抗高温微粒子钻井液的室内研究.pdf

第 2 9 卷 第 1 期 2 0 1 2年1 月 钻井液与完并液 DRI L LI NG F L UI D C0MP LE TI ON F L UI D V_0 1 ． 2 9 No ． 1 J a n．2 01 2 【 理论研究与应用技术 】 抗高温微粒子钻井液的室内研究 王平全 ， 冯俊雄 ， 尹达 ， 匡续兵 1 ． 西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 ； 2 ． 中国石油塔里木油田公司，新疆库尔勒 ； 3 ． 长城钻探工程技术研究院，辽宁盘锦 王平全等 ． 抗高温微粒子钻井液的室内研究[ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 91 1 9 ． 2 2 ． 摘要为满足 当前深井、超深井逐步向深层次开发的需要，在分析评价各种抗高温钻井液处理剂的基础上， 研制出一种以c x一 1 8 9 、J C J 0 0 3为主要降滤失剂的抗 2 2 0 c 高温微粒子钻井液，对其性能进行了评价。 实验结果 表明，该钻井液经2 2 0℃、1 6 h高温老化后，仍具有 良好的流变性，高温高压滤失量仅为 1 3 ． 6 mL，形成的泥饼薄 而韧 ；同时，该钻井液还表现出较强的抑制性能和抗盐 1 5 ％N a C 1 、抗钙 2 ． 5 ％能力。 关键词 微粒子 ； 填充剂 ； 泥饼 ； 渗透率 ； 水基钻井液 ； 抗高温 中图分类号T E 2 5 4 - 3 文献标识码A 文章编号 对纳米材料 的研究是近几年 国内外研究 中十分 活跃 的课题之一 。纳米材料 粒 径 为 1 ～ 1 0 0 n m 的表面层原子数 占总原子数的比例很大 ，粒子表面 能及表面张力较大。小尺寸效应使纳米材料体系的 光 、热 、电、磁等物理性 质与常规材料不同，出现 了许 多新奇特性 [ 1 - 2 ] o功能性纳米材料表 面具有严 重的配位不足和不同的键合状态下的羟基，表现出 极强的活性，正好参与泥饼最后一级颗粒的填充， 使内泥饼变得更致密，泥饼渗透率尽可能接近零， 稳定井 壁和保护油气层 ，如 图 1 所示 [ 3 - 5 ] o研究 了 纳米材料的加入对钻井液各项性能的优化作用 ，评 价了该体系的常规性能， 分析了泥饼的韧性和强度， 讨论了纳米粒子参与泥饼形成 的镶嵌式封堵和架桥 作用 [ 4 - 9 ] 。 一● ◇● 架桥离子 填充粒子 最后一级填充粒子 图 1 各级粒子逐级填充示意图 1 纳米填充材料的优选 润滑乳化沥青 C X 一 1 8 9 是一种在沥青中引人磺 酸基 一s O 一 等功能性基团的封堵型降滤失产品， 它使粉状沥青能较好地分散于钻井液 中，形成微 “ 胶粒 ” 。具有一定粒径 的沥青胶粒充填于孔 隙，参 与泥饼的形成 ，在压力作用下充填于孑 L 隙 中的沥青 胶粒又发生变形，进一步降低泥饼渗透率，从而提 高 “ 胶粒”的封堵能力，改善泥饼质量，起到防塌 作用 。 C X一 1 8 9的胶粒可 吸附、黏结于破碎性 地层 的 裂缝表面，大大降低黏结面的渗透率，阻止滤液的 进一步侵入， 并能在黏结面两端建立起较大的压差， 维持破碎性地层井壁 的稳定 。沥青产品都具有较高 的润滑性 ，尤其是润滑乳化 沥青 C X． 1 8 9 ，因为其 分散后的胶粒尺寸为纳米级。 除 C X． 1 8 9外 ，抗高温微粒子钻井液中还加入 了一种高黏度 、高纯度纳米材料 J C J 0 0 3 ，它是利 用天然非金 属矿物按科 学配方经 特殊工艺加工制 成 ，其单 根纤 维 晶 的直径 为 2 0 ～5 0 n m，长度 为 5 0 0 ～1 5 0 0 n m，长度与直径比达 2 0 ～3 0 倍 ，是一 种特殊结构的纳米材料，具有超强的吸附性、离子 交换性、流变性、催化性、增稠性等。 第一作者简介 王平全，副教授，1 9 6 4年生，现在主要从事井壁稳定及钻井液与完井液研究工作。地址 四川省成都 市新都区西南石油大学 ；邮政编码 6 1 0 5 0 0； 电话 1 5 9 0 8 1 9 0 9 7 3； E - ma i l w p q 6 4 1 6 3 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 钻 井 液与 完 井 液 2 0 1 2年 1月 2 抗 高温微粒子钻井液的配制 2 ． 1 实验材料 抗高温保护剂 G B H，增黏剂 P A C 。 H V，稀释 剂 C X ． 