甲酸铯的应用

背景及概述

甲酸铯是一种稀有金属盐，其水溶液密度高，晶体结构特殊，在国外主要应用于无黏土相高密度钻井液中，尤其是在高温高压钻井作业中，其优势更为明显：甲酸铯的低固相或无固相钻井液具有黏度低、热稳定性好、无腐蚀性、无储层损害、环境影响低等特点；能有效提高机械钻速速度，减少钻进过程的风险，避免额外的井控措施，减少流程检查，保持了井底清洁；大大提高了勘探、开发综合经济效益。1999年被应用以来，已经有超过220口高温高压井成功使用甲酸铯钻井液和完井液，但在我国还尚未见到关于甲酸铯钻井液体系研究和现场应用的报道。为了研制甲酸铯钻井液体系，对甲酸铯盐水与钻井液中常用的增黏剂、降滤失剂进行了配伍性实验，以期优选出适合在甲酸铯盐水钻井液中使用的处理剂。

甲酸铯理化性能

铯为是一种熔点为28.5oC的浅黄色稀有金属。铯在所有稳定金属中正电性最强。在世界所有金属中，铯含量排第29位。铯的原子量为132.9，原子序数为55。甲酸铯盐水是甲酸的碱金属盐类的水溶液。甲酸铯易溶于水，甲酸铯溶液是一种外观如水状的液体，在甲酸铯的饱和溶液中，密度可达2.367g/cm 3 ，甲酸铯的含量大约在82%左右。溶解后具有较高的密度和较低的结晶温度。在其密度高达2.4g/cm 3 的情况下可以完全保持甲酸铯盐水的各种物理和化学性能。其甲酸的阴离子同时也是一种抗氧化剂（还原剂），可以快速清除自由的氢氧基团。这意味着，甲酸盐可为防止诸如水溶性聚合物等热敏性溶质在高温下发生氧化降解提供可靠的防护作用。甲酸盐常见的有甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯，他们的水溶液可以配置钻井和完井作业中所需的各种密度，密度范围为1.0g/ml—2.3g/ml。

图1 甲酸铯性状图

甲酸铯钻井液室内实验

1 甲酸铯钻井液室内实验配制程序^[1]

(1)按确定的配方，称量各种处理剂。

(2)每次配制量为4bbl（4*350ml）或8bbl（8*350ml）。混合时，应使用高剪切搅拌器。盐水（甲酸钾和甲酸铯）在1500rpm转速混合搅拌10min后，将搅拌转速提高至6000rpm，依次缓慢的加入各种添加剂，每间隔5min加一种处理剂，在45min内加完，碳酸钙须在最后3min内添加。

(3)混合时温度不得超过66℃，若混合时温度超过45℃，用水浴冷却。

(4)尽量避免在热滚之前加入消泡剂，若绝对必要，使用1-2滴即可。

(5)热滚实验。

2 甲酸铯钻井液性能测试方法

(1)密度的测试：含有空气的钻井液密度用加压钻井液密度计精确测定。

(2)流变性：测试温度120℉。10s,10min静切力必须记录3 r/min的值。

(3)高温高压滤失量的测定：温度应与热滚温度一致。如果测量温度超过350℉，须同时使用玻璃纤维纸与标准滤纸。实验温度在149℃（300℉）以下，上端压力为600psi，底端回压为100psi，压差为500psi（3447kPa）；实验温度为149～232℃（300～450℉），以大于蒸汽压力为原则，压差均为500psi（3447kPa）。如测试温度为200℃时，最低回压为275psi（1896 kPa），上端压力为775psi（5343kPa）。

(4)pH值的测定：取5ml钻井液用45ml去离子水稀释，测量稀释液的pH值。

3.甲酸铯与各种处理剂的相容性和配伍性实验方法

(1)考察甲酸铯/钾盐水溶液与各种处理剂的相容性和配伍性。试验方法为：用2.20g/cm 3 的甲酸铯与1.56g/cm 3 甲酸钾配制成不同密度的水溶液，加入不同量处理剂，测其基本性能，粘度和滤失情况，并且检测其抗高温的能力。配制甲酸铯/钾盐水溶液的密度为1.50g/cm 3 、2.00g/cm 3 和2.20g/cm 3 。

(2)考察甲酸铯/钾盐钻井液体系中各种处理剂的相容性和配伍性。甲酸铯/钾盐钻井液的密度2.00g/cm 3 。

(3)所有为试验配制的甲酸铯/钾盐钻井液体积以350ml为计量。

黄原胶是钻井液和完井液中常用的增黏剂，是具有“五糖重复单元”的结构聚合体，黄原胶特殊分子结构使其不仅具有良好的增黏作用还具有独特的流变性和剪切稀释性能，故其在钻井液中有着广泛的应用。以 XCTD 为研究对象，在密度分别为1．50g／cm 3 、2．00g／cm 3 、2．20g／cm 3 的甲酸铯盐水中加入XCTD 配制成不同浓度的溶液并对其性能进行评价。不同密度的甲酸铯盐水溶液的表观黏度、塑性黏度、动切力、初切力、终切力都随 XCTD含量的增加而增大；在相同 XCTD 含量下，溶液流变性能（表观黏度、塑性黏度、动切力）随着甲酸铯密度的增加而增大，说明 XCTD 在甲酸铯盐水中起到提黏、提高动塑比、提高初切力和终切力的作用。在不同密度的甲酸铯盐水中添加同量的 XCTD，溶液 API 滤失量随着甲酸铯盐水密度的增加而降低。

结论

(1)全面掌握了甲酸铯盐水物理化学性质。

(2)研究出以国外处理剂为主的抗150℃，密度为1.9g/cm 3 的钻井液配方。钻井液性能满足南海地区高温高压井钻、完井需求。同时考察了不同温度、不同老化时间的热稳定性。在热滚48h后，在高温下再静置7天，钻井液性能稳定。

(3)研究出以国内处理剂为主的抗150℃，密度为1.9g/cm 3 甲酸铯/钾钻井液和完井液配方。配合国内处理剂，钻井液和完井液的性能满足南海地区高温高压井钻、完井要求。

参考文献

[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．