油包水钻井液钻穿煤层的可行性.pdf

第 2 9卷 第 4期 2 0 1 2年 7月 钻井液与完井液 DRI LL I NG F LUI D COMP LE TI ON F L UI D 、 ， 0L Z O． 斗 J u l y 2 01 2 【 理论研究与应用技术 】 油包水钻井液钻穿煤层的可行性 李胜， 田璐 ， 李家芬 中石化石油工程技术研究院，北京 李胜等 ． 油包水钻井液钻穿煤层的可行性 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 l 2 ，2 9 4 4 9 5 1 ． 摘要通过分析煤岩地层垮塌机理，总结 了煤层钻井液技术难点，并提出了稳定煤系地层的钻井液技术对策。 室内通过高温高压膨胀实验、粒度分布、回收率及强度实验，评价 了油包水钻井液钻穿煤层的可行性。实验表明， 煤岩在油包水乳化钻井液中的强度较清水 中降低 了2 3 ％。通过在油包水乳化钻井液中引入无渗透钻井液处理剂， 可提高油包水乳化钻井液的封堵能力，降低 了油包水钻井液钻遇煤层时井壁失稳的风险。 关键词 油包水钻井液 ； 煤层 ； 封堵性 ； 高温高压膨胀 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 20 4 0 0 4 9 0 3 油包水乳化钻井液是 以水为分散介质、油为连 续相的钻井液体系 ，其抑制性强 ，井壁稳定性 、页 岩抑制好，特别适合于复杂地层、易水敏地层。其 润滑性好 ，抗盐和抗钻屑污染能力强 ，具有现场维 护简单、钻井液可循环使用的特点， 已成为钻高难 度高温深井 、大斜度定向井 、水平井 、各种复杂井 段和储层保护 的重要手段 [ 1 - 4 ] o对于煤 层、煤线较 发育地层，煤岩易垮塌，导致井壁失稳，引发井下 复杂情况。由于油类矿物对煤岩有溶解、 溶胀作用， 需要对油包水钻井液钻穿煤层的可行性进行评价。 1 煤 岩垮 塌机理分析 煤岩 自身具有弹性模 量小 、抗压抗拉强度低、 脆性大、胶结性差等特点。对于在煤岩发育的地层 钻进时，钻井液密度过低会引起构造应力释放，使 煤层沿节理和裂缝崩裂坍塌 ，大量 的掉块上浮会造 成环空阻流和卡钻。钻井液密度过高时，压差作用 下滤液楔人煤层 ， 将裂缝撑开使煤层坍塌。 对 于亲水表面 ，水在毛细管作用下进入裂缝和 孑 L 洞 ，削弱 了煤大分子之间的氢键和范德华力 ，引 起煤岩内聚力和内摩擦力的降低，宏观上表现为分 布在煤的裂缝和孔洞中起胶结作用的少量黏土矿物 水化膨胀， 高温也会加剧水化作用， 促使地层的坍塌。 室内用 x射线衍射测定了某油田煤岩矿物组分，其 中黏土矿物总量达 7 ． 5 ％，矿物种类中非晶质含 8 9 ％、 方 解 石含 2 ． 1 ％、黄 铁矿含 0 ． 9 ％、菱 铁矿含 0 ． 5 ％。 黏土矿物含量以伊利石、高岭石为主，含量分别为 3 0 ％、7 0 ％，证实了煤岩中含有一定量的黏土矿物。 虽然油包水乳化钻井液具有 良好 的井壁稳定和 页岩抑制作用，且钻井液滤液为油相，对煤岩中的 黏土矿物影响小 ，但是油类矿物对煤岩强度 的影响 比水大，其作用机理主要为溶解和溶胀作用 。煤岩 吸油后 ，造成大分子间交联 和有机小分子的溶解 ， 破坏了煤的骨架结构，使其强度下降。油进入亲油 裂缝，使裂缝间交联键溶解，内聚力降低，导致煤 岩膨胀坍塌。油使煤岩中的交联大分子溶胀 ，煤岩 体积膨胀， 膨胀应力使煤岩结构破坏， 强度降低[5 -8 ] o 2可行性评价 2 ． 1 高温高压膨胀 选用 山西组层位的煤 屑，分别在 1 、5 MP a下 稳压 5 m i n 压制成岩样进行高温高压膨胀实验。用 第一作者简介 李胜，2 0 0 9年毕业于中国石油大学 北京 油气井工程专业，现在主要从事油气层保护及钻井液工艺 等方面的研究工作。