提高水基钻井液高温高压稳定性的方法.pdf

3 4 冰 菇 钰 }} 袤 幸 象 窟 国 钻井控术 卷1 9 9 8年第 3期 提 高 水 基 钻 井 液 高 温 高 压 稳 定 性 的 方 法T E z - 、 EH e Va n0D D 等 钻井液 已从简单的粘土泥浆发展到了特 殊设计的复杂钻井液 ， 以满足必需的要求。加 入 的化学剂起着特殊功用， 如调节流变性 ， 控 制失水和稳定页岩 。众所周知， 聚乙二醇可用 于控制页岩。根据报道 ， 聚 乙二醇体系对流变 性 、 失水和低稀释率都能进行优 良的控制， 并 且性能也易维持 。水溶聚合物与阴离子、 阳离 子和非离子表面活性剂的综合作用， 正 日益受 到人们的重视。 类似的复合物可以用在钻井液 工艺中， 提高作为失水控制和流变性调节聚合 物的高温高压稳定性。 聚乙二醇 乙二醇的普通基 团被严格限制在含两个 端羟基的二醇内， 各乙二醇之间的羟基相互缩 合形成醚键 cOc键 ， 生成聚乙二醇 实 际上 ， 大量油田熟知的聚己二醇商品添加剂来 源于醇类 丁醇 ， 脂肪酸 ， 或用环氧乙烷 E O 及环氧丙烷 P 0 缩台生成的脂肪族胺。这类 添加剂只含一个端羟基， 因而不是真正的二醇 ／ 乙二醇 。大多数的添加剂是非离子表面活性 剂 ， 在单个分子上含有一个憎水基 来源于起 始剂的烷基链 和一个亲水基 环氧乙烷或环 氧乙烷／ 环氧丙烷链 。为了与油 田的惯例一 致， 仍把这些分子归属于聚 乙醇。 本文重点论述三种类型的聚乙二醇。 聚乙 二醇 A是 5 0 ／ 5 0环 氧乙烷／ 环氧丙烷比例的 聚 乙二 醇。聚 乙二 醇 B是普 通 聚 乙 二 醇 I／ ． ， 龙 政 军译 朱德一校 P E G ， 聚乙二醇 C是脂肪族胺乙氧基化物 。 所有的聚乙二醇的分子量在 5 0 0至 6 0 0原子 量单位范围。 实验结果 普通钻井液聚合物与各种聚乙二醇的相 互作用， 在室内进行了广泛的实验研究。用有 限的这 组聚 乙二醇 A、 B、 c可获得的典型 结 果 ， 证明聚合物／ 聚 乙二醇相互作用的存在及 应用效果。 表 1 列 出了XC聚合物基液未加和 加有体积 5 聚 乙二醇 A、 B 、 C的热滚动结 果。与基液相 比， 加入聚乙二醇液体的流变性 仅稍有变化。在 Z 1 2 。 F温度下热滚动 6小时 后， 未加聚乙二醇的普通基液的l流变性全部丧 失， 加了聚乙二醇的液体流变性保持不变 。在 稳定流变性的作用上 ， 这些聚乙二醇的效果也 不尽相 同。 表 2总结 了采用低 粘 聚阴离子纤 维素 P Ac L ， 羧 甲基纤维京 c MCL v 和淀 粉作为失水控制荆 的三种泥浆的 A P I 失水 量， 分别得到了热滚动前和热滚动后的结果。 显示丁基浆失水控制的高温高压稳定性。 由表 3还可 看出， 同一泥浆的 AP I 失水量是热滚 动时间的函数。 做该实验的 目的也是为了考察 延长泥浆在高温下的时问所受到的影响 。 实验 结果表明， 聚乙二醇在高温下推迟了降失水聚 合物的降解作用， 在三种泥浆体 系中 ， 聚乙二 醇 C效果晟佳 。 