超高温地热井泡沫钻井流体技术.pdf

第 2 6卷 第 2期 2 0 0 9年 3月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI I I I NG FI U I D COM PLETI N FI UI D VO 1 ． 2 6 NO ． 2 M a r ． 2 0 0 9 文章 编 号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 9 0 2 0 0 3 7 - 0 2 超高温地热井泡沫钻 井流体 技术 赖 晓晴 楼 一珊 屈沅治 单正 明。 邓发兵。 1 ． 长江大学石油工程学院． 湖北荆 州； 2 ． 中国石油集 团钻井工程技术研究院， 北京 ； 3 ． 中 国石油长城钻探公 司， 北京 摘 要 针 对地 热 井 的 温度 变 化极 其 异 常 ， 常 规 泡 沫 流 体 很 难 满 足 施 工 要 求 这 一 问 题 ， 研 制 出 了抗 高 温 保 护 剂 HT l 。实验结 果表 明． 在形成泡沫的基液中加入抗 高温保护剂 HT l ， 能在一定 程度上提高发泡 剂的抗 温能力， 将 发 泡 剂 的抗 温 极 限 从 l 8 O _C提 高 到 2 4 0 c ； HT 1对 Ca 。 、 Cl ～的污 染 不 敏 感 ， 不 会 影 响 原 有 发 泡 剂 的抗 污 染 能 力 ； H I 、 l具 有保 护泡 沫流 体 在 高 温 条件 下有 良好 活性 的作 用 ； 其 适 用 范 围广 ， 应用 成 本 较 低 ， 对 现 场 工 艺无 特 殊 要 求 ， 且 维护 方 便 ， 可 以满 足 现 场 施 工 要 求 。 关键词 泡沫流体； 地热井； 超高温 ； 泡 沫钻 井； 发泡剂； 抗高温保护 剂 中图 分 类 号 TE2 5 4 ． 3 文 献 标 识 码 A 地 热资 源 按 照介 质 的 温度 不 同 可分 为 高 温 1 5 0 C 、 中温 9 0 ～ l 5 O C 和 低 温 9 0 C 。 对 于不同地热 温度 井 的开 采 ， 选 用 的钻 井 流体 各 不 相 同 。对于低 温和 中温地 热 井 ， 通常 采 用 常规 钻 井 液 ； 对于高温地 热 资源 ， 特 别是 超高 温地热 资源 的开 采 ， 常选用稳 定泡沫 钻井流 体 。这 是因为 ， 构成 高温 地热 蒸气 型 地层 的主要是 裂隙发 育 的变 质岩 和火 山岩 ， 地层压 力低 ， 漏 失严 重 ， 而 稳定 泡 沫 流体 能 较 好地起 到防漏堵 漏作用 和在低 压状态 下建立 欠平衡 条件 ， 提高钻 井速 度 、 降低钻 井成本 。解决 它 的关 键 问题 是钻井 流体的抗 温能力 。 1 钻 井 流体 的技 术要 点 地热 井 的地温 变 化极 其异 常 ， 有 的井 深 只有 几 百米 ， 地 层温 度可 达 1 5 O C以上 ； 有 的井 深在 1 0 0 0 i n左右 ， 地 温 可达 2 5 O℃ 以上 ， 有 的 井 底 温度 甚 至 达到 3 5 0、 C。因而对 形成 泡 沫流 体 的发 泡 剂 而言 ， 最关键 的技术 是它 的抗 温能力 。超高 温对 发泡剂 的 影响主要 是高温 降解作 用 ． 在 高温下 ， 发 泡剂 的一些 基 团会 发生变异 ， 而失去 它 的起 泡作用 ， 从而在 钻井 过程 中导致 一系 列井下事 故或复 杂情况 的发生 。 表面活性剂能降低表面张力 ， 促进泡沫形成， 但 是 泡沫 的稳 定性取 决于气 泡间液 膜 的黏 弹性 和机械 强度 ． 而液膜 的黏 弹性 和机 械 强 度 主要 取 决 于 由表 面 活性 剂产 生的 吸附 膜 的柔 韧 能力 和 抗 冲击 能 力 。 