國(guó)內(nèi)外高密度水基鉆井液研究現(xiàn)狀

1、國(guó)內(nèi)外高密度水基鉆井液研究現(xiàn)狀 前言：隨著石油勘探鉆探技術(shù)的日益復(fù)雜化，對(duì)于儲(chǔ)層埋藏深度、地層壓力變化、地層巖石巖性等各種不確定因素的影響，對(duì)鉆井液的性能要求也越來越高。與常規(guī)地層相比，低密度的鉆井液容易似的井壁變得不穩(wěn)定，為了防止井壁垮塌，井下的復(fù)雜情況發(fā)生，以及降低濾矢量，就必須提高鉆井液密度。高密度額鉆井液，能夠處理常規(guī)鉆井液體系難以解決鉆井液濾液高礦化度、性能不穩(wěn)定、濾失量過高等一系列的技術(shù)難題。但是高的密度又會(huì)造成鉆井液中固相含量過高。在這種情況下，發(fā)生壓差卡鉆及井噴 、井漏等下復(fù)雜情況的可能性就會(huì)大大增 加 ，這就使得性能能好的高密度鉆井液的研究尤為重要。1 高密度鉆井液1.1 高

2、密度鉆井液的定義關(guān)于鉆井液密度范圍的界定一直以來技術(shù)界對(duì)如何界定高密度鉆井液沒有明確的說法。在早期的鉆井作業(yè)中,密度達(dá)到1.50g/cm3以后即可視為高密度,但隨著鉆井液技術(shù)的發(fā)展,常規(guī)技術(shù)條件下使用1.80 g/cm3以上鉆井液的情況越來越多,因此高密度鉆井液的定義與同時(shí)代鉆井液技術(shù)水平是密切相關(guān)的。以發(fā)展的眼光看,目前被視作高密度鉆井液的體系在若干年后可能就是一種常規(guī)技術(shù)。綜合近10年來國(guó)內(nèi)高密度鉆井液的實(shí)踐情況,密度低于1.70 g/cm3的鉆井液在技術(shù)上已逐漸不再成為被關(guān)注的重點(diǎn),絕大多數(shù)相關(guān)的技術(shù)論文和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)總結(jié)將探討的重點(diǎn)放在密度為1.90-2.40 g/cm3鉆井液的維護(hù)與使用

3、技術(shù)上,高于2.50 g/cm3的情況也有,但數(shù)量很少。影響高密度鉆井液的關(guān)鍵技術(shù)難題是流變性問題,依據(jù)密度對(duì)流變性的影響,繪制密度黏度曲線,以隨著密度的升高,黏度出現(xiàn)突變的“拐點(diǎn)”為分界,密度高于“拐點(diǎn)”的鉆井液稱為高密度鉆井液。配方1為: 1. 5%膨潤(rùn)土+1%陽離子抑制降濾失劑HS-1+1%陽離子抗高溫降濾失HS-2+0. 5%小陽離子NW-1+0. 2%正電膠MMH+重晶石。在室溫、11 000 r/min高速攪拌1 h后測(cè)不同密度下的黏度。測(cè)量表明:在1. 80 g/cm3與2. 60g/cm3產(chǎn)生2個(gè)“拐點(diǎn)”。以不同的鉆井液體系做密度黏度曲線,不同體系的黏度值不同,但“拐點(diǎn)”位置大

4、致相同,最大相差0. 05 g/cm3。據(jù)此,將密度在1. 80-2. 60 g/cm3的鉆井液稱為高密度鉆井液,密度高于2. 60 g/cm3的鉆井液稱為超高密度鉆井液。這樣分類的優(yōu)點(diǎn)在于便于現(xiàn)場(chǎng)操作,而國(guó)內(nèi)外95%以上使用高密度鉆井液的井所使用的鉆井液密度也在1. 80-2. 60 g/cm3之間,密度高于2. 60 g/cm3的鉆井液多在特殊井的壓井施工中或配置儲(chǔ)備重漿時(shí)使用。1.2 國(guó)內(nèi)高密度水基鉆井液體系研究現(xiàn)狀 隨著水基鉆井液體系研究的不斷發(fā)展，為了滿足日益復(fù)雜的勘探開發(fā)環(huán)境，我國(guó)的高密度水基鉆井液體系研究在不斷地吸收經(jīng)驗(yàn)后，逐漸的形成一系列的研究成果。（1）適用于超深井、深井的三

