硬岩破碎地层高温钻孔钻进的钻井液实验研究.pdf

第 43 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.4 2015 年 8 月 COAL GEOLOGY fractured; complex ation; drilling fluid 塔里木盆地某矿区地层倾角大3565、硬度 高可钻性 10 级、地层极其破碎。定向钻进钻遇地 层含高放射性矿物且温度高800 m 深时温度达 80℃ 。 为解决易发生卡埋钻事故和防止钻孔内高放射 性矿物污染钻场环境等问题， 要求钻井液润滑性优良， 能耐高温并能顺破碎地层流失不从钻孔返回地表[1-3]。 根据前期施工经验，设计配置了一种类似“丝瓜网”状 结构的钻井液。该钻井泥浆在孔壁建立平滑网眼结构 层，既具有承压力，又具有一定渗漏率，形成的泥饼 润滑性能良好，主要性能指标应满足以下要求 泥皮厚度小于 1 mm； pH 值 710； 体积质量 ρ 为 1.021.06 g/cm3； 漏斗黏度 FV 6090 s，可调； 流性指数 n 为 0.40.7； 耐温性大于 80℃。 1 原钻井液概况及存在的问题 前期工程施工常用的钻井液体系为 PHP-CMC 泥浆和 PHP-CMC-PW 泥浆，但 PHP-CMC 泥浆和 PHP-CMC-PW 泥浆在 80℃以上环境无法正常工作， 钻进过程中携屑带砂能力减弱， 容易造成井下事故。 实验室测试表明该泥浆体系在滚子加热炉中连续 滚动 16 h 后，失水量增加，泥皮增厚且疏松，剪切 稀释性减弱；PW 胶在 80℃发生降解，抗温抗盐性 差。另外，配浆在野外长时间放置后，PW 胶会自 动降解腐烂变质。 2 “丝瓜网”状结构钻井液体系配方实验 2.1 三种泥浆配方实验 在钻井液配方中，处理剂的选择对于泥浆性能 至关重要。研究的难点就在于如何选择具有一定耐 118 煤田地质与勘探 第 43 卷 温性能的泥浆增黏剂和适当的处理剂来调节泥浆的 流变性能，使配置的钻井泥浆综合性能均满足指标 要求。在对泥浆处理剂作用机理的分析基础上，经 充分调研，拟选用 SM 胶、FKJ-II、80A51、PAC141 作为增黏剂，SPNH、CMC 作为降滤失剂，NPAN、 FCLS 作为降滤失剂和稀释剂进行配方实验研究[4-6]。 测试表明，SM 植物胶泥浆技术指标在常温下 基本满足要求，但是当温度到 80℃后，泥浆的失水 量由常温的 8.4 mL 增大至 13 mL， 泥皮厚度由 1 mm 增厚至 3 mm，泥浆结构发生破坏。原因是 SM 胶的 多糖结构，发生高温降解。 PAC141-SPNH 泥浆体系耐温性较好，在 80℃ 的温度下，能够满足技术指标要求。 FKJ-Ⅱ泥浆在80℃的温度下增稠， 失水量由5.9 mL 增加至 7 mL，泥皮厚度由 0.5 mm 增至 4 mm，泥饼 不致密，已无法满足使用要求。分别加入 0.2和 0.3的 FCLS，可将 FKJ-Ⅱ泥浆的耐温性能提高到 85℃和 105℃。上述试验的测试结果如表 1 所示。 2.1 MV-CMC-80A51-NPAN 泥浆体系 高分子强包被抑制剂 80A51 是由聚丙烯酰胺、 钾盐、引发剂等复合而成，具有降滤失、增黏、抑 制泥页岩水化膨胀等作用。 MV-CMC 分子结构中的羟基–OH和醚氧–O– 与黏土颗粒晶格表面的氧原子间形成氢键连结，均 可使 MV-CMC 和黏土颗粒相吸附。 同时其分子中的 羧钠基–COONa进行电离和水化， 为黏土颗粒带来 良好的水化膜，并增加黏土的电动电位和颗粒间的 斥力， 使黏土颗粒分散和稳定。 