杂多糖钻井液抗温抑制性能评价.pdf

天然气工业 2 0 1 0 年 1 月 杂多糖钻 井液抗温抑制性能评价 张 洁 郭 钢 西安石油大学 ． 张洁等． 杂多糖钻 井液抗温抑制性能评价． 天然气工业， 2 0 1 0 ， 3 0 1 8 0 8 2 ． 摘 要 为改善杂多糖钻井液抑制剂 一 S J钻井液 的抗 温性能 ， 通 过岩屑滚 动回收率实验 、 泥页岩线 性膨 胀率实 验 、 泥球浸泡实验以及流变性能参数和滤失量随 S J 钻 井液添加量变化关 系曲线， 评价 了 S J钻井液的抗温抑制性 能。结 果表 明 水基钻井液中 s J添加量为 1 ～6 时， S J 钻 井液具有合理 的泥 页岩 抑制性、 流变性和滤 失性， 抗温极 限为 1 4 0 ℃ ； S J钻井液的抑制作用机理包括“ 连续半透膜” 和“ 胶体软粒子填充 降滤 失” 以及“ 硅 锁封 固壳去水化” 等方面。该成果 为开发保护油气层 的水基钻 井液又找到一类新型的抑制剂。 关键词 深井 高温 杂多糖 水基钻 井液 抗温抑制性 能 储层保护 评价 D0I 1 0 ． 3 7 8 7 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 1 0 ． 0 1 ． 0 2 3 杂多糖 苷 S J 钻 井 液具 有 4种 结构 单 元 糖基 而使 其水基钻井液具有化学活度低、 页岩稳定能力强、 高温 稳定性较好 、 流变性 易 调整 、 抗 盐 污染 能力 强 、 毒 性低 且易于生物降解等集诸功能于一体的特点。经过近几 年在江苏 油 田的现场 应用 ， 建 立 了 S J钻井液组 配及其 相关现场应 用工艺 ， 取得 了 良好 的环 境效益 、 经济效益 和社会效 益D - 2 ] 。因 此 ， 评 价其 抗 温 、 抑 制性 能 对进 一 步改善杂 多糖钻井液 抗温性 能是必要 的 。 1实验 材料 及 仪器 1 ． 1 主 要材料 黏稠 液体 S J ， 江苏扬州 润达 油 田化学 剂 有 限公 司 生产 ； 膨 润土 ， 宁夏 中卫 天瑞 公 司生 产 三 级 ； 岩 屑采 自长庆油 田直罗组地 层 1 0 3 0目 。 1 ． 2实验主要仪器 Z NN D 6型六速旋转黏度计 ； GW3 0 0型高频高温 滚子加热 炉 ； Z NS型 泥浆 失 水 量 测 定 仪 ； NP 一 0 1型 常 温常压膨胀 量测定仪 。 ‘ 2 实验 内容 2 ． 1 确 定 s J的适宜 添加量范 围及抗温极 限温 度 2 ． 1 ． 1 确定 S J的适 宜添加 量 在含土 4 ％的预水 化膨 润土 基浆 中分 别 添加 不同 量的 S J 后， 测绘 S J 钻井液的流变性能参数和滤失量随 S J 添加量变化关系 曲线 ， 确定 S J 的适宜 添加量 范围。 2 ． 1 ． 2 确 定 S J 钻 井液的抗 温极 限温度 将按 2 ． 1 ． 1 所 确定 的 S J 适宜添 加量配 制 S J 钻 井 液 基浆 ， 在 室温 2 0 ～1 8 0℃ 范 围 内的不 同温 度下 加 热 滚 动 1 6 h后 ； 测绘 S J钻井 液 流 变性 能 参 数 和滤 失 量 随温度变化 的关 系曲线 ， 确 定其抗温 极 限温 度 。 2 ． 2抑 制性评价 2 ． 2 ． 1 S J水溶胶 液 的抑制性 参 照 S Y／ T 6 3 3 5 1 9 9 7钻井 液用 页岩 抑制 剂评 价 方 法 ， 测试 页岩在 S J 水 溶 胶液 中的线 性 膨胀 率 ， 并 与 油 气 田常用 的其他 几种抑 制剂相 比较 。 2 ． 2 ． 2 S J钻 井液的抑 制性 由同 2 ． 