耐高温钻井液固化含量研究

苏 洁，马贵阳

耐高温钻井液固化含量研究

苏 洁，马贵阳

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

我国能源需求量大巨大，钻井行业随之迅速发展，已经由20世纪70年代初的浅层开发发展到现在的深层钻井。但随着钻井深度加深，井底升温显著，钻井液性能易被破坏。利用钻井液中固相含量的配比，从而研制出在高温状态下仍能保持性能的钻井液。

耐高温；固化物；流变性；钻井液

目前，世界经济迅猛发展，能源动力成为了我们生活密不可分的一部分，石油天然气能源能够确保生产建设可持续性发展，是工业长期稳定发展的有力保障。石油工业的钻探开发已经不满足于浅层开采，由浅至深的钻探理念，正在日益主导油气钻探开发。

我国上世纪也钻有深井，尤其在 70年代后，钻了许多能够达到5到6 km的深井，其中利用水基钻井液技术，有4口井深能够超过7 km。但深井在钻探到更多石油天然气的同时，井底温度也明显增高，很多深井钻探温度都高达200 ℃，有的甚至超过 200 ℃［1］。随着深井的深度加深，井底温度也明显升温，在超高温的深井中钻探，钻井液技术手段是钻探深层石油天然气技术的首要前提，是勘探开发发展的关键性技术。在钻井技术方面的突破，往往耗时费力，需要很大的前期及后期资金支持，如果能通过控制固相含量从而得到新型钻井液，将对深井深层地层的石油天然气的钻探开采有着至关重要的影响，使钻井技术水平上升到一个新的水平，而新型钻井液的实际应用推广，将会带来巨大的经济前景和社会利益。

1 钻井液中固化物分析

1.1 钻井液中固相物的组成

一套完整的钻井液体系是由固化物质、水、加重剂、和降滤失剂、增粘剂等处理剂（低密度固相：膨润土及钻屑；高密度固相：加重剂）组成的。而影响钻井液流变性的根本原因，主要有固相含量，即钻井液中加入的膨润土、钻探过程中产生的钻屑、以及重晶石类的加重剂等，其次还有颗粒的分布和表面性质、钻井液中游离的水量、钻井液体系中的处理剂、电解质，甚至外在的温度及固控设备都对钻井液的流变性有着影响。

1.1.1 固化物中的低密度固相

（1）钻井液的固相物质主要是由粘土、膨润土等固相物质粒子组成的。粘土能够保证钻井液结构体系强度，粘土粒子的分散成程度，粒子极配，以及颗粒大小，都是保持钻井液性能的关键。为了能够保持钻井液性能的稳定，在研制钻井液的时，更应该充分考虑钻井液中固相物质的含量，尽量控制有害于钻井液性能的固相含量［2］。

（2）在钻探过程中，工程进行掉落的钻屑也是一个令人头痛的问题，钻屑是无用固相，掉落后无法自行清除，混合在钻井液当中。

1.1.2 固化物中的高密度固相

为了保证在钻井过程中井壁稳定，使钻井工作安全进行，在钻探进行中，往往会适当加入加重试剂，如重晶石等。适量添加重晶石的钻井液在钻探过程中能是钻头降温冷却，平衡井底油气压力，更有稳固井壁的作用，从而保证石油天然气产量稳定，有效预防井喷等事故。但钻井液中固化含量的体积百分比是由加重材料的密度决定的，这也影响着钻井液流变性［3］。重晶石普遍受重力影响产生沉淀，沉淀会导致钻井液变化很大，比如钻井液固相含量比重改变，特别是对钻井液流变性的影响，这些变化都会对井下钻井工作带来严重的后果。

1.2 固化物的胶体特性分析

高温钻井液的固化物质是由多种胶体体系组成的，首先是具有控制其流变性和滤失性的粘土矿物，其次是特殊处理剂，也可是不具有功能的污染物，通常是可溶性无机化合物［4］。当然，可溶性有机化合物通常都具备较好的使用性能。最后，例如重晶石等不溶性的惰性材料来充当处理剂，亦或者是污染物。

1.3 高温对固化物的影响

常规的钻井液体系，普遍不能承受高温，通常在超过150 ℃时，就会发生固化沉淀或者反应物交联，从而致使钻井液失去原有的效用。钻井液在高温作用下易老化增稠的根本原因是膨润土等固相物质高温变性［5］，影响钻井液的流动稳定性，配备钻井液时应选择合适的固相物质含量，确保高温高压情况下钻井液性能稳定性。

