“多元协同”钻井液研究及应用.pdf

第 2 9卷 第 2 期 2 0 1 2年 3月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D ＆ COM PLETI ON FLUI D 、 ， o 1 ． 2 9 No． 2 M a r ．201 2 【 理论研究与应用技术 】 “ 多元协同“钻井液研究及应用 吕开河 ， 朱道志 ， 徐先国2 7 陈亚男 1 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院，山东青岛 ； 2 ． 西部钻探准东钻井泥浆公司，新疆准东 吕开河等 ．“ 多元协同”钻井液研究及 应用 [ J 1 ． 钻井液与完井液 ，2 0 1 2 ，2 9 2 1 4 ． 摘要 以 “ 物化封固井壁阻缓压力传递 加强抑制水化 化学位活度平衡 一 合理 密度有效应力支撑”的 “ 多元 协同”稳定井壁新理论为基础，对有机胺、铝基聚合物及聚舍物弹性徽球等主要处理剂进行了评价，研制出了 “ 多 元协同”钻井液。室内实验和现场应用表明，该钻井液具有优良的防塌性能，能有效抑制岩屑分散，起到稳定井 壁和保护油气层的作用，满足复杂地质条件下钻井的需要。试验井机械钻速为6 ． 0 3 m／ h ， 2口邻井分别为3 ， 3 8 、 4 ． 2 2 m／ h； 井眼扩 大率为 8 ． 1 9 ％，邻 井分别 为 1 6 ． 1 ％ 和 1 5 ． 7 ％。 关键词 井壁稳定 ； 多元协同理论 ； 防塌 ； 钻井液 ； 现场应用 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 2 0 2 0 0 0 1 0 4 随着石油工业勘探开发范 围的不断扩展 ，复杂 地质条件下所钻井的数量越来越多 ，井壁稳定 已成 为影响钻井速度和安全 的重要因素之一 [ 1 - 7 ] ，也是 人们研究的热点 [ 8 - 1 2 ] 井壁失稳是多种 因素共 同作 用的结果 ，原因复杂 ，为 了解决井壁失稳问题 ，笔 者以 “ 多元协 同”稳定井壁理论为基础 [ 9 ] ，通过使 用合理的钻井液处理剂 ，研制 出一种 “ 多元协 同” 钻井液体系，并进行了现场试验 ，有效地解决 了复 杂地层的井壁失稳问题 。 1 “ 多元协同”稳定井壁理论 通过选取合理的钻井液密度 ，使钻井液对井壁 产生有效 的应力支撑是井壁力学稳定 的必要条件 ， 但在不能有效阻缓压力传递的情况下 ，井 眼压力与 近井壁地层压力的压差会很快缩小 ，甚至为零 ，因 此，加强封固及阻缓孔隙压力传递是提高井下液柱 压力对井壁有效力学支撑作用 的前提 。然而 ，在正 压差钻井 的前提下 ，不管钻井液封 固性能如何 ，钻 井液或多或少还会进入地层，为此可以通过化学位 活度平衡进一步减少钻井液侵入，同时通过增强抑 制作用减少钻井液对岩石强度的影响。“ 物化封固 井壁阻缓压力传递 合理密度的有效应力支撑 一 加 强抑制水化 ． 化学位活度平衡”构成了 “ 多元协同” 稳定井壁理论 。 2 室 内实验 根据 “ 多元协同”稳定井壁理论可知 ，好的封 堵剂可以提高钻井液的封固能力和成膜作用 ，有效 阻缓压力传递和提高泥页岩膜效率，为钻井液对井 壁产生有效力学支撑 和化学位活度平衡提供保证 ， 有效的抑制剂则可为钻井液提供强抑制作用，减少 泥页岩的水化。因此，选择合理的封堵剂及抑制剂 是配制 “ 多元协同”钻井液的前提和保证。 2 ． 1 铝基聚合物 化学封堵剂 性能 铝基聚合物是通过特殊工艺制备的含铝离子的 聚合物，为评价铝基聚合物的性能，分别做了膨胀 实验 和岩 心浸泡实验。黏 土在水 、5 ％KC 1 、3 ％硅 酸钠、2 ％铝基聚合物溶液中的 8 h 膨胀率分别为 3 5 ． 