新型全油基钻井液体系.pdf

4 9 0 2 0 1 4年 8月 石油勘探与开发 PETR0LEUM EXPL0RATI ON AND DEVEL0PM ENT Vl0 1 ． 41 No．4 文章编号 1 0 0 0 ． 0 7 4 7 2 0 1 4 0 4 ． 0 4 9 0 0 7 DOI 1 0 ． 1 1 6 9 8 ／ P E D． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 1 6 新型全油基钻井液体系 李建成，杨鹏，关键，孙延德，匡绪兵 中国石油长城钻探公 司工程技术研究院钻井液所 基金项目国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 1 ． 0 0 4 ；中国石油天然气集团公司重点科技攻关项 目 “ 复杂地质条件下深并钻完并液新技术研究与现场试验” 摘要 为了满足深井、超深井、页岩气井等复杂结构井的钻井要求，研制 了全油基钻 井液用有机土和降滤失剂 ，确 定 了新型全油基钻井液体系配方 ，并通过室内实验和现场应用研究 了其性能。采用长碳链季铵盐作为有机 改性剂， 制备用于全油基钻井液 的有机土；采用褐煤类单体与胺类单体合成油基降滤失剂。有机土和降滤失剂性能优 良、配 伍性好，且降滤失剂的降滤失效果优于国内外几种 同类型降滤失剂 。通过研究各组分加量对全油基钻井液体系性能 的影响，确定 了各组分的加量，配制的不同密度全油基钻井液均有 良 好的基本性能。室内实验结果表 明全油基钻 井液沉降稳定性较强，抗温可达 2 0 0 ℃，密度在 0 ． 9 ～2 ． 0 g ／ e m 可调，抑制性能强，抗污染和润滑性能较好，储集 层保护效果好，具有泥页岩水化抑制作用。现场应用结果表明全油基钻井液性能稳定 ，满足 现场施工要求，可延 长钻头使用寿命并有效抑制井壁失稳，与水基钻井液相 比密度更低、平均机械钻速更高。图 5 表 1 4参 1 2 关键词 全油基 ；钻井液；有机土；降滤失剂；井壁稳定 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A A ne w t y pe o f who l e o i l - ba s e d d r i l l i ng flu i d Li J i a n c h e n g， Ya n g Pe ng ， Gua n J i a n， S un Ya n d e ， Ku a ng Xu bi ng G W DC E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， P 日 i n 1 2 4 0 l 0 ， C h i n a Abs t r a c t T o me e t t h e d e ma n d o f u l t r a d e e p we l l d r i l l i n g a n d s h a l e g a s we l l d r i l l i n g ， o r g a n i c c l a y an d a o i l - b a s e d fi l t r a t e r e d u c e r we r e d e v e l o p e d an d a wh o l e o i l - b a s e d d r i l l i n g fl u i d f o r mu l a wa s o p t i mi z e d ． T h e p e rfo r ma n c e o f o r g a n i c c l a y , o i l - b a s e d fi l tr a t e r e d u c e r a n d t h e wh ol e oi l - b a s e d d r i l l i ng fl ui d we r e e v a l u a t e d i n l a bo r a t o r y,a n d t h e wh o l e o i l ba s e d d r i l l i n g flu i d wa s a p pl i e d i n d r i l l i ng p r oc e s s f o r f ur t he r t e s t o f i t s p e r f o rm a n c e ．