“零电位”水基钻井液探讨.pdf

第2 8 卷 第6 期 2 0 1 1 年1 1月 钻井液与完并液 DRI LL 【 NG F L UI D C0M P L ET 1 0N F LUI D V 0 1 ． 2 8 No ． 6 NOV ．2 0l l 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 1 0 6 ． 0 0 1 7 0 4 “ 零电位’ ’ 水基钻井液探讨 梅宏 ， 杨鸿剑 ’ ， 张克勤 ， 常瑞花 1 ． 新疆石油学院石油工程系，乌鲁木齐 ； 2 ． 中国石油勘探开发研究院，北京 ； 3 ． 陕西延长石油集团榆林炼油厂，陕西榆林 摘要在应用 中，分散型钻井液存在 “ 性能稳定”和 “ 井壁稳定”矛盾要求及钻井液的Z e t a电位- 9所钻地层 电性不匹配的问题。具有抑制性的阳离子水基钻井液能有效抑制泥页岩水化分散的问题，但出现阳离子型处理剂 和阴离子型处理剂不相容的问题。从理论和试验分析了将高负Z e t a电位的钠基膨润土改造成 “ 零电位”土的途径。 由正交试验结果确定，以H E C、P E O和 A I C 1 为膨润土电性改变剂形成的膨润土 水分散体系，可以配成符合钻 井液性能要求的体系。以此为基础，不使用阴离子型处理剂，只使用阳离子型、非离子型和高价无机盐作处理剂， 优选 出 了 “ 零 电位”水基钻井液的基本配方。 关键词 阳离子水基钻井液 ； 抑制性 ； Z e t a电位 ； 膨润土改性 ； “ 零电位”水基钻井液 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A 黏土分散在水 中时，黏土颗粒表面带负电 ， 因 此由钠基膨润土为基础的水基钻井液是负电悬浮分 散体系。黏土颗粒电动电位 Z e t a电位 的大小直接 关系到黏土胶粒的分散性和稳定性，负 Z e t a 电位值 越高 ，黏土水化分散性越强。钻井液稳定剂的作用 原理就是用阴离子型处理剂 降滤失剂和分散剂 增 强黏土颗粒的负 Z e t a 电位， 来强化体系负电的水化 分散效应。这一处理原则既引起地层中黏土矿物的 水化 、膨胀和分散，导致井壁不稳定 ，也使钻井液 的电性与所钻进的全部地层的电性不匹配。阳离子 型处理剂能够降低黏土颗粒的Z e t a 电位，从而削弱 其负电的水化分散效应，使钻井液产生较好的稳定 井壁效果 ，但这样又产生 阳离子型和阴离子型处理 剂不相容的问题。通过将钻井液的 “ 阴离子悬浮体 系”改为 “ 阳离子悬浮体系” ，有望解决这一矛盾， 为此提出 “ 零 电位” 或近地层电位 水基钻井液的 概念。 首先将 目 前使用的钠基膨润土的Z e t a 电位 大 于 一 3 5 mV ，改造成为 “ 零电位” 一 5 ～ 5 mV 的 膨润土来配浆 ，再改变其他阴离子型的处理剂 ，如 降滤失剂、提黏剂等均改成阳离子型或非离子型处 理剂，然后配成具有相应钻井液性能的体系。 1 “ 零电位”水基钻井液的提 出与实现 泥页岩抑制剂的作用就是阻止黏土矿物吸附阳 离子 ，抑制电动电位的增长，从而达到抑制地层黏 土矿物 的水化 、分散和膨胀 ，但对钻井液的稳定性 又构成了严重的破坏。当黏土颗粒表面的负 Z e t a 电 位显著降低或变为零 电位 ，甚至反转为正 电位时 ， 黏土 一 水悬浮体系的电性也随之改变。如果控制钻 井液中膨润土胶粒 的电位与地层黏土的电性尽可能 一 致 ，在井 内钻井液与井壁地层黏土之间建立一种 电势平衡 ，避免由于电动电位的差异引起化学位失 衡 ，就可减少钻井过程 中可溶性 电解质离子在钻井 液和井壁之间的频繁迁移，通过有效控制黏土矿物 的电性质，使钻井液能有效稳定井壁。“ 零电位” 钻井液概念 的提出，就是基于这样一个设想。 