“零电位”水基钻井液体系.pdf
第 3 2卷 第 2期 2 0 1 5年3月 钴井液与 完井液 DRI LLI NG FLUI D & COM PLETI ON FLUI D V_o 】 . 3 2 No. 2 M a r .20l 5 d o i 1 0 . 3 6 9 6 0 . i s s n . 1 0 0 1 5 6 2 0 . 2 0 1 5 . 0 2 . 0 0 4 “ 零电位“水基钻井液体系 李宁 , 李家学 , 周志世 , 朱金智 , 沈勤长 。 , 贺江红 1 . 塔里木油田公司油气工程研究院,新疆库尔勒 ; 2 . 塔里木油田公司塔北项 目经理部 ,新疆库尔勒 ; 3 . 新疆中环辉腾石油科技有限公司,乌鲁木齐 李宁等 .“ 零电位”水基钻井液体系 [ J ] . 钻井液与完井液,2 0 1 5 ,3 2 2 1 5 - 1 8 ,2 2 . 摘要针对塔里木油 田深井、超深井上部地层泥页岩水化膨胀阻卡,下部地层温度高,常规水基钻井液性能调 控 、维护 困难等问题,通过优选阳离子抑制剂C P I 、阳离子包被剂C P H一 1 和 C P H一 2 、阳离子降滤失剂C P F 一 1和C P F、 阳离子封堵剂 C P A等,形成了一套 “ 零电位”水基钻井液体系。该体系阳离子浓度可达 8 0 0 0 mg / L,其黏土颗粒的 Z e t a电位可达 一 1 O mv左右,稍高于原地层条件下岩屑颗粒的 Z e t a电位,从而阻止电荷迁移,稳定井壁 ; 在 1 . 0 ~ 2 _ 3 g / c m 密度范围内, 在 8 0 ~ 1 8 0℃下, 在很少处理剂加量下, 体系均表现出良好的流变性和降失水能力; 能抗 2 0 % 盐、 2 % 钙和 5 % 黏土污染。该钻井液在塔里木油田已应用 2 0余井,由钻井液引起的事故与复杂损失时间相比于传统水基钻井 液减少 1 0 . 2 %,机械钻速提高 1 4 . 9 %,钻井周期缩短 9 . 8 %,为深井安全 、快速 、高效钻井提供了新的钻井液体系。 关键词 阳离子钻井液 ; 零 电位差 ; Z e t a电位 ;深井 ; 井壁稳定 中图分类号T E 2 5 4 . 3 文献标识码 A 文章编号 阴离子型钻井液的井壁稳定作用是利用阴离子处 理剂来降低黏土颗粒的Z e t a电位,强化体系的负电 水化效应,但这一原理使得钻井液与地层 Z e t a 电位 不相匹配 ,从而引起地层泥 页岩水化 、膨胀和分散 , 导致井壁失稳 [1】 。为增强体系的抑制能力 ,提高钻 井液 的 Z e t a电位 ,刘雨晴首先研发 了阳离子聚合物 钻井液体系,将钻井液引进了一个新的发展领域 [2 -3 1 , 之后各种阳离子处理剂体系相继问世 [4 - 1 2 ] o阳离子型 钻井液能够提高黏土颗粒的Z e t a 电位,从而削弱其 负电水化分散效应,产生较好的井壁稳定能力,但是 体系存在较多阴离子, 造成离子不相容的问题。为此, 梅宏 、 杨鸿剑 、 张克勤等人提出了 “ 零 电位” 水基钻井 液理念 【 l ’ “ 】 , 该理念是通过提高钻井液 中阳离子浓度 , 使体系黏土颗粒的Z e t a 电位接近或稍高于地层条件 下井壁岩屑的 Z e t a电位 ,由于电位差为零 , 使得电荷 迁移被阻止,从而稳定井壁。笔者利用 “ 零电位”水 基钻井液的理念 , 通过优选处理剂 , 形成了 “ 零电位” 水基钻井液体系,实现了 “ 零电位”钻井理念 ,丰富 和发展了 “ 零电位”钻井液技术 。 1 “ 零 电位”水基钻井液作用机理 钻井液中黏土颗粒 Z e t a 电位与体系抑制性有很 大 的关 系,黏土 Z e t a电位越高 ,阳离子度越高 ,压 缩双电层,使得黏土越不易分散,体系抑制性越强。 当阳离子浓度与阴离子浓度相平衡时,钻井液电性对 黏土颗粒的 Z e t a电位影响很小 , 几乎可以忽略, 此时 , 地层岩屑颗粒在钻井液 中的 Z e t a电位 与在原地层条 件下 的 Z e t a电位相 匹配 ,即零电位差 ,此平衡状态 下 的钻井液 的抑制能力最强 ,井壁稳定能力也最强。 因此要求 “ 零电位”水基钻井液中阳离子浓度与 阴离 子相平衡 ,达 到零 电位差 ,此外 ,“ 零 电位”水基钻 井液还应具有优良的流变性、滤失性,以及抗温、抗 盐 、 抗钙 、 抗黏土污染能力强 , 各处理剂之 间配伍性好 , 易于现场处理和性能维护 ,满足经济适用性等要求 。 2 “ 零 电位”水基钻井液室内评价 2 . 