1 ． 2 老 化后 的钻井 液 过 4 O目湿 筛后 所 得 岩 屑一次 回收率 ， 考 察温度对 S J 钻井 液 中岩 屑 回收 率 的影响 ， 即考察温度 对 S J 钻 井液 的抑制性 的影响 。 2 ． 3泥球 实验 室温下 将钠膨 润 土与蒸 馏 水按 2 1混 拌均 匀并 成 团约 1 O g ／ 个 的小 泥球后 ， 分别放 入不 同浓 度 的等体 积 S J 水 溶胶液 或其他抑 制剂溶 液 中静 置浸泡 7 2 h ， 观 察泥球变化并定时计量泥球质量 ， 绘制泥球吸水率与 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 编号 5 0 8 7 4 0 9 2 。 ． 作者简介 张沽， 女 ， 1 9 6 3 年生 ， 教授 ， 博士； 1 9 8 5年毕业于原西南石油学院应用 化学 专业 ， 1 9 9 8年毕业于南京林业 大学林产化学 加工专业并获工学博士学位； 主要从事油气田化学领域的科研与教学工作。 地址 7 1 0 0 6 5 陕西省西安市F g _-路东段 1 8 号西安石 油大学化学化工学院。电话 1 3 9 9 1 1 2 3 0 6 8 ， 1 5 8 2 9 2 9 3 3 8 3 。E - ma i l z h a n g j i e x s y u ． e d u ． c n ； g u o g a n g _ l i u 1 6 3 ． c o m 第 3 O 卷第 1 期 钻 井工 程 S J 水溶胶液浓 度关 系曲线 ， 并 与油 气 田常用 抑制 剂进 行 比较 。 3 实验结果 3 ． 1 s J在钻 井液 中的 适宜添加量及 抗温性 3 ． 1 ． 1 S J的 适 宜 添加 量 由本文 2 ． 1 ． 1 所 得 S J 钻 井液 的流 变性 能参 数 和 滤失量随 S J 添加 量变化关 系曲线见 图 1 。随着 S J添 加量 的增加 ， 钻井液 表观 黏度 、 塑性黏 度 、 动 切力 均 逐 渐增大， 滤失量逐渐降低且均低于 1 O mL， 同时流性指 数维持 在 0 ． 4 ～0 ． 5 ， 这 说 明水 基钻 井液 中 S J 添 加 量 达到一定 时 ， 能 够有 效 地增 黏 降 滤失 ； S J添 加 量 小 于 1 9 ／ 5 时增 黏很 少 ， S J 添 加量 大 于 6 时 降滤 失很 少 ， 故 S J的适 宜添加量范 围为 1 ％ ～6 。 6 O 4O Ⅱ 车 2 O 0 0 1 ． O 3．3 6 ． 6 l 0 0 l 3．0 S J 添 加精／ ％ l 2 { 蕊-x ． 4 粪 O 图 1 钻井液流变滤失性能参数 随 s J添加量变化关系曲线图 注 AV为表观黏度； PV为塑性黏度 ； YP为动切力； 为流性指 数 F L为 7 ． 5 mi n滤 失量 3 ． 1 ． 2 S ．】 钻 井 液 的 抗 温 性 由本 文 2 ． 1 ． 2所 得 S J钻井 液 流变 性 能参 数 和滤 失量 随温度变 化 的关 系 曲线 见 图 2 。随 温度 上 升 ， S J钻井液 的黏度 呈 上下 振 荡 变化 趋 势 ； 经过 1 4 0℃ ， 老化 1 6 h后 ， S J钻 井 液 滤 失 量 急 剧 上 升 且 超 过 1 0 mL ， 这表 明 S J钻井 液 在保证 其 流 变性 和滤 失 性均 合 理 的前提下 ， 抗 温极 限温度 为 1 4 O℃ 。 2 O 1 0 至 1 O l 7 ． 