Lo n g c a r bo n c ha i n q u a t e rna r y a mmo ni u m s a l t wa s us e d a s mo di f y i ng a ge nt s wh e n s y n t he s i z i ng o r g a n o b e n t o n i t e s ． Oi l - b a s e d fil tr a t e r e d u c e r wa s s y n the s i z e d wi th mo n o me r s o f l i g n i t e a n d a mi n e c l a s s ． T h e l a b o r a t o ry t e s t s s h o w t h a t t h e o r g an i c c l a y c a i 1 e ffe c t i ve l y i nc r e a s e the v i s c o s i t y of Oi 1 一 ba s e d d r i l l i n g flui d a n d t he oi l - ba s e d fil tra t e r e d u c e r C an r e d uc e t h e flu i d l o s s ． Th e i r p e r f o rm an c e s we r e b e t t e r t h a n a dd i t i v e s o f t he s a me k i nd a t ho me a n d a b r o a d ．Th e o r g an i c c l a y a nd oi l - b a s e d fil tra t e r e d u c e r ha d g r e a t c o mpa t i b i l i t y wi t h t he o t h e r a d d i t i ve s i n oi l ba s e d d r i l l i n g fl ui d． Bfi s e d o n t h e o p t i ma l a d d i t i ve s a dd i t i o n a mo u n t t e s t s ，t h e wh ol e o i l -ba s e d d r i l l i n g flu i d f o rm u l a wa s de t e r mi ne d a n d t h e t e s t r e s ul t s s ho w t h a t t h e p e r f o rm an c e s o f the wh ol e o i l -ba s e d d r i l l i n g flu i ds wi t h va rio u s d e n s i t i e s we r e g r e a t ． The l a b o r a t o r y t e s t s s ho w t h a t t he 0 i l - ba s e d dr i l l i n g flu i d d e ve l o p e d wa s hi g h t e mpe r a t ur e r e s i s t a nt ．e v e n a t 2 0 0 ℃，a s d e n s i ty v a r i e s f r o m 0 ．9 0 t o 2 ． 0 g ／ c m ， i t s t i l l h e l d g o o d p e r f o r manc e wi t h o n l y a l i tt l e fl u i d l o s s ，g o o d i n h i b i t i o n ，g r e a t a n t i p ol l ut i on ，an d go o d r e s e r vo i r p r o t e c t i o n pe r f o rm an c e ．Fi e l d a p pl i c a t i o n r e s u l t s ho ws tha t t he pe r f o r ma nc e of t h e o i l ba s e d d r i l l i n g fl u i d i s s t a b l e wi t h g r e a t a b i l i ty t o ma i n t a i n we l l b o r e s t a b i l i ty and l o we r d e n s i ty t h a n t h e wa t e r - b a s e d d r i l l i n g fl u i d ； d ril l i n g b i t s c a n b e u s e d mu c h l o n g e r and t h e a v e r a