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1、国内外高密度水基钻井液研究现状 前言：随着石油勘探钻探技术的日益复杂化，对于储层埋藏深度、地层压力变化、地层岩石岩性等各种不确定因素的影响，对钻井液的性能要求也越来越高。与常规地层相比，低密度的钻井液容易似的井壁变得不稳定，为了防止井壁垮塌，井下的复杂情况发生，以及降低滤矢量，就必须提高钻井液密度。高密度额钻井液，能够处理常规钻井液体系难以解决钻井液滤液高矿化度、性能不稳定、滤失量过高等一系列的技术难题。但是高的密度又会造成钻井液中固相含量过高。在这种情况下，发生压差卡钻及井喷 、井漏等下复杂情况的可能性就会大大增 加 ，这就使得性能能好的高密度钻井液的研究尤为重要。1 高密度钻井液1.1 高
2、 密 度 钻 井 液 的 定 义关于钻井液密度范围的界定一直以来技术界对如何界定高密度钻井液没有明确的说法。在早期的钻井作业中,密度达到 1.50g/cm3以后即可视为高密度,但随着钻井液技术的发展,常规技术条件下使用 1.80 g/cm3以上钻井液的情况越来越多,因此高密度钻井液的定义与同时代钻井液技术水平是密切相关的。以发展的眼光看,目前被视作高密度钻井液的体系在若干年后可能就是一种常规技术。综合近 10 年来国内高密度钻井液的实践情况,密度低于 1.70 g/cm3的钻井液在技术上已逐渐不再成为被关注的重点,绝大多数相关的技术论文和现场技术总结将探讨的重点放在密度为 1.90-2.40
3、g/cm3钻井液的维护与使用技术上,高于 2.50 g/cm3的情况也有,但数量很少。影响高密度钻井液的关键技术难题是流变性问题,依据密度对流变性的影响,绘制密度黏度曲线,以随着密度的升高,黏度出现突变的“拐点”为分界,密度高于“拐点”的钻井液称为高密度钻井液。配方 1 为: 1. 5%膨润土+1%阳离子抑制降滤失剂 HS-1+1%阳离子抗高温降滤失 HS-2+0. 5%小阳离子 NW-1+0. 2%正电胶 MMH+重晶石。在室温、11 000 r/min 高速搅拌 1 h 后测不同密度下的黏度。测量表明:在 1. 80 g/cm3与 2. 60g/cm3产生 2 个“拐点”。以不同的钻井液体
4、系做密度黏度曲线,不同体系的黏度值不同,但“拐点”位置大致相同,最大相差 0. 05 g/cm3。据此,将密度在 1. 80-2. 60 g/cm3的钻井液称为高密度钻井液,密度高于 2. 60 g/cm3的钻井液称为超高密度钻井液。这样分类的优点在于便于现场操作,而国内外 95%以上使用高密度钻井液的井所使用的钻井液密度也在 1. 80-2. 60 g/cm3之间,密度高于 2. 60 g/cm3的钻井液多在特殊井的压井施工中或配置储备重浆时使用。1.2 国 内 高 密 度 水 基 钻 井 液 体 系 研 究 现 状随 着 水 基 钻 井 液 体 系 研 究 的 不 断 发 展 ， 为 了
5、满 足 日 益 复 杂 的 勘 探 开 发 环境 ， 我 国 的 高 密 度 水 基 钻 井 液 体 系 研 究 在 不 断 地 吸 收 经 验 后 ， 逐 渐 的 形 成 一系 列 的 研 究 成 果 。（ 1） 适 用 于 超 深 井 、 深 井 的 三 磺 （ 磺 化 丹 宁 、 磺 化 褐 煤 、 磺 化 酚 醛树 脂 ） 钻 井 液 在 全 国 推 广（ 2） 20 世 纪 80 年 代 初 期 ， 研 制 成 功 了 油 包 水 乳 化 加 重 钻 井 液 ， 有 效地 解 决 了 钻 遇 井 下 复 杂 地 层 时 出 现 的 各 种 问 题（ 3） 1991-1995 年 成
