用于钻井和完井的甲酸盐水.pdf

用 于 钻 井 和 完 井 S i r K． Ho w a r d著 概 述 甲 酸 盐 水 H o lI『 ． s k 近年来由于环境立法上的变化 已经不能 在石油工业中使用油基钻井液 目前最常用的 方法是使 用以人造碳氢化合物配制假油基泥 浆 ， 但 尚未得到环境主管部门证实这些体系是 可以接受的， 前景也不明朗。对这些液体的关 注在于生物的喜氧和厌氧降解方面， 目前存在 大量的人造基液体， 它们是从喜氧缓慢降解到 厌氧快速分解的液体 。 它既可以在海滩上停 留 许多年来缓慢地对环境实麓影响 ， 又可以通过 快速降解对 环境造成短 期较剧烈的影响 在 各 种环境组织和政府中间， 关于什么是最能接受 的方法 目前漪存在较太分歧 最安全的鬻决方诸是开始就琏免它 如果 钻屑在海底处理 使用无l毒水基钻井液， 锗屑 下降时钻井液从钻属堆中消共， 这是一个安全 直接的方法 。 可是 ， 当选择钻井液时 ， 要考虑的不 只是 环境要求 ， 还要达到 许多技术要 求， 如温度稳 定、 良好水力性 能、 页岩稳定性 、 抗污染、 与处 理剂配伍、油层配伍和循环利用的可能性 常 规的水基钻井液在大部分性能方面不能伺油 基或假油基体 系相 比． 但 是． 发觋 甲酸盐基钻 井液 甲酸钠 、 钾和铯盐 能达到上面的所有要 求。 由于逮类液体对聚合物和高密度的温度稳 定． 首先用来作为小井 眼钻井液 ， 既不需要摘 土， 巴不需要固体加重材料 ， 所以， 这些低固相 李玉 山译 李根 生校 钻井液有很好的性能 以后 ， 它们的表现比其 它常用的盐水系统更易被人接受 ， 它们能使页 岩稳定 ， 与油层和常用钻井处理剂配伍 。已经 开发了一种使这些盐水重复利用的技术。 由于 甲酸盐水密度在 不需 任何 固相材料 的情况下可达到 2 ． 3 ， 所以， 它傲为完井 、 封井 液使用的潜力很大。 最重的甲酸铯盐水将有可 能取代剧毒且有腐蚀性的溴化锌盐水。 甲酸盐水的介绍 1 ．甲酸盐水的性能 碱金属 的甲酸盐易溶于水， 可形成很高密 度的盐水 已发现的三种用于钻井和完井液的 盐是 甲酸钠 N a C O O H 、 甲酸钾 K C O O H 、 和 甲酸铯 C s C O OH H O 甲酸钠在三种盐 水中可榕性最差， 其密度可达到 1 ． 3 3 ； 甲酸钾 可溶性较好， 最大密度大约 1 ． 5 9 } 甲酸铯可达 到 2 ． 3的密度 虽然 甲酸铯按重量是最易溶解 的 但是 ， 应注意到最高的摩尔浓度是 甲酸钾 。 例如 ， 刊 于某些应用场合 ， 聚合物 的温度稳定 性要求 甲酸盐摩尔浓度应尽可能高， 所以 ， 建 议早酸钾和铯的最优混合物的密度在 1 ． 5 9 ～ 2 ． 3之间。 这三 种甲酸盐水的粘度 ， 除了高浓度的甲 酸铯 之外 ， 甲酸盐 水有相对低 的粘度 ， 它对钻 井的体积粘度不起很大作用 。 所有 甲酸盐水 呈现 出很低的凝固点和结 晶温度， 已测定了甲酸钠 、 钾、 铯和醋酸钾的真 维普资讯 3 4 国界生 占 井技术 薰十二卷1 9 7 年尊5期 实结 晶温度 。 2 ． 毒理性和生物降解能力 对 甲酸盐进行 了大量的环境试验 。 试验表 明所有的 甲酸盐水都具备有利 的毒理生态剖 面 ， 而且都可以生物 降解 。甲酸铯比其它 甲酸 盐毒性稍大些， 尤其是对淡水生物。 可是， 这种 高密度的盐水主要用于替代毒性更大的澳化 锌 。哺乳动物毒理试验表明 ， 甲酸铯 同甲酸钠 和钾 一样 ， 对眼睛和皮肤无刺激作用 。对海生 和淡 水生物种的毒理试验表明， 甲酸钠和大部 分情况 下的 甲酸钾可列为无毒性 ， 对氯化钾和 醋 酸钾的平行试验说 明钾离子 的毒性 比甲酸 根离子大。 甲酸铯基本上可列为无毒和实际上 无毒 ， 但对于淡水藻来说例外 ， 它有微毒 。 溴化 锌的试验都证实它是剧毒或微毒。因而 ， 所有 的甲酸盐都列在无毒或实际上无毒类， 而澳化 锌是剧毒或微毒类 甲酸钠 、 钾和铯的生物降解 试验表 明， 它 们 易于生物 降解 ， 都通过 了“ 时 间窗 口标准” 能够达到 6 O 生物降解能力的物质 1 O天之 内一定能达到降解 1 O 的水平 。 