反渗透型低自由水钻井液体系.pdf

第 3 2卷 第 1 期 2 0 1 5年1月 铝井液与 完井液 DRI LLI NG FLUI D CoM PLETI ON FLUI D V．o 1 ． 3 2 No． 1 J a n．2 O1 5 d o i 1 0 ． 3 6 9 6 0 ．i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 5 ．O 1 ．0 0 4 反渗透型低 自由水钻井液体系 陈金霞 ， 阚艳娜 ， 陈春来 ， 卢淑芹 ， 王荐 1 ． 冀东油田公司钻采工艺研究院，河北唐山 ； 2 ． 长江大学化工学院，湖北荆州 陈金霞等 ． 反渗透型低 自由水钻井液体系 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 5 ，3 2 1 1 4 ． 1 7 ． 摘要 为 了解决南堡油 田深层硬脆性泥 页岩 并壁 失稳问题 ，研 究 了反 渗透 型低 自由水钻井液体 系 该体 系针对泥 岩纳微米级孔喉引入纳微米封堵技术，在近井壁地带形成半渗透膜，配合键合水技术降低钻井液水活度，产生反向渗 透压差，平衡液柱压差和毛管力，提高体系的井壁稳定效果。纳微米封堵材料包括胶束剂 HS M 和固壁剂HGW，HS M 在水 中呈球状、层状、棒状，尺寸在1 ～1 0 0 r i m之间，其通过亲水基 团多点吸附缠绕在井壁上，其疏水基团裸露在外 相互黏结，在井壁上形成一层疏水膜 ； H GW 是憎水性的亚微米级乳液，其覆盖在井壁岩石表面，在压力作用下堆积 形成一层憎水膜，通过加入 3 ％HG w 2 ％H S M、再加入 2 0 ％键合剂，钻井液的膜效率可以从 0 ． 1 1 提高到 0 ． 3 0和 0 ． 5 0 ． 室内评价表 明，该体 系具有类似于油基钻井液的防塌抑制性、润滑性和储层保护性能。该体 系在南堡 2 3 5和南堡 4 6 5 井进行 了应用 。现场应用效果表 明，应用 井井壁稳定 、井径规则 ，与邻井相比 ，钻井液密度 由 1 ． 2 6降低 至 1 ． 2 0 g ／ c m ， 机械钻速提高 了4 9 ． 6 2 ％，实现 了深层泥 页岩 的井壁稳定 、油层保护与优快钻井的 多重 目的。 关键词 井壁稳定 ； 水基钻井液 ； 低 自由水 ； 反渗透 ； 膜效率 ； 纳米封堵剂 ； 键合剂 ； 硬脆性泥页岩 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 5 0 1 - 0 0 1 4 0 4 南堡深层东二至沙河街组地层发育大段硬脆性泥 页岩， 其层理、 微裂缝发育， 黏土矿物含量高， 主要以 伊蒙混层和伊利石为主 ； 孔喉尺寸以纳米 一 亚微米级 为主，自吸水现象严重，液相沿微裂缝侵入地层后，即 造成泥页岩结构强度降低、 产生水力尖劈作用， 最终导 致地层破碎 [ 1 ] 。实际钻进 过程 中遇阻卡、井壁坍塌掉 块事故频发，严重影响了钻井速度和井身质量。针对 泥页岩纳微米级孔喉特点，在低 自由水体系基础上 [ 2 - 3 ] 引入纳微米封堵技术，保证在 近井壁地带形成较理想 的半渗透膜，同时配合键合水技术产生反向渗透压差， 阻止钻井液中的水 向泥页岩地层迁移，最终形成了反 渗透型低 自由水体系。室内评价和现场应用表明，该体 系性能稳定，易于维护，解决了深层泥页岩井壁稳定问 题， 同时满足了深层储层保护要求。 1 反渗透技术作用机理 南堡深层泥页岩以纳米 ． 亚微米级孑 L 喉为主 ，常 规封堵材料大多属于微米级范畴 ，无法实现对深层泥 页岩的有效封堵 。室内优选 了纳微米级封堵材料胶束 剂 HS M 和固壁剂 HG W ，在近井壁地带形成较高膜 效率的半渗透膜，建立渗透屏障，阻止压力和水的传 递，为实现化学反渗透提供条件 [4 ； 键合剂在半透膜 作用下产生反向渗透压差 ，平衡液柱压差和毛管力 ， 阻止钻井液 中的水向泥页岩地层渗透和迁移 ，同时其 与纳微米封堵材料协同作用进一步提高膜效率，阻止 水向地层 的传递，达到稳定井壁与保护油层的 目的。 