超高密度钻井液技术进展.pdf

第 2 8卷 第 5期 2 0 1 1年 9月 钻井液与完井液 DRI L LI NG F L UI D COMP LE T1 0N F LUl D 、 ， 0I - 28 No． 5 S e p t ．2 01 1 文章编 号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 1 0 5 0 0 7 0 0 8 超高密度钻井液技术进展 蔡利 山， 林永学， 田璐 ， 王琳 ， 王显光， 柴龙， 杨小华 中石化石油工程技术研究院钻 井液研究所 ，北京 摘要超高密度钻井液是当今石油钻井行业的前沿技术之一，涉及到多方面的研究内容。从室内研究、现场 应用两方面分析了超高密度 ≥2 ． 5 0 g ／ c m 钻井液研究中存在的技术问题，对钻井液使用的加重材料、降滤失 剂、 流动性改善剂等关键材料的研究进展进行 了分析和论述， 指出了超高密度钻井液配方优选时应注意的几个问题， 介绍了超高密度钻井液流变学特征的研究概况，探讨 了超高密度钻井液密度的技术途径，分析了特高密度钻井液 技术 的可行性。提 出的各种方案和建议对 室内研 究和现场操作均有较好 的借鉴意义。 关键词 超高密度钻 井液 ； 加重剂 ； 超低黏 降滤失剂 ； 钻井液配方 ； 流变性能 ； 现场应用 ； 综述 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 一 般 的说 ，密度高于 2 ． 5 0 g ／ c m3 的钻井液称为 超高密度钻井液。目前关 于不同高密度钻井液密度 的界定并不完全一致 ，笔者在 2 0 0 7年 曾提出分别 以 2 ． 0 0 、2 ． 5 0 、3 ． 0 0 g ／ c m 作为区分高密度、超高密 度和特高密度 3种不 同加重程度钻井液 的分界点 ， 也有人认为密度超过 2 ． 2 0 g ／ c m 的体系归人高密度 钻井液范围更加合理 ] 。但从总体上说 ，技术界对 上述 3 个分界点的争议不是很多 ，其提出主要结合 了高密度钻井液的室内研究进展和现场实际应用情 况。随着超高密度钻井液体系研究的不断深入 ，一 些新的技术难点不断暴露，并且已经成为继续向特 高密度钻井液体系突破的瓶颈。 1 室 内研究现状 从最新的研究情况看 ，形成具有良好流动性的 超高密度钻井液体系的手段大致有 3 种 。 1 ． 1加重材料的研 究 加重材料是引起钻井液固相体积分数上升的主 要 因素，也是造成高密度钻井液流变性能恶化的主 要原因，解决了加重剂 的问题 ，就等于解决 了超高 密度钻井液 7 0 ％ 的技术 问题。所 以在超高密度钻 井液体系的研制过程中，技术人员将大部分的精力 放在了加重剂的优化技术上，截至 目前 ，在这方面 所开展的研究工作主要限于以下 3 个方面。 1 ． 1 ． 1 表面改性 早在 2 0世纪 9 0 年代就开始有人研究加重剂的 表 面改性，1 9 9 5 ～2 0 0 1 年期 间是加 重材料表面改 性研究的高峰期 ，之后便很少见到相关 文献报道， 比较具有代表性的实例是尹建华等人采用活化重晶 石施工 了 6 0 0 0 m 的超深井 f2 ] ；国外在这方面开展 的工作更少。但无论国内或国外 ，都没有将加重剂 的表面改性技术完全工业化。 笔者也曾进行过粉体加重材料的活化处理研 究 ，并获得 了一定的效果 ，主要表现为经过表面处 理的重晶石或铁矿粉能够在一定程度上改善高密度 钻井液的流动性 ，能够较大幅度地提高加重材料的 悬浮稳定性 ，并且在相反转情况下 亲油亲水状态 改变 其稳定性也好于未活化产品。但其对体系流 变性能的改善程度则随着密度的升高逐渐减小 以至 于消失，当钻井液密度达到 2 ． 7 0 g ／ c m。 时 ，活化产 品与非处理品相比几乎没有差别 [ 3 】 。 关于这方面的工作 ，刘明华等人做 了大量的探 索 ，并取得了很好 的效果 『4 】 。他们通过对符合行业 第 一作者简 介 蔡利 山，高级工 程师，1 9 6 3年生，2 0 0 7 年 毕业 于石油大学 华东 石油工 程专业 ，现在 从事钻井液 技术研 究工作。