5、磺（磺化丹寧、磺化褐煤、磺化酚醛樹脂）鉆井液在全國(guó)推廣（2）20世紀(jì)80年代初期，研制成功了油包水乳化加重鉆井液，有效地解決了鉆遇井下復(fù)雜地層時(shí)出現(xiàn)的各種問題（3）1991-1995年成功研制出兩性離子聚合物加重鉆井液，最高密度可達(dá)到2.03 g/cm3（4）1996-2000年，抗高溫高密度聚磺體系鉆井液進(jìn)一步發(fā)展具體分析這些研究成果大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)理論依據(jù)：（1）降低配膨潤(rùn)土量，減少鉆井液中低密度固相含量，提高高密度水基鉆井液流變性的可控性;（2）釋放自由水，增強(qiáng)高密度水基鉆井液流動(dòng)性;（3）使用甲酸鹽( 如 KCOOH、CsCOOH 等)提高液相黏度，降低加重材料用量，降低黏度效應(yīng);（

6、4）對(duì)加重劑進(jìn)行活化，降低加重材料對(duì)高密度水基井液產(chǎn)生的黏度效應(yīng)。國(guó)內(nèi)在高密度水基鉆井液體系普遍使用聚磺體系和磺化體系，這兩種體系已經(jīng)有了很長(zhǎng)的使用歷史，也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，取得了較好的使用效果。隨著深井鉆井液理論與技術(shù)的發(fā)展，后來開展了兩性離子及陰離子高密度聚合物鉆井液工藝技術(shù)研究，開辟出了聚合物鉆井液鉆深井的新路子。通過對(duì)高密度聚合物鉆井液組分及流變參數(shù)的優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)了“井深增加、密度提高、溫度提高、機(jī)械鉆速提高”、“深井高溫高壓層段機(jī)械鉆速 1 m/h 大關(guān)突破和聚合物鉆井液不能在高礦化度條件下使用關(guān)突破”及“聚合物鉆井液抑制性增強(qiáng)”。1.3 國(guó)外高密度水基鉆井液體系研究現(xiàn)狀目前國(guó)外的高密

7、度鉆井液大多是用于一些高溫高壓的不穩(wěn)定地層，使用密度一般在2.0 g/cm3左右，超過該極限后鉆井液的沉降穩(wěn)定性與流變性就不可調(diào)和，難以同時(shí)滿足需求。外國(guó)學(xué)者認(rèn)為使用有機(jī)鹽重晶石材料能夠減少鉆井液中固相顆粒的含量，增加鉆井液的性能；在高密度水基鉆井液中，重晶石參與鉆井液內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成。在高密度的鉆井液中要注意控制堿的加入量，因?yàn)樵诟邷氐沫h(huán)境下堿可以促進(jìn)膨潤(rùn)土的水化分散。在高密度的水基鉆井液中，重晶石參與鉆井液內(nèi)部的形成，在這種情況下 ，鉆井液很有能會(huì)表現(xiàn)出與常規(guī)鉆井液不同的流變性。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外水基鉆井液研究現(xiàn)狀的調(diào)研可以看出，影響高密度鉆井液技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用前景的主要原因還是在于高密度水基鉆井液