1 - 1 键合水活度控制技术作用机理 键合剂 HB A含有羧基 、羟基 、酰胺基等多种能 与水形成氢键的官能团，通过化学键合作用使水分子 内和水分子间形成 网络结构而成为键合水 f 5 】 。一方面 降低钻井液水活度 ，使其小于或等于地层泥页岩水活 度 ，在半透膜作用下钻井液与泥页岩井壁间产生反向 渗透压 ， 阻止钻井液 中的水向泥页岩地层渗透和迁移 ， 抑制泥页岩的水化膨胀。另一方面，由于键合剂含有 大量多羟基化合物 ，能够吸附在岩石微孔隙和黏土颗 粒表面，降低泥页岩渗透率，阻止水分子侵入，提高 基金项目 国家科技重大专项项 目“ 渤海湾盆地黄骅坳陷滩海开发技术示范工程” 2 0 1 1 Z X0 5 0 5 0 ， 冀东油田重大重点项 目“ 南 堡深层岩性油气藏钻井关键技术研究” 2 0 1 3 A0 1 ． 1 2 。 第一作者简介 陈金霞，工程师，1 9 8 3 年生，现在从事钻井液技术研究工作。地址 河北省唐山市路北区5 1 甲区冀东油 田钻采工艺研究院 ； 邮政编码 0 6 3 0 0 4； 电话 0 3 1 5 8 7 6 8 0 5 7 ／ 1 8 6 3 3 3 0 6 3 9 8； E ma i l z c y _c h e n j x p e t r o c h i n a ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2 卷 第 1 期 陈金霞等反渗透型低 自由水钻井液体系 1 5 钻井液膜效率。 室内选用泥页岩膜效率测定仪，在人工半透膜两 侧装入饱 和氯化钠溶液和模拟液 ，通过测定饱和氯化 钠溶液的电导率反映水的迁移状态 ， 实验结果见图 1 。 由图 1 可以看出，当模拟液为清水时，饱和氯化钠溶 液的电导率大幅度下降，说明水分子从清水中迁移到 氯化钠溶液 中 ；当模拟液为清水 HB A 5 5时 ，饱 和氯化钠溶液的电导率未变化，说明键合剂 H B A产 生了反向渗透压差，阻止了水的迁移。 清水 HB A 5 5清水 8 2 0 一 书 I-I B A 6 4 冒8 0 0 78 o 褥7 6 0 西7 40 铆7 2 0 7 oo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t ／ h 图 1 饱和氯化钠溶液的电导率变化情况 1 ． 2 纳微米封堵技术作用机理 胶束封堵剂 HS M 和固壁剂 HGW 属于纳微米级 封堵材料 ] ， 胶束剂 HS M 在水中呈球状 、 层状、 棒状 ， 尺寸在 1 ～1 0 0 n i p _ 之间 ； 固壁剂 HG W 是憎水性的亚 微米级乳液，尺寸在 1 0 0 1 0 0 0 B i n 之间。胶束剂含 有亲水和疏水基 团，亲水基团通过多点吸附缠绕在井 壁上 ，疏水基团裸露在外相互黏结 ，在井壁上形成一 层疏水膜 ； 固壁剂覆盖在井壁岩石表面，在压力作用 下堆积形成一层憎水膜。2 种处理剂配合使用，在近 井壁地带快速封堵泥岩纳微米孔喉，产生具有较高膜 效率的半渗透膜，阻止压力和水的传递，为实现化学 反渗透提供条件。 室 内通 过渗透压差测试法测 定 了半透膜 的膜效 率 】 ， 结果见表 1 。 表 1 半透膜的膜效率 模 撇莱 警 表 1 结果表明，基浆的膜效率仅为 0 ． 1 1 ，加入纳 微米封堵材料后 ，膜效率提高到 O ． 3 O ，配合键合水技 术进一步提高了膜效率，并产生了反向渗透压差，阻 止了水和压力的传递。 2 钻井液性能评价 反渗透型低 自由水钻井液是在低自由水配方基础 上 ，研究出的一种解决南堡深层硬胎 陛泥页岩井壁稳 定与油层保护难题的钻井液技术 [ 9 】 。