冀东油田强抑制钻井液室内研究.pdf

天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 0 8年 3月出版 冀东油 田强抑制钻 井液 室 内研 究 王 荐 ， 舒福昌 吴彬 向兴金 湖北荆州汉科新技术研究所2 ． 长江大学石油工程学院 摘要根据冀东油田地层特点从保护环境保护储层出发 ， 研制了一套适合于冀东油 田的无粘土相双保强抑 制钻井液。该体系具有超强的抑制性 。 能对泥页岩产生最大的抑制作用。 抑制了岩屑分散和地层造浆； 具较强的润 滑和防泥包性能以及良好的储层保护效果， 并能够生物降解。通过大量的室内实验。 考察了体系中各处理剂对钻 井液性能的影响， 包括对其抗污染、 抗温性、 抑制性、 润滑性以及储层保护性能都进行了评价 。 表明该钻井液体系在 抑制性 、 润滑性以及储层保护性能方面与国外同类钻井液体系 M I 公司的 U L T R A D R I L钻井液基本相当。 能够满足 冀东油田钻井的需要。 关键词强抑制性能评价储层保护钻井液 冀东油田从 目前钻遇的地层来看 自上而下为 第四系平原组 Q 、 上第三系明化镇组 N m 、 馆陶 组 N g 、 下第三系东营组东一段 E d 、 东二段 E d 、 东三段 E d ， 和沙一段 E s 。其中明化镇 组、 馆陶组 。 以及高 尚堡和柳赞地区的东 营组 、 沙河 街组浅部。 由于伊 蒙无序 间层 井段长 、 蒙皂石含量 高 。 易发生水化膨胀、 缩径、 造浆问题 ， 造成钻井过程 中划眼、 拔活塞、 泥包钻头等井下复杂事故 。 钻井液 的粘切难以控制 。 定 向井段易发生压差卡钻。下部 的沙河街组地层， 特别是老爷庙、 北堡地区的东二、 东三段地层， 以伊蒙间层、 伊利石为主， 岩石层理微 裂缝发育， 易发生水化剥落掉块问题， 造成井径扩 大 。 为此我们开展了强抑制、 强包被的无粘土相保 护储层钻井液 的研究工作 ， 并 与国外 MI 公 司同类 型钻井液 U L T R A D R I L l 2 对比， 研制了一套适合于冀 东油田的无粘土相双保强抑制 U I D U lt r a in h ib it i v e d r i l l i n g fl u i d 钻井液。 1 新型双保 强抑 制 U I D钻 井液构建 特点 1 ． 1 强抑制性 该体系以聚胺 H P A作为主要的泥页岩抑制剂， 其作用机理为 介人并缩小粘土电极之间的距离， 阻 止水分子穿透， 抑制页岩膨胀 。通过与阳离子聚丙 烯酰胺包被剂 H P M配合使用， 能在页岩和钻屑表面 形成一层保护膜， 达到防缩径、 防坍塌和保持钻屑完 整 ， 避免钻屑粘糊振 动筛 和钻屑相互粘结 的效果。 体系中加人 K C L后 ， 通过嵌人式 的阳离子 钾离子 交换防止页岩膨胀 ， 达到强抑制 、 强包被的效果。 1 ． 2 无粘土相 ， 能避免亚微米级膨润土固相颗粒侵 入储 层 体系增粘提切采用生物聚合物 H V I S ， 而不用膨 润土 ， 避免膨润土固相颗粒对储层造成堵塞。H V I S 增粘剂能使钻井液体系具有优 良的流变性能， 其表 观粘度低、 动塑比高、 低剪切速率粘度高， 具有良好 的悬浮携砂能力 J 。 1 ． 3 较强的润滑和防泥包性能 U I D钻井液中加人了钻速增效剂 H L B ， 使套管、 钻具、 井眼、 钻屑表面形成吸附膜， 降低了摩阻系数， 改善了泥饼质量 ， 提高了钻速 ， 防止了钻头泥包 。 1 ． 4 优 良的储层保护性能 体系无土相避免了高分散的粘土颗粒对储层的 损害， 最大限度地降低了固相对储层的伤害。H V I S 增粘剂使体系具有高的低剪切速率粘度 L S R V ， 有效地阻止固、 液相侵人地层， 减小了井壁的冲蚀。 H P A聚胺抑制剂与 阳离子包被剂 H P M配合 K C L的 作者简介王荐 ， 1 9 8 o年出生， 2 0 0 2年 大学毕业 ， 长江大学石油工程学院 0 5届硕 士研 究 生； 现任 湖北荆 州汉科新技 术研 究所钻 井流体部 副经理， 主要从事钻井液方面的研究工作。地址 4 3 4 0 0 0 湖北省荆州市月堤路 3 9 号荆州汉科新技术研究所。