高密度油基钻井液抗盐水侵污染能力影响因素研究

张 迪

高密度油基钻井液抗盐水侵污染能力影响因素研究

张 迪

（长庆油田分公司第六采油厂， 陕西 榆林 7190000）

随着当今社会对于石油的需求的持续增加，易开采的石油资源越来越少，油气勘探已向深井、超深井等复杂地层方向发展，钻井液作为钻井系统工程中的重要组成部分，在深井中面对复杂地层时，提高钻井液的性能尤为重要。以塔里木盆地库车坳陷选用的油基钻井液为研究对象，研讨了不同油基处理剂对油基钻井液抗盐水污染的影响，从而为解决钻探过程中高密度油基钻井液抗盐水侵污染问题提供现实指导意义。

高压盐水层； 油基钻井液； 流变性； 处理剂

钻井液作为钻井系统工程中的重要组成部分，在钻井作业中发挥着重要的作用。随着易采的石油资源逐渐减少，石油和天然气勘探已向深井和复杂地层方向发展[1]。对于出现在深井、复杂地层等井下的一些特殊情况，钻井液体系性能的提高尤为重要。目前，在钻高难度的高温深井、水平井、大斜度定向井及各种复杂地层的井段一般都采用高密度油基钻井液[2]，它具有耐高温、耐盐和钙侵、抗污染能力强、润滑性好、抑制性能强、性能稳定和对储层伤害小等特点。然而，油基钻井液在钻遇深井高压盐水层时，由于盐水污染钻井液，经常会出现钻井液失水大、黏度高、密度变低等性能变差的现象，进而引发井喷、井漏、卡钻等井下复杂事故，给钻进过程带来危害，在钻遇塔里木盆地库车坳陷山前构造高压盐水层时，这种情况就特别严重。鉴于此，通过室内实验研究和探索，认识盐水侵污油基钻井液机理，探索影响油基钻井液处理剂对抗盐水污染的因素，对解决钻探过程中高密度油基钻井液抗盐水侵污染问题就有很好的现实意义。本文旨在以塔里木盆地库车坳陷所选用的油基钻井液为研究对象，通过实验对高密度油基钻井液抗盐水侵污染能力的影响因素进行深入研究。

1 实验方法

1.1 油基钻井液配制方法

实验室内配制油基钻井液严格按照以下步骤标准配制[3]:

1）准备干净的浆杯，实验所需处理剂、药勺、干净的纸片和电子天平。

2）根据泥浆体系计算各处理剂的用量。计算方法为：处理剂添加的百分比乘以配制泥浆体系的总体积。加重至所需密度的加重剂量计算方法如下：

当加入一种加重剂时，则加量1为

其中：设计—钻井液设计密度；

加重剂—加重剂密度；

1—不加加重剂时体系基液的密度；

—体系的总体积。

当两种加重剂复配时，如：重晶石与微锰6∶4配制加重，则重晶石质量2为：

微锰加量3为：

3）把配制的浆杯去皮后，分别加入计算的主乳、辅乳、润湿剂质量（±0.01 g）。然后缓慢添加到泥浆杯中，并量取所需要量的柴油，固定在高速搅拌器（D90.300，青岛海通达专用仪器有限公司）上以12 000 r·min-1的转速高速搅拌10 min。

4）根据体系计算CaCl2的加量。用量筒量取缓慢倒入正在高搅的泥浆杯中再次高搅10 min。

5）在电子天平上把纸片去皮，并依次称量计算好的有机土、降滤失剂、CaO。

6）待上次搅拌时间结束，缓慢将降滤失剂、有机土等处理剂倒入高速搅拌的泥浆杯中。

7）同时，去皮并称取加重剂倒入高搅的泥浆杯中，并调整高搅时间为50 min。

8）搅拌结束后，量取一定的钻井液测其密度，如果没有达到所需密度，则继续添加重剂直到所需密度，如果密度达到所需密度时，取下高搅杯，完成其余实验步骤。

1.2 油基钻井液黏度和切力测定

实验仪器：六速黏度计（ZNN.D6S，青岛海通达专用仪器有限公司）, 泥浆杯加热套（JR.175，青岛海通达专用仪器有限公司）。

将高速搅拌后的钻井液缓慢倒入钻井液样品杯中至刻度线位置，使泥浆刚好到达外筒刻度线位置处。打开仪器开关，泥浆杯加热套温度调整至65±2 ℃，温度升至上述温度时，按如下步骤测量[4]：

1）将钻井液加热至所需温度时，应以600 r·min-1的转速连续的搅拌，使温度均匀受热样品。

2）使仪器分别以600 r·min-1、300 r·min-1、200 r·min-1、100 r·min-1、6 r·min-1、3 r·min-1的转速旋转，当黏度计表盘上指针所指示的刻度值稳定时，分别读取刻度值，记录为Φ600、Φ300、Φ200、Φ100、Φ6、Φ3。

