用弱凝胶替代水基钻井液中膨润土的技术.pdf

第 2 7 卷第 1 期 2 0 1 0年1 月 钻井液与完井液 DRI LLI N G FLUI D COM PLETI ON FLUI D VlO 1 ． 2 7 No．1 J a n．2 0l 0 文章编号 1 0 0 1 - 5 6 2 0 2 0 1 0 0 1 - 0 0 3 5 0 3 用弱凝胶替代水基钻井液中膨润土的技术 赵 素丽 ， 肖超 中石化石油工程技术研究院钻井液所 ，北京 摘要通过研究指出常规水基钻井液面临的矛胃，并对膨润土的性质进行研究，提出利用弱凝胶替代膨润土 在钻井液中作用的思路。以弱凝胶为基础配浆材料配制的钻井液，从根本上克服 了钻井液既要保持膨润土细分散 的胶体状 态，又要保持 泥页岩地层 稳定、抑制钻屑在钻 井液 中分散所表现 出来的矛唇。在使用各种 强抑 制剂、防 塌 剂提高 井壁 稳定 的同时，不会破坏 钻井液性能。通过 研究 ，得 出了弱凝 胶和膨润土的流变性和造壁性十分相似， 证 实 了弱凝胶 替『 弋 膨润土 的可性行。 关键 词 聚合物弱凝 胶 ； 水基钻井液 ； 性 能稳定 ；嘭润土替代 品 中图分类号 T E 2 5 4 ． 2 文献标识 码 A 在水基钻井液 中加人 的各种处理剂通过吸附在 黏土表面，拆散或絮凝黏土胶粒 ，使膨润土颗粒维 持好的粒度和级配 ，钻井液保持好 的性能 ] 。但在 实际应用 中，钻井液接触到的地层黏土矿物与膨润 土矿物结构相同或相近，因此钻井液的稳定性和井 眼稳定性之间存在着不可调和的矛盾 ，需要找到一 种能替代膨润土的聚合物。 1 钻井液的稳定性和井眼稳定性之 间 的 矛 盾 ① 由于井壁和地层黏土矿物成分与钻井液中黏 土颗粒成分相同，钻井液中的降滤失剂和降黏剂会 对地层黏土进行分散 ， 使钻屑不断分散在钻井液中， 现钻井液固相含量升高 、流变性变差 、滤失量变 大等现象 ，而为保持钻井液稳定 ，需要再加入降滤 失剂 、降黏剂等，导致恶性循环 的产生 。②盐水钻 井液中无机盐进入地层会抑制地层黏土水 化膨胀 ， 也会使膨润土水化膜变薄 ，黏土胶粒絮凝 ，使钻井 液滤失量变大 ] 。为了维护钻井液性能稳定 ，无机 盐必须与护胶剂或降黏剂配伍使用 ，既增加 了钻井 液成本 ，又削弱 了无机盐的抑制效果 ，使盐水钻井 液维护难度加大。③ 由于分散剂 的存在 、黏土的水 化分散等，随着时间的延长总有一部分黏土分散进 入钻井液中，增加钻井液同相含量 ，因此需要使用 选择性 的絮凝剂。如果钻井液中没有膨润土 ，则可 以使用成本低廉 的聚丙烯酰胺 P AM ，不管体系中 的黏土水化与否都可以进行絮凝 ，以控制钻井液中 有害固相。④钻井液抗污染能力较差。当钻井液遇 到盐侵 、钙侵时，由于高价离子压缩膨润土胶体粒 子的扩散双电层 ，Z e t a电位降低 ，膨润土会产生絮 凝 、 聚结 ， 严重影响钻井液性能； 当钻遇高温地层时 ， 处理剂的降解或解吸对膨润土颗粒的保护作用减弱， 膨润土的高温分散会使钻井液严重增稠、滤失量变 大，性能变坏。 2 聚合 物的选择 除密度外 ，水基钻井液性能主要 由膨润土粒子 的分散状态决定 ，钻井液中加入处理剂的 目的就是 为了保持膨润土颗粒有合适的大小和粒子级配 ⋯。 2 ． 