电话 0 7 1 6 8 3 3 2 1 8 6 。E m a il w a n g i i a n h a n e, ． c o n K c n 44 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 1卷第 1 期 天 然 气 勘 探 与 开 发 协同作用使钻屑保持完 整， 抑制了地层粘 土水化分 散 ， 有效地保护了储层 。 1 ． 5 安全环 保 在处理剂的选择方面， 主要选用天然高分子改 性聚合物处理剂， 各处理剂生物毒性低 ， 采用发光细 菌法测定得 E C ∞ 值大于 3 0 0 0 0 p p m， 均能生物降解 ， 钻井液 E C ∞ 值为 5 0 0 0 0 p p m， 有利于保护环境。采用 双保型钻井液体系既能保护环境 ， 同时又能通过提 高钻井液滤液 的抑制性、 提高岩心渗透率恢 复值来 达到保护油气层的 目的 J 。该钻井 液 中各组分 皆 无荧光 ， 既可用于探井 ， 又可用于开发井。 2 U I D双保强抑制钻井液体系配方优 选 通过大量 的实验对 U I D强抑制 钻井液中增粘 剂、 包被剂、 降滤失剂等对体系性 能的影响进行了探 讨 ， 以确定各处理剂的加量。实验表明， 随着包被剂 HP M加量的增加 ， 体系粘度逐渐增加 ， 失水也减小 ， 包被剂 H P M加量为 0 ． 3 ％ 一 0 ． 6 ％时体系粘切较 为 合适 ； 体系随着降失水剂 H D F加量的增大 ， 失水逐 渐降低 ， 加量在 1 ． 5 ％时失水可控制在 5 m l 以下 ， 推 荐加量为 1 ． 5 ％ 一 2 ． O ％ ； 随着 H V I S加量 的增加 ， 体 系粘切也随着增加 ， 加量在 0 ． 2 ％ 一0 ． 4 ％ 时具有较 好的流变性 ， 通过调整其加量可提高钻井液在大斜 度井和水平井的携岩能力。 最终确定双保强抑制 U I D钻井 液体系 的基本 配方及性能如下 海水 淡水 0 ． 2 ％ N a O H0 ． 1 5 ％ N a 2 C O 3 2 ． O ％降失水剂 H D F 0 ． 3 ％ 一 0 ． 6 ％包被剂 H P M 0 ． 2 ％ 一0 ． 4 ％ 增粘剂 HV I S3 ． O ％抑制 剂 HP A 3 ％润滑剂 H L B7 ％K C L ， 用重晶石加重到 1 ． 2 5 g ／ c m 。实验结果见表 l 。 3 强抑制钻井液体 系的性能评价 3 ． 1 钻井液抗污染评价 在钻井过 程中， 钻井液不可避免地会溶人一些 无机盐、 劣质土等污染物 ， 引起钻井液的性能发生变 化， 如果变化较 大势必会影 响钻井的安 全。评价 内 容主要包括 抗无机盐污染 以及抗劣质土污染等 ， 抗 劣质土污染是 将冀东油 田钻屑烘 干后粉碎 ， 过 1 0 0 目 筛网， 然后添加到 U I D钻井液体系中， 在一定条 件下老化后考察前后性能变化情况 ， 来判断 U I D钻 井液体系的抗钻屑污染能力 ， 实验以此配方进行考 察 淡水 0 ． 2 ％N a O H 0 ． 1 5 ％N a 2 C O 3 2 ． O ％H D F O． 5％ HPM O ． 2％ HVI S 3 ． O％ HP A 3 ％ HLB 7 ％K C L ， 用重晶石加重 到 1 ． 2 5 g ／ c m 。具体评价实 验结果见表 2 。 从 以上实验数据 中可以看出， 钻井液体系被无 机盐和钻屑污染后表观粘度、 切力的变化不大， 滤失 量也变化很小。这表 明钻井液体系有很好的抗污染 能力。 3 ． 2 U I D钻井液体系抗温性能评价 通过测定 U I D钻井 液在不 同温 度热滚 后性 能 变化来考察其抗温能力， 老化时间为 l 6小时 ， 实验 结果见表 3 。 从 以上实验结果 中可 以看 出， U I D钻井液具有 表 1 U I D钻井液体系基本性能 注 热滚条件 1 0 0 C 1 6 h} { 1 r H P 条件 1 0 0 C 3 ． 