顺北区块钻井液沥青类抑制剂抗高温性能评价研究

张晓宇，李相臣，马玉芬，齐 冰，贾晓燕

(1 中国石化西北油田分公司实验中心，新疆 乌鲁木齐 830011；2 中国石化缝洞型油藏提高采收率重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；3 西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500)

顺北区块完钻井目标层奥陶系一间房组和鹰山组井深多在7300～8800 m，均为垂深超过6000 m的超深井，目标油层中部温度普遍超过150 ℃[1]。顺北地区整体呈现出超深、超高温、超高压特征，对钻井液处理剂的抗高温性能提出了更高要求[2]。钻井液体系的抑制性是解决深部地层井壁稳定问题的有效手段，钻井液的封堵性能是影响井壁稳定的一个重要因素[3]。如果封堵性能不好，钻井液滤液就会进入地层，破坏井壁稳定[4]。因此，研究地层高温条件抑制剂的抑制性和封堵性能是具有重大意义的[5-8]。

钻井液抑制剂抑制效果评价通过线性膨胀实验更能模拟地层高温高压条件，线性膨胀实验多使用膨胀仪来完成[9-11]。现有高温动态膨胀量测定仪(工作温度≤93 ℃，工作压力为常压)、高温高压泥页岩膨胀仪(工作温度≤120 ℃，工作压力为3.5 MPa)和常温常压膨胀仪，均无法满足温度高于150 ℃条件下的抑制剂性能评价要求，急需改进抗高温线性膨胀实验方法[12]。

本文采用自研的高温高压钻井液抑制性评价装置，改进了抗高温钻井液抑制剂相对膨胀降低率评价方法，进行了天然沥青类、改性沥青类、乳化沥青类三类抑制剂的相对膨胀降低率评价与封堵性能评价，优选出具有优良的抗高温性能、抑制黏土水化膨胀性能以及封堵性能的钻井液沥青类抑制剂[13]。并且探索性地开展了温度高于150 ℃条件下的抑制剂线性膨胀实验，对顺北区块高温地层具有很好的适用性[14]。

1 实验方法

1.1 实验样品

本次实验用到的钻井液抑制类处理剂实验样品主要分为天然沥青类、改性沥青类、乳化沥青类三大类，如表1所示，样品状态为黑色粉末。

表1 钻井液抑制类处理剂实验样品

1.2 实验仪器

实验设置为2组：第一组为钻井液抑制类处理剂线性膨胀性能评价，其中包括6种抑制类处理剂的线性膨胀性能评价、第二组为钻井液抑制类处理剂封堵性能评价，其中包括6种抑制类处理剂的封堵性能评价。

抑制类处理剂线性膨胀性能评价采用的实验仪器为自主研制的高温高压抑制类处理剂评价仪，主要组成部件为测试部件、气源、循环加热系统、中控系统、千分表和计算机等，最高适用温度可达260 ℃，实验数据通过计算机实时记录[15]。

图1 高温高压抑制类处理剂评价仪Fig.1 High temperature and high pressure inhibitorevaluation instrument

抑制剂封堵性能评价实验的样品配制采用数显高速搅拌机GJ-3S，其最高转速可达到11000 r/min。API滤失试验采用青岛森欣机电设备有限公司生产的多联中压失水仪；高温高压失水实验采用美国OFITE生产的高温高压失水仪，该失水仪按照美国石油协会(API)规范制造，最高加热温度可达300 ℃，具有精度高，重复误差小，操作简单，测试数据准确等特点[16]。

1.3 实验步骤

钻井液抑制类处理剂线性膨胀性能评价具体实验步骤如下：①称取干燥膨润土样品10 g装入岩样杯内，用压力机以4 MPa压力压制样品5 min，游标卡尺测量深度H1，岩样长度H2=H0-H1。②将岩样杯装入承压杯内部并倒入150 mL钻井液抑制类处理剂，安装评价仪器，此时百分表读数为H3；③采用氮气加压，根据实时监测系统、位移监测系统及软件，实时监测目标温度T0、目标压力P3条件下的岩样膨胀量[17]。

钻井液抑制类处理剂封堵性能评价实验步骤如下：①预处理。用高速搅拌器将钻井液样品6 ℃恒温搅拌10 min；②组装高压滤失试验仪器，施加测试温度下回压，保持1h后继续增加回压3450 kPa(500 psi)，收集滤液30 min；③冷却滤液5 min以上后校正到过滤面积为45.8 cm2时的体积，测量并记录滤饼厚度[18]。

1.4 数据处理

钻井液抑制类处理剂线性膨胀性能评价数据处理主要根据蒸馏水岩心线性膨胀量及处理剂溶液岩心线性膨胀量按式1计算的相对膨胀降低率，绘制实验温度为横坐标，相对膨胀降低率为纵坐标的每种抑制类处理剂在不同温度下相对膨胀降低率对比柱状图。

(1)

