钻完井液静态沉降稳定性评价方法

李家学，蒋绍宾，晏智航，回海军，陈林，崔长颢

（1.塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000；2.北京石大胡杨石油科技发展有限公司，北京 102200；3.知合环境（北京）有限责任公司，北京 100035）

随着对石油资源的不断勘探和开发，钻遇复杂地层增多，为了防止发生井下复杂情况，在钻完井作业过程中保持钻完井液有良好的静态沉降稳定性将是一个极大挑战。在石油工业中，尽管研究者对钻完井液静态沉降稳定性做了一些工作，但没有形成一套系统的评价标准，大致归纳为在不同的测试条件下建立了一些定性和定量评价方法，其中一些评价方法还需精密仪器辅助，因此有必要对钻完井液静态沉降稳定性的评价方法进行研究。

1 钻完井液静态沉降稳定性评价方法

国内外现有钻完井液静态沉降稳定性评价方法大多数是依据实验环境和沉降条件而建立的，因此钻完井液静态沉降测试方法有多种，包括静态分层指数法[1-3]、静态沉降稳定性测定法[4-5]、沉降因子法[6-8]、高温高压沉降稳定性测试装置测定法[9]等定性定量测试方法；针入式沉实度测定法[2]、动态沉降装置测定法[3]、稳定性分析仪测定法[10-13]、循环模拟装置测定法[14-15]等需借助精密仪器检测钻完井液沉降稳定性的评价方法；较为简单的落棒法，具体评价方法论述如下。

1）静态分层指数法。它是一种定量定性评价钻完井液静态沉降稳定性的方法，通过公式（1）计算出静态分层指数（Static Stratification Index），简称SSI值，其值越大，钻完井液沉降越严重，反之钻完井液沉降稳定性越好。

式中，V%i为每一层在老化罐内所占的体积分数，%；△MWi为每一层钻完井液与初始钻完井液的密度差，g/cm3。

2）针入式沉实度测定法。它是一种基于针入式沉实度测定仪所建立的定性定量沉降稳定性评价方法，主要测量钻完井液沉降阻力以及沉实度，其值越大，沉降越严重，反之沉降稳定性越好。

3）动态沉降装置测定法。此法借助不同位置压力传感器测量钻完井液在静态下不同部位压力随时间的变化，然后通过模拟计算出钻完井液密度随时间变化情况。

4）静态沉降稳定性测定法。它是一种基于沉降稳定性测定仪用来定性测量钻完井液静态沉降稳定性，依据单点传感器所测钻完井液的平均密度随时间变化来反推钻完井液静态沉降速率，其密度递增（△ρ）越大，反映钻完井液沉降稳定性越差，测试结果局限于某点附近的密度随时间变化。

5）沉降因子（SF）法。主要测定钻完井液（游离液除外）上部与下部密度，定义公式见式（2），其中SF为0.5时，说明未发生静态沉降，SF大于0.52说明静态沉降稳定性较差。

式中，SF为沉降因子，ρ上部为老化罐中除去清液后上部钻完井液平均密度，ρ下部为老化罐中底部钻完井液平均密度，g/cm3。

6）高温高压沉降稳定性测试装置测定法。该方法是一种定性定量评价钻完井液沉降稳定性的方法，通过对钻完井液不同位置（主要测量上、中和下3 个点）密度，依据密度差值大小判定整体钻完井液的静态沉降稳定性。

7）稳定性分析仪测定法。此法借助于稳定性分析仪来测量样品沉降稳定性，通过累计样品所有高度处前后两次扫描测量的光强度变化值，定量、直观地比较相关试样的稳定性差异，测试结果见公式（3），TSI值越小，体系稳定性越好。

式中，h为扫描点高度，H为样品总高度，i为扫描次数，scani（h）为第i次扫描参比光强度，scani-1（h）为第i-1 次扫描光强值。

8）循环模拟装置测定法。此法借助于流动回路装置，模拟钻井现场条件进行钻完井液沉降稳定性实验测试。

9）落棒法。落棒法是一种借助于玻璃棒测量钻完井液沉降稳定性的定性测定方法，当玻璃棒在钻完井液中缓慢自由沉降时，它受到本身的重力G、液体作用在玻璃棒的浮力和钻完井液提供的黏滞阻力F三个竖直方向的力，因此玻璃棒自由下落至罐底需要考虑因素太多，所以此法只能粗略评价钻完井液沉降稳定性。

