新型海水高性能钻井液室内研究.pdf

第 2 7 卷 第 1 期 2 0 1 0年1月 钻井液与完并液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D V_o 1 ． 2 7 NO． 1 J a n．2 01 0 文章编号 l 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 O O l - 0 0 0 4 0 4 新型海水高性能钻井液室内研究 罗云凤 ， 韩来聚 ， 薛玉志 ， 李公让 2 ， 张妍 2 1 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院，山东东营 ； 2 ． 胜利油田钻井工艺研究院，山东东营 摘要通过研制有机胺抑制剂AMI 和铝聚合物P A L，并筛选无生物毒性降滤失剂和润滑剂，研究出了新型的 保护海洋环境的海水高性能钻井液。将该体系与聚合醇钻井液、烷基糖苷钻井液的各项性能进行了对比评价，结 果表明，新 型海水高性能钻井液除 了有高性能水基 钻井液优 异的抑制 防塌 性能和储层保护 能力外 ，还具有较低 的 生物毒性，能把钻井液对环境的影响降到最低，可满足海上快速、优质、环保钻井的需要。 关键词 高性能水基钻井液 ； 海水钻井液 ； 钻井液配方 ； 有机胺抑制剂 ； 铝聚合物 ； 环境保护 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识码A 高性能水基钻井液 [ 1 - 5 ] 是水基钻井液的一个跃 进 ，其性能可与非水基钻井液相竞争 ，是钻井液技 术发展 的主要方 向。通过研制有机胺 抑制剂 AMI 和铝聚合物 P AL ，并对降滤失剂和润滑剂等进行优 选，得到了一种新型海水高性能钻井液体系。该体 系具有优异的抑制防塌性能和储层保护能力 ，生物 毒性低、环境保护性能好 ，可满足海上快速 、优质 钻井的需要 ，有着很好的应用前景。 1 海水高性能钻井液配方优选 1 ． 1 胺基抑制剂AMI 自行研制出 了一种胺 基抑制剂 AMI ，它完全 溶于水并且低毒 ，其抑制能力与其它抑制剂的对 比 评价结果见表 1 。 表 1 岩屑 回收率和页岩膨胀量实验结果 实验结果表 明 胺基抑制剂 A MI 具有较高的 页岩 回收率和较低的页岩膨胀率 ，表明其具有 良好 的抑制页岩膨胀作用 ； 同时 ，胺基抑制剂在泥页岩 上的吸附非常牢固，有利于井壁的长期稳定。 1 ． 2 铝基聚合物P A L 自行研制 出了一种铝聚合物 P AL 。该铝聚合物 P A L在 p H值较高时，会生成水溶性的四羟基铝阴 离子， 而当 p H值为 5 - 6时 ， 它会生成氢氧化铝沉淀。 当在钻井液中加入铝聚合物时，它是以溶解的络合 离子形式存在 ，而当铝离子随钻井液滤液进人地层 时，遇到地层水 p H值为 5 ～ 6 ，即生成氢氧化铝沉 淀，利用氢氧化铝在页岩孔喉或微裂缝 内的沉积作 用，可显著增强井壁稳定性。 1 ． 3 降滤 失剂 的优选 海上钻井要求钻井液滤失量控制在 5 mL以内， 滤饼厚度小于 1 mm，这就给降滤失剂提 出了更高 的要求。根据钻井液测试程序及相关标准，对常用 海水钻井液降滤失剂 H X J 、S R ． 1 、 N A T 一 2 0 和 S J ． 1 进行单因素优选评价 ， 结果见表2 。 从表2可以看出， 相同条件下 ，降滤失剂 HX J的效果最优 ，且它具 有一定的增黏作用。 1 ． 4 润滑剂的优选 为了保证海上安全 、快速钻进 ，对钻井液的润 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 项 目课题 “ 优质无污染钻井液体系及废弃物处理技术” 2 0 2 6 AA 0 9 Z 3 3 4 。 第一作者简介 罗云凤，在读研究生，1 9 8 6年生，现在主要从事钻井液研究及应用工作。地址 山东省东营市钻井工 艺研究院油化所 ；邮政编码 2 5 7 0 1 7； 电话 0 5 4 6 8 7 0 1 2 0 0； E ma i l c a t h y _8 6 1 6 3 ． e o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 1期 罗云凤等新型海水高性能钻井液室内研究 5 滑、防卡性能也提 了更高的要求。针对海上常用 的润滑剂 ，依据处理剂毒性测试结果 ，筛选出了环 境保护性能好 、无污染的润滑剂 ，其性能评价结果 见 表 3 。 表 2 降滤 失剂优选 注 基浆为海水 4 ％膨润土 0 ． 3 ％Na OH 1 ％P A L 1 ． 5 ％ AM I 。 表 3 润滑剂性能评价 注 基浆 为海 水 4 ％ 膨润土 O ． 3 ％Na O H 0 ． 3 ％P AC1 4 1 0． 5 ％ S R l 1 ． 5 ％HXJ l ％ P AL1 ． 