微泡钻井液室内研究及性能评价.pdf

3 0 精 细 石 油 化 工 进 展 A D V A N C E S I N F I N E P E T R O C H E M I C A L S 第 1 5卷第 4期 微 泡钻 井液 室 内研究及性 能评价 谢建宇， 周亚贤， 耿晓慧， 卢国林 ， 刘光成， 郝继双 中原石油勘探局钻井工程技术研究院， 河南濮阳 4 5 7 0 0 1 [ 摘要] 微泡钻井液是一种适用于低压易漏地层 的新型钻井液。通过对起泡剂和稳泡剂 进行优选， 开发出抗温 1 3 5 o C的微泡钻井液。室内评价结果表明， 微泡钻井液抗温、 抗污染能力 强， 同时具有 良好的抗压缩 、 密度还原特性和承压封堵性能。在 2 0 4 0目砂床中， 微泡钻井液承 压封堵能力达 2 0 MP a以上； 经显微镜微观表征 ， 微泡呈球形 ， 粒径分布集中在 5 0 2 0 0 m之间。 [ 关键词] 微泡钻井液起泡剂抗压缩密度还原 微泡钻井液是国外一种成熟的新型低密度钻 井液体系， 由美国 M I 钻井液公司和 A c t i S y s t e m s 公司共同研制⋯。目前， 该体系已在北海、 委内 瑞拉西北部和墨西哥湾等地区老油田低压地层 的 数百 口井进行 了成功试验 ， 结果表明在易漏失和 易发生压差卡钻的低压层 和多压力层 系地层 中， 微泡钻井液是最佳体系。微泡钻井液通过特殊处 理剂产生多层膜包裹的微泡， 典型的微泡直径在 2 5～ 2 0 0 m间 ， 微泡内部是一个球形空气核。微 泡强 度高 、 气体通透性差 ， 使微泡能承受井底压 力。微泡钻井液具有 密度低 ， 可 重复使用 ， 不受 MWD和钻井液马达等井下工具 的影 响， 现场不 用添加注入气体的设备 压缩机及生产和注入气 体的设备等 ， 能有效防止低压破碎 、 高渗透率砂 岩及裂缝性漏失地层漏失、 保护油气层 、 降低钻井 成本等优势 J 。国内部分石油企业也开展了这 方面的技术研究工作 ， 并取得了一定的成果 J 。 笔者从微泡体系形成与稳定理论 出发 ， 通过对起 泡剂和稳泡剂的优选 ， 在室 内确定 了抗温 1 3 5 o C 的微泡钻井液配方 ， 并对其进行 了性能评价。 1实验 1 ． 1 试剂与仪器 黄原胶 X C， 工业品， 中轩生化有限公 司； 低黏 羧甲基纤维素钠盐 L v C MC， 高黏羧 甲基纤维素 钠盐 H v C M C ， 丙烯酸／ 丙烯酰胺共聚物 8 0 A 5 1 ， 均为工业品， 濮阳诚信钻采助剂有限公司； 聚阴离 子纤维素 L VP A C， 工业 品， 山东得顺 源石油科 技有限公司 ； 丙烯酰胺 、 环氧氯丙烷和二甲胺反应 物与丙烯磺酸钠 、 丙烯酸钾共聚物 C P S一 2 0 0 0， 自 制 ； 丙烯酰胺和 2一甲基 一 2一丙烯酰胺基丙磺酸 共聚物 P A M S 6 0 1 ， 自制； 起泡剂 F o a m一1 ， 由甜菜 碱型两性离子主表面活性剂和非离子型辅助表面 活性剂组成 ， 自制 ； 十二烷基磺酸钠 A S 、 辛基酚聚 氧乙烯醚 O P 一1 0 、 十二烷基苯磺酸钠 A B S 、 十二 烷基二 甲基氧化胺 O B一 2 、 椰油酰胺丙基甜菜碱 C A B一3 5 ， 均为工业品， 临沂兰山区绿森化工有限 公司 ； 泡沫增强剂 F S A一 2 ， 小分子胺类化合物 ， 工 业品， 万丰钻采助剂有限公 司； 聚胺抑制剂 ， 工业 品， 抚顺石油化工研究 院； C a C 1 ， N a C 1 ， 均为分析 纯 ， 天津市富宇精细化工有限公司。 高速搅拌机 、 表面张力仪 、 高温滚子炉 、 六速 旋转黏度计 ， 青岛海通达仪器有 限公司 ； C L一1 1 型 P V T流体测试仪 ， 荆州创联石油科技发展有 限 公司； 透反射金相显微镜， 上海光学仪器一厂。 