该技术采用纳微 米级封堵材料对泥岩纳微米级孔喉进行封堵，建立渗 透屏障 ； 应用键合剂 H B A产生反向渗透压差，阻止 水向地层传递 ； 采用高效聚胺抑制剂配合 K C 1 抑制 黏土水化膨胀 ，采用减 阻剂配合润湿反转剂使岩石 、 金属 、黏土表面产生润湿反转 ，阻止滤液 的侵入 ，提 高钻速 ；同时引入 防水锁剂 ，减少低渗储层的水锁损 害，具体配方如下，其常规性能见表 2 。由表 2 可以 看出，该钻井液在常温及 1 8 0 o C 老化后具有 良好的流 变性和滤失性 、较低的活度以及 良好的高温稳定性 。 3 ％膨 润土 0 ． 3 ％L 1 P A C 3 ％H F L H 0 ． 5 ％HMP 3 ％亚微米固壁剂 H G W I ． 5 ％ 纳米胶束封堵剂 HS M 1 0 ％～2 0 ％ 键合剂 H B A 1 ％H P A 3 ％ K C I 1 ．5 ％润湿 反转剂 2 ％HAR - D 1 ％ 减阻剂 纯碱 烧碱 表 2 反渗透型低 自由水钻 井液体 系常规 性能 注 热滚条件为 1 8 0℃、1 6 h 。 2 ． 1 泥页岩压力传递实验 室内通过使用压力传感测试装置，监测下游端压 力变化情况 ，来评价体系的延缓压力传递性能 ，实验 结果见图 2 。 2 0 o 喜 o 耸 1 2 0 冀 8 0 ． 4 O 0 O 1 0 1 5 t ／ h 注 1 p s i 6 ． 8 9 5 k P a 。 图 2 钻井液在泥页岩中的延缓压力传递现象 由图 2 可见，反渗透型低 自由水钻井液与油基钻 井液具有相似的延缓压力传递功能，利用键合剂使钻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 6 钴井液与 完井液 2 0 1 5年 1月 井液中水的活度小于或等于地层泥页岩中水的活度， 钻井液与泥页岩井壁间产生反 向渗透压差 ，阻止钻井 液中的水向泥页岩地层渗透和迁移。 2 ． 2 防塌抑 制性 反渗透型低 自由水钻井液具有接近于油基钻井液 的抑制性 ，馆陶组泥岩岩屑在反渗透型低 自由水体系 中的 1 6 h 滚动回收率高达 9 3 ．3 ％，接近油基钻井液 9 9 ．2 7 ％ ； 膨润土压片在反渗透型低 自由水体系中 的2 4 h 线性膨胀率仅为 1 3 ．2 9 ％，而在清水中的2 4 h 线性膨胀率为 7 2 ． 2 3 ％。表明该体系具有 良好 的抑制 岩屑水化分散的能力和 良好的防膨性能 ，适合硬脆性 泥页岩地层钻井。 2 ． 3 润滑性 反渗透型低 自由水钻井液体系的极压润滑系数为 0 ．0 9 ，其润滑性接近于油基钻井液 O ．0 7 ，优于低自 由水钻井液 0 ． 1 1 。 3现 场 应 用效 果 目前 ，反渗透型低 自由水钻井液 已在南堡 2 3 5 和南堡 4 ． 6 5 井三开井段成功应用。应用效果表明， 该体系具有很好 的流变性 、 抑制性 、封堵性及油层保 护性能 ， 有效解决了深层泥页岩井壁稳定问题 ，提高 了机械钻速， 降低了钻井液密度， 更好地实现了油层 保护。 3 ． 1 井壁稳定，井径规则 南堡 2 ． 3 5 井与邻井 目的层段井径扩大率对 比结 果 见表 3 ，图 3为南堡 2 3 5井井径 曲线 。现场 应用 结果表明，该钻井液具有良好的井壁稳定能力，应用 井井径规则 ，平均井径扩大率为 8 ． 7 9 ％～1 1 ． 4 4 ％，与 邻井相比，井径扩大率降低了2 2 ．4 5 ％。 表 3 南堡 2 ． 3 5井与邻井 目的层段井径 扩大率对 比 划井号 m ／ m位髫 【 J 榜 型 灭 翠 ／u／0 邻井南堡 4 6 6 4 5 0 6 4 7 1 6 8 3 ． 8 1 氯化钾成膜 1 5 ． 3 6 图 3 南堡 2 3 5井井径曲线 3 ． 2 有效降低钻井液密度 反渗透型低 自由水钻井液依靠纳微米封堵技术 ， 有效封堵了近井壁泥页岩地层微缝隙， 建立渗透屏障， 降低了近井壁地层钻井液滤液侵入量， 及由其引起的 地层压力升高，从而降低了平衡地层所需的钻井液密 度 。