新型聚胺水基钻井液研究及应用.pdf

第 3 0卷 第 3期 2 0 1 3年5月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D ＆ COM PLETI ON FLUI D 、 ， 0 1 ． 3 0 No ． 3 M a y 2 01 3 【 理论研究与应用技术 】 新型聚胺水基钻井液研究及应用 张国 ， 徐江 ， 詹美玲 ， 刘贵传 ， 钟汉毅 ， 马鹏 1 ． 中石化石油工程技术研究院，北京 ； 2 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院，山东青岛 张国等 ． 新型聚胺水基钻井液研究及应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 3 2 3 2 6 ． 摘要 研制出一种聚胺抑制剂 X J A 一 1 ， 以XJ A一 1 、 优选出的包被抑制剂 S DE 相对低分子量阳离子聚丙烯酰胺 和封堵防塌剂 铝基聚合物HA 1 为主剂构建了聚胺水基钻井液。室内实验对 3种主剂和钻井液的性能进行了评 价，结果表明，XJ A 一 1抑制泥页岩水化膨胀和分散的能力与国外同类产品Ul t r a h i b接近，且在高温下的作用效果良 好 ； S DE和 HA ． 1能从不同方面抑制泥页岩的水化分散，综合增强钻井液的井壁稳定效果 ； 该钻井液的抑制性和 润滑性与油基钻井液接近，并具有较好的流变和滤失性能。该钻井液在 T H1 0 4 1 0 C H 2井成功进行了应用，有效解 决了泥页岩水化导致的井壁失稳问题，提高 了钻井效率，为复杂泥页岩钻井提供了新的技术对策。 关键词 聚胺水基钻井液 ； 聚胺抑制剂 ； 包被抑制剂 ； 铝基聚合物 ； 泥页岩水化 ； 层间距 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 3 0 3 0 0 2 3 0 4 从油基钻井液的基本特性出发，采用 “ 总体 抑制”的思路 ，即综合抑制泥岩、黏土和岩屑水化 分散 ，同时引入新型专利产 品，开发出了聚胺钻井 液。该体系具有强抑制性 ，能抑制复杂泥岩段页岩 的水化膨胀与分散 ，从而防止缩径阻卡 ； 且具有 良 好的清洁润滑性，能预防钻头泥包，可以减少井下 复杂情况 ，提高机械钻速 ，缩短钻井周期 ，因此该 体系被认 为是能取代 油基钻井液 的新一代水 基钻 井 1 主要处理剂性 能评价 1 ． 1 聚胺抑制剂x J A 1 1 页岩滚动分散实验 。采用塔里木油 田 B K 3 H 井泥页岩岩样 ，在不 同温度下进行页岩滚动分散实 验 ，其中聚胺 Ul t r a h i b和 XJ A一 1的浓度为 1 ％，KC 1 浓度为 7 ％，结果 如图 1 所示。从 图 1 可知 ，随着 温度 的升高，不论在清水 中还是抑制剂溶液中，页 岩回收率均逐渐降低 ，这是 由于高温加剧了泥页岩 水化分 散 ；同时可 以看 出 ，新 研制 的聚胺抑制 剂 XJ A． 1 在不 同温度下 的页岩 回收率与国外 同类产 品 Ul t r a h i b接近 ，高于 KC 1 ，且 在 1 5 0℃高温下仍具 有较高的回收率，表明X J A 一 1 能有效抑制泥页岩水 化分散 ，且具有高温稳定性 。 9 O 垂 羹 回4 0 3 0 2 0 l 0 O _ 清水 I ％X I I 7 7 1 2 0 1 5 0 刀 ℃ 图 1 不l 司温度 F 的页岩 回收率 2粒 度分布测试。