准噶尔南缘水基钻井液多元协同抑制机理.pdf

学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 5期 杨彦 东等准噶 尔南缘水基钻 井液多元协 同抑制机理 3 3 溶 液 中加入 4 ％ 钠膨润土 夏子街土 和岩屑粉末 ， 利用激光粒度分析仪在室温下测试膨润土和岩屑粉末 的粒度分布 。 4吸附量测定。采用可见分光光度计测定吸附 量 ，先测定有机抑制剂样品不同浓度下的溶液光密度 E，用线性 回归的方法得到浓度与光密度 E的线性方 程，绘制标准工作曲线，再测定吸附体系离心后上层 清液 的光密度 ，并在工作曲线上查出相应 的有机抑制 剂浓度 ，计算吸附量。 2 多元协 同抑制剂 配方 为明确不同类型抑制剂之间的协同配比 ，进一步 提升多元协 同抑制性能 ，实验评价 了几种常用抑制剂 单剂及其复配后对泥页岩水化分散、 膨胀的抑制能力 ， 最优加量条件下抑制剂单剂及多元复配作用下安集海 组泥岩岩样热滚回收率及线性膨胀率实验数据如表 l 所 示 。 表 1 最优加量 下几种常用抑制剂对 安集海组 泥岩 岩样 的抑制能力 由表 1 可知 ，单一抑制剂对岩样水化分散、膨胀 的抑制性均不强 ，多元协同抑制剂配方的抑制能力显 著增强 。单一抑 制剂 中，2 ％有 机抑制剂 J c B溶液 对应 的滚动回收率 明显高于无机抑制剂 KC 1 ，5 ％K c l 溶液对应 的泥页岩线性膨胀率最低 ，表明无机抑制剂 和有机抑制剂对泥页岩的水化分散和膨胀 的抑制作用 各有侧重 [7 -9 ] o为满足准噶尔盆地南缘地区钻井液对 泥页岩分散与膨胀应同时具有抑制能力的要求，采用 无机 一 有机 的多元组合抑制剂配方 。 表 1 所示 的多元 抑制剂组合 配方 中，二元抑制 剂配方对安集海泥岩水化分散 、膨胀 的抑制能力 已有 明显增强 ，而三元 抑制剂对应 滚动 回收率 8 1 ． 4 ％ 增加更加显著 ，且高于各单剂对应滚动 回收率之和 4 3 ．5 2 ％ ，线性膨胀率也降至 2 0 ％ 以下。由此可见 ， 多元抑制剂的抑制能力并非为各单剂抑制能力的简单 叠加 ，而是存 在 明显 的协 同增效作用 ，这 与无机盐 KC 1 、有机盐 YJ S 一 2及 改性 聚合醇 J C B复配形成 的 三元抑制剂同时具有晶格固定 、压缩双电层、活度调 节 、吸附包被及协同促进吸附作用的多元协同抑制机 理有关 [9 - 10 ]。 3 多元协 同抑制作 用机理 3 ． 1 品格固定作用 若抑制剂离子或分子进入黏土矿物 晶层间隙内， 由于静 电作用使层 问引力增加 ，则黏土矿物形成致密 构造 ，不会在水 中继续发生较强 的水化 [ 1” 。利用 x 射线衍射仪测试 了不 同抑制剂作用后的黏土矿物膨胀 后及烘干后 的晶面间距 ，结果见表 2 。 表 2 几种 常用抑制剂作 用下黏土矿物晶层 间距 晶层 间距 ／ n m 抑 制 剂 _ 石 由表 2可知 ，经过不同抑制剂作用后的层间距有 明显差异。测试用黏土矿物湿态 膨胀后 和干态 烘 干后 的晶层 间距 分别 为 1 ． 9 0 8 n n l 和 1 ．2 0 8 n l n 。抑 制剂单剂 中，K C 1 作用 后的湿态层间距降低 为 1 ．4 7 1 n l n ，干态层 间距略有增加 ，表明 KC I 具有较强 的抑 制黏土矿物水化膨胀 的作用 ，这是 由于 KC 1 电离 出 的 可进入晶层 间，具有较强的晶格 固定作用 【1 ； 复合有机盐 Y J S 一 2对应 的湿态与干态黏土矿物层 间距 较大且相近 ，表明其可抑制层间距增加 ，有一定的固 定作用但不强 ； 有机聚合物抑制剂 J c B不具有晶格 固定作用，这与分子体积大、不能进入晶层间有关。 多元抑制剂配方也表现出明显 的晶格固定作用 ，且与 KC 1 、Y J S 一 2单剂的晶格固定作用相似 ，表 明多元抑 制剂的晶格固定作用主要依赖于盐类抑制剂。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 钻井 液与 完井 液 2 0 1 5年 9月 3 ． 2 压 缩双 电层作 用 黏土的水化分散程度 和悬 浮稳定 性与黏土胶体 颗粒所带 负电荷 密度 可用 Z e t a电位表征 的高低 有密切关系。