1 ． 2 评价方法 1 泡沫半衰期测定方法 在 1 0 0 mL水中加入一定量起泡剂或稳泡剂 ， 在 1 0 r ／ mi n下 ， 搅拌 1 mi n ， 将泡 沫浆 加入量筒 中， 记录泡沫体积 ， 并记录泡沫体系析出5 0 mL发 泡基液所用时间 ， 作为泡沫半衰期。 2 微泡粒径分布测定方法 将微泡钻井液样 品均匀铺在载玻片上 ， 光学 显微镜照相后， 用专业图像分析软件测量 3 0 0 5 0 0个微泡的粒径 ， 微泡粒径分布计算公式如下 Ft Ni ／ No 式中， 表示第 i 区间中微泡个数 占全部 区间总微泡个数 Ⅳ n 的百分数 ； 区间依据微泡粒径 范围划分， 如4 0 6 0 m为一个区间。 收稿 13期 2 0 1 40 2 0 6 。 作者简介 谢建宇， 高级工程师 ， 博 士 ， 从事 油 田化学 品研 制 及开发工作。 基金项 目 中原石油勘探 局重大科技 攻关项 目“ 微泡钻井 液 技术研究” 2 0 1 2 3 2 1 部分研究成果。 2 0 1 4年 7月 谢建宇等． 微泡钻井液室内研究及性能评价 3 1 3 页岩回收率测试方法 取 2 ． 03 ． 8 mm页岩在 1 0 53 ℃下烘至 恒重 ， 称取 1 O g页岩 G 0 放人待测微 泡钻井液 中， 于 1 3 5℃下滚动 1 6 h ， 用孔径 0 ． 4 2 mm筛 回 收岩心 ， 在 1 0 53 ℃下烘至恒重， 测定 回收岩 心质量 G 。 ； 再将其放入清水中于 1 2 0℃下滚动 2 h ， 用孔径 0 ． 4 2 m m筛回收岩心 ， 于 1 0 5 3℃下 烘至恒重 ， 称取 回收岩心质量 G 2 ， 页岩 回收率 计算公式 一 次页岩 回收率 ， 尺 ， v 1 1 0 0 ％ b 0 二次页岩回收率 ， R 2 1 0 0 ％ u 0 D 相对页岩回收率， R 1 “ 2 1 0 0 ％ 2 微泡钻井液配方的确定 2 ． 1 起泡剂 起泡剂加量 0 ． 4 ％ ， 对不 同种类起 泡剂的起 泡体积、 半衰期和表面张力进行考察， 结果见表 1 和 图 1 。 表 1 不同起泡剂对泡沫性能的影响 目 ● 亳 旧 图 1 不同起泡剂表面张力随加量的变化 曲线 从表 1和图 1看出 ， F o a m一1作 为起 泡剂体 系， 发泡能力强， 半衰期长， 有利于泡沫稳定； 在相 同加量下 ， F o a m一1 起泡剂表面张力最小 ， 有利于 起泡。因此 ， 选择 F o a m一1 作为微泡钻井液的起 泡剂， 加量以 0 ． 5 ％ ～1 ． 0 ％为宜。 2 ． 2 稳泡剂 稳泡剂在微泡钻 井液 中能显著 提高液相 黏 度 ， 延长液膜排液时间 ， 减弱微泡间碰撞冲击力 ， 防止微泡破裂 ， 增强微泡稳定性。F o a m一1加量 0 ． 4 ％ ， 稳泡剂加量 0 ． 3 ％ ， 考察不 同稳泡剂对起 泡体积和半衰期的影响 ， 结果见表 2 。 表 2 不同稳泡剂对泡沫性能的影响 从表 2看出， X C在发泡时由于基液黏度大造 成起泡体积较小 ， 但其半衰期远大于其他稳泡剂 ， 稳泡效果最优。因此 ， 选择 X C作为微泡钻井液 的稳泡剂 。固定其他条件 ， 考察稳 泡剂 X C加量 对泡沫性能的影响， 结果见表 3 。 表 3 XC加量对泡沫性能影响 从表 3看出 ， 随着 X C加量增加 ， 起泡体积降 低 ， 半衰期增加。综合考虑 ， X C加量以 0 ． 3 ％ ～ 0 ． 8 ％为宜。 综上所述 ， 确定了微泡钻井液体系最佳配方 3 ． 0 ％ 一5 ． O ％ 膨 润 土 0 ． 5 ％ 一1 ． 0 ％ F o a m一1 0 ． 3 ％ 一0 ． 8 ％X C 0 ． 1 ％ 一 0 ． 5 ％ 泡沫增强剂 F S A一2 0 ． 3 ％ 一 0 ． 8 ％ L v C MC 0 ． 