在 4 ％预水化膨润 土基浆 中分别加入 3 ％ 聚胺抑制剂 ，高速搅拌 3 0 mi n后密 闭静置 2 4 h ， 然后用 R i s e ． 2 0 0 6 激光粒度分析仪 济 南润之科技有 限公 司 测定其粒度分布。黏土充分 水化后分散成细小颗粒 ，加入抑制剂后水化分散程 度 降低 ，黏 土颗粒 以端 ． 面和面 ． 面 的方式 聚结 ， 颗粒变大 ，粒度分布范围变大。从 图 2粒度分布测 基金项目 中国石化科技开发部项 目 “ 新型聚胺钻井液体系研究及应用” P 0 9 0 0 4 。 第一作者简介 张国，工程师，2 0 0 8年毕业于中国石油大学 华东 应用化学专业，现在主要从事钻井液工艺技术研 究与应用工作。地址 北京市朝阳区北辰东路 8 号北辰时代大厦 5 1 0 房间 ； 邮政编码 1 0 0 1 0 1 ； 电话 0 1 0 8 4 9 8 8 6 9 9 ； E ． m a i l z h a n g g u o ． s r i p e s i n o p e c ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年 5月 试结果可 以看 出，加入 XJ A． 1 和 Ul t r a h i b之后 ，黏 土的累计分布曲线和微分分布曲线均显著右移 ，粒 度分布明显变大 ，表明水化分散得到了抑制。 l 0 o 8 0 杂 6 0 4 0 田 唾 ；2 O 0 粒度大d ／ Im a a 累计分布曲线 粒度大d x ／ g m b微分分布曲线 图2 不同聚胺抑制剂对膨润土颗粒粒度的影响 3 压缩黏土水化层间距。在 2 ％预水化钠膨润 土悬浮液中加入不同浓度抑制剂，高速搅拌 3 0 min 后 ，密 闭静置 2 4 h ，然后将悬浮液在 1 0 0 0 0 r ／ mi n 下离心 3 0 mi n ，取下部沉淀 ，一部分用于 x． 射线 衍射测试 ，分析湿态黏土层间距 ，一部分在 1 0 5 o C 下烘干后 研磨 ，过孔径为 0 ． 0 7 6 mm 的筛 ，测试 干 态层间距 ，结果见图 3 。 浓度 图 3 不 同抑制剂对黏土水化层 间距 的影 响 从 图 3可知 ， 聚胺抑制剂 XJ A 一 1 在浓度为 0 ． 5 ％ 时，黏土干态层 间距 由 1 ． 2 1 n ／ l l 增加至 1 ． 3 6n l T l ，湿 态层间距由2 ．0 2 n r n 降低至 1 ．3 9 n lT l ， 之后浓度继续 增加不论干态层间距还是湿态层间距都变化不大， 这一方面说明， 聚胺 X J A 一 1 在黏土层间为单层吸附， 另一方面说明，聚胺能将黏土层间距压缩至稳定值， 导致黏土去水化。与 X J A一 1 相 比，随着 KC I 浓度的 增加 ，黏土湿态层 间距逐渐减小 ，表明钾离子取代 层问水化钠离子， 导致层间距减小。可以看出，K C1 浓度为 7 ％时层 问距 为 1 ． 4 8 n m，大于 X J A． 1的湿 态层间距 ，表明 X J A． 1 的抑制性优于 KC 1 。 4 热重分析。在 1 ％ 预水化钠膨 润土悬浮液 中加入 0 ． 5 ％ 聚胺 XJ A． 1 ，高速搅拌 3 0 mi n后静置 2 4 h ，于 1 0 5℃下烘干后进行热重分析 ，并与预水 化钠膨润土进行对 比，实验结果如图 4所示 。在温 度为 0 2 0 0℃范围内的失重主要为膨润土层问吸 附水 的脱附。从图 4可知，在温度为 0 ～2 0 0℃范 围内预水化钠膨润土的失重率大于聚胺 XJ A． 1 插层 后的复合土，表明预水化钠膨润土与聚胺作用后， 聚胺将预水化钠膨润土层间的水分子排挤出来 ，导 致层间水含量减少。