地 址 北 京市朝阳 区北辰东路 8号北辰 时代 大厦 5层 5 1 8室钻井液研 究所 ；邮政编 码 1 0 0 1 0 1； 电话 O l O 8 4 9 8 8 6 6 2； E m a i l y h 1 7 7 8 1 2 6 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 5期 蔡利 山等超 高密度钻 井液技术进展 7 1 标准的重 晶石 密度为 4 ． 2 g ／ c m 进行表面处理 ， 并结合室 内研制 的润湿分散剂 ，可以将体系密度提 高至 2 ． 9 0 ～3 ． 0 0 g ／ c m ，其性能见表 1 。该超高密度 体系可 以抗 4 0 g ／ L的 Na C 1 、3 0 0 0 mg ／ L的 c a 和 不高于 1 0 0 g ／ L的劣质土污染 。 表 1 超高密度钻井液的基本性能 1 ． 1 ． 2 对材料质量的要求 就加重材料的性质而言 ，密度是表征其质量 的 最重要参数 ，密度越高 ，杂质含量越低 ，加重效果 越好。表 2是分别采用密度为 4 ． 1 8和 4 ． 3 2 g ／ c m 的 重晶石将磺化体系加重至相 同密度后所测得的流变 性能 ，并对 比了 2种重晶石活化处理前后 的加重效 果。从表 2可以看出，不同质量重 晶石对加重体系 流变性能 的影响非常明显 ，活化处理可 以显著降低 加重材料 的黏度效应 ，且高质量加重材料的表面处 理效率高于较低 品质产品。 表 2 不 同品质重 晶石 加重效 果评价 室温 注 重 晶石 1 、2的密度分别为 4 ． 1 8和 4 ． 3 2 g ／ c m 。 1 ． 1 ． 3 加重材料粒径的优选 加重材料 粒径对加 重效率 的影响 已是行 业共 识 ，一般 而言 ，粉体材料粒径越大 ，对流变性能的 影响越小 ，换言之 ，同一种粉体加重材料 ，粒径较 大者要 比颗粒 较细 的材料更 容易获得较 高的密度 值 。但 由于影响方式 比较复杂 ，相关制约因素也 比 较多 ，因此硬性规定高密度钻井液加重材料适宜粒 径范围是不合适的，至少从 目前看 ，制订这一技术 指标的数据积累是不够的。关 于加重材料粒径分布 对钻井液流动性 的影响 ，赵福 等人 以活化重晶石 为主进行了比较系统的研究 ，最终得到 了 2个较有 参 考价值的结论 粒径为 0 ． 0 5 0 ～0 ． 0 6 5 mm的活化 重 晶石 对 钻 井 液 表 观 黏度 和 塑性 黏 度 的 影 响最 大 ， 使用时应尽可能控制粉体材料 中该级别范 围的颗粒 含 量 ； 粒 径 为 0 ． 0 4 0 ～ 0 ． 0 6 5 mm 的 活化 重 晶石 对 表 观 黏度 的影响最小 ，粒径为 0 ． 0 4 0 ～0 ． 0 6 1 mm 的活 化重 晶石对塑性黏度的影响最小 ，加工时应尽量增 加这 2种粒径范 围的颗粒含量。在类似的研究 中也 报 道了活化铁矿粉粒径与加重体系黏度的相关性 ， 并指 出活化铁矿粉粒度级配越靠近两端 粗大或细 小 ，或粒度级 配范 围分布越窄小 ，对体系的黏度 效应影响越大 ，并且伴随沉 降稳定性变差 ； 但 当粒 度级配处于合理范围时，活化铁矿粉的提黏效应可 以达到最低 ，此时的沉降稳定性也较好 ] 。 国外技术人员也 同样遇到了加重材料的沉降稳 定性和黏度效应二者之 间的平衡问题 ，但通过改变 加重材料粒径级配和表面性质 ，可 以使加重体系获 得较好 的稳定性。例如文献 [ 7 ] 报道 了使用一种微 细重晶石钻井液体系 MB F 成功地完成了位于北 海地区的一 口高温 、高压斜井的钻井作业。该井最 大井斜为 4 2 。 ，井底温度为 2 0 5。 C，完钻钻井液密 度为 2 ． 1 5 g ／ c m ，加重时使 用 了超 细重 晶石粉 分 离粒径小于 0 ． 0 4 3 mm ，有效克服了使用 常规重晶 石粉所引起的沉降效应 ，使该井 的 西2 1 6 mm井眼 由 6 3 5 4 r n 顺利延伸至 7 3 2 7 m。在另外一篇关于粒 径合理分布的报道 中，介绍了使用活化重晶石与亚 微米级 四氧化三锰的复合加重剂成功开发 了无 固相 油 基钻井液 O B F ，该钻井 液在 现场应 用时密度 达 到 了 2 ． 1 0 ～2 ． 