5 90 l 0 0 I l 0 l 2 O l 3 0 l 40 l 5 0 l 8 0 温度／ ℃ 图 2 钻井液黏度和滤失量 随温度变化的关 系曲线图 注 AV为表观黏度 ； PV为塑性黏度 ； Y P 为动切力； F I ， 为 7 ． 5 mi n 滤失量 ； Y P／ PV为动塑 比 3 ． 2 抑制性 3 ． 2 ． 1 S J水溶胶液 的抑制性 由本文 2 ． 2 ． 1的测试 结 果所 得 表 1可见 与 油气 田常用抑制剂 相 比， S J水溶胶 液 中的 页岩膨 胀率 相对 较小 ， 表 明 S J 水 溶胶液有较 强的抑制 页岩水化膨 胀作 用 ， 其作 用机 理有 两 方 面 ① s J杂 多糖 分 子链 上 含有 较 多的邻位 羟基 ， 当水基 钻井液 中 s J 添加量达 到一定 时 ， 极性水化 的羟基 上带 正 电部 分能 够 吸附 在带 负 电 的泥页岩表 面并形成 一层 “ 连续 半透 膜” ， 阻 碍 了钻井 液 中的 自由水分子 到达 泥 页岩表 面 ， 有效 地抑 制 了在 泥页岩表 面 由表及里 地进行 的水 化反应 ； ②“ 胶体软粒 子填充 降 滤失 ” s J水溶 胶 液 中的胶 体 粒子 能够 充填 于滤饼和 泥页岩孔 隙或 裂缝 中， 使滤 饼 和泥 页 岩更 加 密实 ， 从 而有效降低 钻井液 的滤失量 ， 抑 制 了因滤失水 分子入侵 而导致 的泥页岩水化 分散[ 2 。 表 1 抑制剂水溶胶液中页岩线性膨 胀率表 3 ． 2 ． 2 S J钻 井 液 的 抑 制 性 由本 文 2 ． 2 ． 2的测试 结果 所 绘制 成 的 图 3可见 温度 为 8 0 ～ 1 0 0℃时 ， 随温度升高 ， 岩屑 回收率几 乎未 发生变 化 ； 温度 为 1 0 ～1 2 0℃ 时 ， 岩 屑 回收率 随 温度 升高而大幅度下降。此现象和图 2所示曲线的变化原 由一致 钻井液 的塑性 黏度 随温度 升 高呈 逐渐 增 大趋 势 同时表观黏度 呈上 下振 荡 变化 趋势 ， 表 明此 时 分子 之 间以及分子 与钻井液 中各种悬 浮粒子之 间形 成 的网 架结构 不稳定 ， 此 时 的 s J分子未降解 ， 分子链较 卷 曲， 分子 中环醇 羟基 上 的正 电部 分不 能充 分 裸露 出来 ， 吸 附在 带负 电的泥页岩表 面 ， 本文 3 ． 2 ． 1 所述 机理① 以 下 简称机理① 的作用减 弱 。因此 ， 建 议 现场 在 1 O 0 ～ 1 2 0℃ 井段 使用 S J时 ， 可 以采取 适 当补 充 S J的 办法 来保 证其抑 制性 稳定 。温度为 1 2 0 ～ 1 5 0℃时 ， 岩屑 回 收率 随温度 升高又显著 上升 ， 结合 图 3 所示 曲线可得 温 度为 1 2 0 ～1 3 0℃ 时 ， 钻井液 的塑性黏度 和表观黏度 均 随温度 升高而增 大且 两条 曲线 几 乎平 行 ， 表 明此 时 随温度升高 s J 分子逐渐伸展， 分子中环醇羟基上的正 电部分逐 渐裸露 出来吸 附在 带 负 电的 泥页 岩表 面 ， 机 理 ① 的作 用逐渐增 强 ； 温度 为 1 3 0 ～1 4 0℃ 时 ， 钻 井 液 天然气工业 2 0 1 0年 1 月 的塑性 黏度和表 观黏 度均 随温 度 升 高而 减小 ， 表 明此 时随温度升高 S J 分子逐渐降解 ， 分子的伸展程度逐渐 提高 ， 机 理① 的作 用逐渐增 强 ； 温度 为 1 4 0 ～1 5 0℃ 时 ， 钻井液 的塑性黏度 和表观 黏度均 随温度升 高而增大且 滤失量 突然急剧上 升 ， 表 明此 时随温 度升高 S J分子 之 间又相互 结合且分 子链增 长 ， 机理① 的作用增 强 ， 同时 S J大分 子对 钻 井液 中的黏 土粒 子 的吸 附桥 连作 用增 强致使黏土产生絮凝而导致滤失量突然急剧上升。