微囊泡低密度钻井液研究进展.pdf

第 4 3 卷第 8 期 2 0 1 4年 8月 化工技术与开发 T e c h n o l o g y De v e l o p me n t o f C h e mi c a l I n d u s t r y Vo 1 ． 4 3 No ． 8 Au g ． 2 01 4 微囊泡低密度钻井液研究进展 武金贤 ，邓 强 ，李 泓 。 ，孙欢 ，陈 刚 1 ． 延长油田股份有限公司七里村采油厂 ，陕西 延安 7 1 6 0 0 0 ； 2 ． 西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 7 1 0 0 6 5 ； 3 ． 江苏三星科技有限公司，江苏 镇江 2 1 2 2 0 0 摘要针对微囊泡低密度钻井液的理论研究和现场应用，介绍了泡沫钻井液体系的特征与应用，进而对特殊 的泡沫钻井液体系囊泡钻井液的结构特点、作用性能及其封堵裂缝的机理等进行了综述 ， 并对囊泡钻井液技术 的发展前景进行了展望。 关键词 钻井液； 微囊泡 ； 低密度 中图分类号T E 2 5 4 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 ． 9 9 0 5 2 0 1 4 0 8 ． 0 0 2 5 ． 0 4 综观国内外钻井液技术的发展 ， 随着各种复杂 和特殊情况出现， 新技术、 新体系不断出现。正是由 于一系列新体系新技术的应用， 在一定程度上促进 了钻井液工艺技术的进步。在生产中结合复杂地质 结构特点国内外提出了不同的钻井液体系， 国外相 继推出了聚合醇钻井液、 甲酸盐钻井液和微泡钻井 液等具有国际先进水平的水基防塌钻井液体系， 其 中微泡沫钻井液 ， 在稳定性 、 防漏堵漏效果 、 储层保 护能力方面有很好的效果。 1 泡沫钻井液体系概述 表面活性剂是泡沫钻井液的核 心 ， 好 的发泡剂 应具有以下特征 ①起泡性能好， 微泡沫基液与气体 混合搅拌后可产生大量粒度较小的微泡沫； ②微泡 沫稳定性强， 能在长时间的循环剪切和高温条件下 稳定； ③抗污染能力强， 与钻井液其他处理剂配伍性 好 ， 钻遇地层水时性能稳 定 【 1 】 。表 面活性剂有 2个 重要的性质 ， 一是在各种界面上的定 向吸附， 另一个 是在溶液内部形成胶束。表面活性剂溶于水后， 按 照离解或不离解分为离子表 面活性剂和非离子表面 活性剂， 离子表面活性剂又可按产生离子电荷的性 质分为阴离子 、 阳离子和两性表面活性剂 。 对于活性剂产生气核的能力 以及稳定性 ， 一般 而言阴离子型表面活性剂成核能力强， 半衰期长， 其 次为阳离子型表面活性剂， 而非离子表面活性剂对 基液增加膨胀很小， 半衰期很短， 成核能力差， 并且 气核稳定性差 【2 】 。两性表面活性剂与阴离子型表面 活性剂的成核能力相当， 且气核较稳定， 但是由于两 性表面活性剂价格远高于阴离子型表面活性剂， 因 此， 一般采用阴离子型表面活性剂作为泡沫钻井液 体系的起泡剂。 单一的发泡剂溶液形成的泡沫稳定性差， 还需 要加入稳泡剂和辅助稳泡剂等添加剂来提高其稳定 性 稳泡剂是泡沫钻井液不可缺少的一部分， 它能 使泡沫在钻井液体系中稳定存在， 提高泡沫的寿命。 而泡沫的稳定性受到表面张力、 内外压力差、 气泡膜 的弹性与韧性等作用的影响。从分子结构来说， 高 分子量、 高密集度的分子结构、 复合网络状的泡沫稳 定性强。 稳泡剂按作用可分为两类 第一类利用表面 活性剂的协同作用来增强界面吸附分子间的相互 作用， 使界面吸附膜强度增大， 从 而提高泡沫稳 定性。第二类是添加增稠剂来提高液相的黏度， 降低流动度， 减缓泡沫排液速度 [3 】。常用的泡沫 稳 定剂 主要有 以下几 类 脂肪 酰胺 R C O N H 、 脂 肪 酸乙醇酰胺 R C O N H C H 2 C H O H 、 长链脂肪醇 R O H 、 N ． 烷基亚氨二醋酸钠盐、 烷基甜菜碱磺酸 R C H 2 N C H C H C H 2 S O 。 一 、 聚丙烯酸及其衍生物 等。