如果抑制剂的加入使吸附层滑动面上的 净 电荷数减少 ，层问的双电层斥力会减小 ，黏土颗粒 表面的扩散双电层厚度会被压缩 ，抑制黏土矿物的进 一 步水化 [1 3 1 利用胶体 电位粒度仪实验 方法 ，测定 了膨润土岩样在蒸馏水 、抑制剂单剂及复配溶液 中的 Z e t a电位 ，结果 见表 3 。由表 3可见 ，抑制剂对黏土 颗粒表 面 Z e t a电位 的影响与抑制剂类 型有关 。盐类 抑制剂 K C 1 、 Y J S 一 2 及其复配的多元抑制剂配方对应 的黏土颗粒表面 Z e t a电位绝对值 明显降低 ，表 明盐 类抑制剂仅需较低加量就具有明显的压缩双电层的作 用 ； 聚合物类抑制剂 J C ． B能使 Z e t a电位稍有降低且 变化不大 ，表明 J c B压缩双 电层的作用不强。分析 Z e t a电位变化量还发现 ，多元抑制剂配方对应 的 Z e t a 电位变化量 ，大致为各单一抑制剂引起 Z e t a电位变 化量的代数叠加 ，表明各抑制剂之间未见 明显的相互 协同促进压缩双电层的作用 。 表 3 几种常用抑制剂作用下黏土颗粒的 Z e t a电位 注 膨润土加量为 4 ％。 3 ． 3吸附 包被抑制 作用 包被作用是指聚合物抑制剂有较强 的线型展开能 力和合适分子结构 ，可以吸附于单一黏土颗粒上 ，且 将多个相邻黏土颗粒桥连在一起 ，从而抑制泥页岩的 水化分散 [1 4 1 包被作用越强 ，黏土颗粒粒度越大 ，可 用抑制剂作用下的黏土颗粒粒度分布表征包被作用。 利用激光粒度分析仪实验方法 ，测定了不同抑制 剂作用下的安集海组岩样颗粒 的粒度分布 ，以特征粒 度值 J[ D∞及 D。 。 表示 ，如表 4所示 。由表 4可 以 看 出，加人不同抑制剂后岩样的粒度分布会发生不 同 程度的改变。单一抑制剂中，盐类抑制剂对岩样粒度 的改变不大 ，聚合物类抑制剂对粒度分布的改变最为 明显 ，表 明聚合物类抑制剂对泥页岩岩样的吸附 一 包 被作用最强。多元抑制剂与有机抑制剂单剂作用下 的 安集海组地层岩样粒度分布相近 ，表明包被作用主要 依赖于聚合物抑制剂。 表 4 几种常用抑制剂作用下的岩样特征粒度值 抑制 剂 特征粒 度值 ／ g m D 1 0 D5 0 D9 0 3 ． 4 协同促进吸附作用 聚合物抑制 剂是通过其 分子在泥页岩表 面的吸 附和包被作用来实现抑制作用的。已有研究表明，无 机盐的加入可使聚合物在泥页岩颗粒表面的吸附量增 加 ，实现无机与有机抑制剂之间的协同增效作用 。 利用 紫外分光光度计分别测定 了 2 ％ 的 J C B在黏土 颗粒上 的吸附量及 KC 1 、YJ S 一 2加 量对 J C ． B吸附量 的影响规律 ，实验结果如图 1 、图 2所示。 星 皿 莲 KC I J J FI 量／ ％ 图 1 KC 1 加量 对 J C B吸附量的影响规律 实验结果表 明，室温条件下 J c ． B溶液在黏土上 的吸附量为 4 0 mg ／ g ，分别加入 K CI 、Y J S ． 2后 可使 J C ． B在黏土上的吸附量明显增加 ，当 KC 1 、YJ S 一 2加 量分别达 到某一临界值 本例为 3 ％K C1 和 1 5 ％YJ S 一 2 左右 后 ，J C ． B的吸附量趋于稳定 ，表明为了充分促 进 J C B的吸附 ，KC 1 、Y J S 一 2对应 的最低加量分别应 为 3 ％和 l 5 ％。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 5期 杨彦东等 准噶 尔南缘水基钻井液 多元协同抑制机理 3 5 邑 皿 删 莲 YJ S ． 2 加量／ ％ 图 2 YJ S ． 2加量对 J C B吸附量的影响规律 3 ． 5 降 低表 面张 力作用 降低钻井液滤液界面张力 ，可以降低滤液与泥页 岩井壁表面 的亲和性 [ 1 ， ] 。用表面张力法测定 了有 机抑制剂 J C ． B的表面活性 ，结果如图 3所示。由图 3 可见， 在很低的加量时， 水溶液表面张力急剧降低 ， 加入 0 ． 5 ％ J C ． B可将表面张力降低到 3 0 m N ／ m，继续 增加其加量 ，表面张力下 降速率趋缓 。 妻 J C ． B加量／ ％ 图 3 J C ． B溶液表面 张力 曲线 3 ． 6活度调节作用 钻井液 中的水与地层孔隙水 的化学势差是钻井液 与井壁间水流动的驱动力之一 。降低钻井液水活度有 利于减少钻井液滤液 向井壁流动的驱动力 ，维持泥页 岩地层井壁稳定 。 。 利用水活度计测试了不 同抑制剂单剂及多元复配 溶液的水活度。