超高密度水基钻井液滤失造壁性控制原理.pdf

第 2 7卷 第 5期 2 0 1 0年9月 钻井液与完井液 DRI LLI N G FLUI D COM PLETI ON FLUI D V．0 1 ． 2 7 No． 5 S e p t ．2 01 0 文章编 号1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 00 5 0 0 0 8 0 4 超高密度水基钻井液滤失造壁性控制原理 匡韶华 ， 蒲晓林 ， 柳燕丽 1 ． 辽河油田钻采工艺研究院，辽宁盘锦 ； 2 ． 西南石油大学 C NP C钻井液重点实验室，成都 摘要加重利是影响超高密度水基钻井液滤失造壁性的重要因素。从理论上分析 了加重剂沉降以及加重剂表 面水化作用对钻井液滤失造壁 性的影响，得 出加 重剂颗粒的沉降 以及其表面水 化能力是影响滤失造壁性 的重要 因 素。由此提 出了稳定超高密度水基钻井液静态滤失的技术思路，即通过改善加重剂的沉降稳定性和表面水化能力 来控制钻井液的滤失造壁性。提出了采用一种能吸附在加重剂表面，增大其表面 Z e t a电位绝对值和水化能力的处 理剂来改善超高密度水基钻井液滤失造壁性的技术方法。研究出一种润湿分散利 G R，室内实验评价了其对加重剂 表面 Z e t a电位的影响，以及对超高密度水基钻井液沉降稳定性和滤失量的影响。研究结果表明，G R可显著提高 加重剂的Z e t a电位绝对值，并能明显改善钻井液的沉降稳定性和滤失造壁性，从而验证了该技术方法的可行性。 关键词水基钻井液 ； 超高 密度 ； 滤失造壁 性 ；沉降稳定性 ； 润湿分散剂 中图分类号 T E 2 5 4 ． 2 文献标识码 A 超高密度水基钻井液 p 2 ． 3 0 g ／ c m 已成为解决 阻碍深井超深井 、异常高压井钻井发展难题的关键 技术之一 【 1 ] 。流变性 和滤失造壁性是超高密度水基 钻井液的 2个主要技术难点 _2 ] 。 目前 ，中国对超高 密度水基钻井液 的研究和应用较多 [ 3 - 6 ] ，但主要集 中为流变性的调控方法，有关超高密度水基钻井液 滤失造壁性能的研究很少。传统钻井液主要依靠降 滤失剂吸附在黏土颗粒上来形成致密泥饼 ，从而达 到降滤失的 目的，而超高密度水基钻井液 的固相含 量高 、黏土含量极少甚至没有 ，单纯依靠增加降滤 失剂加量很难降低超高密度钻井液的滤失量 。加重 剂是影响超高密度钻井液性能的主要 因素，研究 了 加重剂对钻井液滤失造暨 的影响 ，并探讨了超高 密度水基钻井液滤失造壁性的调控思路和方法。 1 静态滤失过程中颗粒运动的计算模型 为了便于分析 ，将钻井液 中的固相颗粒作球形 处理 ，设定向下的力为正 ，向上的力为负。 1 ． 1 颗粒在静态滤失过程中的受力分析 钻井液 中的固相颗粒在静态滤失过程 中的受力 情况见图 1 。 图 1 静态 滤失过程 中颗粒受力及滤饼结构示意 考虑浮力后钻井液 中固相颗粒 的重力为 G o p 一 g 1 j 式中，G 为 固相颗粒浮重 ，N； 为颗粒半径 ，m m； P 、P 分别为固相颗粒和液体 的密度 ，g ／ c m 。 钻井液 的滤失速 率会产生流体动力学作用力 ， 这种作 用力拖动颗粒 向滤饼 方 向沉积 ，将 其称为 颗粒沉积力。焦棣和 s h a r m a 利用流体动力学原理， 分析出钻井液滤失过程中颗粒 的沉积力为 第一作者简介 匡韶华，在读硕士研究生，1 9 8 5年生，现在主要从事油气井工作液方面的研究工作。地址 辽宁省盘 锦 市兴隆台区惠宾街 9 1 号纪检督察 科 ； 邮政编码 1 2 4 0 1 0； E ma i l k u a n g s h a o h u a 1 6 3 ．