大港滨海区块磺酸盐共聚物高温海水基钻井液.pdf

第 2 7卷 第 6期 2 0 1 0年 1 1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D 、 ， 0 1 ． 2 7 NO ． 6 No ve ．20l 0 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 0 0 6 0 0 3 0 0 4 大港滨海区块磺酸盐共聚物高温海水基钻井液 刘晓栋， 徐鸿志， 王宇宾 中国石油集团工程技术研究院，天津 摘要大港滨海区块钻遇层系多，岩性复杂，深探井井底温度高达 1 8 0℃、易发生并漏、井壁失稳、卡钻等 复杂情况，高温钻井液维护困难。通过分析该 区块高温地层钻井液技术难点，合成出了抗2 0 0℃的磺酸盐共聚物 DS P ，并在室内优选出了抗 2 0 0℃的高温海水基钻井液。该抗高温钻井液在 2 0 0℃下的高温流变性好，不同密度 的该钻井液流变曲线均符合塑性流体宾汉模式，且性能可调、热稳定性好，具有较好的抑制性和润滑性能 ； 抗盐 达 8 ． 01 0 mg ／ L，抗钙达 5 ． 0 1 0 mg ／ L； 岩心渗透率恢复值高达 8 8 ． 1 7 ％，滤液对岩心的侵入深度小于 1 c m，满 足大港滨海区块深探井高温高效、提速钻 井的要求。 关键词 高温海水基 钻井液 ； 磺酸盐共聚物 ； 深 井钻井 ； 井壁失稳 ；大港滨海 区块 中图分类号 i T E 2 5 4 _ 3 文献标识码 A 2 0 0 8 ～2 0 0 9年，中国石油 海洋工程公 司在大 港滨海区块完成了滨海 2 4 、滨海 4 、滨海 5和滨海 8井深探 井的作业 ，完钻井深 为 4 3 0 0 5 5 0 0 m， 井底温度高达 1 8 0 o C 。在这些井的下部高温井段钻 进过程 中，因钻井液高温性能不稳定 ，东营组 、沙 河街组地层极易剥落掉块 ，造成起下钻阻卡严重 、 钻井液密度窗 口变窄，出现漏失 ，影响了完井周期。 其 中滨海 4井全井平均机械钻速为 5 ． 8 2 m／ h ，复杂 事故处理时间高达 1 1 ． 6 5 ％。针对以上问题 ，通过资 料调研和室内性能评价，并结合大港滨海区块钻遇 高温地层 的特征 ，选用 DS P磺 酸盐共聚物为主要 抗高温降滤失剂 ，并配合使用其它抗高温聚合物降 滤失剂 、抑制封堵剂和成膜润滑剂 ，研制 出一套高 效 、提速 、抗 2 0 0℃以上高温的海水基钻井液 [ 1 - 2 1 。 1 钻井液技 术难 点 目前 ，渤海海域大港滨海 区块 的井层系多、岩 性复杂 ，给钻探带来较大的技术难题 ，主要有 ① 钻遇的层段多，地层特性变化大，既有易漏的砂岩 、 砾岩，又有大段的易塌泥岩、火成岩等，井壁稳定 性差 ，易发生坍塌掉块 、卡钻等井下复杂事故 ； ② 地层压力系数变化范围为 1 ．0 5 ～1 ． 5 0 ，要求钻井液 具有较高的密度可调性，流变参数易调节 ； ③深探 井井底温度高达 1 8 0 o C，要求钻井液具有较好的抗 高温稳定性 ； ④钻遇岩性多变 、 井斜大 、 水平位移长 ， 要求钻井液具有较好的抗污染性和润滑性。 2 磺酸盐共聚物的合成及其抗温性 2 ． 1 磺酸盐共聚物D S P 的合成 。 将 丙 烯 酰胺 A M 、2 一 丙烯 酰 氧 丁 基 磺 酸 AO B S 、丙烯酸 AA 、环氧氯丙烷和二 甲基二烯 丙基氯化铵 DA DMAC 按 一定 配 比溶于水 ，用适 当浓度的氢氧化钠溶液将上述单体混合液 中和至所 需的 p H值 ，在搅拌 条件下加入一定量的引发剂水 溶液，在指定温度下反应 5 ～1 0 mi n ，得到凝胶状 产物。