3 ．聚合物的配伍性 已测定 了在 甲酸盐和几种其它常用 盐体 系中 3种不同聚合物的温度稳定性 ， 并进行了 比较 。 研 究的聚合物是增粘剂黄原胶和两种降 失水的聚合物 P A C 聚阴离子纤维素 和交联 衍生淀粉。 ’ 1 在甲酸盐水中聚合物的温度性能在 高温下聚合物的作用不同， 有些聚合物 ， 典型 的是生物聚合物 ， 有所谓韵过渡温度．聚合物 的过渡温度 定义为聚合物经历有序无序构造 变化的温度， 这种构造变化伴随着粘度急剧降 低和以两个数量级的水解降解的速度增加。 试 验还表 明， 这些聚合物的过渡温度 可以通过几 种盐水的影响而修正。有些离子， 即所谓的水 构造分散剂 ， 可降低过渡温度 } 而另外一些离 子是水构造组织荆 ， 可提高过渡温度。常用的 增粘剂黄原胶是有过渡温度的典型聚合物。 现 已通过试验测定了黄原胶在几种常用 的盐水体系中的过渡温度。 试验是在恒定剪切 速率 5 0 0 s 下使 用 Ha a k e R V2 0粘 度 仪 D 1 0 0 ／ 3 0 0传感器 完成的 ， 盐水试验到接 近 饱和浓度， 但是氯化钙、 澳化钙和溴化锌有例 外。氯化钙在密度大约高于 1 ． 4时开始成胶 ， 由于高浓度下聚合物快速降解 ， 澳化钙和溴化 锌都无法测蠡到饱和浓度。从结果上来看， 只 有氯化钠和氯化钾具有同甲酸盐类似的能力 来增加过渡温度， 可是在较高密度下， 甲酸盐 是唯一能增加黄原胶过渡温度的盐水。 其它生物聚合物， 如 P A C和淀粉， 都没有 和黄原胶 一样的过渡温度 。 典型的是这些聚台 物的粘度 随温度增加而减小 ， 但粘度降低到一 个 特殊温度 点 时可反 转 谓之 “ 粘 度永 久丧 失” 。 也就是说 ， 如果升温到该值后 ， 即使再降 低温度， 粘度也不会发生变化。这也许是由于 聚合物降解 f 起的。 已经铡 定了淡水和几乎饱 和 甲酸盐水 同 1 5 g ／ L高分 子 P AC溶液 的粘 度， 这些测量数据都是通过加热到不同温度再 冷却测量粘度而得到的 。在 甲酸盐水 中， 加热 到 1 2 0 “C以后仍可获得大部分粘度 ， 而在淡水 中， 温度在 1 5 0 C时粘度永远丧失 。可看到在 牯度和控 制失水的系统 能力之间的清晰的关 系 在淡 水和甲酸钾盐水中的 P AC在温度达 到粘度永久丧失点之前仍可获得 良好的失 水 控制 ， 在这个温度以上， 系统就不能控制失水。 3 在 甲酸盐水 中聚合物的长期稳定性 在温度稳定的钻井液和完井液设计中， 聚合物 丧失牯度曲过 渡湿度不像聚合物长时间存在 的温度那么重要 黄朦胶或P A C 、 淀粉的粘度 永久丧失温度的测定都不适用于确 定钻井和 完井液的温度稳定性。 这些测量都是通过不到 1小时的温度扫描而确定的， 而典型的钻井液 中柏聚合物受高温的影响时间要长得多。 为了试验钻 井液 ， 正常要求 1 6小时的温 度稳定性。所以， 试验是为了确定这三种聚台 物经受 1 6小时投有太的牯度丧失 和控制失 水能力 的温度．在几种盐水系统中试验了浓 度为 5 g ／ L黄 原胶， 1 0 g ／ L P AC 最低 分子 量 和 2 0 g ／ L淀粉溶液经受 1 6小时的不同温度 ， 再降温 ， 测量粘度 和t 或失水 。在老化期间 ， 维普资讯 国外 铀井擅术 聚合物粘度丧失或失水 5 O 的温度被定义为 1 6 小时稳定温度。 试验发现 ， 1 6小时的稳定温 度 比研究的盐水体系的黄原胶过渡温度低大 约 2 5 ℃。 可是 ． 在 P AC的情况下 ， 重要的是知 道试验使用最低分子量的聚合物 ． 较高分子量 的聚合物可能会有较低的性能。 4 ．与处理剂的相容性 基液同常见材料的相容性对钻井、 完井和 封隔液 来说都是很 重要 的， 所以， 进行 了一些 试验 ， 用以评价 甲酸对金属和橡胶的影响。 