抗24℃高温水基钻井液体系的室内研究.pdf

第 3 1卷 第 5期 2 0 1 4年9月 钻井液与 完井液 DRI LLI NG F L UI D COMP LET I ON F L UI D Vo 1 ． 3 1 No ． 5 S e p t ．2 0 1 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 0 3 抗 2 4 0 C ；C 高温水基钻井液体系的室内研究 单文军， 陶士先， 付帆， 岳伟民， 赵志涛 北京探矿工程研究所 ，北京 单文军等 ． 抗 2 4 0 ℃高温水基钻井液体系的室内研究 『 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 5 1 0 1 3 ． 摘要 中国深部大陆科学钻探井设计井深将超过万米，井底地层温度可能在 3 0 0 o C以上，井内钻井液将长期处于 高温高压环境，性能会受到严重的影响和破坏。室内实验通过在不同加量、不同温度 3 0 、9 0 、1 2 0 、1 5 0 、1 8 0 、2 1 0 、 2 4 0℃ 等条件下测试钻井液的流变性能及高温高压滤失量，对抗2 4 0 o C高温钻井液材料及处理剂进行 了优选，最后 选用 4 ％新疆膨润土与抗高温材料 HP S复合作造浆材料，添加 了高温保护剂GB J； 复配使用抗高温降滤失剂 L QT、 S P NH、J S S J 、J S J 一 1 、S MP I 作降滤失剂，引入 了新型抗高温降滤失剂D DP和抗高温降黏剂J NJ 。评价 了优选配方的 高温高压滤失量和流变性，在 2 4 0 高温滚动 1 6 ～7 2 h后，采用金属滤板直接在 2 3 0 o C 高温下测试钻井液性能，测试 温度由低到高， 再由高到低。结果表明 优选 出的配方在 2 4 0 o C下具有 良好的高温稳定性和流变性， 高温高压滤失量低。 关键词 抗高温水基钻井液 ； 钻井液配方 ； 造浆材料 ； 高温保护剂 ； 高温降滤失剂 中图分类号 T E 2 5 4 ．3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 40 5 0 0 1 0 0 4 超深井高温钻井液所面临的主要技术难题有 3个 方面 钻井液高温稳定性 老化 问题 ； 高固相含量 下钻井液流变性及滤失性难以控制 ； 超深井往往钻遇 多套压力层系地层，安全密度窗口窄，地层承压能力 差，塌、漏、卡等复杂情况共存。中国目前使用的钻 井液体系抗温能力一般低于 2 0 0 o C ，超过此温度，钻 井液流变性差 、滤失量大 ，固相含量不易控制 。因此 研究抗 2 4 0℃以上高温钻井液体系 ，对加快深部大陆 科学钻探以及为未来干热岩勘探开发提供技术支持 ， 同时对深部能源勘探开发具有重要意义 [ 1 - 1 0 l 1 抗 2 4 0℃高温钻井液配方优选 1 ． 1 抗高温评价方法 1 造浆材 料和处 理剂 的评 价方法 使用 美 国 O F I 公司 1 7 2 0 0 ． 1 一 R C四轴高温滚子炉和高温高压滤 失仪 G G S 7 1 一 A，将不同膨润土加量的钻井液在不同 温度下热滚 1 6 h ，然后测试钻井液的流变陛能及高温 高温压滤失量 。实验温度梯度 3 O℃、9 O℃、1 2 0 c IC 、 1 5 0℃ 、 1 8 0 o C、2 1 0℃ 、2 4 0℃ 2高温 钻井 液配方 的评价 方法 将 钻井 液在 2 4 0℃高温滚动后，用高温高压流变仪 F A N 5 0 测试 钻井液的高温高压滤失量及流变性 采用金属滤板 直接在高温下测试钻井液性能 ； 测试温度由低到高 3 0 2 4 0℃ ，再 由高到低 2 4 0 ～3 0 c C变化 。 1 ． 2 高温复合造浆材料的优选 通过收集并分析国内外造浆材料信息，对不同 造浆材料的抗温性能进行 了评价 ，结果见表 1 。从表 l 可知， H P S 造浆能力较差，黏度较低 ； 当温度超过 1 5 0℃后，山东膨润土和内蒙膨润土浆表观黏度与塑 性黏度明显降低，说明其抗温能力不超过 1 8 0 o C； 新 疆钠膨润土浆的表观黏度与塑性黏度随温度升高而有 所升高 ，因此实验选用新疆钠膨润土。 1 新疆钠膨润土流变性 能。如 图 1 所示 ，不 同 膨润土加量钻井液的流变性和滤失量变化幅度有较大 区别 ，随着膨润土加量的提高，钻井液滤失量显著降 低 ； 但当膨润土加量超过 5 ％时，随着温度的升高， 钻井液流变性发生急剧变化，这种变化不利于控制钻 井液流变性， 但加量小于 4 ％时， 不利于滤失量控制。 基金项 目 公益性行业科研专项 深部探测技术与实验研究专项 “ 深部大陆科学钻探装备研制高温钻井液体系研究” 2 0 1 0 1 1 0 8 2 ． 