新型抗高温高密度纳米基钻井液研究与评价.pdf

第 3 0卷 第 2期 2 0 1 3 年3月 钻井液与完井液 DRI LLI NG F LUI D COM P LE TI ON F L UI D 、 b1 ． 30 NO ． 2 M a r ．2 0l 3 【 理论研究与应用技术 】 新型抗高温高密度纳米基钻井液研究与评价 姚如钢 ， 蒋官澄 ， 李威 ， 侯万武 1 ． 中国石油大学 北京 石油工程教育部重点实验室，北京 ； 2 ． 中国石油长城钻探工程有限公司钻井液公司，辽宁盘锦 姚如钢等 ． 新型抗高温高密度纳米基钻井液研究与评价 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 2 2 5 ． 2 8 ． 摘要针对高密度钻井液体系抗高温和低黏的需求以及纳米材料优异的物理化学特性，在高密度钻井液中引 入了一种纳米材料 HT S i 一 0 1 。纳米材料 HT S i ． 0 1 是一种 白色蓬松粉体改性纳米二氧化硅， 其平均粒径在 2 0 n m左右， 比表面积大于 6 0 0 m ／ g ，能在黏土颗粒和处理剂分子不饱和残键上形成牢固的物理化学吸附，从而显著改善钻井 液润滑性，降低体系的黏度和切力，并能增强泥饼的致密性，降低体系的滤失量。通过一系列处理剂及其浓度优 选和处理剂配伍性实验研究，得到了抗 1 8 0℃高温、密度达 2 ． 3 6 g ／ c m 的新型纳米基钻井液体系。该钻井液体系具 有优异的流变性及滤失造壁性能，抑制性良好，抗盐在 2 9 ％ 以上，抗氯化钙达 0 ． 5 ％，4 8 h沉降稳定性良好，能悬 浮和携带岩屑，并降低钻井液当量循环密度，满足高温高压深井钻进的需要。 关键词 抗高温高密度钻井液 ； 纳米二氧化硅 ； 钻井液 ；当量循环密度 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 30 2 ． 0 0 2 5 ． 0 4 近年来 ，随着勘探开发 向深层和高压地层的推 进 ，高温高压深井钻探 已越来越多 ，对钻井液性能 的要求也不断提高 ，提高钻井液密度 和维持 良好的 流变性及滤失造壁性成为了矛盾的共同体。现场应 用表明，传统钻井液处理剂在物理 、化学以及热力 学性质上存在劣势 ，已难以满足深井超深井对钻井 液现场流变性及滤失造壁性能的苛刻要求。因此 ， 急需寻求一种物理上足够微小 、化学性质及热力学 性质稳定 、环境友好型 的钻井液添加剂 ，以满足现 阶段高温高压深井钻探的需要 ] 。纳米材料是 由极 细晶粒组成的固体材料 ， 粒径在 0 ． 1 ～ 1 0 0 n m之间。 纳米材料与其原材料相 比，具有量子尺寸效应 、表 面效应 、小尺寸效应 、宏观量子隧道效应 、介电限 域效应等基本特性 [ 2 - 4 ] o由于纳米颗粒具有 与原母 体材料迥异的物理化学 、热力学 、水力学性质及其 潜在的相互作用 ，表现为高表面活性能 、低摩阻以 及高 比表面积等 ，这些性质使得纳米材料具有较高 的热稳定性以及优 良的润滑性等 ，因此 ，将纳米材 料应用到钻井液技术 中将具有重大意义。 1 纳米材 料优 选 高温高密度条件下 ，影响钻井液性能 的因素很 多 ，特别是存在盐时，影响因素更复杂 ，这种影响 可分为对处理剂本身的影 响和对体系的影响 [ 5 ] 。对 处理剂本身的影响包括处理剂分子的高温降解 、高 温交联和高温基 团变异 ，以及高温对处理剂分子在 黏土颗粒上的吸附和水化能力的影响 ； 在体系性能 上则 表现为 p H值下 降，并 引发 处理剂性 能变差 ， 处理剂在高温作用下发生主链降解 和功能基 团变异 或分解 ，体现在现场则为钻井过程 中需不断补充处 理剂。此外 ，高温作用下 ，黏土还将出现高温分散 、 高温聚结以及高温钝化现象 ，如若控制不 当，将严 重影响钻井液流变性及其滤失造壁性能等 ，威胁钻 井安全 [6 - 7 ] 。 在对钻井液性能影响因素分析的基础上 ，针对 高密度钻井液体系抗高温和低黏的需求以及纳米材 基金项目 “ 十一五”国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X0 5 0 2 1 ． 0 0 4 ；国家杰出青年科学基金项目 5 0 9 2 5 4 1 4 。 第一作者简介 姚如钢 ，在读博士研究生，主要从事钻井液技术及井壁稳定方面的研究。