8、的流變性和造漿性的協(xié)調(diào)。2 高密度鉆井液主要的技術(shù)難點(diǎn) 2.1 高密度鉆井液穩(wěn)定性與流變性高密度鉆井液穩(wěn)定性與流變性問題一直是鉆探界面臨的主要技術(shù)難題，由于在鉆井過程中深井井底溫度高，導(dǎo)致高密度鉆井液接觸的環(huán)境極為苛刻，處理起來因此變得異常復(fù)雜。影響高密度鉆井液性能的因素很多，而加重劑顆粒對(duì)鉆井液穩(wěn)定性和流變性的影響最突出，以至在實(shí)際操作中經(jīng)常陷入（加重劑）加重-增稠-降黏-加重劑沉降-密度下降-再次加重的惡性循環(huán)，卡鉆現(xiàn)象時(shí)常出現(xiàn)。因此，要求高密度鉆井液在較低的液相黏度和切力下仍具有良好的穩(wěn)定性，這就需要分析懸浮液的穩(wěn)定機(jī)理。除此，懸浮體的流變特性很大程度上依賴于流體的微觀結(jié)構(gòu)。隨著懸浮液顆

9、粒濃度的增加，顆粒間的相互作用增強(qiáng)顆粒運(yùn)動(dòng)的阻力增大，這也直接導(dǎo)致了懸浮體的黏度增加。因此了解懸浮液分散穩(wěn)定性及流變性機(jī)理對(duì)研究控制高密度水基鉆井液穩(wěn)定性和流變性的方法有重要的指導(dǎo)作用。從膠體化學(xué)原理以及微觀流體力學(xué)的角度分析水基固相懸浮液分散穩(wěn)定機(jī)理及流變性機(jī)理，提出了從嚴(yán)控膨潤(rùn)土量、調(diào)整重晶石度分布等角度來改善高密度水基鉆井液穩(wěn)定性和流變性的技術(shù)思路。高密度鉆井液流變性的影響因素高密度水基鉆井液體系屬于較稠的膠體懸浮體系，本身具有固相含量大、固相顆粒的分散程度高、鉆井液體系中自由水量少、鉆屑的侵入和積累不易清除這方面特點(diǎn)。在滿足攜帶鉆屑和懸浮重晶石的情況下，高密度鉆井液的流變參數(shù)應(yīng)盡可能低

10、。影響高密度鉆井液流變性的因素較多，具體來分析有以下幾個(gè)方面鉆井液的總固相含量高密度鉆井液體系流變性能維護(hù)困難的主要癥結(jié)是體系固相含量太高，此時(shí)，如果固相粒子分散性太強(qiáng)，巨大的固相粒子比表面積通過潤(rùn)濕和吸附作用使得個(gè)體系的自由水含量大幅度減少，導(dǎo)致體系的鉆屑容量限降低，固相粒子極易連接形成結(jié)構(gòu)，鉆井液流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦阻力增大，從而導(dǎo)致體系粘切升高。鉆井液中的活性固相含量及其分散度鉆井液固相中的活性固相，包括配漿用的蒙脫石、伊蒙混層等粘土礦物是鉆井液流變性的主要影響因素。鉆井液密度越高、固相容量限越小、影響作用越大；活性固相顆粒的分散度越高，影響作用越大。因此隨著鉆井液密度的增高，要求膨潤(rùn)土含量越

11、低。鉆井液的化學(xué)抑制性鉆井液的化學(xué)抑制性直接影響鉆井液中活性固相顆粒的分散度和地層中易水化的粘土礦物在鉆井液中的分散積累，化學(xué)抑制性越強(qiáng)，鉆井液的流變性越穩(wěn)定，鉆井液密度越高，對(duì)抑制性的要求越強(qiáng)。鉆井液體系和包被劑的濃度不同的鉆井液體系具有不同的抑制性，抑制性越好的體系，鉆井液的流變性越穩(wěn)定。組成鉆井液體系的處理劑提供了滿足鉆井要求的各項(xiàng)鉆井液性能，包被劑提供體系的化學(xué)抑制性，因此足夠的包被劑濃度是必要的。另一方面，主體包被劑是高分子聚合物，吸附能力和水化能力強(qiáng)，濃度過高，會(huì)增大流動(dòng)阻力，帶來對(duì)流變性的負(fù)面影響。值鉆井液的酸堿度直接影響體系的抑制性，值越高，抑制性越差，分散性越強(qiáng)，鉆井液的流變