1 腐蚀 已知现存的盐水体系， 如氯化 和溴化铺 、 钾、 钙和锌盐 ， 都会引起严重的腐蚀 问题 例如， 所有的卣化盐 ． 尤其是氯化物 ． 对 不锈钢有很强的腐蚀性 ， 它们可以引起坑蚀和 应力剥蚀。由于在酸溶液中坑蚀也会扩大 ， 在 溴化锌中困这种盐水低的 自然 p H值 ， 腐蚀很 难避免 。可是 ， 甲酸盐不是 卤化物． 它们的 p H 瞧易于调 节． 所以 不可能引起较大的腐蚀 问 题 。 2 橡胶 在实验室做 了甲酸盐水中的橡 胶试验 试验液选择饱和的甲酸钾盐水 7 5 重量 比 ， 因为这被认为是最坏的情况 甲酸盐 离子最高浓度 。1 3种不同橡胶在 7天和 8周 两种时间下进行试验， 试 验温度为 1 2 0 V和最 高稳定温度 1 7 5 C 从供应商处收到的 0型密 封 圈形的橡胶， 有些标准试验很难做 硬度 。 所以 ， 使用了替代试验方法 ， 结果有很大的不 确定性 。 通过橡胶试验反映了 甲酸盐对大多数 橡胶影响不大 ， 同大多数橡胶是相容的。 5 ．微生物生长 甲酸盐同在用 的其它钻 井和完井的盐相 比． 一个优势是可生物降解 当稀释时 和环境 可接受性 。可是， 当甲酸盐水用作低浓度的完 井、 封井液时 ， 重要的是 甲酸盐浓度要足够高 ， 以防微生物生长 所以， 要确定喜氧和硫酸盐 还原菌在稀释的 甲酸钠盐水中阻止细菌生长 的 甲酸盐含量 ， 因为这是在低密度应用场合正 常使用的盐水 。界限浓度大约 1 M 6 ． 8 重量 比 ． 与它 相对 应 的 盐水 密 度 大 约 1 ． 0 4 1 0 3 k g ／ m 由于这些试验使用“ 理想的培养” 条 件 ， 现场上很少会发生 ， 这些试验 看作为最坏 情况 ， 所 以在高于 1 ． 0 4 1 0 。 k g ／ m 密度 的任 何 甲酸盐水系统中， 微生物生长的问题根本不 可能发生。 6 ． 地层伤害 存在大量的地层伤害机理问题 ， 这包括钻 井、 完井液的固体和液体 与油层的固体和液体 之间的相互作用 。 关 于甲酸盐水钻井液对油层 岩石或液体的影响研究工 作还没有完全做完 。 可是 ， 通过使用 甲酸盐 ， 两种常见的伤害 可以避免或减少。 第 一 是 固相侵入油层引起的 伤害。现 已经表明 ， 采用不适当地除去沉淀在 地层表面上的泥饼 固相可引起大的伤害。 通过 适 当设计 的高密度盐水钻井液 ， 完全可以避免 作为加重材料的不必要固体 ． 通过使用很 少量 的碳酸钙可以形成很薄 ， 但却坚 固且易溶解的 滤饼 如果需要 ． 可加带～定粒径的盐粒1 使用 甲酸盐水 只有单价离 子 的第二种 伤害性可以忽略。 这种伤害是二价阳离子 与舍 有硫酸根或碳酸根离子相接触时形成的伤害 性沉淀物 二价 甲酸碱 金属盐是可溶性很好 的． 因此 ． 不可能认为 甲酸盐水同正常 的地层 水成分之间相接触会形成任何伤害沉淀物 甲酸盐基钻井 液 1 ． 钻井液的组成 利用申酸钠、 甲酸钾或两种混合物配制的 低固相钻井液 ， 密度 范围以 1 ． 0到 I ． 6时 ， 由 于 甲酸钠 比甲酸钾便 宜， 可节约混 合物 的成 本 ， 因而总是尽可能多地使用甲酸钠 。基于同 样的理 由， 在 1 ． 6到 2 ． 3的密度范 围， 甲酸钾 和 甲酸铯 的混合物也尽可能多地要求使用甲 酸钾 。 可选择的是 ， 为了节约成本， 这种范国的 钻井液 可以根据纯 甲酸盐水用 固体加重材料 加重到要求密度的方法进行配制。 取决于温度 、 密度和流变性要求以及最小 伤害的需要 ， 可以推荐几种配方。 例如 ， 当在标 准浓度即密度 1 ． 5 7 ， 使用 甲酸钾盐水时 ， 重要 的是知道 盐水 自身 的粘 度 比密度 1 ． 5 0 5 1 0 - 3 P a s 时高的多 。 所以 ， 当要求低流变性时 ， 维普资讯 3 6 国外钻井技术 第 十二 卷1 9 9 7 年第 5期 要选择稍低的盐水浓度和使用某种加重材料 也许会有优势。类似的是， 如果系统处在低温 的情况下， 在密度 1 ． 5 7的盐水中出现的结晶 温度 一1 5 ℃ 比密度 1 ． 5 。