地址 北京昌平府学路 1 8号中 国石油大学 北京 石油工程学院博士2 0 1 1级 ； 邮政编码 1 0 2 2 4 9；电话 0 1 0 8 9 7 3 2 2 3 9； E - ma i l 0 5 2 5 0 8 1 5 1 6 3 ． c o rn。 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3月 料优异的物理化学特性 ，决定将 H T S i ． 0 1引入到新 体系中。HT S i ． 0 1 是一种 白色蓬松粉体改性纳米二 氧化硅 ，其平均粒径在 2 0 n m 左右 ，比表面积大于 6 0 0 m 儋，比表面积大 、高吸附性 、较多的表面羟 基、具有较强的亲水性 ， 使 H T S i． 0 1 可以在黏土颗 粒和处理剂分子不饱 和残键上形成牢固的物理化学 吸附 ，从而显著改善钻井液润滑性 ，降低钻井液的 黏度和切力 。此外 ，包被 ／ 交联着黏土颗粒及处理 剂的纳米微粒在滤失过程中选择性地填充在各级大 颗粒之间形成的孔隙中， 进一步降低泥饼的渗透率 ， 增强泥饼的致密性 ，降低体系的滤失量 。形成的泥 饼如图 1 所示 。 ■ 图 1 新型抗高温高密度纳米基钻井液高温 高压泥饼断面扫描电镜 5 0 0 0 倍 在 8 ％ 膨润 土浆 中添 加 不 同浓 度 的 H T S i 一 0 1 ， 测定其性能 ，结果见表 1 。 表 1 HT S i ． 0 1 加量对 8 ％ 膨润土浆 流变性及滤失-眭能的影响 注 室温条件 F 测试 ，未老化 。 由表 1 可 知，HT S i 一 0 1 加量为 1 ％时 降黏效果 达到最佳 ，继续增大其加量 ，黏度有增大趋势而降 滤失效果变化不大 ，故可确定其加量为 1 ％ 为宜。 2 纳米基钻井液性能评价 2 ． 1 钻井液 配方 通过一系列处理剂及其浓度优选和处理剂配伍 性实验 ，得到了新型抗高温高密度纳米基钻井液体 系 以下简称纳米基钻井液 ，配方如下。 1 0 ． 5 ％膨润 土 1 ％H TS i ． 0 1 0 ． 3 ％P AC L v 9 ％ 磺化 树脂 型改性 降 滤失 剂 G J L 一 1 0 ． 5 ％F A． 3 6 7 3 ％S MP 一 2 3 ％S P NH 2 ％F T - 1 A 3 ％ 聚合醇 7 ％KC 1 2 2 ％Na C l 0 ． 6 5 ％Na OH 加重 剂 重 晶石 铁矿粉 l1 配方 中的 GJ L ． 1 是一种 抗温性 能好 的降滤失 剂 ，基本不增黏 ，与其他处理剂的配伍性好 ，其 9 ％ 的加量是根据表 2的实验结果得出的。 表 2 GJ L ． 1 加量对钻 井液 眭能的影响 5． 5 6． 5 7． 0 7． 5 8． 0 7． 5 42 3． 5 26 3． 0 1 6 3． 0 1 1 2． 0 1 0 注 基浆配方为 2 ％膨润土浆 3 ％S MP ． 2 3 ％S P N H 2 2 ％Na C 1 ； 流变性 能测试 温度 约为 5 0 o C，A P I 滤失量 在室 温下测定，高温高压滤失量测试温度为 1 2 0 o C。 2 ． 2 钻井液性 能评价 按 上 述 纳 米 基 钻 井 液 配 方 配 制 密 度 为 2 ． 3 6 g ／ c m 的钻井液样品，在样品配制过程 中，将 预水 化膨润土浆充分搅拌均匀后 ，依次加入各处理剂并 在高速搅拌 1 1 0 0 0 r ／ mi n条件下搅 拌 5 mi n ，配 制完成后继续高速搅拌 1 h待用 。 2 ． 2 ． 1 抗高温性能 将配制好的钻井液样品分别在不同温度下老化 1 6 h ，并分别在 5 0℃左右高速搅拌 5 mi n至均匀 ， 测定钻井液的流变性及滤失造壁性能 ，结果见表 3 。 由表 3可见 ，随老化温度升高 ，钻井液高温老化后 的黏度和切力呈逐渐降低 的趋势 ，各项性能指标均 表现 良好 ，在 1 5 0 o C 老化后的高温高压滤失量仅为 5 ． 6 mL， 体系抗 1 5 0℃高温滤失造壁性能十分优异 ， 在 1 8 0℃老化后 的高温高压 滤失量也仅为 1 6 mL， 仍能满足现场需要 ， 但是 当老化温度达到 2 0 0 o C时， 其高温高压滤失量增至 3 2 mL，泥饼厚度也达到 1 0 mm。因此 ，可判断该体系的抗温能力可达 1 8 0 o C。 2 ． 2 ． 2 H T S i 一 0 1 的抗高温降黏 降滤失效果 为分析评价 H T S i ． 