12、性越不穩(wěn)定。其主要原因是大量的促進(jìn)粘土礦物的分散。2.2 高密度鉆井液潤(rùn)滑性對(duì)潤(rùn)滑劑性能要求很高,助劑市場(chǎng)上絕大多數(shù)潤(rùn)滑劑無法滿足高密度體系要求。在高密度條件下,為了降低流動(dòng)阻力,通常需要向體系中添加一定數(shù)量的潤(rùn)滑材料,這固然能夠減小固相之間的摩擦效應(yīng),但同時(shí)也增加了相界面阻力(相界面由原來的水固兩相增加為水固油三相),如果潤(rùn)滑劑使用不當(dāng),不但無法改善流動(dòng)性,而且會(huì)由于相界面阻力的增大使體系流動(dòng)性急劇變差。因此選擇適合于高密度體系的理想潤(rùn)滑材料并不是想象的那樣容易,必須要在周密考慮各種相關(guān)影響因素的情況下進(jìn)行細(xì)致的評(píng)價(jià)優(yōu)選,即便是確定了潤(rùn)滑劑種類,投入現(xiàn)場(chǎng)使用后也須時(shí)刻謹(jǐn)慎,因?yàn)楦呙芏润w系中許

13、多不明原因的流動(dòng)性變差現(xiàn)象有不少是由于潤(rùn)滑劑的使用不當(dāng)引起。高密度體系較難選擇合理的稀釋劑。通常情況下,稀釋劑的稀釋效果會(huì)隨著鉆井液體系固相含量的升高而降低,由于高密度體系固相體積分?jǐn)?shù)一般均高于30%,常規(guī)稀釋劑可能根本無效,必須使用專門的高效稀釋劑。雖然提出了適合于高密度體系使用的專用稀釋劑,并獲得了較好的應(yīng)用效果,特別是提出的稀釋劑DQG-1在3.00 g/cm3的超高密度體系中進(jìn)行了成功應(yīng)用,然而這些助劑似乎并未商品化,也未見到在其它使用高密度體系井中的推廣應(yīng)用報(bào)道。2.3 高密度鉆井液固相含量的確定高密度體系理想固容量的確定比較困難。從可以明顯看出,如果以重石(工業(yè)品密度為4.2 g/

14、cm3)作為加重材料,在無任何低密度固相(如膨潤(rùn)土、鉆屑)的情況下,當(dāng)密度達(dá)到2.50 g/cm3 時(shí)體系的固相分?jǐn)?shù)即接近47%,而在鉆進(jìn)條件下由于鉆屑的混入,固相分?jǐn)?shù)無疑會(huì)輕松達(dá)到50%,如果考慮到高密度條件下固控設(shè)備分離效率會(huì)大大降低這種因素,體系中的總固相分?jǐn)?shù)可能會(huì)達(dá)到更高數(shù)值。這種情況所帶來的最直接威脅顯然是鉆井液流動(dòng)性變差,并且無法以比較合理的成本進(jìn)行稀釋或置換。然而確定高密度條件下固相含量隨密度的合理變化是一件比較困難的事,必須要綜合考慮加重劑種類、固控設(shè)備使用情況、離心機(jī)使用的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)以及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理水平等各種因素,難以進(jìn)行簡(jiǎn)單的量化。高密度條件下固控設(shè)備的使用受到了很大的限制

15、。在高密度情況下,為了盡可能減少加重劑的損失,保持體系密度穩(wěn)定,現(xiàn)場(chǎng)通常的做法是停止離心機(jī),只使用振動(dòng)篩和除砂器,而相當(dāng)一部分情況則是振動(dòng)篩以下的各級(jí)固控設(shè)備完全停止,這樣雖然可以保證加重劑的損耗降至最低,但同時(shí)進(jìn)入體系中的那些較細(xì)的鉆屑也無法得到有效清除。3 高密度鉆井液主要的技術(shù)難點(diǎn)的處理措施3.1 控制高密度鉆井液穩(wěn)定性與流變性的技術(shù)應(yīng)用3.1.1 控制膨潤(rùn)土的用量來控制其流變性根據(jù)黏度計(jì)算公式，減小s、E、c 和G值可以減少總黏度，而減少膨潤(rùn)土的用量就是減少這些數(shù)值的主要方式。在膨潤(rùn)土漿黏度與流變性關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，考慮到高溫對(duì)水基鉆井液中黏土顆粒的作用是影響鉆井液性能的基礎(chǔ),通過研究實(shí)驗(yàn)