2的研究内容。 第一作者简介 单文军， 工程师， 1 9 8 5年生， 2 0 1 0年毕业于中国地质大学 北京 获硕士学位， 现在从事钻井液技术的研究工作。 地址 北京市海淀区学院路 2 9 号探工楼 6 0 6 室 ； 邮政编码 1 0 0 0 8 3； 电话 0 1 0 6 9 3 0 1 7 6 1 ； E - m a i l s h a n w e n j u n 8 4 1 6 3 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 i 卷 第5 期 单文军等抗2 4 0℃高温水基钻井液体系的室内 研究 因此实验中新疆钠膨润土加量选择 4 ％。 表 1 不同造浆材料在不同温度热滚 1 6 h后常温下的流变性能 注 基浆配方为 水 4 ％造浆材料。 2 2 4 。 1 6 垂 4 。 ℃ a常温下的黏度 ℃ b不同温度下的高温高压滤失量 图1 不同加量新疆钠膨润土浆在不同温度热滚 1 6 h 后的性能 2复合造浆材料 的优选。单一 的新疆钠膨润土 在高温下黏度低、滤失量大，很难满足高温条件下的 要求，因此优选了一种抗高温材料 H P S 。4 ％膨润土 2 ％H P S的性能见图2 。由图2 可知，该复合造浆材 料流变性好，抗高温效果好，造浆能力强。 1 ． 3 高温处理剂的优选 1 抗高温降滤失剂的优选。根据实验设计，分 别对国内外常用的抗高温处理剂进行了降滤失能力评 价 ，实验结果见表 2 。由表 2 可以看出，单剂抗温降 滤失效果不明显，滤失量都比较大。 兽 耋 妻 3 O 2 5 2 0 l 5 l 0 5 0 图 2 4 ％膨润土 2 ％HP S钻井液在不同 温度热滚 1 6 h后常温下的性能 表 2 不同处理剂对钻井液老化后 2 4 0℃、1 6 h 性能的影响 注 钻井液配方为 4 ％预水化新疆钠膨润土浆 2 ％HP S 3 ％抗高温处理剂 ； 实验浆老化后冷却至室温，高速搅拌 2 0 mi n ，测定其主要性能 ； 凡 H T H P 在 2 3 0 o C、3 ． 5 MP a 下测定 ； 钠盐为水解聚丙烯腈钠盐。 优 选 了 4种 较好 的处 理 剂 J S J 一 1 、J S S J 、S P NH 和 L Q T ， 分别对其做流变性实验， 结果见表 3 和表 4 。 由表 3 和表 4可知，抗高温降滤失剂 L Q T 、S P N H、 J S S J 、J S J 一 1 等在单剂评价实验条件下，降滤失效果 相对来说比较好，但是单剂评价，滤失量都比较大， 降滤失效果不明显。考虑到目 前处理剂的质量及价格 等因素，优选以上 4 种处理剂作为抗高温降滤失剂。 2 高温保护剂 G B J 。高温保护剂可以缓解钻井 液处理剂在高温下的降解和分解。表 5 和表 6 给出了 一 种淡水钻井液加高温保护剂前后性能的变化 。实验 结果表明，在淡水钻井液中加入高温稳定剂 G B J 的 嘻 盘 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 钴井液与 克井液 2 0 1 4年 9月 作用效果明显， 其能显著降低钻井液滤失量，使钻井 液的耐温能力至少提高 6 0℃以上 。 表 3 加有 J S J ． 1的钻井液在不同温度热滚 1 6 h后的室温性能 T ／ AV ／Pv| FL 田 T ／ AV ／P v| F LH T H { ℃ mP a S mP a s mL ℃ mPa S mP a s mL 3 0 7 ． 5 7 ． 8 1 8 0 8 ． 0 8 ． 0 4 8 9 0 6 ． 5 6 ． 5 0 2 7 2 1 0 1 0 ． 0 l 1 ． 0 5 0 1 2 0 6 ． 0 6 ． 0 0 2 5 2 4 0 1 0 ． 0 1 1 ． 5 6 2 1 5 0 5 ． 5 5． 5 0 65 注 钻井液配方为 4 ％预水化新疆钠膨润土 2 ％HP s 3 ％抗高温处理剂 ； 实验浆老化后冷却至室温 ，高速搅拌 2 0 mi n ，测定其主要性能 ； 凡 H T H P 在 1 8 0℃、3 ． 5 MP a 下测定。 表4 不同抗高温降滤失剂的抗温性能 J S S J S n H LQT ℃ P 凡 H T H P ／ AF ／ P FLH T H P ， AF／Pv| FL mPa SmPa S mL mPaS mP a S mL mP a s mPas mL 3 O 6 6 5 ． 0 4． 5 7 ． 5 7． O 1 5 O 4 ． 5 4． 5 5 2 8 ． 0 7 ． 5 40 1 8 O l 1 ．O 1 0 4 8 4 ． 5 4． 0 5 8 7 ． 0 7 ． 0 4 8 21 0 l 1 ． 5 1 O 5 0 3 ． 