1 7 9 ， 抗高温抗饱和盐降滤失剂R S ． I I ，封堵 型降滤失剂 C X 一 1 8 9 ，无荧光高效润滑剂C X 一 5 0 1 B， 非离子表面活性剂 S P ． 8 0 A R ，高黏高纯纳米材料 J C J 0 0 3 ，K OH AR ，Na 2 C O AR ，膨润土 新疆 夏子街 ，重晶石 安县华西矿粉有限公司 。 2 ． 2 仪器与设备 J J 型精密增力电动搅拌器， G W3 0 0 型变频高温 滚子加热炉，S D型多联中压失水仪， Z N N D 6 型旋 转黏度计，G G S 4 2 ． 2 型高温高压失水仪，B S ． 2 1 0 G 型 电子天平 ，DL 一 11 型泥饼测试仪 。 2 ． 3 钻井液的配制 淡水基浆的配制 在高搅杯中加人 4 0 0 mL自 来水，在不断搅拌下加入 l 6 g 黏土，N a C O 的加 量为评价土质量的 5 ．O ％ ； 搅拌 2 0 m i n ，其问至少 停 2 次，以刮下黏附在容器壁上的黏土，在密封容 器中养护 2 4 h 。通过室内系列配方的优选实验，最 终确定抗高温微粒子钻井液配方如下。 4 ％膨润土 1 ％GB H 0 _ 3 ％P AC ． H V 5 ％C X． 1 7 9 2 ％RS Ⅱ4 ％CX． 1 8 9 3 ％CX一 5 01 B 0 ． 5 ％S P一 8 0 I ％J C ． J 0 0 3 1 ％K OH 重晶石 3 钻井液性能测试 3 ． 1 抗温性能 深井、超深井的钻探 已成 了石油勘探开发的必 然趋势，其明显特征是温度高，一般大于 1 8 0℃。 因此 ，将微 粒子钻井 液 密度为 2 ． 1 g ／ c m 和对照 组 未加纳米材料 J C J 0 0 3 的钻井液 分 别 在 1 8 0 、 2 0 0 和 2 2 0 o C 热滚 1 6 h 后，搅拌冷却至室温，测定 钻井液的流变性能与滤失造壁性能，实验结果如表 1 所示。由表 1 可知，对照组的滤失量和泥饼厚度 随温度变化很大，没有形成有效的空间结构，滤失 造壁性差，形成的泥饼厚度大 ； 而加入纳米材料的 钻井液随老化温度的升高，体系的黏度和动切力都 有所下降，A P I 滤失量和泥饼厚度增加，但变化的 幅度很小 ，说明具有特有空问网架结构和表面存在 大量不饱和键的纳米材料，可与体系产生良好的亲 和性，从而改变体系的悬浮稳定性和流变性，充分 表明该钻井液具有 良好的热稳定性 。 表 1 钻井液高温流变性能与滤失造壁性能 实验条件 PV ／ ⋯ Y P ／ F L ／ m 而 L 注 对照组为未添加纳米材料 J C J 0 0 3的钻井液 ； 凡 在 1 8 0℃、3 ． 5MP a 下测定。 3 ． 2 泥饼质量 泥饼 与井壁稳定 、固井质量 、地层损 坏程度 、 产能大小密切相关 ，尤其是超深井钻井 ，泥饼问题 是不容忽略的。微粒子钻井液一大特点就是引入纳 米粒子 ， 完成逐级填充的最后一级 ，最后一级也是 最关键的最小填充粒子，它决定泥饼的最终渗透率 和致密程度。 若参与泥饼形成的固相颗粒粒径大小、 浓度、 级配合理， 则形成的泥饼薄、 致密、 渗透率低， 最好的情况是形成渗透率接近零的泥饼。为了验证 微粒子钻井液形成泥饼 的优 良性质 ，采用西南石油 大学研制的 DL I ／ 型泥饼测试仪 见 图 2对泥饼 厚度进行了测定 『1 ⋯ 。 图 2 DL ． I I 型泥饼测试仪 D L ． 1 I 型泥饼测试仪主要功能 ①能自动找出 真假泥饼的界面，精确地测量泥饼的真实厚度 ； ② 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 1 期 王平全等 抗高温微粒子钻井液的室内研究 2 1 能 自动绘制出泥饼厚度与强度的关系曲线 ； ③能 自 动显示出泥饼任一厚度位置的强度大小 ； ④在曲线 上可分析出泥饼的压缩程度 ； ⑤ 由曲线可分析出泥 饼的致密程度 ； ⑥由曲线可分析出泥饼的最终强度 大小 。对微粒子钻井液在 2 2 0 o C 热滚后的样品泥饼 进行 了测试 ，结果见图 3 。 图 3 泥饼质量测试图 从 图中可以看 出，从 O点到 A点探 针均在虚 泥饼 中运动 ，所以 O A段的长度就表示虚泥饼 的厚 度 ，经过 A点以后 ，开始受到较快增长 的泥饼阻力 的作用，继续往下压探针，直至到达 B点，泥饼厚 度变化很多 压缩到较薄处 ，而泥饼强度变化不 大 ， 此段泥饼为可压缩层 ， 在探针运移至 B C弧段时 ， 泥饼强度增加迅速 ，而泥饼厚度尚可压缩 ，即泥饼 既表现出较高的强度 ，又呈现出一定的弹性 ； 探针 运行到最后阶段， 厚度变化不大， 但强度急剧增加， 且强度值达到极限，表明这一层泥饼既坚且固，类 似于 “ 固体” ，称这一层泥饼为致密层 ； 整条曲线 直线段短且 曲线平滑 ，说 明虚泥饼薄 ，纳米粒子没 有发生团聚，均匀分布在钻井液体系中，参与泥饼 最后一级粒子的填充 ，形成 的泥饼附着力强 、韧性 好、韧度强、屈服强度高，有利于井壁稳定、保护 油气层 ，避免因泥饼质量差带来 的固井质量问题和 井下安全 隐患。 