2 ％、3 3 ． 1 ％、3 1 ． 8 ％ 和 1 5 ． 4 ％。岩心在不 同溶液 中浸泡 7 2h后的实验结果见图 1 。 基金项 目 国家科技重大专项 “ 煤层气井钻井关键技术研 究” 2 0 0 9 Z X 0 5 0 6 0和 “ 储层保护机理及新技术研究” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 0 2资助。 第一作者简介 吕开河， 博士， 1 9 7 0年生， 现在主要从事井壁稳定、 保护油气层及油田化学剂开发方面的研究工作。地址 山东省东营市中国石油大学石油工程学院 ；邮政编码 2 5 7 0 6 1； E - ma i l l k h 5 4 3 2 1 1 2 6 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 钻 并 液 与 完 井 液 2 0 1 2年 3月 7 ％N a C 1 7 ％KC 1 7 ％硅 酸钠 3 ％ 铝基聚合物 图 1 岩心在不同溶液中浸泡 7 2 h 后的实验结果 由此可以看出，铝基聚合物能有效降低黏土的 膨胀 ，有利于保持岩心的完整性 ，原因在于其形成 的化学沉淀物覆盖在岩心的表面，降低了岩心与水 的直接接触 。 2 ． 2 可变形弹性微球 物理封堵剂 性能 采用砂粒粒径为 0 ． 1 5 ～0 ． 2 5 mm 的砂床对可变 形弹性微球 的封堵性能进行了评价。测得 6 ％ 膨润 土浆为全漏失 ，在 6 ％ 膨润土浆 中分别加人 2 ％可 变形弹性微球 、2 ％无渗透剂 、2 ％复合堵漏剂得到 的钻井液砂床侵入深度为 7 ． 6 、7 - 3和 1 0 ． 8 c m。 岩心回收率实验结果表明，岩屑在清水 中的回 收率为 3 8 ． 8 ％，在 O ． 5 ％、1 ％、2 ％ 可变形弹性微球 溶液中的回收率分别为 8 7 ． 3 ％、8 7 ． 8 ％和 9 0 ． 3 ％。 由此可 以看 出，可变形弹性微球能有效提高页 岩 回收率 ，抑制岩屑的水化分散 ，阻止钻井液侵入 砂床 ，且其封堵砂床的能力与无渗透剂相当。 2 ． 3有机胺抑 制剂性 能评价 有机胺抑制剂是 由低分子醇 、环氧化合物 、胺 类化合物及催化剂等在一定温度下反应而生成 ，再 经过冷却 、过滤 、精 制而得 ，为无色黏稠状液体。 有机胺抑制剂 的岩屑回收率实验结果见表 1 。 表 1 岩屑回收率实验数据 由此可知 ，有机胺抑制剂能大幅度提高岩屑的 回收率 ，保持岩心的完整性 ，特别是二次 回收率和 三次回收率均较高，表 明由于阳离子的作用其在泥 页岩上的吸附也非常牢 固， 有利于井壁的长期稳定。 2 ． 4 “ 多元协同”钻井液配方及性能 依据上述实验结果 ，通过优选处理剂 ，最终研 制出 “ 多元协 同”钻井液配方如下 ，其性能见表 2 。 4 ％ 膨 润 土 0 ． 2 ％K P AM 1 ％ 有 机胺 抑 制 剂 2 ％ 铝基 聚合 物 2 ％ 可变形弹性微球 2 ％ 防塌 降 滤失剂 L YD F 3 ％S MP 一 1 加重剂 从表 2可以看 出，该钻井液的中压滤失量低于 5 mL，泥饼薄，流变参数合理 ，所有性能参数均满 足设计要求。 表 2 密度为 1 ．2 5 g ／ e m ‘ 多元协 同”钻井液的性能 1 抑制性能。由实验结果可知 ，岩屑在蒸馏 水和“ 多元协同” 钻井液中的 2 h膨胀率分别为 6 ． 8 ％ 和 1 ． 1 ％，8 h膨胀 率分别 为 8 ． 7 ％和 1 ． 4 ％，滚动 回 收率分别为 3 3 ． 2 ％ 和 9 8 ． 5 ％ ； 未经 “ 多元协同”钻 井液处 理 的岩 心膜效率 为 0 ． 0 4 5 ，经 “ 多元协 同” 钻井 液处 理的岩心膜效率为 0 ． 