维普资讯 3 5 表 1 聚E ． --醇 对流变性的影响 性 能 剪切应 力 6 0 0 I bm ／ 1 0 0 k 3 0 0 l b mi l O O k 2 0 0 l b m i l O 0 { t 1 O 0 【 b m ／ l O O { t 0 6 l bm／ l O O h2 3 l b r a ／ 1 0 0 { t 塑性粘 度， c F 屈驻值 基 液 滚动前 滚动后 40 8 32 4 2Z l 2 4 0 聚乙二醇 A 滚动前 滚 动后 3 8 3 0 3 0 2 4 2 6 2 l l j 7 2 2 1 8 聚乙二醇 B 滚动前 滚动后 3 9 3 5 3 1 2 7 2 6 2 2 1 2 O 8 8 2 3 1 9 聚乙二醇 C 滚动前 滚动后 4 3 42 3 3 33 2 8 28 2 2 23 1 1 1 1 l 0 9 2 3 2 4 *基渡5 V o L 聚己二醇 表 2 不同温度下热滚动后聚E ． --醇对 A P 1 失 水的影响 泥浆 l 基泥 聚 乙二醇 A 聚 乙二醇 B 聚 乙二醇 C 泥浆 2 基泥 聚乙二醇 A 聚乙二醇 B 聚 乙二醇 C 泥浆 3 基祀 聚 乙二醇 A 十聚乙二醇 B 十聚乙二醇 C 热滚 动前 4 7 3 8 3 B 4 ． 5 5 2 4 4 5 ． 3 4 ． 3 ．2 4 ． B 热流动后 Z l Z ‘ F 3 4 4 l 6 0 3 7 4 ． 6 6 ． 5 3 ．0 4 ．0 1 O ． 5 6 ． 5 4 ． 6 乳 8 。 F 1 0 9 3 ． 1 3 ． 4 3 ． S 3 ．1 3 ．0 3 ．7 3 ． 8 6 5 3 ， 9 3 ． 7 4 ．2 Z 8 4 F TLC 2 ． 9 4 ． 0 2 ． 8 2 ． 5 3 ． 9 4 ． 5 3 ． 4 TCL 5 3 4 5 1 5 3 0 2 F TLC 2 3 5 5 2 7 4 TLC 3 ．3 6 ．9 4． 0 TL c 7 5 6 9 1 ． 3 3 2 0 。 F TLC TLC TL c 3 9 TLC TLC TLC TLC TLC TLC TLC 2 2 泥浆 1 ； 1 p p b x c， 4 p p b P A CL l O p p b C a C O 3 ， 2 0 p p b O C M A桔土， 8 0 p p b 重晶石。 泥浆 2 ． 1 p p b X C 6 p p b C MC L v， l O p p b C a C O 3 ， 2 0 p p bO C MA粘土， 8 0 p p b 重品石 泥浆 z l p p b X C l O p p b淀柑 ．1 O p p b C a C O3 ．2 0 p p b O C MA粘土 ， 8 0 p p b重晶石 T L C 一先水控制先靛 表 3 在 2 4 8 。 F温度下热滚动踺翱对 A P I 失水量的影响 泥浆 1 基泥 聚 乙二醇 A 热滚动前 4 7 热滚动 后 1 6小时 TLC Z ．9 2 4小时 TLC 3 2小时 TLC 1 2 ． 7 4 O小时 TLC TLC 4 8小时 TLC TL C 维普资讯 3 6 国外钻井挠术 第十四卷1 9 9 8 年第3期 橐 乙二醇 B 聚 乙二醇 C 泥浆 2 基泥 橐 己二醇 A 橐 己二醇 B 聚 己二醇 c 泥浆 3 基泥 橐己二醇 A 聚己二醇 B 聚 己醇 c 4 0 2 8 2 5 3 9 4 ． 5 3 4 TLC 5 3 5 ． 2 1 ．5 8 1 7 ． 5 TLC 1 7 ． 8 5． 1 4 5 TLC 3 1 6 5 1 4 TLC 8 ．0 TLC 38 ．2 24 ．7 4 ． 