背景及概述

甲酸銫是一種稀有金屬鹽，其水溶液密度高，晶體結(jié)構(gòu)特殊，在國(guó)外主要應(yīng)用于無(wú)黏土相高密度鉆井液中，尤其是在高溫高壓鉆井作業(yè)中，其優(yōu)勢(shì)更為明顯：甲酸銫的低固相或無(wú)固相鉆井液具有黏度低、熱穩(wěn)定性好、無(wú)腐蝕性、無(wú)儲(chǔ)層損害、環(huán)境影響低等特點(diǎn)；能有效提高機(jī)械鉆速速度，減少鉆進(jìn)過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)，避免額外的井控措施，減少流程檢查，保持了井底清潔；大大提高了勘探、開(kāi)發(fā)綜合經(jīng)濟(jì)效益。1999年被應(yīng)用以來(lái)，已經(jīng)有超過(guò)220口高溫高壓井成功使用甲酸銫鉆井液和完井液，但在我國(guó)還尚未見(jiàn)到關(guān)于甲酸銫鉆井液體系研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的報(bào)道。為了研制甲酸銫鉆井液體系，對(duì)甲酸銫鹽水與鉆井液中常用的增黏劑、降濾失劑進(jìn)行了配伍性實(shí)驗(yàn)，以期優(yōu)選出適合在甲酸銫鹽水鉆井液中使用的處理劑。

甲酸銫理化性能

銫為是一種熔點(diǎn)為28.5oC的淺黃色稀有金屬。銫在所有穩(wěn)定金屬中正電性最強(qiáng)。在世界所有金屬中，銫含量排第29位。銫的原子量為132.9，原子序數(shù)為55。甲酸銫鹽水是甲酸的堿金屬鹽類的水溶液。甲酸銫易溶于水，甲酸銫溶液是一種外觀如水狀的液體，在甲酸銫的飽和溶液中，密度可達(dá)2.367g/cm 3 ，甲酸銫的含量大約在82%左右。溶解后具有較高的密度和較低的結(jié)晶溫度。在其密度高達(dá)2.4g/cm 3 的情況下可以完全保持甲酸銫鹽水的各種物理和化學(xué)性能。其甲酸的陰離子同時(shí)也是一種抗氧化劑（還原劑），可以快速清除自由的氫氧基團(tuán)。這意味著，甲酸鹽可為防止諸如水溶性聚合物等熱敏性溶質(zhì)在高溫下發(fā)生氧化降解提供可靠的防護(hù)作用。甲酸鹽常見(jiàn)的有甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫，他們的水溶液可以配置鉆井和完井作業(yè)中所需的各種密度，密度范圍為1.0g/ml—2.3g/ml。

圖1 甲酸銫性狀圖

甲酸銫鉆井液室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1 甲酸銫鉆井液室內(nèi)實(shí)驗(yàn)配制程序^[1]

(1)按確定的配方，稱量各種處理劑。

(2)每次配制量為4bbl（4*350ml）或8bbl（8*350ml）?；旌蠒r(shí)，應(yīng)使用高剪切攪拌器。鹽水（甲酸鉀和甲酸銫）在1500rpm轉(zhuǎn)速混合攪拌10min后，將攪拌轉(zhuǎn)速提高至6000rpm，依次緩慢的加入各種添加劑，每間隔5min加一種處理劑，在45min內(nèi)加完，碳酸鈣須在最后3min內(nèi)添加。