的盐水 一3 5 ℃ 要 高得 多。 换句话说， 如果液体处在高温的话 ， 也 许要求最高的可能浓度来保护聚合物 。 1 增粘剂到如今所做的所有工作都表 明黄原胶在甲酸盐水中产生的所需剪切稀释 流变性较优越 。如先前所示 ， 黄原胶对于甲酸 盐水 中的高温是稳定的。 黄原胶的浓度根据钻 井液和基盐水所需粘度而变化， 在浓缩的甲酸 盐水 中， 典型的使用 1 ． 4 3 k g ／ m。 浓度； 在稀一 些的盐 水中， 浓 度接近 2 ． 1 4 k g ／ m。 也许更适 合。 2 失水聚合物 同使用黄原胶一样， 在 甲酸盐水中失水聚合物在较高温度下是稳定 的 。至今大部分配方是用 P AC配制的 ， 但是 ， 淀粉也曾在 甲酸 盐配方中成功使用 几种人 造 失水聚合物在 甲酸 盐水体系 中试验过 ， 但 是 ， 尤其在较高盐水浓度下 ， 在基盐水 中水解 聚 合物 也许是 困难 的 使用过 三种 类型 的 P AC配制的 甲酸盐钻井液 低分子量、 极低分 子量和超低分子量。 典型的是用较低分子量的 P AC可获得 比高分 子量 的 P AC更好 的温 度 稳定性和较低 的高剪切流变性 P V 。 可是 ， 对 于 良好的滤失控制来说 ， 较高分子量的 P AC 也许更好， 所以， 理想的 P AC常是较高和较低 分子量 的组合体， 极低和超低分子量的组合是 流变性和失水性能的 良好的折衷方法 两种分 子 量的 P A C组合 已经表明有增效作用， 因而 通过混合物来控制失水 比单独 一种聚合物要 好 3 加重和滤饼材料虽然甲酸盐钻井液 常被认为是无固相的， 但这井不可信 ， 因为 ， 要 求有最少量的固体来形成滤饼 ， 在 甲酸盐钻井 液 中理想的滤饼材料是 Ca C O。 白垩 ， 它可 容易地用酸处理掉 。 大约 2 8 ． 5 3 ～5 7 ． o G k g ／ m 的量就足够形 成薄而有效 的滤饼 ， 表 1 中列出 甲酸钾盐 水 的三种 浓度 密度 1 ． 5 0 、 1 ． 5 7和 1 ． 6 0 t ／ m 的典型钻井液配方。这些液体在 4 种不同温度下的失水性能在表 2中列 出， 从这 里可以看出温度稳定性如何随盐水浓度而增 加。 换句话说 ， 随着盐水浓度增加和粘 度增加 ， 液体的塑性粘度变得更高丁。 很重要的是要记 住随盐水浓度增加结晶温度很快增加。 在密度 1 ． 6 0 的液体中， 结晶温度接近室温。 P AC 2 g a ．g 超低分子量 l P A c 低分子量 1 1 1 竺 兰 竺 I 兰 mI 表 2 未 加重 甲酸 钾钻 井 液高 压高 温失 水 性能 盐水密度 温度 ． c 1 O k g ／ m 1 5 0 l l 7 。 1 7 5 l 1 8 0 1 5 0 1 1 1 8 3 1 I 一 1 5 7 【 l 4 1 4 l 1 8 2 9 I 1 ． 6 0 13 I l 4 l 1 8 20 l s 注 表中所列失求 性脂 ， 为美式拆准 t 热搅 拌温度 一试验 温度 ， 带括号的为英式标准 。 理想的是在 甲酸盐基钻井液中无需加重 材料 ， 所有密度都用盐水本身来达到 可是 ， 由 于甲酸铯很贵， 常需要加重的甲酸钾盐水基高 密度钻井液 。 作为加重材料最适合 的是碳酸钙 自垩 ， 除了它是好 的滤饼材料外 ， 这种酸溶 固体 能使泥 浆 加重 到 密度 约 1 ． 7 0 1 0 。 k g ／ m 。高于这 个密度 ， 泥浆 的塑性粘度变 得很 高 ， 失水性能较差 。 在这种密度肘的替代加 重材料是菱铁矿 F e C O ， 它也是具有被酸溶蚀的优势， 用 F e - c 配制 的 甲酸钾钻井液密度 约可达到 2 ． 0 1 0 k g ／ m 要求密度高于 2 ． 0 1 0 。 k g ／ m 时 ， 需加入 某种更重的加重材料 ， 重晶石不能用来与甲酸 盐组合， 因为它溶解 已经发现了两种加重材 维普资讯 营外蔓 占 井擅木 料适合这种条件 ， 第 一种是四氧化三锰 ， 它的 密度 4 ． 