5 ％AM I 。 由表 3可 以看 出，加 有 3 ％ 润滑 剂 P O H的钻 井液极压润滑性最好 ，黏附系数也最小。 1 ． 5 新型海水 高性能钻 井液 配 方 通过以上处理剂的优选实验研究 ，确立新型海 水高性能钻井液的配方如下 ，其性能见表 4 。该钻 井液为淡黄色流体 ，密度在 1 ． 0 3 g ／ c m 左右 ，室温 密闭养护 2 4 h 后无分层与沉淀现象 。 1 海7 k 4 ％膨 润土 0 - 3 ％Na O H 0 _ 3 ％P A C 1 4 1 0 5 ％ S R一 】 】5 ％HXJ 1 ％ P AI f3 ％ POHI ． 5 ％ AM I 表 4 新型海水高性能钻井液基本性能 注 老化条件为 1 2 0 D C、1 6 h 。 2体 系综合 性 能评 价 对优选出的钻井液配方进行 了性能评价 ，并同 时和以下 2种体系进行 了对 比。 2 聚合醇体系 海水 4 ％ 膨 润 土 0 ． 3 ％Na O H 0 ． 3 ％P A C1 4 1 1 ％聚合醇 1 ． 5 ％HXJ 3 ％P OH 0 ． 3 ％ I ND3 0 3 甲基葡萄糖苷体系 海水 4 ％膨润土 0 ． 3 ％ Na OH 0 ． 3 ％P AC1 4 1 1 ． 5 ％改 性淀 粉 5 ％ 烷基糖 苷 1 ． 5 ％HXJ 0- 3 ％ KP AM 3 ％ POH 2 ． 1 生 物毒性评价 急性毒性评价结果表明，3 种体系均无毒，聚 合醇体系 的EC 。 值 为 3 ． 1 X 1 0 mg ／ L，甲基葡萄糖 苷体 系的 E C 。 值大 于 1 ． 0 X 1 0 。 mg ／ L，而新型海水 高性 能钻井液 的 E C 值 大于 1 ． 5 1 0 。 mg ／ L，说 明 它 的环境保护性能最好 。 2 ． 2 抑制 防塌性评价 采用抑制分散性实验评价体系抑制性 ，实验条 件为 1 2 0。 C、1 6 h ，结果见表 5 。 表 5 不同体系的页岩 回收率对 比 从表 5可以看 出，对沙河街组地层而言 ，3 种 体系均具有很好的抑制性能 ，这是 由于沙河街组地 层岩样本身的分散作用较弱而导致 的结果 ； 明化镇 组地层水敏性很强 ，回收率很低 ，高性能水基钻井 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0 年1 月 液的一次回收率和二次回收率均明显高于聚合醇钻 井液和烷基糖苷钻井液 ，说明高性能水基钻井液抑 制泥页岩水化分散的能力明显好于聚合醇钻井液和 烷基糖苷钻井液。 2 ． 3 抗污染性能 在 1 配方中加人_定量的Na C 1 ／ C a C 1 ， 在 1 2 0。 C 下热滚 1 6h ，测定钻井液性能 ，结果见图 1和图 2 。 3 O 2 5 2 0 1 5 l 0 5 O 0 5 1 0 l 5 2 O 2 5 Na Cl 图 1 高性能水基钻井液的抗盐性 雾一 AF／mPa．s 二 二 二 二 二 c a c 加量／ ％ 图 2 高性能水基钻井液的抗钙性 图 1 和图 2表明，随着 Na C 1 加量的增加 ，高 性能水基钻井液 的表观黏度 、塑性黏度 、动切力 降低 ，滤失量增加 ；当Na C 1 加量高于 2 0 ％时 ，有 明显的降黏现象 ，质量变差 ； 高性能水基钻井液中 C a C 1 ， 加量高于2 ％时，体系的黏度降低明显，而 滤失量也迅速增加 ； 综合考虑流变性和滤失造壁性， 高性 能水基钻井液体 系抗 Na C 污染能力达 2 0 ％， 抗 C a C I ， 污染能力达 2 ． 0 ％，其抗钙能力远优于聚合 醇钻井液和烷基糖苷钻井液 约 1 ％左右 。 2 ． 4 抗温 能力 不 同钻井液体系的抗温能力对 比结果见 图 3 。 图 3中结果表明，随着温度的升高，3种体系的黏 度和动切力都有所降低 ，这主要是 由于聚合物高温 降解所致，温度越高，降解越剧烈，因此在 1 2 0。 C 之前， 这种趋势较缓 ，超过 1 2 0。 C 后 ，该趋势增强， 因此 2 、3 体系的抗温极限为 1 2 0。 C； 其 中，合醇 体系存在一个特殊情况 ，随着温度的增加 ，其常温 滤失量降低，这主要是 由于降解聚合醇以堵塞形式 封堵了泥饼孔隙所致 ； 而高性能水基钻井液的抗温 性可达 1 5 0 o C 。 a 1 聚合物体系 3 O 2 5 2 0 1 5 1 O 5 0 b 烷基糖苷体系 ℃ f c HP WB M 钻井液 图 3 不同钻井液体系抗 温能力对 比 2 ． 5 油层保护性能 按照中国石油天然气行业标准S Y ／ T 6 5 4 0 2 --2 0 0 2 钻井液完井液损害油层室内评价方法 ，对海水高 性能钻井液储层保护 的能力进行评价。采用 J H DS 高温高压动滤失量仪模拟井下条件，对新型高性能 水基钻井液与另2 种钻井液的储层保护效果进行对 比评价 ] ， 结果见表 6 和表 7 。 