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2 01 0年 第4 卷 第2 期 天 然 气 技 术 Na t u r a l Ga s Te c h n o l o g y Vo 1 ． 4． N o ． 2 Ap r ． 2 0 1 0 文章编号 1 6 7 3 9 0 3 5 2 0 1 0 0 2 0 0 4 3 0 4 环保型多羟基聚合物海水钻井液研制及应用 彭洪军 中国石化集团胜利石油管理局井下作业公司，山东东营2 5 7 0 7 7 摘要 以天 然海 水为分散 介质 ，以 多功能 多羟基 聚合 物为主剂 ，研 制 了一种新型的 多羟基聚合物 海水钻 井 液。实验结果证明，该钻井液具有优 良的防塌性、润滑性和滤失造壁性，能有效地抑制黏土水化膨胀与分散，起 到稳 定井壁 、保护 油气层及显 著降低摩 阻系数 的作用，具有很好 的推 广应用价值 。 关键词 多羟基聚合物海水钻井液井眼稳定润滑性油气层保护 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 0 引言 1 多羟基聚合物钻 井液配方优选 大量 的生产实践证 明，普通水基钻井液在维持 井 眼稳 定 、润滑 和保护 油气 层等方 面存 在诸 多不 足 。油基钻井液具有 良好 的润滑性能 ，可以有效地 抑制泥页岩水化 ，有利 于维持井壁稳定和保护油气 层 ，但其成本较 高 ，并且会造成严 重的环境污染 。 因此 ，寻找一种能够替代油基钻井液的水基钻井液 具有十分重要的意义。 经过对井壁失稳机理及钻井液 防塌机理 的深入 研究 ，开发 了新型的多羟基聚合物防塌剂 ，多羟基 聚合物具有较高密度 的羟基 ，而且 羟基是三维 的和 多方 向的 ，这些特点加强 了多羟基 聚合物对页岩 的 抑制作用 ，在此基础上开发出综合性 能优异 的多羟 基聚合物钻井液 ，并进行了现场试验。 1 ． 1 多羟基聚合物性能及加量的确定 多羟基聚合物 S D 一 3 0 2 由环氧化合物和多羟基物 质共聚而成 ，为白色或淡黄色黏稠液体。由表 1 、表 2 可 以看 出，多羟基聚合物能大幅度提高岩屑的回收 率 ，有利于保持岩心的完整性 ，且与常用的无机盐 表 1 岩屑回收率试验表 试验液 回收率，％ 水 7 ％ KCl 3 ％硅酸钠 3 ％S D一 3 0 2 3 ％多元 醇 2 ％S D一 3 0 2 7 ％ KC 1 2 ％S D 一 3 0 2 3 ％酸钠 2 7． 5 7 5． 2 67．4 9 3． 5 8 0． 5 9 7 ． 6 95． 9 表 2 多羟基聚合物对钻 井液性能影响表 收稿 日期 2 0 l 0 0 3 0 5 作者简介 洪军 1 9 5 7 一 ， 级 『 佴 帅 ，从 气 苻 j 竹 I ． E ma i l c d x 7 0 c z s 天然气技术 ／ 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 卷 彭洪军 ，环保型多羟基聚合物海水钻井液研制及应用 第 2 期 防塌剂具有很好的协 同作用 ；聚合物井浆 中加人多 羟基 聚合物 后 ，黏度 与切力 变化 较小 ，滤失 量 降 低 ，体积无明显变化。以上实验结果说 明 ，多羟基 聚合物 S D 一 3 0 2 具有 良好的抑制防塌性能 ，与聚合物 钻井液及其他处理剂 配伍性好 ，不发泡 ，具有很好 的综合性能 。考虑到性能和材料成本两个 方面的因 素，确定多羟基聚合物 S D 一 3 0 2 最佳加量为 2 ％。 1 ． 2 聚合物包被剂优选 采用 页岩滚动 回收率实验 ，对 聚合物包被剂进 行 了评价 ，实验结果见表3 。 表 3 聚合物包被剂和防塌剂抑制泥页岩水化分散效果表 由表 3 可见 ，聚合物抑制泥 页岩分 散的作用 明 显 ，页岩 回收率均在 7 0 ％以上 ，但从抗盐及价格等 综合 因素 考虑 ，最 终确 定使 用 S D 一 7 0 1 ，其 加量 为 0． 2 ％ 。 1 ． 