1 8 7 ，膜效 率提高率 达 3 1 5 ． 6 ％。“ 多元协 同”钻井液 的砂床 砂粒粒径 为 0 ． 1 5 ～0 ． 2 5 mm 侵入深度仅为 2 ． 7 c m。上述实验 结果证明， “ 多元协同”钻井液具有很强的防塌作用 ， 可以抑制黏土矿物的水化膨胀 、分散及坍塌 ，阻止 钻井液侵入地层 ，有利于井壁稳定和保护油气层 。 2抗钻屑污染能力。在 “ 多元协 同”钻井液 中加入不 同数 量的土粉 取 自胜利油 田沙河街组地 层岩屑 ，经研磨后用筛孔为 0 ． 1 5 4 mm的筛筛分 ， 实验结果见表 3 。 表 3 “ 多元协同”钻井液抗土粉污染实验 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 2期 吕开河等 “ 多元协 同”钻井液研 究及应用 3 由表 3可知 ，“ 多元协 同”钻井液污染前后 的 性能稳定 ，黏度 、切力及滤失量均变化较小 ，说 明 其具有 良 好的抗污染性能， 满足钻井工程的需要。 3 保护油层性能。选取 3 种不同渗透率的岩 样进行了渗透率恢复实验。钻井液对岩心进行污染 的条件 为 温度 为 1 2 0 o C，压差为 3 ． 5 MP a ，时间 为 6 0 mi n ，实验评价结果见表 4 。 表 4 保护油层实验结果 由表 4可以看出，岩心在钻井液中的渗透率恢 复率均在 8 5 ％以上，说明 “ 多元协同”钻井液保 护油气层的效果较好。 3 “ 多元 协 同”钻井液作 用机理 “ 多元协 同”钻井液 的主要处理剂有机胺 、铝 基聚合物和可变形弹性微球均具有各 自的特点，通 过它们的协同作用，赋予钻井液 “ 多元协同”作用 机理， 使钻井液具有良好的防塌和保护油气层作用。 1 化学与物理协同封堵作用强。“ 多元协同” 钻井液较强的封堵性能主要来 自铝基聚合物的化学 封堵及可变形弹性微球的物理封堵 2 个方面。 铝基聚合物在强酸I生 水溶液中以[A 1 O H ] 3 的形式存在 ； 当p H值为 4 ．6 时，2 个羟桥又连接形 成双核的铝离子的络合物 [A l O H O H ] ； 当 p H值 为 5 ～6时，它 又 会生 成 氢氧 化 铝沉 淀。 根据这一原理 ，因为钻井液一般呈碱性 ，故当在钻 井液 中加入铝基聚合物时 ，它是 以溶解 的络离子形 式存在，而当铝离子随钻井液滤液进入地层时，遇 到地层水 p H值一般为 5 ～6 即会生成氢氧化铝 沉淀。利用氢氧化铝在页岩孔喉内或微裂缝内的沉 积作用，起到化学封堵的作用。 可变形弹性微球的粒径平均值在 6 0 g m左右， 具有较好的弹性， 在压差作用下会发生弹性变性 可 以克服刚性颗粒适应性差 的缺点 ，可 以适应不 同 形状和尺寸的孔喉，对较宽尺寸的孔喉产生良好的 封堵作用，降低钻井液向地层的滤失量 ，是配制钻 井液的优良防塌剂和油层保护剂。 2强抑制作 用。有机胺和可变形弹性微球具 有较强抑制水化作用 。 有机胺与水作用，自身解离为能与黏土负电性 颗粒吸附的阳离子化合物，抑制黏土的水化分散。 有机胺具有高浓度 的胺基基团 ，保证有机游离胺 良 好的吸附性能和抑制效果。有机胺的弱碱性及弱离 解性能使有机胺的作用浓度一直处于平衡状态 ，胺 的总浓度中处于活跃状态的离解胺浓度并不大，但 其能长效保持浓度平衡。有机胺的抑制作用具有长 效性，抗冲刷能力强，保证钻井作业结束后也具有 长时问的地层抑制效果 。 可变形弹性微球呈正电性，且其分子中具有多 个吸附基团 ，再加上微球尺寸小 ，具有大 的比表面 积 ，这样就大大增加了其与井壁发生吸附的机会和 程度 ，易在地层井壁表面形成吸附层 ，阻止水侵入 地层 ，有效阻止泥页岩水化膨胀及分散 。 3 有效提高膜效率。据资料介绍，钻井液处 理剂可通过直接封堵地层孔隙或在孔隙表面的吸 附，降低孔隙尺寸，提高泥页岩的膜效率，进而通 过渗透作用降低钻井液侵人地层 。