结果表明，相同条件下，随着加量的 增加 ，无机盐类抑制剂 KC 1 可降低水活度但影 响程 度较弱 ， 有机盐类抑制剂 YJ S 一 2可显著降低水 的活度 ， 有机聚合物类抑制剂溶液的水活度基本不变。其中， 当有机盐类抑制剂 Y J S 一 2的加量 大于 3 0 ％ 后 ，水 活 度将明显下降 ，且多元抑制剂配方中 ，含有较大加量 有机盐 YJ S 一 2的配方 中水 的活度也明显较低 。 4 钻井液体 系性能 基于多元协 同抑制剂配方 ，构建形成多元协 同抑 制型水基钻井液配方如下 。 2 ％ 膨 润 土 浆 0 ．2 ％F A3 6 7 3 ％S MP 2 2 ％S P NH 0 ． 8 ％ 改性 降滤失剂 0 ． 1 ％K OH 0 ．5 ％C A O 2 ％改性 聚合醇 3 0 ％ 复合有机盐 5 ％KC 1 4 ％润滑防塌剂 加重剂 密度为 2 ． 2 3 g ／ c m 的该配方钻井液在热滚前塑性 粘度和动切力分别为 6 5 mP a S 和 1 0 ． 5 P a ，1 2 0℃热 滚 1 6 h后分别为 6 7 mP a S 和 1 1 ．0 P a ，热滚前后 的 AP I 滤失量为 1 ．6 mL和 1 ．8 mL，可见该配方具 有较 好 的流变性 、滤失造壁性及抗温性能。采用南缘地区 安集海组泥页岩岩心进行实验 ，测得该配方 的页岩滚 动 回收率及线性膨胀率分别为 9 3 ． 8 ％和 1 1 ．3 7 ％，表 明该多元协同抑制型钻井液的抑制性能极强。 5 结论 与认 识 1 ． 为满 足准噶尔盆地南缘地 区钻井液应 同时具 有抑制泥页岩分散与膨胀能力的要求 ，采用 “ 无机 有机”的多元组合抑制剂配方。 2 ． 基于多元协 同抑制剂配方 ，构建了多元协 同抑 制性高密度水基钻井液体系配方 ，该配方 同时对泥页 岩的水化分散与膨胀有强的抑制能力。 3 ． 不同的抑制剂对泥页岩水化 的抑制作用机理不 同，无机盐 KC 1 具有晶格固定作用 、压缩双电层作用 及促进聚合物 吸附的作用 ； 复合有机盐具有晶格 固定 、 压缩双 电层 、调节活度 的作用 ；改性 聚合醇具 有吸 附包被作用 ， 且可与 KC 1 、 Y J S 一 2问协 同增效吸附作用。 4 ． 多元抑制剂 同时具有 晶格固定 、压缩双 电层 、 活度调节 、吸附包被及协同促进吸附作用的协同作用 机理 参 考 文 献 [ 1 ] 梁大川，李健 ． 准噶尔盆地南缘地区防塌钻井液技术探 讨 [ J ] ． 石油钻探技术，1 9 9 7 ，2 5 3 2 4 2 6 ． Li a n g Da c h u a n，Li J i a n． Dr i l l i n g f l u i d t e c h n o l o g y f o r p r e v e n t i n g we l l b o r e c o l l a p s e i n t h e s o u t h e r n fri n g e a r e a o f J u n g g a r B a s i n [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ，1 9 9 7 ，2 5 3 2 4 ． 2 6 ． [ 2 ] 李健 ，罗平亚 ． 准噶尔盆地南缘地区稳定井壁的钻井液 技术 f J ] ． 天然气工业，1 9 9 6 ，1 6 1 3 9 ． 4 2 ． L i J i a n，L u o Pi n g y a ． Dril l i n g fl u i d t e c h n i q u e f o r s t a b i l i z i n g s i d e wa l l i n t h e s o u t h e r n fr i n g e a r e a o f Z h u n g e e r B a s i n[ J ] _ Na t u r a l Ga sI n d u s t r y，1 9 9 6 ， 1 61 3 9 4 2 ． [ 3 】 D o wn s J D， Va n O o r t E r i c ，R e d ma n D I ． A n e w c o n c e p t i n wa t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d s f o r s h a l e s [ R ] ． S P E 2 6 6 9 9 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 钻井 液与 完井 液 2 0 1 5年 9月 l 99 4． [ 4 ] 刘四海 ． 