8 x1 o k g ／ m ， 平均颗粒尺 寸大约 0 ． 5 微米。 虽然这种泥浆体系的性能在密度为2 ． 0 1 0 g ／ m 时相 当 好 ， 但 是， 密 度为 2 ． 3 1 0 k g ／ m 时塑性粘度很高 ， 失水不易控制 。 由 于颗粒细 ， 这 种材料也有引起灰 尘的不利因 素， 有些例证表明它可能引起地层伤害 ’ 赤铁矿 F e O 可用做配制密度为 2 ． 3 1 0 k g ／ m 的钻井 液， 它有 良好的流 变性和控 制失水性能 ， 可是 ， 这种加重材料也有磨蚀性 和高的下沉趋势的不利因素 表 3中表示以上提到 的加重材料组成的 典型泥浆的性 能， 所有这些泥浆都是根据密度 为 1 ． 5 7 1 0 k g ／ m 的标准甲酸钾盐水配制 的， 用 1 ． 4 3 k g ／ r a 黄原胶增粘 P AC的类型和 浓 度有所变化是为了获得 良好的流变性和失 水性能 。 表 3 几种加I的甲酸钾钻井液成分和性能 先水聚音物 P A C 塑性牯度 P v 届服 点 YP 失水 1 5 O C 密度 加重／ 滤饼 2 8 5 3 k g ／ m 薨， 美 英／ 美 英， 美 备注 1 O 0 k g ／ m l O 一 p as 4 7 8 8 l O 一 P a 赶低分子 低分子 低分子量 1 ． 6 0 C a CO 细 2 1 2 6 ／ 2 6 1 7 ／ t 5 1 3 ／ 1 3 未加重 1 7 0 C ． C O 3 细 2 5 4 ／ 4 1 3 4 ／ 1 6 2 4 ／ 8 0 l 7 0 C a C O| 租 △ 4 0 ， 2 8 1 9 ／ 7 1 9 ／ 2 3 1 ． 7 0 C a C O | 2 2 3 3 ， 3 2 1 5 ／ ] 4 1 6 ／ 1 5 2 ． 0 F e CO， l 1 ．5 5 3， 6 3 】7 ,／ 1 7 3 8／ 3 3 2 3 MR s 0{ l 1 5 5 3 ／ 8 9 7 5 ／ 2 5 8 o ／ 1 0 0 水和 流变性 { 2 3 F e z O s 1 1 6 0 ／ 5 5 2 5 ／ 2 0 3 2 ／ s a 低流变性配方 2 3 F e 2 O 2 1 1 5 ／ 9 5 5 4 ／ 4 1 t 4 ．／ l 6 低失水性配 方 另一种在 甲酸盐泥浆中使用的加重和滤 饼材料是一定颗粒的盐 ， 例如用一定粒度的氯 化钠作为滤饼材料配制钻井液。可是 ， 对这些 泥浆体系进一步分析表明这种盐溶解 ， 形成氯 化钾 和／ 或甲酸钠 ， 所以甲酸钾泥浆中使用的 更台适的盐是氯化钾 ， 但是该体 系的试验还没 有做 。 2 ．水力因素 最初开发 甲酸盐钻 井液作为小井限钻井 液 ， 最重要的 目的是使摩阻压力损失最小。 传统的钻井液使用固相既是为了粘度控 制 蠊土 又是作为加重材料 重晶石 、 赤铁矿 等 ， 钻井液 中高的固相载荷 在深井小井眼 内 循环时产生高的摩阻压力损失 ， 结果造成低的 井 下泥浆马达 的传输动力 、 高的当量循环密度 和在窄环空中造成高的抽级波动压力 。 换句话说 ． 甲酸基钻井液并不需要固相加 雯材料， 因为它与聚合物增粘剂 黄原胶 相容 能达到高的密度， 使用蠊土也是多余 的。当需 要低的摩擦压力损失时 ， 黄原胶的高剪切稀释 性能和最少的固相含量的组合效应使甲酸盐 基钻井液成为最好选择 。 设计小井眼钻井液时 ， 阻力的减小也是应 该考虑 的一个因素 。 某些添加剂对于在紊流状 态下减少摩阻具有较高的能力。 这主要表现在 从层流到紊流过渡的推延。 减少阻力不能用常 规 的 AP I 流变 性测 量来预测， 这种 现象 与剪 切稀释性 能无关 。 减阻剂的典型例子是高分子 量 的聚合 物， 已经 表明在 5 0 ． 8 ram 的流 动管 线 中用聚合物增粘的水能降低管线的摩阻 ， 比 纯水约降低了三分之二 。 用壤土做类似的增粘 结果是相反的 ， 摩阻增加了 3 倍 。试验结果表 明， 这种效果 随着管径减少而显著增大 。