劉雪婧，耿鐵，趙春花，羅健生

(中海油服油田化學(xué)事業(yè)部，河北 三合 065201)

與水基鉆井液相比，油基鉆井液在井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑防卡、抑制頁巖水化膨脹和地層造漿，以及快速鉆進(jìn)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，已成為鉆探高溫深井、海上鉆井、大斜度定向井、水平井、各種復(fù)雜井段和儲(chǔ)層保護(hù)的重要手段[1]。目前，國(guó)外在復(fù)雜井鉆井及非常規(guī)油氣井鉆探中，油基鉆井液的應(yīng)用占主導(dǎo)地位[2]。我國(guó)海上鉆井作業(yè)環(huán)保要求原來越嚴(yán)格，渤海等一級(jí)海域不允許排放所有類型鉆井液及含油鉆屑。相對(duì)水基鉆井液的一次性使用特性而言，油基鉆井液可反復(fù)利用，在鉆進(jìn)多口井時(shí)，反而降低了鉆井成本，因此，為滿足鉆井和環(huán)保要求，有必要開發(fā)低毒環(huán)保油基鉆井液體系[3-4]。相較于傳統(tǒng)油基鉆井液采用具有生物毒性的CaCl2而言，油基鉆井液的內(nèi)相更需具有環(huán)保性。

在油基鉆井中，為了防止或減弱泥頁巖地層的水化膨脹，保證井壁穩(wěn)定，一般采用CaCl2或NaCl作為油基鉆井液的內(nèi)相，控制鉆井液活度與地層水活度相當(dāng)，但是CaCl2或NaCl溶液中的氯離子會(huì)阻止或者延緩?fù)寥乐猩锏纳L(zhǎng)，于環(huán)境有害[5-6]。甲酸鹽也曾經(jīng)被用作油基鉆井液的內(nèi)相，但是甲酸鹽成本高，且甲酸根容易使土壤板結(jié)[7]。邱正松[8]等研究了以NH4Ca(NO3)為內(nèi)相的油基鉆井液，但是內(nèi)相使用濃度高，31.47% NH4Ca(NO3)溶液的活度僅為0.9，在遇低活度地層時(shí)鉆井成本較高。

本工作采用氣制油為基礎(chǔ)油，以妥爾油脂肪酸脂衍生物為乳化劑，易溶于水，無毒的CH3COONa為內(nèi)相，研制了合成基鉆井液體系，該體系具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，流體類型符合Herschel-Bulkley模型。與CaCl2合成基鉆井液相比，鉆井液結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，具有較穩(wěn)定的高溫流變性，說明CH3COONa可以用做合成基鉆井液內(nèi)相。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

氣制油、主乳化劑PF-MOEMUL、輔乳化劑PF-MOCOAT、有機(jī)土PF-MOGEL、降濾失劑PF-MOHFR、石灰石，天津中海油服化學(xué)有限公司；乙酸鈉、氯化鈣，分析純。

WT-2000A變頻高速攪拌器，F(xiàn)ANN 23E破乳電壓儀，OFITE高溫滾子爐，OFITE800旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，DM4000M智能顯微鏡，溫控型高精度雙傳感水活度測(cè)試儀，安東帕MCR102智能高級(jí)流變儀，F(xiàn)ann 50高溫高壓流變儀，GRACE M7500 超高溫高壓流變儀(含PVT模塊) 。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1)分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～30%的CH3COONa溶液和CaCl2溶液，測(cè)試25 ℃時(shí)不同濃度條件下活度變化。

2)乳化效率：在280 mL氣制油中，加入一定配比的乳化劑，高速攪拌5 min，加入70 mL 20%CH3COONa或20%CaCl2溶液高速攪拌20 min，轉(zhuǎn)移至老化罐中150 ℃熱滾16 h。老化后，降至室溫取出乳液，高攪20 min，快速轉(zhuǎn)移至具刻度的250 ml量筒中，記錄不同時(shí)間乳液上層析出油的體積。按公式(1)計(jì)算乳化效率(W2)。

(1)

式中：V1為量筒中的乳液總體積，mL；V2為不同時(shí)間分離出的油層體積，mL。

3)鉆井液配方及測(cè)試：320 mL氣制油+2.0%PF-MOEMUL+1.0% PF-MOCOAT+2.5% PF-MOALK+2.5% PF-MOGEL+80 mL內(nèi)相溶液+降濾失劑PF-MOHFR+0.5%PF-MOVIS+石灰石加重到1.2 g/cm3。裝入老化罐后置于高溫滾子爐中150 ℃恒溫?zé)釢L老化。老化16 h后冷卻后測(cè)試鉆井液于65.5 ℃性能。

