密度减轻剂在中国南海超深水钻井液中的应用

李中 郭磊 胡文军 李怀科 罗健生 向雄 杨洪烈

1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司；2.中海油服油田化学事业部

近年来海洋石油开发从近海浅水作业逐步走向深水、超深水［1-2］。深水钻井液作为深水油气开发的关键技术之一，需要解决低温流变性、井壁失稳以及水合物抑制等问题［3-8］。永乐区块某井使用HEM 钻井液作业，由于该井水深达到1 893 m，安全密度窗口极窄，发生井壁失稳的风险极大，且在钻进过程中为了确保不形成水合物需加入大量的热力学抑制剂，但这样又使钻井液密度偏高，很可能压漏地层。为解决水合物预防和密度控制的矛盾，需要研发一种抗压、抗温能力强，破碎率低，不影响体系流变性且易过筛的密度减轻剂来保证作业安全。

1 室内研究

目前国内外钻井液中使用较多的是国外知名公司生产的玻璃微珠，实际使用效果并不理想，其在钻井液循环过程中受到水眼剪切及钻具间的摩擦易发生破碎，消耗量大，并且同样加量下钻井液增稠较严重，价格昂贵，所以实验选择玻璃微珠作为密度减轻剂，并对其表面进行改性处理。

分别称取乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷1.5 g，适量过氧化物作为固化剂，与100 g蒸馏水配制成水溶液，再称取已烘干的玻璃微珠100 g 置入水溶液中低速搅拌2 h，使偶联剂包裹微珠，在105 ℃烘干后放入干燥器中，所得玻璃微珠为LDA60。

1.1 玻璃微珠LDA60 的单剂实验评价

1.1.1 玻璃微珠LDA60 特征

LDA60 是用乳液聚合法合成的一种高性能空心玻璃微珠(见图1)，具有如下特性：(1)壁厚1～3.5 μm，粒径10～120 μm (如图2)；(2)密度0.4 g/cm3左右；(3)抗压可达40MPa，不易压缩。

图1 LDA60 玻璃微珠Fig.1 LDA60 glass bead

图2 LDA60 粒度分布曲线Fig.2 Grain size distribution of LDA 60

1.1.2 灼烧实验

实验用马弗炉将玻璃微珠进行灼烧，实验温度650 ℃，称量灼烧后残渣的质量，并与3M 公司HGS19000 对比，结果见表1。

表1 2 种玻璃微珠灼烧情况对比Table 1 Ignition comparison between two kinds of glass beads

从表1 可看出，约650 ℃高温灼烧后，LDA60残渣平均值在68.51%，这是由于LDA60 表面含有聚合物涂层，经灼烧后质量减少，而3M 产品只是纯的玻璃微珠，表面并未有处理，残渣平均值在100%，且在实验过程中出现了凝胶现象。

1.2 玻璃微珠在HEM 水基钻井液中实验评价

室内经过大量实验研究，优选了一套满足现场深水/超深水作业要求并具有很强抑制性的高性能深水水基钻井液HEM 体系［9-10］，在此不再赘述。

HEM 水基钻井液配方为：海水+0.3%碳酸钠+2%改性淀粉+0.3%黄原胶+0.3%低分子量包被剂PF-UCAP+3%聚胺抑制剂PF-UHIB+3%防泥包润滑剂PF-HLUB+2%磺化沥青PF-FT-1+2%承压增强剂PF-STRH+2%承压封堵剂PF-EZCARB+LDA60+NaCl 加重。

1.2.1 玻璃微珠在HEM 体系中的配伍性

选取3M 公司的HGS3003、HGS19000、HGS 8000X 玻璃微珠与LDA60 进行对比实验。在HEM体系中分别加入3%各种玻璃微珠100 ℃热滚后观察，除LDA60 外其他3 种玻璃微珠在热滚后均出现凝胶现象，对钻井液的流动性影响较大，可见这3 种玻璃微珠并不能满足实际应用要求，而LDA60 滚后并无稠化现象，且流态较好。

1.2.2 LDA60 加量对钻井液密度的影响

在纯水中加入密度0.4 g/cm3的LDA60，随着加量的增加纯水密度逐渐降低，加量50%时水密度从1.0 g/cm3降到0.6 g/cm3左右，但溶液逐渐增稠。图3 为玻璃微珠加量对HEM 钻井液密度的影响，可以看出，随着玻璃微珠LDA60 加量的增加，钻井液的密度降低明显，玻璃微珠加量越大，钻井液的密度越低。但在有聚合物存在的HEM 钻井液体系中，随着玻璃微珠加量的增大，钻井液黏度上涨迅速，加量在6%左右时，钻井液呈现凝胶状态，类似果冻状。在实际现场操作中，钻井液的密度应根据井深及地层压力系数决定，玻璃微珠的加量应该根据实际钻井液的黏度而定，尽量在不影响钻井液黏度的前提下，达到适当扩大安全密度窗口的目的。

图3 玻璃微珠加量对钻井液密度的影响Fig.3 Influence of the dosage of glass bead on the density of drilling fluid