1 6 g ／ c m ，并 有效克服 了使用单一 的活化重晶石粉加重后 由于体系流动性变差而导致 的井眼当量循环密度过高的现象 ] 。 笔者利用锰矿粉与铁矿粉的复合加重材料进行 过特高密度体系的加重研究 ，结果表明 ，在不改变 原有的超高密度体系配方基础上，使用 F e Mn复合 材 料可以比较轻松地将体系密度提高至 3 ． 1 0 g ／ c m 左右 ，并且可 以采用范 氏黏度计测定 出 读数。 1 ． 2 新 型分散剂 和降滤 失剂的研制 超高密度钻井液的主要物理特征是体系 中固相 含量极高 ，由此极大地限制了单位体积浆体 中液相 的数 量 ，并 直 接 导致 了 原本 是次 要 矛盾 的 固相 颗粒 间摩擦阻力成为主要矛盾。相关的理论研究结论均 表 明 ，多相体系 中相 与相之 间分布 的均匀程度直 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 钻 井 液 与 完 并 液 2 0 1 1 年 9月 接影响着体系 的流动状态 ，因此设法改善相与相 之间分布的均匀程度可能是降低 固相颗粒摩擦阻 力的有效手段。换言之 ，作为高或超高密度体系连 续相的 “ 水 ”如果能够通过某种方式提高固相粒子 在其中的分散均匀度和分散效率 ，则可有效降低颗 粒间的微观摩擦阻力 ，其直观表现就是改善 了浆体 的流动性。以这种理论为基础，笔者所在项 目组进 行 了以下 2方面的技术研究。 1 ． 2 ． 1 相均 匀剂 相均匀剂 的作用原 理是将水分子作为一个质 点 ，通过部分改变水分子间氢键的形成与破裂速度 达到调节体系中液相分布的均匀度的 目的，亦 即设 法降低湍流黏性效应 ，进而达到稳定或降低固相颗 粒在微观状态下摩 阻的目的。表 3为 2 ． 7 2 g ／ c m 的 超高密度体系的测定值 ，从实验数据可以看 出，加 人相均匀剂以后体系流变性得到了极大的改善 ，但 相均匀剂加量不能过高 ，过高反而会对流变性能造 成不利影响。这主要是 因为超高密度体系中水 的含 量显著降低 ， 任何添加物均会消耗数量不等的水分 ， 随着水分的消耗 ， 各种添加剂的作用均被逐渐消弱。 表 3 相均 匀剂加量对超高密度体 系表观黏度的影 响 注 老化条件为 1 2 0℃ 、1 6 h； 密度为 2 ． 7 2 g ／ c m 。 1 ． 2 ． 2 超低黏流体稳定剂 传统降滤失剂 的主要功用就是提高固液两相结 合的稳定程度 ，使之在承受压力时水分不会轻易向 较低 压力方 向迁移 渗滤 。超高密度体系 中的固 相成分绝大多数是惰性加重材料 ，保持其均匀分散 的难度更大 ，并且一般意义上的降滤失剂都或多或 少的具有一定的黏度效应 ，无法直接用于超高密度 体系。因此室内在对相均匀剂作用原理研究 的基础 上 ，研制 了能够通过部分改变加重剂粒子表面性质 达到提高其分散均匀度、降低水膜厚度并改善其包 裹效应的可快速溶解的非提黏型降滤失剂超低 黏流体稳定剂 L 一 3 O 。大量的实验结果表明，加重基 液 的黏度直接决定着在保持某一流动状态条件下加 重体系所能达到的最高密度极 限。因此配制基液时 所使用材料 的黏度效应越低 ，越有利于形成高质量 的超 高密度体系。表 4是 L ． 3 0与部分常用的低黏 度效应降滤失剂在相同浓度下水溶液 的黏度对 比， 可以看出，L 一 3 0具有最低的黏度效应。 表 4 几种聚合物降滤失剂水溶液黏度 水挥 液 6 o o 3 0 0 妒 2 o 0 l 0 0 6 3 清水 3 2 I 1 0 0 1 0 L L一 3 O 7 3 2 1 0 0 1 0 g m E L V- CM C 9 5 3 2 1 1 1 0 g ／ L超低黏 P A C 1 1 6 5 3 1 1 5 g ／ L M M AP 1 8 1 2 1 0 7 2 2 注 E L V - C MC也 称 为超 低 黏 C MC，是 由 L V - C MC继 续氧化后的产品，其黏度效应更低，但降滤失效果有一定波 动，最终取决于生产工艺掌握的合理程度。 从实验结果看，L 一 3 0 单独使用其降滤失作用并 不是 十分显著，但与相均匀剂 s F 一 1 9复配使用则表 现出较好的降滤失作用 ，并且更有利于保持体系流 动性 ，见 表 5 。实验数 据表 明 ，L ． 