1 阳离子单剂对黏土颗粒Z e t a 电位的影响 在 3 %膨润土浆中加入一定量 的阳离子抑制剂 基金项目 中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项 目” 塔里木油田勘探开发关键技术研究 “ 之课题 9 ”碳酸 盐岩安全、快速、高效钻完井技术 2 0 1 0 E 一 2 1 0 9“ 部分研究成果。 第一作者简介 李宁,高级工程师,现在塔里木油田公司油气工程研究院钻井研究室工作。地址 新疆库尔勒市塔里木油 田分公司油气工程研究院 ; 邮政编码 8 4 1 0 0 0; E ma i l L i n i n g - t l mp e o c h i n a . c o rn. c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 2期 李宁等 “ 零 电位”水基钻井液体 系 l 7 2 4 %膨润土 0 . 6 %C P I 0 . 6 %C P H- 2 0 . 5 %C P F 一 1 2 %CP F I . 0 %CP A1 . 0 %T RH一 1 3 4 %膨润土 1 . 0 %C P I 0 . 8 %C P H- 2 1 . 0 %C P F 一 1 3 %CP F 2 . 0 %CP A1 . 5 %TR H一 1 表 2 “ 零电位”水基钻井液的流变、滤失等性能 配 P 】 ,P / G 咒 A P I/凡 邢/ 阳离子浓度 / 方m P a S P a P a / P a mL mL mg / L mV 注 钻井液密度为 1 .2 5 g / c m ,老化条件为 9 0 o C2 4 h 。 表 2数据表 明,分别适用 于上部地层 1 配方 和下部地层 2 、3 配方 的实验配方流变性能、滤 失性能等均符合设计要求 ,Z e t a 电位为 一 1 0 --- 1 5 mV,稍高于地层条件下岩屑颗粒的 Z e t a电位 。 2 . 3 . 2 抑制性能 采用上述的上部地层配方 1 配方 和下部地 层配方 3 配方 ,取地层岩屑, 进行滚动回收实验, 实验结果见表 3 。表 3结果 表明 ,“ 零 电位”水基钻 井液的抑制能力较聚磺防塌钻井液强。 表 3 “ 零电位”水基钻井液的滚动回收实验 配方 岩屑回收率 / % 清水 聚磺防塌钻井液 4 %膨润土 3 配方 4 %膨 润土 聚磺防塌钻井液 7 %膨润土 1 配方 7 %膨润土 2. 7 6 27 . 8 3 8 . 8 41 _ 3 7 9 . 6 注 钻井液密度为 1 . 2 5 g / c m。 ,老化条件为 9 0℃ 2 4 h , 岩屑为康村组泥岩。 2 . 3 . 3 抗污染性能 在 3 配方基础上 , 分别加入 2 0 % 盐 、 2 %石膏 、 5 % 黏土 ,评价配方抗盐 、抗钙 、抗黏土污染的性能 ,实 验结果见表 4 。 表 4 “ 零电位”水基钻井液 3 配方 抗污染实验 污 PV / Y P / F m LA L p j FL m m L , Hp 注 钻井液密度为 1 . 2 5 g / c m ,老化条件为 9 0℃ 2 4h 。 由表 4可知 ,“ 零电位”水基钻井液在受 2 0 % 的 盐污染后黏度和滤失量略为增加 ,受 2 % 的石膏污染 后 ,黏度和滤失量变化不大 ,受 5 %黏土污染后 ,黏 度有一定幅度增加,可通过增加胶液使其性能恢复。 2 . 3 . 4 抗高温性能 测定 3 配方分别在 9 0 、 1 2 0 、 1 5 0。 c 老化后的性能 , 结果见表 5 。表 5中数据表 明,“ 零 电位 ”水基钻井 液在 1 5 0℃下 , 黏度变化幅度不大 , 滤失量略微增加 , 表明 “ 零电位”水基钻井液适用于 1 5 0℃以下地层 。 表 5 “ 零电位”水基钻井液 3 配方 高温性能实验 T卺 / P y Y P f G e t } F L F L H T H P / 子浓 0 ℃ mP a S P a P a / P a mL mL度 / mg / L mV 注 钻井液密度为 1 .2 5 g / c m ,老化时间为 2 4 h 。 3 现 场 应 用 “ 零电位”水基钻井液于 2 0 1 0年在塔里木油 田某 井成功试验后 ,截至 2 0 1 3年底 ,共应用 1 9口井 ,均 取得了较好的应用效果 ,满足油田长裸眼、高温、深 井钻井的施工要求。 3 . 1 地层特性及技术难点 塔里木油 田哈新热地 区油层埋藏深 ,普遍采用三 开井身结构,其二开井眼裸眼段长,基本达 5 0 0 0 1T I 左右,该井段上部新生代地层一般为砂泥岩互层,易 形成虚厚泥饼 ,极易 由于井眼缩径造成起下钻 阻卡 , 中生代白垩系、侏罗系、三叠系地层为巨厚硬脆性泥 岩,易出现井壁垮塌、剥落掉块等现象 ; 二叠系以火 山灰凝灰岩为主,易发生漏失 ; 石炭系、泥盆系、志 留系等地层以硬脆性泥岩、砂岩互层为主 ,易发生井 壁垮塌 , 目的层灰岩地层上覆压力大 ,地层温度高 , 对钻井液性能要求高 。