l - 1 “ 零电位”钻井液的理论依据与可行性 根据双电层理论， 带电的黏土颗粒分散在水中， 在颗粒表面形成扩散双电层，其中从滑动面到均匀 基金项目 中国石油天然气集团公司创新基金项目 “ 零电位”水基钻井液研究 2 0 0 8 D ． 5 0 0 6 ． 0 3 0 1 。 第一作者简介 梅宏，副教授，1 9 9 4年毕业于石油勘探开发研究院研究生部，现在主要从事石油工程专业的教学与 研究工作。地址 乌鲁木齐市友好南路 9 1号新疆石油学院 ；邮政编码 8 3 0 0 0 0；电话 0 9 9 1 7 8 5 0 6 0 4； E - ma i l me i h o n g p e t r o c h i n a ． c o m． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年l 1 月 液相内的电位叫 Z e t a 电位。Z e t a 电位大小与胶体的 聚结稳定性 、双电层的厚度密切相关 ，双电层越厚 ， Z e t a电位越大 ，胶粒间的双电层斥力越大 ，胶体越 稳定。在钻井液体系中， 影响 Z e t a电位的因素很多， 最主要的是阳离子的种类、 性质和浓度。一般来讲， 无机 阳离子的价数越高或者浓度越高，Z e t a电位越 低 ； 有机阳离子降低 Z e t a 电位的能力比无机阳离子 强。黏土颗粒在各种阳离子的作用下，Z e t a 电位由 高的负值 向低变化 ，在一些特殊的无机阳离子 、有 机阳离子等的作用下，黏土颗粒表面的负 Z e t a 电位 会降到零 等电态 或向正 Z e t a 电位转化。 1 ． 2膨润 土电性的改变 将黏土． 水悬浮体系由原来的 “ 阴离子悬浮体” 负 Z e t a电位 转变成 “ 阳离子悬浮体” “ 零电位” ， 以达到实现钻井液抑制性的 目的，首先必须将 目前 使用的钠基膨润土改造成 “ 零电位”的膨润土。钻 井液应用技术 中，关于膨润土改性或改性研究 ，在 钙土的钠化和有机土的制备技术方面已经非常成 熟 。根据黏土矿物带电的原 因和影响黏土颗粒表面 电荷的因素 ，改变黏土颗粒表面 Z e t a电位 的方法很 多，如电解质法、有机阳离子法、非离子高分子表 面活性剂及水溶性非离子高分子法及 MMH正电胶 法等 [ 1-3 1 0尽管有多种方法可以使钠基膨润土改造 成 “ 零 电位”或接近地层电位 的膨润土，但上述方 法 中的经任何一种单一方法改造后 的膨润土 ，都不 能满足实现钻井液性能的要求。无机或有机阳离子 处理后 的膨润土的分散性很差 ； 非离子水溶性高分 子处理后 的膨 润土因处 理剂加量太多 ，膨润土一 水 悬浮体 的流变性能不能满足钻井液性能要求。经过 分析和大量试验，发现以线型水溶性非离子聚氧乙 烯类的高聚物为主要处理剂，配以高价无机盐协同 作用，可以控制高负Z e t a电位的膨润土处于合适 的 Z e t a电位状态 ，并使之配制成符合钻井液性能要 求的黏土水悬浮分散体系。其中高价无机盐如 A 1 C 1 水解后形成羟基铝离子可以与膨润土发生特 性吸附，使膨润土的Z e t a 电位降低甚至改变符号。 虽然非离子型水溶性高分子在水溶液中不电离，其 对胶体表面双电层的影响不能用静电中和解释，但 水溶性非离子聚氧乙烯类高分子多个羟基和烷氧 基，通过氢键在膨润土表面产生吸附后 ，可以降低 膨润土颗粒表面的 Z e t a电位 ，而基本不改变膨润土 表面的亲水性， 使膨润土仍具有水化膨胀分散能力， 黏土水分散体 系可以保持稳定性 。水溶性非离 子聚氧 乙烯高聚物处理后的膨润土 的 S E M 、XR D 谱图和粒度分析，以及对非离子型水溶性高分子改 变膨润土 Z e t a 电位作用的解释，能在一定程度上说 明非离子水溶性高分子对胶体粒子表面 Z e t a电位的 影响机理及其不同于电解质的压缩双电层作用和小 阳离子吸附于黏土颗粒表面与进入晶层间，使黏土 颗粒电位发生变化作用之处 ； 这也是 “ 零 电位 ”钻 井液区别于阳离子钻井液的一个重要特点。 