将 产物剪切成颗粒状 ，于 1 0 0 ～ 1 2 0 o C 下烘 干粉碎 ，即得抗盐抗高温聚合物降滤失剂 DS P 。 2 ． 2 DS P的抗温性 1 热 重分 析 采 用 T GA S 一 1 0 0 0 ／ 1 5 0 0热重 分 析仪分析 DS P的热分解失重性能 ，结果见图 1 。由 图 1 可知，当温度升至 2 2 0 o C时 ，DS P开始有热分 解现象。DS P的热分解过程共分 3 个 阶段 第 1 阶 第一作者简介 刘晓栋，工程师，1 9 8 0年生，现在从事钻井液与完井液、储层保护研究工作。地址 天津市塘沽区津 塘公路4 0号 ； 邮政编码 3 0 0 4 5 1；电话 0 2 2 6 6 3 1 0 5 8 6 ／ 1 5 1 2 2 3 2 0 4 7 8； E ma i l l x d 4 1 1 1 5 1 0 3 1 2 6 ． C O 1 T I 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 6期 刘晓栋等大港滨海区块磺酸盐共聚物 高温海水基钻井液 3 1 段的温度为 2 2 0 3 3 0℃，主要为 DS P的羧基和酰 胺基团热分解 ； 第 2阶段发 生在 3 3 0 4 0 0 ，主 要为磺酸基团的热分解 ； 第 3 阶段的温度在4 0 0。 【二 以上，此时共聚物主链开始分解断裂 。 1 O O 9 O 鞭 壬 K 5 O 4 O 3 O 2 0 图 1 磺酸盐共聚物 D S P的热失重曲线 2高温老化分析。在 6 ％膨润 土淡水基浆 中 加 入 0 ． 5 ％DS P，在不 同温度下 老化 1 6 h ，冷却后 测其常规性能 ，结果见表 l 。由表 l 可知 ，DS P钻 井液的高温高压滤失量随着老化温度的升高先降低 后升高，主要是由于在 1 5 0℃高温老化后，聚合物 结构没有被破坏，基浆黏度较高，不利于致密泥饼 的形成 ； 在 1 8 0。 【 高温老化后 ，聚合物高温降黏 ， 形成致密泥饼 ，高温高压滤失量降低至 1 5 mL； 在 2 2 0℃高温老化后 ，基浆动切力下降到 1 P a ，失去 悬浮性，胶体活性降低，高温高压滤失量增加，主 要是由于高聚物水化基团和吸附基团降解 。 表 1 磺酸盐共聚物 D S P高温 1 6 h的老化性能 注 凡 H T H P 在 1 5 0℃、3 ． 5 MP a 下测定 。 3 抗 高温海水 基钻井液的配方 室内在优选处理剂基础上，并对其进行了加量 优选和验证 ，确定出了磺酸盐共聚物高温海水基钻 井液 1 配方如下。 1 6 ％膨润土海水浆 0 ． 2 ％Na ， C O 0 ． 3 ％DS P 0 ． 1 5 ％Na O H 0 ． 5 ％ 天然高分子降滤失剂 WNP 一 1 3 ％ 羧 甲 基 磺 化 酚 醛 树 脂 s D． 1 0 l 2 ％抑 制 防塌 剂 H F T - 3 0 1 2 ％阳离子乳化沥青 F F ． 2 1 ％胺基聚醇 A P - 1 WNP 一 1 是利用植 物胶 、纤维 素等天然材料加 工 而成 ，具有 良好 的热稳 定性 、降滤失性 能、抗 盐 、抗钙能力 ， 在钻井液中不增黏 ， 抗温达 2 0 0 o C； S D 一 1 0 1 是在磺化酚醛树脂分子中增加了羧甲基和 磺酸基 团，能抗 1 5 ％Na C I 和 1 ％C a C 1 ， 的复合污染 ， 抗高温达 2 0 0℃ ； HF T - 3 0 1 是 由天然有机物与树脂 类接枝而得，并且钾离子含量高达 1 0 ％， 有抗高温、 降滤失作用 ，相对膨胀降低率大于 5 0 ％ ； F F 一 2是由 多种表面活性剂及阳离子页岩抑制剂和一定范围软 化点的沥青经特种工艺加工而成 ； 低渗透成膜润滑 剂选用AP ． 