地址 北京市朝阳区北辰东路 8号北辰时代大厦钻井液所； 邮政编码 1 0 0 1 0 1 ； 电话 0 1 0 8 4 9 8 8 1 9 8 ； E ． ma i l l i s h e n g ． s r i p e s i n o p e c ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年 7月 H T P C 4型高温高压双筒页岩膨胀仪，设定温度为 1 0 0℃，压力为 3 ． 5 MP a ，得到煤屑的最大膨胀量 ， 进行对 比实验 ，结果见图 1 和图 2 。可以看 出，煤 屑在油包水钻井液中比其在清水中的膨胀量低，在 高温高压下膨胀 1 6 h ，煤屑在油包水钻井液和清水 中的最大膨胀量分别为 0 ． 1 7 、O ．2 6 m r n ，在高温常 压下膨胀 1 6 h的最大膨胀量分别为 0 ． 3 0 、1 ． 1 9 i n l“n ， 高压与常压下相比，煤岩膨胀量分别降低了 3 4 ．6 ％、 7 4 ． 7 9 ％。可见油包水乳化钻井液可抑制煤岩膨胀 ， 同时也说明煤岩中的黏土矿物遇水易水化、膨胀。 I -4 l g 蠢 o l6 0 ．4 0 ．2 o -O ． 2 t ／ rai n 图 1 煤样在油包水钻井液和清水中 的膨胀量 1 0 0℃ 、3 ． 5 MP a l -4 l 姜基 0 ．4 O ．2 O - 0 - 0 O l -2 u r删 _圳4 8 0 6 ‘ l l ， 硎8 4 0 9 6 0 曲 图 2 煤样在油包水钻井液和清水中 的膨胀量 1 0 0℃、常压 2 ． 2 粒度分布 测定在油包水钻井液 中加入 5 ％ 煤屑前后的粒 度分布，以此确定高温老化下煤屑是否在油包水钻 井液中溶解、溶胀，结果见表 l 。由表 1 可知，油包 水钻井液加入煤屑前后粒径分布差异性小。 表 1 粒度分布评价实验 1 0 0℃ 、1 6h 钡 0 定物D1 o ／ m D5 0 ／ l D9 0 ／ g m Da J r n c m2 ／ c m 2 ． 3 回收率 分别向 4 0 0 mL油包水钻井液和清水 中加入 3 O g 粒径为 3 ．2 O ～5 ．2 7 mm的煤屑，在 8 0 c C 下老化 2 h 模拟钻穿煤层的时间 ，老化后用孔径为 0 ． 4 5 r r l rn的筛网回收，结果见表 2 。由表 2 可知，在油 包水钻井液和清水中煤屑回收率几乎一样，说明油 包水乳化钻井液对煤屑水化、分散作用小。 表 2 煤屑 回收率评价实验 2 ． 4 强 度 将现场获取的煤块分别放入清水及油包水钻井 液 中，在 1 0 0℃下热 滚 1 6 h后 ，用 WA Y - 3 0 0 B型 全 自动压力试验机测定煤块发生破裂时所承受的压 力载荷 ，结果见 图 3和 图 4 ，测得煤块在清水和油 包水钻井液中热滚后破裂时所需的压力载荷分别为 1 ． 5 2 、1 ． 1 7 k N，表明煤块在矿物油 中浸泡后强度有 所下降，下降率达2 3 ％。 量 稼 蟠 胡 重 埠 葺 薛 R 出 图 3 清水中老化后煤块破裂压力载荷 图4 油包水体系中老化后煤块破裂压力载荷 3 提高油包水钻井液封堵性研究 通过室 内实 验优选 出了可提高地 层承压能 力 的无渗透钻井液处理剂，该处理剂所含经化学反应 制得的高强度植物纤维粗且长 、韧性大 ，具有可吸 附在地层孔隙和惰性材料所形成 的缝隙中并膨胀增 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 4期 李胜等 油包水钻井液钻 穿煤层的可行性 5 I 强屏蔽层的致密性，提高地层承压能力。所含的粒 径分布合理的活性矿物可提高泥饼与地层的胶结强 度 ，且对钻井液流变性影响较小。 3 ． 1 黏度效应 评价了前期优化 出的油包水钻井液加入无渗透 处理剂后流变参数的变化 ， 结果见表 3 。由表 3 可见 ， 在油包水钻井液中加入 1 ％ 无渗透处理剂后钻井液 的黏度 、切力有所增加 ，而处理剂加量为 2 ％ 时与 加量为 1 ％ 的钻井液性能变化不大 ，且无渗透处理 剂加量为 2 ％时油包水钻井液的动塑比增高至O ． 