3 降滤失剂优选 为满足钻井过程 中井壁稳定 和保护油气层 的需 要 ，优选 的钻 井液应 具有 良好 的 降滤失作 用 。此 外 ，配制海水钻井液还要求降滤失剂具有 良好 的抗 海水污染 的能力。实验对 比了4 种降滤失剂在海水介 质情 况下 的性 能。实验用 配方 海水 十 6 ％膨润 土 0 ． 2 ％S D 一 2 I ％P A C 1 4 1 1 ． 5 ％降滤失剂 。实验 结果见 表 4 。 表 4 降滤失剂优选实验结果表 降滤失剂 表观 MP 黏 a 度 -s ／ 塑性 MP 黏 a 度 ． s ／ G1 P 0 a s／ G1 0 P m a i n ／ 滤失 m 量 L ／ 从表4可以看 出，实验的 4 种 降滤失剂均具有一 44 ／ Na t u r a l Ga s T e c h n o l o 定 的降滤失作用 ，加入后均能明显 降低钻井液 的滤 失量 ，相 比较 而言 ，L V C MC和 S J 一 1 降滤失性能较 好。几种 降滤失剂对钻井液流变性均具有一定 的影 响 ，加入后 导致 钻井液黏度 和切力不 同程 度上升 。 综合考虑几方面的因素 ，确定选用 S J 一 1 作为海水降 滤失剂 ，其加量为 1 ． 0 ％～1 ． 5 ％。 1 ． 4 多羟基聚合物海水钻井液配方及性能 在对处理剂进行性能筛选的基础上 ，利用正交 试验设计方法安排 了系列试验 ，得 出一套具有 良好 综合性能 的多羟基聚合物海水钻井液配方 天然海 水 6 ％膨 润土 0 ． 2 ％S D 一 2 1 ％P A C 1 4 1 2 ％S J 一 1 2 ％ S P N H 3 ％L Y F F 3 ％S D 一 3 0 2 [1 重 剂。该配方以增黏 剂 P A C 1 4 1 和 S D 一 2 为主控制钻井液黏度和切力 ，以 降滤失剂 S J 一 1 、S P NH和强力封堵剂 L Y F F 控制钻井 液滤失量 ，以多羟基聚合物 S D 一 3 0 2 提供强抑制性 ， 从表 5 可 以看出 ，该钻井液的A P I 滤失量低 于5 mL ， 滤饼薄 ，流变参数合 理 ，摩擦系数小 ，综合性能 良 好 。 表 5 不 同体 系抑 制效果对 比实验 ％ 注 聚 合 物钻 井 液 4 ％膨 润 土浆0 ．2 ％K P A M 0 ． 5 ％ NP AN2 ％P A一1 1 ％s J 一1 2 ％F T一1 。 1 多羟基聚合物海水钻井液防塌性能 分别测定 了胜利油 田沙河街组地层岩样和明化 镇组地层岩屑在清水 、聚合物钻井液和多羟基聚合 物海水钻井液 中的页岩回收率 ，目的在于 比较不同 钻 井液 体 系抑 制 泥页岩 分散 的能力 。实验 温度 为 1 2 0 ℃，在滚子加 热炉 中滚动 1 6 h ，按 “ 钻井液页岩 回收率实验程序”部颁标准分别测定岩样在钻井液 中的一次和二次回收率 ，实验结果见表 5 。从表5 可 以看 出，多羟基聚合物海水钻井液的一次 回收率和 二次 回收率均明显大于聚合物钻井液 ，说 明多羟基 聚合物海水钻井液抑制泥页岩水化分散 的能力明显 好于聚合物钻井液。 2 多羟基聚合物海水钻井液封堵性能 为了评价优选配方 的封堵 能力 ，特别是对高渗 透或微裂缝地层的封堵 能力 ，使用可观测 的透明封 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 2 0 期 天然气技术 钻井工程 2 0 1 0 焦 堵仪对优选配方对砂层 2 0 ～4 0目石英砂 的封堵性 能进行了评价 。封堵实验结果表 明 ，优选配方能完 全有效地 封堵砂层 ，3 0 mi n内钻 井液漏失 量为零 ， 钻井液侵入砂层深度也仅有 3 ． 6 c m，且侵入深度不 再随时间的增长而变化 ，说 明优选配方具有很好 的 封堵能力 ，具有无渗透钻井液的封堵特性 。 3 多羟基聚合物海水钻井液抗污染性能 海上钻井过程 中最可能碰到的污染物是海水及 钻屑 ，为 了考查这 些污染物对钻井 液性能 的影 响 ， 分别对优选配方进行了海水 和岩屑的污染 实验 ，实 验结果见图 1 至图4 。 ∞ 5 0 量4 0 3 0 2 0 巢1 0 0 0 3 6 海水或岩屑加量， ％ 图 1 海水和岩屑对钻 井液表观黏度 的影 响图 日 1 4 1 2 1 0 8 楚6 羹 2 0 0 3 6 9 海水或岩屑加 量， ％ 图2 海水和岩屑对钻井液动切力的影响图 ．． ● 一 海水 室温 1 2 0℃ ． 16 h ● 岩屑 室温 -4- - -岩屑 1 2 0 ℃， 1 6 h 海 水或岩 屑加量 ， ％ 图3 海水和岩屑对钻井液塑性黏度的影响图 从图 1 至图4 V j “ 以看 出，优选配方加入海水和岩 屑 ，将导致钻井液表观黏度 、塑性黏度 、滤失量和 动切力发生一定程度 的变化 ，但变化不 大 ，变化后 钻井液仍具有 良好 的综合性能 ，表明优选多羟基聚 图4海水和岩屑对钻井液滤失量的影响图 合物海水钻井液具有很强的抗海水和钻 屑污染 的能 力 ，可满足钻井工程需要。 4 环保性能 随着环境保护法规的 日益严格 ，钻井液的生物毒 性 日益受到重视。中国国家海洋局已将钻井液生物毒 性列为钻井液核准使用的必测指标 ，只有达标后才能 使用和排放。依据国家标准G B／ T 1 5 4 4 1 1 9 9 5“ 水质 急性毒性的测定” ，采用发光细菌法测试了多羟基聚合 物海水钻井液的生物毒 ，其 E C 5 0 大于1 0 5 g ／m L ，属 于无毒类 ，满足海洋环保要求 。 2 多羟基聚合物海水钻 井液防塌机理分析 多羟基 聚合物海水钻井液具有多元协同防塌作 用，其防塌机理主要体现在以下方面 [ ] - 6 1 。 1 多羟基 聚合物海水钻井液以天然海水 为分散 介质 。天然海水因含有大量的 N a 、c a 和 Mg 等阳 离子 ，因此能有效地抑制泥页岩膨胀与分散 。 2 多羟基聚合物具有 良好 的防塌作用。① 吸附 作用 。多羟基聚合 物具有很强的吸附性能 ，能够与 水分子争抢页岩 中黏土矿物上的吸附位置 ，并优先 吸附到黏土矿物表 面 ，阻止水分子进入黏土矿物的 晶层 中，降低 了黏土膨胀压。② 与海水 中无机 阳离 子 的协 同作用。 3 天然 沥青 改性 产 品 L Y F F具 有 多级粒 度分 布 ，在地层温度和一定压力下可 以软化变形 ，可有 效地封堵地层孔隙 、微裂缝和层理 ，提高对裂缝 的 联结力 ，在井壁处形成 良好 的内外滤饼 ，阻止水进 入地层 ，起到稳定井壁的作用 。 3 多羟基聚合物海水钻井液现场应用 多羟基 聚合物海水钻井液在胜利油 田多 口定 向 井上进行 了现场实验 ，较好地解决了钻井过程中的 井壁稳定 、摩阻控制、井眼净化和油层保护等技术 天然气技术 ／ 45 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 卷 彭洪军，环保型多羟基聚合物海水钻井液研制及应用 第2 期 难题 ，达到了较理想的施工效果。 1 防塌效果好 ，井壁 稳定 。在 整个使用 过程 中 ，多羟基聚合物钻井液有效地抑制了地层 中黏土 矿物对 钻井液 的污染及伊 ／蒙混层 的不 均匀膨胀 ， 保 障了钻井液性能及井壁 的稳定 ，全井返 出的岩屑 代表性强 ，无垮塌掉块现象 ，井壁稳定性好 ，井径 规则，平均井径扩大率小于 1 0 ％。 2 携岩洗井效果好。通过对钻井液流变参数的 合理调控 ，配合周密 的工程措施 ，保证 了良好 的洗 井 ，有效 地避 免 了岩 屑床 的形成 。全 井携 岩能 力 强 ，井眼清洁 ，无岩屑混杂及井 内沉砂现象 ，保证 了井 眼畅通。 3 性能稳定 ，易于维护。整个钻井过程 中钻井 液性能未出现较大幅度的波动 ，日常维护简便 ，可 操作性强 。 4 结 论 1 多羟基聚合物具有很强的抑制性与 良好的润 滑性 ，不发泡 ，易与其他处理剂配伍 ，对钻井 液流 变性和滤失性具有一定的改善作用。 2 多羟基聚合物钻井液将多羟基聚合物 、沥青 和 K 的防塌作用有机结合 ，具 有封堵能力强 、滤失 量低 、泥饼质量好 、抑制性好 、润滑性好 及抗 污染 能力 强的优点 ，具有很 强的抑制钻屑分散 、稳定井 壁和保护油气层的作用。 