由福昌，周書(shū)勝，韓銀府，符 合，高 陽(yáng)

（荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)化進(jìn)程的加快，常規(guī)油氣資源逐漸衰竭，為了解決國(guó)內(nèi)能源供需矛盾，促使鉆探工作向深部地層油氣資源投入[1]，我國(guó)深層油氣資源具有分布廣、地質(zhì)條件復(fù)雜、埋藏深和地溫梯度大的特點(diǎn)[2]，對(duì)鉆探工作所用鉆井液技術(shù)提出挑戰(zhàn)。鉆井過(guò)程中易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、井眼垮塌和起下鉆復(fù)雜等復(fù)雜情況[3]。目前，已超過(guò)70%的施工井均在不同程度下出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，水基鉆井液濾失與黏土含量高的泥頁(yè)巖發(fā)生水化應(yīng)力，破環(huán)泥頁(yè)巖微裂縫膠結(jié)物，并在高溫作用下，使巖石剛性強(qiáng)度降低，改變?cè)芯蹜?yīng)力分布，造成井壁失穩(wěn)等井下復(fù)雜事故[4-6]，解決高溫井壁失穩(wěn)常見(jiàn)手段為強(qiáng)化鉆井液降濾失、抗高溫、抑制性能。有機(jī)硅鉆井液具有優(yōu)異的防塌性能、熱穩(wěn)定性、抑制性、無(wú)毒等特點(diǎn)[7]，并在多個(gè)油田應(yīng)用效果良好[8]。本文采用有機(jī)硅降濾失劑、胺基硅醇抑制劑的機(jī)理出發(fā)，利于兩者研制出能抗高溫有機(jī)硅鉆井液體系，并評(píng)價(jià)其流變性、降濾失性以及抑制性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和儀器

Na2CO3、NaOH：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司；CaCl2：工業(yè)純，長(zhǎng)城鉆探工程公司；抗高溫穩(wěn)定劑GBH：中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院；降濾失劑DRISTEMP：Chevron Phillips Chemical 公司；流型調(diào)節(jié)劑GHY：北京遠(yuǎn)東聯(lián)創(chuàng)科技有限公司；有機(jī)硅降濾失劑、胺基硅醇抑制劑：實(shí)驗(yàn)室自制。

GW300 高溫滾子加熱爐、AB104-N 型電子天平、ZNN-D6 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、NP-03 型高溫高壓頁(yè)巖膨脹儀及S-530 型掃描電子顯微鏡等。

1.2 抗高溫有機(jī)硅鉆井液的配制

經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)優(yōu)選處理劑，最終確定抗高溫有機(jī)硅鉆井液配方：3.5%膨潤(rùn)土+0.25%NaOH+0.25%Na2CO3+1%抗高溫穩(wěn)定劑GBH+1.5%胺基硅醇抑制劑+（3%～4%）有機(jī)硅降濾失劑+（0.6%～0.9%）流型調(diào)節(jié)劑GHY+不同密度所需重晶石。

1.3 流變性能及降濾失性能測(cè)試

采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試熱滾前后的流變，采用鉆井液失水儀測(cè)量熱滾后鉆井液FLAPI以及高溫高壓失水儀測(cè)量熱滾后鉆井液FLHTHP，對(duì)鉆井液性能測(cè)試具體參考GB/T 16783-2014。

1.4 抑制性能評(píng)價(jià)

將50 g 已風(fēng)干的6～10 目露頭巖樣置于有機(jī)硅鉆井液中，在一定溫度下熱滾16 h，將熱滾后鉆井液中的露頭巖樣過(guò)40 目篩收集，清洗干燥后稱量其質(zhì)量m2，計(jì)算露頭巖樣的滾動(dòng)回收率R=m2/50，R 越大，則表明有機(jī)硅鉆井液抑制性能越強(qiáng)。另外，通過(guò)膨潤(rùn)土線性膨脹率測(cè)試有機(jī)硅抑制性能，實(shí)驗(yàn)步驟參考鉆井液用頁(yè)巖抑制劑評(píng)價(jià)方法[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同密度下有機(jī)硅鉆井液性能評(píng)價(jià)

不同密度下有機(jī)硅鉆井液在溫度為200 ℃下熱滾16 h，50 ℃測(cè)試其熱滾前后的流變性能以及熱滾后的濾失量、滾動(dòng)回收率，數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。

從表1 可知，不同密度有機(jī)硅鉆井液在高溫下熱滾后性能穩(wěn)定，熱滾前后黏度、切力變化較小，表明鉆井液中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在高溫下穩(wěn)定，不易斷裂，起到懸浮重晶石、攜帶鉆屑的作用。鉆井液高溫高壓濾失量均小于20 mL，露頭巖樣滾動(dòng)回收率均大于90%，表明有機(jī)硅鉆井液濾失量小、抑制性強(qiáng)以及抗高溫性能優(yōu)異。

表1 不同密度下有機(jī)硅鉆井液性能評(píng)價(jià)