1聚合物选择 黄原胶是无固相钻井液的主要提黏提切剂 ，具 有较好的增黏降滤失作用 ，使钻井液易于配制 、性 能极易调整 ，但抗温效果差 、价格昂贵 ； 膨润土纳 米插层聚合物具有膨润土和聚合物的双重性质 ，既 有膨润土颗粒之 间的斥力，又有聚合物分子间的内 摩擦力 ，增黏提切 、降滤失性能好 ，抗温抗盐性好 ， 但技术要求高 ，目前还没有工业化生产 ； 聚合物 弱凝胶依靠粒子间的静 电斥力保持钻井液的黏度 、 第一作者简介 赵素丽，硕士，1 9 8 0年生，现在主要从事钻井液研究与开发工作。地址 北京市朝阳区北辰东路 8号 ； 邮政编码 1 0 0 1 0 1；电话 0 1 0 8 4 9 8 8 2 1 1 ／ 1 8 6 0 0 0 3 3 8 1 3； E ma i l z s l s i n o p d ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 1月 切力稳定 ，具有水化速度快、性能基本呈惰性 、产 品可系列化的优点 ，已在医疗 、农林业等方面广泛 应用 ，还没有在钻井液方面的应用报道 ，因此对其 进行了研究。 2 ． 2 聚合物弱凝胶与普通聚合物的 比较 常规聚合物在水 中以直链或支链形式分散 ，浓 度高时有拉丝现象 ，具有黏性 ，分子链 间的缠结和 内摩擦使其具有提黏效果，降滤失机理是护胶或分 散黏土颗粒。弱凝胶在水中 自由分散成纳米级别单 个粒子 ，浓度高时无拉丝现象 ，具有黏性和可变形 性 ，有一定 的硬度，依靠分子间的静电斥力提高黏 度 ，直接参与形成泥饼达到降滤失效果。可见聚合 物弱凝胶既具有聚合物的黏性 、 膨润土的提切能力 ， 又具有类似沥青的封堵功能 ，因此可作为膨润土的 替代物来配制新型钻井液。 膨润土 左 聚合物弱凝胶 右0 ． 5 ％ 聚合物弱凝胶溶液 图 1 膨润土和聚合物弱凝胶外观及溶液 表 l 聚合物弱凝胶与膨润土的性质比较 1 2 o℃、1 6 h 配方 条件 6 0 o ／ 3 ∞ 2 o d l o o 3 F L ／ mL 4 ％ 膨润土 2 ％ 膨润土 0 ． 2 ％ 弱凝胶 3 聚合物 弱凝胶 替代膨 润土的优势 o 3 ％弱 凝 胶 ①聚合物可以系列化 ，分成 “ 一般 土” 、“ 抗盐 土” 、“ 抗温抗盐土”等，在钻井过程中可以根据地 层需要选择不同的聚合物。②弱凝胶钻井液处理剂 不通过在膨润土上吸附而产生作用 ，提高了处理剂 的应用效果 ，降低 了处理剂的 “ 内耗” 。③ 以黏弹 性弱凝胶为基础配浆材料所开发的钻井液不用膨润 土配浆 ，从根本上克服了钻井液既要保持体系中膨 润土细分散的胶体状态 ，又要保持泥页岩的地层稳 定 、抑制钻屑在钻井液 中分散所表现出来 的矛盾， 钻井液维护处理简单 。④因为体系没有膨润土，可 以配制成高密度钻井液。 4聚合物 弱凝 胶 效 果 评价 4 ． 1 聚合物 的合成 根据地层温度、允许矿化度等优选单体 ．在一 定条件下进行合成 、交联 ，其中分子量的控制和交 联度最关键 ， 最终成凝胶体，干燥粉碎后即成产品。 选择丙烯酸单体 ，用铝盐交联 ，所得产品及其在水 中的溶解情况如图 1 所示 。 4 ． 2 聚合物与膨润土的性质比较 聚合物与膨润土的性质比较见表 1 。由表 1 可 知 ，0 ． 3 ％ 弱凝胶聚合物溶液与 4 ％ 膨润土在常温下 的提黏提切、降滤失性质相当，但聚合物抗温性稍 差 ，可以通过与抗温性 比较好的单体 例如烯丙基 磺酸钠 共聚来解决。 老化前1 4 ． 0 ／ 1 0 ． 0 8 ． 0 ／ 6 ． 