准噶尔盆地南缘山前构造复杂地层钻井液技术 [ J ] ． 石油钻探技术 ，2 0 0 3 ，3 1 4 3 3 3 4 ． L i u S i h a i ． Dr i l l i n g fl u i d t e c h n o l o g i e s f o r c o mp l e x f o r ma t i o n s o f n a n y u a n s h a n q i a n s t r u c t u r e i n Z h u n g e e r B a s i n[ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ，2 0 0 3，3 l 43 3 3 4 ． [ 5 ] 吕开河， 朱道志，徐先国，等．“ 多元协同”钻井液研究 及应用 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 1 2 ，2 9 2 1 - 4 ． L v Ka i ，Z h u Da o z hi ，Xu Xi a n g u o，e t a 1 ．Re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f s y n e r g i s t i c d r i l l i n g fl u i d s y s t e m[ J ] ． Dr i l l i n g Fl u i d＆ Co m pl e t i o nFl u i d，2 0 1 2，2 9 21 ． 4 ． [ 6 ] 邱春阳，王兴胜，刘学明，等 ． 柴 1 HF井钻井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 1 4 ，3 1 1 9 1 9 4 ． Qi u C h u n y a n g ，Wa n g Xi n g s h e n g ，L i u Xu e mi n g ，e t a 1 ． T e c h n o l o g y o f d r i l l i n g fl u i d o n we l l C h a i l H F [ J ] ． Dr i l l i n g Flu i d＆ Co m pl e t i o nFl u i d，2 0 1 4，3 119 1 ． 9 4 ． [ 7 ] An d e r s o n R L ， R a t c l i f f e I ，G r e e n w e l l H C． C l a y s w e l l i n g A c h a l l e n g e i n t h e o i l fi e l d[ J ] ． E a r t h S c i e n c e R e v i e w s ，2 0 1 0 ， 9 8 3 - 4 2 0 1 2 1 6 ． [ 8 ] 蒲晓林，岁兴树 ，李燕梅，等 ． 甲酸盐与无机盐抑制性 的比较评价 【 J ] ． 油 田化学 ，2 0 0 0 ，1 7 2 1 0 4 ． 1 0 6 ． P u Xi a o l i n，L u o Xi n g s h u， Li Ya n me i ， e t a l ， A c o mp a r a t i v e e v a l u a t i o n fo r i n h i b i t o r y p r o p e r t y o f f o r ma t i v e s a g a i n s t i n o r g a n i c s a l t s a s d r i l l i n g f l u i d a d d i t i v e [ J 】 ， Oi e l d Ch e mi s t r y，2 0 0 0， 1 7 21 0 4 - 1 0 6 ． 【 9 ] 刘彦妹，左凤江，高丽娟，等 ． 聚合醇与有机盐的协同 效应 [ J 】 ． 钻 井液与完井液 ，2 0 1 0 ，2 7 2 3 2 ． 