5 M p a 表 2 体 系抗污染能力评价 注 热滚条件 1 0 0 C1 6 h 4 5 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 0 8年3月出版 表 3 U I D体系抗温性能 注 热滚条件 1 6 h 良好的抗温能力 ， 在 1 4 0 ℃ 以下 U I D体 系的各项性 能基本无变化 ， 能很好地满足冀东 油 田中深井钻井 的需要。 3 ． 3 U I D钻井液体系抑制性能评价 实验考察 了 U I D钻井液体系的抑制性能 ， 同时 与国外 同类钻 井液体系 U L T R A D R I L钻井 液对 比。 抑制性能评价采用岩屑热滚 回收率和页岩膨胀性 以 及激光粒度分析法实验评价。 U I 邱 A D R I L钻井液基本配方 J 6 ％ 一 7 ％ K 2 S O 4 3 ％ V ／ V U L T R A H I B泥 页岩稳定剂 5 ． 7 8 ． 6 k g ／m U L T R A C A P泥 页 岩包被剂 1 0一l 4 k g ／m 。 P A CL V 降滤失剂 2 ． 1 4 ． 3 k g ／m MC V I S增粘 剂 3％ V ／ V U L T R A F R E E防泥包润滑剂 重晶石 U I D钻井液基本配方 0 ． 2 ％N a O H0 ． 1 5 ％ N a 2 C O 3 6％ 一7％ K C L 3 ． 0 ％抑制剂 H P A 0 ． 3 ％ 一 0 ． 6 ％ 包被剂 H P M 1 ． 5 ％ 一2 ％ 降 失水 剂 H D F 0 ． 2 ％ 一 0 ． 4 ％ 增粘剂 H V I S 3 ％防泥包润滑剂 H L B重 晶石 岩屑回收率 实验岩屑采用冀东油田南堡钻屑， 室内评价结 果见表 4 。实验方法 取风干后的 6目 一l 0目钻屑， 称取 5 0 g 加人到 3 5 0 m l 泥浆中， 在 1 0 0 ℃下老化 1 6 h 后过 4 0目筛 ， 筛余在 l 0 5 ℃下烘干并称重 。计算热 滚后钻屑回收率。 从钻屑滚动回收率实验 中， 可 以看出 U I D体系 具有很好的抑制性 ， 能够较好 的抑制钻屑的水化分 散。 表4 U I D钻井液体系的岩屑回收率 体系 滚动回收率 ％ 老化条件 4 6 页岩膨胀性 称取 1 0 g冀东油 田钻屑粉 过 1 0 0目 在 1 0 5 C 下烘 2小时 ， 压制成 5 m m 岩心， 量取 U I D钻井液与 U L T R A D R I L钻井液滤液 5 0 m l ， 用非接触式高温高 压页岩膨胀仪测其 6小时的线性膨胀量， 结果见表 5。 表5 U I D钻开液体系的页岩膨胀性 钻井液类型 m m 度 h 胀 i m l J l J l J 从 以上实验结果 中可以看出， U I D钻井液滤液 对 页岩的膨胀率很小 ， 说 明 U I D钻井液体系能够很 好 的抑制地层以及钻屑 的水化膨胀 ， 有利于稳定井 壁和保护储层。 岩屑粒度分析法 将冀东油田钻屑研磨过 2 0 0目， 分别加人到清 水、 U I D钻井液 不加 重 、 U L T R A D R I L钻井液 不 加重 中在 1 0 0 ℃热滚 1 6 h 。用激光粒度仪测定钻屑 粉以及热滚后悬浮体中钻屑粉的粒径分布， 以考察 钻井液对钻屑的抑制性强弱。实验结果见表6 。 从表 6 数据可以看出， 钻屑在清水中热滚 1 6 h 后粒径明显 比 5 ％钻屑小 ， 说 明钻 屑颗粒在热滚后 水化分散而变细 。在 U L T R A D R I L钻井液 中， 粒径 有轻微变大， 说明 U L T R A D R I L对抑制钻屑的水化 分散有一定效果。而钻屑在 U I D钻井液中的粒 径 明显 比在清水和 U L T R A D R I L钻 井液 的粒径粗 ， 说 明 U I D具有 比 u I 肌 D R I L钻井液更强的抑制粘土 矿物水化分散的能力。 综上所述 ， U I D钻 井液体系岩屑滚动 回收率在 9 0 ％以上 ； 页岩膨胀率很小 ； 钻井液中钻屑粒径未发 生水化变细现象； 同时， 从抗劣质土污染数据也可以 看出体系中加人 2 0 ％过 1 0 0目冀东 油 田钻 屑后表 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1卷第 1 期 天 然 气 勘 探 与 开 发 表6 U I D钻开液体系钻屑的粒径分布 观粘度从 3 6 ． 