3 ． 3 抑制性 定量称取 5 0 g 粒径为 2 ． 0 0 ～3 ．2 0 m m的页岩样 品 ，分别装入 老化 罐后在 3个 不 同温度 下热滚 1 6 h ，然后用清水洗涤，烘干后称重，实验结果见表 2 。由此可知 ，微粒子钻井液 的滚动 回收率均大于 9 7 ％，比同等条件下蒸馏水的滚动回收率高很多， 主要 是由于纳米材料表面有严重 的配位不足 ，表现 出极强 的活性 ，如同刚性链条一样 ，与岩屑表面作 用，生成附着力极强的膜结构，使纳米体系在实验 条件下具有 良好的抑制性 ，能有效地抑制钻屑的水 化分散。 表 2 5 0 g岩屑在不 同试液 中的滚动 回收率 钻井液 的线性膨胀性实验见表 3 。由表 3中的 数据可知 ，2 h后 ，蒸馏水 的线性膨胀率是微粒子 钻井液在 1 8 0℃条件下的 1 2 ．7倍，2 0 0 o C 条件下的 1 1 ． 5 倍，2 2 0℃条件下的 1 O ．7 倍 ； 1 6 h 后，蒸馏水的 线性膨胀率是微粒子钻井液在 1 8 0℃条件下的 1 7 ． 1 倍， 2 0 0 条件下的 1 4 ．8 倍， 2 2 0℃条件下的 1 4 ． 1 倍。 可知， 微粒子钻井液能较好地保持井壁稳定，在一 定程度上能有效地防止井塌等复杂事故的发生。 表 3 岩心在钻井液中的线性膨胀性实验 3 ． 4 抗 污染能 力 在钻井过程 中，会 经常钻遇盐膏层 、盐 岩层 ， 如果钻井液的抗污染能力差 ， 就会造成盐膏层溶解 、 井径扩大 ，甚至可能导致井壁垮塌 ，给继续钻进带 来困难。鉴于此，评价了微粒子钻井液抗可溶性盐 类的污染能力来进一步考察体系在钻遇污染源时的 性能稳定性。在密度为2 ． 1 g ／ c m 的抗高温高密度微 粒子钻井液 中加入不 同质量分数 的可溶性盐 Na C 1 、 C a S O ，在 2 0 0 o C 条件下热滚 1 6 h ，然后测量其性 能，结果见表 4 。从表中数据可知 ，微粒子钻井液 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年 1月 中的N a C 1 含量在 1 5 ％ 以内时，钻井液性能变化较 小 ，但是当含量达到 2 0 ％ 的时候 ，钻井液 的黏度 、 切力急剧减小 ，这是 由于随着 N 的增 多，纳米材 料 J C ． J O 0 3颗粒 的扩散双 电层受 到挤压 ，导致水化 膜变薄，‘电位下降，大量的纳米材料 J C J 0 0 3 颗 粒发生絮凝 ，空间网架结构被破坏， 使黏度和动切 力减小 ， 滤失量增大 ， 泥饼厚度增加 ， 泥饼质量变差 ， 虚泥饼增多，中压滤失量和高温高压滤失量已不能 满足工程要求 ， 故钻井液的抗盐能力为 1 5 ％ ； 同理 可以看 出，钻井液 的抗钙能力达到 2 ． 5 ％ 时具有较 好的抗钙能力。 表 4 抗可溶性盐污染实验 注 凡 H T H P 在 1 8 0℃、3 ． 5 MP a 下测定。 4认 识 与 结论 1 ． 通过 对纳 米材料 的了解和认识 ，优选 出能 抗 2 2 0℃高温的高密度微粒子钻井液配方为 4 ％膨 润 土 1 ％G B H 0 ． 3 ％P AC H V 5 ％CX - 1 7 9 2 ％RS ． 1 1 4 ％ CX一 1 8 9 3 ％CX一 5 01 B0 ． 5 ％ S P ． 8 0 1 ％KOH I ％J C J 0 0 3 重晶石。 2 ． 室内实验表 明，高密度微粒子钻井液具有 良 好 的流变性能、滤失造壁性 、抑制性、润滑性和稳 定性，抗污染能力强等优点。 3 ． 由于微粒子钻井液 中含有各种不同粒径的微 粒子，纳米粒子参与泥饼形成，从而保证钻井液在 失水 的同时，大颗粒在大孔隙表面架桥 ，各级微粒 子进行填充 ，功能纳米材料与岩石表面作用 ，生成 附着力极强的膜结构物质 ，参与封堵 ，阻止钻井液 滤液进入地层。 参 考 文 献 [ 1 ] E l s e n J M ，Ml x o n I I I A M ，B r o u s s a r d M D． a p p l i c a t i o n o f a l i me -- b a s e d d r i l l i n g flu i d i n a h i g h - -t e mp e r a t u r e ／ h i g h ．