c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 5期 匡韶华等 超 高密度水基钻井液滤失造壁性控制原理 9 ⋯2 ” 2 P 1 A] f I 一 J ⋯ 式 中，a为颗粒形状 系数 ； q为滤失 速率 ，e m ／ s； 为钻井液 中同相的体积分数 ，％ ； A为滤失面积 ， e m 。 ； K为稠度系数 ，mP a S ； n为流性指数。 钻井液滤失过程 中，固相颗粒在沉积力和重力 的作用下 向下运动 ，运动过程 中必受到流体对它的 阻力 。而在不 同流体巾，颗粒所受到的阻力不同。 牛顿流体 中，南 S t o k e s 定律可知阻力大小为 6 兀 V f 3 式 中， 为 颗 粒 受 到 的 阻 力 ； 为 流 体 黏 度 ， mP a S ； v 为颗粒沉降速度 ， c m ／ s ； V f 为流体流动速度 ， c m／ s 。 研究表 明高密度钻井液流变性一般遵从宾汉模 式和赫一 巴模式 ，故需对 S t o k e s 定律进行改进。 蔡树棠按 S t o k e s 解 的流速分布 ，得到了低雷诺 数下球体在宾汉流体中所受的阻力为 ] 6 r t R v s V f 4 r t R 4 式 中，右边第 1 项 为牛顿 流体 的 S t o k e s 阻力公 式 ， 第 2项代表了屈服应力 的作用 ， 为钻井液动切力。 刘永建 [9 推导 出球 形颗粒在赫． 巴流体 中作直 线运动时所受 的阻力为 6 兀 V s V f ” 4 - 4 r t R T O 5 1 ． 2 颗粒 沉降末速 度 的计算模 型 根据牛顿第二定律 ，球形颗粒在钻井液中沉降 的运动微分方程式可简化为 G o 4-F- 6 当颗粒沉 降起 始条件为静止 时 0 ，其所受 阻力及 阻力 加速度也是 0 ，颗粒运动加速 度最大。 在加速度作用下 ，颗粒 的沉降速度逐渐加大 ，阻力 也随之加大 ，同时随着滤饼 的形成 ，滤失速率逐 渐减小 ，从而颗粒沉积力下降。当颗粒所受向下的 力 G F 与向上的阻力 相等时 ，沉降速度达到 最大 ，为恒定值 ，此时的沉降速度称为沉降末速度 。 事实上 ，颗粒达到恒速沉降的时间极短 ，一般只需 要几个微秒到几个毫秒 ，因此该研究中只考虑颗粒 运动 的末速度 ，不考虑颗粒运动的变速过程 。颗粒 达到末速度时，受力平衡，加速度为零，因此式 6 可 以写成 G n F 7 对于宾汉流体 ， 将式 1 、 2 、 4 代人式 7 有 g l2 3nI P s 叫 J 8 6 r l a R V s V f 4 。 r o 于是 ，宾汉流型钻井液静态滤失过程 中，颗粒 的沉降速度为 ⋯r舶 - - p fg -- Z“0 ] 【 s J 等 ’ 南r 对于赫一 巴流体 ， 将式 1 、 2 、 5 代人 7 式有 2Q 3n i Ps 『 10 6 r K R V s 一 o 4 x R v o 于是 ，赫一 巴流 型钻井液静态 滤失过程 中 ，颗 粒的沉降速度为 P s - 1 1 3 g I 2 P 。 l 2 1 一 A 【 3，， r J 方程 9 和 1 1 即为钻 井液 中固相颗粒在静态 滤失过程中的沉 降末速度计算模型 ，从 中可以得出 如下结论 在钻井液静态滤失过程 中，颗粒 的下沉 速度与颗粒 的粒径 、密度和形状有关 ，还与钻井液 的稠度系数 、流行指数 、动切力和液相的密度有关 ， 此外 ，还与滤饼 的性质 ，如滤饼 的孔隙度 、面积等 因素有关 。 2 加重剂对钻井液静态滤失量的影响 1超高密度钻井液静态滤失滤饼 的结构。在 同一个滤失过程中，其它因素不变，只考虑固相颗 粒的性质，另外 ，由于将颗粒处理成球形颗粒 ，则 颗粒形状 系数 为 2 ． 5 。 