5 3 ． 5 2 6 5．0 5 ． 0 4 8 2 4 0 6 ． 0 6 6 2 l 1 ． 0 1 0 6 0 5．0 4 ． 5 5 6 注 钻井液配方为 4 ％预水化新疆钠膨润土 2 ％ H P S 3 ％抗高温处理剂 ； 实验浆老化后冷却至室温，高速搅拌 2 0 mi n ，测定其主要性能 ； 凡 H T H f ． 在 1 8 0 o C、3 ． 5 MP a下测定。 表 5 淡水浆加高温保护剂前后其流变性能的变化 表 6 淡水浆加高温保护剂前后高温高压滤失量的变化 1 ． 4 抗高温低密度钻井液配方优选 通过对不 同抗高温处理剂加量的实验研究 ，优选 出抗高温低密度钻井液配方如下， 钻井液性能见表 7 。 4 ％ 新疆 钠膨 润土 2 ％HP S 4 ％S MP ． I 4 ％J S S J 4 ％S P NH 4 ％J S J 一 1 4 ％L Q T 1 ％抗 高 温 降黏 剂 J 1 ％G B J 0 ． 5 ％抗高温降滤失剂 D D P 表 7 抗高温低密度钻井液性能 注 性能测试温度为2 3 0℃。 2 抗 高温高密度钻井液性能评价 在低密度钻井液配方 的基础上，根据所需要密度 加入重 晶石 ，高速搅拌 2 0 mi n ，然后 在 2 4 0℃下热 滚 1 6 h ， 冷却后测定其性能， 结果见表 8 。由此可知， 该钻井液配方抗温效果好 ，流变性好 ，滤失量低 ，长 时间高温热滚后性能变化幅度不大。 表 8 抗高温高密度 1 ． 5 ed c m 钻井液的性能 注 测试 温度 为 2 3 0 ℃。 通过高温高压流变仪 F A N 5 0 ，对钻井液进行 高温流变性能实验研究，分别测定抗高温钻井液从 3 0℃升高 到2 4 0℃条件下的流变性能， 再测定高温 钻井液从 2 4 0℃降低到3 0 条件下的流变性能，实 际模拟钻井液在井下工作 的情况 ， 结果如表 9 ～表 1 O 所示。该抗高温高密度钻井液配方随着温度的升高， 黏度下降，随着温度的降低黏度恢复到原来的7 0 ％ 以上。加重钻井液配方冷却后性能可以恢复到原来的 9 5 ％ 以上。实验结果表明，该钻井液配方具有 良好 的流变性且性能稳定， 满足深井超深井钻井工艺要求。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 l 卷 第 5 期 单文军等抗2 4 0℃高温水基钻井液体系的室内研究 表 9 低密度钻井液在不同温度下热滚后的流变性能 1 8 0℃ 、 1 6 h 2 1 0℃ 、 1 6 h 刀3 O ～ 2 4 O c c 2 4 0～ 3 O℃ 3 0 ～ 2 4 0℃ 2 4 0～ 3 O℃ ℃AV ／ P AV ／PV ／ A |P v |A |P v| mPa smPa s mPasmPa s mPa s mPa s mPa smPas 3 0 41 ． 6 30 ． 0 3 4． 7 3 4． 8 5 6． 5 3 9． 6 46 ． 9 3 7． 8 6 0 3 O ． O 3O ． 9 21 ．2 1 9 ． 4 2 2． 5 1 8． 8 2 2． 4 20 ． 3 9 0 2 O． 5 1 9． 8 l 8 ． 1 l 2． 1 1 2 ． 5 1 2．6 1 3． 7 1 3 ． 9 1 20 l 1 ． 8 7． 0 l 6 - 3 l 1 ． 1 9．0 9． 5 9 ． 1 9 ． 2 1 5 O 1 3 ． 5 8 ． 5 1 2- 2 7． 8 6．7 5． 9 8 ． 3 8 ． 4 1 8 0 l 1 ． 9 4． 9 l 1 ． 8 7．2 7 ． 2 4．4 8．4 7．3 21 0 1 2． 5 4． 9 1 2． 0 7．4 1 2． O 5．4 8 ． 4 6 ． 5 2 40 l 1 ． 5 5． 3 l 1 ． 5 5． 3 1 5 ． 1 8 ． 6 1 5． 1 8 ． 6 表 1 0 不同密度钻井液在 2 3 0 o C 热滚 1 6h后的流变性能 低密度 高密度 3 O ～ 2 4 0 o C 2 4 0 ～ 3 O℃ 3 O ～ 2 4 0 ℃ 2 4 0 ～ 3 O ℃ e A v|P v|A V |P v| A v {P v |A y i P v| mP a smPa s mPa smPas mPa s mPa s mPa smPa s 3 0 4 2． 5 3 8 ． 5 3 7．5 3 4 ． 2 3 5- 2 2 5． 7 3 3． 0 21 _ 8 6 O 1 4 ． 8 1 7． 2 21 ． 1 l 8 ． 9 1 7 ． 2 1 3．9 1 9． 3 1 2． 3 9 0 1 2． 4 1 3． 6 1 7． 0 1 8 ． 2 9． 5 9． 0 l 1 ． 9 1 2． 1 1 2 0 l1 ． 