这些 研究都证实了低固相聚合物基钻井液， 如甲酸 盐类 ， 可预期在紊 流范围内极大地减少摩阻损 失。可是 ， 还应进行一些简单的试验以获得更 维普资讯 国外钻井技术 第二卷1 9 1 7 年籍 5期 多的有关这种特殊体系的数据。 3 ．页岩的稳定性 浓缩 甲酸盐基钻 井液作为页岩钻井液也 表现了很大潜力， 甲酸盐水的页岩稳定性能与 两种不同的机理的结合相关。 第一种机理是从泥浆到页岩的液体水力 流动减步 ， 这是 由于 甲酸盐钻井渣高的滤液粘 度而引起的。 此 外 ， 在非 裂缝低渗 透性 ≤ 1 01 0 g m 的页岩 中， 由于证 明这 些页岩担任选择 ’陛的“ 薄膜” 系统而产生第二种机理 。 浓缩 甲酸 盐水的低的水化作用产生渗析压力 ， 它可 以激 发页岩孔隙水的倒流 。 这种倒流将减少从泥浆 到页岩的液体净流八 ， 产 生较低的 水化作 用 并使孔隙压力增加 的速度降低 。 如果渗析倒流 比水力流进页岩的速度大， 并且远场反应与从 页岩到泥浆 的水携带相 比较低的话， 近井地带 将发生脱水和孔隙压力 降低 ， 这将增加地层强 度和近井有效应力 ， 这都对井眼稳定有益。 4 ．盐岩层钻井 当钻 遇 盐 岩 层 时， 如氯 化锰 含 在 Z e c h s t e i n水氯镁石地层中 ， 可能产生三种问题 。第 一 是地层被溶蚀， 引起“ 大肚子” ， 在那里造成 井眼清洁和注水泥的问题 ； 第二是与钻 井液 自 身相关 ， 由于盐溶解 在钻 井液中 ， 钻井液性 能 可能变化。在 二阶离子 例如锰 存在的情况 下， 可能引起与聚合物交联有关的问题 ； 如果 用相 同的液 体来钻油层的话 ， 会 出现第三个问 题， 如果钻井液溶 进盐岩层的锰离子的话 ， 二 阶离子的沉淀可能引起地层伤害。 避免这些 问题的虽好方法是使用浓缩盐 水的液体钻井 ， 使溶进钻井的盐量最少。典型 的是一种预加温过饱和的氯化锰基泥浆 ， 它用 来钻 Z c h s t e i n水氯镁 石地层 ， 这 种泥浆在 地 面加热尽可 能保持更少量溶解其它附加的氯 化锰。这种体系的缺点是粘度高 ， 而且还需要 贵重的地面设备。 其它替代物是用其它类型的 浓缩盐水钻井， 要求溶解的氯化锰的浓度应尽 可能低。 氯化锰对 甲酸钾污染的影响也做了研究 ， l O ％ 重量 比 的氯化 锰 Mg C I 盐 水 加入 甲 酸钾泥浆体系， 试样在 1 7 5 “C热搅动 1 6 小时， 测量 了标准泥浆性 能， 泥浆 只稍微 增 加了粘 度 ， 失水性能改善 ， 这可能是 由于在泥浆中的 结晶体 Mg C l 2 。和Mg C O O H 引起的。 由于氯化锰在甲酸盐中的溶解度低 ， 由二 价锰离子引起 的潜在地层伤 害也是成 比例 地 减小 。 5 ．固体污染 已经试 验了用赤铁矿加重 到密 度为 2 ． 3 1 0 k g ／ m 的甲酸钾钻井液对固体污染的抵 抗能力 。为了 比较 ， 从钻井公司取到相同密度 的假油基泥浆和油基泥浆 ， 所有这三种泥浆都 用 赤 铁 矿 加 重 ， 三 种 泥 浆 污 染 程 度 达 到 2 2 8 ． 2 4 k g ／ m 的 固 相 ， 使 用 2 5 ％的 土 殷土 和 7 5 的 O C MA Hy mo d P r i ma粘土作为固体 ， 选择高污染以展示 甲酸盐钻 井液极其 良好 的 固相抵抗力。 以前的经验也表 明实验室要求 比 现场高一些的污染水平 ， 是为了获得相同的泥 浆性能 ， 这也许是由于现场泥浆中收集很细颗 粒的困难 。 实验证明， 甲酸盐体系只受微弱的污染影 响， 对固体污染的抵抗惶 比油基和假油基钻井 液 都好。 6 ．清洁和再回收使用 已经开发 出一种简单有效的技术， 可以从 甲酸盐钻井液中回收 8 0 ％的 甲酸盐水 该技 术 由简单的 p H处理方法组成 ， 该方法在实验 室内已经优化， 并对现场用过的钻井液进行实 验室和大规模试验 ， 方法 由以下三个 步骤组 成 1 降低 p H值 ， 溶解体系中的部分白垩。 2 加碱提 高 p H值 ， 这会 引起 白垩沉淀 并包覆住沉淀的钻井固体。