1 ％ ～0 ． 3 ％ 聚胺抑制剂。 3 微泡钻井液性能评价 3 ． 1 抗温性能 按照最佳配方配制微泡钻井液， 在不同温度下 老化 1 6 h后测定钻井液性能， 结果见表 4 。微泡钻 井液经高温老化后体系表观黏度 、 动切力有一定程 度下降， 但钻井液密度在高温老化前后差别不大， 表现出良好的抗温陛能， 能够满足现场需求。 3 2 精 细 石 油 化 工 进 展 A D V A N C E S I N F I N E P E T R O C H E M I C A L S 第 1 5卷第4期 表 4 微泡钻井液的抗温性能 A V为表观黏度 ， P V为 塑性黏 度 ， Y P为动切 力 ， P为 密度 。下 同。 3 ． 2 抗污染性能 为满足 现场需 要 ， 微泡 钻井 液经 污染后 在 1 3 5 o C 下老化 1 6 h ， 对其抗污染能力进行考察 ， 结 果见表 5 。微泡钻井液分别经岩屑粉 、 水泥石粉 、 N a C 1 和 C a C 1 污染及高温 3 5℃老化后 ， 泡沫状态 仍较好 ， 说明微泡钻井液具有较强的抗污染性能。 表 5 微泡钻井液的抗污染性能 F L为滤失量 ， 下 同。 3 ． 3 抑制性能 在微泡钻井液 中加入部分页岩， 考察微泡钻 井液对页岩的抑 制和防塌性能 ， 结果见表 6 。页 岩在清水中回收率仅为 2 ． 7 ％ ， 而微 泡钻井 液抑 制性能明显提 高， 一次页岩 回收率达 9 0 ． 1 ％ ， 相 对回收率达 9 6 ． 2 ％， 可满足现场要求。 表 6 微泡钻井液的抑制性 3 ． 4 密度特性 微泡具有的特殊结构使其与普通泡沫相比具 有 良好的抗压缩性能， 这对微泡钻井液密度具有重 要的影响。因此， 利用C L 一 Ⅱ 型流体P V T 测试仪在 高压条件下对微泡钻井液密度进行了考察。 3 ． 4 ． 1 抗压缩性能 1 温度和压力的影响 微泡中空气随着温度升高会发生气体膨胀， 会对微泡钻井液 的抗压缩性能产 生影响。实验 中， 配制密度为 0 ． 8 6 8 g ／ c m 微泡钻井液 ， 不 同温 度下考察微泡钻井液密度随压力 的变化， 结果见 图 2 。 图2 不同温度下微泡钻井液密度 随压力的变化曲线 从图 2看出 ， 微泡钻井液密度随着压力增加 而升高。这 主要是 由于微泡 内空气 具有可压缩 性 ， 随着压力增加 ， 微泡内空气体积减小 ， 造成钻 井液密度升高。同时 ， 压力小于 3 M P a时， 钻井液 密度上升较快 ； 而随着压力进一步升高 ， 钻井液密 度上升趋势趋于平缓。此外， 随着温度升高， 微泡 钻井液可压缩性降低。这主要是由于微泡中空气 随着温度升高发生体积膨胀 ， 而此作用力部分抵 消压力对微泡 内空气 的影响 ， 导致微泡钻井液可 压缩性能降低。 2 钻井液密度的影响 在高压条件下 ， 微泡钻井液密度 的不同 ， 也使 体系的抗压缩性能产生差异。在 8 0℃下， 考察不 同密度的微泡钻井液密度随压力的变化 曲线 ， 结 果见图 3 。 0 ． 9 5 0 ． 9 O 0 O ． 8 5 ∞ 0 8 0 翻 0 ． 7 5 0 ． 7 0 O 5 1 0 1 5 2 0 压力／ Ⅱ a 图 3 微泡钻井液的密度随压力的变化 曲线 从图 3看出 ， 密度较低 的微泡钻井 液可压缩 性较 强， 密度较高 的微泡钻井液 可压 缩性较差。 一 _ Ⅲ 丑 ＼ 船 2 0 1 4年7月 谢建宇等． 微泡钻井液室内研究及性能评价 3 3 这主要是 由于不同密度的微泡钻井液空气含量不 同， 密度较低的微泡钻井液空气含量高 ， 从而造成 不同密度微泡钻井液抗压缩能力 的差异。 3 ． 4 ． 2密度还原性能 密度还原性能是 微泡钻井液 一个重 要 的特 征 J 。利用 P v T测试仪考察微 泡钻井液密度 随 压力的变化曲线 ， 结果见图4 。 