常用的增稠剂有瓜尔胶 G H P G 、 羟甲基纤维 素 C M C 、 羟乙基纤维素 H E C 等 [4 ]。稳泡剂的加 量根据不同体系是不同的， 在满足微泡体系稳定性 的前提下尽量少加稳定剂， 因此高性能的稳泡剂是 作者简介 武金贤 1 9 7 2 - ，陕西省延长县人 ，毕业于西安石油大学 ，技术员，主要从事石油工程方面的工作 通讯联 系人 邓强 1 9 6 5 一 ，男，副教授 ，研究方向为油田应用化学 ，E m a i l d e n g 6 3 1 2 6 ． t o m，电话 0 2 9 8 8 3 8 2 6 9 3 收稿日期 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 8期 武金贤等 微囊泡低密度钻井液研究进展 2 7 囊泡具有很好的亲水性， 故称 ‘冰性改善膜” 。 2 ． 2 微囊泡钻井液封堵机理 微囊泡钻井液的封堵机理可解释如下 1 如果遇到大于囊泡直径的地层渗流通道 大 的裂缝 或溶洞 ， 在压差及温度作用下， 囊 泡流动速 率大于水溶液速率， 并且体积越来越大， 堆积成横放 圆锥状， 分解了液柱压力， 实际作用于最前方气囊的 压力很小。较小压差下， 流体无法进一步进入地层。 同时， 由于流动速度降低， 体系黏度增大， 封堵地层。 2 如遇与囊泡直径相当的漏失通道 中高孔渗 地层 ， 囊泡向低压区移动， 靠近漏失通道的气囊被 “ 吸”进地层 ， 拉长充填漏失通 道 ， 通过流动增阻和 贾敏效应增加漏失 阻力 ， 液相 中的其它囊泡在压差 作用下持续堆积在漏失通道入口处， 体系黏度增大， 从而达到封堵地层 的效果 。 3 如遇小于囊泡直径的漏失通道， 囊泡工作液 在进人储层渗流通道前， 由于靠近井壁的流动速度 很低， 工作液低剪切速率下的高黏度特性使得凝胶 强度增大， 聚合物吸附地层 ， 增大了进入渗流通道的 阻力。与此 同时 ， 囊泡在气液密度差 的作用下吸附 在低压微孑 L 或微裂缝的人口处。封堵入口的囊泡静 止后， 表面活性剂和高分子聚合物聚集形成扩散层， 凝胶强度进一步增大 ， 强化封堵效果 。 3 囊泡钻井液 的国内外发展现状 囊泡 首次被报 道是 在 2 0世纪 7 0年 代 的化妆 品领域 ， 高分子化学领域就开始研究嵌段共聚物在 溶剂中的胶束化问题 ， 8 0 年代后人们开始关注和 研究这一载体技术， 并将其逐渐应用于药物的靶向 传递 n ” 。囊泡是一种两亲分子有序组合体， 它是 由密闭双分子层所形成的球形或椭球形单间或多间 小室结构。目前人们对囊泡的聚集性质及囊泡的稳 定性 方面进行 了很 多研究 [ 1 。根据 I s r a e l a c h v i l i 理 论 ， 双亲分子是否能 自发地形成囊泡与其临界堆积 常数 P有关 P V ／ a o f ， 式中 是分子的体积， 是 表面活性剂尾链 碳氢链 的长度 ， a 是表面活性剂 分子 的有效头基 面积 ， 公式 中的 。 表示一个 圆柱 体的体积 即分子的头尾面积相等 ， 形成囊泡的必 备条件是 0 ．5P 1 ．0 u 。 K u n i t a k e 等人首次采用双十二烷基二甲基溴化 铵制得了囊泡， 此后大量的研究证实很多具有双链 结构的两亲分子都可形成囊泡 fl 。K u n i t a k e 等人还 发现氟表面活性剂也可形成囊泡， 并且合成了一系 列单链、 双链和三链氟表面活性剂， 发现它们与其所 对应 的以碳氢链 为疏水链 的两亲分子在形成缔合 结构 的规 律基本 相 同。R e g e n研究 了 D O D AM 双 十八烷基二甲基 甲基丙烯酸铵 在水 中经超声处 理形成小尺 寸囊泡 后 ， 加人 聚甲基丙烯酸 包裹 ， 在 6 0 ℃下 ， 2 2 5 4 n m下 聚合 1 2 0 mi n后形 成聚合 物包 裹 的囊泡 。 在对双链两亲分子囊泡的制备和性质研究的 同时， 研究者也在探索以单链两亲分子制备囊泡。 K a l e r 等人报道了在十六烷基三甲基 甲苯磺酸铵 C T A T 与十二烷基苯磺酸钠 S D B S 的稀混合溶液 中可以形成单室囊泡。