由于铝基聚合物 和聚合物弹性微球均具有良好的封堵作用，同时有 机胺和可变形弹性微球又具有较强的吸附能力 ，因 此优选的 “ 多元协同”钻井液能提高泥页岩的膜效 率 ，阻止钻井液侵入地层 。 由以上分析可以看出，若配以合理的密度和较 低 的水活度 ，“ 多元协 同”钻井液满足 “ 物化封 固 井壁阻缓压力传递 ． 合理密度有效应力支撑 一 加强 抑制水化 一 化学位活度平衡”的 “ 多元协同”稳定 井壁新理论的技术要点，具有良好的防塌及保护油 气层作用。 4 现 场 应 用 吉 1 7 1 井是准噶尔盆地东部隆起吉木萨尔凹陷 吉 1 7 井二叠系梧桐沟组岩性圈闭上的一口评价井， 完钻井深为 3 1 0 0 m。该井所在区域的新近系和古 近系地层膏质、灰质泥岩发育，水敏性强，易发生 造浆、缩径、卡钻等现象 ； 侏罗系西山窑组、八道 湾组煤层及 炭质泥岩易发 生硬脆 性垮塌或水化 剥 落，且地层孔隙裂缝发育，承压能力低，易漏失 ； 三叠系下统烧房沟组、 韭菜园组褐色泥岩水敏性强， 易水化分散 ； 三叠系至二叠系各组地层伊蒙无序混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 钻 井 液 与 完 并 液 2 0 1 2年 3月 层泥岩发育，易水化膨胀垮塌 ； 二叠系梧桐沟组裂 缝孔隙发育，石炭系顶部风化壳裂缝孔洞发育，均 易漏失。 针对吉 1 7 1 井所在区域的钻井难点和邻井钻井 中出现的井塌 、井漏 、缩径、阻卡 、大段划眼等井 下复杂问题，在吉 1 7 1 井开展了 “ 多元协同”钻井 液的现场试验。吉 1 7 1 井二开钻至井深 1 0 0 0 m左 右时，以原钾基聚磺钻井液为基础，转化为 “ 多元 协同”钻井液，钻井液的配方如下，其转化前后的 性能见表 5 。 4 ％膨润 土 0 ． 2 ％KO H 0 ． 5 ％S P ． 8 0 ． 5 ％F A． 3 6 7 十 3 ％S MP ． 1 5 ％ K C l 1 ％有 机 胺 1 ％铝 基 聚合 物 2 ％ 可变形弹性微球 重晶石 表 5 “ 多元协同”钻井液转化前后的性能 由实验结果可知 ，转化后钻井液的性能稳定 ， 流变性也更好，A P I 滤失量有所降低，泥饼致密、 表面光滑，并且薄而韧，比加入实验材料前有明显 的改变； 转化后返出钻屑颗粒均匀、 干净、 不糊筛面， 说明钻井液的抑制性也有很大的提高。 现场试 验表 明，该井 机械钻速 为 6 ． 0 3 m／ h ，2 口邻 井 分 别 为 3 ． 3 8和 4 ． 2 2 m／ h；井 眼扩 大 率 为 8 ． 1 9 ％，2口邻井分别为 1 6 ． 1 ％和 1 5 ． 7 ％，表明 “ 多 元协同”钻井液具有良好的抑制泥页岩水化膨胀和 分散的能力 ，能有效地防止钻头泥包 、提高钻井速 度，在提高井壁稳定性、控制钻井液流变性和减少 井下复杂等方面效果显著。 5 结论 1 ． 新型钻井液处理剂有机胺、铝基聚合物和可 变形弹性微球具有很强的防塌性能 ，且与钻井液及 其他处理剂配伍性好，在加强钻井液防塌性能的同 时， 对钻井液流变性、滤失性等性能无不良影响。 2 ． 实验研 究表 明，“ 多元协 同”钻井液将有机 胺 、铝基聚合物和可变形弹性微球 的防塌作用有机 结合，满足 “ 多元协同”防塌新理论的技术要点， 具有封堵能力强、滤失量低、泥饼质量好、抑制性 好及抗污染能力强的优点，具有很强的抑制钻屑分 散、稳定井壁和保护油气层作用。 3 ． 现场应用表明，“ 多元协同”钻井液具有良 好的综合性能，能有效抑制泥页岩的水化膨胀、分 散，防止地层的坍塌，钻速快，完全满足复杂地质 条件下钻井的需要 。 