1.4 粘土限量值

经过前人多年的探索和实践，为了保证深井钻井液的流变性和热稳定性稳定发挥，必须严格控制高密度钻井液体系中固相，即膨润土含量，这一含量必须在一定范围内，并且使用限量具有最低值，即深井钻井液的“粘土限量值”。

2 高温下固相物对钻井液的影响

2.1 高温下固化物对钻井液性能的影响

钻井液的流变性是钻井液体系最具有代表性的特性之一，研究钻井液的流变性对配置钻井液起着至关重要的作用。在水基钻井液中，处理剂以粘土和水为介质条件，先通过与水作用（吸水、溶解），接着处理剂会附着于粘土颗粒之上，但这些物质在深井高温作用下，处理剂与粘土或膨润土之间的作用变差，降解和解吸效果不再明显，对粘土性能产生影响，固化物遇高温分解，使粘土密度变大，钻井液性能损坏。

2.1.1 粘土及膨润土对钻井液性能的影响

（1） 矿物粘土是目前普遍被大家使用的固相物质之一，在高温作用下，它的特性是直接影响水基钻井液的各项性能，比如说流变性、滤失性等，这种作用的本质就是粘土颗粒受高温后分解，颗粒分散度增大，比表面积增加，颗粒浓度、粘度、切应力也同样增大。其表面的胶体特性会通过和周围其他液相物质相互反应而形成胶黏结构。矿物粘土在高温情况下，其物理性能有较大的改变并且不能维持自身稳定性。合理使用固相设备，运用离心机、振动筛等清除钻井过程中产生的固相废物，使钻井液保持良好的清洁。

（2）在深井下进行钻探，将要面临着高温高压环境及隐蔽的地质情况，钻井液中膨润土的合理配比是钻探工程顺利进展的基础保障。固相物质水化后的结构强度能够提高整体稳定性，研究表明，过高含量的膨润土经过水化分解，导致钻井液粘稠，内部切应力升高，使钻井液流动性减弱或丧失，且这时一个不可逆的过程，钻头及钻本身承受的摩擦力大大增加，产生不安全因素，导致钻速下降或卡钻等现象［6］。高密度高温下，膨润土会同时增稠和减稠，这两种情况都是危险的，都会对钻井液的沉淀稳定性及流变性造成影响。而过低含量的膨润土处于高温高压状态下，颗粒会发生反应形成双电层，导致膨润土高温凝结，降低钻井液整体的凝胶性和沉淀稳定性，对井下工作造成困难。

2.1.2 钻屑对钻井液性能的影响

在钻头的不断切削下，被分解成微小的颗粒粉末，有的形成胶体微粒后活性增强，表面吸附大量水分，使钻井液中液态水含量减少，颗粒之间作用后，很大程度影响了钻井液的流变性能，甚至会使流变性完全失效，所以清除钻井液中的钻屑也是控制钻井液体系流变性的重要手段之一。

2.1.3 重晶石对钻井液性能的影响

（1） 当钻井液固相含量相对较大时，固化颗粒会与钻井液体系其他物质形成新的结构，尤其是高温高压的情况下，加速老化形成絮凝结构，造成固相含量密度升高。同样的，随着钻井液固相密度变化，固化颗粒数也随之升高，聚集起来的颗粒形成的表面积也随之增大，固化颗粒间相互作用，摩擦力增大，塑性粘度明显增大。

（2） 钻井液中的固相物质容易发生沉淀，而发生这种沉淀的能力称之为沉淀稳定性，在钻井液密度保持一定的情况下，重晶石的沉淀稳定性取决于其颗粒度，颗粒度大则沉淀稳定性差，颗粒形状亦对沉淀稳定性和钻井液粘度有影响。

（3） 重晶石在钻探过程中，其表面会进行水化反应，加之重晶石的沉淀，会对钻井液的滤失量造成影响。所以控制重晶石颗粒的大小也是维持滤失量的关键因素。

2.2 密度对钻井液性能的影响

在钻探的过程中，使用高密度的钻井液进行钻探，会使钻井液滤失量增大，固相增加、泥饼变厚、流动性能减弱，很难维持钻井液原有性能。地层温度随着钻井深度的增加而增加，滤失量显著变大，其他处理剂加速分解，导致钻井液粘度增加甚至固化，这对井壁的稳定有着直接的影响。深井井底的多层次压力系统也是需要被关注的重要问题，提高井底井壁的地层承受压力能力，结合钻井液固化密度调控，在钻探的过程中封堵防塌，也是确保钻探顺利进行的关键点。