3 TLC 5 ． 2 6 ． 2 2 ． 2 聚合物／ 聚 乙二醇相互作用 的讨论 聚乙二醇的特性 试验用的聚乙二醇具有不 同类别的普通 基 团。聚乙二醇 A实际上是非离子 表面活性 剂， 分子链含有憎水和亲水部分。溶液中聚乙 二醇浓度增加时， 单个分子的浓度也会增加， 直到浓度达到临界胶束浓度 c Mc 为止。在 达到某一温度即低临界溶液温度或浊点温度 C P T 情况 下， 溶液 出现逆溶解性 ， 聚 乙二醇 将从水连续相中游离出来， 形成独立 的富集聚 乙二醇相。在发生相析作用之前， 通常能观察 到胶束的尺寸急剧增大。 聚 乙二醇 B是完全 水溶 的 ， 并且不形 成 胶束 。 在淡水和低盐度溶液中不会呈现浊点性 质， 在高盐度液体中， 如浓甲酸盐水， 将会产生 相析作用。 聚乙二醇 c是 非离子表面活性 荆 ， 能形 成胶束 ， 临界胶束浓度与聚乙二醇 A 相差无 几， 溶液不会发 生混 浊沉淀 ， 除非基液盐度提 高。 作用机理 论述聚合物与非离子表面活性荆如聚乙 二醇A、 B 、 C的相互作用， 有关文献提出了“ 珍 珠窜” 作用机理 ， 微小的胶束束缚于一个聚合 物分子链上 。支配聚合物／ 非离子表面活性剂 缔合的力为憎水基的槽互作用， 因为非离子表 面活性 剂的憎水端基 团在聚合物憎水链上成 线形排列 ， 而极性更强 的聚合物基团与非离子 表面活剂的环氧 乙烷或环氧 乙烷／ 环氧丙烷产 生氢键键合。 但是 ， 聚合物／ 胶束缔合机理并不 能解释 本试验中所观察到的现象。实验发现， 在大大 高于溶液浊点温度的情况下， 产生混浊的非离 子 活性剂聚 乙二醇 A 有利于 高温 高压 稳定 性。 然而， 高于浊点温度时， 相析作用使绝大多 数聚乙二醇分子从水相逸出， 形成一个独立的 富集聚乙二醇相 。因此 ， 水相中的聚乙二醇因 形成胶束或其它形式而大大减少。 目前还不清 楚 因胶束损耗 的水相如何会促进聚合物稳定 性 的提高 。该机理也不 能解释聚乙二醇 B对 聚合物的稳定作用。因为聚 乙二醇 B毕竟不 是非离子表面活性剂 ， 不形成胶束。也许更好 的解释是 ， 部分聚乙二醇与聚合物通过憎水基 的相互作用和氢键键合作用始终保持缔合， 甚 至高于浊点温度 的情况下也是如此。聚合物／ 聚乙二醇缔合物的生成 可能对聚合物 的氧化 起了屏蔽作用 也许聚乙二醇起着牺牲剂的作 用 ， 降低了聚合物的降解速度。 在确定各种流变性调节剂的转变温度时， 获得了有关聚乙二醇作用的其它资料。 通过测 定作为温度函数的粘度， 确定转变温度。粘度 突然降低是聚合物转变成 混乱堆积” 无效状 态的征兆。研究发现， 加入聚乙二醇对聚合物 转变温度本身没有影响。 由此表明聚乙二醇不 能防止溶液中的聚合物降解， 甚至也不能改变 产生降解的温度 。但是 ， 聚乙二醇的确会影响 降解速度 ， 进而减缓降解的进程 。 下 转第4 2 页 C 0 C C C 4 C C 眦 2 B 6 7 7 |J 5 2 5 8 B r 4 3 5 2 4 l i i B i i 4 4 维普资讯 4 2 国界宝 占 井技术 第十 四卷1 9 9 8 年第 3 期 同层段也存在相同问题 。 根据此地 区的井史资 料， 井眼均呈椭圆形， 但这几E l 井的井眼并非 如 此 Kh a m P a l a i 1 、 S a k o n1和 Hu a i Mu k 1 井的固井都很顺利， 没有出现胶结疏松和 顶替效果不好的情况， 按照泥浆工程师的指 导， 维护这种钻井液系统并不费力。