李家學(xué)，蔣紹賓，晏智航，回海軍，陳林，崔長(zhǎng)顥

（1.塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000；2.北京石大胡楊石油科技發(fā)展有限公司，北京 102200；3.知合環(huán)境（北京）有限責(zé)任公司，北京 100035）

隨著對(duì)石油資源的不斷勘探和開(kāi)發(fā)，鉆遇復(fù)雜地層增多，為了防止發(fā)生井下復(fù)雜情況，在鉆完井作業(yè)過(guò)程中保持鉆完井液有良好的靜態(tài)沉降穩(wěn)定性將是一個(gè)極大挑戰(zhàn)。在石油工業(yè)中，盡管研究者對(duì)鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性做了一些工作，但沒(méi)有形成一套系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，大致歸納為在不同的測(cè)試條件下建立了一些定性和定量評(píng)價(jià)方法，其中一些評(píng)價(jià)方法還需精密儀器輔助，因此有必要對(duì)鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究。

1 鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法大多數(shù)是依據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和沉降條件而建立的，因此鉆完井液靜態(tài)沉降測(cè)試方法有多種，包括靜態(tài)分層指數(shù)法[1-3]、靜態(tài)沉降穩(wěn)定性測(cè)定法[4-5]、沉降因子法[6-8]、高溫高壓沉降穩(wěn)定性測(cè)試裝置測(cè)定法[9]等定性定量測(cè)試方法；針入式沉實(shí)度測(cè)定法[2]、動(dòng)態(tài)沉降裝置測(cè)定法[3]、穩(wěn)定性分析儀測(cè)定法[10-13]、循環(huán)模擬裝置測(cè)定法[14-15]等需借助精密儀器檢測(cè)鉆完井液沉降穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法；較為簡(jiǎn)單的落棒法，具體評(píng)價(jià)方法論述如下。

1）靜態(tài)分層指數(shù)法。它是一種定量定性評(píng)價(jià)鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性的方法，通過(guò)公式（1）計(jì)算出靜態(tài)分層指數(shù)（Static Stratification Index），簡(jiǎn)稱(chēng)SSI值，其值越大，鉆完井液沉降越嚴(yán)重，反之鉆完井液沉降穩(wěn)定性越好。

式中，V%i為每一層在老化罐內(nèi)所占的體積分?jǐn)?shù)，%；△MWi為每一層鉆完井液與初始鉆完井液的密度差，g/cm3。

2）針入式沉實(shí)度測(cè)定法。它是一種基于針入式沉實(shí)度測(cè)定儀所建立的定性定量沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，主要測(cè)量鉆完井液沉降阻力以及沉實(shí)度，其值越大，沉降越嚴(yán)重，反之沉降穩(wěn)定性越好。

3）動(dòng)態(tài)沉降裝置測(cè)定法。此法借助不同位置壓力傳感器測(cè)量鉆完井液在靜態(tài)下不同部位壓力隨時(shí)間的變化，然后通過(guò)模擬計(jì)算出鉆完井液密度隨時(shí)間變化情況。

4）靜態(tài)沉降穩(wěn)定性測(cè)定法。它是一種基于沉降穩(wěn)定性測(cè)定儀用來(lái)定性測(cè)量鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性，依據(jù)單點(diǎn)傳感器所測(cè)鉆完井液的平均密度隨時(shí)間變化來(lái)反推鉆完井液靜態(tài)沉降速率，其密度遞增（△ρ）越大，反映鉆完井液沉降穩(wěn)定性越差，測(cè)試結(jié)果局限于某點(diǎn)附近的密度隨時(shí)間變化。

5）沉降因子（SF）法。主要測(cè)定鉆完井液（游離液除外）上部與下部密度，定義公式見(jiàn)式（2），其中SF為0.5時(shí)，說(shuō)明未發(fā)生靜態(tài)沉降，SF大于0.52說(shuō)明靜態(tài)沉降穩(wěn)定性較差。

式中，SF為沉降因子，ρ上部為老化罐中除去清液后上部鉆完井液平均密度，ρ下部為老化罐中底部鉆完井液平均密度，g/cm3。

6）高溫高壓沉降穩(wěn)定性測(cè)試裝置測(cè)定法。該方法是一種定性定量評(píng)價(jià)鉆完井液沉降穩(wěn)定性的方法，通過(guò)對(duì)鉆完井液不同位置（主要測(cè)量上、中和下3 個(gè)點(diǎn)）密度，依據(jù)密度差值大小判定整體鉆完井液的靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。