3 现场应用表明 ，多羟基聚合物钻井液具有 良 好 的综合性能 ，能有效 地抑制泥页岩 的水化膨胀 、 分散 ，防止地层的坍塌 ，摩阻系数小 ，钻速快 ，完 全满足复杂地质条件下钻井的需要。 参考文献 [ 1 ]H e l i o S a n t o s ． I n c r e a s i n g L e a k o f f P r e s s u r e Wi t h N e w C l a s s o f D ri l l i n g F l u i d[ R] ． S P E／I S R M 7 8 2 4 3 ，2 0 0 2 1 3 4 1 4 1 ． [ 2 ]R e i d P I ， B e r n a d e t t e D o l a n ． Me c h a n i s m of s h a l e i n h i b i t i o n b y p o l y o l s i n w a t e r b a s e d d ri l l i n g fl u i d [ R] ． S P E 2 8 9 6 0 ，1 9 9 5 1 5 5-1 67． 【 3 J D o w n s J D ，V a n O o r t E r i c ，R e d ma n D I ． T AME A n e w c o n c e p t i n w a t e r b a s e d d ri 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， 1 9 9 4 2 3 9 2 5 0 ． [ 4 J B l a n d R G ， S m i t h G L ． L o w s a l i n i t y p o l y g l y e o l w a t e r - b a s e d d ri l l i n g f l u i d s a s a l t e rna t i v e s t o o i l b ase d m u d s 【 RJ ． S P E／ I ADC 2 93 78． 1 9 95 4 05 41 8 ． 【 5 j E n r i g h t D P ， D y e W M ， S m i t h F M． A n e w e n v i r o n m e n t a l l y s a f e w a t e r b a s e d a l t e r n a t i v e t o o i l m u d s [ J ] ． S P E D ri l l i n g E n g i n e e ri n g ，1 9 9 2 ，2 5 3 1 5 1 9 ． [ 6 ]B l a n d R G ． Q u ali c r i t e ri a i n s e l e c t i n g a s a l t e rna t i v e s t o o i l - B a s e d d ri l l i n g fl u i d s y s t e m [ R] ．S P E 2 7 1 4 1 ， 1 9 9 4 3 99 -41 1 ． 编 辑 周娟 鸣谢 中国石油天然气与管道公 司 中国石油化工股份有限公 司天然气分公司 中国石油集 团工程设计公 司青海分公 司 大庆油田有 限责任公 司勘探 开发研究院 贵州赤天化股份有限公 司 海南中油深南石油技术开发公 司 中国石油管道建设项 目经理部 云南云天化股份有限公司 中国石化集 团石油工程 西南有限公 司四川钻井分公 司 陕西省天然气股份有限公 司 中国石油北京天然气管道有限公 司 建滔天然气化工 重庆 有限公 司 中国石油川庆钻探公司长庆钻井总公司 华油天然气股份有限公司 中国石油长庆 油田公司 中国石油勘探开发研究院廊坊分院 中国市政工程华北设计研究总院 中国石油塔里木油田公司 重庆建峰化工股份有限公司 中国石化西南油气田勘探开发研 究院 重庆 长寿 化工 园区管委会 46 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m