上部快速钻进井段的阻卡、下 部井段的井壁稳定 问题和深井段钻井液抗温稳定性差 是钻井施工作业过程 中面临的主要难题 。 3 . 2现场施工 ①表 层采用 6 %~8 %膨 润土浆钻进,用 0 . 1 % C P I 0 . 2 %C P H 一 2 稀胶液维护处理。 钻进至井深 1 0 0 0 1 T I 左 右 , 随 着 井 温 的增 加 ,胶 液 浓 度 逐 渐 增 加 至 0 . 2 %C P I 0 . 4 %C P H一 2 1 %C P F 。钻 至 一 开 设 计 井 深 后,采用稠浆携砂,循环洗井。②二开上部井段地 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 5年 3月 层疏松 、钻速快、泥岩厚易水化膨胀 ,砂岩易缩径 , 需要进 一步提高钻井液 的抑制和包被能力。因此将 C P I 加量提高到 0 . 6 %~ 1 . O %,将 C P H一 2的加量提高 到 0 . 8 %~1 . 0 %,润 滑 剂 加量 提 高 到 0 . 5 %~ 1 . 5 % ; 每天至少测试 阳离子浓度一次 ,控制 阳离子浓度在 4 0 0 0 ~6 0 0 0 mg / L左右 ,Z e t a电位为 一 1 5 ~一 2 0 mV, 保证钻井液 中黏土颗粒 的 Z e t a电位 与原地层条件下 岩屑颗粒的Z e t a 电位相当。③进入白垩系大段泥岩 段及侏罗系等地层泥岩砂岩交替互层段后 ,逐步加大 C P F 用量, 其浓度维持在 2 %~3 %, 使钻井液高温高 压滤失量达到设计指标。同时加大封堵剂 C P A的用 量,以 1 %~2 %为宜,并配合使用润滑剂、少量乳 化剂 , 以减少封堵剂糊筛。每天检测阳离子浓度 l ~2 次 ,控制 阳离子浓度在 8 0 0 0 mg / L以上 ,Z e t a电位 为 - 1 0 ~一 1 5 mV。④进入三叠系时,地层温度升高, 包被剂 C P H. 2性能得 到改善 ,加大包被剂 C P H. 2及 降滤失剂 C P F的量,控制好 A P I 滤失量及高温高压 滤失量。在三叠系、二叠系易漏失层,可加入超细碳 酸钙 YX. 1 / Y X. 2 、阳离子防塌剂 C P A,加强封堵 ,改 善泥饼质量,防止井壁失稳。⑤进入石炭系及以下的 泥岩地层后 ,进一步加强钻井液的防塌抑制性 ,为提 高钻井液抗温性,使用 C P H . 1 代替 C P H . 2 ,并控制 好钻井液阳离子浓度。下部地层使用的钻井液配方为 0 . 6 %~1 . 0 % C P I 0 . 6 %~0 . 8 % C P H. 1 0 . 5 %~ 1 . 0 % C P F . 1 2 %~3 % C P F 1 %~2 % C P A 1 . 0 % ~ 1 .5 % 润滑剂。⑥井深超过 6 0 0 0 m以后,随着井 底温度的升高 , “ 零电位” 水基钻井液体系的滤失性能 、 抑制防塌性能良好,加强监控和性能维护, 加足油基 润滑剂,降低长裸眼井段摩擦阻力和做好储层保护。 3 . 3应用效果及 认识 1 机械钻速高,由钻井液引起的事故与复杂损失 时间少。“ 零 电位”水基钻井液体系在塔里木油田已成 功应用 1 9井, 相比于同时期传统水基钻井液, “ 零电位” 水基钻井液应用井平均机械钻速提高 1 4 . 9 0/ 0 ,事故与 复杂损失时间减少 1 0 . 2 %, 钻井周期缩短 9 . 8 %, 见表 6 。 表 6 “ 零 电位 ”水基钻 井液应用指标 井娄 井深 / 完钻周 平均机械钻 纯钻时 事故与复杂 一 m 期 / d 速 / m/ h 间 / h 总时间m 注 各指标数据为平均值。 2该钻井液抑制性较强, 性能稳定。在钻进过程 中抑制了_ 上 部井段软泥岩的水化膨胀, 快速钻进阶段钻 井液 I生能稳定,始终保持低黏度切力、强抑制及强包 被特性, 未发生泥包钻头现象, 井眼畅通、 起下钻顺利。 3该钻井液具有独特 的流变特性 ,高温下悬浮 携带能力强。高温流变性能稳定, 触变性好, 开泵泵压 低 , 不易发生因压力激动造成的抽汲与井漏 问题 。同 时,良好的高温触变性保 障了钻井液具有很 强的悬浮 携砂能力, 保证了每趟深井起下钻的顺畅与井底清洁。 4 该钻井液抗温能力强,高温下具有一定增效 能力。