层间水含量的减少 ，证明聚胺 能抑制黏土水化膨胀。 述 { j {卜 lⅢ 蜩I 蝗 藤 0 O 9 6 9 2 8 8 8 4 8 0 2 y ℃ 图4 聚胺与预水化钠膨润土作用后热重分析 1 ． 2包被抑制剂S DE 优选 的包被抑制剂 S DE为一定 阳离子度 的低 分子量阳离子聚丙烯酰胺 ，通过阳离子基团吸附对 岩屑进行包被 ，保持岩屑颗粒完整 ，防止岩屑在流 动过程 中崩散 [ 5 ] 。包被剂 S D E在泥页岩井壁表面 发生多点吸附 ， 封堵了微裂缝 ，可阻止泥页岩剥落 ； 浓度较高时 ，在泥页岩井壁上形成较为致密 的吸附 膜 ，可阻止或减缓水进入泥页岩 ，对泥页岩 的水化 膨胀有一定 的抑制作用 。同时由于其分子量较低 ， 不会像传统包被剂那样对钻井液体系的流变性造成 显著影响。通过人造岩屑进行滚动 回收率实验可以 看 出包被剂 S D E加入前后岩屑 的变化 ，加 入包被 剂 S D E后人造岩屑完整 ，实验结果见图 5 。 未加包被剂 加入包被剂 图 5 包被剂加入前后岩屑的情况 采用普通聚磺钻井液 萋厘隧 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷 第 3期 张 国等 新型聚胺水基钻井液研究及应用 2 5 1 ． 3 封堵防塌剂HA d 由于毛细管力等作用，钻井液滤液优先沿泥页 岩层理面、微裂隙侵入地层，使泥页岩产生水化膨 胀与分散 ； 同时泥页岩中微裂隙的存在使水分子更 容易进入泥岩内部，侵入岩层的深度更大，造成地 层易出现剥落掉块等钻井复杂情况。 铝基聚合物 H A． 1 由多聚铝酸盐 、醋酸乙脂 等在 KO H的保 护下经过多步聚合而成。在适当的 条件下，铝聚合物中的铝元素会生成一种两性氢氧 化物 ，在 p H值较高时 ，它会生成水溶性 的四羟基 铝 阴离 子 ，而 当 p H值在 5 ～ 6之间时 ，它又会 生 成氢氧化铝沉淀。可 以利用铝聚合物的这种性质来 稳定井壁 ，因为钻井液一般呈碱性 ，当钻井液 中加 入铝聚合物时，铝基聚合物 以溶解的络离子形式存 在 ，而 当铝离子随钻井液滤液进入地层时，遇到地 层水 p H值一般在 5 ～6 之间 ，即会生成氢氧化 铝沉淀 。利用氢氧化铝在页岩孔喉内或微裂缝 内的 沉积作用，可显著增强井壁稳定性。同时铝基聚合 物本身正电性高，络合能力强，能抑制黏土的水化 分散。铝聚合物的防塌作用具有长效性和强度高的 特点 ，适合硬脆性泥页岩的防塌 [ 6 】 。 新型聚胺水基钻井液通过铝基聚合物 HA． 1 封 堵表面和内部的微裂缝和孔 隙，解决滤液渗入地层 后带来 的问题 。HA． 1 在温度和压力作用下进入泥 页岩 的显微裂缝 、孔隙空 间及层理 中，产生束缚作 用，使黏土颗粒连接在一起，达到使泥岩免于进一 步崩解 的目的并在近井壁、裂隙和孔 喉形成严密的 “ 封堵带” ，有效地阻止和延缓滤液的进入 ，达到稳 固井壁 的效果 。该剂在微裂缝 、微层理和破碎带快 速封堵成膜 ，实现对微裂缝 、微层理和破碎带 的封 堵，提高膜效率，实现物化阻隔阻止压力传递 ，达 到有效 支撑井壁的 目的 [ 7 - 8 ] o通 过高温高压滤 失和 砂床实验 ，可 以看 出加入封堵防塌剂 HA一 1 后高温 高压滤失量和砂床侵入深度明显减少 ，封堵效果较 好 ，结果见表 1 。 2 聚胺水基钻井液性能评价 室内优化的聚胺水基钻井液配方如下 。 4 ％ 膨润 土 3 ％ 聚胺 0 ． 1 5 ％ 包被 剂 S D E 1 ％ P AC L O ． 3 ％XC 3 ％封堵防塌剂 HA． 