此外， 由于 MV-CMC 水化作用强，泥浆中自由水减少，形成泥饼致密， 有利于泥浆失水量的降低。 NPAN水解聚丙烯腈铵盐是线型水溶性高聚 物，分子链中含有腈基–CN、酰胺基–COCH2和 羧钠基–COONa3 种基团，具有较强的吸附性能和 较好的降滤失作用。由于 NPAN 分子链节间是 –C–C–结构，故抗高温200230℃ 、抗盐能力也很 强。实验优选的几种配方性能测试结果见表 2。可 以看出，两种配方泥浆在 100℃高温下各项性能指 标均能较好地满足要求。 MV-CMC-80A51-NPAN 泥浆，当温度大于 100℃时，漏斗黏度下降，处理剂与黏土间的吸附作 表 1 FKJ-ⅡⅡ泥浆体系性能测试结果 Table1 Test result of perance of FKJ-ⅡⅡ mud system 性能参数 配方 温度 /℃ 加热时间 /h FV /s FL /mL ρ /gcm–3 泥皮厚度 /mm pH AV /mPas PV /mPas YP/ mPas YP/PVn 常温 55 5.9 1.04 0.5 9 31.0 23.0 8.0 0.3 0.7 6黏土 0.3Na2CO3 0.12NaOH 2FKJ-Ⅱ 80 16 71 7 1.04 4 9 31.3 21.0 10.3 0.5 0.6 常温 87 6.7 1.05 0.5 1242.2 33.5 8.7 0.3 0.7 80 16 89 7.9 1.05 0.5 1137.6 27.7 9.9 0.4 0.7 85 16 71 8.2 1.05 0.5 1036.5 27.1 9.4 0.3 0.7 6黏土 0.3Na2CO3 0.12NaOH 2FKJ-Ⅱ 0.2FCLS 100 16 115 6.4 1.05 0.8 1052.8 34.9 17.9 0.5 0.6 常温 82 6.2 1.05 0.6 11.542.7 33.7 9.0 0.3 0.7 100 16 72 8.3 1.05 0.7 11.041.3 29.6 11.7 0.4 0.7 105 16 60 6.2 1.05 0.5 9.537.5 28.9 8.6 0.3 0.7 6黏土 0.3Na2CO3 0.12NaOH 2FKJ-Ⅱ 0.3FCLS 110 16 53 6.8 1.05 0.5 9.533.3 28.3 5.0 0.2 0.8 表 2 MV-CMC80A51NPAN 泥浆体系性能测试结果 Table 2 Test result of perance of MV-CMC80A51NPAN mud system 性能参数 配 方 温度 /℃ 加热时间 /h FV /s FL /mL ρ /gcm–3 泥皮厚度 /mm pH AV /mPas PV /mPas YP /mPas YP/PVn 常温 68 5.51.04 0.4 937.5 29.0 8.5 0. 3 0.7 100 16 71 5.51.04 0.4 942.0 33.5 8.5 0.3 0.7 5黏土0.3Na2CO3 0.3MV-CMC0.280A51 0.05NaOH0.1NPAN 110 16 40 6.21.04 0.2 923.5 15.0 8.5 0.6 0.6 常温 86 4.31.04 0.5 9.529.3 16.0 13.3 0.8 0.5 100 16 72 7 1.04 0.9 927.3 14.0 13.3 0.9 0.4 6黏土0.36Na2CO3 0.3MV-CMC0.180A51 0.05NaOH0.1NPAN 105 16 36 101.04 1.0 923.0 16.0 7.0 0.4 0.6 第 4 期 邓利蓉等 硬岩破碎地层高温钻孔钻进的钻井液实验研究 119 用降低，黏土的分散性降低，增黏剂 80A51 降解， 泥浆内部的结构受到破坏，造成漏斗黏度、表观黏 度和塑性黏度降低；降滤失剂 MV-CMC 发生降解， 使黏粒周围的吸附溶剂化水膜变薄，ζ 电位下降， 黏粒间的静电斥力减小， 从而使泥浆的自由水增多， 滤失量上升。 