密度对油基钻井液性能的影响

潘谊党，于培志

（中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083）

油基钻井液具有抑制性强、润滑性好、抗温抗污染能力强等优点，被广泛应用于深井、超深井、大斜度井和水平井等复杂井[1-2]。随着我国能源需求的增加，以川渝地区页岩气为代表的非常规油气资源的开发逐渐加快[3]，越来越多的高密度油基钻井液在钻井现场被使用。与水基钻井液相比，油基钻井液流变性更容易受温度影响[4-6]。油基钻井液是固体颗粒的悬浮液，随着钻井液密度增大，加重材料加量的增大，钻井液的流变性变得难以控制[7-9]。研究表明，通过减少有机土加量[10-11]或改用微粉加重材料[12]等方法，可以改善高密度时油基钻井液的流变特性。但是，现场使用高密度油基钻井液时仍然遇到很大困难。以四川威远县威204H37-5井为例，该井水平井段油基钻井液密度最高达2.15 g/cm3，在钻井过程中时常会发生黏度和切力突然增大或者破乳电压突然降低的情况，表现出钻井液性能的不稳定。高密度对油基钻井液性能影响的研究目前仍然十分缺乏，研究了密度对油基钻井液性能的影响，以及不同密度下温度、剪切时间、油水比、有机土、CaCl2浓度和劣质固相对油基钻井液性能的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

主乳化剂、辅乳化剂、润湿剂、降滤失剂，河南龙翔石油助剂有限公司；0#柴油；API重晶石、有机土，华东局六普钻井公司钻井现场使用；CaCl2、CaO，工业级；岩屑，威204H37-5井目的层龙马溪组页岩（密度为2.15 g/cm3）。

NB-1型泥浆比重计，上海路达实验仪器有限公司；电稳定性测试仪DWY-2，青岛同春石油仪器有限公司；六速旋转黏度计1103-12、黏度计量加热器JR，青岛创梦仪器有限公司；全自动张力仪JK99C，上海中晨数字技术设备有限公司；ZNG-A型钻井液固相含量测定仪，青岛海通达专用仪器有限公司；JSM-7401场发射扫描电镜。

1.2 实验方法

1.2.1 油基钻井液的配制

基本配方：油水比8∶2（0#柴油∶25%CaCl2水溶液），4%主乳化剂，2%辅乳化剂，1%润湿剂，4%降滤失剂，2%有机土，3%氧化钙，使用API重晶石加重至所需密度。

配制步骤：①取240 mL柴油加入高脚杯中，以12 000 r/min高速搅拌15 min，并加入主乳化剂、辅乳化剂和润湿剂；②以12 000 r/min高速搅拌10 min，并加入CaCl2水溶液；③以12 000 r/min高速搅拌15 min，并加入降滤失剂、有机土和氧化钙；④以12 000 r/min高速搅拌40 min，加入重晶石。

1.2.2 钻井液基本性能测定

参照GB/T 29170—2012《石油天然气工业钻井液实验室测试》测定钻井液流变性、电稳定性、密度和固相含量。测量不同温度下钻井液的流变性时，使用黏度计量加热器进行加热和保持恒温。钻井液老化条件为：120 ℃下热滚16 h。老化后的钻井液先以12 000 r/min高速搅拌10 min，然后再进行性能的测定。钻井液的配制和测量严格按照规定的步骤进行，保证测量结果的准确性和可对比性。

2 结果与讨论

2.1 密度对油基钻井液表观黏度和破乳电压的影响

配制不同密度油基钻井液，老化后在70 ℃下测量钻井液的破乳电压和表观黏度[13]，实验结果见表1。随着密度的增加，油基钻井液表观黏度和破乳电压都呈上升的趋势，密度大于1.9 g/cm3后，这种上升趋势更加明显。因为钻井液的密度和加入的重晶石的量并不呈线性关系。随着密度增加，重晶石的加入量呈加速增加的趋势。因此在高密度时，油基钻井液的表观黏度和破乳电压上升得很快。