。 目 0 ● ＼ 栩 图4 微泡钻井液密度随压力的变化 曲线 从图 4看 出， 在加压过程中， 微泡钻井液密度 逐渐升高 ； 而在减压过程中 ， 微泡钻井液的密度又 几乎恢复至未加压前的。这主要是 由于微泡 的特 殊结构使其能承受短时间内重复的加压和减压。 在加压过程 中， 微泡可被适度压缩 ； 而随着压力下 降 ， 微泡又逐渐恢复至原来 的尺寸 ， 使微泡钻井液 表现出良好的密度还原特性。 3 ． 5 承压封堵性能 微泡钻井液能在不 同漏失 地层改变尺寸 ， 具 有一定 的防漏堵漏作用 。配制密度 0 ． 8 0 0 g ／ e m 微泡钻井液 ， 在 8 0℃下利用不同目数的砂床模拟 不同孔隙的漏失地层 ， 考察砂床 目数对微泡钻井 液封堵性能的影响 ， 结果见图 5 。 2 0 1 5 时 垒 1 0 5 2 0 MP a 以上 ； 而当砂床 目数在 1 0～ 2 0目时 ， 微泡 钻井液的最大承压能力仅为 3 MP a 。这主要是 由 于砂床 目数越大， 形成的孔隙尺寸越小 ， 有利于微 泡钻井液中微泡对此孔隙的封堵。 4 微泡钻 井液的微观表征 利用显微镜对配制的微泡钻井液中泡沫的微 观形态进行观测 ， 并对微泡粒径分布进行统计 ， 结 果见图6和图7 。微泡钻井液中微泡呈不连续单 个球体分布的状态 ， 相互间没有黏连， 微泡粒径主 要分布在 5 0～ 2 0 0 m间。 图 6 显微镜下微泡钻井液形态 图 7 微泡钻井液粒径分布 曲线 5结论 1 通过起泡剂和稳泡剂 的优选 ， 确成 了抗温 1 3 5 o C微泡钻井液配方。 2 制备的微泡钻井液具有较强的抗温 、 抗污 染性能及抑制页岩水化分散效果 ， 同时体系抗压 缩能力强 ， 并具有 良好 的密度还原特性 ， 在 2 0 4 0目砂床中， 微泡钻井液承压封堵 能力达 2 0 MP a 以上 ， 表现出良好的承压封堵性能 。 3 利用显微镜对微 泡进行 了微 观表征 ， 微泡 钻井液中微泡粒径主要分布在 5 02 0 0 m间。 精 细 石 油 化 工 进 展 A D V A N C E S I N F I N E P E T R 0 C H E M I C A L S 第 1 5卷第 4期 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 徐江 ， 谭春勤 ， 金军斌． A p h r o n钻井液体系在 大牛地气 田的 应用前景 [ J ] ． 内蒙古石油化工 ， 2 0 0 9， 3 5 1 1 1 2 91 3 0 ． 郑秀华， 李国庆， 王军， 等． 可循环微泡沫及其应用[ J ] ． 探 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e o f S i n o p e c Z h o n g y u a n P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n B u r e a u ， P u y a n g， H e n a n 4 5 7 0 0 1 ， C h i n a [ Ab s t r a c t ] Mi c r of o a m d ri l l i n g fl u i d i s a n e w d ri l l i n g f l u i d s u i t a b l e fo r l o w p r e s s u r e a n d l e a k i n g f o r ma t i o n ．