连续动态多重光散射法评价高密度油基钻井液稳定性

马 超，苏 超，周 超，潘蕾茗，徐生江，叶 成，孙晓瑞

(1.长江大学石油工程学院 油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北 武汉 430100；2.中国石油天然气股份有限公司 新疆油田公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000)

引 言

深井、超深井等复杂地层钻井(特别是钻遇含有巨厚盐膏地层)对钻井液提出了高密度、强抑制能力和优良的抗高温稳定性等特殊要求。而油基钻井液在井壁稳定、抑制性能、抗高温、抗盐抗钙污染及快速钻进等方面具有明显的优势[1]。准噶尔盆地南缘山前钻遇的安集海河组、紫泥泉子组为膏泥岩和泥岩地层，地层孔隙压力高、温度高，采用油基钻井液密度普遍高于2.3 g/cm3，最高达到2.65 g/cm3[2-3]。由于高密度油基钻井液中加重剂等固相材料在钻井液体系中的质量分数可能高达70%，因此，在现场应用时高密度油基钻井液中需要添加大量的乳化剂、润湿剂以及有机土等以保证加重材料在体系中的悬浮分散，另外高含量的固相加重剂使钻井液在深井高温条件下流动性变差，加重剂遇到高盐地层水侵易沉降，导致钻井液流变性失控[4-5]。为此，研究者们采用密度较高的铁矿粉和微锰粉作加重材料以降低高密度油基钻井液的固相含量[6-7]，提高油基钻井液稳定性。但铁矿粉具有磁性且硬度较大，对钻具、钻头和钻井泵的磨损严重，微锰矿粉原料来源少、价格昂贵、制备工艺复杂。因此，高密度油基钻井液的现场应用中，通常仍然采用密度为4.20 ～4.35 g/cm3、粒径分布在25～75 mm的API重晶石来提高钻井液密度[8]。

油基钻井液的稳定性一般由以下3个方面的因素决定[9-10]：(1)乳化稳定性。其关键取决于表面活性剂的特性及高温稳定性，以及与其他处理剂的配伍性；(2)悬浮稳定性。主要由加重剂的油相润湿性及油包水钻井液中增黏材料的组成决定；(3)地层的污染。对于盐膏地层，高盐地层水(NaCl、CaCl2)及CaSO4侵入油基钻井液也是影响油基钻井液稳定的主要因素。常规评价方法是通过测试油基钻井液的乳化电压和静置一定时间后钻井液上、中、下部的密度差来判断乳液稳定性和沉降稳定性，但破乳电压是依靠电极击穿乳液所需的电压来间接反映具有油包水乳液特点的钻井液瞬间稳定性，无法反映较长时间钻井液的稳定性，而密度差的方法测试过程繁琐，精确度不高，难以确定油基钻井液的综合稳定性。本研究采用多重光散射仪(AGS)持续测试高密度油基钻井液静置不同时间的背散射光强度变化，评价高密度油基钻井液的稳定性。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

油基钻井液配制用材料：乳化剂：主乳(HIECZ-1)和辅乳(HZCOMAT)，湖北嘉华科技公司；有机土，浙江丰虹(HFGEL-120)；润湿剂(HZCOT)和成膜剂CZ-1，荆州飞鸿化学品公司；降滤失剂(FC-TROL150)，广汉福克等公司；重晶石加重剂(密度4.3 g/cm3)，中石油北京钻井院。NaCl、CaCl2、CaSO4，分析纯，天津市福晨化学试剂厂；油基钻井液配方：0号柴油 + 3%主乳HIECZ-1+ 0.2%辅乳HZCOMAT+ 15 mL 25% CaCl2溶液 + 4%润湿剂HZCOT+0.5%有机土HFGEL-120 + 3%降滤失剂FC-TROL150+ 1.5% 氧化钙+3%成膜剂CZ-1 +重晶石加重，油水比95∶5。多重光散射仪(AGS)，北京朗迪森科技有限公司；六速旋转黏度计、热滚炉等，青岛海通达专用仪器有限公司。