6、功 研 制 出 两 性 离 子 聚 合 物 加 重 钻 井 液 ， 最 高 密 度可 达 到 2.03 g/cm3（ 4） 1996-2000 年 ， 抗 高 温 高 密 度 聚 磺 体 系 钻 井 液 进 一 步 发 展具 体 分 析 这 些 研 究 成 果 大 致 经 历 了 以 下 几 个 理 论 依 据 ： （ 1） 降 低 配 膨 润土 量 ， 减 少 钻 井 液 中 低 密 度 固 相 含 量 ， 提 高 高 密 度 水 基 钻 井 液 流 变 性 的 可 控性 ;（ 2） 释 放 自 由 水 ， 增 强 高 密 度 水 基 钻 井 液 流 动 性 ;（ 3） 使 用 甲 酸 盐
7、( 如 KCOOH、 CSCOOH 等 )提 高 液 相 黏 度 ， 降 低 加 重 材 料 用 量 ， 降 低 黏 度 效 应 ;（ 4） 对 加 重 剂 进 行 活 化 ， 降 低 加 重 材 料 对 高 密 度 水 基 井 液 产 生 的 黏 度 效 应 。国 内 在 高 密 度 水 基 钻 井 液 体 系 普 遍 使 用 聚 磺 体 系 和 磺 化 体 系 ， 这 两 种 体 系 已经 有 了 很 长 的 使 用 历 史 ， 也 积 累 了 一 定 的 经 验 ， 取 得 了 较 好 的 使 用 效 果 。 随着 深 井 钻 井 液 理 论 与 技 术 的 发 展 ， 后 来 开 展
8、了 两 性 离 子 及 阴 离 子 高 密 度 聚 合物 钻 井 液 工 艺 技 术 研 究 ， 开 辟 出 了 聚 合 物 钻 井 液 钻 深 井 的 新 路 子 。 通 过 对 高密 度 聚 合 物 钻 井 液 组 分 及 流 变 参 数 的 优 选 ， 实 现 了 “井 深 增 加 、 密 度 提 高 、温 度 提 高 、 机 械 钻 速 提 高 ”、 “深 井 高 温 高 压 层 段 机 械 钻 速 1 M/H 大 关 突 破和 聚 合 物 钻 井 液 不 能 在 高 矿 化 度 条 件 下 使 用 关 突 破 ”及 “聚 合 物 钻 井 液 抑 制性 增 强 ”。1.3 国 外 高
9、密 度 水 基 钻 井 液 体 系 研 究 现 状目 前 国 外 的 高 密 度 钻 井 液 大 多 是 用 于 一 些 高 温 高 压 的 不 稳 定 地 层 ， 使 用 密度 一 般 在 2.0 g/cm3左 右 ， 超 过 该 极 限 后 钻 井 液 的 沉 降 稳 定 性 与 流 变 性 就 不可 调 和 ， 难 以 同 时 满 足 需 求 。外 国 学 者 认 为 使 用 有 机 盐 重 晶 石 材 料 能 够 减 少 钻 井 液 中 固 相 颗 粒 的 含 量 ，增 加 钻 井 液 的 性 能 ； 在高密度水基钻井液中，重晶石参与钻井液内部结构的形成。在高密度的钻井液中要注意控制碱
10、的加入量，因为在高温的环境下碱可以促进膨润土的水化分散。在高密度的水基钻井液中，重晶石参与钻井液内部的形成，在这种情况下 ，钻井液很有能会表现出与常规钻井液不同的流变性。通 过 对 国 内 外 水 基 钻 井 液 研 究 现 状 的 调 研 可 以 看 出 ， 影 响 高 密 度 钻 井 液技 术 发 展 和 应 用 前 景 的 主 要 原 因 还 是 在 于 高 密 度 水 基 钻 井 液 的 流 变 性 和 造 浆性 的 协 调 。2 高密度钻井液主要的技术难点2.1 高密度钻井液稳定性与流变性高密度钻井液稳定性与流变性问题一直是钻探界面临的主要技术难题，由于在钻井过程中深井井底温度高，导
11、致高密度钻井液接触的环境极为苛刻，处理起来因此变得异常复杂。影响高密度钻井液性能的因素很多，而加重剂颗粒对钻井液稳定性和流变性的影响最突出，以至在实际操作中经常陷入（加重剂）加重-增稠-降黏-加重剂沉降-密度下降-再次加重的恶性循环，卡钻现象时常出现。因此，要求高密度钻井液在较低的液相黏度和切力下仍具有良好的稳定性，这就需要分析悬浮液的稳定机理。除此，悬浮体的流变特性很大程度上依赖于流体的微观结构。随着悬浮液颗粒浓度的增加，颗粒间的相互作用增强颗粒运动的阻力增大，这也直接导致了悬浮体的黏度增加。因此了解悬浮液分散稳定性及流变性机理对研究控制高密度水基钻井液稳定性和流变性的方法有重要的指导作用。