在中等流速梯度下，MV-CMC-80A51-NPAN 泥 浆体系具有较好剪切稀释作用，其剪切稀释性受温 度的影响较小。原因是该泥浆具有较好的大、中、 小分子的合理级配，泥浆的结构黏度和动切力受温 度的影响较小，处理剂与黏土间的网架结构不容易 遭到破坏，流性指数在 0.40.7，泥浆的剪切稀释作 用明显[8-10]。 3 效费比评价 考虑现场钻进的特殊要求，钻井泥浆无法循环 使用，因此钻井液造浆成本也是配方选取的一个重 要因素。 以配制 1m3泥浆所需的金额作为评价标准， 几种泥浆体系的造价成本如表 3 所示。可以看出， MV-CMC-80A51-NPAN 泥浆体系经济性最好。 表 3 泥浆的造价 Table 3 Cost of 1m3 mud 泥浆体系名称 泥浆实验配方 耐温性/℃ 造价/元m–3 原配方 6黏土0.42Na2CO30.3CMC0.08PHP 80 169 SM 植物胶 8黏土0.4Na2CO31.6SM 胶0.192NaOH 60 280 8黏土0.4Na2CO30.12NaOH0.6PAC1411.5SPNH 85 377.1 PAC141-SPNH 6黏土0.3Na2CO30.12NaOH0.5 SPNH0.5PAC141 85 220 6黏土0.3Na2CO30.12NaOH2 FKJ-0.2FCLSⅡ 85 421 FKJ-Ⅱ 6黏土0.3Na2CO30.12NaOH2 FKJ-0.3FCLSⅡ 105 426.7 5黏土0.3Na2CO30.3MV-CMC0.280A51 0.05NaOH0.1NPAN 100 161 MV-CMC–80A51–NPAN 6黏土0.36Na2CO30.3MV-CMC0.180A510.05NaOH0.1NPAN 100 144 4 结 论 不分散低固相聚合物 MV-CMC-80A51-NPAN 泥浆体系， 耐温高达到 100℃ 、 失水量低10 mL、 泥皮簿1 mm而致密、剪切稀释性能好、成本低的 特点，可以作为硬岩破碎地层定向钻进施工时的首 选钻井液配方。 参考文献 [1] 曾祥熹，陈志超. 钻孔护壁堵漏原理[M]. 北京地质出版社， 1990. [2] 解超， 梅永刚. 宁深 1 井高温钻井液技术[J]. 探矿工程， 2012， 39627–30. [3] 李世忠. 钻探工艺学中册[M]. 北京地质出版社，1989. [4] 中油长城钻井有限责任公司钻井液分公司. 钻井液技术手 册[M]. 北京石油工业出版社，2005. [5] 李辉， 肖红章. 新型随钻封堵固壁剂的研究[C]//中国石油天然 气总公司钻井液学术研讨会论文汇编，北京[出版社不详]， 2005. [6] 张光华， 顾玲. 油田化学品[M]. 北京 化学工业出版社， 2005. [7] 蔡正泳，王足献. 正交设计在混凝土中的应用[M]. 北京中 国建筑工业出版社，1985. [8] 吴隆杰，杨凤霞. 钻井液处理剂胶体化学原理[M]. 成都成 都科技大学出版社，1992. [9] 格雷 H R. 钻井液和完井液的组分与性能[M]. 北京石油工 业出版社，1994. [10] 鄢捷年. 钻井液工艺学[M]. 北京石油大学出版社，2001. 责任编辑 宋震炎