7）穩(wěn)定性分析儀測(cè)定法。此法借助于穩(wěn)定性分析儀來(lái)測(cè)量樣品沉降穩(wěn)定性，通過(guò)累計(jì)樣品所有高度處前后兩次掃描測(cè)量的光強(qiáng)度變化值，定量、直觀(guān)地比較相關(guān)試樣的穩(wěn)定性差異，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)公式（3），TSI值越小，體系穩(wěn)定性越好。

式中，h為掃描點(diǎn)高度，H為樣品總高度，i為掃描次數(shù)，scani（h）為第i次掃描參比光強(qiáng)度，scani-1（h）為第i-1 次掃描光強(qiáng)值。

8）循環(huán)模擬裝置測(cè)定法。此法借助于流動(dòng)回路裝置，模擬鉆井現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行鉆完井液沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

9）落棒法。落棒法是一種借助于玻璃棒測(cè)量鉆完井液沉降穩(wěn)定性的定性測(cè)定方法，當(dāng)玻璃棒在鉆完井液中緩慢自由沉降時(shí)，它受到本身的重力G、液體作用在玻璃棒的浮力和鉆完井液提供的黏滯阻力F三個(gè)豎直方向的力，因此玻璃棒自由下落至罐底需要考慮因素太多，所以此法只能粗略評(píng)價(jià)鉆完井液沉降穩(wěn)定性。

鉆完井液沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用范圍局限于自身測(cè)試條件和環(huán)境因素，因此在實(shí)際應(yīng)用中，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的選擇應(yīng)取決于測(cè)試的準(zhǔn)確性、操作性和實(shí)用性，綜合分析上述鉆完井液沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，得到以下結(jié)果。①全能穩(wěn)定性分析儀測(cè)定法適合理論研究鉆完井液沉降穩(wěn)定性。②動(dòng)態(tài)沉降系統(tǒng)測(cè)定法和室內(nèi)循環(huán)模擬裝置測(cè)定法適合模擬現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)鉆完井液沉降穩(wěn)定性。③高溫高壓沉降穩(wěn)定性測(cè)試裝置測(cè)定法和靜態(tài)沉降穩(wěn)定性測(cè)定法適合模擬高溫高壓評(píng)價(jià)鉆完井液的沉降穩(wěn)定性。④落棒法、針入式沉實(shí)度測(cè)定法、沉降因子法和靜態(tài)分層指數(shù)法易操作和實(shí)用性強(qiáng)，適合實(shí)驗(yàn)室和井場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室快速評(píng)價(jià)鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。

2 靜態(tài)沉降評(píng)價(jià)方法研討

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方法調(diào)研結(jié)果，選用落棒法、沉降因子法、針入式沉實(shí)度測(cè)定法和靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法4 種方法對(duì)水基鉆完井液進(jìn)行沉降穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)快速準(zhǔn)確判定鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研討。

2.1 評(píng)價(jià)方法

分別選取現(xiàn)場(chǎng)水基聚磺完井液A 和B 以及室內(nèi)配制1.80 g/cm3水基聚磺完井液C，其中完井液A 配方：井漿+0.25%NaOH+4%SMP-I+1.5%抗高溫降濾失劑+補(bǔ)加API 重晶石至1.68 g/cm3，完井液B 配方：井漿+1%抗高溫降濾失劑+0.5%JNJS-220+補(bǔ)加API 重晶石至1.80 g/cm3，完井液C 配方：5%膨潤(rùn)土+6%SMC+6%SMP-1+0.5%高溫穩(wěn)定劑+0.3%降濾失劑+0.3%NaOH+API 重晶石加重至1.80 g/cm3，充分?jǐn)嚢韬蠓謩e進(jìn)行150 ℃靜恒，選取不同時(shí)間（1 d、3 d、7 d 和15 d），分別采用落棒法、沉降因子法、靜態(tài)沉降穩(wěn)定性分層指數(shù)法（SSSI 法）和針入式沉實(shí)度測(cè)定法評(píng)價(jià)完井液沉降穩(wěn)定性。

