廖奉武，李坤豫，胡友林，何芬，李炎軍，岳前升

(1.長江大學石油工程學院，武漢 430100；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津3 004523；3.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江5 240572；4.長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北荊州 434023）

鶯瓊盆地地溫梯度高，壓力系數(shù)大，安全密度窗口窄，平均地溫梯度為4.5 ℃/100 m，超壓井段的地層平均壓力系數(shù)為2.0，安全密度窗口最低小于0.1 g/cm3[1-2]，目前鶯瓊盆地已鉆高溫高壓井的資料顯示該高溫高壓地層最高溫度為200 ℃，鉆井液的密度最大為2.3 g/cm3，抗高溫高密度鉆井液技術(shù)是鶯瓊盆地高溫高壓地層鉆井面臨的主要技術(shù)難題之一。文中分析了鶯瓊盆地7 口井高溫高壓段鉆井液性能，其能滿足高溫高壓鉆井作業(yè)的需要，但是在現(xiàn)場鉆井作業(yè)過程中仍存在以下4 個方面問題：①流變性和沉降穩(wěn)定性調(diào)控難以同時兼顧，鉆至高壓段，加重后的鉆井液因切力偏小容易發(fā)生沉降，采取增黏措施提高鉆井液的沉降穩(wěn)定性，但同時鉆井液流變性變差；②高溫高壓濾失性能難以調(diào)控，高密度鉆井液固相含量過高，固體顆粒在泥餅上沉積過多導致泥餅質(zhì)量變差，此外高溫破壞了部分處理劑的性能，導致鉆井液濾失性降低；③封堵性能難以調(diào)控，鶯瓊盆地高溫高壓段安全密度窗口窄，易發(fā)生漏失[3]；④抗酸性氣體CO2污染能力有限，鶯瓊盆地高溫高壓地層鉆遇氣層高含CO2，CO2氣侵會導致鉆井液變稠、流動性變差、濾失量增大等問題[4-6]。因此，在鶯瓊盆地高溫高壓段水基鉆井液基本配方基礎上，通過加重材料、抗高溫聚合物降濾失劑、3 種粒徑微粉碳酸鈣的比例和膨潤土加量的優(yōu)選及優(yōu)化，構(gòu)建了一套鉆井液體系，研究結(jié)果表明，該體系的流變性、沉降穩(wěn)定性、高溫高壓濾失性、封堵性及抗酸性氣體CO2污染性能均優(yōu)于鶯瓊盆地現(xiàn)用高溫高壓段水基鉆井液體系。

1 高溫高壓段現(xiàn)用水基鉆井液性能

現(xiàn)場高溫高壓段鉆井液在200 ℃下熱滾16 h后的性能見表1。

表1 鶯瓊盆地部分已鉆井高密度鉆井液性能（200 ℃、16 h）

由表1 可知，7 口井鉆井液性能相對較好，但是在現(xiàn)場鉆井作業(yè)過程中仍然出現(xiàn)了以下問題：①鉆井液的沉降穩(wěn)定性欠佳，鉆至高壓段加重過程中采取了增黏措施，導致鉆井液稠化；②鉆井液中降濾失劑抗高溫性能有限，在高溫下部分降解，導致鉆井液濾失量增大；③鉆井液封堵性能欠佳，鶯瓊盆地高溫高壓段密度窗口窄，鉆至高溫高壓段容易發(fā)生漏失；④鉆井液中CaO 加量不宜過大，鉆遇高含CO2氣層后，鉆井液濾失量增大，流變性變差，甚至失去流動性。

2 高溫高壓段水基鉆井液性能的優(yōu)化

鶯瓊盆地高溫高壓段水基鉆井液體系的基本配方如下。

1#1.8%淡水土漿+3%KCl+0.8%NaOH+0.6%增黏型共聚物Calovis+4%瀝青穩(wěn)定劑SOLTEX+4.3%Resinex（抗高溫降濾失劑）+3.4%稀釋劑XP-20K+3%微粉碳酸鈣（Carb10∶Carb40∶Carb250=1∶1∶1）+0.3%CaO+3%聚胺抑制劑ULTRAHIB+2%潤滑劑LUBE 167+重晶石，加重至2.3 g/cm3