3 0和 S F I 9具 有较 好 的协 同效果 ，单独 使 用 L ． 3 0或 S F l 9均 无法 得到 比较好 的流变性能 。由表 5可知 ，L ． 3 0 与 S F 一 1 9之问也存在最佳 配伍 量 ，其配 比一般为 L 一 3 0 S F ． 1 9 0 ． 5 1 ． 0 ～ 1 ． 8 。但配 伍 助剂变 化 时 ，这一配伍量也会发生变化 。这种 现象也较好 地说明了超低黏流体稳定剂和相均匀剂在性质上具 有很强的互补作用 。 表 5 S F 一 1 9和 L 一 3 0协 同作用对超高体 系流变性能的改善 s 条件妒 。 。 。 。 。 。 仍 室温 0 20 老化 室 温2 3 5 5 1 5 老 化 1 7 1 室温 2 0 9 7． 5 1 2． 5 老化 1 6 2 室温 1 9 3 l0 1 0 老化1 5 7 室温 1 9 8 1 2． 5 7． 5 老 化 l 8 9 室 温2 0 8 l5 5 老化1 9 6 室温 20 0 老化2 9 2 2 41 1 97 21 7 1 68 1 36 9 7 93 7 2 1 1 1 8 9 89 6 8 l 0 2 84 8 3 5 6 1 05 88 9 8 7 7 11 2 93 1 07 91 27 3 221 238 l 72 注 老化条件为 1 2 0℃、 1 6h ， 钻井液密度均为 2 ． 5 5 ～2 ． 5 8 g ／ c m ，表中数据均于 4 5 ～5 0℃下测定 。 躬 7 3 6 4 4 3 3 4 8 5 B 醯 9 H “ 躯 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 5期 蔡利山等 超 高密度钻 井液技术进展 7 3 在这方面 ，王旭 _9 等人进行了类似的研究 ，合 成出了抗温能力达 2 2 0℃的不增黏降滤失剂 C GW- 1 和高温高压抗盐降滤失 剂 C G W- 2 ，二者协 同使用 可以配制 出密度为 2 ． 5 7 g ／ c m 的淡水基体系及密度 为 2 ． 3 0 g ／ c m 的盐 水 基体 系 ，其 盐水 体 系可 抗钙 3 0 0 0 mg ／ L 。相 比之下 ，目前笔者采用上述技术可 以使 2 ． 7 5 g ／ c m 左右 的超高密度体系的抗盐和抗钙 能力分别达到 5 0 g ／ L和 5 0 0 0 mg ／ L 。 1 ． 3 配方 的优化 一 般而言 ，在高或超高密度体系中原则上不配 伍聚合物类 降滤失剂 。但这种原则不是绝对的 ，在 密度不高于 2 ． 5 0 g ／ c m 的钻井液体系中，合理使用 聚合物类处理 剂有助 于改善体系流 变性能 ，例如 文献 [ 1 0 】 中提到在 2 ． 4 0 g ／ c m 的高密度体系 中添加 l 0 ～1 5 k g ／ m 的 K P AM 不但 没 有影 响体系 流变性 能，反而非常有利于保持体系良好流变参数，并在 现场实践 中已得到证明。关于这一 问题 ，程启华 等人也认为 ，低分子量 的聚合物降滤失剂能够通过 高价金属离子在重晶石表面吸附后形成聚合物膜 ， 进而降低固相颗粒之间的摩擦 阻力。笔者在实验中 也证实 了这种观点 的正确性 ，即在超高密度体系中 添加少量 L V - P AC，不但不会影响其流动性 ，反而 能够提高浆体的稳定性 包括胶体稳定性和沉降稳 定性 ，这种作用对于超高密度体系是至关重要 的。 此外 ，与普通密度钻井液相 比，组成超高密度 体系的各种处理剂其主次之分更加明确 ，文献 [ 1 1 ] 也肯定了这种观点 ，亦即如果主处理剂含量不够 ， 配方性能难 以达到最佳状态 ，且多数会呈现顾此失 彼的情况 。笔者在实验 中发现 ， A、 B两组对 比样中， 其 中 A 组 的主剂 加量 较大 ，添加较 多 的辅 剂后 体 系 性能仍能保持 良好 ； B组 主剂加量相对较少 ，添加 辅剂后也可 以形成性能较好的浆体 ，并且相 同条件 下测出的高温高压滤失量相 当。将 A、B两组配方 以相同数量的盐进行污染 ，结果发现 A组 的高温高 压滤失量增大很小 ，而 B组则表现为明显升高。