表1 密度对钻井液表观黏度和破乳电压的影响

油基钻井液一般使用API重晶石进行加重，讨论密度对钻井液的影响，实质上是讨论重晶石加量对钻井液的影响。可以看出，重晶石的加入会提高油基钻井液的乳化稳定性。图1是文中所使用的重晶石扫描电镜照片。从图中可以看出，重晶石颗粒呈不规则状，并且棱角分明。随着钻井液密度的增加，重晶石含量不断增加，不规则状的重晶石颗粒会大大增加钻井液中固相和液相、固相和固相之间的摩擦，因此随着密度增加钻井液的塑性黏度会增大。从图中还可以观察到，重晶石粒径大小不一，存在很多相对微小的颗粒。重晶石等加重材料表面性质多属于水湿性[12]。在油基钻井液中，微小的重晶石颗粒更倾向于聚集在一起，增加了不必要的网架结构，增大了钻井液的动切力。表观黏度值是塑性黏度和动切力的和，因此密度的增加会使钻井液表观黏度增大。

图1 重晶石扫描电镜图

2.2 不同密度下其它因素对油基钻井液性能的影响

2.2.1 温度对油基钻井液黏度的影响

油基钻井液在井底会经历高温老化，性能发生变化。表2是密度为1.5和2.1 g/cm3时油基钻井液老化前后不同温度下的塑性黏度和动切力值。

表2 温度对油基钻井液性能影响

从表2可以看出，2种密度的油基钻井液老化前后，塑性黏度变化幅度不大；密度为1.5 g/cm3时油基钻井液老化前后动切力少量增加，而密度为2.1 g/cm3时老化后的动切力大约是老化前的1.5倍，增幅显著。这表明高温老化会提高油基钻井液动切力，并且这种趋势在高密度时更加明显，因此油基钻井液在高密度时要重点关注老化后的性能。由表2还可以看出，无论是老化前后，密度2.1 g/cm3的油基钻井液比密度1.5 g/cm3的油基钻井液塑性黏度和动切力受温度的影响更大。密度不仅仅单独地影响油基钻井液的性能，也会影响油基钻井液对其它因素的敏感性。因此，研究不同密度下其它因素对油基钻井液的影响十分必要。

为研究不同密度时温度对油基钻井液的影响，配制不同密度油基钻井液，老化后测量不同温度下的表观黏度，实验结果见图2。随着温度降低，油基钻井液的表观黏度增加，这种增加趋势在高密度时尤为明显。因此，高密度油基钻井液表观黏度受温度的影响比低密度时大很多。

图2 不同温度下油基钻井液的表观黏度

不同密度时不同温度油基钻井液的表观黏度图见图3。

图3 不同密度油基钻井液的表观黏度

如图3所示，当密度小于1.9 g/cm3时密度对油基钻井液表观黏度影响较小，而密度大于1.9 g/cm3时，表观黏度不仅迅速增加，表观黏度受温度的影响也迅速增大。密度的增加使油基钻井液表观黏度对温度的敏感性增加，并且存在一个临界密度，大于该密度的油基钻井液表观黏度受温度的影响迅速增大。

2.2.2 剪切时间对不同密度油基钻井液破乳电压的影响

配制不同密度油基钻井液，在加入重晶石的时候开始计时，每隔5 min测量一次破乳电压值，实验结果见图4。可以看出，随着剪切时间增加，油基钻井液破乳电压不断升高。破乳电压最终达到一个相对稳定的值，密度越高，破乳电压稳定值越高。并且密度越高，达到稳定值需要的剪切时间越短。这说明，重晶石的加入不仅有利于提高钻井液的乳化稳定性，还能加速钻井液的乳化。

图4 剪切时间对油基钻井液破乳电压的影响

图5 是不同剪切时间下密度对破乳电压的影响图。从图5可以看出，相同剪切时间时，高密度油基钻井液破乳电压始终高于低密度钻井液。存在一个临界密度，大于该密度的油基钻井液破乳电压随密度的增加升高的很快。

图5 密度对油基钻井液破乳电压的影响

固体颗粒对乳状液的稳定作用，主要是固体颗粒在油水界面形成具有一定机械强度的界面膜[14]。重晶石颗粒在油水界面上，减少了油水接触面积，有利于乳状液的稳定。在搅拌过程中，重晶石颗粒增加了钻井液的切力，加快了大液滴形成小液滴的过程，因此能够加速钻井液的乳化。然而，重晶石提高油基钻井液乳化稳定性和加速乳化的作用在高密度时才得以体现。