在對(duì)湖北省縣市圖地理國(guó)情普查圖編制研究過程中，采用了基于圖數(shù)分離的技術(shù)手段，基于知識(shí)模板的縮編技術(shù)，智能化的操作大大提高了作業(yè)效率，作業(yè)效率提高了80%左右，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)歷效益。此項(xiàng)目的研究對(duì)于常態(tài)化地理國(guó)情監(jiān)測(cè)，圖件快速制圖出圖提供了新的思路。

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)相及乳液性能

2.1.1CH3COONa與CaCl2活度對(duì)比

為了較好的比較CH3COONa和CaCl2為內(nèi)相對(duì)合成基鉆井液的性能影響，測(cè)試了不同濃度CH3COONa溶液與CaCl2溶液的活度變化,結(jié)果見圖1。由圖1可見，溶液的活度隨著濃度增加而下降。結(jié)合通用地層活度約0.80～0.90，以及避免內(nèi)相濃度變化對(duì)體系性能影響等因素，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的鹽溶液為內(nèi)相即可滿足一般地層條件。

2.1.2乳化效率

選用妥爾油脂肪酸衍生物為乳化劑，測(cè)試了乙酸鈉與氯化鈣為內(nèi)相乳液的乳化效率，結(jié)果見圖2。

從圖2 可以看出，CH3COONa為內(nèi)相的乳液乳化效率稍低于CaCl2為內(nèi)相乳液的乳化效率，這可能是乙酸根離子基團(tuán)尺寸較大，活度較低，游離自由水相對(duì)較多，造成乳化較為困難，但是30 min時(shí)CH3COONa乳化效率84%，可滿足油基鉆井液乳液乳化效率要求，認(rèn)為其可以作為油基鉆井液的內(nèi)相。

2.1.3乳狀液微觀觀察

對(duì)加入有機(jī)土，氧化鈣的上述乳液稀釋400倍進(jìn)行了微觀觀察，結(jié)果見圖3所示(放大200倍)。

圖3 兩種內(nèi)相乳液的微觀結(jié)構(gòu)

從圖3可以看出，兩種內(nèi)相的油基鉆井液乳液都能清晰的看到乳液滴，且兩種內(nèi)相的乳液液滴尺寸接近，分散均勻，體系具有較好的乳化穩(wěn)定性。說明可以用CH3COONa代替CaCl2為內(nèi)相配制環(huán)保合成基鉆井液。

2.2 乙酸鈉合成基鉆井液體系綜合性能評(píng)價(jià)

1)常規(guī)流變性。測(cè)試了按照基礎(chǔ)配方配制的CH3COONa合成基鉆井液在150 ℃老化后65.5 ℃的常規(guī)性能，結(jié)果見表1。從表1 可以看出，相比較而言，以CH3COONa為內(nèi)相的合成基鉆井液黏度稍高，尤其低剪切速率黏度較高，Φ3大于10，初切與終切相近，這樣具有較好的攜鹽能力并避免鉆井過程中激動(dòng)壓力過大的風(fēng)險(xiǎn)。并且該鉆井液體系的高溫高壓慮失量較低，破乳電壓較高。說明CH3COONa環(huán)保合成基鉆井液在65.5 ℃下的常規(guī)性能完全能滿足鉆井工程作業(yè)要求。

表1 基礎(chǔ)配方鉆井液流變性

2)微觀流變性。采用高級(jí)智能流變儀評(píng)價(jià)了鉆井液的微觀流變性(65 ℃)，結(jié)果見圖4。利用振蕩模式評(píng)價(jià)了CH3COONa或CaCl2內(nèi)相對(duì)鉆井液系粘彈性的影響，利用動(dòng)態(tài)應(yīng)力掃描確定每個(gè)樣品的線性粘彈區(qū)，然后在線性粘彈區(qū)內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率掃描測(cè)試，結(jié)果見圖5。

圖4 CH3COONa或CaCl2合成基鉆井液黏度曲線

圖5 CH3COONa或CaCl2合成基鉆井液頻率掃描曲線

由圖4可見，CH3COONa內(nèi)相合成基鉆井液比CaCl2內(nèi)相合成基鉆井液整體黏度高，屈服值高。圖5中，兩種合成基鉆井液乳液的G′(彈性模量)大于G″(粘性模量)，且G′基本上不隨頻率發(fā)生改變，說明乳液形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。綜合說明CH3COONa內(nèi)相合成基鉆井液具較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，破壞結(jié)構(gòu)所需的能量更大。這可能是因?yàn)橄嗤}濃度下，乙酸鈉內(nèi)相溶液黏度稍高，增加了乳化液膜強(qiáng)度，從而使鉆井液更穩(wěn)定。并且乙酸根離子極性較氯離子弱，與體系中表面活性劑、有機(jī)土，流行調(diào)節(jié)劑等更容易形成氫鍵，從而體系結(jié)構(gòu)增強(qiáng)。