应 用井二 开中途 完钻 电测井底温度 为 1 4 3℃ 井深 6 5 1 0 m , 完井 电测井底温度为 1 6 3℃ 井深 6 7 0 5 m ,钻进过程 中钻井液流变性稳定 ,钻井液未 出现高温增稠或减稠现象 , 处理剂高温增效效果明显 。 4 结 论 1 .“ 零 电位”水基钻井液 阳离子浓度可达 8 0 0 0 mg / L,其 黏 土颗 粒 的 Z e t a电位 可达 一 1 0 mV左 右 , 稍高于原地层条件下岩屑颗粒的Z e t a 电位,实现了 近地层 Z e t a电位钻井理念 。 2 .“ 零 电位”水基钻井液具有 良好的抑制性和优 良的热稳定性能 ,解决了塔里木 哈新热等地区深井钻 头泥包、井壁稳定 、泥砂岩阻卡及钻井液高温稳定性 等问题,满足该地区长裸眼快速钻井的要求。 3 . 与传统水基钻井液相比,“ 零电位”水基钻井 液可显著降低事故复杂损失时间 ,提高机械钻速 ,缩 短钻井周期。 参 考 文 献 [ 1 】 梅宏,杨鸿剑,张克勤,等 .“ 零电位”水基钻井液探讨 [ J ] . 钻井液与完井液,2 0 1 1 ,2 8 6 1 7 . 2 0 . Me i H o n g Ya n g H o n g j i a n Z h a n g Ke q i n ,e t a 1 . Di s c u s s i o n o n” Z e r o p o t e n t i a l ”o f wa t e r b a s e d r i l l i n g f l u i d [ J ] .Dr i l l i n g F l u i d&C o m p l e t i o nF l u i d ,2 0 1 1 ,2 8 6 1 7 2 0 . [ 2 ] L i u Yu q i n g ,P i a o C h a n g h a o ,Z h a n g Ke q i n . Re a c h o n C a t i o n i c P o l y me r Wa t e r Ba s e d Dr i l l i n g F l u i d s [ J ] . J o u r n a l o f W u h a n U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,1 9 9 7 ,1 2 1 9 4 1 0 3 . 【 3 】 韩书华,张春光 , 侯万国,等 . 镁铝氢氧化物正电溶胶结 构研究 [ J ] . 高等学校化学学报,1 9 9 6 ,1 7 1 7 8 5 . 1 7 8 7 . Ha n S h u h u a ,Z h a n g Ch u n g u a n g,Ho u W a n g u o,e t a 1 . S t u d y o n Mg A1 h y d r o x i d e p o s i t i v e s o l s t r u c t u r e [ J ] . C h e mi c a l J o u r n a l of C h i n e s e U n i v e r s i t i e s ,1 9 9 6 ,1 7 1 7 8 5 1 7 8 7 . 【 4 ] 于培志 ,钱 晓琳 ,王西江,等 . 正电性钻井液在塔河油 田的应用 [ J ] . 钻井液与完井液,2 0 0 9 ,2 6 2 8 8 . 8 9 . 下转第2 2 页 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 5年 3月 Z h a n g L o n 蓟u n ,P e n g B o ,L i n Z h e n ,e t a 1 . P r e p a r a t i o n a n d p r o p e r t i e s o f h i g h t e mp e r a t u r e wa t e r b a s e d r i l l i n g fl u i d fi l t r a t e r e d u c e r H RS [ J ] . Oi lfie l dC h e mi s t r y ,2 0 1 3 ,3 0 2 1 61 1 6 3, 1 7 2 . [ 3 ]3 王德龙, 汪建明,宋自家, 等 . 无机硅改性羧甲基淀粉钠 降滤失剂的研制及其性能 [ J ] . 石油化工, 2 0 1 0 , 3 9 4 4 4 0 . 