南堡 2 3 5 井与邻井相 比， 完钻钻井液密度从 1 ． 2 6 降到了 1 ． 2 0 g ／ c m ，更好地实现了油层保护。 3 ． 3 保持较低的水活度 钻井液 中引入键合剂 HB A，确保钻井液具有较 低 的活度 。进入所钻地层前 ，逐渐提高 HB A 的加量 降低钻井液水活度 ，确保其低于相应地层泥岩活度 ， 使其水迁移驱动力为负值或接近零 见表 4 ，实现 滤液不侵入或减少侵入量 ， 确保井壁稳定和油层保护 。 表 4 N P 2 ． 3 5井钻井液活度和水迁移动力 井号层位 m 萎 3 ． 4 储层保护性能好 反渗透型低 自由水钻井液体系具有优 良的抑制 性 、封堵性 ，配合低活度特性 ，减少了储层的水敏和 水锁损害，更好地保护了储层，实验结果见表 5 。从表 5 可知， 该钻井液对 具有很好的油层保护效果，渗 透率恢复值高达 9 5 ％以上 ； 滤液侵入量低，体系具有 较好的失水造壁性，可阻止滤液和固相颗粒进入地层。 3 ． 5 提高机械钻速 反渗透型低 自由水钻井液依靠其纳微米封堵 、低 活度特性 ， 在现场应用中表现出了良好 的井壁稳定性 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2 卷 第 1 期 陈金霞等反渗透型低 自由水钻井液体系 1 7 起下钻效率得到改善，提高了机械钻速，缩短了钻井 周期。图 6 给出了应用井与同区块相似井身结构的邻 井机械钻速对比情况，反渗透型低A由水钻井液机械 钻速为 5 ．9 7 m／ h ，较邻井提高了 4 9 ．6 2 ％，提速效果 显著 ，保证 了优快钻进。 表 5 反渗透型低 自由水钻井液油层保护性能 井号井深 m 岩心号． 1 B m 1 g m 。 U U 压力 ／恢复 滤液体 MP a 值 积 ／ mL 表 6 应用 井与邻井机械 钻速对比情况 4 结论 1 ． 反渗透型低 自由水钻井液通过引入纳微米封堵 技术 ，封堵了泥页岩地层微缝隙，配合键合水技术， 产生反渗透压差 ，实现了水迁移平衡 ，进一步提高低 自由水体系的井壁稳定与储层保护效果。 2 ． 现场应用结果表明，反渗透型低自由水钻井液 在流变性 、抑制性 、封堵性 、润滑性 、携砂性等方面 表现良 好 ； 应用井段井壁稳定、井径规则，解决了井 壁失稳问题 ，同时提高了机械钻速 、 缩短了钻井周期 、 降低了钻井液密度 ，实现了井壁稳定与油层保护。 3 ． 反渗透型低 自由水钻井液的反渗透技术 ，为预 防深层泥页岩井壁失稳提供 了科学的调控手段 ，为南 堡油田深层优质、高效 、安全钻进提供了更加可靠 的 钻井液技术支持。 参 考 文 献 刘刚，徐同台，毛亚军，等 ． 延长气田强抑制强封堵胺 基钻井液技术 [ J ] _ 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 3 3 9 4 2 ． L i u Ga n g ， Xu T o n g t a i ， Ma o Ya j u n ，e t a 1 ． Ami n e b a s e d d r i l l i n g fl u i d h a v i n g h i g h i n h i b i t i v e a n d s e a l i n g c a p a c i t i e s u s e d i n Ya n c h a n g g a s fi e l d [ J ] ．Dr i l l i n g flu i d＆ c o m p l e t i o n flu i d ，2 0 1 4 ，3 1 3 3 9 - 4 2 ． 【 2 】 朱宽亮 ，卢淑芹，王荐 ，等．低 自由水钻井液体系的研 究 与应用 [ J ] ．