量隨著加重劑中MicroMax的增加而急劇增大；隨MicroMax增加動沉降穩(wěn)定性而得到改善，破乳電壓稍有下降。上述實(shí)驗(yàn)表明，重晶石與MicroMax復(fù)配比例為60∶40，超高密度鉆井液獲得良好性能。此復(fù)配比例符合Farris效應(yīng)。

表3 重晶石與MicroMax復(fù)配產(chǎn)物顆粒度 （μm）

表4 重晶石與MicroMax復(fù)配對2.8g/cm3油基鉆井液性能的影響

3.3 復(fù)配與單一加重劑加重柴油基鉆井液性能對比

從表5可以得出，采用重晶石與MicroMax復(fù)配加重密度為2.4g/cm、油水比為80∶20的油基鉆井液，其流變性、破乳電壓均優(yōu)于各類別單一加重劑加重的超高密度油基鉆井液，并具有較低的高溫高壓濾失量。從表2、表4、表5數(shù)據(jù)亦可得出采用重晶石與MicroMax按6∶4復(fù)配，加重密度為2.6、2.8g/cm3、油水比為90∶10的柴油基鉆井液，其流變性能與濾失性能均優(yōu)于單一類型加重劑所配制的超高密度柴油基鉆井液。

表5 重晶石與MicroMax復(fù)配與其它加重劑 加重鉆井液（油水比80∶20）性能對比

4 結(jié)論

1.超高密度柴油基鉆井液中固相含量相當(dāng)高，該鉆井液的表觀黏度不再由“結(jié)構(gòu)黏度”和“非結(jié)構(gòu)黏度”兩部分構(gòu)成 ，而增加了顆粒緊密接觸摩擦而引起的黏度，因而優(yōu)選加重劑是確保配制超高密度柴油基鉆井液良好性能的主要因素之一。

2.采用重晶石（4.2g/cm3）、重晶石（4.3g/cm3）、氧化鐵粉、Microdense、MicroMax等單一加重劑配制超高密度柴油基鉆井液，其性能無法全面滿足鉆井工程的需要。采用具有超微細(xì)、高密度、球形等特點(diǎn)的MicroMax加重超高密度柴油基鉆井液，擁有非常好的流變性能和良好的沉降穩(wěn)定性，但是由于顆粒度小，顆粒度分布窄，單獨(dú)使用時，無法控制鉆井液濾失量。

3.使用比例為60∶40的重晶石和MicroMax加重超高密度柴油基鉆井液，可以獲得全面滿足鉆井工程需求的超高密度柴油基鉆井液，該鉆井液具有良好的流變性能、低的高溫高壓濾失量與和良好的動沉降穩(wěn)定性，可以控制因?yàn)槌?xì)顆粒導(dǎo)致的濾失量增大的問題，能滿足庫車山前鉆進(jìn)高壓鹽水層與易漏地層的需求。