2.1.1 落棒法

落棒法的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。將待測(cè)完井液高速攪拌10 min，測(cè)密度并記錄，然后裝入老化罐，擰緊；置于烘箱中進(jìn)行靜置恒溫實(shí)驗(yàn)，待到設(shè)定時(shí)間，冷卻打開(kāi)老化罐，將玻璃棒自由落體插入老化罐中，能聽(tīng)見(jiàn)玻璃棒觸底聲音，說(shuō)明完井液的靜態(tài)沉降穩(wěn)定性好，反之則差。由表1 可知，將玻璃棒插入老化罐底部，完井液B 和C 均能輕松觸底，但水基完井液A 經(jīng)過(guò)3 d 靜置恒溫后，底部有大量重晶石軟沉降，導(dǎo)致玻璃棒不能自由觸底。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，落棒法不能定量判定完井液的沉降程度。

2.1.2 沉降因子法

沉降因子法的測(cè)試步驟如下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 在150 ℃下水基完井液的落棒法評(píng)價(jià)結(jié)果

表2 在150 ℃下水基完井液的沉降因子評(píng)價(jià)結(jié)果

將待測(cè)完井液高速攪拌10 min，測(cè)密度，后裝入老化罐擰緊；置于烘箱中進(jìn)行靜置恒溫實(shí)驗(yàn)，待到設(shè)定時(shí)間，冷卻打開(kāi)老化罐，測(cè)完井液上下密度，計(jì)算游離液，按照公式（2）計(jì)算出沉降因子SF。由表2 可知，完井液底部密度隨著靜恒時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增大，即靜態(tài)沉降穩(wěn)定性越來(lái)越差，當(dāng)完井液的分液率較低時(shí)，所測(cè)沉降因子能反映完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性，但在表2 中完井液A 所測(cè)沉降因子呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，按照1.5 方法判定標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法正確判斷完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性變差情況。因此沉降因子法不能用于評(píng)估較大分液率的完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。

2.1.3 針入式沉實(shí)度測(cè)定法

測(cè)試步驟為：①將待測(cè)完井液高速攪拌10 min，測(cè)密度，然后裝入老化罐，擰緊；置于烘箱中進(jìn)行靜止恒溫實(shí)驗(yàn)，待到設(shè)定時(shí)間，冷卻打開(kāi)老化罐。②將老化罐置于針入式沉實(shí)度測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置上，分別記錄4 個(gè)不同位置的探測(cè)器下降過(guò)程中的最大值（沉降阻力）及探棒到底停止后的穩(wěn)定值（沉實(shí)度）。③清洗探棒。由表3 可知，完井液A、B 和C 所測(cè)沉實(shí)度和沉降阻力隨著靜恒時(shí)間增長(zhǎng)而變大，但在150 ℃下，密度均為1.8 g/cm3完井液B 和C 所測(cè)結(jié)果差別較大，說(shuō)明針入式沉實(shí)度測(cè)定法所測(cè)結(jié)果可能還受其他因素影響。因此針入式沉實(shí)度測(cè)定方法可以解釋完井液沉降變化趨勢(shì)，但不能直接定量確定沉降穩(wěn)定性變化程度。

表3 在150 ℃下水基完井液的針入式沉實(shí)度評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1.4 靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法

靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法（Static Stable Stratification Index）在1.1 評(píng)價(jià)方法基礎(chǔ)上改進(jìn)的方法，具體步驟：將完井液加入老化罐中，在特定溫度下靜態(tài)放置一段時(shí)間后，將老化罐中鉆完井液從上至下分為4 層，依次為游離液，上層（h=2.5 cm）、中層和下層（h=2.5 cm），分別移至燒杯中，并記錄各層體積，然后用密度計(jì)測(cè)試密度，并記錄，最后依據(jù)公式（4）計(jì)算靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)（SSSI），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)4。

表4 在150 ℃下水基完井液的靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表4 可知，完井液A、B 和C 所測(cè)SSSI 值隨著靜恒時(shí)間增長(zhǎng)而變大，且在150 ℃下，密度均為1.8 g/cm3完井液B 和C 所測(cè)SSSI 值可以明顯判定出它們沉降穩(wěn)定性差異。從完井液A 所測(cè)SSSI 變化趨勢(shì)，可以看出完井液的穩(wěn)定性變差時(shí)候發(fā)生在靜恒1～3 d 時(shí)間段。因此，SSSI 法不僅能區(qū)分相同密度完井液沉降穩(wěn)定性靜恒過(guò)程發(fā)生的變化，還能判定完井液沉降穩(wěn)定性變差發(fā)生時(shí)間段。