g e p e n e t r a t i o n r a t e i s i n c r e a s e d ； t h e o i l - b a s e d dri l l i n g fl u i d C an s a t i s fy t h e d r i l l i n g r e q u i r e m e n t s ． Ke y wo r d s wh o l e o i l - b a s e d ； d r i l l i n g flu i d ； o r g a n i c c l a y ； fil t r a t e r e d u c e r ； we l l b o r e s t a b i l i t y 0引言 随着 中国复杂地质条件下深井 、超深井勘探开发 的不断深入以及页岩气开采规模的不断扩大 ，由于钻 完井液问题造成的井下复杂情况与事故不断增多 钔 。 全油基钻井液具有抑制性强 、润滑性能好 、抗污染能 力强 、热稳定性能好等特点 ，能有效抑制泥页岩水化 膨胀 ，减少井壁垮塌 、缩径等复杂情况的发生【 5 ] ，因 而适用于高温高压深井 、大位移水平井、页岩气井等 钻井过程 ，可有效防止水敏性地层井壁失稳 ，能最大 限度地保护水敏性油气储集层【 1 引 。本文通过对全油基 钻井液中有机土 、降滤失剂的研制 ，自主研发新型全 油基钻井液体系 ，并应用于苏里格地区小井眼侧钻水 平井 的施工 。 2 0 1 4年 8月 李 建成 等 新型全油基钻井液体 系 4 9 l 1油基钻井液用有机土及 降滤失剂 的 研制 1 ． 1有 机土 有机土在钻井液中主要起增黏提切、降滤失的作 用 ，其性能好坏直接影响钻井液的流变性和滤失造壁 性 [ 。 1 ． 1 ． 1制备 有机土是由不同结构的季铵盐或其他具有离子交 换能力的有机改性剂与钠基膨润土发生 阳离子交换而 制得的。有机膨润土的合成方法通常有湿法、预凝胶 法和干法 3种 。干法是将含水的精选钠基膨润土与有 机季铵盐等改性剂直接混合 ，用专门的加热混合器混 合均匀 ，再加 以挤压 ，制成含一定量水分的有机膨润 土。干法合成操作简单 、生产效率高[ 】 们 。 本文采用十六 、十八烷基等长碳链的季铵盐作为 有机改性剂 ，通过改性制备出用于全油基钻井液的有 机土。基本步骤为将精选钠基膨润土和预先配制好 的有机改性液直接混合 ，用专 门的加热混合器混合均 匀 ，在一定温度下反应 ；反应一定 时间后 ，加入有机 化增强剂 ，继续反应一定时间；反应完毕后 ，研磨 、 粉碎 、包装 ，得到全油基钻井液用有机土 GW． G E L。 1 ． 1 ． 2 性 能评 价 表 1 为不同温度下热滚 1 6 h后有机土 G W- GE L性 能 ，可 以看 出随着温度的升高 ，白油基有机土浆的 胶体率基本不变 ，表观黏度和动切力逐渐增加 ；升温 至 2 0 0 ℃之后，有机土的胶体率 、表观黏度和动切力 均保持不变。因此 ，有机土 G W． G E L具有 良好的抗高 温性能 。 表 1 热滚温度对 GW- GE L性能影响 温度／ ℃ 胶体率／ ％表观黏度／ mP a S 动切力／ P a 室 温 9 5 1 5 0 1 O 0 l 8 O l 0 O 20 0 l 0 0 2 2 0 1 0 0 l 3 ． 5 1 4． 5 1 4 ． 5 l 3 ． 0 1 3 ． 0 2 ． 5 2 ． 5 3 ． 5 3 ． 0 3 ． O 注 一转速 为 6 H mi n 时旋转黏度计刻度盘 的读数 ； 一 转速为 3 r ／ mi n时旋转黏度计 刻度盘 的读数 1 ． 2油基降滤失剂 全油基钻井液滤失量 的控制要难于逆乳化钻井液 滤失量 的控制 ，而滤失量 的控制关系到全油基钻井液 的性能和成本控制。 目前 国内研发的油基钻井液降滤 失剂多为腐殖酸改性产品，对全油基钻井液 的降滤失 效果不理想 。因此 ，本文研制了油溶性多元共聚物降 滤失 剂 G W- OF L I。 1 ． 2 ． 1设 计 思路 油基降滤失剂的分子结构应使其具有 良好的油溶 性 、分散性 、抗温性及对有机土粒子的吸附性。因此 主要考虑以下几点 ①最好含有苯环刚性单体 ，具有 良好的耐温性 ； ②具有合理的分子量和分子结构特征 ； ⑨对有机土粒子具有较强的吸附能力 ；④应为低毒或 无毒产物 ，不对环境造成污染 ；⑤在全油基钻井液中 有 良好的配伍性[ 1 ” 。 1 ． 2 ． 2合成步骤 将褐煤类单体 A与链调节剂加入反应器 中，混合 均匀 ，再加入胺类单体 B，混合均匀。加热到一定温 度后 ，加入还原剂 ，混合均匀后 ，缓慢加入氧化剂 ， 进行聚合反应 。在一定温度下反应一定时间 ，反应完 成后 ，得到中间品。