2.2 膨潤(rùn)土線性膨脹評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步研究有機(jī)硅鉆井液抑制性能，通過(guò)膨潤(rùn)土線性膨脹率測(cè)試上述三種不同密度鉆井液的抑制性能，數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1）。

圖1 有機(jī)硅鉆井液抑制性能評(píng)價(jià)

從圖1 可知，三種不同密度的有機(jī)硅鉆井液對(duì)膨潤(rùn)土水化膨脹具有優(yōu)異的抑制效果，其線性膨脹率均小于6%，其抑制效果與油基鉆井液相近，其機(jī)理為胺基硅醇分子含有胺基和硅羥基，使其與膨潤(rùn)土發(fā)生牢固地化學(xué)、物理吸附，包被黏土顆粒并在其表面形成疏水吸附膜，阻止黏土礦物水化反應(yīng)進(jìn)行[10]。隨著鉆井液密度降低，其抑制性能更強(qiáng)，其原因?yàn)殂@井液密度越高，重晶石所占比例越高，使鉆井液?jiǎn)挝惑w積內(nèi)胺基硅醇抑制劑濃度變小，使高密度鉆井液抑制效果降低。

2.3 抗鹽鈣污染能力評(píng)價(jià)

鉆井過(guò)程中，鉆井液受鹽鈣污染是不可避免的，尤其鉆遇鹽膏層和鹽巖層，鹽鈣污染易造成鉆井液性能惡化，使鉆井液護(hù)壁性能變差，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致井壁垮塌。稱取一定量CaCl2加入到密度為1.5 g/cm3有機(jī)硅鉆井液中（200 ℃下熱滾16 h，50 ℃測(cè)試其流變）來(lái)評(píng)價(jià)其抗鹽鈣污染性能，數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）。

表2 有機(jī)硅鉆井液抗鹽鈣污染性能評(píng)價(jià)

從表2 可知，隨著CaCl2加量增加，鉆井液黏度逐漸增大、切力基本不變、濾失量逐步增大。CaCl2含量增加使鉆井液中的Ca2+含量增大，使黏土顆粒擴(kuò)散雙電層變薄，Zeta 電位絕對(duì)值降低，黏土顆粒之間的斥力降低，黏土顆粒相互之間碰撞概率增大而形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[11]，使鉆井液亞微固相顆粒增大，固相堆積使鉆井液的滲透率增大，造成鉆井液濾失量增大。當(dāng)CaCl2含量為10%時(shí)，有機(jī)硅鉆井液高溫高壓濾失量小于30 mL，表明有機(jī)硅鉆井液具有良好的抗鹽鈣污染性能。

2.4 SEM 表征結(jié)果

200 ℃熱滾16 h 后的1.5 g/cm3有機(jī)硅鉆井液中泥餅的SEM 照片（見(jiàn)圖2（a）），將有機(jī)硅鉆井液中有機(jī)硅降濾失劑替換為Chevron Phillips Chemical 公司的抗高溫降濾失劑DRISTEMP，相同條件下，得到該鉆井液泥餅的SEM 照片（見(jiàn)圖2（b））。

圖2 鉆井液泥餅SEM 圖

從圖2 兩張SEM 分析，DRISTEMP 降濾失劑配制的鉆井液在壓差下形成的泥餅凹凸不平，存在微孔隙，泥餅滲透率大，而有機(jī)硅降濾失劑使泥餅平整、致密，泥餅滲透率小，使鉆井液濾失量小。有機(jī)硅降濾失劑含有Si-O-C 鍵，在水中發(fā)生水解生成Si-OH，該基團(tuán)與黏土顆粒羥基發(fā)生縮聚反應(yīng)形成Si-O-Si，該鍵能大于400 kJ/mol，斷裂能壘高，在高溫下不易斷裂[12]，使分子吸附在黏土表面，造成黏土顆粒Zeta 電位絕對(duì)值增大，在壓差下堵塞濾餅孔隙，達(dá)到降濾失作用。

3 結(jié)論

（1）有機(jī)硅鉆井液在200 ℃熱滾前后性能穩(wěn)定，其高溫高壓濾失量小于20 mL，使露頭巖樣滾動(dòng)回收率大于90%，膨潤(rùn)土線性膨脹率小于6%，其抑制效果與油基鉆井液相近，表明有機(jī)硅鉆井液濾失量小、抑制性強(qiáng)以及抗高溫性能優(yōu)異。

（2）胺基硅醇抑制劑分子含有胺基和硅羥基，使其與膨潤(rùn)土發(fā)生牢固地化學(xué)、物理吸附，包被黏土顆粒并在其表面形成疏水吸附膜，有效抑制黏土礦物水化反應(yīng)進(jìn)行。有機(jī)硅降濾失劑含有Si-OH 鍵，與黏土顆粒羥基發(fā)生縮聚反應(yīng)，使有機(jī)硅降濾失劑牢固吸附在黏土表面，提高其穩(wěn)定、分散性能，在壓差下堵塞濾餅孔隙，達(dá)到降濾失作用。