摘要：甲酸盐钻井液是一种新型无固相钻完井液体系，具有密度易调且范围宽(1.0～2.3g/cm3)、高温稳定性好(225℃)、抑制性强、可增强页岩井壁稳定的特性，高密度下具有优良的流动性。为解决我国西部地区山前构造带复杂深井高密度钻井液使用成本高的难题，调研了国内外甲酸盐钻井液技术。提出采用密闭循环或经净化后回收再利用的方法来降低甲酸盐钻井液的使用成本，并加入少量适合的加重剂以形成滤饼来保护井壁的稳定，降低了深井、超深井钻井液的使用成本。该研究成果为我国西部地区山前构造带复杂深井、超深井钻井液体系的选择提供了依据。
关键词：深井；超深井；甲酸铯；甲酸盐；高温；高压；甲酸盐钻井液；无固相钻井液
甲酸盐钻井液是一种新型的环保型钻井液，在环保、储层保护、抑制地层流变性以及抗高温、抗污染方面都有显著优点，较之常用的卤盐无固相钻完井液具有更优越的特性[1]，是国内外研究的热点。目前，甲酸盐钻完井液主要用于高温、高压井、水平井、长延伸钻井等复杂条件下的钻井，工程上采用密闭循环或经净化后回收再利用的方法降低甲酸盐的成本，并加入少量适合的加重剂以形成滤饼来保护井壁的稳定。笔者介绍了国内外的研究应用情况，特别是Cabot公司在甲酸盐钻完井液的研究进展。
1 甲酸盐水溶液的物理性质
1.1 NaCOOH、KCOOH、CsCOOH的基本物性
目前，用于钻井和完井的3种甲酸盐水溶液的基本物性如表1所示。
表1 甲酸盐水的基本物性表(20℃)
|
种类
|
饱和浓度(%)
|
最高密度(g/cm3)
|
黏度(mPa·s)
|
结晶点(℃)
|
pH值
|
|
NaCOOH
|
45
|
1.34
|
7.1
|
-23
|
9.4
|
|
KCOOH
|
76
|
1.60
|
10.9
|
-40
|
10.6
|
|
CsCOOH
|
83
|
2.37
|
2.8
|
-57
|
9.0
|
1.2 甲酸盐水密度
甲酸盐水的密度为1.00～2.37g/cm3，包括了钻井和完井过程中的密度要求，甲酸盐水质量分数与密度的关系[2]如图1所示。
1.3 甲酸盐水密度控制
目前，钻井工程使用1.57g/cm3的甲酸钾盐水和2.20g/cm3的甲酸铯盐水混合来达到钻井工程所要求的密度[2～5]。为了得到低密度(1.57～2.0g/cm3)低结晶温度的甲酸盐水，现场使用清水稀释高密度甲酸钾和甲酸铯混合盐水来实现；为了得到密度为2.0～2.2g/cm3低结晶温度的甲酸盐水，现场使用清水稀释甲酸铯盐水来实现。
1.4 甲酸盐水溶液的黏度
甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯这3种盐水的黏度随密度的变化关系[2]如图2所示。
2 甲酸盐钻井液的基本性能
2.1 甲酸盐钻井液样品配方及基本性能
甲酸盐钻井液样品配方[3]：甲酸盐水+0.1%～0.25%pH缓冲溶液+0.1%～0.15%HT耐高温淀粉+0.1%黄原胶+0.1%～0.15%超低黏聚阴离子纤维素+1%碳酸钙。
由样品性能(表2)可以看出，甲酸盐钻井液具有优异的性能，尤其是高温高压失水很小。
表2 甲酸盐钻井液样品基本性能表1)
|
密度(g/cm3)
|
1.20
|
1.40
|
1.60
|
1.80
|
2.00
|
2.20
|
|
表观黏度(mPa·s)
|
28
|
39
|
37
|
27
|
29
|
27
|
|
塑性黏度(mPa·s)
|
14
|
17
|
24
|
17
|
17
|
17
|
|
动切力(Pa)
|
12
|
22
|
13
|
10
|