因此 ，同相 颗粒下沉速度 的主要影响因素是颗粒粒径和颗粒密度 。 粒径越大 ， 下沉越快 ； 密度越大 ，下沉也越大。所 以，在静态 滤失过程 中，水化能力差 、硬度大 、粒径大 的加重 剂颗粒沉积在滤饼底部，而水化能力好、有可变形 性 ，粒径小的封堵剂颗粒沉积在滤饼表面，因此形 成 的滤饼是非均质性 的 如图 1 所示 。由于颗粒 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 9月 大小及性质的影响，在滤饼的底部渗透率大 ，而上 部渗透率小 ，从而导致滤失孔隙度变大 ， 泥饼变厚， 滤失量增大。 2加重剂颗粒表面水化对滤失量的影响。加 重剂的沉降直接导致滤饼的厚度和滤饼中固相体积 分数增大，而这 2 个参数是衡量钻井液滤饼质量的 重要指标。根据钻井液静态滤失方程 ．／2 K q ／ C m -- 1 ／X P t． 1 2 式中， 为滤失速率 ，c m ／ s ； A为渗流面积 ，c m ； 为滤饼渗透率 ，g m ； AP为渗滤压力 1 0 ’ P a ； 为滤 液 黏度 0 ． 1 mP a S ； t 为 渗滤 时 间 ，S； C m 为钻井液中固相体积分数 ； 为滤饼中固相体积分 数 。可知 。 ／ C m 一 1 ～ 1 3 在这里，如果把钻井液的 视作常数 ，则 越大 ， 相应地就越大 ； C c 越小 ，表明滤饼 中含水 量越大， 则相应地就越小 。 颗粒结合水的能力强弱是影响滤饼渗透率 值 的重要因素之一 ，它取决于滤饼 中的电荷密度和亲 水基团的密度 。对于高密度水基钻井液 ，滤饼 中加 重剂的含量高 ，而加重剂的水化能力很差 ，如果没 有用处理剂来改善 ，滤饼 的 值会很 大，使滤饼 的渗透率变得较大，从而使 增大。由此说明，加 重剂的表面水化能力 ，也是影响高密度水基钻井液 静态滤失量的重要因素。 3 稳定超 高密度水基钻井液静态滤失 量 的技 术 思路 要减少加重剂沉降对静态滤失量的影响，就需 要减小颗粒的下沉速度，本质上是要提高加重剂的 沉降稳定性。由式 9 和 1 1 可知，提高静态滤失过 程中颗粒沉降稳定性的有效途径有 提高钻井液的 稠度 系数或动切力 ； 减小加重剂颗粒粒径 。此外 ， 根据胶体分散稳定理论DL V O理论 ，可以通过 增大加重剂颗粒表面的 Z e t a电位来提高加重剂的悬 浮稳定性。对于高密度钻井液，前面2 种方式会导 致钻井液的流变性变差 ，因此提高加重剂 的悬浮能 力 ，减小加重剂沉降对超高密度钻井液滤失造壁性 影响的可行方法 ，就是增大加重剂颗粒表 面的 Z e t a 电位。具体方法为 采用特殊处理剂吸附在加重剂 表面，利用分子链上的离子基 团增大加重剂的表面 Z e t a电位和润湿性能，提高加重剂的悬浮性能和表 面水化能力 ，减少滤饼中的同相含量 ，并且增大滤 饼中的含水量 ，从而减小加重剂对滤失量的影响。 4 润湿分散剂 G R 根据上述技 术思路 ，研 究 出一种 润湿分散剂 G R，该处理剂可通过化学 吸附和螯合作用在加重 剂表面形成牢固的吸附层 ，分子链上具有带电基团 和极性 基 团。 4 ． 1 GR 对加重剂表面Z e t a 电位的影响 将重晶石和铁矿粉分别配成质量浓度为 2 0 ％ 的 悬 浮液 ，在悬 浮液 中分别加入不同量 按照悬浮液 的体积百分比 的 GR对加重剂进行处理 ，用 Na O H 将 p H值 调 至 9 ． 0 ，用 Z e t a P r o b e电位 仪 测量 不 同 GR加量下重 晶石和铁矿粉的 Z e t a电位值 ，结果见 图 2 。由图 2可见 ，随着 GR加量 的增大 ，加重 剂 表面 Z e t a电位的绝对值显著增大 ，重晶石表面 Z e t a 电位最大值 比普通重 晶石粉提高 了 6 倍多 ，铁矿粉 Z e t a 负电位最大值比普通铁矿粉提高 了 3倍多。