1 ， 其胺基聚醇分子链中引入了胺化合物 ， 依靠特殊结构牢牢吸附在黏土上 ， 减少黏土层间距 ， 并形成憎水润滑膜 ，阻止水进入地层 ，稳定井壁 ， 降低钻具扭矩。 4 抗高温海水基钻井液的性能评价 4 ． 1 抗温性 能 1 以 1 配方为基础 ，讨论了 DS P加量对钻井 液性能的影响 ，结果见表 2 。从表 2可知 ，DS P可 以显著降低钻井液 的高温高压滤失 量 ，随着 DS P 加量的增加 ，钻井液的黏度 、切力逐渐上升 ，高温 高压滤失量降低 ，体系中 DS P的最佳加量为 0 - 3 ％。 表 2 DS P加量对老化后钻井液性能的影11 2 0 0℃、1 6 h 注 钻井液密度为 1 ．0 5 g ／ c m ； F L H T H P 在 1 8 0℃ 、 3 ． 5 MP a 下测定 。 2 不同密度的高温海水基钻井液在 2 0 0℃老化 1 6 h后 的性 能见表 3和图 2 。用 E P ． B型润滑仪和 NF ． 1型泥饼黏附系数仪测定不 同密度钻井液的润 滑系数和泥饼黏附系数 ； 用美 国 G r a c e公司 M7 5 0 0 型高温高压流变仪测不 同密度钻井液高温高压流变 曲线 ，分析其流变模式。从表 3可 以看 出，该钻井 液在不同密度下仍然具有良好的流变性和触变性， 在 1 8 0℃的滤失量为 1 5 m L左右，满足钻井液在高 温条件下密度可调节 、流变性参数可调节 ； 高密度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 01 0年l 1月 低润滑系数反 映出该钻井液具有 良好 的润滑性能 ， 能满足高密度大斜度钻井需求 ，减少起下钻摩阻 、 泥饼压差卡钻。 从图 2可知 ，不同密度的钻井液在 2 0 0℃高温 老化后的流变曲线符合塑性流体宾汉模式 ； 同剪切 速率下 ，剪切应力随钻井液密度的升高而上升 ，说 明黏度受 固相颗粒影响较大，同时这与高密度钻井 液高温老化增稠相一致 口 】 。 表 3 不 同密度钻井液在 2 0 0℃老化 1 6 h后的性能 p f Py l Y PI Ge l |F L J EP K g ／ c m mPa‘ S P a Pa ／ P a mL 1 5 0 1 8 0 c c2 0 0℃ 注 E P为极 压润 滑 系数 ，用 E P B型 润滑 仪测 定 ； 为泥饼黏附系数，用 N F ． 1 型泥饼黏附系数仪测定。 7 0 矗 6 O 5 O 4 。 0 -w “ 辐； 2 0 l 0 O 一 1 ． 0 5 g ， c 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 剪切速 率I s 图2 不同密度钻井液在 2 0 0 老化 1 6 h后的流变曲线 3 抗高温海水基钻井液的热稳定性能和沉降稳 定性能。高温海水基钻井液 1 ． 4 0 g ／ c m 在 2 0 0 下连续滚动 1 6 ～4 8 h后 ，测其 流变性能和沉降密 度差 ，结果见表 4 。 表 4 钻井液的高温热稳定 眭能 2 0 0℃ 注 凡 H T H 在 1 8 0℃ 、3 ． 