关于单链两亲分子的成果已 经很多， 但是国内对囊泡的研究起步较晚。 余娜等采 用阳离子表面沿 l生剂 十六烷基三 甲基溴化铵 分别 与阴离子表面活性剂 十二烷基苯磺酸钠、 十二烷基 磺酸钠和十二烷基硫酸钠 复配， 在适 当条件下三种 体系的水溶液均可自发形成囊泡[ 16 ]0但关于微囊泡 钻井液方面的研究迟缓， 2 0 0 8 年郑力会等在第六届 国际多相流测量技术大会上推测了微泡微观结构 ， 研究了含绒囊结构的新型低密度钻井液。囊泡钻井 液已经在石油、 天然气、 煤层气等领域钻井、 完井、 修 井作业成功。含囊泡结构的钻井液、 完井液和修井 液， 不仅具备无需附加设备即能实现无固相密度低 于 1 ．O g c m 控制漏失等优点， 还能承受高温高压的 条件。如 M 8 0 一 C 1 井第一次使用完成的一口开窗侧 钻井 ， 应用井深 2 9 0 0多米 ， 全井无漏失。绒囊工作液 在川中、 冀东等油气田试用 l 0 余井次， 成功率 1 0 0 ％。 利用新型囊泡材料， 已经成功地应用于钻井、 完井、 修井作业， 解决了几大问题 1 欠平衡钻井利用附加 设备注入气体问题； 2 随钻防漏和静止堵漏提高地 层承压能力问题； 3 复杂结构井悬浮携带岩屑、 降低 摩阻问题 ； 4 储层伤害控制问题。 4 囊泡钻井液技术 的发展前景 目前， 许多油田开发难度越来越大， 在复杂储层 钻井过程 中经常发生严重漏失和压差卡钻 ， 阻碍了 油田的深度开发。以水湿性砂岩为主储层 ， 致密页 岩层和枯竭砂岩层常常互为间层而且往往存在大裂 缝， 需要使用多套压力体系的钻井液。使用普通钻 井液体系， 容易产生过大的压差是发生漏失和压差 卡钻的主要原因， 因此， 使用通常的钻探设备很难顺 利钻穿该类地层。目前， 可以采用充气钻井液或欠 平衡钻井技术解决部分问题， 但是需要配置价格昂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 化工技术与开发 第 4 3卷 贵的设备， 而且充气钻井液无法稳定上部地层。近 来开发 出具有独特结构的微泡沫基钻井液可以顺利 钻穿枯竭储层。 堵漏防漏技术已成为世界级的难题 。研究人员 已经投入很大 的工作 ， 但效果都不明显 。在钻井工 程中遇到的地层越来越复杂， 在钻进压力衰竭地层、 破碎或弱胶结地层、 裂缝发育地层及多套压力层系 等时， 井漏问题非常严重， 甚至可能使油气井报废， 经济损失巨大。2 0 0 3 年， 全球钻井堵漏费用高达 8 亿美元， 其中还不包括井漏造成事故后处理事故的 花费。在此严峻的形势下急迫需要找到高效的防漏 堵漏材料 。对于防漏堵漏材料人类已想到所有的可 用材料如橡胶、 水泥、 聚合物、 沥青等， 但效果都不理 想。要找到合适的封堵材料需要阐明材料与漏失通 道相匹配的关系， 研究者先后提出了 1 ／ 3 架桥规则、 2 ／ 3 架桥规则、 理想充填等理论， 但是应用都有一定 的局限性。其原因在于地下岩石的孔隙大小、 裂缝 宽度等地质因素很不均匀， 几乎无法测量其大小， 与 理论研究 和室 内实验研究相差很大 ， 因而无法利用 理论逐个计算材料对应的漏失通道。 在封堵效果不理想的情况下， 研究者采用了软物 质 ， 例如泡沫 、 微泡、 囊泡等。囊泡钻井液可以 自发地 堵漏， 自 行调节性能， 全面封堵漏失地层， 称为 “ 自 匹 配封堵” 。含绒囊结构的新型钻井液已经在国内取得 显著效果， 如n D井位于山西柳林县， 钻五分支井。 实施工期比设计周期缩短2 8 d ， 大幅度节约了钻机、 定 向、 录井的费用， 控制漏失速率 0 ．5 1 ．0 m 3 【】 。囊 泡钻井液具有低密度、 性能稳定、 携砂能力强 、 承压能 力强、 低剪切速率利于井眼清洁和提高钻机速度等优 越性， 尤其是具有高效防漏堵漏性能， 不需增加欠平 衡钻井的特殊设备、 成本低， 因而该技术在将来油气 井开采中将发挥更大的作用。 参考文献 [ 1 】左凤江，贾东民，郭卫 ，等 ． 可循环微泡沫钻井液技术 研究与应用 【 J 】 ． 钻井液与完井液，2 0 0 2 ，1 9 6 8 5 ． 