0 3 ． O ， 2 ． 5 3 6 老化后1 4 ． 0 ／ 1 1 ． 0 9 ． 5 ／ 8 ． 0 8 ．0 ／ 8 ． 0 3 9 老化前 1 4 ．0 ／ 8 ． 0 5 ．0 ／ 3 ． 0 1 ． 0 ／ 1 ．0 2 5 老化后 1 6 ．0 ／ 8 ． 5 6 ．O ， 3 ． 5 1 ． 0 ／ 0 ．5 3 1 老化前3 6 ． 0 ／ 2 2 ． 0 1 7 ． o ／ 1 1 ． 0 3 ． 5 ／ 3 ．0 3 2 老化后2 5 ．0 ／ 1 4 ．0 9 ． 5 ／ 5 ． 0 0 ／ 0 4 1 4 ． 3形成的泥饼对 比 0 ． 3 ％ 聚合物弱凝胶与 4 ％膨润土所形成的泥饼 见图 2和图 3 。因为溶液透 明，为了观察方便进行 了染色处理。由图 2 、图 3可以看出，0 ． 3 ％聚合物 弱凝胶与4 ％膨润土所形成的泥饼很相似，它们都 是胶体颗粒，直接参与形成泥饼 ，其 中聚合物所形 成的泥饼厚度略薄 、更致密。 ／ 图 3 4 ％膨润土泥饼 h 3与 0 ． 3 ％ 聚 合物弱凝胶 右 泥饼厚度对 比 用注射器取 1 mL 4 ％膨润土浆和 1 m LO ． 3 ％弱 凝胶溶液 ，同时滴到滤纸中心 ，观察膨润土浆和弱 凝胶溶液的渗滤情况，见图4 。以所滴液体中心点 为圆点，定期测量渗滤半径，结果见图4 ～ 图5 。由 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 1 期 赵素丽等用弱凝胶替代水基钻井液 中膨润土的技 术 3 7 图 5 可知，0 ． 3 ％聚合物弱凝胶 与 4 ％膨润土浆 的瞬 时扩散速度相差不多 ，但随着时间延长 ，弱凝胶 的 扩散速度逐渐低于膨润土浆 ，最终弱凝胶的扩散半 径为 2 ． 5 5 c m，而膨润土的扩散半径为 3 ． 7 5 c m。 图 4 4 ％ 膨润土和 O ． 3 ％弱凝胶渗滤对 比 4 ． 0 3 ． 5 量 3 ．0 2． 5 2 ． 0 0． 5 5 应 用前景分析 用聚合物弱凝胶代替膨润土 ，并在室 内初步合 成了产 品。该 聚合物 以单个粒子形式分散到水中， 粒子本身的静 电斥力使其保持悬浮稳定。该聚合物 可以全部或部分代替膨润土 ，即能保持钻井液 的黏 切，又能有效封堵弱裂隙、降低滤失 ； 该聚合物还 可以系列化 ， 可以根据地层需要调整单体进行合成。 由该聚合物为基础配浆材料配制的钻井液处理剂不 通过在膨润土上吸附而起作用 ，改变 了处理剂作用 机理。聚合物弱凝胶钻井液从根本上解决了钻井液 性能与井眼稳定性之间的矛盾 ，同时又避免了传统 无 固相钻井液滤失较高 、抗温能力不强的缺点 ，经 济和社会效益 巨大 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王平全， 周世良． 钻井液处理剂及其作用原理 [ M] _ 北京 石油工业出版社 ，2 0 0 3 ，9 1 9 ． [ 2 ] 鄢捷 年 ． 钻 井 液工 艺学 I M] ． 东 营 石 油 大学 出版 社 ， 2 00 0， 81 55． [ 3 ] 盛沛 ． 黏土型高吸水性复合材料的制备及其性能研究 [ D] ． 武汉 武汉理工大学 ，2 0 0 7 1 - 2 ． 图5 4 ％膨润土和 0 ． 3 ％弱凝胶渗滤半径对比 收稿 曰2 0 0 9 0 6 1 6 ；H GF 0 9 0 6 M5 ；编辑 马倩芸 上接第3 4 页 2 ． 