加人防老化剂和隔离剂 ，过滤后 进行干燥、 粉碎 、 包装 ， 得到油基降滤失剂 G W- O F L I。 1 ． 2 ． 3性 能评价 油基降滤失剂 G W- OF L I 为合成油溶性高分子聚 合物。这类降滤失剂是通过对油基钻井液中游离油相 的吸附和高分子的封堵而起到降滤失作用 ，在降低滤 失量的同时还有明显 的增黏效果。 表 2为 G W． O F L I 加量对 滤失 量 的影 响 基础 配 方为 白油 3 ． O ％ G W． GE L 1 ． 5 ％天然沥青粉 O ． 5 ％ C a O 3 ． 0 ％C a C O 3 ， 可以看出 G W- O F L I加量在 0 ． 6 ％ 时已有 明显 的降滤失效果 ，且 随着加量 的增加 ，滤 失量显著 降低 ，2 ． 0 ％的加量 已可满足降低滤失量 的 要求 。 表 2 GW- OF L I加 量对滤 失量 的影 响 ．。 譬 表 3为 GW- OF L I 与 国内外不同厂家生产的同类 型降滤失剂 对 比实验结果 基础配方 为 白油 3 ． 0 ％ G W- G E L 0 ． 5 ％C a O 3 ． O ％ C a C O 3 ，降滤失剂加量均为 2 ． 0 ％ ，可以看出G W- O F L I比其他几种降滤失剂的 降滤失效果更好 ，A P I 滤失量、高温高压滤失量较低， 一 加 如 一 如 2 0 1 4年 8月 李 建成 等 新型全油基 钻井 液体 系 4 9 3 表 6 乳化剂加量对体系性能的影响 G W- O F L I 1 ． 0 ％孚 L 化剂 0 ． 5 ％ C a O 3 ． 0 ％ C a C O 3 重 晶石 加重到 1 ． 5 g ／ c m 为基础配方 ，考察不同加量 润湿剂对全油基钻井液性能的影响 见表 7 ，热滚条 件为 1 5 0 ℃下热滚 1 6 h 。由表 7可知 在未加入润湿 剂 的情况下 ，由于重 晶石含量高且表面为水润湿 ，因 此钻井液的流变性变化非常 明显 ；加入 1 ． 0 ％润湿剂 后 ，重晶石颗粒表面发生了润湿反转 ，从而使重晶石 颗粒均匀分散在油相 中，整个体系趋 于稳定 ，热滚后 没有沉降现象 ；随着润湿剂加量 的增加 ，体系性能变 化不大。现场应用 中，随着钻屑不断侵入 ，需及时补 充润 湿剂 以防止体系恶化 ，因此确定 润湿剂加量为 1 ％ ～ 2％ 。 表 7 润湿剂加量对钻井液性能的影响 2 ． 5全油基钻井液体系配方及基本性能 综上 可确定 全油基 钻井 液 的基 本配方 白油 3 ． 0 ％ ～ 4 ． 0 ％ GW． GE L 0 - 3 ％ ～ 0 ． 5 ％激 活 剂 2 ． 0 ％ G W． O F L I 0 ～1 ． 0 ％乳化齐 0 1 ． 0 ％～2 ． 0 ％润湿齐 0 0 ． 5 ％ C a O 3 ． O ％C a C O3 重晶石。 其基本性能见表 8 热滚条 件为 1 5 0℃下热滚 1 6 h 。 表 8 全油基钻井液基本性能 3全油基钻井液体系性能评价 3 ． 1沉降稳定性 配制密度为 1 ． 7 0 g ／ c m 的全油基钻井液， 在 1 5 0℃ 条件下滚动 1 6 h ，再置于烧杯中静止 2 4 h ，测量烧杯 中钻井液的上下密度差 ，评价钻井液的沉降稳定性。 实验结果显示 ，上部密度为 1 ． 6 9 g ／ c m ，下部密度为 1 ． 7 1 g ／ c m ，密度差为 0 ． 0 2 g ／ c m ，未出现基油析 出的 现象 ，表明该钻井液具有较强的沉降稳定性 。 3 ． 2抗污染性能 室内评价了密度 1 ． 5 g ／ c m 全油基钻井液的抗劣质 土污染 和抗 水污 染性 能 热滚 条件 为 1 5 0 ℃下 热滚 1 6 h ，实验结果见表 9和表 1 0 。 由表 9可知 ，全油基钻井液具有 良好的抗土污染 能力 ，污染后体系的表观黏度和动切力略有升高 ，这 主要是 由于土侵导致 固相含量升高 ，因此施工中应加 强固控设备的使用，保证较低的固相含量。由表 1 0可 表 9 全油基钻井液抗土污染性能评价 水 萘 m 观P a ／m压 L嬲 V ％ 条 件 s 一 滤 失 量 4 9 6 石油勘探 与开发 石油工程 V O 1 ． 4 1 N o ． 4 优 良、配伍性好。 通过研究有机土 、激活剂、降滤失剂 、润湿剂 、 乳化剂等组分 的加量对全油基钻井液性能的影响，确 定 了全油基钻井液体系的配方。体系基本性能 良好 ， 具有较强的沉降稳定性和 良好的抗污染性能、抗温性 能 、抑制性能、润滑性能，储集层保护效果好 。 