在超 高温地 热井施 工 中 ， 要 求形 成 气 泡 问的 液膜 具 有抗 超高 温 抗蒸 发 、 抗 压和抗 剪切 的能力 。 2 泡 沫钻 井 流体 研 究 发泡剂 主 链 以 C C 、 一C一 - 一 S一 、 C～N一 键或 含有苯 核为最 佳 ， 这 些 化学 键 在 高温 条 件下 不 易断 裂 ， 稳定 性好 ； 其次是 分子链 的柔顺 性影 响着抗 温性 ， 柔顺性 好 的分 子链抗 温性 差 ， 侧链 带有磺 酸基 等大基 团 的分子链 ， 刚性较 强 ， 抗 温性也 较强 。这种 发泡 剂较常 用钻井 液发 泡剂价格 昂贵 。 由于泡 沫钻 井用 钻井流 体是一 次性使 用 ， 提 高 了钻 井成本 ， 因而 在现有 钻井 用发泡 剂 的基 础 上 ， 通 过加 入抗 高温 保 护剂 ， 提高泡 沫流体 抗 温 能力 是 一 种切 实 可行 的方 法 。 作 为 目前 钻井 用 发 泡剂 ， 大 多为 阴离 子 型表 面 活性剂 ， 属亲 水型 ， 形 成溶 液 的表 面张 力大 ， 化 学 活 性 高 ， 表 现为 泡沫体 积 大 ， 气 泡孔 径 大 ， 泡沫 结 构疏 松 ， 因而液膜 的抗 温性 也 较 差 。要 在原 泡 沫流 体 的 基 础上 提高其抗 温性 ， 可在其 中加入 溶解度 小 、 分子 量 小 的物 质 ， 使 溶液 的表面 活性增大 ， 泡沫稳 定性提 高 ， 泡 沫 直径 减 小 ， 排 液速 度 慢 ， 强度 提 高 ， 寿命 延 长 ； 同时加入这 种物 质 对形 成 的 液膜 具 有 良好 的抗 高 温作用 ， 随 着温度 升高 ， 在 损耗一部 分 的情 况下仍 能保持表面活性剂在水溶液中的活性和形成泡沫后 的 良好发泡 作用 和稳定性 ． 该 物质为抗 高温保 护剂 。 第一作者简介 赖晓晴． 博 士研 究生 ， 主要从事钻 井液及储层 保护研 究工作。地址 北京市海 淀区学院路 2 O号 9 1 0信箱 钻井液所 ； 邮政编码 1 0 0 0 8 3 ； 电话 1 3 6 1 1 0 9 7 1 4 3 ； E ma i l x q l a i 1 2 6 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 钻 井 液 与 完 并 液 2 0 0 9年 3月 3 室 内实验 3 ． 1 抗温性实验 3 ． 1 ． 1 实验材 料与 方法 实 验材料 地热 井现 场使用 的普 通发 泡剂 ， 抗高 温保护 剂 HT 一 1 自制 。 测 定 方 法 将 一 定 量 的发 泡 剂加 入 到 含有 抗 高 温保 护剂 HT 一 1的溶 液或 清 水 中 ， 在 指 定 的温 度 下 热 滚 1 6 h ， 冷 却后 取 1 0 0 mL置 于钻 井 液 用 高 速 搅 拌 器 中 ， 在 1 1 0 0 0 3 0 0 r ／ mi n下 搅 拌 1 mi n ， 立 即取下搅 拌杯 ， 同时开始 记 录消泡 时间 ； 将 搅拌 杯 中 的所有 物质全 部倒 入 1 0 0 0 mL量 筒 中 ， 读 取 发泡体 积 ， 这 步 操作 应 在 1 0 s内完 成 ； 读取 从 泡 沫 中析 出 液体 达到 5 0 mL时 的时 间 ， 即为 半衰期 。 3． 1 ． 2实验结 果 与讨 论 加入 抗高 温保 护剂 HT 一 1前后 泡沫抗 温 性 的对 比结果见 图 1 。