2.1 流變性和沉降穩(wěn)定性

重晶石的粒徑、粒度分布及密度對鉆井液流變性及沉降穩(wěn)定性影響較大[7-9]。根據(jù)斯托克斯公式計算得到，當重晶石粒徑為0.01、0.1、1、10、100 μm 時，重晶石在清水中的自由沉降速度分別為1.6×10-10、1.6×10-8、1.6×10-6、1.6×10-4、1.6×10-2m/s[10]。可以看出，重晶石的粒徑越小，其自由沉降速率越小。粒度具有多級分布的重晶石由于顆粒緊密堆積原理能夠形成軸承效應，能降低鉆井液的黏度和切力[11]。降低鉆井液固相含量能增大鉆井液固體顆粒間距，進而降低固相顆粒間的接觸摩擦及固-液界面間的摩擦，從而降低了鉆井液的黏度和切力[12-13]。配制相同密度鉆井液時，重晶石密度越高其加量越小，高密度重晶石可以降低鉆井液的固相含量。優(yōu)選粒徑更小、粒度多級分布、密度更高的重晶石，來提高鉆井液的流變性及沉降穩(wěn)定性。

現(xiàn)場鉆井液所用的重晶石粒度分布見圖1，D50為20.9 μm，僅有單級粒度分布，密度為4.2 g/cm3，優(yōu)選的高品質(zhì)重晶石粒度分布見圖2，D50為5.06 μm，具有三級粒度分布，其密度為4.4 g/cm3。

將1#配方分別用上述2 種重晶石配制鉆井液，在200 ℃下熱滾16 h 后，評價其性能。沉降穩(wěn)定性的評價采用自制的高溫沉降穩(wěn)定儀[14]。將鉆井液置于該儀器中在200 ℃、3 MPa 下靜置24 h 后，測試鉆井液上、下部密度，計算沉降因子SF，結(jié)果見表2。由表2 可知，高品質(zhì)重晶石明顯降低了鉆井液的黏度，適當降低了鉆井液的切力，提高了鉆井液的沉降穩(wěn)定性，同時降低了鉆井液的濾失量。

圖1 現(xiàn)場鉆井液體系所用重晶石粒度分布

圖2 優(yōu)選的高品質(zhì)重晶石粒度分布

表2 不同高密度鉆井液性能（200 ℃、16 h）

2.2 高溫高壓濾失性能

引入抗高溫聚合物降濾失劑FLOVIS PLUS 提高鉆井液的高溫高壓濾失性。由于該聚合物增黏效果較強，因此適量降低配方中 Calovis 的加量以及增加稀釋劑XP-20K 的加量。通過室內(nèi)實驗構(gòu)建3#配方如下。將2#和3#鉆井液在200 ℃下熱滾16 h 后，測其高溫高壓濾失量，結(jié)果見表2。引入FLOVIS PLUS 后增加了鉆井液的高溫高壓濾失性，并且對鉆井液的流變性影響不大。

3#1.8%淡水土漿+3%KCl+0.8%NaOH+0.4%Calovis+0.1%FLOVIS PLUS+4%SOLTEX+4.3%Resinex+4%XP-20K+1%Carb10+1%Carb40+1%Carb250+0.3%CaO+3%ULTRAHIB+2%LUBE 167+高品質(zhì)重晶石，加重至2.3 g/cm3

2.3 封堵性能

3#鉆井液的高溫高壓砂床濾失量為22.4 mL，其封堵性有待提高。在3#配方的基礎上，合理分配3 種粒徑的微粉碳酸鈣的比例，優(yōu)化鉆井液的封堵性，采用徐同臺等提出的高溫高壓砂床濾失量法評價鉆井液的高溫高壓封堵性[15]。3 種粒徑微粉碳酸鈣封堵性的均勻設計實驗如表3 所示。由表3 可知，均勻設計實驗預測的最優(yōu)比例為：Carb10∶Carb40∶Carb250=0.15∶0.50∶0.35，預期的高溫高壓砂床濾失量為17 mL。根據(jù)該配比進行驗證實驗，實驗結(jié)果為14.8 mL，與3 種粒徑微粉碳酸鈣比例為1∶1∶1 時相比，其封堵性明顯提高。