3 3 ． L i u Ya n me i ，Z u o F e n g J i a n g ，Ga o L i j u a n，e t a 1 ． T h e s y n e r g y o f p o l y g l y c o l a n d o r g a n i c s a l t [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ Co mp l e t i o nFl u i d，2 01 0，2 7 2 3 2 3 3 ． [ 1 0 ]高永会，刘晓栋 ，谭文礼，等 ． 提高聚醚多元醇钻井’液陛 能 的添加剂研究 [ J ] ． 钻井 液与完井 液 ， 2 0 1 4 ， 3 1 6 5 - 8 ． Ga o Yo n g h u i ，Li u Xi a o d o ng，Ta n W e n l i ，e t a 1 ．S t u d y o n k e y a d d i t i v e s for i m p r o v i n g p e r f o r ma n c e o f p o l y e t h e r p o l y a l c o h o l d r i l l i n g f l u i d [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n “ ，2 0 1 4，31 6 5 - 8 ． [ 1 1 ]刘 向君 ，刘锟 ，苟绍华 ，等 ． 钠 蒙脱土晶层间距膨胀 影 响 因 素 研 究 【 J J ． 岩 土 工 程 学 报 ，2 0 1 3 ，3 5 1 2 2 3 4 2 2 3 4 5 ． L i u Xi a n g j u n ，L i u K u n ，G o u S h a o h u a ，e t a 1 ． I n fl u e n c i n g f a c t o r s for i n t e r l a y e r e x p a n s i o n o f Na mo n t mo r i l l o n i t e [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ，2 0 1 3 ，3 5 1 2 2 3 4 2 2 3 4 5 ． [ 1 2 ]徐同台，陈其正，范维庆 ，等 ． 钾离子稳定井壁机理的 研讨 [ J J ． 钻井液与完井液 ，1 9 9 8 ，1 5 3 1 - 8 ． Xu T o n g t a i ， C h e n Q i z h e n g ， F a n We i q i n g ，e t a 1 ． S t u d y o n h o l e s t a b i l i z a t i o n me c h a n i s m o f t h e f u n c t i o n o f p o t a s s i u m i o n s [ J ] ． Dr i l l i n gF l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ，1 9 9 8 ，1 5 3 1 8． [ 1 3 ]叶艳 ，安文华，尹达 ，等 ． 高密度 甲酸盐钻井液配方优 选 及其性能评价 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 1 3 7 3 9．4 3 ． Ye Ya n， An W e n h u a ，Yi n Da ，e t a 1 ． F o r m u l a t i o n o p t i mi z i n g a n d p e r f o rm a n c e e v a l u a t i o n o f h i g h d e n s i ty f o rm a t e 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＆C o m p l e t i o n F l u i d ， 2 0 1 4 ， 3 1 1 3 7 3 9． 4 3 ． [ 1 4 ]岳前声 ，肖稳发，向兴金，等 ． 聚合醇处理剂 J L X作用 机理研究 [ J 】 ． 油 田化学 ，2 0 0 0 ，1 7 1 1 4 1 6 ． Y u e Qi a n s h e n g ，Xi a o We n f a ，Xi a n g Xi n g j i n ，e t a 1 ． A me c h a ni s m i c s t u d y o f po l ya l c o h o l s J LX i n wa t e r ba s e d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． Oi e l d C h e mi s t r y，2 0 0 0 ，1 71 l 4． 