1 ． 3 “ 零电位”膨润土的分散问题 “ 零电位”状态下的膨润土形成满足钻井液性 能要求的 “ 分散悬浮体系” ，是 “ 零电位”水基钻 井液实现的关键。图 1 是经不 同处理剂改造后的膨 润土粒度分析结果。从图 1 可知 ，钠化膨润土颗粒 在 l ～1 0 0 g m范 围分布比较均匀 ，小于 1 0 g m的颗 粒含量在其中比例较大，但总的粒度分布范围不均 匀 ，有相 当部分大于 l 0 0 0 g m ； 经 A 1 C 1 处理的膨 润土颗粒的分布范围在 1 ～1 0 0 0 g m间 ，且 1 0 0 ～ 1 0 0 0 g m 比例较 大，经计算 ， 比表 面积 和小 颗粒 含量则减少 ，显然是 电解质压缩双电层的结果 ； 由 H E C和 P E O处理的膨润 土颗粒 的粒度分布范围主 要集中于 1 ～1 0 0 g m间，分布较均匀，处理后的膨 润土颗粒的体积平均粒径 D、粒度 中值 比钠化 膨润土颗粒 的对应值小 的多，但 比表面积和小颗粒 含量增加较多，这说明非离子型高分子在降低膨润 土颗粒表面 Z e t a电位的同时 ，不会改变膨润土的亲 水性和分散效果 ，在一定程度上还能增强膨润土的 分散效果，这应该是高分子护胶作用和同号离子效 应的结果 ； 经电性改变剂处理后 的膨润土颗粒主要 分布在 1 ～ 1 0 0 g m和 1 0 0 ～1 0 0 0 g m范围，体积平 均粒径 J[ 、粒度中值 比由H E C和 P E O单独处 理后小 ，比A1 C 1 单独处理后大 ，“ 零 电位 ”钻井液 中黏土颗粒分布于 1 ～1 0 0 0 g m范围，更多分布于 1 O ～1 0 0 0 g m范围，体积平均粒径 D、粒度中值 变大。图 1 e f 除了无机絮凝剂和有机分散剂 共同作用下适度絮凝的结果外，图 1 f 情况下还 应是其它处理剂如 C P A M、 C D F等的作用效果所致。 由此看出，以羟乙基纤维素 H E C 、水溶性非离子聚 氧乙烯聚合物 P E O和 A 1 C 1 为膨润土电性改变剂组 合， 能使钻井液中膨润土颗粒处于较好的分布状态。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 8 卷 第6 期 梅宏等 “ 零电位”水基钻井液探讨 1 9 20 1 5 1 0 5 0 O．O1 1 O ＼ 5 故 0 4 专3 嬖z 1 0 0 ． 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 3 0 0 0 粒度／ 岬1 a 膨润土 0 ． 4 ％N a z C O 3 0 ．01 o 1 l 1 o l 0 o l 0 0 0 3 0 0 0 粒度／ g in b0 ． 4 ％A 1 C 1 3 处理土 0．01 0 ． 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 3 0 0 0 粒度／ g m d6 ％P E 0处理土 4 3 垂 z 1 0 专 嬖 0 0 ． 01 0 ． 1 l l O 1 O 0 l 0 0 0 3 0 0 0 粒度／ l u n e 0 ．6 ％ 电性改变剂处理 土 鎏 ．． 0 ． O1 0 ． 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 3 0 0 0 粒度／ g in f “ 零电位”钻井液黏土 图 1 不同处理剂处理后膨润土的粒度分布 1 ． 4 “ 零电位”水基钻井液的实现 根据钻井液性能要求和 “ 零 电位 ”水基钻井液 概念，对各类处理剂进行了筛选和配伍性评价。 1 ． 4 ． 1 处理剂的选择原则 ①不增强膨润土． 水悬浮体系的负电性 ； ②满 足钻井液的性能要求 ； ③处理剂之间的配伍性好 ； ④在现有钻井液技术 中已成熟应用 ； ⑤加量小。 