另外 ， 由于聚合物 的沉淀 ， 体系中的粘度大大降低。 3 分离和调整 p H值 。最好的分离方法 是挤压过筛 达到 8 O ， 但是， 实验 室已证 明 离心机和泥浆振动筛也适用 值得注意的是， 有些泥浆可以省略第一步 骤 ， 通过使用钻井液 中的结合酸和 甲酸盐的碱 维普资讯 国界 蛄井接术 3 9 性 ， 这样 不会产生稀释 ， 所有添加 的成分实际 上都有助于进一步浓缩甲酸盐水的组成。 正常 情况下， 剩下的滤 出液或 中间液是干净的 ， 但 是 ， 也许含有少量 的固体 ， 主要是聚合物和 白 垩 ， 因为， 这些是钻井液的 自然成分 所以， 这 些 中间液可以容易地用来配制新泥浆。 为了完 全清洁， 这些固体可以很容易地滤除 。 有证据说 明在分 离过程 中有 3种独立 的 机理 1 自垩的沉淀 通过沉淀形成大颗粒的 技 术， 也 称为“ 清扫絮凝物的凝聚 ， 是根据胶 体可以作为沉淀的凝结校或者沉淀物下降时 肢体被网状物捕获韵原理。 2 聚合物的“ 析出 沉淀 。 通过增加 p H 值 ， 聚合物从溶液 中沉淀 ， 都知道减少 用于水 他的自由承量聚合物在结构水离子的高浓度 下更容易析 出。 3 絮凝作用。絮凝的发生取决于钻井液 中聚合物的性质和浓度， 所以不容易控制。絮 凝系统有产生更清洁 中间液的优势 ， 但是 ， 由 于絮凝块的高含水量会造成较低 的回收率。 对于每一个 泥浆体系都应优化加入 的酸 和碱量 ， 沉淀颗垃 的尺寸随加酸的量而增加 。 如果 甲酸盐浓度足够高的话 ， 不加酸也可以分 离 但是 ， 正常情况下使用酸时 ， 回收的盐水更 清澈些， 加酸过量会造成二氧化碳的形成。为 了便于分离 ， 要求最少量 的碱 ， 加碱过量只会 增加酸量 以重新调节 p H值。已有迹象表明添 加时 间、 混合时间及温度的影 响不是识重要 。 这项技术 用于 甲酸钠 、 钾和铯 盐水钻 井 液 含有白垩的钻井液比较蛭分离， 但是成功 分离是在典型的已用浓缩甲酸钾盐水并用四 氧化锰做滤饼加重材料 的现场泥浆上进行的。 这项技术已经在其它类 型泥浆体 系中试 验过 ， 正常情况下回收率不如甲酸盐水泥浆 高 ， 但是 ， 在大多数情况下该技术 比标 准的凝 聚、 絮凝技术效果好 。 表 4 在 8 5 ℃饱和盐水中， 1 6 小时后碱土叠曩麓酸盐的溶解度 钠盐 钾盐 铯盐 溶液 水 溶解的 固体 m ／ L NB 0 0O H Na C 【 Na B r K0 0 OH K C I KB r Cs CO OH H2 O CS s 4 0 W 2 6 W 4 6 w 7 5 ％w 2 4 W 烈 8 2 w 6 9 ％W I M S Ol 2 8 0 8 3 58 00 1 6 1 4 6 0 0 2 重晶石 1 1 6 9 S 0 2 O 2 6 0 0 8 0 5 0 7 0 0 3 Sr S O 2 0 2 7 0 0 3 0 o 2 5 0 1 1 0 0 0 0 7 0 0 5 0 0 1 8O 0O 0 3 5 0 Ca S O4 O 12 0 0 2 8 0 0 9 0 o 0 9 0 0 0 9 0 0 00 1 5 00 0 1 O 0 0 0 8 0 0 00 6 0 0 B a S O4 垢 ／ 8 0 5 0 1 4 7 0 0 0 5 0 3 0 3 9 0 l i S r S O , 垢 ／ ， ／ ’ ／ 6 0 0 ／ ／ ／ ● 当设计钻井或完井液时， 应考虑涨簟甲酸 盐水中的高硫酸根的溶解度。例如 由于自由 钡离子 B a 的相当高的毒性， 应避免使用重 晶石 B a s O 作为加重材料。换句话说， 这些 盐水， 尤其是甲酸盐水 ， 具有除垢的很大潜力 现场应用 在壳牌公司内， 用 甲酸钠钻井液进行 了三 次成功的试验。 在 B e r k e l 一5井南姆公 司使用连续油管 钻 1 0 4 ． 8 mm 水平 井， 使 用密度 1 ． 1 1 0 k g ／ m 的泥浆 ， 选 择盐水聚合物体系在小井眼中 使摩阻压力损失最小 。