新型抗高温水基钻井液研究.pdf

第 2 5卷 第 5 期 2 0 0 8年 9月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI L I I NG FI UI D ＆ COMP LETI ON FL UI D Vo 1 ． 2 5 NO ． 5 Se pt ． 2 0 0 8 文 章 编 号 1 O 0 卜5 6 2 0 2 0 0 8 0 5 0 0 0 1 4 - 0 3 新型抗高温水基钻井液研究 王 晓琛 梁大川 张翔宇 杨 国涛 西南石油大学石油工程学院 ， 四川 I 成都 摘 要 乳化钻井液 的性能能够满足高温高压井钻井的需要， 但其成本较高且不利于环境保 护。通过用化学改性 的阳离子丙烯酸酯共聚物和高分子量的聚 乙烯 吡咯烷酮 P VP 控制钻井液具有相对较低 的黏度和较好 的剪切稀释 性 ， 并选 用 四氧 化三 锰作 为加 重材 料 ， 获 得 了一种 可 与 多种 添加 剂 配 伍 的抗 高 温 高 密度水 基 钻 井液 。 该钻 井液 在 1 8 0 ℃温度下仍具有 良好的流变性和滤失性能 ， 且该钻 井液抗盐、 钻屑和水泥污染能力强， 其页岩稳定性和 润滑性好 。 关键词 水基钻井液 高密度 钻井液 高温 钻井液配方 加重剂 聚合 物 中图分类号 TE 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 常用 的钻井 液是 由生 物聚合 物或某 些有 机聚合 物组成。低分子量 聚合物用 于控制滤失量， 高分子 量聚合物用于控制流变性 ， 因此不同分 子量聚合物 的复 配使 用 可使 钻 井 液 具 有 良好 的流 变 性 和滤 失 量 。试 验表 明 ， 在 钻井 液 中合理 使 用 聚合 物 与加 重 材料 可与多种 处理 剂 相 配伍 ， 使 钻井 液 具 有 良好 的 流变性 、 在高温下仍具有较好 的滤失量控制口 ] 。该 研究 欲通过优 选加 重 材料 ， 利 用 有 机 聚合 物 与非 离 子共 聚物 的协 同增 效 作用 ， 获得 一 种具 有 较好 的剪 切稀 释性 、 流变性 和稳定性 的钻井 液配方 【 2 ] 。 l 研 制 思 路 通 过研 究发现改 性 的丙烯 酸酯共 聚物 与 乙烯基 磺酸盐共聚物有着 良好 的协 同增效作用 。实验表 明 ， 在改性 的 丙烯 酸酯 共 聚物 中 引入 聚 乙烯 吡 咯烷 酮 P V P 后可达到所 期 望 的热稳 定 性 与流 变性 。同时 因为共聚物 的分子量 大小 对钻井 液 的性能 起着 关键 作 用 ， 所 以 高分 子量 的聚 乙烯 吡咯 烷酮 有 更好 的效 果 。分别将化学 改性 的丙烯 酸酯 共 聚物 和聚 乙烯 吡 咯烷酮加入到 配制好 的钻井液 中， 发现单独使用 P VP 时体系黏度低， 单独使用改性的丙烯酰胺共聚物时体 系有较强 的剪 切稀 释能 力 。将化 学改 性 的丙烯 酸酯 共聚物和聚乙烯吡咯烷酮按照一定 比例加入钻井液 中， 测该钻井液 的各项 性能 ， 发现 体 系具有 相 对较低 的黏度和较好 的剪切稀 释性 。 四氧化三锰 MO M O 。 密度为 4 ． 8 g ／ c m。 ， 颗 粒尺寸为 0 ． 4 7 ～1 ． 0 m， 比表 面积 为 2 ～4 ／ g ， 它 具有合适的颗粒尺寸和比表面积 ， 因此选择四氧化三 锰作为加重材料。在该体系中加入四氧化三锰， 发现 体 系的黏度增加 ， 剪切稀释性变好 ， 滤失 量减小 。 