1 ． 4 ． 2 处理剂的选择范围 根据 “ 零 电位 ”水基钻井液的概念及 以上选择 原则 ，处理剂筛选 范围为阳离子及非离子型处理剂 辅 以无机 盐 ，包括 主 抑制 剂 NW- 1 、XY - 2 7；辅 助包被剂 C P A M、F A． 3 6 7； 增黏及 流型调节剂 X C、H E C； 降滤失剂 阳离子淀粉 C D F 、阳离 子降滤失剂 H S 一 1 、 J T - 8 8 8； 润滑剂 聚氧乙烯高聚 物 P E O 、阳离子沥青 ； 无机盐 KC 1 ，A1 C 1 。 1 ． 4 ． 3 电性改变剂的确定 用单一无机盐或非离子聚合物或阳离子聚合物 改变膨润土的 Z e t a 电位，钻井液的其他性能不易实 现。而将几种处理剂复配使用，在改变膨润土Z e t a 电位的同时，其他功能作用也能得到发挥， 起到一 剂多用 、 简化钻井液配方、 实现钻井液性能的效果。 根据膨 润土 电性改变试 验结果 1 ] ，对上 述处 理剂中具有改变膨润土Z e t a 电位作用的大、小阳 离子、羟乙基纤维素、聚氧乙烯高聚物、两性离 子 、A1 C 1 等进行 了 L 3 、L 4 正交试验 ，以 钻井液 Z e t a电位 为试验值 ，用 它们对 夏子街 膨润 土和潍坊膨润土进行 了多次试验。L 0 3 正交试验 确定以 H E C 、P E O和 A 1 C 1 为膨润土电性改变剂 组合，当组合剂中各 自的质量比为 H E C P E O A 1 C 1 1 ～2 2 ～4 1 ～2 、加量为 0 ． 6 ％～1 ． 0 ％ 时 ， 可 以控制膨 润土加量 4 ％～8 ％ ／ “ 零 电位 ”钻 井液的 Z e t a电位低于 一 5 mV。 1 ． 4 ． 4 处理剂的配伍性实验 分别选择羟乙基纤维素、聚氧乙烯高聚物、氯 化铝为膨润土的电性改变剂 ，试验它们与部分其他 处理剂的配伍性能。所有处理剂配成浓度为 1 ％的 水溶液，相互混合，结果见表 1 。实验结果表明， 非离子型的 H E C、P E O与处理剂的相容性均较好 ； A 1 C 1 与阳离子型处理剂的相容性好，与含有阴离 子基团的处理剂形成沉淀物或有絮状物产生，特别 是与分子量大的聚合物相容性差，这应该是电解质 ∞ 如 ∞ m 土 m 粒 陀 H ， ％ 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 1 年1 1月 特别是高价金属盐 对高分子溶液的盐效应所致。 表 1 配伍性实验 3 “ 零 电位”水基钻井液的组成与性能 在上述实验 的基础上，结合在实际应用 中已成 熟的抑制性水基钻井液 ，形成了 “ 零电位”水基钻 井液基本配方 ，其 中之一的组成如下。 1 4 ％ 膨润 土 0 ． 6 ％ 电性 改 变剂 0 ． 4 ％NW- 1 0 ． 2 ％CP AM 0 ． 5 ％CDF 0 ． 8 ％HS 一 1 1 “ 零电位”钻井液 1 与阳离子聚合物钻井 液 2 性能 比较见表 2和表 3 。由此可知 ， “ 零电位” 钻井液 的流变性能较好 ，且其摩 阻系数 、泥饼黏附 系数均低于阳离子钻井液。表中的阳离子聚合物钻 井液 的组成如下。 2 4 ％膨 润 土 0 ． 2 ％Na ， C O 0 ． 3 ％MV - C MC 0 ． 3 ％NW ． 】 0． 2 ％ CP AM 】 ％XC】 ． 0 ％ S PNH 表 2 “ 零电位”钻井液与阳离子聚合物钻井液的性能比较 p |F v f P v | Y P } G e l | F L I／ 嗽／ 1 1 Z e t a ／ 方g ／ c m S mP a S P a P a ／ P a mL rai n mV 、 D H 1 1 ． 0 4 2 3 1 4 6 0 ． 5 ／ 1 ． 0 4 1 7 3 2 1 ． 0 4 2 5 1 1 6 1 ． 