5 MP a 下测定。 从表 4可知 ，密度为 1 ． 4 0 g ／ c m 的抗高温海水 基钻井液可连续热滚 3 2 h ，性能基本不发生变化 ， 上下密度差 小于 0 ． 0 3 g ／ c m ，但是长时间高温热滚 后 ，钻井液中一些处理剂高温降解失效 ，钻井液稠 化 、滤失量 上升 、p H值降低 ，开 老化罐 时，甚至 有刺激性发酵臭味产生。所以在钻高温深井时，一 定要减少钻井液在井下的静止时间 ，工程上尽量缩 短起下钻 、电测和复杂事故处理时间，加强钻井液 循环，提高钻井液的抗高温热稳定性 ，防止处理剂 高温降解失效 ，使钻井液性能恶化。 4 ． 2 抑制性能 称取 1 0 g 钙土， 在压力机上制得压片 ， 压力为4 - 2 MP a ，时间为 5 mi n 。分别加入清水 、1 0 ％K C 1 水溶 液 、1 5 mL测钻井液 2 0 0 高温高压滤失量时的滤 液，用 H T P ． 2 A智能页岩膨胀仪测定在浸泡过程中 钙土的线性膨胀高度， 实验时间为 8 h ， 结果见图 3 。 由图 3可知 ，该钻井液滤液具有较强 的页岩抑制能 力 ，浸泡其 中的钙土线性膨胀高度降低了 5 0 ％，表 明该钻井液能防止井壁泥页岩坍塌 、水化缩径 、黏 土分散、钻井液亚微米颗粒增多、增稠。 g 坦 t ／ h 图 3 钙土膨胀高度与时问的关系 4 ． 3抗盐性能 在抗 高 温海 水 基钻 井 液 中加 入不 同浓 度 的 Na C1 、C a C 1 2 ，在 2 0 0℃热 滚 1 6 h ，冷 却 至室 温， 测其在 1 8 0℃的高温高压滤失量 ，结果见图 4 。 2 0 0 1 7 5 1 5 0 1 25 2 1 0 0 7 5 5 0 2 5 O 图 4 高温高压滤失量随盐 浓度 的变化 从 图 4可知，随着盐加量的增大 ，体系的滤失 量增加 ，这是 由于随着盐浓度的增加 ，黏土颗粒 由 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 6期 刘晓栋等大港滨海区块磺酸盐共聚物高温海水基钻井液 3 3 端． 面和端． 端连接转变为面一 面聚结 ，钻井液性能恶 化 ， 滤失量增加。综合看来 ， 该钻井液抗 Na C 1 为 8 ％ 8 ． 01 0 mg ／ L ，抗 C a C 1 ， 为 O ． 5 ％ 5 ． 0 X 1 0 mg ／ L 。 4 ． 4 油气层保护 效果 用动态岩心污染损害评价实验仪进行 了钻井液 对岩心的封堵实验和渗透率恢复值实验 ，结果见表 5 。由表 5可知，抗高温海水基钻井液对不同渗透 率岩心有着较高的封堵率 ，切去岩心封堵端后，岩 心渗透率恢复值高达 8 8 ． 1 7 ％，滤液对岩心的侵入深 度仅在 1 c m范围内，表明该体 系对岩心 的损害较 浅 ／ b于 1 c m 范同内 ，对储层的伤害程度小 ，满 足了油气层保护的要求 _4 】 。 表 5 抗高温海水基钻井液的渗透率损害值实验结果 岩 孔隙 。 ／ ／ ／ 封堵效渗透率恢 心 度／ ％ 1 0 。g m 。1 0 。帅 1 0 。I． t m 1 0 。g m 率 ／ ％ 复值 ／ ％ 注 为揭去泥饼后渗透率， 为切去 0 ． 5 c m后的渗 透率， 为切去 1 c m后的渗透率。 5 现 场应 用 滨海 8井是位于滨海 3号构造滨海 8 井断块 上 的一 口预探直井，完钻井深为 5 0 6 1 m，四开井段 为 西2 1 5 ． 9 mm井眼 4 l 1 2 ～5 0 6 1 m ，井底温度达 到 1 8 0 ～ 1 9 0℃，岩性主要为泥质砂岩。