(3)混合時(shí)溫度不得超過(guò)66℃，若混合時(shí)溫度超過(guò)45℃，用水浴冷卻。

(4)盡量避免在熱滾之前加入消泡劑，若絕對(duì)必要，使用1-2滴即可。

(5)熱滾實(shí)驗(yàn)。

2 甲酸銫鉆井液性能測(cè)試方法

(1)密度的測(cè)試：含有空氣的鉆井液密度用加壓鉆井液密度計(jì)精確測(cè)定。

(2)流變性：測(cè)試溫度120℉。10s,10min靜切力必須記錄3 r/min的值。

(3)高溫高壓濾失量的測(cè)定：溫度應(yīng)與熱滾溫度一致。如果測(cè)量溫度超過(guò)350℉，須同時(shí)使用玻璃纖維紙與標(biāo)準(zhǔn)濾紙。實(shí)驗(yàn)溫度在149℃（300℉）以下，上端壓力為600psi，底端回壓為100psi，壓差為500psi（3447kPa）；實(shí)驗(yàn)溫度為149～232℃（300～450℉），以大于蒸汽壓力為原則，壓差均為500psi（3447kPa）。如測(cè)試溫度為200℃時(shí)，最低回壓為275psi（1896 kPa），上端壓力為775psi（5343kPa）。

(4)pH值的測(cè)定：取5ml鉆井液用45ml去離子水稀釋，測(cè)量稀釋液的pH值。

3.甲酸銫與各種處理劑的相容性和配伍性實(shí)驗(yàn)方法

(1)考察甲酸銫/鉀鹽水溶液與各種處理劑的相容性和配伍性。試驗(yàn)方法為：用2.20g/cm 3 的甲酸銫與1.56g/cm 3 甲酸鉀配制成不同密度的水溶液，加入不同量處理劑，測(cè)其基本性能，粘度和濾失情況，并且檢測(cè)其抗高溫的能力。配制甲酸銫/鉀鹽水溶液的密度為1.50g/cm 3 、2.00g/cm 3 和2.20g/cm 3 。

(2)考察甲酸銫/鉀鹽鉆井液體系中各種處理劑的相容性和配伍性。甲酸銫/鉀鹽鉆井液的密度2.00g/cm 3 。

(3)所有為試驗(yàn)配制的甲酸銫/鉀鹽鉆井液體積以350ml為計(jì)量。

黃原膠是鉆井液和完井液中常用的增黏劑，是具有“五糖重復(fù)單元”的結(jié)構(gòu)聚合體，黃原膠特殊分子結(jié)構(gòu)使其不僅具有良好的增黏作用還具有獨(dú)特的流變性和剪切稀釋性能，故其在鉆井液中有著廣泛的應(yīng)用。以 XCTD 為研究對(duì)象，在密度分別為1．50g／cm 3 、2．00g／cm 3 、2．20g／cm 3 的甲酸銫鹽水中加入XCTD 配制成不同濃度的溶液并對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。不同密度的甲酸銫鹽水溶液的表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力、初切力、終切力都隨 XCTD含量的增加而增大；在相同 XCTD 含量下，溶液流變性能（表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力）隨著甲酸銫密度的增加而增大，說(shuō)明 XCTD 在甲酸銫鹽水中起到提黏、提高動(dòng)塑比、提高初切力和終切力的作用。在不同密度的甲酸銫鹽水中添加同量的 XCTD，溶液 API 濾失量隨著甲酸銫鹽水密度的增加而降低。

結(jié)論

(1)全面掌握了甲酸銫鹽水物理化學(xué)性質(zhì)。

(2)研究出以國(guó)外處理劑為主的抗150℃，密度為1.9g/cm 3 的鉆井液配方。鉆井液性能滿足南海地區(qū)高溫高壓井鉆、完井需求。同時(shí)考察了不同溫度、不同老化時(shí)間的熱穩(wěn)定性。在熱滾48h后，在高溫下再靜置7天，鉆井液性能穩(wěn)定。

(3)研究出以國(guó)內(nèi)處理劑為主的抗150℃，密度為1.9g/cm 3 甲酸銫/鉀鉆井液和完井液配方。配合國(guó)內(nèi)處理劑，鉆井液和完井液的性能滿足南海地區(qū)高溫高壓井鉆、完井要求。

參考文獻(xiàn)

[1] Bungert D?Maikranz S?Sundermann R?et al．The evolution and application of formate brines in high-temperature／high-pressure operations［R］．IADC／SPE59191?2000．