参 考 文 献 [ 1 】 D o wn s J D，Va nO o r t E r i c ，R e d ma nDI ． T AME An e w c o n c e p t i n w a t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d s f o r s h a l e s [ R ] ． S P E 2 6 6 9 9 ， 1 9 9 4 ． [ 2 】 L a b e n s k i F， R e i d P， S t a n t o s H． Dr i l l i n g fl u i d a p p r o a c h e s for c o n t r o l o f we l l b o r e i n s t a b i l i t y i n f r a c t u r e d f o r ma t i o n s [ R 】 ． S P E 8 5 3 0 4 ，2 0 0 3 ． 【 3 ] MOD Y F K，H AI E A H． A b o r e h o l e s t a b i l i t y mo d e l t o c o u p l e t h e me c h a n i c e a n d c h e mi s t r y o f d r i l l i n g fl u i d s h a l e i n t e r a c t i o n [ J ] ． S P E 2 5 7 2 8 ，1 9 9 2 ． 【 4 】 朱宽亮，吴晓红，宫丽 ， 等 ． 南堡油田馆陶组玄武岩井 壁稳定技术的研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 3 26 ． 27 ． 【 5 ] 孙玉学 ，王嫒慧，李玉莲，等 ． 乾安地区井壁坍塌机 理及钻井液技术研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 5 7 6 ． 7 8 ． 【 6 ] 丰全会 ． 井壁稳定性研究及其在盐城地区的应用 [ J ] ． 钻 采工艺 ，2 0 0 0 4 2 2 ． 2 6 ． [ 7 ] 李天太，高德利 ． 井壁稳定性技术研究及其在呼图壁 地 区的应用 [ J ] ． 西安石油大学学报，2 0 0 2 ，1 7 3 1 9 ． 2 1 ． [ 8 】 邓虎， 孟英峰 ． 泥页岩稳定性的化学与力学耦合研究 [ J ] ． 石油钻探技术，2 0 0 3，3 1 1 3 2 ． 3 5 ． [ 9 ] 唐林，罗平亚 ． 泥页岩井壁稳定性的化学与力学耦合研 究现状 [ J ] ． 西南石油学院学报，1 9 9 7 ，1 9 2 8 5 8 8 ． 【 1 0 ]裴建忠，吕开河 ，王树永，等 ． 聚合物弹性微球油层 保护剂 的研究 [ J ] _ 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 2 2 8 ． 2 9 ． 【 l 1 】徐加放 ，邱正松，黄晓东 ． 谈钻井液封堵特性在防止井 壁坍塌中的作用 [ J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 8 ， 2 5 1 3 - 5 ． [ 1 2 ] 徐加放 ， 邱正松，李云贵，等 ． 井壁稳定新观点能 量守恒 【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 7 ，2 4 5 1 2 ． 1 4 ． 收稿日期2 0 1 1 ． 1 0 ． 2 5 ；HG F 1 2 0 1 N3 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m