这 表明，超高密度条件下体系中配伍剂特别是主要处 理剂 的含量应该具有一个 “ 临界点” ， 数量高于 “ 临 界点”越多 ，体系抗污染能力越强 ，反之则越弱。 由于超高密度体系的特殊性 ，影响其配伍的因 素更多，也更复杂，例 如配伍助剂的管理因素 如 质量 、产地 、存 放时 间 、配 伍方式 、配伍数量 、 配伍种类等都会影响体系的流动性和稳定性 。笔者 在对国内外 主要是 国内 使用超高密度体系情况 分析的基础上 ，结合室内实验体会 ，认为在配制超 高密度体系时必须要注意以下几点。①配伍组合 中 必须要有起分散作用的助剂 ， 即效果 良好的分散剂。 ②应有 2 ～3种抗高温稳定剂 ，其 主要作用 是能够 确保体系在高温高压条件下具有较低 的滤失量和良 好的胶体稳定性。③至少要配伍一种低黏度效应 的 降滤失剂 ，这种助剂是使抗高温稳定剂得以有效发 挥作用 的基础 ，也是保持体系胶体稳定性 的主要助 剂。④ p H值调节剂 ，实践表 明，p H值对于超高密 度体系的稳定性至关重要 。⑤配伍黏度效应较低 的 泥饼改善剂 ，其 主要作用是提高泥饼 的致密性 ，辅 助降低体系的高温高压滤失量 ，并兼有辅助提高体 系胶体稳定性作用。⑥配伍合适的润滑剂可以降低 泥饼摩阻系数 ，提高浆体的胶体稳定性。如果配伍 不当，其会对体系流动性产生较大的负面影响。⑦ 适量配伍部分低分子量的聚合物类降滤失剂可以提 高体系的抗盐污染能力和沉降稳定性 。⑧体系中的 降滤失剂类产 品在最佳含量点附近的变化幅度一般 不高于 2 g ／ L，并且 随着 密度 的提高 ，这一调节范 围也会随之变小。⑨配伍合适 的抑制性材料 ，它能 够有效改善体系的流动性 ，但配伍不 当会影响体系 的沉降稳定性 。⑩谨慎配伍稀释剂 ，一般来说超高 密度体系中不主张配伍强分散型稀释剂 典型的如 F C L S ，因为这种做法可能会严重破坏体系的胶体 稳定性 ，进而使体系丧失沉降稳定性 。 2 超 高密度体 系的现 场应 用情况 2 ． 1 国外使用情况 根据检索结果可知，美国人在 Mi s s i s s i p p i c a n t o n 的 S ma c k o v e r a r a r e a 成功地使用 了密度为 2 ． 6 4 g ／ c m 的压井液处理井涌。该压井液以 H T P D F体系 一 种抗高温聚合物钻井液体系 为基础配制 ，人井后 在 1 4 9 q C 的井 温 下静置 3 0 d ， 开井 后顺 利恢 复循 环 ， 未发现加重材料发生沉降的问题 [ 1 2 1 0从体系的主要 组成看 ，有 聚合物降滤失剂 、解 絮凝剂 分散剂 和可 以提高 抗温 能 力 的改 性褐 煤 ，这 和 国 内在 该 领 域研究进展较深的部 门所采用的方法是一致 的。除 此之外 ，国外所使用 的高密度钻井液密度一般均在 2 ． 3 0 g ／ c m 以内 ， 尚未达 到 “ 超 高”水 平 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年 9月 2 ． 2中国使用情况 官 3 井 该井 在钻 至井深 3 8 7 1 ． 5 1 T I 后将钻井 液密度调至 2 ． 8 0 ～2 ． 8 5 g ／ c m ，钻至井深 3 9 7 3 m完 钻 ，进尺 1 6 4 m，取得了较好效果 [ 1 3 ] o官 7 井 该 井在钻至井深 3 0 4 9 ． 1 9 m 时钻遇高压盐水气层并发 生井涌，提高钻井液的密度至 2 ． 6 4 g ／ c m ，但 因井 底压力太高无法继续施工 ，固井封井底 5 0 0 m，提 前完井 [ 1 4 ] o迪那 1 1 井 该井在三开 4 1 8 5 ～5 0 4 2 m 使用密度为 2 ． 4 1 g ／ c m 的钻井液钻高压盐层 ，顺 利钻穿 8 7 5 m厚 的纯石 膏、盐岩 、泥膏岩 和泥岩 段，施工中未发生阻卡现象 ，未排放钻井液 。克 拉 4井 该井施工时在 4 3 9 8 ～4 3 9 9 m井段的膏盐 岩段遇高压盐水层 。采用 2 ． 0 5 g ／ c m 的钻井液钻至 4 3 9 7 ． 0 9 m发生 溢流 ，用 密度 为 2 ． 5 3 ～2 ． 5 6 g ／ c m 的钻井液顺利通过。旺南 1 井 该井钻至 4 0 2 5 m 进入二叠系阳新统 2 m时，发现压力系数为 2 ． 