12
|
10
|
|
高温高压失水(mL)
|
8.2
|
9.6
|
10.2
|
10.2
|
10.6
|
10.4
|
注：1)150℃热滚16h后的性能，HTHP。
2.2 甲酸盐钻井液抗高温稳定性能
甲酸盐钻井液体系用于高温(大于150℃)钻井工程，甚至井底温度高达225℃，并顺利完成施工。
1) 甲酸盐钻井液抗温性室内实验。为了测试甲酸盐钻井液在极端温度和压力下的稳定性。分别在压力为34MPa和41MPa、温度为270℃下，对甲酸盐水进行了抗高温测试(表3)。
除高浓度甲酸钾盐水的黏度相对较高之外，其余2种盐水的黏度都不高。
表3 甲酸盐钻井液抗高温分解性能表
|
压力(MPa)
|
温度(℃)
|
分解率(%)
|
|
34
|
270
|
15
|
|
41
|
270
|
13
|
2) 甲酸盐钻井液抗温性现场试验。使用密度为2.145g/cm3的甲酸盐钻井液对Kvitebjorn气田一口高温高压井(井深为5000m，井底温度为236℃，压力超过96MPa)进行了施工。由于井下事故，该井中断施工39d。于是，分别提取39d后不同井深的甲酸盐钻井液进行分析(表4)。
表4 不同井深甲酸盐钻井液在高温作用39d后的分解率表
|
样品
|
井深(m)
|
温度(℃)
|
密度(g/cm3)
|
pH值
|
滴定分析
|
|||
|
碳酸根(mol/L)
|
碳酸氢根(mol/L)
|
变化量(mol/L)
|
分解率(%)
|
|||||
|
|
|
|
2.150
|
10.88
|
0.24
|
0.04
|
0
|
0
|
|
1
|
288
|
＜130
|
2.144
|
10.62
|
0.23
|
0.05
|
0.00
|
0.0
|
|
2
|
3195
|
134
|
2.142
|
10.63
|
0.22
|
0.05
|
-0.01
|
-0.1
|
|
3
|
3529
|
148
|
2.144
|
10.63
|
0.23
|
0.06
|
0.10
|
0.1
|
|
4
|
3839
|
160
|
2.138
|
10.59
|
0.22
|
0.06
|
0.00
|
0.0
|
|
5
|
4496
|
185
|
2.144
|
10.40
|
0.23
|
0.09
|
0.04
|
0.40
|
|
6
|
5198
|
222
|
2.148
|
9.98
|
0.23
|
0.22
|
0.17
|
1.7
|
从表3、4可看出，甲酸盐钻井液在高温高压下的分解率不会对甲酸盐钻井液性能造成大的影响。
2.3 甲酸盐钻井液润滑性研究进展
钻井液的润滑性已成为一个日益重要的因素。从实验研究结果(图3)可看出，甲酸盐钻井液具有很好的润滑性。
2.4 甲酸盐钻井液水力学性能
甲酸盐钻井液最大限度地降低了开泵时的瞬时峰压、起下钻时的抽汲激动压力和循环压力损失。Huldra A4井和A4ST井的循环当量密度比较见表5，甲酸盐水钻井液与常规钻井液典型水力学对比(图4)。
表5 ECD Huldra A4和A4ST侧钻表1)
|
排量(L/min)
|
ECD钻井液循环当量密度(g/cm3)
|
|
|
油基钻井液
|
甲酸盐
|
|
|
600
|
1.99
|
1.95
|
|
1000
|
2.00
|
1.95
|
注：1)静态当量密度为1.90g/cm3。
2.5 页岩稳定性
甲酸盐钻井液具有稳定页岩的作用：①甲酸盐钻井液滤液黏度高，水不易进入页岩；②低渗透页岩相当于半透膜，在高浓度的盐水体系中，其渗透压可使页岩孔隙中水反向流动，有利于井壁稳定。页岩回收率实验结果见表6。