钻完井液沉降稳定性评价方法的应用范围局限于自身测试条件和环境因素，因此在实际应用中，稳定性评价方法的选择应取决于测试的准确性、操作性和实用性，综合分析上述钻完井液沉降稳定性评价方法，得到以下结果。①全能稳定性分析仪测定法适合理论研究钻完井液沉降稳定性。②动态沉降系统测定法和室内循环模拟装置测定法适合模拟现场评价钻完井液沉降稳定性。③高温高压沉降稳定性测试装置测定法和静态沉降稳定性测定法适合模拟高温高压评价钻完井液的沉降稳定性。④落棒法、针入式沉实度测定法、沉降因子法和静态分层指数法易操作和实用性强，适合实验室和井场实验室快速评价钻完井液静态沉降稳定性。

2 静态沉降评价方法研讨

根据上述评价方法调研结果，选用落棒法、沉降因子法、针入式沉实度测定法和静态稳定分层指数法4 种方法对水基钻完井液进行沉降稳定性能评价，依据实验结果，对快速准确判定钻完井液静态沉降稳定性评价方法进行研讨。

2.1 评价方法

分别选取现场水基聚磺完井液A 和B 以及室内配制1.80 g/cm3水基聚磺完井液C，其中完井液A 配方：井浆+0.25%NaOH+4%SMP-I+1.5%抗高温降滤失剂+补加API 重晶石至1.68 g/cm3，完井液B 配方：井浆+1%抗高温降滤失剂+0.5%JNJS-220+补加API 重晶石至1.80 g/cm3，完井液C 配方：5%膨润土+6%SMC+6%SMP-1+0.5%高温稳定剂+0.3%降滤失剂+0.3%NaOH+API 重晶石加重至1.80 g/cm3，充分搅拌后分别进行150 ℃静恒，选取不同时间（1 d、3 d、7 d 和15 d），分别采用落棒法、沉降因子法、静态沉降稳定性分层指数法（SSSI 法）和针入式沉实度测定法评价完井液沉降稳定性。

2.1.1 落棒法

落棒法的测试结果见表1。将待测完井液高速搅拌10 min，测密度并记录，然后装入老化罐，拧紧；置于烘箱中进行静置恒温实验，待到设定时间，冷却打开老化罐，将玻璃棒自由落体插入老化罐中，能听见玻璃棒触底声音，说明完井液的静态沉降稳定性好，反之则差。由表1 可知，将玻璃棒插入老化罐底部，完井液B 和C 均能轻松触底，但水基完井液A 经过3 d 静置恒温后，底部有大量重晶石软沉降，导致玻璃棒不能自由触底。从实验结果上看，落棒法不能定量判定完井液的沉降程度。

2.1.2 沉降因子法

沉降因子法的测试步骤如下，实验结果见表2。

表1 在150 ℃下水基完井液的落棒法评价结果

表2 在150 ℃下水基完井液的沉降因子评价结果

将待测完井液高速搅拌10 min，测密度，后装入老化罐拧紧；置于烘箱中进行静置恒温实验，待到设定时间，冷却打开老化罐，测完井液上下密度，计算游离液，按照公式（2）计算出沉降因子SF。由表2 可知，完井液底部密度随着静恒时间延长逐渐增大，即静态沉降稳定性越来越差，当完井液的分液率较低时，所测沉降因子能反映完井液静态沉降稳定性，但在表2 中完井液A 所测沉降因子呈现先增加后降低趋势，按照1.5 方法判定标准，无法正确判断完井液静态沉降稳定性变差情况。因此沉降因子法不能用于评估较大分液率的完井液静态沉降稳定性。

2.1.3 针入式沉实度测定法

测试步骤为：①将待测完井液高速搅拌10 min，测密度，然后装入老化罐，拧紧；置于烘箱中进行静止恒温实验，待到设定时间，冷却打开老化罐。②将老化罐置于针入式沉实度测定实验装置上，分别记录4 个不同位置的探测器下降过程中的最大值（沉降阻力）及探棒到底停止后的稳定值（沉实度）。③清洗探棒。由表3 可知，完井液A、B 和C 所测沉实度和沉降阻力随着静恒时间增长而变大，但在150 ℃下，密度均为1.8 g/cm3完井液B 和C 所测结果差别较大，说明针入式沉实度测定法所测结果可能还受其他因素影响。因此针入式沉实度测定方法可以解释完井液沉降变化趋势，但不能直接定量确定沉降稳定性变化程度。