4 4 3 . W a n g De l o n g ,Wa n g J i a n mi n g ,S o n g Zi j i a ,e t a 1 . Pr e pa r a t i o n a nd p r ope r i t i e s of a nove l i no r ga ni c s i l i co n mo d i fl e d s o d i u m C a r b o x y l me t h y l s t a r c h fi l t r a t e r e d u c e r [ J 1 . P e t r o c h e mi c a l T e c h n o l o g y ,2 0 1 0 ,3 9 4 4 4 0 4 4 3 . [ 4 】 He X X,L i u M M ,S u n F L,e t a 1 . P r e p a r a t i o n a n d a p p l i c a t i o n r e s e a r c h e s o f s t a r c h g r a ft c o p o l y me r . I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Co n s u me r El e c tro n i c s , Co mmu n i c a t i o i l s a n d Ne t wo r k s C E C Ne t ,2 0 1 1 3 3 4 8 . 3 3 5 1 . [ 5 ] Uk a c h u k wu C O,Og b o b e O,U mo r e n S A. P r e p a r a t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f b i o d e g r a d a b l e p o l y me r mu d b a s e d o n mi l l e t s t a r c h [ J ] . C h e m i c a l E n g i n e e r i n g C o m mu n i c a t i o n s , 2 0 1 0 ,1 9 7 8 1 1 2 6 1 1 3 9 . [ 6 ]6 王中华 . 钻井液降滤失剂 P A MP S . I P A M A M 的合成与 评价 [ J 】 . 钻井液与完井液, 2 0 1 0 , 2 7 2 1 O . 1 3 . Wa n g Z h o n g h u a . T h e S y n t h e s i s a n d E v a l u a t i o n o f P AMP S t ● ⋯ ●⋯ ●⋯. O . , - O. -- 1 1 - ⋯ ● ⋯- ● 上接第1 8 页 Y U P e i z h i ,Qi a n Xi a o l i n ,Wa n g J i a n g x i ,e t a 1 . T h e a p p l i c a t i o n o f a p o s i t i v e l y c h a r g e d d r i l l i n g f l u i d i n t a h e o i l f i e l d [ 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 2 8 8 . 8 9 . [ 5 ] 张麒麟 ,国内新型钻井液处理剂研究进展 [ J ] _ 钻井液与 完井液,2 0 0 0 ,1 7 5 3 1 . 3 5 . z h a n g q i l i n . Re s e a r c h i n g d e v e l o p me n t o f n e w dri l l i n g flu i d a d d i t i v e s i n C h i n a [ 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 0 ,1 7 5 3 1 . 3 5 . 【 6 ]6 蔺志鹏,杨呈德 . 次生有机阳离子聚合物钻井液技术 【 J ] . 钻井液与完井液,2 0 0 3 ,2 0 5 1 . 3 . Li n Zh i pe n g Ya n g Ch e n g d e . S e c o n d a r y o r g a n i c c a t i o n i c p o l y me r d r i l l i n g f l u i d t e c h n o l o g y [ 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 3 ,2 0 5 1 - 3 . 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