石蜡纳米乳液钻井液技术在水平井中的应用.pdf

第 2 7卷 第 4期 2 0 1 0年 7月 钻井液与完并液 DRI LLI N G FLUI D COM PLETI ON FLUI D 、 b1 ． 2 7 NO． 4 J ul y 2 01 0 文章 编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 0 0 4 ， 0 0 8 7 ． 0 3 石蜡纳米乳液钻井液技术在水平井中的应用 陈军 ， 王学军 ， 高远鹏 ， 张洁 1 ． 江苏石油勘探局安徽公司，安徽天长 ； 2 ． 中国石油集团钻井T程技术研究院，北京 摘要 石蜡纳米乳液与阳离子乳液聚合物、复合金属离子、正 电胶等钻井液复配使用，具有很好的润滑性能 和防塌性能。分析了石蜡纳米乳液的作用机理 ，介绍 了3种钻井液体系的配方及性能特点、现场维护处理措施和 应用效果。在水平井钻井液 中，用石蜡纳米乳液取代原油作为润滑剂，解决了江苏油田水网地 区环境污染问题。 以复合金属离子 P MC A一 2为主剂的阳离子乳液聚合物钻井液，能够克服钻井液失水控制难、中后期动切力不易控 制的难题，同时提高了膨润土的容量限 ； 使用正电胶后，可提高钻井液的动塑比和触变性，解决水平井井眼净化、 井壁稳定 和润滑 防卡的技 术难题。在 江苏 油田 W2 P 3和 W2 P 4井的应用过 程 中，井壁 稳定 ，润滑 性能 良好 ，井下 未 出现 遇阻 、遇卡等井下复杂情况 ，井眼净化满足井下施工要求 ，保 证 了两 口水平井 的顺利施工 。 关键词水平 井 ；阳离子乳液聚合物 ； 乳化 石蜡 ； 井眼稳定 ；防止地层损害 ； 环境保 护 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识 码 A 石蜡纳米乳液在江苏油 田各 区块探井及定 向井 尤其是探井 中应用都取得 了较好 的效果 ，由于石 蜡纳米乳液和有机硅醇防塌剂的荧光级别低 ，满足 地质录井要求 ，减少 了地质循环时间 [ 1 J 。江苏油 田 地处水 网地带 ，过去水平井采用原油作为润滑剂 ， 环境污染严重 ，应用石蜡纳米乳液在 G6 P 3和 G6 P 4 井替代部分原油 ，在 W2 P 3和 W2 P 4井完全取代原 油 ，均取得 了成功 。同时 ，在水平井 中，石蜡纳米 乳液还能很好地保护油气层 ，避免水平井长裸 眼的 油层井段 因浸泡时间长而被损害。因此 ，石蜡纳米 乳液具有很好 的应用前景 。 1 石蜡纳米乳液配套 钻井液及作用机理 1 石 蜡纳米乳液 配套钻井 液包括 以下几 种 ① 阳离子乳液钻井液 1 配方 具有很强 的抑制性 、 较好的润滑性能 、流变性能和触变性 ，能满足三垛 组地层及易造浆地层的需要 ，且该钻井液对固相含 量 、固控设备及钻井液维护的要求均较高。为保证 钻井液稳定 ，要求钻井 液 p H值 控制在 8 ． 5 ～1 0范 围内。但在现场应用中， 前期 的滤失量控制较困难 ， 中后期 随药品浓度的增加 ，钻井液 的动切力 、初终 切力均有所 下降，不易调整。②复合金属离子 ． 阳 离子乳 液聚合物钻井液 2 配方 以 P MC A 一 2作为主 处 理剂 ，并 以 DS 一 3 0 1 作 为 絮凝包 被剂 和抑制剂 ， 石蜡纳米乳液作为润滑剂 ，克服 了前期钻井液 的滤 失量控制难 、中后期动切力不易控制的难题 ，且提 高 了膨润土容量限。 ③正 电胶一 阳离子乳液聚合物润 滑 防塌钻井液 3 配方 充分应用 了悬浮乳液钻井液 良好的抑制润滑防塌性能，配加一定量的固体类防 塌剂及封堵材料 ，能改善液体防塌剂的不足 ，增强 钻井液 的封堵能力并改善泥饼质量 、 阻止压力传递 、 提高井壁稳定性。同时利用有机硅醇 防塌剂在井壁 、 岩屑及钻具表面吸附形成油膜 ，同石蜡纳米乳液一 起起到润滑作用。在该钻井液 中配加正电胶 ，除了 能提高整个体系的抑制作用外 ，还能调整该钻井液 的流变性能 ，提高钻井液的动塑 比和触变性 ，满足 水平井和大斜度井 的携岩要求 ，解决 了井 眼净化、 井壁稳定和润滑防卡的难题。3 种钻井液配方如下。 