加 重剂表面 Z e t a电位的绝对值增大 ，表明加重剂的沉 降稳定性和水化能力增强。 乓 罟 G R I1 量／ ％ 图 2 GR对加重剂表面 Z e t a电位的影响 4 ． 2 GR 对超高密度钻井液性能的影响 在 l 配方 中分别加 入 2 ％、4 ％ 和 6 ％ 的润湿 分散剂 G R配制密度均为 2 ． 5 0 g ／ c m 的超高密度钻 井液 ，在 1 5 0。 C老化 1 6 h后测量其静置 1 2 h 前后 的密度差，结果见图 3 ，并测定其静止滤失量，结 果见图 4 。1 钻井液配方如下 。 1 2 ． 0 ％膨润 土 0 ． 0 5 ％XC 0 ． 3 ％Na OH 0 ． 3 ％ PAC LV4％ SM P一 2 5％ S PNH4 ％ TEX5 ％ Ca CO3 0 ． 3 ％Na ， S O 0 ． 3 ％S P 一 8 0 重晶石 铁矿粉 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 5期 匡韶华等超 高密度水基钻井液滤失造壁性控制原理 由冈 3可 以看 出，钻井液的密度差随润湿分散 剂 GR加量的增加而减小，体系的沉降稳定性变好 。 分析认 为，GR吸附到加重剂表面后 ，Z e t a电位增 大 ，使原来 聚集在一起的颗粒处于分散状态 ，颗粒 粒径变小 ，减少 了其 聚结沉降的机会 ，体系趋于稳 定 。另外 ，由于水溶性大分子 G R的作用 ，存加重 剂表面形成一定厚度 的水化膜 ，增 大了重晶石颗粒 的表观体积 ，也增大了其在水基钻井液 中的沉降阻 力，使加重剂在水基钻井液中的沉降稳定性好转。 3 5 3 O 2 5 2 0 1 5 1 O 5 O G R}J I] 量／ ％ 3 G R对钻井液沉降稳定性的影响 GR J H 量／ ％ 网 4 G R对 钻井液滤失量的影响 由图 4可见 ，加入润湿分散剂 G R后 ，钻井液 的滤失量迅速下降 ，说 明 GR具有 良好的降滤失能 力 。从 3 个 方面可 以解释 G R对滤失量的影 响 一 是 GR吸附到加重剂颗粒表面后 ，增大了颗粒的表 面斥力 ，使原来聚集在一起的加重剂颗粒处于分散 状态 ，平均粒径减小 ，形成的滤饼更加致密 ，二是 加重剂 的沉降稳定性变好 ，减小了加重剂对滤饼 的 影响 ； 三是颗粒表面的水化作用增强 ，起到 了改善 滤饼质量的作用。 5 结论 与建议 1 ． 根据理论分析认识到 ，加重剂的沉降以及其 表面水化能力是影 响超高密度水基钻井液滤失造壁 性的重要 因素。 2 ． 提 出了稳定超高密度水基钻井液静态滤失量 的技术方法 ，即采用特殊处理剂吸附在加重剂表面 ， 利用分子链上 的离子基团增大加重剂表面 Z e t a电位 的绝对值和润湿性 ，提高加重剂的沉降稳定和表面 水化能力 ，从而减小加重剂对滤失量的影响。室内 实验验证 了该技术方法 的可行性 。 3 ． 建议进一步研究超高密度水基钻井液在黏土 含量极少甚至为零 的情况下的滤失造壁机理 ，从而 指导超高密度钻井液性能调控。 参 考 文 献 [ 1 ] 曾义金，刘建立 ． 深井超深井钻井技术现状及发展趋势 【 J J ． 石油钻探技术 ，2 0 0 5 ，3 3 5 1 5 ． [ 2 ] 胡 德云 ． 超 高 密度 P ／3 ． 0 g ／ c m 钻井 液 的研究 与应 用 【 J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 1 ，1 8 1 6 - 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