8 8 ． 【 2 】郑力会， 孔令琛， 曹园， 等 ． 绒囊工作液防漏堵漏机理 田． 科学通报，2 0 1 0 ，5 5 1 5 1 5 2 0 - 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x i a n ， DE NG Qf 册 ， L I Ho n g 。 ， S U NHu a n e ， C HE N G a n g e 1 ． Z i c h a n g O i l P r o d u c t i o n P l a n t ， Y a n c h a n g O i l fi e l d C o ． L t d ． ， Y a n ’a n 7 1 6 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f C h e mi s t r y a n d E n g ine e r i n g ， Xi ’a n S h i y o u Un i v e r s i t y , Xi ’ an 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ； 3 ． J i a n g s u S ant a c c C o ． ， L t d ． Z h e n i ang 2 1 2 2 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e n e w t e c h n o l o g y a n d n e w s y s t e m we r e a p p e a r i n g c o n s t a n t l y a l o n g wi t h t h e a p p e a r i n g o f v a r i o u s c o mp l e x a n d s p e c i a l i n s t a n c e ． T h e t h e o r y s t u d y and l o c a l a p p l i c a t i o n o f l o w d e n s i ty mi c r o - v e s i c l e d r i l l i n g fl u i d wa s s u mma r i z e d i n thi s p a p e r ． T h e c h a r a c t e r a n d a p p l i c a t i o n o f f o a m d ril l i n g fl u i d s y s t e m wa s i n t r o d u c e d ． An d t h e n the s p e c i a l foa m d ri l l i n g fl u i d s y s t e m， mi c r o - v e s i c l e l o w d e n s i ty d r i l l i n g fl u i d ， wa s i n tro d u c e d i n d e t a i l o f s t r u c t u r e ， p e r f o r manc e and the me c h ani s m o f b l o c k i n g t h e r i mo s e wa s s u mma r i z e d ． Th e d e v e l o p me n t o f mi c r o v e s i c l e l o w d e n s i ty d r i l l i n g fl u i d wa s p r o s p e c t e d ． Ke y wo r d s d r i l l i n g flu i d ； mi c r o - v e s i c l e ； l O W d e n s i ty 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m