1 3 ％～4 ％ 膨 润 土 0 ． 1 5 ％～0 ． 2 ％ DS 一 3 0 1 阳离子乳液聚合物 O ．5 ％～0 ．8 ％ N H 一 P A N 1 ． 0 ％ ～ 1 ． 5 ％ DS 一 3 0 2有 机 硅 醇 1 ． 5 ％～2 ． 0 ％ 乳 化 石 蜡R HJ ． 1 1 ％～2 ％ QS 一 4 Na OH 基金项 目 中石化江苏石油勘探局项目 “ 石蜡纳米乳液钻井液技术的推广应用” J T 0 8 0 0 7 。 第一作者简介 陈军，1 9 8 2年生，2 0 0 6 年毕业于长江大学应用化学专业，现在从事钻井液技术研究及现场钻井液技术 管理工作。地址 安徽省天长市汉涧镇石油处 ；邮政编码 2 9 3 1 2 1；电话 1 3 7 0 5 5 0 6 8 1 2； E ma i l c j s k y 0 9 1 0 1 6 3 ．c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 7月 2 5 ％～6 ％ 膨 润土 0 ． 2 ％～0 _ 3 0／ o P MC A． 2 0 ． 1 ％ ～0 ． 1 5 ％ DS - 3 0 1 斗 0 ． 3 ％～ 0 ． 6 ％ NH 一 HP AN 1 ． 0 ％～1 ． 5 ％ DS 一 3 0 2 ／ F M一 2 1 ． 5 ％～2 ． 0 ％ RHJ - l 1 ％～2 QS 一 4 Na O H 3 3 ％～ 4 ％ 膨 润 土 0 ． 2 ％～0 ． 3 ％ MMF ． Ⅲ 0 ． 1 5 ％～0 ． 2 ％ DS ． 3 0 1 0 ． 3 ％40 ． 6 ％ NH ． P AN 1 ． 0 ％ ～1 ． 5 ％ DS 一 3 0 2 1 ． 0 ％ ～ 1 ． 5 ％ F M ． 2 1 ． 5 ％～2 ． 0 ％ RHJ 一 1 1 ％～2 0／ o QS 一 4 Na O H C a C O 3 2石蜡纳米乳液 的作用机理。①抑制黏土运 移。当纳米乳液和黏土接触时 ，阳离子表面活性剂 中起活性作用的阳离子和非离子表面活性剂的亲水 基可吸附在黏土表面，中和黏土表面的负电性，排 斥具有较厚水化膜的层问阳离子 ，而且这种吸附可 使黏土表面的亲水亲油性发生改变，有时甚至反转 为亲油表面。② 油膜的形成。随着温度的升高 ，纳 米乳液在油水界面的吸附量降低 ，当温度升到一定 程度后 ，乳液开始破乳 ，原先已经优先吸附在井壁 上 的乳化石蜡由于含有大量的有机质 ，这些有机质 由于表面活性剂在储层孑 L 隙壁上的吸附作用 ，以及 水力和其它因素 ， 在井底条件下容易发生聚并成带 ， 并在井壁上形成油膜 ，极大地阻止水的侵入 ，从而 降低黏土颗粒的运移 ， 而且能够起到油层保护作用 ， 特别是在低渗油气藏 中的应用效果更为突出。③变 形挤入及粒度匹配。由于纳米乳液粒度很小 ，很容 易挤入一些纳米级 的孑 L 喉中，在孔喉中形成典型的 架桥封堵 ，而且乳液的粒度基本与低渗和超低渗油 田的一般孔 隙尺寸分布相 同，所 以封堵更为有效。 ④ 易返排。由于纳米乳液是水包油型乳状液 ，它不 存在乳液堵塞的风险，通过返排作用能够很容易清 除钻井后残余在储层的乳化液。同时由于纳米乳液 的润滑性极佳，其封堵作用仅是暂时性的，和孔喉 的摩擦系数较低 ，极易清除，不会对油层造成伤害。 3石蜡纳米乳液配套钻井液 的现场维护措施。 ①在三垛组地层用阳离子乳液聚合物转型时，控制 钻井液的膨润土含量在 3 ． 5 ％～4 ． 5 ％之 间 J ，防止 膨润土含量过高 ，转型时发生黏度高 、甚至絮凝分 层的现象。转型时，可先加水稀释 ，降低钻井液膨 润土含量 ， 再配成浓度为 0 ． 6 ％～ 1 ． 2 5 ％的溶液加入 ， 在 1 ～2个循环周内转型成功。②转 型成功后可加 入 0 ． 5 ％～0 ． 8 ％ 的 NH 一 P A N进行降滤失处理 ，在三 垛组地层钻进过程中，要及时补充 阳离子乳液聚合 物和降滤失剂 ，增强钻井液抑制剂的包被性能，控 制钻井液的膨 润土含量 ，使用好固控设备 ，特别是 提高离心机的使用效率。由于聚合物为正电性 ，开 始时降滤失困难 ，可补充一定量的超细碳酸钙来改 善泥饼质量 。