表3 在150 ℃下水基完井液的针入式沉实度评价结果

2.1.4 静态稳定分层指数法

静态稳定分层指数法（Static Stable Stratification Index）在1.1 评价方法基础上改进的方法，具体步骤：将完井液加入老化罐中，在特定温度下静态放置一段时间后，将老化罐中钻完井液从上至下分为4 层，依次为游离液，上层（h=2.5 cm）、中层和下层（h=2.5 cm），分别移至烧杯中，并记录各层体积，然后用密度计测试密度，并记录，最后依据公式（4）计算静态稳定分层指数（SSSI），实验结果见4。

表4 在150 ℃下水基完井液的静态稳定分层指数评价结果

由表4 可知，完井液A、B 和C 所测SSSI 值随着静恒时间增长而变大，且在150 ℃下，密度均为1.8 g/cm3完井液B 和C 所测SSSI 值可以明显判定出它们沉降稳定性差异。从完井液A 所测SSSI 变化趋势，可以看出完井液的稳定性变差时候发生在静恒1～3 d 时间段。因此，SSSI 法不仅能区分相同密度完井液沉降稳定性静恒过程发生的变化，还能判定完井液沉降稳定性变差发生时间段。

2.2 4种评价方法结果综合分析

对落棒法、沉降因子法、针入式沉实度测定法和静态稳定分层指数法4 种方法所得到的结果进行综合分析，结果见图1～图3。

图1 不同沉降稳定性评价方法测试水基完井液A 结果与底部密度之间关系

图2 不同沉降稳定性评价方法测试水基完井液B 结果与底部密度之间关系

图3 不同沉降稳定性评价方法测试室内配制水基完井液C 结果与底部密度之间关系

落棒法存在较强的主观性，只能粗略定性完井液沉降稳定性，不能定量判断完井液的沉降程度。由图2、图3可知，在静恒15 d 期间，静态稳定分层指数法所测结果与底部密度相关性最好，其相关系数R2值可达0.98 以上，其次是针入式沉实度测定法所测结果，其相关系数R2值在0.6～0.9 范围，最差为沉降因子法，其相关系数R2值低于0.6，因此静态稳定分层指数法所测结果能较为客观反映水基完井液静态沉降稳定性。

2.3 钻完井液静态沉降稳定性的影响因素

选取室内配制完井液，在150 ℃下进行15 d静态沉降稳定性实验，实验结果见表5。

表5 2.0 g/cm3 完井液在150 ℃下的 15 d 静态沉降稳定性

由表6 可知，完井液在高温静恒实验中底部密度一直在逐渐增大，表明完井液沉降持续在进行，而SSSI 值逐渐增大，说明完井液沉降稳定性逐渐变差；从1#和2#配方实验结果可知，加重剂的粒径和完井液黏度对完井液沉降稳定性影响较少，而分液率对完井液沉降稳定性测试结果影响较大；从3#和4#配方沉降稳定性可知，完井液的表观黏度对完井液沉降稳定性的影响较少，但分液率和加重剂的粒径对完井液沉降稳定性结果有一定的影响。因此，依据Stokes 定律[16-17]，影响钻完井液沉降稳定性能的因素一般包括加重剂的粒径和密度以及钻完井液的黏度和密度。

3 认识与建议

1.通过对静态沉降稳定性测试方法的调研分析，从准确性、操作性和实用性方面考虑，落棒法、针入式沉实度测定法、沉降因子法和静态稳定分层指数法能简单快速评价钻完井液静态沉降稳定性。

2.静态稳定分层指数所测钻完井液结果比较真实反映完井液沉降稳定性，所测SSSI 值与底部密度相关系数R2高达0.97 以上；针入式沉实度测定法所测结果只能判定钻完井液静态沉降趋势，无法定量评价完井液实际沉降程度；沉降因子法只适合评价分液率较低钻完井液静态沉降稳定性；落棒法只能粗略判断钻完井液静态沉降稳定性。

3.如何长效控制和调控加重剂沉降稳定性应该着重以下两个方向，一方面需发一种新的仪器，定量测定各种温度与压力下，钻完井液静态沉降稳定性，测试条件既能模拟现场，又能简化操作。另一方面要深入研究影响不同密度钻完井液性能在不同温度与压力下静态沉降稳定性的因素。