3)高溫流變性。采用FANN50高溫高壓流變儀評(píng)價(jià)體系的高溫流變性能，實(shí)驗(yàn)壓力3.5 MPa，結(jié)果如圖6所示。

圖6 CH3COONa或CaCl2合成基鉆井液高溫流變性

由圖6可以看出，該環(huán)保油基鉆井液體系在3.5 MPa壓力下，50～180 ℃范圍內(nèi)具有較好的流變穩(wěn)定性。CH3COONa合成基鉆井液表觀黏度和YP較高，這可能是CH3COONa內(nèi)相黏度稍高，且乙酸根離子與鉆井液中其他助劑的相互作用較強(qiáng)，體現(xiàn)在體系的黏度稍高，也與微觀流變結(jié)果相一致。

2.2.2PVT測(cè)試

采用GRACE M7500 超高溫高壓流變儀的PVT模塊評(píng)價(jià)了CH3COONa合成基鉆井液體系的密度隨溫度壓力變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 CH3COONa合成基鉆井液密度隨溫度、 壓力變化曲線

由圖7可見，相同溫度下，體系密度隨壓力升高而升高，21 MPa與154 MPa下密度上升約0.1

g/cm3。相同壓力下，體系密度隨溫度升高而降低，50 ℃與176.6 ℃下體系密度下降約0.06 g/cm3。說明體系密度受溫度壓力影響較小，并且可根據(jù)地層壓力及溫度確定體系實(shí)際密度，計(jì)算ECD，減少井控風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3抗污染能力評(píng)價(jià)

在CH3COONa合成基鉆井液中加入不同加量的現(xiàn)場(chǎng)鉆屑粉(過120目篩)或人工海水，150 ℃下老化16 h后測(cè)其在65.5 ℃流變性能，結(jié)果見表2。

從表2可以看出：在CH3COONa合成基鉆井液中分別加入40%鉆屑粉后，體系性能開始變差，黏度較大，終切較高，但是30%鉆屑粉污染后體系仍能具有較好的性能，說明體系具有較強(qiáng)的抗鉆屑粉污染能力；另外，加入15%人工海水后的鉆井液體系更具有較好的流變，說明該體系具有較強(qiáng)的抗海水污染能力。

表2 體系抗鉆屑粉污染和抗海水污染性能

2.2.4體系密度適用范圍

配制了不同油水比的CH3COONa合成基鉆井液并測(cè)其性能，如表3所示。由表3可以看出，隨著體系油水比的增加，鉆井液黏度下降，破乳電壓升高，在油水體積比7∶3之后體系性能良好，說明該體系的油水體積比適用條件為7∶3至9∶10之間。

表3 不同油水比體系性能

2.2.5儲(chǔ)層保護(hù)

CH3COONa合成基鉆井液體系中的乳化劑可能會(huì)發(fā)生巖石乳化堵塞和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)性儲(chǔ)層傷害[9-10]，因此，需對(duì)體系進(jìn)行儲(chǔ)層保護(hù)評(píng)價(jià)。采用人造巖心的滲透率恢復(fù)率評(píng)價(jià)CH3COONa合成基鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)能力，結(jié)果見表4。從表4可知，CH3COONa合成基鉆井液對(duì)人造巖心的滲透率恢復(fù)值能達(dá)89%以上。說明該體系具有較好的儲(chǔ)層保護(hù)性能。

表4 CH3COONa合成基鉆井液儲(chǔ)層保護(hù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：參照《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》SY/T 6540—2002進(jìn)行。

3 結(jié) 論

a.通過活度，乳化效率，微觀觀察，微觀流變，高溫流變等研究手段，研制了一種以乙酸鈉(CH3COONa)為內(nèi)相的合成基鉆井液。室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，與CaCl2內(nèi)相合成基鉆井液比較而言，CH3COONa合成基鉆井液體系具有較強(qiáng)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，流體類型復(fù)合Herschel-Bulkley模型。

b.CH3COONa合成基鉆井液具有較穩(wěn)定的高溫流變性，高溫高壓下密度變化小，減少井控風(fēng)險(xiǎn)，能抗劣質(zhì)土、海水污染，具有較寬的油水比適用范圍，良好的儲(chǔ)層保護(hù)性能，可滿足復(fù)雜地層井、超深井安全高效作業(yè)要求，具有較廣的應(yīng)用范圍。

c.乙酸根能進(jìn)入三羧酸循環(huán)系統(tǒng)，具有較好的環(huán)保性能，CH3COONa內(nèi)相合成基鉆井液更能滿足環(huán)保要求。這為今后環(huán)保油基鉆井液的開展提供一定理論基礎(chǔ)及研究方向。