三开完钻 井浆为钾盐聚合物聚合醇钻井液 ，基本配方如下。 基 浆 7 ％KC l 0 ． 5 ％～0 ． 8 ％ 抗 高 温 降 滤 失 剂 l ％ 环 保 降 滤 失 剂 0 ． 5 ％P AC HV 0 ． 5 ％ 流 型 调 节 剂 2 ％ 抗 高 温 防塌 剂 1 ． 5 ％ 低 荧 光 防塌 剂 1 ． 0 ％S MP 一 2 1 ％ 聚合 醇 1 ％ 细 目碳 酸 钙 1 ％ 复 配暂堵剂 重晶石 经检测，该钻井液经 1 6 0 c IC、1 6 h高温老化后 ， 流变性能变差 ，主要是切力下降 、高温高压滤失量 增大，不能满足四开井段高温钻井的需要。三开完 钻井深为 4 1 1 2 m， 井温为 1 5 4 q C， 井浆性能见表 6 。 根据前期室 内研究结果 ，在 四开井段对钾盐聚 合物聚合醇钻井液进行了抗高温钻井液的转化，其 转化后配方如下。 井 浆 5 ． 0 ％KCI 0 ． 5 ％DS P 0 ． 3 ％WNP ． 1 3 ． 0 ％ S D． 1 01 2 ％ HFT- 3 01 1 ． 5％ S M P一 2 2％FF． 2 1 ％AP一 1 1 ％低荧光润滑剂 1 ％低渗透处理剂 L P F 重晶石 转化后钻井液性能稳定 ，具有 良好的流变性及 热稳定性 ，起下钻畅通 ，电测顺利 ，平均井径扩大 率为 6 ． 1 2 ％，四开井段钻井液性能见表 7 。 表 6 滨海 8井三开完钻 井浆的性能 注 凡 H T H 在 1 5 0 o C 下测定 。 表 7 滨海 8井四开 2 1 5 ． 9 mt n井眼抗高温钻井液的性能 井 深／ ．．．一 C s／ 含油 总固相 ／ MB T ／ m 凡 5 。 ／凡 1 8 ／泥饼／ ％ 量 ／ ％ ％ g ／ I J 注 钻井 液密度为 1 _3 5 ～ 1 ． 4 3 g ／ c m 。 磺酸盐共聚物高温海水基钻井液在滨海 8 井 的 现场应用 中具有 以下特征 ①高温流变性好 、钻井 液长时间井下静止性能稳定 ； ②显著减少扭矩和摩 阻 ，井径规则 ，起下钻畅通 ； ③满足海上环境保护 要求 ，达到渤海湾海洋钻井液排放标准 ； ④同等工 况条件下机械钻速比邻井提高 5 ％以上，钻井复杂 事故时效降低 l 0 ％以上 ； ⑤提高钻井综合效益，比 同区块类似井型钻井液成本降低 1 0 ％～1 5 ％。 下转第3 7 页 4 6 6 7 7 8 5 5 5 5 5 5 O；1 1 ， 1 1 O 0 0 0 0 O 2 O l l 2 3 0 0 O O 2 3 3 4 O O 2 O 5 3 5 O O l ％ 4 4 4 4 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 6期 刘兆利等无土相复合盐水钻井液的研 究与应用 3 7 一 一 ■譬 圈 _ 上接第3 3 页 6 结论 2 ．在长庆气 田水平井斜井 段的钻进施 工 中， 要密切监控井斜和方位的变化 ，掌握摩阻和扭矩变 化的规律 ，勤分析原 因，优化轨迹控制 ，避免出现 复杂的井眼轨迹后增加现场钻井液施工的难度。 3 ．固相控制是该钻井液的关键环节 ，振动筛 的使用率为 1 0 0 ％，筛布孔径小 于 0 ． 1 5 4 mm，推荐 使用孑 L 径为 0 ． 1 2 5 mm 的波浪式筛布。 参 考 文 献 武学芹，李公让，李斌 ，等 ． 