3）调整外筒以600 r·min-1转速持续10 s，然后静止10 s，读取3 r·min-1的速度最大偏转读数，记为Φ310 s；然后使外筒以600 r·min-1转速持续10 s，读取3 r·min-1的速度最大偏转读数，记录为Φ310 min。

4）按以下公式计算：

表观黏度：a=φ600/2 （4）

塑性黏度：p=φ600-φ300（5）

动切力： YP=μa-μp（6）

初切： G10s=φ310s/2 （7）

终切： G10 min=φ310 min/2 （8）

2 不同添加剂对油基钻井液抗盐水污染的影响

2.1 主乳化剂对油基钻井液抗盐水污染的影响

在配制油包水钻井液时，为了使油基钻井液体系的性能稳定，必须添加使用乳化剂，乳化剂在钻井液体系中的主要作用有以下三个方面[5]：在油水两相界面上形成坚固的吸附膜；降低油水两相的界面张力；增加体系外相黏度。但是，在实际的应用过程中需要考虑成本等因素，因此需要考虑主乳化剂添加量与相关性能之间的关系，从而确定最佳的添加量，见图1。

图1 主乳化剂对油基钻井液抗盐水污染的影响

从图1可以看出:（1）主乳的增加使油基钻井液整个体系黏度、切力、破乳电压增加，滤失量逐渐减小，变化幅度不大；（2）对于不同量盐水的污染，整个体系的黏度、切力、滤失量逐渐增大，破乳电压降低；（3）主乳量加之1.1%时，对于抗50%盐水黏度和切力过高，不宜使用。说明主乳对抗盐水污染的黏度有一定的影响，当油基体系用于高于盐水层时，其使用量不宜过高。

2.2 辅乳化剂对油基钻井液抗盐水污染的影响

当使用两种类型的乳化剂时，通常会形成一种复合界面膜，这种复合膜相对于单一膜具有界面膜致密、强度高等优点[6]。辅乳化剂与乳化剂进行复配的主要功能是让两种互不相溶的油和水变成具有稳定性的油包水钻井液，同时使一些亲水固体表面变为亲油。然而不同种类乳化剂对所形成的界面膜会对体系造成一定的影响。根据对油基钻井液的处理剂的机理认识，辅乳化剂一般是亲水性的表面活性剂。当两种乳化剂混合在一起，形成的乳状液稳定性明显提高[7]。同时，也需要考虑辅乳化剂的用量对钻井液性能的影响。

图2 辅乳化剂对油基钻井液抗盐水污染的影响

从图2可以看出:（1）辅乳的增加使油基钻井液整个体系黏度有所降低，切力、破乳电压、滤失量变化幅度较小；（2）对于不同量盐水的污染，整个体系的黏度、切力、滤失量逐渐增大，破乳电压逐渐降低；（3）辅乳量在1%和2%时，对于抗50%盐水黏度和切力仪器无法测出，随着辅乳量的增大，整个体系性能逐步稳定，呈现基本不变，但是失水量相比有所增加。说明辅乳对抗盐水污染有重要的影响，其为亲水性的表面活性剂，使得油水混合形成的乳状液稳定性更好，但是辅乳加量也要在一定范围之内。

2.3 润湿剂对油基钻井液抗盐水污染的影响

油包水钻井液中的润湿剂是一种降低体系液体和固相表面能的处理剂，钻井液体系内加重时所需的固体颗粒材料和钻屑等亲水固体颗粒一般统称为固相[8]。如果油包水钻井液的润湿剂润湿程度较低，导致体系中固相的悬浮能力变差以及钻速降低，钻井液体系的稳定性也会变坏。若固相表面油润湿程度较高，悬浮性也会有所降低，固相可能会沉淀，乳状液的稳定性对于润湿剂来说，需要满足的最重要的条件是将体系内的固相是被油水两相润湿，并最终吸附在油水界面上。因此润湿剂的用量对于相关性能的表现具有重要意义。

从图3可以看出:（1）润湿剂的增加使油基钻井液整个体系黏度和破乳电压逐渐降低，切力先增加后降低，滤失量逐渐增大；（2）对于不同量盐水的污染，整个体系的黏度、切力、滤失量逐渐增大，破乳电压逐渐降低；（3）润湿剂量在1.2%时，对于抗50%盐水黏度和切力过高，随着润湿剂增加至1.5%时，黏度和切力下降，且整个体系比1.8%的润湿剂的体系更稳定。说明润湿剂对抗盐水污染有重要的影响，其为两亲结构的表面活性剂，使得油水、固相等混合形成的乳状液稳定性更好。

图3 润湿剂对油基钻井液抗盐水污染的影响

2.4 有机土对油基钻井液抗盐水污染的影响

有机黏土的主要作用是增黏，钻井液使用的有机土是由亲水的膨润土与季铵盐类阳离子表面反应形成的亲油性黏土，配制油包水钻井液的有机土一般由烷基三甲基氯化铵和烷基苄基二甲基氯化铵处理膨润土两种季铵盐型表面活性剂所制得[9]。由于阳离子的吸附，膨润土就变成亲油继而易于分散于油的体系中，在体系中不仅增加黏度和提高了对加重材料的悬浮能力，还有利于降低油包水乳化钻井液中的滤失量。