式中：ΔH-蒸馏水岩心线性膨胀量，mm；ΔH’-处理剂溶液岩心线性膨胀量，mm。

2 相对膨胀降低率评价

2.1 天然沥青类抑制剂评价结果

基于高温高压抑制类处理剂评价仪开展的常温/120 ℃/150 ℃/180 ℃/200 ℃、常压为3.5 MPa，两种天然沥青类抑制剂溶液性能评价结果如图2、图3所示。

图2 KYC-002处理剂溶液性能评价结果Fig.2 Performance evaluation results of KYC-002 treatment agent solution

图3 KYX-032处理剂溶液性能评价结果Fig.3 Performance evaluation results of KYX-032 treatment agent solution

对比两种天然沥青类抑制剂溶液性能评价结果，KYX-032处理剂溶液作用下黏土的相对膨胀降低率在常温-150 ℃与200 ℃环境下均高于KYC-002处理剂，只有在180 ℃环境下KYC-002处理剂溶液作用下黏土的相对膨胀降低率略高于KYX-032处理剂。因此，从相对膨胀降低率的评价角度，KYX-032处理剂比KYC-002处理剂抗高温性能与抑制黏土水化膨胀性能更优良。

2.2 改性沥青类抑制剂评价结果

基于高温高压抑制类处理剂评价仪开展的常温/120 ℃/150 ℃/180 ℃/200 ℃、常压为3.5 MPa，两种改性沥青类抑制剂溶液性能评价结果如图4、图5所示。

图4 KYC-047处理剂溶液性能评价结果Fig.4 Performance evaluation results of KYC-047 treatment agent solution

图5 KYC-072处理剂溶液性能评价结果Fig.5 Performance evaluation results of KYC-072 treatment agent solution

对比两种改性沥青类抑制剂溶液性能评价结果，KYX-047处理剂溶液作用下黏土的相对膨胀降低率在常温环境下高于KYC-072处理剂，但随着温度进一步升高，KYX-047处理剂溶液作用下黏土的相对膨胀降低率大幅度下降，KYX-072处理剂的相对膨胀降低率有所上升，随后呈下降趋势，在180 ℃时失效，而KYX-047处理剂的相对膨胀降低率无较大变化，这说明KYX-047处理剂的抗高温性能更加稳定，温度在小于150 ℃时，KYC-072处理剂的抗高温性能更好。

2.3 乳化沥青类抑制剂评价结果

基于高温高压抑制类处理剂评价仪开展的常温/120 ℃/150 ℃/180 ℃/200 ℃、常压为3.5 MPa，两种乳化沥青类抑制剂溶液性能评价结果如图6、图7所示。

图6 KYC-073处理剂溶液性能评价结果Fig.6 Performance evaluation results of KYC-073 treatment agent solution

图7 KYC-019处理剂溶液性能评价结果Fig.7 Performance evaluation results of KYC-019 treatment agent solution

对比两种乳化沥青类抑制剂溶液性能评价结果，KYX-019处理剂溶液作用下黏土的相对膨胀降低率在常温-120 ℃环境下均高于KYC-073处理剂，并且随着温度从150 ℃上升至200 ℃，相对膨胀降低率快速上升，这说明KYX-019处理剂在150～200 ℃环境下的抗高温性能更优良；但在120～150 ℃环境下KYC-073处理剂的相对膨胀降低率呈上升趋势并且相对膨胀降低率相比于KYX2020-019处理剂略高，这说明在此环境下KYX2020-019处理剂的抗高温性能更优良。

3 封堵性能评价

3.1 天然沥青类抑制剂封堵性能评价结果

对比不同测试温度下的天然沥青类抑制剂封堵性能评价结果，以API、HTHP(120 ℃、150 ℃、200 ℃)滤失量为评价指标可知，KYC2020-002抑制剂的30 min滤失量小于KYC2020-032抑制剂的30 min滤失量，KYC2020-002抑制剂封堵性能更好。而温度为180 ℃时，KYC2020-002抑制剂30 min滤失量为50 mL，而KYC2020-032抑制剂30 min滤失量为30 mL，KYC2020-032抑制剂封堵性能更佳。

表2 天然沥青类抑制剂封堵性能评价结果

3.2 改性沥青类抑制剂封堵性能评价结果

表3 改性沥青类抑制剂封堵性能评价结果

对比不同测试温度下的改性沥青类抑制剂封堵性能评价结果，以API滤失量为评价指标可知， KYC2020-047抑制剂封堵效果更佳，其30 min滤失量为6 mL，而KYC2020-072抑制剂30 min滤失量为14 mL。以HTHP(120 ℃、150 ℃、180 ℃、200 ℃)滤失量为评价指标发现，不同温度下KYC2020-047抑制剂30 min的滤失量均小于KYC2020-072抑制剂30 min的滤失量，KYC2020-047抑制剂封堵性能优于KYC2020-072抑制剂。