6 1 4． 3 1 1 ． 7 1 2． 0 8．6 8．0 6． 9 6． 3 1 5 0 1 0 ． 8 9 ． 3 1 1 ． 6 1 1 ． 7 7．2 6． 8 5． 5 4． 7 1 8 O l1 ． 5 9． 6 l 1 - 3 l 1 ． 1 7．2 4． 2 5 ． 1 4． 3 21 0 l1 ． 5 6． 6 l 1 ． 6 7 ． 2 6．6 3． 6 5． 5 2． 0 2 4 0 1 2． 0 7 ． 0 1 2． 0 7 ． 0 6．O 2． 8 6． O 2． 8 3 结论 1 ． 优选形成的抗高温钻井液由抗高温降滤失剂、 高温流型调节剂、高温保护剂等组成，能抗 2 4 0 ℃高 温 ， 流变性能好 ， 满足钻井液长时间高温循环的要求。 2 ． 通过对钻井液流变陛的研究， 该钻井液体系具 有 良好的流变性 ，且性能稳定 。 [ 2 ] 参 考 文 献 J ul i a n n e El wa r d - Be r r y，Da r b y J B． Rh e o l o g i c a l l y t a b l e ， No nt o xi c，Hi g h- Te mp e r a t ur e W a t e r - Ba s e d Dr i l l i n g F l u i d [ R ] ．S P E 2 4 5 8 9 ，1 9 9 7 ，1 5 8 - 1 6 2 ． F i t z g e r a l d B L，M c Co u r t A J ，Br a n g e t t o M ． Dr i l l i n g fli u d p l a y k e y r o l e i n d e v e l o pi n g t h e e x t r e m e HTHP， El g i n ／ F r a n k l i n F i e l d [ R] ． S P E 5 9 1 8 8 ，2 0 0 0 1 - 1 2 ． [ 3 ] 胡继 良，陶士先 ，单文军 ，等 ． 超深井高温钻井液技术 概况及研究方向的探讨 [ J ] ． 地质与勘探 ， 2 0 1 2 ， 4 8 1 1 - 6 ． H u J i l i a n g ， T a o S h i x i a n ， S h a n We n j u n ，e t a 1 ． Ov e r v i e w o f ul t r a - d e e p we l l h i g h t e mp e r a t u r e d r i l l i n g flu i d t e c h n o l o g y a n d d i s c u s s i o n o f i t s r e s e a r c h d i r e c t i o n[ J ] ． G e o l o g y a n d E x p l o r a t i o n ，2 0 1 2 ，4 8 1 1 - 6 ． [ 4 ] 梁大川 ，汪世 国，余加水 ，等 ． 抗高 温高密度水基钻 井液体系研究 [ J 】 ． 西南石油大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ，3 0 1 1 3 3 ． 1 3 6 ． Li a n g Da c h u a n，W a n g S h i g u o ， Yu J i a s h u i ， e t a 1 ． Hi g h t e mp e r a t u r e a n d h i g h d e n s i t y r e s i s t a n c e wa t e r - b a s e d d r i l l i n g fl u i d s y s t e m[ J ] ．J o u r n a l o fS o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y S i c e n c e ＆ T e c h n o l o g y E d i t i o n ，2 0 0 8 ，3 0 1 1 3 3 - 1 3 6 ． [ 5 】 孙金声，杨泽星 ． 超高温 2 4 0℃水基钻井液体系研究 [ J ] ． 钻井液和完井液，2 0 0 6 ，2 3 1 1 5 ． 1 8 ． S u n J i n s h e n g，Ya n g Ze x i n g． S t u d y o n t h e wa t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d wi t h u l t r a h i g h t e mp e r a t u r e 2 4 0 ℃ t o l e r a n c e [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 6 ，2 3 1 1 5 - 1 8 ． [ 6 ] 王中华 ． 