6 GH S L缓释 破胶机理 G H． S L缓释破胶剂的延迟释放方式主要是膜化 学侵蚀和溶解导致破胶剂释放的方式。利用破胶剂 与熔融的膜材料混合压制成一定大小 的颗粒 ，膜材 料在破胶剂表面生成包膜 ，因而阻止 了破胶剂溶解。 在适 当的温度条件下 ，膜材被缓慢破坏 ，导致 GH 破胶剂缓慢释放。 3 结 论 1 ． 随着包囊材料 S L质量分数 的增大 ，由包囊 材 料 S L和氧化 剂 G H制备 的缓释破 胶剂 GH S L， 在相同时间下对钻井液的破胶率逐渐减小 ，表明其 缓释性能越来越好 。 2 ． 缓释破胶剂 G H． S L对钻井 液的破胶率 ，随 着 GH． S L加量的增大而增大 ； 随着温度升高而增大； 随着破胶时间的延长而缓慢增大。 KMn O 比较 ，缓释破胶剂 G H S L具有较好 的缓释 破胶 性能 。 参 考 文 献 [ 1 ] 范山鹰 ． 无固相弱凝钻井液体系的室内评价 [ J ] ． 江汉石 油学 院院报 ，2 0 0 4 ，2 6 1 6 9 7 0 ． [ 2 ] 向兴金 ． 破胶剂改善聚合物完井液的储层保护效果 [ J ] ． 国外油 田工程 ，1 9 9 8 ，1 4 7 4 1 0 ． [ 3 ] G u l b i s J ，K i n g ，e t a 1 ．E n c a p s u l a t e d B r e a k e r f o r a q u e o u s P o l y me r i c F l u i d s [ J ] ． S P E， 1 9 4 3 3 ． [ 4 】 J a n e t Gu l b i s ，M T Kt n g ， W Na wk t n s ，e t a 1 ． E n c a p s u l a t e d b r e a k e r f o r a q u e o u s p o l y me r i c fl u i d s [ J ] ． S P E 1 9 4 3 3 ． [ 5 】 L e wi s No r ma n ， S a n j a y V i t t h a l ， J o h n T e r r a c i n a ． Ne w b r e a k e r t e c h n o l o g y f o r f r a c t u r i n g ．h i g h p e r me a b i l i t y f o r ma t i o n s [ J ] ． S PE 3 00 97 ． [ 6 ] M An n B a k e r ， Wi l l i a m H a t t o n ． C a l c i u m p e r o x i d e a s a s e e d c o a t i n g ma t e r i a l f o r p a d i r i c e [ J ] ． P l a n t a n d S o i l ，1 9 8 7 ， 】 2 35 7 36 3． 3 ． 与常规氧化型破胶剂 N H4 2 S 2 O8 、K2 S 2 O8 和 收稿日 N2 0 0 9 0 3 2 1 ； H G F 1 0 0 1 A 5 ；编辑 张炳芹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m