③在戴南组地层加入防塌剂 DS ． 3 0 2 和 R H J ． 1 时，要以细水长流方式加入 ， 在罐面滴加 ， 保证钻井液性能的稳定 ，防止出现黏度过高或过低 的现象。在膨润土含量高时 ，加入 R H J ． 1 会引起黏 度 上升，而加 入 DS 一 3 0 2时会引起 黏度 降低 ，所 以 加入方式不对 ，都会引起钻井液性能的不稳定。④ 在钻进过程 巾，每 1 0 0 i n可加人一定的沥青类 固体 防塌剂 ，超细碳酸钙配合有机硅醇类防塌剂使用， 改善泥饼质量 ，同时减小黏附卡钻的几率 [ 2 ] 。⑤严 格控制好钻井液中阳离子聚合物的含量 ，过高时 ， 会出现钻井液黏度过低 、流变性能不好控制、携岩 能力差 、对井壁冲刷严重 的问题。可以加入一定量 的0 ． 1 ％～0 ． 2 ％复合金属离子 ， 在水平井 中改用0 ． 2 ％ 的正 电胶 ，可 以提 高钻井液 的携 岩能力 ，保证钻 井液的井 眼净化能力。⑥控制好钻井液中的 C a ， Mg 含量 ，维持钻井液 p H值为 8 ～ l 0 ，保证钻井 液性能的稳定。⑦在水平井滑动钻进过程中，尽量 避免加重或加人 固相类物质 ，防止因加入得不均匀 而导致在大斜度井段的固相含量高，这样容易形成 岩屑床，导致摩阻增大，使钻进困难。⑧在大斜度 及水平段滑动钻进过程中，因进尺慢 ，保持钻井液 的紊流流态更有利于携带岩屑 _ 3 】 。如遇摩阻大时应 及时活动钻具或短程起下钻循环，保证岩屑床及时 地破坏并被带出，必要时可用黏度大的钻井液清洗 井眼。⑨在水平井段复合钻进过程中，进尺快，岩 屑浓度高。因此必须调整钻井液性能 ，提高钻井液 的动塑比，增加钻井液的黏度 ，保证钻井液的携岩 能 力 2 现 场应 用 w 区块 W2 P 1 井采用正电胶混原油润滑防塌钻 井液 ，完钻井深为 2 0 0 8 1 T I ，钻井周期为 6 0 8 h ，平 均机械钻速 为 6 ． 5 8 m／ h； W2 P 2井完钻井深 为1 9 3 8 m，钻井周期为 6 5 7 h ，平均机械钻速为 6 ． 2 7 m／ h 。 2 ． 1 W2 P3 井 W2 P 3井是悬浮乳液钻井液首次成 功应用于水 平井 的第一 口井 ，该井完钻井深为 2 0 0 9 1 T I ，完井 周期为 4 3 7 h ，平均机械钻速为 1 0 ． 0 8 m／ h ，创该 区 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 4期 陈军等 石蜡 纳米乳液钻 井液技术在水平井中的应用 8 9 块钻井周期最短及平均机械钻速最快纪录。在施工 过程 中井壁稳定 ，起下钻顺利 ，滑动钻进过程 中摩 阻小 、钻时快 。钻井液 的性能见表 1 。从表 1 可 以 看出 ，随着井深的增加 ，钻井液 的动塑 比、动切力 和塑性黏度都在增加 ，在 1 2 3 6 ～ 1 5 5 0 1 1 1 大斜度井 段进入水平段之前 ，滑动钻进多 ，既要保持较好 的 流变性 ，又要维持较好的携岩能力 ，因此钻井液黏 度维持较低 ，而动塑 比也维持在较合理 的范 围，保 持钻井液紊流流态更有利于携带岩屑 ； 钻井液 的滤 失量随着井深的变化逐渐 降低 ，但在井深 1 1 0 0 m 之前的井段 ，钻井液的滤失量较大 ，控制较难 ； 随 着石蜡纳米乳液及有机硅醇的加入 ，滤失量下 降很 快。在进入油层时 ， 钻井液的滤失量都控制得较低 ， 这是因为在上部井段使用 阳离子乳液聚合物 ，其抑 制能力强 、亚微米粒子含量低等原因导致滤失量难 控制。随着井斜的增大和进人水平井段 ，逐步将乳 化石蜡加量增大到 3 ％，有机硅醇加量增大到 2 ％， 有利于形成 良好 的滤饼 ，降低钻井液的滤失量。 表 1 W2 P 3井钻井液性能 段 ／D | F v|P v| P | F L ／ m g ／ c m S mPa S Pa mL 1 20 0 1 3 00 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 00 1 7 0 0 l 8 0 0 1 9 0 0 井 深／ m 1 钻井液塑性黏度及动切力变化情况 图 2 钻井液动塑 比性能 2 ． 