3 耐高温钻井液固化含量分析试验

3.1 主要实验仪器及工作原理介绍

3.1.1 ZNG型钻井泥浆固相含量测定仪

（1）概述：本仪器依据 Q/02NSJ001-1998标准制造，泥浆固相含量测定仪，是专用于测定钻井泥浆中所含固相成分的仪器。

（2）基本参数：泥浆杯容量：(20±0.2)mL；加热棒功率：100 W；量筒：(20±0.2)mL

（3）本仪器依据蒸馏原理，取一定量（20 mL）泥浆，用高温（加热）将其蒸干，然后固相称重，算出固相成份之重量或体积百分含量。

（4）仪器主要有整流器、加热棒、电源接头、冷凝体、量筒等部分组成。

（5）仪器的操作步骤：取样、蒸馏、冷却、称重、计算。

固体的百分含量=100%—水和油的百分含量

3.1.2 ZNN-D6S数显六速粘度计(可旋转)

对牛顿流体液体流动服从于牛顿内摩擦定律。塑性流体流动服从于宾汉公式。假塑流体和膨胀流体流动服从于幂函数式。六速旋转粘度计是以步进电机为动力的旋转型仪器。被测液体处于两个同心圆筒间的环形空间内，有步进电机带动外转筒旋转，外转筒通过被测液体作用于内筒产生一个转矩，使同扭簧链接的内筒旋转了一个相应角度，依据牛顿定律，该转角的大小与液体的粘度成正比，于是液体粘度的测量转为内筒转角的测量。通过计算即为液体粘度、切应力。

3.2 实验结论

在温度超高的地层处进行钻探时，低固相含量的钻井液起着决定性的作用。经过实验测得（实验数据见表1），当钻井液中固相含量高于6%时，其粘度在最初的升温过程中并没有显著改变，基本保持稳定，但当升温至200 ℃高温时，粘度开始突然增大，随着温度的持续升高，钻井液粘度显著升高，呈现出明显的粘稠现象，钻井液的流动性超过允许范围，钻井液失效。

当钻井液中固相含量控制在 6%以内时，钻井液的粘度随温度变化不大，没有突然增高的现象，这说明钻井液在低密度固相含量的情况下，钻井液稳定性好，流动性稳定。从以上实验得出的结果不难发现，为了确保钻井液在高温环境下流动的稳定性，钻井液配方中的膨润土应尽量控制在较低含量。在高温情况下，若钻井液的固相含量较高，保持钻井液流动稳定性的费用普遍远远高于控制钻井液固相含量的费用，所以在钻井液的研制过程中，应注意固相含量的配比。

4 结 论

在目前的钻井技术水平的基础上，进行深井抗高温抗高压钻井液的技术研究，降低钻井液系统中固相含量，尽可能攻克阻碍钻井液研制当中遇到的难题，进而研制出满足在钻探过程中的技术要求、安全可靠、质优价廉、保护井壁和油层、环保、在高温高压环境下能够保持各项性能的新型钻井液，这在目前能源开采行业被迫切需求，并有实际意义。

［1］曾义金，刘建立．深井超深井钻井技术现状和发展趋势[J].石油钻探技术，2005(5)：1-5．

［2］ 鄢捷年.钻井液工艺学[M].山东:石油大学出版社,2001:348-360.

［3］吴隆杰，杨凤霞．冻钻井液处理剂胶体化学原理[D].成都：成都科学技术大学，1992．

［4］ 李样华，张景阳等.Z4超深井钻井液工艺技术[J].西部探矿工程，2005,114:139-141.

［5］ 胡继良，陶士先，单文军，等．超深井高温钻井液技术概况及研究方向的探讨[J].地质与勘探，2012，48(1)：155-159．

［6］ 沈丽．抗高温钻井液体系的研究与应用[J].精细石油化工进展，2008，9(4)：5-9．

Study on Solid Content of High Temperature Resistance Drilling Fluids

SU Jie，MA Gui-yang
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

China's energy demand is huge, so the drilling industry has gained rapid development from the shallow layer development in the early70's to the deep drilling now. But with increasing of drilling depth, bottom hole temperature rises significantly, the performance of drilling fluid is easily damaged. In this paper, through improving solid content ratio of drilling fluid, high temperature resistance drilling fluid was developed.

High temperature resistance; Solid; Rheology; Drilling fluids

TE 357

： A

： 1671-0460（2015）05-0985-03

2014-03-30

苏洁（1987-），女，辽宁抚顺人，助理工程师，2015毕业于辽宁石油化工大学油气田开发工程专业，油气田开发：开发设计工作研究。E-mail：117022044@qq.com。