表6 不同钻井液体系滚动回收率的对比表 %
|
钻井液类型
|
回收率
|
|||
|
10目
|
20目
|
40目
|
80目
|
|
|
蒸馏水
|
2.39
|
20.46
|
25.26
|
30.19
|
|
甲酸盐钻井液
|
46.83
|
60.08
|
70.12
|
73.13
|
|
K2SO4钻井液
|
39.36
|
55.17
|
61.19
|
66.27
|
|
正电胶钻井液
|
17.42
|
—
|
—
|
94.94
|
|
油基钻井液
|
86.46
|
—
|
—
|
93.72
|
甲酸盐钻井液的回收率相对较高，抑制性好于正电胶钻井液，但仍低于油基钻井液。
2.6 抗固相污染能力
测量了用赤铁矿加重到2.3g/cm3的甲酸盐钻井液的抗固相污染容限，实验结果如图5所示。
甲酸盐钻井液体系固相污染容限很高，比油基和假油基体系高很多，污染后性能稳定。
2.7 储层保护机理
1) 无固相加重剂，避免了有害固相损害储层。
2) 避免了二价盐离子与地层流体形成沉淀。
3) 可大幅度地减少结垢和乳化液堵塞。
4) 不含有润湿剂，消除了储层润湿性变化风险。
5) 滤饼薄且致密，可在较低的生产压差下解除。
3 现场应用
挪威北海Kvitebjorn气井的储层段采用甲酸盐钻井液[5]。将密度为2.20g/cm3的甲酸铯盐水与密度为1.57g/cm3的甲酸钾盐水相混合达到要求的密度为2.015g/cm3。具体配方与性能见表7。
表7 Kvitegjorn气田使用的甲酸盐钻井液配方与性能表
|
配方
|
加量
|
性能
|
|
CsFo(2.2g/cm3)
|
1228
|
密度(g/cm3)：2.015(50℃)
|
|
KFo(1.57g/cm3)
|
271
|
pH值：9～11
|
|
微纤维纤维素
|
54.5
|
塑性黏度(mPa·s)：＜20
|
|
聚丙烯酰胺
|
1.43
|
动切力(Pa)：＜15
|
|
改性淀粉
|
5.7
|
高温高压失水(mL)：＜7.5
|
在Kvitebjorn气井的Ø215.9mm储层段成功钻至总井深。该储层段(50%泥岩和50%砂岩)，用甲酸盐钻井液钻过大段泥岩夹层时，未发生井壁冲蚀，使用甲酸盐钻井液仅在煤层段发生井径扩大。
4 结束语
甲酸盐钻、完井液技术是一种解决我国西部地区山前构造带复杂深井钻井难题的有效技术，建议开展甲酸盐高密度无固相钻井液体系的应用研究和高密度无固相钻井液体系回收、密闭循环系统的研究，以实现上述地区高温、高压井的安全高效钻井。
参考文献
[1] 李丽，刘伟.甲酸铯钻井完井液的特性及应用[J].石油钻采工艺，2007，29(3)：91-94.
[2] 刘斌，徐金凤，蓝强，等.甲酸盐及其在钻井液中的应用[J].西部探矿工程，2007，27(12)：73-76.
[3] 黄达全，徐军献，周光正.甲酸盐钻井液体系的应用[J].钻井液与完井液，2003，20(2)：28-30.
[4] 陈乐亮，汪桂娟.甲酸盐基钻井液体系综述[J].钻井液与完井液，2003，20(1)：30-36.
[5] 夏建国，严新新.用高密度甲酸铯盐水完成大斜度井铂井、完井作业及其裸眼地层的评价[J].国外油田工程，2008，24(1)：30-40.
(本文作者：刘程1 李锐2 张光华1 黄桢3 1.西南石油大学；2.四川大学；3.中国石油西南油气田公司)
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