5 m P a s 增加到 4 8 ． 5 mP a s ， 增加 幅 度较小 ， 由此说明 U I D钻井液具有很强 的抑制性 ， 能够抑制地层和钻屑水化分散和膨胀 ， 有效地保持 井壁稳定。 3 ． 4 U I D体系的润滑性能评价 室内对 U I D钻井液体系 的润滑性能进行评价 ， 润滑性能评价包括泥饼粘 附系数及 EP极压润滑 性能。实验结果如下 U I D钻井液 的泥饼粘滞系数 为 0 ． 0 8 7 5 ， E P极压值为 7～ 8 ； U L T R A D R I L钻井 液的泥饼粘滞系数为 0 ． 0 8 7 5 ， EP极压值为 8～ 9 。 从以上的实验结果 中可以看 出， 优选 的 U I D钻井液 体系具有 良好 的润滑性能。 3 ． 5 U I D钻井液体 系储层保护性能 室内对 U I D强抑制钻井液体 系 的储层保护 能 力进行了评价并与 U L T R A D R I L钻井液体系 比较， 评价程 序是 按 照 中 国石 油 天 然 气行 业 标 准 S Y ／ T 6 5 4 0 2 0 0 2 { 钻井液完井液损害油层室内评价方 法 执行的， 采用 J HD S高温高压静态失水仪模拟井 下条件对 U I D钻井液体系 的储层保 护效果进行评 价， 实验步骤如下 ①将岩心干燥 ， 抽空饱 和模 拟地层水 ， 老化 4 O 小时待用。 ②正向测定岩心的脱色中性煤油渗透率 l 0 。 ③在静态条件下 ， 钻井液反 向污染岩心 ， 模拟条 件 反 向 3 ． 5 MP a 、 8 0 o C、 1 2 0 mi n 、 环 压 4 ． 5 M P a～ 5 ． 0 MPa 。 8 o oc 下用煤油正向分别测定岩心的油相渗透 率 K ， 计算岩心渗透率恢复值 K ／ l 0 。 室内选择两块人造岩心和两块冀东油田天然岩 心 ， 对 U I D钻井液和 U L T R A D R I L钻井液体 系的储 层保护效果进行对 比评价。 U I D强抑制钻井液体系由于具有非常强的抑制 性， 能够有效的抑制地层粘土的水化分散。从岩心 的动态污染实验结果 中可 以看出， 4块岩心的渗透 率恢复值均达到 9 0 ％以上， 说明U I D强抑制钻井液 与 U L T R A D R I L钻井液都具有很好 的油气层保护效 果 ， 见表 7 。 表 7 U I D钻井液储层保护效果 注 3 O ’ 、 3 5 ’ 为四川天然露头岩心 ； 1 8 ’ 、 1 9 ’ 为冀东油 田 C 1 5 2 0天然岩心。 4 结论 1 U I D体系为双保 型强抑制性水基钻井液体 系， 可 以抑制冀东油 田泥页岩的水化膨胀 ， 提供 良好 的井壁稳定性 ， 能够包被钻屑 ， 有利于井眼清洁。而 且 该 体 系 处 理 剂 生 物 毒 性 低， E C 卯值 大 于 3 0 0 0 0 p p m， 均能生物降解。 2 U I D钻井液具有较强的抗温、 抗污染能力 以及优 良的润滑性 。 3 抗污染能力强， 滤失量低， 侵 油气屋 液相 。 4 U I D钻井液储层保护性能好， 岩心渗透率 恢复值在 9 0 ％以上 ， 对储层基本不构成伤害。 5 通过与国外 MI 公司 U L T R A D R I L钻井液对 比， 发现 U I D钻井液体 系在抑制性 、 润滑性 以及储 层保护性能方面与 国外 同类 钻井液基本相当， 能够 满足现场钻井的需要 。 参考文献 1 徐同台．油气 田地层特性与钻井液技术[ M] ．北京 石 油工业出版社 ， 1 9 9 8 ， 1 1 31 1 5 ． 2 孔庆明， 常锋 ， 孙成春 ， 等 ． U L T R A D R I L水基钻井液在张 海 5 0 2 F H井的应用[ J ] ． 钻井液完井液， 2 0 0 6 ， 2 3 6 7 1 7 6 ． 3 范山鹰． 无固相弱凝钻井液体系的室内评价[ J ] ． 江汉石 油学院院报． 2 0 0 4 ． 2 6 1 6 9 7 0 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