要隶的密度很低 ， 使用 其它盐水 N a C I 、 K C I 体系也容易达到， 可是， 基于环境的考虑， 选择了甲酸钠， 在试验中没 有发生与钻井液相关的问题 因为溏失间题出 现 ， 需要更换较便宜的 K C I 石膏泥浆， 这样 可 以直接比较两种液体的摩阻压力损失， 发现甲 酸钠泥浆循环压力损失 比 K C I 石膏泥浆 明显 低。 润滑性能难于评价 ， 但是 ， 观察到实质性的 维普资讯 4 0 雷界钻井技 术 第 十誊 ．1 牟 蕞 期 说明， 如在甲酸盐泥浆中比K C I 石膏泥浆中 钻压易于控制和起下钻顺利 。 这口井的产量超 过预期值 。 挪斯克 壳牌公 司用大约密度 1 ． 2 0 1 0 3 k g ／ m。 的甲酸钠泥浆钻了两 口侧钻水平 井， 选择了盐水聚台物白垩体系以避免伤害。 因为， 这种滤饼易于用酸除去， 再加上环境的 因素， 选中了甲酸钠而不是其它盐水 N a c I ． KC I 体系 ， 在钻井过程 中未 出现与钻井液有 关酌 问题 ， 这两 口井都获得高产。 S t a r o i l 使用过 密度为 1 ． 5 1 0 k g ／ m。的 甲 酸钾盐水钻井藏,G u l l { a k s c 一3 0 的油层 段， 因为要求低的当 量循环密度、 严格的滤失 控制．和低固相含量， 所以选择了这种液体。 使 用四氧化锰将密度加重到 1 ． 6 ～1 ． 7 因为， 评 价它与预充填筛管裸眼完井相窖, 2 - 选择了四 氧化锰作办加重材料。 由于四氧化锰颗粒尺寸 很小 0 ． 5 微米 ， 很 可能穿过筛管流 回来。可 是 ， 重要的是要记住这些微粒会 比其它常用 固 体侵入油层更深， 地层伤害的潜在危险不应排 除。在这次应用中， 没有遇到有关液体的钻井 问题 。在钻井期间或起下钻时， 没有迹象表明 井眼不 稳定 ， 钻屑 含泥质达 4 O 有 比以前 用其它水基钻井液所看到 比较好的性质 更离 散 。 根据钻井性能、 节省的钻机时间和井的产 量， 现场试验结果是成功的。 结 论 已经对 甲酸盐水作 为钻井和完井液进行 了广泛的研究 ， 发现它具有 以下特点 。 1 可配静 』 密度 1 ． o ～2 ． 3 1 0 k g ／ m。 范围的液体 ； 2 有很低的结晶温度 ； 3 有特别好的生态毒理性剖面 ； 4 与其它盐水体系相比能使聚台物稳定 在更高温度上 ； 5 稳定页岩 ； ． 6 有很低 的腐蚀性 } - 7 同太参数橡胶相容； 8 抑 制 细 菌 生 长 密 度 高 于 1 ． 0 4 1 0 k g ／ m ； 9 对固体污染有很高的抵抗力 ； 1 0 同含盐地层相窖 ； n 同地层液体配伍 ‘ 1 2 抑制气体水化形成 ； 1 3 易于重复利用 ； 1 4 可涤解几种硫酸根垢 。 甲酸盐水是理想 的完井 、 封隔液体 ， 良好 的除垢溶剂和极好的钻井蒗基液 ， 甲酸盐水配 { } I 的钻井液已经在以下领域中应用过。 1 深井小井眼钻井 。甲酸盐把很低 的摩 阻压力损失 在盐水聚合物基体 系中 同高的 温度稳定性和高的静水柱压力相结合 。 2 泥页岩层钻井。甲酸盐通过提高渗滤 粘 度和激发 孔踩水的倒 流， 减少水力流动 ， 提 高 了泥页岩 的稳定性 。 3 油层钻井。 甲酸盐不要求加重材料 ， 这 就提供 了设计钻 井液中唯一需要的颗粒类 型 和量的机会， 不会发生二价离子沉淀的伤害。 4 盐岩 层钻井。 由于在 甲酸盐水中对大 多数盐都有很低的溶解度， 可以避免冲蚀， 而 且 ， 甲酸盐 泥浆对盐 的糟染有很 高的抵抗 能 力 。 5 “ 气体水化钻井” 。取决于甲酸盐水的 类 型和浓度， 可以使水化形成温度 降低 4 8 ℃。 由于生产厂家太少和昂贵的价格至今阻 碍这种液体进入现场， 但是 ， 由于生产厂家的 增加和可以安排回收， 这种局 正在改变， 使 用 甲酸盐正在稳步增加 ， 除了 已完成的外， 还 有 一些钻井应用正在成功地进行 。 摘译 自S P E 3 0 4 9 8 维普资讯