国内外钻井液技术进展及对钻井液的有关认识 [ J ] ． 中外能源，2 0 1 1 ，1 6 1 4 8 ． 6 0 ． Wa n g Zh o n g h u a ． Ad v a n c e s o n d r i l l i n g fl u i d t e c h n o l o g y a n d u n d e r s t a n d i n g o f t h e r e l e v a n t fl u i d a t h o me a n d a b r o a d [ J ] ． S i n o - G l o b a l E n e r gy ，2 0 1 1 ，1 6 1 4 8 5 9 ． [ 7 】 王松，梅运宜 ，李淑廉 ． 抗高温高密度海泡石钻井液体 系 [ J ] ． 江汉石油学院学报，1 9 9 6 ，1 8 1 6 5 6 ． W an g S o n g， M e i Yu n y i ， Li S h u l i an ． A h i g h t e mp e r a t u r e ， h i g h d e n s i ty d r i l l i n g fl u i d wi t h s e p i o l i t e [ J ] ．J o u r n a l o fJ i a n g - Ha n P e t r o l e u mI n s t i t u t e 。1 9 9 8 ，2 0 1 1 ． 7 ． [ 8 ] 朱宽亮 ，王富华，徐同台，等 ． 抗高温水基钻井液技术 研究与应用现状及发展趋势 I [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ，2 6 5 6 0 ． 6 8 ． Zh u Ku a n l i a n g，W a n g F u h u a，Xu To n g t a i ， e t a 1 ． S t a t u s i n q u o a n d p r o g r e s s I s t u d y a n d a p p l i c a t i o n o f h i g h t e mp e r a t u r e d r i l l i n g fl u i d s [ J ] ．Dr i l l i n g flu i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 9 ，2 6 5 6 0 ． 6 8 ． [ 9 ] 朱宽亮 ，王富华，徐同台，等 ． 抗高温水基钻井液技术 研究与应用现状及发展趋势Ⅱ [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ，2 6 6 5 6 ． 6 4 ． Zh u Ku a n l i a n g，W a n g F u h u a ， Xu To n g t a i ， e t a 1 ． S t a t us i n q u o a n d p r o g r e s s 1 I s t u d y a n d a p p l i c a t i o n o f h i g h t e mp e r a tur e d r i l l i n g fl u i d s [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 9 ，2 6 6 5 6 ． 6 4 ． [ 1 0 】曾义金 ， 刘建立 ． 深井超深井钻井技术现状和发展趋势 [ J ] _ 石油钻探技术 ，2 0 0 5 ，3 3 5 1 - 5 ． Z e n g Yi j i n ， L i u J i a n l i ． T e c h n i c a l s t a t u s a n d d e v e l o p me n t a l tr e n d o f d r i l l i n g t e c h n i q u e s i n d e e p a n d u l t r a - d e e p w e l l s [ J ] ． 尸 e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ，2 0 0 5 ，3 3 5 1 5 ． 收稿 日2 0 1 4 ． 0 5 ． 1 8 ；HG F 1 4 0 3 N2 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m