正常钻进 时聚 乙二醇 的消耗 量远小于钻井液漏失 中聚 乙二醇的损失量 。 结 论 1 当聚乙二醇分子符合下列条件时可以 在页岩孔隙中产生相分离， 有效地稳定页岩。 有效地进人孔隙空间的聚乙二醇分子 量范 围是 5 0 0 2 0 0 0 a ． w． U ； 聚乙二醇必须具有混浊特性 ； 聚 乙二醇 的 C P T应根据 B HC T 来配 制 ， 并能完全适应井眼和井底静止温度的温度 梯度。 2 通过调整聚乙二醇或溶液中的盐组分 得到的不 同的 C P T 曲线 ， 避免了在使用聚 乙 二醇时增加额外费用。 3 长井段 中 B HC T和 B HS T变化相当 大， 对付这种情况的办法有 通过溶液 中盐分随井深增 加而减少来 提高 C P T； 可 以使用两种不同 C P T 的聚乙二醇混 合物 ， 井随井深 的变化调整混合物。 4 成 功 地 设 计 了 清 水／ 不 分 散 C h a me l e o n i c或 TA ME聚 乙二 醇体 系， 取代 了油基钻井液体系和高浓度的氯化钾钻井液 体系， 并应用于 K h o r a t 高原的钻井作业中。 5 井壁稳定性可 以和用油基钻井液所打 的 1 2 ． 2 5 ” 3 1 1 mm 井段及用高浓度氯化钾钻 井液体系所打 的 8 ． 5 ” 2 1 5 ． 9 ram 井段的稳定 性相 比美 。 6 使用本体系所打 1 2 ． 2 5 i n 3 1 1 mm 井 段时的钻井液的淡化速率和每英尺成本与邻 井使用油基钻井液体系的平均结果相当 ， 甚至 更优 。 7 使用本体系所打 8 ． 5 n 2 1 5 ． 9 mm 井 段时的钻井液的淡化速率和每英尺费用与邻 井使用高浓度 K C 1 钻井液体系的平均结 相 当 ， 甚至更优 。 8 利用低含盐量两相或 T AME钻井液 体系成功地在 KRA油田打了 4口定向井。 译 自 I AD C ／ S P E 3 6 4 0 0 上接 第 3 6页 现场试验 位 于 新加 坡东 北面 约 3 0 0英 里 的印尼 Ka p a p B l o c k ， 水深 3 0 0英尺 ， Ma r a t h o n公司 用低盐钻井液钻了三 口探井， 发生了因孔隙压 力释放引起井壁不稳定的典型症 状。某些井 段钻进速度很低 ， 降至 7到 8 英尺／ 小时。 合理 配翩的聚乙二醇体系提供 了阻止孔隙压 力释 放和稳定页岩的可能性， 且泥浆密度低于用其 他配方所要求的密度。由于井温高， 甚至在使 用微咸盐水聚乙二醇体系的情况下 ， 也不得不 用高浊点温度 聚 乙二醇， 以加强通 常在这一 地区使用的聚乙二醇的作用。 根据这几口井和 其它井的钻井液性 能分析 ， 证 实了在室内试验 已观察到的聚乙二醇对聚合物有高温高压稳 定作用 结 论 1 ． 本文已经证实， 聚乙二醇／ 聚合物的相 互作用提高了水基钻井液中聚合物的高温高 压稳定性能。 2 ．聚合 物与聚 乙二 醇分子之间憎水基团 的相互作用和氢键键合作用被认为是产生聚 合物／ 聚乙二醇协同作用的机理 。 3 ．协同作用取决于聚合物和聚 乙二醇类 型以及基液盐浓度 4 ． 为充分利用高温高压钻井液的稳定作 用 ， 对 每一种聚合物和基液都必须优化聚乙二 醇外加剂及其浓度。 译 自 J P T． 1 9 9 7 ． J u n e ． 维普资讯