1.2 实验原理及方法

1.2.1 实验原理

AGS是采用近红外光作为光源，有一个透射光检测器和一个背散射光检测器。光源与透射光检测器和背散射光检测器组成测量探头。测量探头从样品池的底部到样品池的顶部每40 μm测量一次，完成样品池从底到顶的测量称为一次扫描(如图1所示)。随着时间的变化，由于样品的不稳定性，透射光和背散射光都会发生变化，其本质是样品颗粒的粒径和(或)浓度发生了变化[11]。对于透明体系，采用透射光的透过率为指标，不透明体系则采用背散射光的反射率为指标，乳液体系属于不透明体系，其稳定性评价指标为BS[12]，以样品初始BS为对照，不同扫描时间的BS与之的差值(即背散射光强度的变化率，ΔBS)反映乳化体系的背散射光的变化程度，从而放大了样品在测定时间内微观特征的变化，扫描曲线给出了不同扫描时间背散射光变化率随装满样品的样品池高度的变化关系。AGS 可以按照预先设计的时间进行扫描，在同一张图上显示不同扫描时间的谱线轮廓，进行对比[1]。将样品池中的钻井液分为清液层、沉淀层和中间层。随着扫描时间的延长，样品池上部背散射光强度减弱的区域为清液层，表示悬浮液上部出现了澄清液；样品池底部背散射光逐渐增强的区域为沉淀层，表示随颗粒的沉降固相浓度增加；清液层和沉淀层之间为中间过渡层，如图 2所示。

图1 多重光散射仪(AGS)测试原理Fig.1 Testing principle of multiple light scattering meter (AGS)

图2 钻井液背散射谱Fig.2 Backscattering spectra of drilling fluid

1.2.2 实验方法

(1)高密度油基钻井液的配制。按照《石油天然气工业钻井液实验室测试- GB/T 29170-2012》标准[13]进行配制，并将钻井液老化(180 ℃×24 h)，分装到样品瓶中备用。

(2)油基钻井液稳定性测量。由于高密度油基钻井液(2.0～2.5 g/cm3)含有加重材料等大量的固相颗粒，且固相颗粒质量分数在40%～50%之间，粒径在2 000 nm以上，属于浓悬浮液体系[14]，经多次重复扫描分析后采用背散射光对样品进行分析。首先将多重光散射仪(AGS)开机预热，将盛装样品的测量池洗净、烘干 ；将老化后(180 ℃×24 h)油基钻井液缓慢倒入20 mL测量池至刻度处(无外漏)，将试管放入仪器，并打开仪器的随机附带软件界面，输入扫描参数，每30 min扫描一次，扫描24 h，测试温度25 ℃，测量油基钻井液在24 h内的沉降稳定性。

(3)动力学稳定性指数(TSI)计算。动力学稳定性指数反映油基钻井液样品在整个放置时间内的综合稳定性。样品中沉降颗粒高度的变化幅度越大，动力学稳定性指数越大，油基钻井液体系就越不稳定。其计算公式如下：

式中：TSI为动力学稳定性指数；scani-1(h)为第i-1次扫描时刻油基钻井液中沉降颗粒在样品池中的高度，mm；scani(h)为第i次扫描时刻油基钻井液中沉降颗粒在样品池中的高度，mm；H为样品池的总高度，mm；i为扫描次数。

2 结果与讨论

2.1 密度变化对钻井液稳定性的影响

将密度分别为2.0、2.2、2.3、2.5、2.55、2.6 g/cm3且经过老化热滚后(180 ℃×24 h)的油基钻井液样品放入多重光散射仪的样品池中进行动态扫描，记录动态背散射光强度。图3中曲线的横坐标的左边部分代表样品池的底部，右边代表样品池的顶部。扫描图被设置在有参比的模式下(即所显示的数据为多次扫描与第一次扫描的差值)。纵坐标为光强的变化，光强增加为正，反之，光强降低为负。第一次扫描显示蓝色，最后一次扫描显示红色。

从图3可见：对于某一特定密度的油基钻井液(如密度为2.3 g/cm3)而言,随着扫描时间的增加，样品池底部的背散射光强度变化值有一定的降低，扫描曲线出现一个向下的波浪型的形态，说明样品池底部有少量固相颗粒沉淀团聚的现象。这主要是因为油基钻井液是稳定的油包水的乳化液，由于布朗运动和重力作用下的迁移[14-15]，乳化粒子连续运动并不断与其他粒子发生碰撞，进而导致油基钻井液的沉淀、聚集；而中间光强值变化不大，说明中间部分乳化比较稳定；样品池顶部扫描的光强值变化率增大，扫描曲线出现一个有一定宽度的下凸形状，说明油基钻井液样品池顶部有清液析出，乳液的稳定性发生了变化。随着密度的增加(2.0～2.6 g/cm3)，样品池底部光强(波浪线)变化幅度减小，油基钻井液析出的清液层逐渐变薄，清液量逐渐减少，说明随着密度的增加，油基钻井液沉降稳定性增加。

从图4的动力学稳定性指数也可以看出，随着密度增加，油基钻井液的稳定性增加。这跟通常认为密度增加油基钻井液稳定性降低的现象并不一致[16]，原因在于密度在一定范围内逐渐升高，更多的重晶石加重固相进入液相，乳化剂和润湿剂能充分发挥作用，使得油基钻井液的黏度增加，加重固相下沉和分相的能力下降。

图3 不同密度油基钻井液的背散射光强变化曲线Fig.3 Backscattering spectra intensity curves of oil-based drilling fluid of different density