胜利油田无固相抗高温钻 井液体系的研究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 5 ，2 2 5 4 1 4 3 ． 张冬玲，薛玉志，马云谦，等 ． 无固相抗高温钻井完井 液在渤深 6 块的应用 [ J 1 ． 钻井液与完井液， 2 0 0 8 ，2 5 1 1 2 1 4 ． 娄铁强 ，蒙友朋 ，周显东 ，等 ． 无同相 甲酸盐 钻井液在 三塘湖区块探井中的研究与应用 『 J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 8．2 5 6 8 3 8 4 ． 黄宏军，杨海军，蔺志鹏，等 ． 尤拉电 No ． 1 5井超高 密度聚磺复合盐水钻井液技术 [ J 1 ． 钻井液与完井液， 2 0 0 9．2 6 51 0 ． 1 3 ． 张丹阳，耿晓光，周大宇，等 ． 无固相钻井液的室内实 验研究 【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 3 3 8 4 0 ． 刘彦妹，左风江，高丽鹃，等 ． 聚合醇与有机盐的协同 效应 f J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 2 3 2 3 3 ． 收稿日期2 0 1 0 - 0 6 1 5 ；H G F 1 0 0 6 W7 ；编辑 汪桂娟 1 ． 热重分析和高温老化分析表明，磺酸盐共聚 物 DS P具有耐高温 的水化基 团和吸附基团，可 以 明显降低钻井液的高温高压滤失量 ， 抗温达 2 0 0℃。 2 ． 抗高温海水基钻井液在 2 0 0℃下 的高温流变 性好、 不同密度的钻井液均符合塑性流体宾汉模式 ， 且性能可调 、热稳定性好 ； 在 1 8 0 下 的滤失量不 大于 1 5 mL； 具有较好的润滑 眭和抑制性 ； 抗 N a C 1 为 8 ％，抗 C a C 1 ， 达 0 ． 5 ％ ； 岩心渗透率恢复值高达 8 8 ． 1 7 ％，滤液对岩心的侵入仅仅在 1 c m 范围内。 3 ． 抗 高温海水基钻井液应用于滨海 8井四开井 段 西2 1 5 ． 9 mm井 眼 4 1 1 2 ～5 0 6 1 m井 段 ，井底 温度达到 1 8 0 ～1 9 0℃。应用效果表 明 该钻井液 性能稳定 ，满足 了滨海 8井四开高温复杂地层 的钻 进 ，提高了钻井效益 。 参 考 文 献 [ 1 ] 马云谦 ，李公让，薛玉志．耐高温增黏型聚合物降滤失 剂 S L H一 1 的研究 [ J ] _ 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ， 2 6 5 4 - 6 ． [ 2 】 张宝 庆，武 玉 民，单光 云，等．耐高 温降滤 失剂 A MP S ／ A M／ I A共聚物 的合成及表 征 [ J 】 ．油 田化学， 2 0 0 1 ，1 8 2 1 0 5 ． 1 0 7 ． [ 3 ] 郭靖， 李天太，张喜凤，等 ． 温度和密度对高密度钻井液 流变性的影响 石油地质与工程， 2 0 0 8 ， 2 2 1 9 5 9 7 ． 【 4 ] 左凤江，贾东民，刘德庆，等．钻井液快速封堵油层 保护技术 f J ] ．钻井液与完井液，2 0 0 5 ，2 2 6 7 6 ． 7 8 ． 收稿 日期2 0 1 0 - 0 1 ． 0 9 ；HG F 1 0 0 5 N 2 ；编辑 王小娜 ⋯ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m