- p r e s s u r e e n v i r o n me n t [ R ] ． S P E 1 9 5 3 3 ． [ 2 ] 蒲春生 ． 液． 固体系微粒表面沉积分散运移微观动力学 【 M] ． 北京 石油工业出版社 ，2 0 0 8 ． 【 3 ] 赵凤兰，鄢捷年 ． 国外保护油气层技术新进展关于 暂堵机理和方法的研究 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 3 ，2 0 2 4 2 ． 4 7 ． [ 4 ] 安继承，杨海 ，刘 明华 ，等 ． 无机一 有机单体聚合物钻 井液在文新 9 9 ． 1 井的应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 5 ， 2 2 1 9 ． 1 1 ． [ 5 ] 王辉，王富华 ． 纳米技术在钻井液中的应用探讨 [ J ] _ 钻 井液与完井液，2 0 0 5 ，2 2 2 5 O 一 5 3 ． [ 6 ] Ni l s Ka g e s o n L o e ， R u s s e l l Wa t s o n ，O l e I a c o b ．P r e b e n s e n ， M I s wa c o ， a n d c l a a s v a n d e r z wa a g a n d k n u t t a u g b l ， s t a t o i l AS A． f o r ma t i o n d a ma g e o b s e r v a t i o n s o n o i l b a s e d fl u i d s y s t e m s w e i g h t e d wi t h t r e a t e d mi c r o n i z e d b a r s i t e [ R] ． s P E| 1 0 7 8 0 2 一 M S． [ 7 】 K e l e s s i d i s V C， Ma r i n a k i s D， T s a ma n t a k i C ． T e c h n i c a l U． o f c r e t e ． 1 a b o r a t o r y a s s e s s m e n t o f d r i l l i n g f l u i d f o r ma t i o n d a ma g e i n s a n d s t o n e c o r e s a n d mi t i g a t i o n wi t h a d d i t i v e s f o r h i g h t e mp e r a t u r e fi e l d s [ R ] ． S P E 1 0 7 7 6 2 ． [ 8 ] T o v a r J ， S a l a z a r A． I n n o v i v e e n g i n e e r i n g s y s t e ms g l o b a l ， a n d N． s a l a z a r ，i n g e n i e r i a y t e c n o l o g i a CA． I n t e g r a t i n g d r i l l i n g a n d g e o m e c h a n i c a l d a ma g e i n s a n d s t o n e r e s e r - v o i r s i d e n t i f i c a t i o n ，q u a n t i fic a t i o n a n d r e mo v a l [ R ] ． s P E{ 1 0 7 6 1 1． M S 2 0 0 7 ． 0 3 ． 1 0 [ 9 】 Do r ma n J ，c h e mi s t r y a n d fie l d p r a c t i c e o f h i g h t e mp e r a t u r e dr i l l i n g fl u i d s i n Hu n g a r y， S PE 2 1 9 4 0 ． [ 1 0 ]侯勤立，蒲晓林，崔茂荣 ． 一种测量钻井液滤饼厚度的 装置 中国，0 0 2 4 4 4 3 3 1 [ P ] ． 2 0 0 1 ． 收稿 日期2 0 1 1 - 9 ． 1 2 ；HG F I 1 0 6 N4 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m