2 新型抗 高温水基钻井液 用上 述方 法配制 的水基 钻井 液配方 如下 。 7 1 8 k g ／ ma水 9 9 8 k g ／ ma四 氧化 锰 0 ～ 1 6 k g ／ m 3 阳离子聚合物 0 1 8 k g ／ ma 非离子聚合物 5 3 ． 3 k g ／ m a页岩稳定 剂5 ． 7 k g ／ ma 降滤失剂 钻井液的热稳定性大于 8 O℃， 其密度为 1 ． 8 0 g ／ c m。 ， 在 5 0℃下表 观黏 度 大 于 3 0 mP a S ， AP I 滤 失 量小 于 3 mL 。此 外 该 钻 井液 在 被 盐水 ， 钻 屑 ， 水 泥 污染后 仍有 良好 的页岩稳 定性 和润 滑性 。配 制 的 共 聚物 中有 页岩抑制 剂 聚氧亚烷 基二 醇 和滤 失控 制 剂 聚苯胺 与纤维 素 的共 聚物 。 3 室 内研 究 3 ． 1 性 能测试 按配方配制钻井液 ， 在 5 O℃下对 2种聚合物的 共聚 物产 物 进 行 一 系列 的性 能 测 试 ， 结 果 见 图 1 ～ 图 6 。由图 1和 图 2可 知 ， 随 着 阳 离子 聚合 物 与非 离子 聚合物 的增 加 ， 钻 井 液 的塑性 黏度 增 加 。 由图 3和 图 4可 知 ， 钻井 液 的动 切力 随 着 阳离 子 聚 合物 的增加 而下 降 ， 但 是它 随着 非 离子 聚合 物加 量 的增 加而 上升 。由 图 5 、 图 6可 知 ， 阳离 子 聚合 物对 降低 钻井液滤失量效果 明显 ， 非离子聚合物对降低钻井 液滤 失量效 果不 大 。 第一作者简介 王晓琛， 1 9 8 4年生， 在读硕士研究生 ， 主 要从事钻 井液 与完 井液 方面的研 究。地 址 四川省成都 市新都区 西南石油大学硕士 2 0 0 6级 3班 ； 邮政编码 6 1 0 5 0 0 ； 电话 1 3 4 3 8 1 7 3 7 2 0 ； E ma i l wx c l 9 8 4 7 2 0 1 2 6 ． c o m。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 5卷 第 5 期 王晓琛等 新型抗高温水基钻井液研究 1 5 综上所述 ， 阳离子聚合物浓度为 1 0 ． 7 0 k g ／ m。 ， 非离 子聚合 物浓 度 为 1 1 ． 7 0 k g ／ m。时 ， 钻 井 液 性 能 最佳 ， 见表 1 。 阳离子聚合物浓度／ k v d m 图 1 阳离子丙烯酸酯共聚物对钻井液塑性黏度 的影 响 P v P 浓度 ／ k m 5 图 2 非离子 聚合物 P VP对 钻井 液塑性黏度的影响 7 O 6 o 5 0 4 0 3 O 2 O 1 0 O 阳离子聚合物浓度／ k g ／ m 3 图 3 阳离子丙烯酸酯共聚物对钻井液动切力 的影 响 l 8 1 5 l 2 9 6 3 0 图 4 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 O O P VP 浓度／ k g ／ m 非离子聚合物 P VP对钻井液 动切力 的影响 0 3 6 9 1 2 1 5 阳离子聚合物浓度／ k g ／ 图 5 阳离子丙烯 酸酯共聚物的加量对钻井液滤失量 的影 响 3 0 2 5 2 0 1 5 l 0 5 0 P V P 浓度， k g ／ m 图 6 非离子聚合物 P V P的加 量对 钻井 液滤失 量的影 响 表 1 新 型抗高温水基钻井液性能 注 热滚条件为 1 8 0℃、 1 6 h ， 在 5 O℃下测定钻井液性能。 