3 8 9 P a ／ mP a s ，流变参数合理，这说明无渗透钻井液处 理剂可以改善泥饼的质量 ，降低泥饼的渗透性 。油 包水钻井液黏度的增高能增加钻井液滤液在煤层裂 缝及裂隙中的流动阻力 ，减弱油包水钻井液滤液对 煤岩的危害。 表 3 无渗透处理剂对油包水钻井液性能的影响 3 ． 2 封堵性评 价 采用砂 床评价 了油包水钻井 液加入 无渗透处 理剂前后 的封堵能力 ，在 F A型无渗透钻井液滤失 仪中加入 2 0 0 g 经清水洗净烘干后冷却的粒径为 0 ． 4 5 ～0 ． 9 0 1T II “I 1 的砂子 ，用水浸湿后铺平 ，慢慢加 入 4 0 0 mL评价液 ，加 压至 O ． 7 MP a ，在 常温下分 别测试滤失量及钻井液形成的封堵膜进入砂床的厚 度 【 9 】 ，结果见表 4 。 表 4 油包水钻井液砂床滤失量及封堵膜厚度 表 4 表明，加有无渗透处理剂的油包水钻井液 进入砂床时，经孔隙进行过滤，由于高分子聚合物 胶束的浓缩、吸附、吸水膨胀和一些惰性材料的填 充，在压力作用下使得封堵膜薄而坚韧，能够降低 滤失量 ，提高地层承压能力 。 4认 识 及 结论 1 ． 煤岩地层的抗拉强度低、脆性大、胶结性差， 起胶结作用的黏土矿物已水化膨胀，促进井壁失稳， 需使用密度合理、滤失量低、抑制性强的钻井液钻 穿煤层。 2 ． 油类矿物对煤岩具有溶解 、溶胀作用。高温 高压膨胀、粒度分布、热滚回收率评价实验说明， 油包水钻井液对煤岩影响小 ， 然而会 降低煤岩强度 。 3 ． 无渗透处理剂可有效提高油包水钻井液的封 堵性 ，且对体系的流变性影响较小 ，改善钻穿煤岩 时的井壁稳定性 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张炜 ，刘振东，刘宝峰，等 ． 油基钻井液的推广及循环 利用 [ J ] ． 石油钻探技术，2 0 0 8 ，3 6 6 3 4 3 5 ． [ 2 ] 梁勇 ． 油包水钻井液技术在古龙 1 井的应用 [ J ] ． 钻井液 与完井液 ，2 0 1 0 ，2 7 5 1 5 1 7 ． [ 3 ] 华桂友，舒福 昌，向兴金，等 ． 可逆转油基钻井液体系 配制及性能评价 [ J ] ． 精细石油化工进展 ， 2 0 0 9 ， 1 0 1 1 8 9 ． [ 4 】 白小东，蒲晓林 ． 国外储层保护的油基钻井完井液新 技术研究应用 [ J ] ． 精细石油化工进展，2 0 0 5 ，6 1 2 1 2 ． 1 3 ． [ 5 ] 陈在君，刘顶运，李登前 ． 煤层垮塌机理分析及钻井液 防塌探讨 [ J 1 ． 钻井液与完井液，2 0 0 7 ，2 4 4 2 8 ． 2 9 ． [ 6 ]6 梁大川 ，蒲晓玲，徐兴华 ． 煤层坍塌的特殊性及钻井液 对策 [ J ] ． 西南石油学院学报，2 0 0 2 ，2 4 6 2 8 3 O ． 【 7 ] 梁大川，崔茂荣，王平全，等 ． 吐哈油田煤层钻井液技 术 [ J ] ． 钻井 液与完井 液 ，1 9 9 5 ，1 2 4 3 3 ． 3 5 ． [ 8 ]8 王福印，王海涛， 武少英， 等 ． 煤层防塌钻井液技术 [ J ] ． 断块油气田，2 0 0 2 ， 9 5 6 6 6 7 ． [ 9 ]9 李家芬，苏长明，于培志 ，等 ． C Y． 1 无渗透钻井液处 理机的室内试验研究 [ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 0 6 ， 3 4 1 3 3． 3 5． 收稿 日期2 0 1 2 一 O 1 ． 1 3 ；HG F 1 2 0 2 M5 ；编辑马倩芸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m