为了探究重晶石加量与破乳电压的关系，取剪切时间为90 min、95 min和100 min时破乳电压的平均值，当做不同密度油基钻井液最终稳定的破乳电压值。作出重晶石加量-破乳电压稳定值的散点图，并作线性拟合，结果如图6。可以看出，破乳电压稳定值和重晶石加量的线性相关系数为0.9896，呈高度线性关系。根据拟合公式，计算密度1.3、1.5、2.1和2.3 g/cm3时的理论破乳电压值。密度2.3 g/cm3的钻井液比密度2.1 g/cm3增加了158 V，而密度1.5 g/cm3的钻井液仅比密度1.3 g/cm3增加了80 V，相差近一倍。这是因为，随着密度增加，重晶石的加入量呈加速增加的趋势。目前在钻井现场，重晶石对破乳电压的影响并不受重视，但这显然忽略了在高密度时重晶石提高油基钻井液乳化稳定性的潜力。

图6 重晶石加量对油基钻井液破乳电压的影响

2.2.3 油水比对油基钻井液表观黏度和破乳电压的影响

油水比是油基钻井液中油和水的体积比，油水比的大小对钻井液的流变性和稳定性影响很大。配制不同油水比不同密度的油基钻井液，老化后在70 ℃下测量钻井液的表观黏度和破乳电压，实验结果见表3。从表3可以看出，不同油水比时，密度2.1 g/cm3的油基钻井液表观黏度和破乳电压都比密度1.5 g/cm3的钻井液高，并且这种差值在低油水比时更加明显。随着油水比升高，油基钻井液表观黏度降低，并且密度2.1 g/cm3的油基钻井液降低的很快。可以说明，高密度油基钻井液表观黏度受油水比的影响比低密度大。因此，为了降低高密度时油基钻井液黏度，应该适当提高油水比。表3还可以看出，油水比越高，钻井液破乳电压越高。实验基本配方中乳化剂的加量是按照油水比8∶2设计的，在油水比6∶4和7∶3时乳化剂的加量不足，因此破乳电压很低。油水比从8∶2提高到9∶1时，即在乳化剂的量充足时，提高油水比仍然能起到提高破乳电压的作用。当油水比从7∶3增加至8∶2时，密度2.1 g/cm3的钻井液破乳电压陡然增加，而密度1.5 g/cm3的钻井液缓慢增加。说明高密度油基钻井液破乳电压受油水比的影响比低密度大。综上可知，在高密度时油基钻井液对油水比更敏感，保持较高、稳定的油水比十分重要。

表3 油水比对油基钻井液性能的影响

2.2.4 CaCl2浓度对油基钻井液破乳电压的影响

油基钻井液通常使用25%的CaCl2水溶液配制，用以平衡井下地层水的活度，减少钻井液中水的流失。在油基钻井液中CaCl2的浓度通常不被现场重视，因为在低密度情况下CaCl2的浓度似乎对油基钻井液没有影响。但是，随着国内高密度油基钻井液使用的越来越多，CaCl2的浓度对油基钻井液的影响也逐渐被现场工程师发现。

使用不同浓度的CaCl2水溶液配制密度为1.5 g/cm3和2.1 g/cm3的油基钻井液，老化后测量破乳电压，结果见表4。随着氯化钙浓度增大，油基钻井液破乳电压逐渐降低，并且高密度下这种降低趋势更明显。2.1 g/cm3密度时，当CaCl2的浓度从0提高到20%，钻井液的破乳电压从1563 V降低到796 V，降低了49%。而密度1.5 g/cm3时，仅降低了32%。因此，CaCl2的浓度对高密度油基钻井液影响比低密度时大。在使用高密度油基钻井液的时候要适当减小CaCl2浓度。另外，如果用其他盐替代传统的氯化钙盐，性能会得到改善。甲酸盐作为内盐，通常比氯化钙具有更好的性能[6]。

为了探究CaCl2浓度对油基钻井液破乳电压的影响机理，使用全自动张力仪对不同浓度的CaCl2水溶液表面张力进行测量，结果见表4。随着CaCl2浓度增大，CaCl2水溶液的表面张力逐渐增大。这表明溶液中分子间的吸引力增大，水滴更容易聚合到一起，增加了乳状液的不稳定。另外，CaCl2浓度对破乳电压的影响程度受密度的影响，说明重晶石也参与了其影响机理。针对CaCl2浓度对油基钻井液性能的影响机理，还需要进一步的研究。