0 1 在体 系中的降黏降滤失效 5 5 O 6 O 1 1 2 2 2 4 5 5 5 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷 第 2期 姚如钢等 新型抗 高温高密度纳米基钻井液研究与评价 2 7 果 ， 去掉 1 配方中的HT S i ． 0 1 ， 得到2 配方钻井液 密 度为 2 ． 3 6 g ／ c m ，并评价了其在 2 0 0 老化前后的 各项性能，结果见表 3 。 表 3 1 配方钻井液的抗温性能及 H T S i ． 0 1 对 钻井液性能的影响 配 T 卺 P V } Y P } G e l } F L H ／h 0 F L H n h 2 ／ K { 方 ℃mP a ． s P a P a ／ P a mL mm m L mm P a． S n 注 流变性能测定温度约为 5 0℃，AP I 滤失量在室温 下测定，H T H P滤失量测定温度与老化温度相同 ； 老化时间 均为 1 6h； h 。 、h 为泥饼厚度 。 由表 3可 知，2 与 1 配 方钻井 液在 老化前性 能差别不大 ，但 2 配方老化后的黏度和切力及滤失 量均显著升高 ，高温高压滤失量变化尤其明显 。可 见，H T S i 一 0 1 加入钻井液后可显著降低体系的黏度 和切力 ，即降低钻井液 当量循环 密度 E C D ，并 改善体系的滤失造壁性能，有利于稳定井壁。 2 ． 2 ． 3 沉降稳定性 1 配 方钻井液在 1 5 0 老化 1 6 h后 的沉 降稳 定性如表 4所示 ，可知该钻井液经充分搅拌并静置 1 6 h后 ，上下密度差为 0 ，静置 4 8 h后 ，上下密度 差也仅为 0 ． 0 2 g ／ c m ，说明该钻井液 的悬泽 I生较好 ， 满足高密度钻井液的沉降稳定性要求 。 表 4 1 配方钻井液 2 ． 3 6 g ／ c m 的沉降稳定性 2 ． 2 ． 4 抑制性 分别取用 蒸馏水及 纳米基钻井 液样 品在 1 8 0 、 2 0 0℃高温老化 1 6 h后的高温高压滤液浸泡人造膨 润土岩心 人工岩心均为用 5 g膨润土在 1 0 MP a 条 件下压 5 mi n制得 ，测 试岩 心膨胀 高度 ，如 图 2 所示 。由图 2可知 ，人工岩心在 1 配方钻井液老化 后 的滤液 中浸泡后 ，其膨胀速度随时间的延长迅速 减缓 ，当时间超过 1 6 h时，其膨胀速度近似为 0 ， 膨胀高度变化很小 ； 而人工岩心在蒸馏水中的膨胀 速度在 4 h以后 ，随着时间的延长仅呈现轻微下降 ， 1 6 h后 的膨胀高度仍呈一定 速度稳定增长 。可见 ， 该体系可极大地抑制黏土颗粒 的水 化分散 、膨胀 ， 有利于井壁稳定和保护储层。 量 惺 蛰 蒸馏水 浸泡时 间m 图 2 人工岩心在 1 配方钻井液中的膨胀高度 2 ． 2 ． 5 润滑性 为预防和降低钻井过程中的卡钻风险 ，钻井液 需具有 良好的润滑性。利用数显黏滞 系数测定仪在 室温条件下测定 了新型纳米基钻井液 A P I 滤饼 的黏 滞系数 ，对其润滑性进行了评价 。测得 1 配方钻井 液在常温 、1 5 0 、1 8 0 、2 0 0℃老化后 的泥饼黏滞系 数分别 为 0 ． 0 3 4 9 、0 ． 0 4 3 7 、0 ． 0 4 3 7和 0 ． 0 7 8 7 。分 析认 为 ，由于 聚合 醇分 子侧链上有 许多羟 基 ，使 其溶 于水并 吸附在钻 具和井壁 上 ，形 成类似油 相 的分子膜 ，从而 改善钻井 液的润滑性能 [8 ；另外 ， HT S i 一 0 1 在水分子的协助下与聚合醇分子膜共 同形 成大量微小胶团 ，可构成能有效降低摩擦系数 的滚 动摩擦副 p ； 因此综合作用下使得该体系具有 良好 的润 滑性 。 2 ． 2 ． 6 抗污染能力 在 钻进盐 膏层 的过程 中 ，体 系需要 具有一 定 的抗盐及抗钙污染能力 。体系中总含盐量 KC 1 及 Na C 1 已经 达到 2 9 ％，能满 足大部分盐 岩层 的钻 井需 要。在研制 的纳米基钻井 液体 系中分别加入 0 ． 2 5 ％～1 ％ C a C 1 ， 硫酸 钙 的溶 解度很 低 ，以 评价该体系的抗钙性能 ，结果如表 5 所示 。由表 5 可知加入 0 ． 