准噶尔盆地南缘高温高密度有机盐钻井液技术

谢龙龙，叶 成，袁 翊，徐生江，谷 文，刘星雨，马 超*

(1.长江大学石油工程学院，武汉 430100；2.新疆油田公司工程技术研究院，克拉玛依 834000；3.川庆钻探工程有限公司钻井液技术服务公司，成都 610051)

准噶尔盆地南缘是新疆油田油气增储增产的重要区块，该区块地层结构复杂，深井段存在异常高压系统和巨厚盐膏层[1-2]。现场所用有机盐钻井液在深井段高密度下流变性难以控制，高温条件下滤失量大，井壁易缩径和垮塌，而高温高密度磺化钻井液和油基钻井液环保压力大。准噶尔盆地南缘亟须一种新型高温高密度水基钻井液体系保障安全高效的钻井进程[3]。

有机盐钻井液具有环保、无毒、抗高温、抑制性强等特点[4]，在中外油田应用广泛。叶艳等[5]在饱和盐水磺化钻井液的基础上，研制出高密度甲酸钾饱和盐水磺化钻井液体系，室内研究结果表明，该体系在密度高达 2.26 g/cm3的情况下可抗温至180 ℃。候伟超[6]从流变性调控的角度出发，利用研制的流变性调节剂 CFP-I，实验优化得出密度为2.3 g/cm3、抗温达 200 ℃的有机盐钻井液配方，180 ℃高温高压滤失量为15 mL。但是这两种体系均含有多种磺化材料，无法有效满足目前严苛的环保要求。国内对于提升高温高密度钻井液性能多集中在改善流变性，控制高温高密度钻井液的滤失量对于提升钻井液性能也至关重要。滤失量是评价钻井液性能的重要指标，钻井液滤失量受滤饼质量影响较大[7]，质量好的滤饼光滑致密、薄而有韧性、渗透率低，提高滤饼质量关键在于优选高性能处理剂和控制固相颗粒的粒度级配。深井地层温度较高，钻井液高分子处理剂易发生降解和交联，处理剂和黏土易发生解吸附和去水化作用，使钻井液性能恶化[8]。改性纳米SiO2可牢固地吸附在黏土颗粒和处理剂分子的不饱和键上，降低黏度和切力[9]，改善泥饼质量，增强降滤失性能。聚合物HF-1可在高温下形成空间网状结构束缚自由水，降低滤失量。为降低高温高密度钻井液滤失量，同时避免磺化处理剂环保性差的问题，在当前二开井段所用的有机盐钻井液中引入降滤失剂改性纳米SiO2和抗高温聚合物HF-1。有机盐作为加重剂可降低高密度钻井液固相含量[10]，同时搭配具有多级分布的加重材料可强化高密度体系降滤失性能。在现场二开井段用有机盐体系的基础上，现研究新型高温高密度有机盐钻井液体系，并进行性能评价，以期望提高准噶尔盆地南缘的钻井效率，促进新疆油田油气增储增产。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

岩屑，高101井三开井段5 530～5 590 m；Span80、碳酸钠、氧化钙、氢氧化钾、氯化钾，分析纯，天津市北联精细化学品开发有限公司；Redu200、Weigh2、Weigh3，北京培康佳业技术发展有限公司；膨润土、石墨粉润滑剂、API重晶石、微粉重晶石、白油，工业级，市售；腐植酸丙磺酸酰胺多元共聚物(RSTF)、有机硅护壁剂(MFG)，工业级，重庆天泽钻井工程有限公司；纳米SiO2，工业级，潍坊万合材料有限公司；聚合物降失水剂(HF-1)、天然沥青粉(KH-n)、悬浮剂，工业级，川庆钻探钻井液公司。

LS-C(III)激光粒度分析仪，珠海欧美克仪器有限公司；GJSS-B12K变频高速搅拌机、GGS42-2高温高压滤失仪，青岛森欣机电设备有限公司；泥浆密度计、GRL-BX3热滚炉、YLJ600压力机、NP-2D页岩膨胀仪、ZNS-2A型中压滤失仪，青岛海通达专用仪器有限公司；ZNN-D6B六速旋转黏度计，青岛善德石油仪器有限公司。

1.2 实验方法

(1)钻井液基本性能测试。参照《石油天然气工业 钻井液实验室测试》(GB/T 29170—2012)进行测试，抗盐膏和抗岩屑污染测试以饱和NaCl溶液、CaSO4和岩屑为介质并参照该标准进行。