由表 1可 知 ， 钻 井 液 的塑性 黏 度 与 滤失 量 高 于 所期望的 目标值 。通过实验 ， 发 现减弱非离子共 聚 物 P VP的浓度来降低塑性黏度不是一个好的选择 ， 因为这样影响了流体的稳定性。因此应当通过降低 阳离子聚合物 阳离子型丙烯酸酯共聚物 的浓度来 降低塑性黏度并且添加有效的降滤失剂。 3 ． 2 滤失量与流变性控制 用木质素磺酸盐共聚物、 乙烯基磺酸盐共聚物 、 阳 离子型的丙烯酰胺共聚物和细目碳酸钙作高温滤失剂 进行对 比试验 。发现木质素磺 酸盐树脂与 细 目碳 酸钙 d s 。 2 5 m 一起用对减小钻井液滤失量有明显效果， 但此时钻井液的塑性黏度增大， 因此需要加入分散剂 或流变性稳定剂， 有机稳定剂， 如柠檬酸锆 、 五倍子酸， 可提高钻井液的稳定性。优选后的钻井液配方如下。 1 7 1 6 k g ／ m。 水 9 1 3 k g ／ m。四氧 化 锰 5 k g ／ m。 阳离子聚合物1 1 ． 7 0 k g ／ m。 非离子聚合物 5 3 ． 3 k g ／ m。页岩稳定剂 5 ． 7 k g ／ m。合成树脂 9 ． 5 0 k g ／ m。柠檬 酸盐 0 ． 7 1 k g ／ m。 五 倍子 酸 8 5 ． 6 k g ／ m。细 目碳 酸钙 3 ． 3 加重材料的优选 在 AP I 重晶石 、 四氧化锰、 细 目重晶石 。 一2 5 m 、 细 目重晶石与 四氧化锰混合物 比例 为 l 1 中优 选 加重 材料 ， 钻井 液 的配方 如下 ， 性 能见表 2 。 基础配方5 ． 7 k g ／ m 3 阳离子 聚合物 8 ． 6 k g ／ m3 合成树脂l 1 ． 7 0 k g ／ ms 非离子聚合物8 ． 6 k g ／ m 合 成树脂 5 3 ． 3 k g ／ n 1 3页岩稳定剂 9 ． 5 k g ／ m 3 柠檬 酸 盐O ． 7 k g ／ m3 五倍子酸 8 5 ． 6 k g ／ m 3 细 目碳酸钙 叮， 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 8年 9月 2 基 础配 方 6 8 4 ． 7 k g ／ n 1 {水 9 4 7 ． 2 k g ／ m3 AP I 重 晶石 3 基础配方 6 8 4 ． 7 k g ／ m3 水 9 4 7 ． 2 k g ／ m 。 细 目重晶石 4 基础配方 7 0 0 ． 4 k g ／ m3 水 4 5 6 ． 5 k g ／ m 。 四氧化锰 4 7 3 ． 6 k g ／ m。 细 目重 晶石 表 2 钻 井液 加 重 后 的 性 能 配实验 G e l PV y P F L 方条件 。 。 。 。蜘 。 。 。体 P a ／ P a mP a ． s P a mI l 热 滚 前 5 7 3 1 2 3 1 4 4 3 4 ～ 5 2 6 5 2 3 热 滚 后 6 5 3 9 2 9 1 9 6 5 7 -- 1 2 2 6 1 3 2 ． 6 热 滚 前 8 6 4 5 3 1 1 7 3 2 3 ～3 4 1 4 0 ． 4 2 热 滚 后 1 2 0 6 4 4 4 2 4 3 3 3 ～5 5 6 8 0 ． 6 热滚前9 2 5 O 3 5 2 O 4 3 4 ～4 4 2 8 1 ． 2 3 热滚后 1 3 0 7 0 5 0 2 8 5 3 5 ～6 6 0 1 0 1 ． 