16、過程中膨潤(rùn)土含量、pH 值、老化溫度對(duì)4%膨潤(rùn)土漿流變性的影響規(guī)律,結(jié)果表明膨潤(rùn)土含量、pH 值和老化溫度對(duì) 4%膨潤(rùn)土漿流變性的影響較大。下面舉膨潤(rùn)土量的變化與流變性變化間的關(guān)系因此選擇合適的膨潤(rùn)土含量是鉆井液獲得較好流變性的前提之一。對(duì)于超高密度鉆井液而言,需要嚴(yán)格控制膨潤(rùn)土用量,鉆井液的密度越高,膨潤(rùn)土含量應(yīng)當(dāng)越低。3.1.2 重晶石粉粒度級(jí)配控制鉆井液穩(wěn)定性重晶石粉顆粒粒度分布較為集中的鉆井液的黏度很高, 而隨著重晶石粉顆粒粒度分布范圍變寬, 鉆井液的黏度降低至最小值并穩(wěn)定下來。進(jìn)一步分析來看，加重劑顆粒粒度較大時(shí),鉆井液沉降穩(wěn)定性很差。完全由粒徑為38.5%15.4%mm的顆粒加重的

17、鉆井液在老化前靜置后的沉降現(xiàn)象比較嚴(yán)重;隨著粒徑小于38.5%mm 顆粒配比的增多,鉆井液的穩(wěn)定性有很大的改善,當(dāng)其比例大于50%后,鉆井液的沉降穩(wěn)定性已經(jīng)非常好。這也說明,只有當(dāng)固相顆粒與體系結(jié)合緊密后,才能穩(wěn)定懸浮于鉆井液中, 單獨(dú)從切力值判斷高密度鉆井液的沉降穩(wěn)定性是不合適的。從分析水基固相懸浮液分散穩(wěn)定機(jī)理及流變性機(jī)理入手，提出從膨潤(rùn)土用量控制和重晶石顆粒降低兩個(gè)角度提出了控制鉆井液流變性和穩(wěn)定性的措施。格控制膨潤(rùn)土用量來配制超高密度鉆井液，因?yàn)殂@井液的密度越高, 膨潤(rùn)土含量應(yīng)當(dāng)越低,從而更容易控制其流變性。而重晶石粒度分布明顯影響鉆井液的流變性和濾失性，在配制超高密度鉆井液。3.2

18、控制高密度鉆井液潤(rùn)滑性的技術(shù)應(yīng)用改善體系潤(rùn)滑性一方面是出于降低井壁摩擦阻力、減少黏附卡鉆的需要,更主要的一點(diǎn)是降低體系的流動(dòng)阻力,從這種意義上講,使用合適的潤(rùn)滑劑相當(dāng)于使用了“緩釋型”稀釋劑。眾所周知,在高密度體系中一旦出現(xiàn)水化分散后便會(huì)引起鉆井液的黏度和切力的大幅度變化這種情況,其后果是非常嚴(yán)重的。關(guān)于這方面問題的解決,在專用的高效潤(rùn)滑劑推廣應(yīng)用前,有如下建議:盡可能使用活化加重材料 ,總體情況表明,加重劑經(jīng)活化處理后可以有效改善顆粒表面性質(zhì),提高其動(dòng)力穩(wěn)定性,已有的現(xiàn)場(chǎng)使用資料表明,使用活化加重劑的高密度體系具有相對(duì)較好的流變性能,并且比較容易進(jìn)行調(diào)節(jié);謹(jǐn)慎使用非極性類潤(rùn)滑劑(如礦物油),避免增大相界面阻力;體系固相含量允許時(shí)可以嘗試使用石墨類固體潤(rùn)滑劑,建議盡可能選用球狀石墨,使用水基潤(rùn)滑劑,以增強(qiáng)潤(rùn)滑