3 存在的问题 ①石蜡纳米乳液钻井液在使用过程 中易起泡。 且大部分为表面起泡 ，消泡困难。在使用过程 中， 前期起泡用 XP J ． Ⅱ能很好地消泡 ，但在后期随着乳 化石蜡含量 的增加 ，消泡困难 ，对仪器信号的传输 带来一定 的影 响。②在使用过程中 ， 上部为直井段 ， 对润滑性能要求不高 ，乳化石蜡加量少 ，且 因使用 了抑制性强的 DS 一 3 0 1 ， 导致钻井液滤失量控制较难。 1 1 0 0～ 1 3 00 1 ． 1 1 ～ 1 ． 1 4 3 6～ 45 l 1～ 1 2 3 ． 07～ 3 ． 5 8 4 ． 8～ 5 ． 6 1 3 0 o ～1 5 o 0 1 ．1 3 ～1 ． 1 4 4 0 ～ 4 6 1 6 ～1 7 4 ．6 0 ～7 ．6 7 4 ．0 ～ 4 ．4 3 结论 与认 识 1 50 0～ 1 6 00 1 ． 1 5～ 1 ． 1 6 4 3～ 46 1 7～ 1 8 7 ． 1 5～ 8 ． 0 8 4． 0～ 4． 0 1 60 0～ 1 7 00 1 ． 0 8～ 1 ． 2l 4 2～ 7 5 1 7～ 2 3 6 ． 1 3～ 1 0 ． 73 3 ． 4～ 4． 0 1 7 0 0～ 1 8 00 1 ． 1 1 ～ 1 -2 0 4 6～ 7 4 1 9～ 2 2 7 ． 6 7～ 1 0 ． 2 2 3 ． 6～ 4． 0 1 8 00～ 1 9 00 1 ． 1 2～ 1 ． 1 9 4 7～ 7 8 1 9～ 2 4 9 ． 2 0～ 1 0- 2 2 3 ． 6～ 4． 0 1 90 0～ 2 0 09 1 ． 0 3～ 1 ． 2 2 47～ 7 5 1 8～ 22 8 ． 6 9～ 1 5 _ 3 3 3 ． 2～ 4． O 2 ． 2 W 2 P 4 井 W2 P 4井是 W2 P 3井 的一 口整拖丛式井 ，该井 完钻井深为 1 8 8 8 1 1 1 ，完井周期为 5 1 1 h ，平均机械 钻速为 7 ． 9 1 m／ h 。该井也使 用 了悬 浮乳液钻井液 ， 钻井过程顺利 、井下安全。在井身轨迹控制过程 中 变方位 ，调整井斜 ，在水平段找油层时轨迹不断调 整 ，给井身轨迹控制带来 了一定的难度 ，导致该井 滑动钻进 比例增大 ，更容易形成岩屑床 ，给井眼清 洁带来难度 。因此该井在大斜度井段和水平井段施 工过程 中，与 W2 P 3井相 比，钻井液的动塑比维持 在较高 的范围。钻井液 的性 能变化情况如 图 1 和图 2所示 1 ． 石蜡纳米乳液钻井液在水平井应用过程中钻 井液总耗量少 、性能稳定 、维护简单 ，避免 了钻井 液的大调整 ， 但应在不 同的井段使用不 同的钻井液 ， 并做好钻井液维护 ，控制好钻井液成本 。 2 ． 石蜡纳米乳液钻井液具有很好 的润滑防卡和 井壁稳定性 ，流变性易调整 ，满足水平井各井段井 眼净化要求。该钻井液体系因其抑制性强 ，钻井液 中的亚微米粒子含量低 ，能够 明显提高机械钻速。 3 ． 石蜡纳米乳液钻井液易起泡 ，因此还需要优 选 出配套的消泡剂 。 参 考 文 献 [ 1 ] 吴富生，何竹梅，薛芸，等 ． 悬浮乳液钻井液的研究与 应 用 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 9 ，2 6 2 9 3 9 9 ． 【 2 ] 陈亮， 王立峰， 杨兴福， 等 ． 阳离子乳液聚合物在 YKI 5 H 井的应用 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ， 2 6 2 1 2 0 1 2 2 ． [ 3 ] 胡景荣 ． 再论大斜度定向井的井眼净化问题 [ J ] ． 钻井工 艺 ，2 0 0 1 ，2 4 2 1 4 1 6 ． 收稿 日期2 0 1 0 0 2 ． 2 5 ；H GF 1 0 0 4 M1 ；编辑 马倩芸 一 ∞ d u J 一 一睦 宙d 砉‘王 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m