5 4 热滚前 7 8 4 4 3 2 1 8 4 3 4 ～6 3 4 1 O 1 6 热 滚 后 1 1 0 6 5 4 9 3 2 8 7 8 ～ 1 0 4 5 2 0 1 ． 9 注 热滚条件为 1 8 0 C、 1 6 h ， 在 5 O℃下测定钻井液性能。 由表 2 可知 ， 用 重晶石代替 四氧化锰 破坏 了四氧 化锰与 2 种 共聚物之 间的相互 作用 ， 从而导致 钻井液 在经过一 定程度 的絮凝 和老化后塑性 黏度较高 ， 同时 产生重 晶石沉淀 。因此想要优化钻井液性能需要研 发 新的具高温稳定性的聚合物材料。 4 优选配方钻井液性能 4 ． 1 高温高压滤失量 l 配方 钻井液 的滤失 速率 与时间 的关 系见 图 7 1 8 0。 C、 3 ． 5 MP a 。在 静滤 失情 况 下 ， 泥饼 形 成 于 静 止的钻 井液 ； 在 动滤失 情况下 ， 泥饼 在浆式 搅拌机 以一 定速率 的搅拌 情况 下产生 ； 在静止 状态 下 ， 钻井 液 3 0 mi n的滤 失 量 为 1 3 ． 7 mI 。从 图 7可 以看 出 在 1 h后 ， 钻 井 液 的滤 失 量 有 明显 变 化 。对 比实验 结果， 发现动滤失与静滤失没有显著不同， 2次实验 产生的泥饼厚度均为 4 mm 左右。 0．6 0．5 g o．4 塞 o． 1 熄o ．o 图 7 1 配方钻井液 的滤失速率与时间的关系 1 8 o。 C 4 ． 2 抗 污染 能力 1 配方钻 井液 的抗 污 染能力 见表 3 。 由表 3可 以看 出 ， 钻井 液 的抗 污染性 能较 好 ， 水 泥污染 降低 了 钻 井液 的动切 力但 是 增 加 了塑 性 黏度 和 滤失 量 ； 黏 土污染 明显增 加 了钻 井 液 的动 切 力 、 塑性 黏 度 和滤 失量。进一步实验表明， 使用更大剂量的分散剂会 使 上述 的情况 有所改 善 。 表 3 1 配方钻井液的抗污 染能 力 注 热滚条件为 1 8 o℃、 1 6 h ， 在 5 O。C 下测定钻井液性能 。 4 ． 3润滑性 分别 在 l 配 方 钻井 液 中加 入 固态 或 液 态 的润 滑 剂 ， 在 1 8 0。C下热 滚 1 6 h后 ， 在 周 围温 度 下测 量 其 润滑性 能 。 由丙烯 乙二 醇衍 生物组 成的钻井 液添 加剂有着良好的性能 ， 在其浓度为 3 时将钻井液 摩 擦 系数 由 0 ． 4 4降到 0 ． 1 1 。 5 结论 实验 表 明 ， 聚合 物 与加 重材 料 的合 理使 用 可 以 产生出一种可与多种添加剂配伍的水基钻井液 ， 并 且 可 以提供 良好 的 流变 性 ， 在 1 8 O IC时 有 着 良好 的 滤失 量控制 ， 且该 钻 井 液在 被 盐 水 、 钻 屑 、 水 泥 污染 后仍有良好的页岩稳定性和润滑性 。 参 考 文 献 [ 1 ] 徐 同台， 陈乐亮 ， 罗平亚 ， 等．深井钻井 液．北 京 石油 工业 出版社 ， 1 9 9 4 ， 1 2 [ 2 ] 龙政军． 合成基钻井液体系及最新 发展． 石油与天然气 化 工 ， 1 9 9 9 1 5 7 5 8 [ 3 ] 刘 四海 ， 蔡 利山．深井 超深井钻探工艺技术．钻井液 与 完 井 液 ， 2 0 0 2， 1 9 6 1 1 6 1 2 1 收稿 日期 2 0 0 8 - 0 1 2 9 ； HG F0 8 0 4 N1 ； 编辑 王小娜 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m