(2)抑制性测试。参照中华人民共和国石油天然气行业标准《钻井液用页岩抑制剂评价方法》(SY-T 6335—1997)。滚动回收率采用高101井复杂地层的岩屑，将岩屑粉碎、烘干，称取5～10目的岩屑20 g加入体系中，180 ℃热滚16 h，过32目筛并清洗剩余岩屑，105 ℃下干燥4 h称其质量，与原加入质量20 g的比值即为滚动回收率。页岩膨胀实验使用粉碎后过100目的页岩屑，105 ℃干燥4 h，称取8 g，用油压机4 MPa压5 min，测出压后样品厚度h0。用页岩膨胀仪测试样品在各体系中膨胀量，直至膨胀仪指针不再变化，记录8 h膨胀量为d，计算8 h膨胀率S，公式为

S=d/h0

(1)

(3)钻井液加重剂粒度级配。使用激光粒度分析仪干法测试现场API重晶石和优选的超微粉重晶石的粒度分布，对比两种加重材料的微分分布和累积分布曲线。为实现重晶石粒径的多级分布，将两种重晶石按不同比例对钻井液进行加重，逐步提高超微粉重晶石占比，分别加重至密度为2.0 g/cm3，160 ℃热滚16 h后评价各项性能。

2 结果与讨论

2.1 抗高温降滤失剂复配

当前有机盐钻井液体系在水敏性强的高温地层失水量大，说明存在具有降滤失和造壁作用的高分子处理剂在高温下发生氧化降解，性能下降。聚合物处理剂在高温下适度交联可抵消或缓解由于高温降解导致的性能下降。聚合物降失水剂HF-1是以丙烯酰胺为线性骨架, 包含具有水化作用的羧基和吸附作用的季铵基，并引入阴离子基团，HF-1在高温下形成具有吸附性的空间网状结构，束缚自由水，同时吸附黏土颗粒并使其分布在聚合物的空间网格分子链中[11]，提升滤饼致密性，控制失水量。经两亲嵌断共聚物修饰的改性纳米SiO2可有效地吸附在井壁的黏土表面，使滤饼表面形成致密膜，而改性材料中含有的—OH可与黏土矿物中的Si—OH发生缩聚反应，强化膜韧性，降低滤饼渗透率，进一步防止滤液渗入地层。在以1.5%Redu200+5%RSTF+2.5%MFG为降滤失剂的基础上复配了封堵剂改性纳米SiO2和聚合物降失水剂HF-1，通过滤失量降低率评价其降滤失性能，结果如表1所示。

由表1可知，加入改性纳米SiO2后体系黏度稍减小，改性纳米SiO2和HF-1都能使高温高压滤失量HTHPFL显著降低，二者同时作用可使滤失降低率高达70%,而在二开用有机盐体系中同时加入4%改性纳米SiO2和0.5%HF-1后HTHPFL为15 mL。综合成本和其他因素考虑，选择改性纳米SiO2和HF-1加量分别为4%和0.5%。

表1 纳米SiO2和HF-1降滤失性能

2.2 加重材料优化

钻井液加重材料粒径和粒度分布对体系的流变性，滤失性和泥饼质量有较大影响[12-13]，加重材料的粒径越小，其在溶液中的自由沉降速率越小[14]。根据颗粒紧密堆积原理，具有多级粒度分布的加重材料可产生轴承效应，降低钻井液黏度和滤失量，提升泥饼质量。

钻井液加重剂Weigh系列有机盐在水中溶解度高且流变性好，搭配高密度微粉重晶石可有效降低固相含量，可减少固相颗粒间摩擦和固-液界面摩擦，降低切力[15]。在有机盐和API重晶石为加重材料基础上搭配优选的超微粉重晶石进行加重，二者粒度布如图1(a)、图1(b)所示，API重晶石和超微粉重晶石中值粒经分别为3.65 μm和1.31 μm，都是单级分布。由表2可以看出，用单一的API重晶石加重的钻井液黏度和失水量偏大，通过粒径级配确定API重晶石∶超微粉重晶石为3∶1，此时黏度和切力适当减小，失水量明显降低，相对于具有单级分布的API重晶石加重的二开所用有机盐钻井液体系，其性能大幅改善。API重晶石与超微粉重晶石按3∶1混合后粒度分布如图1(c)所示，中值粒径为2.15 μm，呈现多级分布。

图1 加重材料的粒度分布

表2 不同比例的两种重晶石加重的钻井液性能对比

2.3 优化前后有机盐钻井液基本性能比较

二开井段用有机盐钻井液配方为: 1%膨润土+0.2%Na2CO3+0.4%CaO+1.5%KOH+1.5%Redu200+5%RSTF+9%KCl+28%Weigh2+13%Weigh3+2.5%MFG+3%KH-n+1%石墨粉+4%悬浮剂+5%白油+0.3%Span80+API重晶石，基本性能如表3所示。由表3可知，当温度在140 ℃、密度升至2.2 g/cm3时，黏度和切力明显增大，APIFL和HTHPFL偏大，尚不能满足当前三开及更深井段钻井要求。