从 图 1可 以看 出 ， 加人 1 HT 一 1 后 ， 在温度 低 于 1 5 0℃ 时 ， 发 泡 体 积 与 没 有 加 入 HT I 时 变化不 大 ， 但 半衰 期 即泡 沫稳 定性 有较 大增 加 ； 温度 超 过 1 5 0℃后 ， 没 有 加入 HT 一 1的泡 沫 发 泡体 积 和半衰 期 明显下 降 ， 到 2 0 0℃时发 泡 剂 已完 全损 坏 ， 不 能起 泡 ； 加 入 1 HT - 1的泡 沫 发 泡 体 积 在 温 度达 到 2 4 0℃时 与温 度低 于 1 5 O c时都 基本 一致 ， 而半 衰期在 温度 超 过 1 5 0。 C后 开 始显 著 下 降 ， 但 是 仍能使泡沫流体具有 良好的泡沫性能 ， 保证钻井施 工 的完 成 。 1 6 14 量 8 6 4 2 O O Z y ℃ 图 1 加入 HT 一 1 前后泡沫流体抗温能力对 比 3 ． 2 抗污染实验 在 非油气 层 ， 钻井 流体 的主要 污 染 因素 是 C l 一、 C a ， 特别是 C l和 C a 共同存在时对钻井流体 的 污染更大。不 同温度下泡沫流体 同时抗 C 1 一、 C a 污染 的能 力 对 比 见 图 2 。从 图 2可 以看 出 ， 加 入 HT一 1 有 助 于发泡 剂抗 污染能 力 的提高 。 3 ． 3 表面张力实验 将一 定量 的发 泡剂加 入 到清水 或抗 高温 保护 剂 溶 液 中 ， 在指 定 的 温 度下 热 滚 1 6 h ， 冷却 ， 用 S i g ma 7 0 1型 自动表面张力测定仪测定其表面张力 ， 结果 见图 3 。从 图 3可 以看 出 ， 当没有 加 HT 一 1时 ， 随 着 温度 的升 高 ， 表 面张 力有 增大 的趋 势 ， 发 泡剂 随着 温 度的升高在逐渐降解 ， 当温度超过它的临界值后 ， 表 面张力有一个较大 的下降 ， 这是 由高分子量 的物质 降解成低分子量的物质导致的 ； 加入 HT 一 1后 ， 在高 温 条件 下通 过损 失 HT 一 1使溶 液保 持 良好 的表 面 活 性 ， 溶 液 的表面 张 力逐 渐 下 降 。从 而证 明 ， HT 一 1是 一 种 良好 的抗 高温保 护 剂 。 一 0 ． 5 ％发泡剂 ，发泡体积 一 0 ． 5 ％发泡剂，半衰期 ‘ 一 0 ． 5 ％发泡剂 N a C l c a c l 1 ，发泡体积 一 0 ．5 ％发泡剂 Na C l c a c 1 ，半衰期 1 6 l 4 ．目 l 2 1 o 踩8 6 井 4 2 O 呈 蛙 图 2 泡沫流体抗 0 ． 1 G a g 1 3 N a C 1 污染 的能力 善 雀 2 y ℃ 图 3 泡沫流体加入 HT 一 1 前后热滚后 表面张力的变化 4 结 论 1 ．抗 高温 保 护 剂 HT一 1对 于 泡 沫 流 体 具 有 良 好 的抗 高 温 保 护 作 用 ， 在 形 成 泡 沫 的 基 液 中加 入 HT 一 1 ， 能在一定程度上提高发泡剂的抗温能力 ， 能 将发 泡剂 的抗 温极 限从 1 8 0℃提 高 到 2 4 0℃。 2 ． HT 一 1对 C a 、 C 1 的污 染不 敏 感 ， 不 会 影 响 原 有 发泡剂 的抗 污染 能 力 ； 适 用范 围广 ， 在增 加较 少 成本 的条件 下 ， 就可 提高 泡沫 流体 的抗 温性 ， 对现 场 工艺无特殊要求 ， 且维护方便 。 参 考 文 献 [ 1 ] 李志茂 ， 朱彤． 世 界地 热发 电现 状． 太 阳能产 业论 坛 ， 20 07 8 1 0 1 4 E 2 ] 黄 洁， 李 虹． 地 热资 源及 其 开发 利 用． 西 部资 源 ， 2 0 0 7 2 7 - 8 收稿 日期 2 0 0 8 1 2 2 3 ； HG F0 9 0 2 N5 ； 编辑 王 小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m