表3 微粉碳酸鈣封堵性的均勻設計實驗

2.4 抗酸性氣體CO2污染性能

CO2對鉆井液的污染機理主要有：①CO2侵入使膨潤土形成高度細分散狀態(tài)，增加了鉆井液的黏度，降低了泥餅質(zhì)量；②CO2侵入降低了鉆井液的pH 值，使部分處理劑性能降低。鉆井液中通常加適量CaO 維持鉆井液的pH 值及消除CO2，但是CaO 的加量不宜過大。因此適量降低鉆井液膨潤土含量能降低CO2對鉆井液的危害，此外膨潤土含量的降低減少了Ca2+造成黏土分散度下降帶來的影響[16]。但膨潤土含量的降低影響鉆井液的膠體穩(wěn)定性等，因此需適量增加瀝青穩(wěn)定劑SOLTEX 維持鉆井液的穩(wěn)定性，構(gòu)建了4#配方如下。

4#1.6%淡水土漿+3%KCl+0.8%NaOH+0.4%Calovis+0.1%FLOVIS PLUS+6%SOLTEX+4.3%Resinex+4%XP-20K+0.45%Carb10+1.5%Carb40+1.05%Carb250+0.3%CaO+3%ULTRAHIB+2%LUBE 167+高品質(zhì)重晶石，加重至2.3 g/cm3

將鉆井液裝入內(nèi)部有十字擋板的老化罐中，在滾動過程中能使鉆井液與CO2充分接觸，以不同壓力充入CO2控制鉆井液中CO2的濃度，在200 ℃熱滾16 h 后測試鉆井液的性能，結(jié)果見表4。由表4 可知，CO2污染對鉆井液的影響與其濃度有關(guān)，隨著濃度的升高，3#鉆井液的黏度先降低后升高，且3#鉆井液的濾失量隨CO2濃度的升高而上升；而4#鉆井液的濾失量隨CO2濃度的升高變化不大，鉆井液黏度和切力的變化也比3#鉆井液小?？芍?，適當降低膨潤土含量及增加SOLTEX的含量，降低了CO2對鉆井液黏度、切力及濾失量的影響，并且對鉆井液的其他性能影響不大。

表4 3#和4#高密度鉆井液的抗酸性氣體CO2污染性能對比

2.5 性能評價

不同鉆井液體系在200 ℃下熱滾16 h 后的性能對比見表5。由表5 可知，構(gòu)建的4#鉆井液與鶯瓊盆地現(xiàn)有高溫高壓段鉆井液體系1#配方以及LD10-1-13 井現(xiàn)場鉆井液相比，黏度、高溫高壓濾失量、高溫高壓砂床濾失量及沉降因子均有所降低，切力也在合理范圍內(nèi)適當降低。新構(gòu)建體系的性能均優(yōu)于現(xiàn)有鉆井液以及同密度下的現(xiàn)場鉆井液。

表5 優(yōu)化前后鉆井液性能

3 結(jié)論

1.通過優(yōu)選粒徑小、粒度多級分布、密度較高的高品質(zhì)重晶石，使鉆井液黏度降低了7 mPa·s，動切力降低了4 Pa，高溫高壓（200 ℃、3 MPa）沉降因子降低了0.025，并且低于0.52，高溫高壓濾失量降低了5.4 mL，優(yōu)化了鶯瓊盆地抗高溫高密度鉆井液的性能。

2.優(yōu)選的抗高溫聚合物降濾失劑FLOVIS PLUS 使鉆井液高溫高壓濾失量降低了2.6 mL；優(yōu)化了3 種粒徑微粉碳酸鈣的比例，提高了鉆井液的封堵性，使鉆井液高溫高壓砂床濾失量降低了7.6 mL；適當降低鉆井液膨潤土的含量，提高了鉆井液抗酸性氣體CO2的污染性能。

3.構(gòu)建的鉆井液在200 ℃熱滾16 h 后的黏度為39 mPa·s，動切力為7 Pa，在200 ℃和3 MPa下沉降因子為0.512，高溫高壓濾失量為8.6 mL，高溫高壓砂床濾失量為14.4 mL，在4 MPa 被CO2污染后黏度為43 mPa·s，動切力為9 Pa，API 濾失量為4.5 mL，高溫高壓濾失量為13.6 mL，性能均優(yōu)于鶯瓊盆地現(xiàn)有高溫高壓段水基鉆井液體系。