表3 二开井段有机盐钻井液基本性能

由表4可知，通过抗高温降滤失剂复配和加重剂优化后的有机盐体系在密度1.8～2.4 g/cm3范围内老化后流变性良好，APIFL适中，滤失量和黏度均随密度增大逐渐增大，密度在2.4 g/cm3时，HTHPFL为10.5 mL。说明该体系密度可调范围宽且在高密度下性能优良，优于目前二开井段所用的有机盐钻井液体系。最终确定配方为：1%膨润土+0.2%Na2CO3+0.4%CaO+1.5%KOH+1.5%Redu200+0.5%HF-1+5%RSTF+9%KCl+28%Weigh2+13%Weigh3+2.5%MFG+3%KH-n+1%石墨粉+4%纳米SiO2+4%悬浮剂+5%白油+0.3%Span80+API重晶石∶超微粉重晶(3∶1)。

表4 优化后有机盐钻井液基本性能

2.4 抗高温性能

为进一步考察有机盐钻井液的高温稳定性，逐步升高温度评价其抗高温能力，密度为2.4 g/cm3钻井液抗高温性能如图2所示。由图2可知，随着温度的升高，钻井液黏度和切力略微减小，APIFL和HTHPFL稍增大。温度继续升高，钻井液黏度和滤失量增大，在升至180 ℃时，HTHPFL为13.5 mL，黏度和失水量均在允许范围内。分析原因是有机盐体系中聚合物在高温下降解，降低体系黏度[16]，另外部分聚合物高温下交联，形成三维空间网状结构，束缚自由水[17]，改性纳米SiO2在高温下可增强滤饼表面膜的韧性和致密性，降低滤失量。由表5数据可知，密度为2.4 g/cm3的有机盐钻井液在160 ℃老化72 h后流变性基本保持稳定，滤失量低于15 mL，因此，该体系具有良好的抗高温稳定性。

图2 高密度钻井液抗高温性能

表5 高密度钻井液高温稳定性能

2.5 抑制性能

有机盐水溶液本身抑制性强，甲酸盐电离出的HCOO-既能与水分子形成氢键，束缚自由水，而且可吸附在黏土端面，压缩双电层，降低黏土颗粒ζ电位，有效抑制黏土水化膨胀[18]，防止井壁缩径和坍塌。改性纳米SiO2具有较强的表面活性，在页岩表面形成疏水膜，阻止水分子进入黏土颗粒的间隙，有效防止泥页岩吸水膨胀[19]。

通过对比聚合物和有机盐体系滚动回收率和页岩8 h膨胀率评价钻井液抑制性。由表6可知，含有高101井三开井段岩屑的有机盐钻井液16 h热滚后回收率达97%，8 h页岩膨胀率仅4.7%，抑制性良好，且优于目前常用的聚合物钻井液。

表6 滚动回收率和页岩膨胀实验结果

2.6 抗盐抗污染性能

钻井时会经常遇到高矿化度地层，钻井液难免会受到盐膏和岩屑污染，性能恶化。有机盐特殊的理化性质决定了有机盐钻井液抗盐抗污染能力强的特点。由表7可知，有机盐钻井液随着NaCl和CaSO4含量增加，APIFL稍增大，各项性能变化不大，在12%NaCl污染条件下性能依然稳定，抗石膏污染能力达2%，钻井液密度、黏度、切力、滤失量随着岩屑含量增加而增大，当岩屑污染达10%时，各项性能指标在合理范围内，抗污染能力显著。

表7 抗盐膏抗岩屑污染实验结果

3 结论

(1)探究了降滤失剂和加重剂粒径级配是影响高温高密度钻井液滤失性的重要因素，在现场所用有机盐体系基础上复配了改性纳米SiO2和聚合物降失水剂HF-1，并优化重晶石粒度级配，确定了高温高密度有机盐钻井液体系配方为：1%膨润土+0.2%Na2CO3+0.4%CaO+1.5%KOH+1.5%Redu200+0.5%HF-1+5%RSTF+9%KCl+28%Weigh2+13%Weigh3+2.5%MFG+3%KH-n+1%石墨粉+4%纳米SiO2+4%悬浮剂+5%白油+0.3%Span80+API重晶石∶超微粉重晶(3∶1)。

(2)高温高密度有机盐钻井液高温下密度可调，密度高达2.4 g/cm3，可抗高温180 ℃，流变性可控，滤失性良好，具有较强的抑制性和抗盐膏、岩屑污染能力。

(3)经过改性的有机盐体系可满足南缘三开及深层钻井需要，为新疆油田南缘钻井液提供选择途径，对于高温高压复杂井段具有一定的参考价值和应用潜力。