表4 CaCl2浓度对油基钻井液性能的影响

2.2.5 有机土对油基钻井液表观黏度的影响

使用不同有机土加量，配制密度1.5 g/cm3和密度2.1 g/cm3的油基钻井液，老化后70 ℃下测量表观黏度和破乳电压，结果见图7。

图7 有机土对油基钻井液表观黏度的影响

从图7可知，随着有机土加量的增加，油基钻井液的表观黏度随之增大。当有机土加量从0增加到3%时，密度为2.1 g/cm3油基钻井液的表观黏度增加了49 mPa·s，而密度为1.5 g/cm3的钻井液仅增加了约16 mPa·s。可以说明，高密度油基钻井液的表观黏度受有机土加量的影响比低密度大很多。钻井现场一般使用的有机土加量不超过2%，在使用高密度油基钻井液时，还需适当减少有机土的加量。

研究表明，油基钻井液对温度的依赖性取决于钻井液中存在的固相和有机黏土的量[15-16]。配制密度为2.1 g/cm3的油基钻井液，老化后测量不同温度下的表观黏度，结果见图8。由图8可知，有机土加量的增加不仅会提高油基钻井液的表观黏度，还增加了温度对钻井液的影响。综上可知，与低密度相比，高密度油基钻井液对有机土加量更加敏感。

图8 不同有机土加量时温度对表观黏度的影响

2.2.6 劣质固相对油基钻井液的影响

钻井液中不利于维护和提高钻井液性能的固相被称为劣质固相，油基钻井液中的劣质固相主要是微小的岩屑。大块的岩屑可以通过钻井液净化系统自动除去，然而微小的岩屑因为其低重力，因此很难从钻井液中除去。低密度钻井液中劣质固相含量增加会使钻井液密度明显增加，容易被发现和处理。而高密度钻井液中混入了过量的劣质固相并不会使钻井液的密度显著增加，因此很容易被现场工程师忽略。以四川威远县威204H37-5井为例，现场钻井液密度2.15 g/cm3时，固相含量最高达53%（室内实验测得密度2.1 g/cm3的油基钻井液固相含量为43%），远高于理论值。

为了探究劣质固相对不同密度油基钻井液的影响，将页岩岩屑粉碎并通过80目筛网，模拟劣质固相。配制密度1.5 g/cm3和密度2.1 g/cm3的油基钻井液，加入不同量的劣质固相，12 000 r/min高速搅拌10 min后测量其表观黏度，结果见表5。由表5可知，随着劣质固相增加，油基钻井液表观黏度随之增加。劣质固相加量从0增加到40%时，密度2.1 g/cm3的油基钻井液表观黏度增加了32 mPa·s，而密度为1.5 g/cm3的钻井液仅增加了8 mPa·s。可以说明，高密度油基钻井液表观黏度受劣质固相的影响比低密度大很多。因此，在使用高密度油基钻井液时要更加注重对劣质固相的监控和处理。

表5 劣质固相加量对油基钻井液表观黏度的影响

3 结论

1.讨论密度对钻井液的影响，实质上是讨论重晶石加量对钻井液的影响。重晶石能增加油基钻井液的黏度和切力，提高钻井液的乳化稳定性。油基钻井液的破乳电压和重晶石的加入量呈线性关系。随着密度的增加，油基钻井液表观黏度和破乳电压都呈加速上升的趋势，而这种趋势是由钻井液的加重机制决定的。

2.密度不仅单独对油基钻井液性能造成影响，还提高了油基钻井液对其它因素的敏感性。在高密度时，油基钻井液的表观黏度受温度、油水比、有机土和劣质固相的影响程度比低密度时更大。密度的提高不仅提高油基钻井液的破乳电压，还减小了达到破乳电压稳定值的剪切时间。破乳电压在高密度时对油水比、CaCl2浓度和有机土的影响比低密度更加敏感。综上可知，油基钻井液在高密度时性能会更加不稳定。

3.在钻井现场使用高密度油基钻井液时要注意以下几点：①有机土不仅影响油基钻井液的黏度，还增加了钻井液黏度对温度的依赖性，因此需要尽量减小有机土的加量；②保持较高、稳定的油水比，防止油水比降低导致钻井液破乳电压急剧降低；③适当减小CaCl2的浓度，或用其他盐替代传统的氯化钙盐；④注重对劣质固相的监控和处理。