3.3 乳化沥青类抑制剂封堵性能评价结果

表4 乳化沥青类抑制剂封堵性能评价结果

对比不同测试温度下的乳化沥青类抑制剂封堵性能评价结果发现，以API滤失量为评价指标时，KYX-019抑制剂和KYC-073抑制剂的30 min API滤失量均为9 mL，封堵效果相当。以HTHP(120 ℃)滤失量为评价指标时，KYX-019抑制剂30 min滤失量为20 mL，KYC-073抑制剂30 min滤失量为37.60 mL，KYX-019抑制剂的封堵效果优于KYX-073抑制剂。而随着温度的进一步升高至150 ℃、180 ℃和200 ℃时，KYX-019抑制剂30 min的滤失量均大于KYC-073抑制剂30 min的滤失量，KYC-073抑制剂的封堵性能更佳。

4 讨 论

4.1 相对膨胀降低率评价结果分析

大部分沥青粉类抑制剂在常温条件下的防膨效果都大于高温条件下，在120～200 ℃其防膨效果呈“V”字曲线，即上先下降后升[19]，这是因为沥青类处理剂的封堵机理是使沥青软化封堵抑制流体进入从而达到抑制的效果，其作用效果受温度的影响较大，当温度较低时，沥青颗粒随着水流和压差作用紧贴在样品表面起到一定的封堵作用，当温度开始升高，样品内粘土矿物的水化膨胀作用随温度的增高而增强，抑制剂的防膨性能开始下降，当温度较高达到沥青软化点时，沥青颗粒开始软化紧密贴在样品表面阻止水相接触样品，此时抑制剂的防膨性能开始回升，由于不同沥青处理剂的软化点不一，其变化趋势会有所不同[20]。

综合对比天然沥青类、改性沥青类、乳化沥青类三大类共6组相对膨胀降低率评价结果，可以得出：天然沥青类与乳化沥青类抑制剂的抗高温性能与抑制黏土水化膨胀性能均优于改性沥青类抑制剂，因此从相对膨胀降低率的评价结果来看，可以从天然沥青类与乳化沥青类中优选性能更好的抑制剂；从抗高温性能的对比分析来看，乳化沥青类中的两种处理剂溶液在150～180 ℃的高温环境中作用于黏土的相对膨胀降低率均高于天然沥青类抑制剂，因此在高温环境下乳化沥青类抑制剂的抗高温性能更加优良，在150～180 ℃高温环境下可以选择KYX-073处理剂，在达到200 ℃的高温环境下可以选择KYX-019处理剂。

4.2 封堵性能评价结果分析

综合对比分析不同温度下三种沥青类抑制剂封堵性能评价结果，可以发现在API滤失量评价指标下，天然沥青类中KYX2020-002抑制剂和改性沥青类中KYC2020-047抑制剂的封堵效果最佳，30 min的滤失量为6 mL，乳化沥青类中的KYX2020-019和KYC2020-073的封堵效果次之，30 min的滤失量为9 mL。在温度120 ℃、150 ℃和200 ℃条件下，乳化沥青类的抑制剂在三类抑制剂中的封堵性能最佳，其中KYC2020-073抑制剂的封堵性能为六组样品中最好的，30 min的滤失量为40 mL，KYX2020-019的封堵性能次之，30 min的滤失量为48 mL。

4.3 抑制剂优选

从相对膨胀降低率评价结果与封堵性能评价结果综合来看，KYC2020-073抑制剂在150～180 ℃的高温环境中作用于黏土的相对膨胀降低率高于其他五种抑制剂；并且KYC2020-073抑制剂的封堵性能为六种抑制剂中最好的，在150～180 ℃的高温环境中滤失量最小。因此优选出乳化沥青类KYX-073处理剂，其具有优良的抗高温性能、抑制黏土水化膨胀性能以及封堵性能，对顺北区块高温地层具有很好的适用性。

表5 抑制剂性能评价综合对比结果

(1)从相对膨胀降低率的评价结果来看，乳化沥青在150～180 ℃的高温环境中相比于天然沥青与改性沥青具有更好的抑制性。

(2)从封堵性能的评价结果来看，乳化沥青同样在150～180 ℃的高温环境中相比于天然沥青与改性沥青滤失量更低，具有更好的封堵性能。

(3)从相对膨胀降低率评价结果与封堵性能评价结果综合来看，因此优选出乳化沥青类KYX-073处理剂，其具有优良的抗高温性能、抑制黏土水化膨胀性能以及封堵性能，对顺北区块高温地层具有很好的适用性。

(4)大部分沥青粉类抑制剂在常温条件下的防止黏土水化膨胀效果都大于高温条件下，在120～200 ℃其防止黏土水化膨胀效果呈“V”字曲线，即上先下降后升。这是因为当温度较低时，沥青颗粒随着水流和压差作用紧贴在样品表面起到一定的封堵作用，当温度开始升高，样品内粘土矿物的水化膨胀作用随温度的增高而增强，抑制剂的防膨性能开始下降，当温度较高达到沥青软化点时，沥青颗粒开始软化紧密贴在样品表面阻止水相接触样品，此时抑制剂的防膨性能开始回升。