从实验数据可以看出， 3种钻井液中以高性能海水钻井液的污染深度最浅， 渗透率恢复值最高，表明该体系对油层污染小，说 明所优选 的新型高性能水基钻井液体系具有很好的 油气层保护效果。 表 6 实验岩心油层物性 岩心井深 m 岩性 cm 。 c m 3 “ 0 m l U I 2 9 1 4 ． 5 7灰色含砾砂岩4 ． 0 5 2 ． 5 1 1 8 ． 9 4 7 ． 8 4 Ⅱ 2 9 1 4 ． 5 7 灰色含砾砂岩4 ． 2 5 2 ． 5 1 2 0 ． 0 4 8 ． O 2 Ⅲ2 9 1 4 ． 5 7灰色含砾砂岩4 ． 0 0 2 ． 5 1 1 9 ． 8 5 0 ． 3 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 1 期 罗云凤等 新型海水 高性能钻井液室内研究 7 表 7 钻井液污染后岩心在不同污染深度的渗透率 3 结 论 1 ． 海 水 高性能钻 井液 的 E C 。 值 大于 1 ． 5 x 1 0 m g ／ L ，无生物毒性 、 对环境无污染。 2 ． 海水高性能钻井液能很好地抑制页岩膨胀 ， 提高岩屑回收率，对水敏性强的明化镇组岩屑的一 次 回收率达 9 2 ％，二次回收率也高达 8 3 ％，能有效 地防止泥页岩地层发生 因水化造成的井壁不稳定。 3 ． 海水高性 能钻井液 的流变性 和滤失造壁性 好 ，形成 的泥饼薄 、密且韧 ； 加重后性能变化不大 ； 极压润滑系数及黏附系数分别为 0 ． 0 5和 0 ． 0 6 ，有着 优异的润滑性能 ； 抗温达 1 5 0。 C，可抗 2 0 ％N a C 1 、 2 ． 0 ％ Ca Cl 参 考 文 献 [ 1 ] 张克勤，何纶，安淑芳，等 ． 国外高性能水基钻井液介 绍 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 7 ，2 4 3 6 8 7 3 ． [ 2 ] 张启根，陈馥，刘彝，等 ． 国外高性能水基钻井液技术 发展现状 【 J ] ． 钻井液与完井 液 ，2 0 0 7 ，2 4 3 7 4 7 7 ． [ 3 ] 王树永 ． 铝胺高性能水基钻井液的研究与应用国外高 性 能水 基 钻井 液技 术 发展 现 状 [ J ] ． 钻 井液 与 完井 液 ， 2 0 0 8 ，2 5 4 1l 2 3 - 2 5 ． [ 4 ] 屈沅治 ，赖晓晴，杨字平 ． 含胺优质水基钻井液研究进 展 f J ] ． 钻井液与完 井液 ，2 0 0 9 ，2 6 3 7 3 7 5 ． [ 5 ] 王建华 ，鄢捷年 ，丁彤伟 ． 高性能水基钻井液研究进展 [ J J ． 钻井液与完井液，2 0 0 7 ，2 4 i 7 1 7 5 ． [ 6 ql 王荐，吴彬，等 ． 海洋深水高盐阳离子聚合物钻井液室 内实验研究 『 J ] ． 中国海上油气 ，2 0 0 7 ，1 9 6 4 0 5 ． 4 0 8 ． 收稿 日2 0 0 9 -- 0 5 1 7 ；HG F 0 9 0 6 W4 ；编辑 汪桂娟1 上接第3 页 【 2 ] [ 3 ] 【 4 ] [ 5 ] Bo l G M ．Th e e f _f e c t 0 f v a rio u s p o l y me r s a n d s a l t s o n b o r e h o l e a n d c u t t i n g s t a ND t y i n wa t e r ．- b a s e s h a l e d ri l l i n g fl u i d s [ R 1 ． S 雎1 4 8 0 2 ， l 9 8 6 ． BOl G M ，W o ng S W ，Davi ds on C J，W ood l a nd D C． B o mh o l e s t a b i l i t y i n s h a l e s [ R ] ． S P E 2 4 9 7 5 ， 1 9 9 2 ． R as s h o f e r W ． P o l y a mi n e s ．a p r o c e s s f o r t h e p r o d u c t i o n of pol ya m i ne S and t he i r us e i n t he pr oduc t i on Of p o l y u r e t h a n e s [ P ] ． US 4 5 4 0 7 2 0 ， 1 9 8 5 ． Gb a r d S ． T r i s o l y o x a a l k y a mi n e s t r i d e n t ， a n e w c l a s s o f s o l i d l i q u i d p h a s e - 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