6 7的 超高压气水层，确定用密度为 2 ． 8 2 g ／ c m 的超高密 度钻井液压井。该超高 密度钻井液采用重 晶石加 重，密度为 2 ． 8 5 g ／ c m ，漏斗黏度为 1 6 0 S ，静切力 为 4 ． 4 1 ／ 6 ． 3 7 P a ／ P a ，滤失量为 2 mL ，泥饼厚度为 2 ml T l 。压井液流动性 良好 ，压井一次成功 ，未发生 任何井下复杂情况。井 口返出压井液性能 密度为 2 ． 8 5 g ／ c m ； 漏斗黏度为 8 0 ～9 0 S ； 静切力为 3 ． 9 2 ／ 5 ． 8 8 P a ／ P a； 滤失量为 3 mL，表 明压井液受高温作用后 性能仍很稳定 ，为压井作业 的成功提供了保障。河 飞 2 0 3井 该井用密度为 2 ． 1 6 g ／ c m 的钻井液钻至 斜深 6 1 9 1 m中途完钻 ，以 5 0 m 平均密度为 2 ． 2 7 g ／ c m 的水泥浆固井，下钻扫水泥塞至 3 5 7 1 ． 5 3 m， 起钻至 5 1 7 I T I 发生溢流 当时井浆密度为 2 ． 1 8 g ／ c m ， 现场分 析认 为可能是嘉 陵江 2段发生气窜导致井 涌 。关井 节流 置换循 环压井 ，效 果不好 ，采用 水泥车及压 裂车压井 也未成功 ，强行下钻 至井深 3 5 l 7 ． 7 7 n l ，正循环注密度为 2 ． 2 5 ～2 ． 5 0 g ／ c m 的高 密度井浆节流压井成功 。之后逐渐将循环井浆加重 至入 1 3 密度为 2 ． 6 0 g ／ c m ，出 口密度为 2 ． 5 9 g ／ c m ， 溢流停止开井循环 。经 2次短程起下钻、多次静止 观察确认正常后 ，起钻换钻头转入正常施T。 官深 1 井 该井是继 官 2 、官 3 、官 7 井等钻 遇超高压地层后 的又一 口可能钻 遇超 高压流体 的 井 ，为了在钻遇超高压层以后钻进作业仍能正常进 行 ，该井在技术上进行 了充分的准备 。第一次将室 内完成的配方进行了现场放大配制 ，试配 2 5 1 T I 超 高密度钻井液 ； 第二次为工业化配制 ，采用室内配 方配制 2 ． 8 5 ～2 ． 8 8 g ／ c m 超高密度钻井液 2 0 0 I T I 作 为储备用浆。考虑到尽可能减少井浆排放量 ，节约 排放池容积 ，2次配制均结合了部分井浆 ，其 中第 一 次结 合 了 3 0 ％井浆 ，第二 次结合 了 2 0 ％井浆。 前后 2次配制的超高密度钻井液性能见表 6 。 表 6 官深 1 井现场配制的超高密度钻井液性能 条件F V ／ F L m H L TH p H 。 。 注 为现场试配浆，其老化前后的密度为 2 ． 8 0 、2 ． 7 7 e C c m 可能是搅拌不均匀或测定误差所致 ； 为工业配制， 其老化前后的密度为 2 ． 8 8 、2 ． 8 8 g ／ c m ； 老化条件为 1 2 0℃、 1 6 h； ①流变参数及漏斗黏度于4 5℃下测定 ； ②流变参数 及漏斗黏度 于 6 0℃下测定 ； F L 于 1 2 0℃下测定 。 性能测定结果表明，现场配制的超高密度钻井 液具有 良好的流动性和胶体稳定性 ，在分别受到 5 0 g ／ L盐污染和 2 0 ％的高矿化度地层水污染 以后 ，浆 体性能基本保持不变，特别是受到地层水污染黏度 大幅度降低后 ，浆体的胶体稳定性不变 ，未出现加 重剂沉淀现象，高温高压滤失量分别由 1 0 ．8 m L和 1 0 ． 2 mL上升到 2 3 ． 6 mL和 1 1 mL，表现 出了极好 的抗污染能力。目前该井正在为揭开嘉陵江 1 段的 超高压盐水层做技术准备工作 。 由以上 资料可 以看 出，中国采用 超高密度体 系的工艺技术在不断进步，但距离成熟 尚有较长 的 路程 ，且绝大多数为 2 ． 5 0 g ／ c m 左右 的超高密度体 系 ，除官 3井 以外 ，其余各井使用的密度超过 2 ． 6 0 g ／ c m 的超重浆体均为压井液 ； 官 7井使用 了密度 2 ． 6 4 g ／ c m 的钻井液钻进 ，但 因技术原 因未能成功。 