5 ％c a c l ， 后 ，钻井液的黏度和切力在高 温老化前显著上升 ，分析认为这是 由于高温前体系 中的处理剂尚未很好地交联 ，没有最大程度地发挥 各 自性能 ，当在 1 8 0℃高温老化 1 6 h后 ，其流变参 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年 3月 数较不加 C a C 1 时 略有 升高，流变性能表现 良好 ， AP I 滤失量仅为 2 ． 2 mL；而当体 系加 1 ％C a C 1 后 ， 其黏度和切力显著上升， AP I 滤失量达到 6 mL以上 ， 可见该体系可以抗 0 ． 5 ％C a C 1 ，能满足现场需要。 表 5 1 配方钻 井液 2 ． 3 6 g ／ c m 的抗钙能力 注 p H值均为 8 ～9；流变性 能测定温度约为 5 0 ， A P I 滤失量在室温下测定，高温高压滤失量测定温度与老化 温度相同 ； 老化时间均为 1 6 h； h为滤饼厚度。 3 结论 与认 识 1 ． H T S i O 1 具有 比表面积大 、 吸附性强 、 表面羟 基多等特征 ，能在黏土颗粒和处理剂分子不饱和残 键上形成牢 固的物理化学吸附 ， 从而显著改善钻井 液润滑性 ，降低体 系的黏度 和切力 。此外包被／ 交 联着黏土颗粒及处理剂 的 H T S i 一 0 1 微粒 ，在滤失过 程 中选 择性地填充 在各 级大颗粒之 问形成 的孔 隙 中，从而进一步降低泥饼 的渗透率 ，增强泥饼 的致 密性 ，降低体系的滤失量。 2 ． 针对高密度钻井液体系抗高温和低黏度的需 求以及纳米材料优异的物理化学特性 ，将 H T S i ． O 1 引入到新体系中，通过一系列处理剂及其浓度优选 和处理剂配伍性实验研究 ，得到了抗 1 8 0℃高温的 纳米基钻井液体系。室内研究表明 ，该体系在密度 达 2 ． 3 6 g ／ c m 时仍具有优异的流变性及滤失造壁性 能 ，抑制性 良好 ，抗盐达 2 9 ％，抗钙达 0 ． 5 ％，4 8 h 沉降稳定性 良好。 参 考 文 献 [ 1 ] Ama n u l l a h M ，A1 Ar f M K，Al a b d u l 1 a t i f z A． P r e l i mi n a r y t e s t r e s u l t s o f n a n o b a s e d d r i l l i n g flui d s f o r o i l a n d g a s f i e l d a p p l i c a t i o n [ R] ． S P E ／ I A DC Dr i l l i n g C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n ． A ms t e r d a m， 2 0 1 1 ． [ 2 ] 王毅，唐成磊，蓝强 ． 纳米技术在钻井完井液中的应用 前景 [ J J ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 8 ，2 5 1 6 9 7 2 ． [ 3 ] 彭振，王中华，何焕杰，等 ． 纳米材料在油田化学中的 应用 I J I ． 精细石油化工进展 ，2 0 1 1 7 8 1 2 ． [ 4 ] 白小东，蒲晓林 ． 有机 ／ 无机复合纳米水基钻井液体系 研究 [ J ] ． 石油钻探技术 ，2 0 1 0 ，3 8 2 4 7 5 0 ． [ 5 ] 王中华 ， 王旭， 杨小华 ． 超高温钻井液体系研究 I V 盐水钻井液设计与评价 石油钻探技术，2 0 0 9 ， 3 7 6 1 5 ． [ 6 ] 王富华 ，王力，张棉徽 ． 深井水基钻井液流变性调控机 理研究 [ J ] ． 断块油气田 ． 2 0 0 7 5 6 1 6 3 ． [ 7 ] 王富华 ． 抗高温高密度水基钻井液作用机理及性能研 究 博 士学 位 论文 [ D ] ． 中国石 油 大学 油气 井T 程 ， 2 00 9． [ 8 ] 冯素敏，孑 L 德强，李和平 ，等 ． 聚合醇饱和盐水钻井液 体系室内研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 5 ，2 2 S I 1 4 1 6． [ 9 ] 黄志群 ． 高水基流体润滑机理的新构想 [ J ] _ 华中理T大 学学报 ，1 9 9 3 s 1 1 9 4 1 9 7 ． 收稿 日期2 0 1 2 1 1 - 2 2 ；HG F 1 3 0 2 F 2 ；编辑 付硐颖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m