1.2.3 LDA60 加量对流变性的影响

在密度1.10 g/cm3的HEM 水基钻井液中加入LDA60 玻璃微珠，观察其加入前后钻井液流变性的变化。实验热滚温度100 ℃，热滚后测试钻井液的流变性，测试温度50 ℃，流变性能如表2 所示。

表2 LDA60 加量对HEM 钻井液流变性的影响Table 2 Influence of the dosage of LDA60 on the rheological property of HEM drilling fluid

从表2 可以看出，随着LDA60 加量增加，钻井液表观黏度略有增大，动切力基本无变化，API 滤失量减小，钻井液的密度从1.10 g/cm3降到1.06 g/cm3，表明LDA60 对体系的流变性影响较小并能有效降低体系的密度。

1.2.4 LDA60 在HEM 体系中的抗压能力评价

实际钻井中，钻井液需要经过钻头水眼剪切，考虑到泵压及液柱压力，需要玻璃微珠有较强的抗压能力，实验测试了不同压力下玻璃微珠LDA60 的完好率，实验结果见图4，可以看出，随着压力的增大，LDA60 完好率随之降低，其中在40 MPa 下完好率达到80%，60 MPa 下完好率达到50%。

1.2.5 LDA60 过筛能力评价

图4 不同压力下玻璃微珠的完好率Fig.4 Intact rate of glass bead under different pressures

将已加入LDA60 的钻井液经100 ℃老化后，分别过100 目、120 目、140 目标准筛，测试LDA60的过筛能力。在加入LDA60 后，100 目的标准筛下通过率达到99%，140 目的通过率达94%，说明钻井液在加入玻璃微珠后过筛能力强。

2 现场应用

2.1 工程数据

永乐8-1 构造位于琼东南盆地松南低凸起伸入宝岛凹陷的构造脊上，部署某预探井于该构造中部较高部位，井点水深约为1 893 m，钻探主要目的层为陵水组生物礁灰岩和基底花岗岩潜山，设计井深-3 010.0 m (海拔垂深)，完钻层位前古近系。目的层设计于Ø215.9 mm 井眼内，裸眼完井。

该井为常温常压井，预测全井地层压力系数约为1.00，目的层安全密度窗口1.10～1.20 g/cm3，预测目的层温度为48.7～55.3 ℃，井底温度约为55.3 ℃，全井使用HEM 钻井液作业,考虑加入10%的氯化钠及20%的乙二醇抑制水合物的生成，此时钻井液密度达到1.13 g/cm3,安全密度窗口极窄，在0.07 g/cm3左右，给现场实际操作带来风险，故需要考虑使用密度减轻剂。根据目的层安全密度窗口确定合理的钻井液密度，在保证钻井液良好流变性能的同时，使玻璃微珠在钻井液中得到稳定的分散。

2.2 钻井液使用情况

目地层为Ø311 mm 井段(2 794～2 964 m)，继续使用深水水基钻井液HEM 体系。回收上部井段部分老浆，将其和新浆混合处理作为本井段开钻钻井液。本井段钻井液体系配方调整如表3 所示。

表3 Ø311 mm 井段HEM 钻井液体系配方Table 3 Formula of HEM drilling fluid system in the Ø311 mm hole section

此井段开钻钻井液密度1.09 g/cm3，最大密度1.14 g/cm3，其中在电测期间需要将氯化钠的加量提高至22%，届时密度将达到1.13 g/cm3，这给现场操作带来较大风险，所以根据地漏情况和现场实际，在钻进过程中加入2%～3%玻璃微珠LDA60，降低密度0.01～0.03 g/cm3，加入后钻井液的流变性基本无影响(表4)。

表4 加入玻璃微珠前后钻井液性能的变化Table 4 Performance change of drilling fluid before and after the adding of glass bead

从现场作业的情况来看，加入玻璃微珠LDA60后钻井液实测密度从1.09 g/cm3降至1.06 g/cm3左右，保证钻井液良好流变性能的同时有效降低了密度，对钻井作业无影响，在现场振动筛并未发现玻璃微珠，说明其过筛能力强。在钻井液循环期间适当补充LDA60 以继续维持钻井液的密度，完钻后，充分通井，在最后起钻前向循环井浆中加入1%～2%的PF-HLUB，以提高钻井液的润滑性，利于电测作业。

3 结论

(1)室内研究发现，所用玻璃微珠LDA60 在40 MPa 下完好率达到80%，抗压能力强，能够满足现场应用需要；经高温灼烧后发现其质量减少，说明其表面经过了改性处理；在一定的加量下，与HEM体系配伍性好，没有出现凝胶现象。

(2)室内研究表明，玻璃微珠LDA60 加入能够有效降低HEM 水基钻井液的密度，且对体系的流变性几乎无影响，并降低了体系的滤失量。

(3)现场应用结果表明，加入LDA60 后对现场钻井液的流变性能无影响，密度降低0.03 g/cm3左右，和室内研究结果一致，达到了预想效果。