这说 明，超高密度体系的现场实施仍存在较多的技 术困难 ， 在现阶段部分困难甚至无法得到有效克服 ， 即便是官 3井 ， 也还有不少有待改进或克服的缺点。 根据文献 [ 1 3 ] 提供数据 ，该井在进入乐平组遇高压 盐水层后 ，将钻井液密度 由 2 ． 6 1 g ／ c m 提高至 2 ． 9 2 g ／ c m ，后因地层发生循环漏失 ，又降低密度至 2 ． 8 0 g ／ c m ，钻至终孑 L 深度 3 9 7 3 m时密度为 2 ． 8 5 g ／ c m 。 尽管官 3 井采用密度 2 ． 8 0 g ／ c m 以上 的超高密度钻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 5期 蔡利山等 超高密度钻井液技术进展 7 5 井液实现 了正常循环并钻进 了 1 7 3 m，但从专业角 度看 ，至少还存在以下 3方面的问题。 ①原井浆无继续加重能力 ，钻遇超高压盐水层 时 ，现场只能配制超高密度新浆将井筒内的原超高 密度井浆全部替换 。 ②密度达到 2 ． 7 5 g ／ c m 以后 A P I 滤失量一直保 持较高水平 ，直至终孑 L 也未低于 1 4 mL 。以笔者的 室内实验经验 ，这样的滤失量水平实质上反映了超 高密度浆体 的胶 体稳定性 已经处 于 比较差 的水平 了，继续发展下去就是沉降稳定性的彻底破坏 ，对 于超重浆而言 ， 一旦出现这种情况将是非常严重的。 ③ 使用 了 4 ． 4 0 g ／ c m 的 高纯 度 重 晶石 。官 深 1 井为了使用超高密度钻井液 ，曾多方寻求密度在 4 ． 3 0 g ／ c m 以上 的高 品质重 晶石 ，但最终 只获得 了 密度为 4 ． 3 1 ～4 ． 3 3 g ／ c m 的工业 品重 晶石。从技术 上讲 ，重 晶石密度 由 4 ． 3 0提高至 4 ． 4 0 g ／ c m 对实 际 应用效果的影响已经不是一个简单的固相含量降低 的概念了。所以笔者认为官 3 井超高密度钻井液的 实施水平可 能只相 当于采 用 4 - 3 g ／ c m 的重晶石 时 2 ． 6 5 ～2 ． 7 0 g ／ c m 的超高密度钻井液水平 。 3 超高密度钻井液流变学特征研究概况 近年来 ，国内部分科研部门开展了高密度钻井 液流变学特征的实验研究 ，这方面比较具有代表性 的是郭靖 [ 1 6 ] 等人 的研究成果 ，他们 通过实验 得出 了以下 3个结论 ①温度主要通过活性 固相颗粒的 含量影 响钻 井液流变性 能 ； ②较 高密度 P ≤1 ． 7 0 g ／ c m 和高密度钻井液 P ≥2 ． 2 0 g ／ c m 受温度和 密度影响很大 ，且变化 的规 律性很强 ； ③中高密度 1 ． 7 0 ～2 ． 2 0 g ／ c m 钻井液在不 同温度下黏度变化 的规律性很差 ，无法反映黏度 、密度 与温度变化之 间的直接关系，表明影响中高密度钻井液流变参数 的因素 比较复杂。 综合分析文献 [ 1 6 ] 的实验过程不难看 出，温度 对高密度体系流变性能的影响十分复杂 ，并且不同 密度钻井液之间的切应力一 剪切速率 的变化趋势相 互交叠 ，很难从整体上得 出密度与流变参数之间的 规律性结论。施里宇 [ 1 等人通过对 2 ． 3 0 g ／ c m 高密 度钻井液进行 的流变学实验数据得 出 高密度体系 的高温高压流变性能与膨润土含量密切相关 ，膨润 土含量越高 ，体系流变性能越差 ； 剪切速率 的提高 不会影响不同膨润土含量高密度体系流变 曲线 的斜 率 ； 温度主要通过体系中的活性土粒子影响体系流 变性能。文献 [ 1 8 ] 通过实验也得出了 “ 各种低密度 固相的含量是影响高温下高密度体系流变性能的主 要 因素 ”的结论。相 比之下 ，施里宇和朱春玲的研 究结论更加明确 ，也更具有实践指导作用 ，但对于 超高密度 P≥2 ． 5 0 g ／ c m 体系的高温高压流变学 特征的研究尚未见到报道。 为了初步了解超高密度条件下钻井液 的高温高 压流变学特征 ，笔者采用 MC R1 0 1 An t o n p a a r 制 造 型高温高压动态流变仪对密度 为 2 ． 7 5 g ／ c m 的 超高密度钻井液进行了高温高压条件 压力恒定为 5 MP a 、温度变化 下流变参数的测定 ，得到的趋 势线 见图 1 。