12、从胶体化学原理以及微观流体力学的角度分析水基固相悬浮液分散稳定机理及流变性机理，提出了从严控膨润土量、调整重晶石度分布等角度来改善高密度水基钻井液稳定性和流变性的技术思路。高密度钻井液流变性的影响因素高密度水基钻井液体系属于较稠的胶体悬浮体系，本身具有固相含量大、固相颗粒的分散程度高、钻井液体系中自由水量少、钻屑的侵入和积累不易清除这方面特点。在满足携带钻屑和悬浮重晶石的情况下，高密度钻井液的流变参数应尽可能低。影响高密度钻井液流变性的因素较多，具体来分析有以下几个方面钻井液的总固相含量高密度钻井液体系流变性能维护困难的主要症结是体系固相含量太高，此时，如果固相粒子分散性太强，巨大的固相粒子比
13、表面积通过润湿和吸附作用使得个体系的自由水含量大幅度减少，导致体系的钻屑容量限降低，固相粒子极易连接形成结构，钻井液流动时的内摩擦阻力增大，从而导致体系粘切升高。钻井液中的活性固相含量及其分散度钻井液固相中的活性固相，包括配浆用的蒙脱石、伊蒙混层等粘土矿物是钻井液流变性的主要影响因素。钻井液密度越高、固相容量限越小、影响作用越大；活性固相颗粒的分散度越高，影响作用越大。因此随着钻井液密度的增高，要求膨润土含量越低。钻井液的化学抑制性钻井液的化学抑制性直接影响钻井液中活性固相颗粒的分散度和地层中易水化的粘土矿物在钻井液中的分散积累，化学抑制性越强，钻井液的流变性越稳定，钻井液密度越高，对抑制性的
14、要求越强。钻井液体系和包被剂的浓度不同的钻井液体系具有不同的抑制性，抑制性越好的体系，钻井液的流变性越稳定。组成钻井液体系的处理剂提供了满足钻井要求的各项钻井液性能，包被剂提供体系的化学抑制性，因此足够的包被剂浓度是必要的。另一方面，主体包被剂是高分子聚合物，吸附能力和水化能力强，浓度过高，会增大流动阻力，带来对流变性的负面影响。值钻井液的酸碱度直接影响体系的抑制性，值越高，抑制性越差，分散性越强，钻井液的流变性越不稳定。其主要原因是大量的 促进粘土矿物的分散。2.2 高密度钻井液润滑性对润滑剂性能要求很高,助剂市场上绝大多数润滑剂无法满足高密度体系要求。在高密度条件下,为了降低流动阻力,通常
15、需要向体系中添加一定数量的润滑材料,这固然能够减小固相之间的摩擦效应,但同时也增加了相界面阻力(相界面由原来的水固两相增加为水固油三相),如果润滑剂使用不当,不但无法改善流动性,而且会由于相界面阻力的增大使体系流动性急剧变差。因此选择适合于高密度体系的理想润滑材料并不是想象的那样容易,必须要在周密考虑各种相关影响因素的情况下进行细致的评价优选,即便是确定了润滑剂种类,投入现场使用后也须时刻谨慎,因为高密度体系中许多不明原因的流动性变差现象有不少是由于润滑剂的使用不当引起。高密度体系较难选择合理的稀释剂。通常情况下,稀释剂的稀释效果会随着钻井液体系固相含量的升高而降低,由于高密度体系固相体积分数
16、一般均高于 30%,常规稀释剂可能根本无效,必须使用专门的高效稀释剂。虽然提出了适合于高密度体系使用的专用稀释剂,并获得了较好的应用效果,特别是提出的稀释剂 DQG-1 在 3.00 g/cm3的超高密度体系中进行了成功应用,然而这些助剂似乎并未商品化,也未见到在其它使用高密度体系井中的推广应用报道。2.3 高密度钻井液固相含量的确定高 密 度 体 系 理 想 固 容 量 的 确 定 比 较 困 难 。 从 可 以 明 显 看 出 ,如 果 以 重 石 (工业 品 密 度 为 4.2 g/cm3)作 为 加 重 材 料 ,在 无 任 何 低 密 度 固 相 (如 膨 润 土 、 钻 屑 )的情 况 下 ,当 密 度 达 到 2.50 g/cm3 时 体 系 的 固 相 分 数 即 接 近 47%,而 在 钻 进 条 件下 由 于 钻 屑 的 混 入 ,固 相 分 数 无 疑 会 轻 松 达 到 50%,如 果 考 虑 到 高 密 度 条 件 下固 控 设 备 分 离 效 率 会 大 大 降 低 这