1 6 ． 【 1 5 ]李方，蒲小林 ，罗兴树，等 ． 几种有机盐溶液活度及抑 制性实验研究 [ J ] ． 西南石油大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 9 ．3 1 3 1 3 4 1 3 7 ． Li F a n g，P u Xi a o l i n，L u o Xi n g s h u，e t a 1 ．E x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n t h e a c t i v i t y a n d i n h i b i t i o n o f s e v e r a l t y p e s o f o r g a n i c s a l t s o l u t i o n [ J ] ． J o u r n a l of S o u t h w e s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t yS c i e n c e＆ T e c h n o l o g y E d i t i o n ，2 0 0 9，3 13 l 3 4 1 3 7 ． 【 1 6 ]丁锐，李健鹰 ． 活度与半透膜对页岩水化的影响 [ J ] ． 钻井 液与完井液 ，1 9 9 4 ，1 1 3 2 3 2 8 ． Di n g Rui ，Li J i a n y i n g，T h e e f f e c t o f wa t e r a c t i v i t y a n d s e mi p e r me a b l e me mb r a n e o n s h a l e h y d r a t i o n [ J ] ． Dr i l l i n g Fl u i d＆ Co mp l e t i o nFl u i d， l 9 9 4，1 13 2 3 2 8 ． [ 1 7 ]宋碧涛，刘子龙，薛芸，等 ． 聚醚多元醇钻井液在苏北 盆地许 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 2 9 2 ． 9 4 ． S o n g Bi t a o，Li u Zi l o n g，Xi e Yu n，e t a 1 ．Ap p l i c a t i o n o f p ol y e t he r po l y o l d r i l l i n g flu i d i n b l o c k Xu 3 3 o f S u b e i b a s i n [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ， 2 0 1 4 ， 3 1 2 9 2 9 4． [ 1 8 ]肖稳发，向兴金，王昌军，等 ． J L X水基防塌润滑剂 的 吸附特性研究 [ J 】 ． 江汉石油学院学报，1 9 9 8 ，2 0 1 6 4 6 6 ． Xi a o We n f a ， Xi a n g Xi n g j i n ， Wa n g C h a n g j u n ， e t a 1 ． A s t u d y o f a d s o r p t i o n o f J LX wa t e r b a s e d a n t i -- s l o u g h i n g l u b r i c a n t o n t h e s u r f a c e o f c l a y g r a i n s [ J ] ． J o u r n a l o f J i a n g h a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e ． 1 9 9 8。2 0 1 6 4 6 6 ． 收稿 日期2 0 1 5 ． 6 1 4 ；HG F 1 5 0 5 F 4 ；编辑 付 明颖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m