1 3 ％S D 5 0 5 该钻井液的抗高温老化流变滤失性能如表 2所 示 。从表 2 可知 ，聚胺水基钻井液在 1 2 0 c C 热滚前 后流变性能稳定 ，滤失量较低 ，表明其具有较好 的 高温稳定性。 表 1 加入 HA． 1前后高温高压 滤失和砂床侵入深度对 比 注 实验用基浆为 4 ％膨润土 0 ． 3 ％包被剂 I ％P AC ． L 2％ S M P一 22 ％ SP NH 。 表 2 聚胺水基钻井液性能测试结果 注 热滚条件为 1 2 0℃、1 6 h 。 选择几种应用较广泛 的钻井液 ，与聚胺水基钻 井液进行对 比。各体系配方如下。 油基钻井液3 6 0 mL白油 3 ％有机土 4 ％ 主 乳化剂 4 ％辅助乳化剂 0 ． 8 ％润湿剂 4 0 mL C a C 1 ， 溶液 2 0 ％ 5 ％降滤失剂 聚合醇钻井液4 ％ 基浆 O ． 1 5 ％P AM 1 ％C MS 0 ． 3 ％C Mc L 3 ％聚合醇 5 ％K C 1 3 ％水基润滑剂 KC l ／ P HP A钻井液 4 ％基浆 0 ． 1 5 ％P H P A 0 I 3 ％ XC I ％C MC L 8 ％KC l 0 ． 3 ％Na OH 3 ％水基润滑剂 采用 NP ． 0 1 页岩膨胀仪 ，测试了钠膨润土在不 同钻井液滤液中的膨胀率 ，结果如图 6所示 。从 图 6可知 ，钠膨润土在油基钻井液 中的膨胀率最低 ， 其次是聚胺水基钻井液 ，再其次是聚合醇钻井液和 KC 1 ／ P HP A钻井液 ，可见 聚胺水基钻井液抑制性与 油基钻井液接近。 一 油基 钻井液 一 聚合醇钻井 液 3 5 3 0 逞2 5 褥2 0 1 5 l 0 5 0 o l O O 2 o o 30 0 4 0 0 5 0 o t ／ rai n 图 6 不同钻井液的页岩膨胀率 采用 E P极压 润滑仪 ，测试 了不 同钻井 液的极 压润滑系数 ，结果如表 3 所示 。从表 3可 以看 出， 攀 懿 札 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3 年 5月 聚胺水基钻井液 的极压润 滑系数与油基钻井液接 近 ，表明其具有优 良的清洁润滑性能。 表 3 不 同钻井液配方的极压 润滑 系数 钻井液 极压润滑系数 聚胺水基钻井液 油基钻井液 聚合醇钻井液 K C I ／ P HP A钻井液 0． 1 1 6 1 0 ． 1 0 5 2 0 ． 1 8 5 1 0 ． 1 6 6 7 3 现 场 应 用 优化 出的聚胺水基钻井液在 T H1 0 4 1 0 C H 2井进 行 了现场应用。试验井 T H1 0 4 1 0 C H2 井是一 口位于 塔河油 田奥陶系油藏 1 0区，处于阿克库勒 凸起西 部斜坡部位构造的侧钻水平井 ，在奥 陶系上统桑塔 木组造斜 ，设计井深为 6 4 6 0 ． 3 6 m，造斜点深度为 5 6 9 5 m，钻遇地层岩性主要有奥陶系桑塔木组泥岩 及 良里塔格组 、恰尔巴克组 、一间房组灰岩 。该井 采用聚胺水基钻井液体系后 ， 井下正常 ， 施工顺利 ， 无任何复杂情况 。由 T H1 0 4 1 0 C H 2井井径 曲线 、返 出岩 屑照片 图 7 ～ 图 9与邻 井 T H1 0 1 0 1 C H井 进行对 比可知 ，该井侧钻段井径扩大率仅为 5 ． 9 2 ％， 井径规则，返出岩屑较完整，掉块较少，且掉块体 积小 ，说明使用该体系后可 以明显改善抑制封堵效 果 ，掉块垮塌情况显著减少，证明聚胺水基钻井液 可以保证侧钻水平井复杂泥岩段的安全施工。 