将全油基钻井液应用于小井眼侧钻水平井 ，结果 表 明全油基钻井液性能稳定 ，满足现场施工要求 ； 具有 良好的润滑性能 ，可延长钻头使用寿命 ；使用全 油基钻井液钻进时井壁稳定性较好 ，可在较低密度下 实现安全钻进 ，且 比使用水基钻井液钻进 时平均机械 钻速 高 。 参考文献 [ 1 ] 王 中华．页岩气 水平井钻井液技术 的难点及 选用原则[ J ] ．中外能 源， 2 0 1 2 ， 1 7 4 4 3 4 6 ． W a ng Z h o ng h u a ．Di f fic u l t y a n d a p p l i c a bl e p r i nc i p l e o f t h e d r i l l i ng fl u i d t e c h n o l o g y o f h o r i z o n t a l we l l s f o r s h a l e g a s [ J ] ．S i n o Gl o b a l E n e r g y ， 2 0 1 2 ， 1 7 4 4 3 - 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ba s e d mu d s f o r r e s e rv o i r dr i l l i n g Th e i r p e r f o r ma n c e a n d c l e a n u p c h a r a c t e r i s t i c [ R] ． S P E 7 2 0 6 3 ， 2 0 0 1 ． F o s s u m P Mo u m T K， S l e t 0 e r d i n g E ， e t a 1 ． De s i g n a n d u t i l i z a t i o n o f l o w s o l i d s OB M for Aa s g a r d r e s e r v o i r dri l l i n g a n d c o mp l e t i o n [ R] ． S P E 1 0 7 7 5 4， 2 0 0 7 ． 舒福 昌，岳前 升，黄红 玺，等．新型无水全油基钻井液[ J ] ．断块 油 气 田， 2 0 0 8 ， 1 5 3 1 0 3 - 1 0 4 ． S h u F u c h a n g ，Yu e Q i a n s h e n g ，Hu a n g H o n g x i ，e t a 1 ．A n e w a n h y d r o u s w h o l e o i l - b a s e d d r i l l i n g f l u i d [ J ] ． F a u l t - B l o c k Oi l a n d Ga s F i e l d ， 2 0 0 8 ， 1 5 3 1 0 3 - 1 0 4 ． 王茂 功，王奎才，李英 敏，等．白油基钻井液用有机土 的研制 [ J 】 ． 钻井液与完井 液， 2 0 0 9 ， 2 6 5 1 3 ． W a n g M a o g o n g ， W a n g Kui c a i ，Li Yi n g mi n ，e t a 1 ．T he d e ve l o p me n t o f o r g a n i c c l a y u s e d i n wh i t e o i l d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d a n d C o mp l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 9 ， 2 6 5 1 - 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5 3 ． 第一作者简介李建成 1 9 6 2 一 ，男，湖北黄冈人 ，硕士，中国石油长 城钻探公 司工程技术研究院高级工程师．主要从 事钻井液科研、管理及技 术服务工作。地址辽宁省盘锦市兴隆台区惠宾街 9 1 号，长城钻探工程技 术研究院，邮政编码1 2 4 0 1 0 。E - ma i l j i a n c h e n g l e e 1 6 3 ．c o rn 联系作者 杨鹏 1 9 8 6 ． ，男，辽宁阜新人，硕士，中国石油长城钻探 公 司工程技术研究院助理工程 师．主要从事钻井液科研及技术服务工作。 地址辽宁省盘锦市兴隆台区惠宾街 9 】号，长城钻探工程技术研究院钻井 液所，邮政编码1 2 4 0 1 0 。E ma i l y ang p e n g 0 0 6 2 5 1 6 3 ．c o rn 收稿日期2 0 1 4 0 1 2 3 修回日期2 0 1 4 ． 0 5 - 1 4 编辑胡苇玮 绘图刘方方