通常用于油包水钻井液的有机土表面为油润湿，并添加到油基钻井液中不断分散、溶解和膨胀，通过高速搅拌逐步呈胶体形式存在于油基泥浆体系之中[10]。在油包水钻井液体系中有机土是高度分散的，有利于有机土和其它处理剂相互吸附、聚结形成具有空间网状结构的胶体分子，这种胶体分子对于提高油基钻井液的黏度和切力是极为有利的。但是有机土颗粒表面不可能全部被为油润湿，在整个体系中还会显示出一定的亲水性，使得黏土颗粒和乳化液滴在油基钻井液体系中有一定程度上的互相结合，这样会使其空间网架结构变得更加稳固，整个体系的黏度和切力也会增加。

从图4可以看出:（1）有机土的增加使油基钻井液整个体系黏度、切力、滤失量、破乳电压、逐渐增大；（2）对于不同量盐水的污染，整个体系的黏度、切力、滤失量逐渐增大，破乳电压逐渐降低；（3）有机土量在1%时，其体系切力过低，有机土量在2%时，对于抗50%盐水黏度和切力过高，整个体系在1.5%时更稳定。说明有机土对油基体系的黏土和切力有重要影响，面对抗盐水污染时，适量的加入会其空间网架结构变得更加稳固，稳定性更好。

2.5 降滤失剂对油基钻井液抗盐水污染的影响

降滤失剂的主要作用为降低钻井液侵入地层的流体损失量及在井壁上形成薄而致密的泥饼。油基钻井液目前使用降滤失剂的主要类型为:油基钻井液用有机土、有机土激活剂、聚合物降滤失剂、有机褐煤4种油基钻井液处理剂[11-12]，它们都有性能稳定、抑制性强、抗污染、润滑性好、储层保护效果好等优点。

图4 有机土对油基钻井液抗盐水污染的影响

目前研究指出，降滤失剂可以独立地起作用，在高温下具有良好的流变性能和稳定性[13-14]。当滤失量控制剂加量较少的时候，塑性黏度增加很慢，只有加量很大时，塑性黏度才突然增大，另外，加入降滤失剂以后，不仅增加抗污染性能和促使水相分散，还增加乳状液稳定性。所以，添加特定量的降滤失剂对钻井高效工作来说尤为重要。

从图5可以看出:（1）降滤失剂的增加使油基钻井液整个体系黏度稍微增加，但幅度较小，切力基本不变，滤失量和破乳电压有所减小；（2）对于不同量盐水的污染，整个体系的黏度、切力、滤失量逐渐增大，破乳电压不断减小。说明降滤失剂有降低滤失作用和一定增黏作用，其对抗盐水污染影响较小。为了满足现场需求，从机理和成本考虑，降滤失剂的加量需要适宜。

图5 降滤失剂对油基钻井液抗盐水污染的影响

3 结 论

本文系统研究了油基泥浆处理剂及油水比抗盐水污染研究认识来研讨其影响因素，通过研究得出以下结论：

1）乳化剂对盐水污染高密度油基钻井液的影响较大。主乳的使用既能稳定地乳化分散液滴，又能增加体系黏度，但主乳过多时，盐水大量的侵入使得体系黏度过高。辅乳的加入形成复合界面膜，使互不相溶的油和水变成更具稳定性的油包水钻井液，所以，面对大量盐水污染油基体系时，辅乳起至关重要的作用。

2）润湿剂和有机土对油基钻井液抗盐水污染的能力有一定影响。润湿剂为两亲结构的表面活性剂，使水溶性变成油溶性。当盐水侵入体系中造成黏度和切力过高时，适当增加润湿剂或减少有机土的量，可以减小体系黏度和切力，增强体系稳定性。

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Study on the Factors Influencing the Ability of High-Density Oil-Based Drilling Fluid to Resist Saline Intrusion Pollution

(Changqing Oilfield Branch No.6 Oil Production Plant, Yulin Shaanxi 7190000, China）

With the increasing demand for oil in today's society, there are fewer and fewer easy-to-exploit oil resources, and oil and gas exploration has developed to deep wells, ultra-deep wells and other complex formations. As an important part of drilling system engineering, it is particularly important to improve the performance of drilling fluid when facing complex formations in deep wells. In this paper,taking the oil-based drilling fluid selected in Kuqa Depression of Tarim Basin as the research object, the influence of different oil-based additives on the salt water pollution resistance of oil-based drilling fluid was discussed, so as to provide practical guiding significance for solving the problem of salt water pollution resistance of high-density oil-based drilling fluid during drilling.

High pressure saline layer; Oil-based drilling fluid; Rheology; Treatment agent

2022-07-19

张迪（1995-），男，助理工程师，陕西省延安市人，2019年毕业于西安石油大学石油工程专业，研究方向：从事井筒稳定性研究工作。

TQ314.258

A

1004-0935（2023）01-0017-06