甲酸铯的用途

背景及概述^[1][2]

甲酸铯是一种棱形晶体。其可溶于热水。在水中加热至400℃时可生成草酸铯。制法：有少量水存在时，将CO₂作用于CsH(在完全没有水存在时，须先加热至54℃反应方可进行)，或用精制的碳酸铯与甲酸反应，用含有碳酸钠的碳酸铯与甲酸反应得甲酸盐，将多余的甲酸用再结晶法除去后，从加有乙醚的乙醇中结晶。还可将CsOH与CO在(6.08～101.3)×10⁴Pa压力下，加热到210℃而得。

结构

性能^[2-3]

甲酸铯钻井液具有甲酸钾和甲酸钠钻井完井液的一切优点，由于甲酸铯主要用于高温高压钻井中，主要从以下几个方面讨论其优异的性能。

1）避免固相颗粒沉淀　

在高密度常规钻井完井液中，固相颗粒如加重剂等容易发生沉降，尤其在定向井中最为严重。根据斯特克斯定律，25μm粒径的API重晶石将在20s内下沉2.54cm。将重晶石研磨至平均尺寸为1μm的颗粒，下沉2.54cm仅需要5.6h。45°井斜角的215.9mm井眼中，固相颗粒只需降落2.54-5.08cm就足以引起因密度差异而导致钻井液分层现象，只需沉降15.24cm左右就足够形成岩屑床，因为重晶石的沉降速率，将极易发生卡钻、井涌等井下复杂事故。而甲酸铯钻井完井液为无固相或低固相钻井液，因此可避免固相沉降，从而减少钻井中的循环时间、钻井液处理时间和预防发生严重井控事故。

2）水力性能优良　

传统钻井液用固体作增黏剂(如膨润土)和加重剂(如重晶石)。高固相钻井液在小井眼中循环时，引起高摩擦压力损耗，导致低水力动力传到井下钻井液马达，在狭窄的环形空间中，造成了高等效循环密度和高的抽汲波动压力。而高密度甲酸铯钻完井液在高温下，与黄原胶增黏剂相配合，不需要使用膨润土，黄原胶的剪切稀释性和固相的减少使甲酸盐钻井液成为达到低摩擦压力损耗的选择。等量循环密度(ECD)常用来衡量高密度钻井液性能的好坏。

挪威HuldraA4使用OBM(油基钻井液)钻进储层时发生重晶石沉降，因此侧钻井A4ST将OBM转换成了甲酸铯钻井液，顺利完钻。钻井中发现当等量钻井液密度为1.90g/cm3、泵排量为600L/min时甲酸铯钻井液的ECD为1.95g/cm3，而OBM的ECD为1.99g/cm3；泵排量为1000L/min时甲酸铯钻井液的ECD为1.96g/cm3，而OBM的ECD为2.00g/cm3，由于甲酸铯钻井完井液具有更小的ECD，更好地满足了钻井要求。

3）优异的流变性　

利用加重剂加重的常规高密度完井液体系中固相含量高，静止时凝胶强度高，开泵时要求高泵压，易引起高波动压力，而对于密度窗口狭窄的井段，可能导致钻井液破胶时压力超过破裂压力而增加井涌和漏失的危险。停泵时，常规钻井液体系维持井浆密度的能力弱，加重剂容易发生沉降导致钻井液密度波动极大，增加了井下复杂事故发生的可能性。甲酸铯流体没有加重剂和固相小颗粒，凝胶强度低，开泵容易，使得拆散结构时，瞬时压力峰值低，因此压力波动小，易于维持井眼稳定。

用途^[2]

甲酸铯溶液(例如甲酸铯盐水(brine))是高密度、低粘度的清澈盐水，其作为在井和储集层中的油气田收取操作中的钻探流体、完井液、干预流体和悬浮流体是相当有用的。甲酸铯在HPHT(高压高温)的钻探位置中是相当有用的。自从1999年甲酸铯投入使用后，甲酸铯钻井液已在21个油田的100口高温高压井中得到应用，通过了严格的油气田现场测试：密度能达到2.30g/cm3，使用温度达到215℃，井底使用时间能长达18个月，能应用于大斜度井和水平井中以及地层渗透率范围从不到1×10-3μm2变化到2μm2的油、气和凝析油藏中。