4 0 囊，1 O 5 6 8 0 5 7 2 0 5 7 6 0 5 8 0 0 5 8 40 5 8 8 0 井深， m 图 7 T H1 0 4 1 0 C H 2井井径图 1 2 0 1 0 o 8 0 6 0 40 2 0 0 ＼ ．f ＼． r 1 f n 』 y I I I y V V A l I A ． 。 8 ． 1 ， √ ． ． 一 ’ 3 4 8 0 3 5 2 0 3 5 6 0 3 6 0 o 3 6 4 0 3 6 8 0 井深， m 图 8 T H1 0 1 0 1 C H井井径图 一 生 T H1 0 1 0 1 C H井返出岩屑T H1 0 4 1 0 C H2井返出岩屑 图9 2口井反出岩屑对比 4 结论 1 ． 新研制的聚胺抑制剂 X J A． 1 能抑制泥页岩水 化膨胀和分散，且在高温下作用效果良 好。 2 ． 优选 的包被抑制剂和铝盐封堵 防塌剂从不同 方面抑制泥页岩的水化分散，综合增强钻井液的井 壁稳定效果 。 3 ． 室 内构建 的聚胺水基钻井液抑制性和润滑性 突出，与油基钻井液接近 ，流变滤失性 良好 ，且具 有较好的高温稳定性。 4 ． 聚胺水基钻井液在 T H1 0 4 1 0 C H 2井进行了现 场应用。结果表明，聚胺水基钻井液能抑制泥页岩 水化 ，提高 了井壁稳定性 ，可以保证侧钻水平井复 杂泥岩段的安全施工。 参 考 文 献 [ 1 ]1 王佩平，王立亚，沈建文，等．胺类抑制剂在临盘地 区的应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 1 ，2 8 3 3 5 ． 3 8 ． [ 2 ] 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 ． [ 3 ] 王建华 ，鄢捷年，丁彤伟．高性能水基钻井液研究进 展 [ J ] _ 钻井液与完井液，2 0 0 7 ，2 4 1 7 1 ． 7 7 ． [ 4 ] Yo u n g S，Ra ms e s G． Dr i l l i n g p e r f o r ma n c e a n d e n v i r o n m e n t a l c o mp l i a n c e r e s o l u t i o n o f b o t h wi t h a u n i q u e wa t e r b a s e d fl u i d [ R ] ． S P E ／ I A DC 1 0 3 9 6 7 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 岳前升，李玉光，何保生，等．涠洲 1 2 1 N油田硬脆 性泥页岩研究及钻井液技术对策 [ J ] ． 中国海上油气， 2 0 0 51 7 4 4 ． 4 7． 【 6 ] 王树永 ． 铝胺高性能水基钻井液的研究与应用 【 J 】 ． 钻井 液与完井液，2 0 0 8 ，2 5 4 2 3 ． 2 5 ． [ 7 】 马丽，倪文学，丁丰虎．胜北构造硬脆性泥页岩裂隙 特征及防塌机理 西安石油学院学报，1 9 9 9 1 4 2 6 2 9 ． [ 8 ] 马平平，熊开俊 ，陈芳，等 ． 胺基 聚醇钻井 液在柯 2 1 一 平 1 井的应用 [ J ] ．钻井液与完井液，2 0 1 2 ， 2 9 1 8 5 ． 88． 收稿 日期2 0 1 2 1 2 2 5 ；H GF 1 3 0 2 F 1 ；编辑付明颖 碍 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m