综 上所述 ， 兼顾流变性 、 滤失性及抑制性合理的前提下 ， S J 钻井 液的抗温 极限温度 为 1 4 0 ℃ 。 - N． 斛 国 图 3 s J钻 井液 中岩 屑 回 收率 与 温 度 关 系 曲线 图 3 ． 3泥球在 S J 水溶胶 液 中的稳定性 2 ． 3泥球 实 验结 果 见表 2 、 图 4 、 5 。由表 2可见 随吸水时 间延 长 ， 各 种 抑 制 剂 的吸 水率 增 大 ， S J 水 溶 胶 液 中浸泡 后的泥球 吸水率 较 低且 外 观较 规 整 ， 如 图 5所示 。 由图 4可见 ， 泥球 吸水 率 随 S J 水 溶 胶液 浓度 增加 而增大 ， 当浓度 超过 3 ． 3 ％后 ， 吸水率 基本保 持不 表 2泥球 浸泡后的外观描述表 9 斛 * 7 图 4不同浓度 s J 水溶胶中浸泡 时间与泥球 吸水 率 关 系 曲线 图 图 5泥球在 s J水溶胶 中浸泡前后外观对 照图 变 。实验 中观察到 ， 泥球在 清水和不 同浓度 S J水溶 胶 液 中浸泡 7 2 h后 ， 泥 球形 状 发 生 了不 同 程度 的变化 清 水 中浸泡 后 的泥 球体 积 急剧 膨 胀且 出现 碎裂 现象 ， 已无法称重 ； S J水 溶 胶 液 中浸 泡 后 的泥 球 ， 表 面 光 滑 无 裂纹且体 积略有 收 缩 见 图 5 。可 见 ， S J水溶 胶 液 具 有半渗透 甚至无 渗透 作 用 ， 同 时具 有一 定 的去 水 化 作用。去水 化作用机理 S J杂多糖分子上 的环 醇羟 基 、 糖苷键 及少量羧 基 与泥 球 主要 组 成成 分 硅酸 盐 分 子 上 的 S i 原 子之 间 ， 通过 S i O S i 或 RO S i 键 连 接 形成 网状 结 构 ， 包 裹 着 泥 球 ， 在 泥 球 表 面 形 成 一 层 “ 硅 锁封 固壳” ， 阻止 水分子 进入泥球 ， 阻挡 泥球 中的黏 土 进一步水 化分散 ， 同时该 “ 硅 锁封 固壳 ” 还 具有 一 定 的夺 取泥球 内部水 分子 的能力 而 表现 出 一定 的 “ 硅 锁 封 固壳去水 化” 作用 。 4 结 论 1 S J 钻 井液 中适宜 添加量范 围为 1 ～ 6 ％ ， 合 理 的抗 温极 限为 1 4 0℃ 。 2 S J 钻 井 液 具 有 良好 的 抑制 泥 页 岩水 化 膨 胀 的 作用 ， 其作用 机理共 包括“ 连 续半透 膜” 和“ 胶 体软粒 子 填充 降滤失 ” 以及“ 硅 锁封 固壳去水 化” 三方 面 。 3 建议 现场在 1 O 0 ～1 2 0℃ 井 温段 使 用 S J时 ， 可 以采 取适 当补充 S J的办法来保 证其抑 制性稳定 。 参 考 文 献 [ 1 ]许春 田， 吴富生 ， 张 洁， 等． 新型环 保型杂 多糖 甙钻井 液在 江苏油 田的应用[ J ] ． 钻井液和完井液 ， 2 0 0 6 ， 2 3 1 1 9 2 3 ． [ 2 ]胡琦 ， 张洁 ， 高飞． 杂多糖苷水 基钻井液稳定性 研究E J ] ． 天 然气工业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 1 9 4 9 5 ． [ 3 ]冯文强 ， 张洁． P G树胶接枝 改性性能研究 [ J ] ． 石油钻采工 艺 ， 2 0 0 5 ， 2 7 4 2 8 3 2 ． [ 4 1赵福麟． 油 田化学 [ M] ． 东 营 石 油大学出版社 ， 1 9 9 9 ． 收稿 日期2 0 0 9 1 0 2 8编辑钟水清