张健

(中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司，广东湛江 524057)

近年来，随着全球石油资源需求量的不断增大，油气资源的勘探与开发也逐渐向更深的地层发展，未来深层油气资源的钻探与开发会逐渐成为石油工业研究的热点与焦点。随着钻井深度的增加，井底温度和压力逐渐升高，这就要求钻井液体系必须具备良好的耐温性能，并且当钻遇含盐量较高的地层时，对钻井液的抗盐性能也有了更高的要求。因此，研究出抗高温、高密度及高盐的钻井液体系成为深井钻井作业施工急需解决的问题[1-5]。

有机盐钻井液在高温、高压以及高盐地层钻进时能够达到良好的钻井效果，其通常具有较强的抑制性能以及抗盐性能，能够有效稳定井壁，达到安全高效钻井的目的[6-9]。但单独使用有机盐进行加重时，钻井液的比重往往不够，并且其成本通常较高；而采用普通重晶石或者铁矿粉等加重剂联合加重时，钻井液的流变性能又难以调控，在高温高压环境中容易引起钻井液增稠聚结，导致处理剂失效，从而严重影响钻井进度[10-12]。因此，笔者以海上某深井区块为研究对象，使用(w)50%甲酸钾盐水为基液，通过优选及研制抗高温增黏剂、复合降滤失剂以及流型调节剂等主要处理剂，并采用改性铁矿粉进行加重的方式，开发出一种新型抗高温高密度有机盐钻井液体系，室内评价了其基本性能、沉降稳定性、抑制性能、润滑性能和抗污染性能，以期为深井钻井高效安全施工提供技术支持。

1 试验材料及仪器

甲酸钾(纯度97%)，工业品，武汉吉业升化工有限公司；抗高温增黏剂ZN-D1、复合降滤失剂FH-101、复合降滤失剂FH103、新型流型调节剂LTX-3、抑制剂LYP-1、封堵剂FDP、润滑剂FRH-105、改性铁矿粉，实验室自制；海泡石、重晶石，工业级，河北恒光矿产品有限公司；铁矿粉，工业级，灵寿县诚明矿产品加工厂；岩屑，取自目标区块储层段。

ZNN-DB型六速旋转黏度计、ZNS-2A型中压滤失仪、GGS42-2A型高温高压滤失仪，青岛恒泰达机电设备有限公司；NB-1型泥浆比重计，河北耀阳仪器设备有限公司；EP-B型极压润滑仪，山东美科仪器有限公司。

2 关键处理剂优选及钻井液体系构建

作为有机盐钻井液体系的核心处理剂，有机盐的选择较为重要，目前国内外常用的有机盐类型主要为甲酸盐，其与常用的钻井液处理剂(增黏剂、降滤失剂、抑制剂以及润滑剂等)具有良好的配伍性。因此，笔者采用(w)50%甲酸钾溶液作为新型抗高温高密度有机盐钻井液体系的基液；此外，为了提高体系的抗盐性能，使用海泡石代替常用的膨润土作为配浆材料。

2.1 加重材料优选

为了考察不同加重材料对钻井液体系性能的影响，在钻井液滚动老化条件下(180 ℃，16 h)，室内对比评价了重晶石、铁矿粉以及改性铁矿粉对钻井液流变性和滤失量的影响，试验结果见表1。试验用基浆配方(w)为：50%甲酸钾溶液+3%海泡石+1.5%抗高温增黏剂ZN-D1，然后在基浆中分别加入不同类型的加重材料加重至2.0 g/cm3。

表1 加重材料优选结果

由表1可见：使用重晶石和铁矿粉进行加重时，钻井液老化前后流变性变化较大，并且滤失量也比较大，老化前黏度较稠、切力较高，而老化后黏度和切力的降低幅度均较大。使用改性铁矿粉加重的钻井液老化前后流变性变化较小，并且滤失量小于重晶石和铁矿粉加重时的钻井液。因此，建议选择改性铁矿粉作为新型抗高温高密度有机盐钻井液体系的加重材料。

2.2 降滤失剂优选

为了考察不同类型降滤失剂在有机盐钻井液体系中的降滤失效果。在钻井液滚动老化条件(180 ℃，16 h)，高温高压滤失量测试条件(180 ℃，3.5 MPa，30 min)，降滤失剂的质量分数均为5%的条件下，室内对比评价了5种不同类型的降滤失剂对钻井液高温高压滤失量的影响情况，试验结果见图1。基浆配方(w)为：50%甲酸钾溶液+3%海泡石+1.5%抗高温增黏剂ZN-D1+降滤失剂+改性铁矿粉加重至2.0 g/cm3。

图1 降滤失剂优选结果

由图1可见：基浆经过高温老化后的高温高压滤失量较大，而加入不同类型的降滤失剂后，高温高压滤失量均明显降低，其中复合降滤失剂FH-101的降滤失效果最好，当其加量(w，下同)为5%时，可使有机盐钻井液基浆的高温高压滤失量降低至15 mL以下，达到较好的降滤失效果。因此，采用FH-101作为新型抗高温高密度有机盐钻井液体系的降滤失剂。

2.3 流型调节剂加量优选

为了使钻井液体系老化后仍能保持良好的流变性和动切力，研制了一种新型流型调节剂LTX-3，以动切力为评价指标，在钻井液滚动老化条件(180 ℃，16 h)下，室内对其加量进行了优选评价，试验结果见图2。基浆配方(w)为：50%甲酸钾溶液+3%海泡石+1.5%抗高温增黏剂ZN-D1+5%复合降滤失剂FH-101+改性铁矿粉加重至2.0 g/cm3。