A mi c r ofoa m d ri l l i n g fl u i d wh i c h c a n wi t h s t a n d t h e t e mp e r a t u r e t h a t i s a s h i g h a s 1 3 5 ℃wa s d e v e l o p e d b y s e l e c t i n g a f o a mi n g a g e n t a n d a foa m s t a b i l i z e r t h r o u g h o p t i mi z a t i o n ．Ac c o r d i n g t o t h e r e s u l t s o f l a b o r a t o r y e v a l u a t i o n， t h i s mi c r o foa m d ril l i n g flu i d i s g o o d i n t e mp e r a t u r e r e s i s t a n c e， a n t i p o l l u t i o n， c o mpr e s s i o n r e s i s t a n c e，de n s i t y r e d u c t i o n a n d p l ug g i n g u n de r p r e s s u r e ．Th e p l u g g i n g c a p a c i t y u n d e r p r e s s u r e o f t h i s mi c r o foa m d ri l l i n g fl u i d i s h i g h e r t h a n 2 0 MP a wh e n i t i s u s e d i n 2 0 4 0 me s h s a n d b e d ． Mi c r o s t r u c t u r e c h a r a c t e ri z a t i o n b y mi c r o s c o p e h a s s h o w n t h a t t h e mi c r o f o a ms a r e o f s p h e ri c a l s h a p e s w i t h t h e s i z e d i s t ri b u t i o n o f 5 0 t o 2 0 0 Ix m． [ Ke y w o r d s ] mi c r o foa m d ri l l i n g fl u i d ； f o a m i n g a g e n t ； c o m p r e s s i o n r e s i s t a n c e ；d e n s i t y r e d u c t i o n 从藻类连续生产原油 位于美国华盛顿州 R i c h l a n d的太平洋西北国家实验室 P N N L 的科学家于 2 0 1 4年 2月宣布 ， 已经 开发出一种连续的过程， 从藻类生产出原油， 可降低生产藻类基燃料的成本。 该过程的工作原理 ， 通过组合水热液化和催化热液气化 ， 使藻类浆液加热和加压到 3 5 0 o C和 3 0 0 0 磅每平方英寸。西北太平洋国家实验室表示， 它研究的反应器可将藻类中碳的5 0 ％ 一 7 0 ％转化为原 油 。除了原油 其可以得到航空燃料 、 汽油和柴油燃料 外 ， 该过程还生成燃料气体 ， 以及水 ， 和可用来 帮助更多藻类生长的氮 、 磷和钾的养分 。 采用建造高压系统相对较便宜 ， 无需采用溶剂来提取油 ， 可降低成本 ， 并且可避免采用使藻类干燥 的能源密集型步骤。目前生产藻类基燃料大多数方法包括这些方法的结合。西北太平洋国家实验室的 反应器系统 的浆料 处理 量为 1 ． 5 L ／ h 。该 技术 已授权 转让 给美 国犹 他州 盐湖 城 的生 物燃 料公 司 G e n i f u e l ， 用于进一步开发。 CE． 2 01 40 20 5