2.2 4種評(píng)價(jià)方法結(jié)果綜合分析

對(duì)落棒法、沉降因子法、針入式沉實(shí)度測(cè)定法和靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法4 種方法所得到的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，結(jié)果見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 不同沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法測(cè)試水基完井液A 結(jié)果與底部密度之間關(guān)系

圖2 不同沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法測(cè)試水基完井液B 結(jié)果與底部密度之間關(guān)系

圖3 不同沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法測(cè)試室內(nèi)配制水基完井液C 結(jié)果與底部密度之間關(guān)系

落棒法存在較強(qiáng)的主觀(guān)性，只能粗略定性完井液沉降穩(wěn)定性，不能定量判斷完井液的沉降程度。由圖2、圖3可知，在靜恒15 d 期間，靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法所測(cè)結(jié)果與底部密度相關(guān)性最好，其相關(guān)系數(shù)R2值可達(dá)0.98 以上，其次是針入式沉實(shí)度測(cè)定法所測(cè)結(jié)果，其相關(guān)系數(shù)R2值在0.6～0.9 范圍，最差為沉降因子法，其相關(guān)系數(shù)R2值低于0.6，因此靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法所測(cè)結(jié)果能較為客觀(guān)反映水基完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。

2.3 鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性的影響因素

選取室內(nèi)配制完井液，在150 ℃下進(jìn)行15 d靜態(tài)沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 2.0 g/cm3 完井液在150 ℃下的 15 d 靜態(tài)沉降穩(wěn)定性

由表6 可知，完井液在高溫靜恒實(shí)驗(yàn)中底部密度一直在逐漸增大，表明完井液沉降持續(xù)在進(jìn)行，而SSSI 值逐漸增大，說(shuō)明完井液沉降穩(wěn)定性逐漸變差；從1#和2#配方實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，加重劑的粒徑和完井液黏度對(duì)完井液沉降穩(wěn)定性影響較少，而分液率對(duì)完井液沉降穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果影響較大；從3#和4#配方沉降穩(wěn)定性可知，完井液的表觀(guān)黏度對(duì)完井液沉降穩(wěn)定性的影響較少，但分液率和加重劑的粒徑對(duì)完井液沉降穩(wěn)定性結(jié)果有一定的影響。因此，依據(jù)Stokes 定律[16-17]，影響鉆完井液沉降穩(wěn)定性能的因素一般包括加重劑的粒徑和密度以及鉆完井液的黏度和密度。

3 認(rèn)識(shí)與建議

1.通過(guò)對(duì)靜態(tài)沉降穩(wěn)定性測(cè)試方法的調(diào)研分析，從準(zhǔn)確性、操作性和實(shí)用性方面考慮，落棒法、針入式沉實(shí)度測(cè)定法、沉降因子法和靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)法能簡(jiǎn)單快速評(píng)價(jià)鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。

2.靜態(tài)穩(wěn)定分層指數(shù)所測(cè)鉆完井液結(jié)果比較真實(shí)反映完井液沉降穩(wěn)定性，所測(cè)SSSI 值與底部密度相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.97 以上；針入式沉實(shí)度測(cè)定法所測(cè)結(jié)果只能判定鉆完井液靜態(tài)沉降趨勢(shì)，無(wú)法定量評(píng)價(jià)完井液實(shí)際沉降程度；沉降因子法只適合評(píng)價(jià)分液率較低鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性；落棒法只能粗略判斷鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性。

3.如何長(zhǎng)效控制和調(diào)控加重劑沉降穩(wěn)定性應(yīng)該著重以下兩個(gè)方向，一方面需發(fā)一種新的儀器，定量測(cè)定各種溫度與壓力下，鉆完井液靜態(tài)沉降穩(wěn)定性，測(cè)試條件既能模擬現(xiàn)場(chǎng)，又能簡(jiǎn)化操作。另一方面要深入研究影響不同密度鉆完井液性能在不同溫度與壓力下靜態(tài)沉降穩(wěn)定性的因素。