可 以看 出，在较低 温度 5 0 C C下 ， 钻井液流变 曲线呈现 良好的线性相关 ，随着温度的 升高 ，切应力随剪切速率呈 明显上升趋势 ，同时动 切力也相应增大，并且规律性特别好。这一结论对 于现场施工的指导意义十分 明确 ，即在使用超高密 度体系钻进时 ，必须合理控制排量 ，否则可能导致 循环压力急剧升高 以至于造成井下复杂情况。 1 o o 8 O 日 6 0 4 0 2 O O 一 5 0 ℃、5 MP a 流变曲线 1 0 0℃、5 MP 8 流变曲线 1 2 5 ℃、5 MP a 流变曲线 1 5 0℃、5 MP a 流变曲线 1 8 0℃、5 MP a 流 变 曲线 0 2 o o 4 0 O 6 o o 8 0 0 1 o o 0 v ／ s - 图 1 2 ． 7 5 g ／ c m3 超高密度体系的 曲线 影响钻井液黏度的因素十分复杂 ，就超高密度 体系而言 ，钻井液配方 中各种处理剂的配伍量、配 伍种类 、处理剂质量 、低密度 固相含量等等都可能 成为影响其黏度变化的主要因素 。笔者以为，在关 于高密度 、超高密度体系流变学规律的研究中，只 要能够通过实验得 出随着温度 的变化主要物质含量 对体 系流变性能 的影 响趋势足矣 如文献 [ 1 7 1 8 ] 的研究结论 ，在 目前的实验手段下 ，过于精细地 研究反而会产生分析上的混乱 ，对实践也不具有更 好 的指 导意 义 。 结合超高密度体系室 内实验研究 的实践过程 ， 笔者对密度为 2 ． 5 0 g ／ c m 的钻井液所表现 出的流变 学规 律进行 了总结 。① 超高密度情 况下 ， 和 读数非常接近 ，密度越高 ，二者相差越小。②超高 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 钻 并 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年 9月 密度情况下 ，随着密度的升高 ，G e l 。 。 。 和 G e l 。 i 的 比值逐渐接近 1 。③对于能够得到完整六速读数的 超高密度钻井液 ，动切力的值是衡量体系沉降稳定 性的重要参考数据 ，当动切力小于 0时 ，表明体系 无法稳定地悬浮加 重材料 ，此 时必须重新调 整配 方 ； 经验表 明，动切力大于等于 1 P a 是满足超高密 度体系加重材料悬浮要求的最低标准 ，动切力大于 2 P a时一般可以保证体 系具有较好 的沉降稳定性。 ④A V P V I ．2 ～1 ．5 时，可以保证体系在具有良好 的流变性能的同时 ，也具有很好的沉降稳定性 。⑤ 采用 范氏六速黏度计 转测定出的初切力和终切 力对于判断体系沉降稳定性具有重要的参考意义。 一 般对于密度为 2 ． 4 0 ～2 ． 6 0 g ／ c m 的钻井液 ，以保 持 G e l 1 o 在 2 ． 5 ～7 P a 、G e l 1 在 3 ～ 1 3 P a之间为 较好， 这种情况下沉降稳定性和流变性能可以兼顾。 当密度大于 2 ． 6 0 g ／ c m 以后 ，初终切对于判 断体系 沉降稳定性的作用随着密度 的升高逐渐减弱 ，但对 于能够得到完整六速读数 的超高密度体系 ，这种方 式仍 具有实用价值。⑥密度 高于 2 ． 7 0 g ／ c m 以后 ， 大多数情况下无法测定出完整的六速读数 ，但钻井 液可以具有很好的流动性 ，这种情况下需要测定马 氏漏斗黏度 。⑦超高密度体系的漏斗黏度可 以控制 得较低 ，但六速黏度计 的 读数仍无法测出 ，例 如采用活化重晶石配制出的密度为 2 ． 9 0 g ／ c m 的超 高密度体系于 1 5 0℃、1 6 h陈化后其漏斗黏度可以 达到 8 5 S ，但 珈无法测出 】 。⑧超高密度情况下 直接采用传统的宾汉模型得出的流变学黏度衡量钻 井液流动性不再是一种合理 的方式 ，必须采用符合 实际情况的测定方法进行评价。 4 提 高超 高密度钻井液密度 的途径 已有的研究结论表明，采用有机盐如 甲酸钾 、 甲酸钠 、甲酸铯等提高液相密度进而提高整个体系 密度的手段在技术上是不可行的，从体系的固相含 量看 ，这种方式能够明显降低总固相含量 ，但 由于