图2 流型调节剂加量优选结果

由图2可见：随着新型流型调节剂LTX-3加量的不断增大，钻井液体系老化后的动切力逐渐升高，当LTX-3加量为0.8%时，动切力可以达到18 Pa，能够满足有机盐钻井液体系流变性能的要求，再继续增大LTX-3的加量，动切力过高，使钻井液体系的流变性能调控变得困难。因此，新型流型调节剂LTX-3的加量优选0.8%。

2.4 新型抗高温高密度有机盐钻井液体系配方

综合以上优选评价试验结果，结合目标区块实际情况，再配合相应的抑制剂、封堵剂和润滑剂等处理剂，最终确定新型抗高温高密度有机盐钻井液体系的配方(w)为：50%甲酸钾溶液+3%海泡石+1.5%抗高温增黏剂ZN-D1+5%复合降滤失剂FH-101+0.8%流型调节剂LTX-3+2%抑制剂LYP-1+4%封堵剂FDP+2%润滑剂FRH-105+改性铁矿粉加重至2.0 g/cm3。

3 新型抗高温高密度有机盐钻井液综合性能评价

3.1 综合性能

采用2.4中的配方配制钻井液体系，然后将其在180 ℃下滚动老化16 h后，在高温高压滤失量测试条件(180 ℃，3.5 MPa，30 min)下，使用六速旋转黏度计和滤失量测定仪测量了新型抗高温高密度有机盐钻井液体系老化前后的流变性和滤失量，试验结果见表2。

表2 新型抗高温高密度有机盐钻井液体系综合性能

由表2可见：新型抗高温高密度有机盐钻井液体系老化前后表观黏度、塑性黏度和动切力的变化相对较小，表明体系的流变性能比较稳定。钻井液体系经过180 ℃老化后，API滤失量为2.3 mL，高温高压滤失量为9.5 mL，表明体系的失水量较小，能够起到良好的降滤失效果。

3.2 沉降稳定性

室内通过测定新型抗高温高密度有机盐钻井液体系老化后的上下密度差用以评价其沉降稳定性，滚动老化温度为180 ℃，老化时间分别为1，3，5，10 d，试验结果见图3。

图3 新型抗高温高密度有机盐钻井液体系沉降稳定性试验

由图3可见：随着老化时间的不断延长，新型抗高温高密度有机盐钻井液体系的上下密度差越来越大，但当老化时间为10 d时，密度差也仅为0.07 g/cm3，表明钻井液体系比较稳定，不会发生明显沉降，能够在较长的时间内保持良好的沉降稳定性，满足钻井作业施工的需要。

3.3 抑制性能

在钻井液滚动老化条件(180 ℃，16 h)下，试验用岩屑取自目标区块储层段，室内采用岩屑滚动回收试验评价了新型抗高温高密度有机盐钻井液体系的抑制性能，并与清水和现场钻井液(常规聚磺钻井液体系)的抑制性能进行了对比，试验结果见图4。

由图4可见：目标区块储层段岩屑在清水中的滚动回收率仅为35.2%，表明岩屑易水化分散；现场钻井液对岩屑的滚动回收率为84.3%；新型抗高温高密度有机盐钻井液对岩屑的滚动回收率则可以达到95%以上，表明该钻井液体系具有良好的抑制性能，能够较好地抑制黏土矿物的吸水膨胀、分散和运移，进而有效避免井壁失稳现象的发生。

图4 钻井液体系抑制性能试验结果

3.4 润滑性能

在钻井液滚动老化条件(180 ℃，16 h)下，室内以极压润滑系数为考察指标，评价了新型抗高温高密度有机盐钻井液体系的润滑性能，并与现场钻井液(常规聚磺钻井液体系)和常用油基钻井液体系进行了对比，试验结果见图5。

图5 不同钻井液体系润滑性能对比结果

由图5可见：3种不同类型的钻井液中，油基钻井液体系的极压润滑系数最小，新型抗高温高密度有机盐钻井液体系的极压润滑系数在0.1左右，而现场钻井液体系则为0.136。说明研制的新型抗高温高密度有机盐钻井液体系具有良好的润滑性能，能够满足深井钻井对钻井液润滑性能的要求。

3.5 抗污染性能

在钻井液滚动老化条件(180 ℃，16 h)，高温高压滤失量测试条件下(180 ℃，3.5 MPa，30 min)，分别在新型抗高温高密度有机盐钻井液体系中加入不同质量分数的岩屑粉、NaCl和CaCl2，然后测定钻井液体系老化前后流变性及滤失量的变化情况，以此评价钻井液体系的抗污染性能，结果见表3。

由表3可见：在新型抗高温高密度有机盐钻井液体系中分别加入(w)10%岩屑粉、(w)10% NaCl和(w)1% CaCl2后，钻井液体系经过高温滚动老化后流变性能仍比较稳定，滤失量虽有所升高，但升高的幅度不大，表明开发的新型抗高温高密度有机盐钻井液体系具有良好的抗污染性能。

表3 钻井液体系抗污染性能试验结果

4 结论

1)室内通过对加重材料、降滤失剂以及流型调节剂的优选及评价试验，并配合加入抑制剂、润滑剂和封堵剂，开发出一套新型抗高温高密度有机盐钻井液体系，其配方(w)为：50%甲酸钾溶液+3%海泡石+1.5%抗高温增黏剂ZN-D1+5%复合降滤失剂FH-101+0.8%流型调节剂LTX-3+2%抑制剂LYP-1+4%封堵剂FDP+2%润滑剂FRH-105，以改性铁矿粉加重至2.0 g/cm3。

2)新型抗高温高密度有机盐钻井液体系性能评价结果表明：该钻井液体系具有稳定的流变性、较低的滤失量和良好的沉降稳定性，此外，该钻井液体系还具有良好的抑制性能、润滑性能和抗污染能力，能满足深井钻井施工对钻井液性能的综合要求。