0 ／ 1 ． 5 1 3 1 1 0 2 0 表 3 “ 零电位”钻井液与阳离子聚合物钻井液的润滑性 “ 零电位”钻井液在 1 2 0℃下滚动 1 6 h ，冷却 后测得钻井液的漏斗黏度为 2 8 S ，塑性黏度为 1 3 m P a S ，动切力为 6 P a ，中压滤失量为 7 m L ，泥饼 厚度为 1 ．5 m m， Z e t a 电位为 一 4 mV 。在 1 2 0 、 始 压为 4 ． 1 4 MP a 、回压为 O ． 6 7 MP a 下，“ 零电位”钻 井液高温高压滤失量为 1 4 mL，泥饼厚度为 2 m i n 。 2 抗污染能力。在钻井液 中分别加入 6 ％Na C 1 、 5 ％C a S O 、2 ． 5 ％ 评价 土后 ，如 表 4所示 ，钻井 液 的抗污染性能较好 。 表 4 “ 零电位”钻井液的抗污染性能 污染物 F V ／ P P V／ ． Y P P ／ cm 1 TI a s ／ S r‘ 上 ， a 2 ． 5 ％评价土1 ． 0 6 6 9 2 3 1 5 6 ％ Na Cl 1 ． 0 4 5 9 2 1 1 3 5 ％Ca S O4 1 ． 0 4 6 2 2 3 1 3 凡 m 泥饼 m m pH v L m 6． 5 0． 5 8 7 8 ． 0 1 ．0 8 9 8 ． 5 1 ． 0 8 一l 0 3抑制性 。泥页岩岩屑在 “ 零 电位”钻井液 中热滚 1 2 0℃、1 6 h 后 的一 次 回收率超 过 8 7 ％， 二次回收率超过 9 0 ％。 4 结论 1 ． 理论分析和实验结果表明，高负 Z e t a电位的 钠基膨润土改造成 “ 零电位”膨润土后 ，其所形成 的膨润土 ． 水分散体系可以配成符合钻井液性能要 求 的体系。 2 ． 膨润土 Z e t a电位的改变 ，可由单一处理剂实 现 ，也可 由几种处理剂组合实现 ，由几种处理剂组 合实现既可以合理使用处理剂的加量，更容易同时 实现钻井液的其他性能。 3 ． “ 零 电位”水 基钻井液 的电性和钻井液性能 控制，全部采用非离子、阳离子聚合物处理剂和高 价无机盐处理剂 ，不用阴离子型处理剂 ，即使钻井 液的 Z e t a电位能够与地层电性一致 ，也避免了阳离 子、阴离子聚合物共处 同一体系时的不相容问题。 4 ． 虽然 “ 零电位”水基钻井液 的性能经室 内实 验得以实现， 但钻井液是一个复杂的多相分散体系， 特别是对水溶性非 离子聚合物改变 黏土颗粒表 面 Z e t a电位的作用机理及 “ 零 电位 ”膨润土分散性的 认识和研究甚少，还有待于进一步深人 。 参 考 文 献 [ 1 ] 苏长明，付继彤， 郭保雨 ． 黏土矿物及钻井液电动电位 变化规律研究 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 2 ，1 9 6 1 - 4 ． [ 2 ] 梅宏 ， 杨鸿剑，张克勤 ． 膨润土的 Z e t a 电位及其电性转 变 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 5 1 4 ． [ 3 ] 黄浩清 ． 安全环保的新型水基钻井液 UL T R ADR I L L [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 4 ，2 1 6 4 7 ． 收稿 日期2 0 1 1 ． 0 2 ． 1 1 ；H G F I 1 0 6 N1 ；编辑 王小娜 4． I赋 TJ 一 一 ， f F 一 C 一 一 j_ 7 一 『 ‘ j- X ～ 一 一 万 0 一 一 一表 w一 十一 变 N一 一 生 M 一 解 一 一 懈 一 ～ 眦 崛 啪 一注 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m