图4 不同密度的油基钻井液动力学稳定性指数(TSI)Fig.4 Kinetic stability index (TSI)of oil-based drilling fluid of different density

2.2 饱和(溶液)污染对油基钻井液稳定性的影响

分别将3%、12% NaCl及5%、25%CaCl2溶液加入油基钻井液中进行扫描，考察NaCl、CaCl2污染对油基钻井液稳定性的影响(图5)。分别将3%、5%、7%、10%、12% NaCl溶液加入油基钻井液中进行扫描，并计算其动力学稳定性指数(图6)。分别将5%、10%、15%、20%、25% CaCl2溶液加入油基钻井液中，并计算其动力学稳定性指数(图7)。

从图5(a)、(b)可见,对于某一特定浓度的NaCl溶液加入到油基钻井液中，样品池底部的“波浪线”波峰变化幅度小，且基本相似，说明受到NaCl溶液污染后油基钻井液的稳定性有小幅降低但变化不大，稳定性良好。从图6的动力学稳定性指数曲线可见，NaCl溶液浓度对油基钻井液的稳定性影响不大。这是因为一价金属盐溶液可增加油包水乳液的水相黏度，使得乳液的油水相密度更趋于接近，从而更加稳定。

从图5(c)、(d)可见：对于某一特定浓度的CaCl2溶液对油基钻井液稳定性随时间变化的影响和NaCl溶液的影响相似。从图7的动力学稳定性指数曲线可见，CaCl2浓度的增加使得油基钻井液的稳定性更加良好，这是因为具有二价金属离子的CaCl2溶解在水中增加了油包水体系中水相的密度，降低了沉降颗粒和水相的密度差，另外过量的CaCl2可能会补充钻井液中乳化剂Ca2+的流失，使得乳化剂体系乳化性能提高，从而使得油基钻井液乳液更加稳定。

2.3 CaSO4污染对油基钻井液稳定性的影响

分别将3%、5%、7%、10%、12%、15% CaSO4溶液加入油基钻井液中进行扫描，考察CaSO4污染程度对油基钻井液稳定性的影响(图8)，并计算其动力学稳定性指数(图9)。

从图8可见：对于某一特定浓度的CaSO4加入到油基钻井液中，随着扫描时间的增加，扫描曲线呈现的规律和无机盐的污染相似。从图9的动力学稳定性指数曲线可见，CaSO4浓度的增加对油基钻井液的稳定性影响较大，CaSO4难溶固相颗粒的增加使得体系更容易发生聚沉而更加不稳定。CaSO4质量分数在12%时稳定性最好， CaSO4质量分数较低(3%～10%)与较高(15%)稳定性均会下降。

图5 加入不同浓度NaCl(CaCl2)时的油基钻井液背散射光强变化曲线Fig.5 Backscattering spectra intensity curves of oil-based drilling fluid of different density when NaCl (CaCl2) of different concentration is added

图6 加入不同浓度NaCl时动力学稳定性指数(TSI)Fig.6 Kinetic stability index (TSI)of oil-based drilling fluid of different density when NaCl of different concentration is added

图7 加入不同浓度CaCl2时动力学稳定性指数(TSI)Fig.7 Kinetic stability index (TSI)of oil-based drilling fluid of different density when CaCl2 of different concentration is added

图8 加入不同浓度CaSO4时的油基钻井液背散射光强度变化曲线Fig.8 Backscattering spectra intensity curves of oil-based drilling fluid of different density when CaSO4 of different concentration is added

图9 不同浓度CaSO4动力学稳定性指数(TSI)Fig.9 Kinetic stability index (TSI)of oil-based drilling fluid of different density when CaSO4 of different concentration is added

3 结 论

(1)多重光散射法是一种评价高密度油基钻井液稳定性的新方法。该方法可以持续动态评价高密度油基钻井液的密度变化、NaCl、CaCl2、CaSO4污染后油基钻井液的稳定性。

(2)随着密度的增加(2.0～2.6 g/cm3)，油基钻井液不但具有良好的沉降稳定性而且综合稳定性更好，说明采用的油基钻井液具有良好的密度稳定性。

(3)饱和NaCl溶液污染对油基钻井液稳定性影响不大；饱和CaCl2溶液浓度在一定幅度(5%～25%)增加会提高油基钻井液乳液的稳定性。

(4)CaSO4浓度的增加对油基钻井液的稳定性影响较为复杂，在高浓度(15%)和低浓度(3%～10%)时稳定性均会降低， 12%时稳定性最好。

(5)油基钻井液为油包水的乳液，多重光散射法的基本原理就是根据颗粒(乳液颗粒)的迁移对光散射强度的影响来判断稳定性，因此该方法可以对油基钻井液的乳化剂选择和评价、加重剂的选择、密度变化、污染性进行连续动态评价。