1）用于射孔作业中

1999年9月在英国海上油田首次在高温高压油气井中使用甲酸铯，ShellUK公司在井底温度为185℃的高压井中用密度为1.8g/cm3射孔液进行了成功射孔业。1个月后，TotalUK公司又应用密度为1.9g/cm3甲酸铯盐液作为邓巴油田高温高压完井液，并在接下来的7口井中使用密度为2.19g/cm3的甲酸铯液作为完井液和修井液。1999-2005年，Total公司在Dunbar、Elgin、Franclin和Glenelg油田24次应用甲酸铯液作为高温高压完井液。

挪威Visund油田于1999年投产，地质复杂，地层渗透率值为(300～3000)×10-3μm2，地层压力44MPa，地层温度115℃。使用油基钻井液时，由于过平衡压差高和钻井周期长，导致钻井液侵入地层深。刚开始的几口井都是使用标准导向射孔系统和镀锌射孔弹，射孔液密度为1.65g/cm3的CaCl2/CaBr2盐液。当油气井投入生产后，由于卤盐同地层水相容性很差，且射孔弹的副产物—锌粉同CaCl2/CaBr2相互间作用，破坏了钻井液体系，对储层造成了严重损害，这些井的产量同预期相比大幅度降低。为此，在5口新开井中利用甲酸铯加重的低固相油基体系替代CaCl2/CaBr2盐液在欠平衡条件下钻进和射孔，与以前使用CaCl2/CaBr2的井的产油指数600～900m3/(d·MPa)相比，新开发井的产油指数为3000～9000m3/(d·MPa)，可以看出甲酸铯能较好地保护储层。

英国Marathon油田公司2003年5月在16/3b-8z井用甲酸铯作为完井液。该高压气井在1985年钻成，1995年加深和测试。于流量测试结果，预计产量为1.05×105m3/d。在二次射孔后，密度为1.85g/cm3的甲酸铯射孔液中仅2.23m3漏入地层，在短短2h的洗井后，产量达1.05×105m3/d。2004年1月，产量为2.07×105m3/d，高于预计产量，证明甲酸铯完井液对储层无伤害，能很好地保护油气层。

2）用于钻井作业中

挪威Huldra气藏是Statoil公司开发的北海地区挪威区块，储层井段压力为67.5MPa，温度150℃，且储层段的地层孔隙压力和破裂压力差值较小。Huldra气藏中含有3%～4%CO2，9～14mg/LH2S，储层段井斜为45～55℃，使用300μm筛管完井。该油田第1口生产井使用油基钻井液，当使用防砂筛管时发生严重井涌。主要原因是在下钻通井中，因为重晶石沉降导致钻井液密度降低从而引起井涌。

与油基钻井液相比，甲酸盐钻井液突出的优点为：无固相沉降的危险，低ECD，减少了筛管堵塞的危险，碳酸钙易被酸化，气体溶解率低，环境友好，热稳定性好，因此在随后井开发中都选用了甲酸铯盐钻完井液。该井的渗透率恢复试验表明，恢复率在36%～70%之间，使用有机酸消除残留滤饼后能恢复岩心渗透率至原始状态，较好地保护了储层。

Statoil公司在Huldra气藏6口钻完井中都使用了甲酸铯液。Kvitegjor气藏是北海地区挪威区块上的另一个高温高压凝析气藏，井底温度为145℃。在2004至2005年，已使用2.02g/cm3甲酸铯液钻进多口高压高温油气井储层，钻进中ECD很低。其中A-04井是Kvitebjorn油田的第1口井，利用甲酸铯液取心后测井成功。缝宽为300μm防砂筛管在从甲酸铯钻井液转换成完井液过程中没发生任何事故。钻井过程中，甲酸铯钻井液损失为28.5m3。为取心等有8次全程起下钻，共漏失钻井液7.56m3。在Kvitebjorn气藏的第2口井A-05井中，漏失钻井液30.07m3，少于估量值36m3，中间有7次全程起下钻，漏失钻井液3.02m3。充分说明了使用甲酸铯钻井液时，井内波动压力低，密度窗口有一定扩展，有利于控制钻井液的漏失。

3）在陆地油田的应用

在2005年11月，匈牙利MOL公司应用1.86g/cm3甲酸铯液作为射孔液和压裂液在Vetyem-1气井中使用，这也是甲酸铯液次在陆上高温高压井中的使用。

主要参考资料

[1] 化合物词典

[2] 甲酸铯钻井完井液的特性及应用

[3] 甲酸铯钻、完井液的特性与应用