钻采工艺 ， 2 0 1 0 ，3 2 1 3 4 3 9 ． Zh u Ku a n l i a n g，Lu S h u q i n，W a n g J i a n，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 l o w f r e e wa t e r d r i l l i n g fl u i d i n Na n p u Oi l F i e l d [ J ] ． O i l Dr i l l i n g＆ P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y． 2 0 1 0 ．3 2 1 3 4 3 9 ． [ 3 ] 张岩，向兴金，鄢捷年 ，等．低 自由水钻井液体系 [ J ] ． 石油勘探与开发，2 0 0 1 ，3 8 4 4 9 0 ． 4 9 4 ． Z h a n g Ya n， Xi a n g Xi n g j i n ， Ya n J i e n i a n ，e t a 1 ． A n o v e l d r i l l i n g fl u i d wi t h l e s s fl e e wa t e r [ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n An dD e v e l o p m e n t ， 2 0 0 1 ，3 8 4 4 9 0 4 9 4 ． [ 4 ] 王荐，向兴金，舒福 昌，等．一种具有化学反渗透功能 的钻井液．C N，1 0 3 3 5 1 8 5 4 A[ P ] ． 2 0 1 3 1 0 1 6 ． Wa n g J i a n，Xi a n g Xi n g J i n，S h u F u c h a n g ，e t a 1 ． A c h e mi c a l r e v e r s e o s mo s i s f u n c t i o n o f d r i l l i n g fl ui d ．C N ， 1 0 3 3 5 1 8 5 4 A[ P ] ． 2 0 1 3 1 0 1 6 ． [ 5 ] 张海山，罗勇，张荣．抗高温平衡水钻井液体系性能评 价 [ J ]J．化学与生物工程 ，2 0 1 3 ，3 0 1 0 6 4 6 7 ． Z h a n g Ha i s h a n， Lu o Yo n g ，Z h a n g Ro n g ． P e r f o r ma n c e s t u d y o n h i g h t e mp e r a t u r e r e s i s t a n t b a l a n c e wa t e r d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． C h e mi s t r y＆B i o e n g i n e e r i n g ， 2 0 1 3 ，3 0 1 0 6 4 - 6 7 ． [ 6 ]6 王维， 杨波， 李占伟 ， 等．抗高温聚束钻井液在南堡 3 ． 1 5 井的应用 [ J ] ．钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 4 1 5 ． 1 8 ． W a n g We i ，Ya n g Bo，Li Zh a n we i ，e t a 1 ． Ap p l i c a t i o n o f hi g h t e m p e r a t u r e pol yme r i c mi c el l e dr i l l i ng flui d i n wel l Na n p u 3 1 5 [ J ] ． D r 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 ， 2 0 1 4 ， 3 1 4 1 5 1 8 ． [ 7 】 李颖颖，蒋官澄，宣扬 ，等 ． 低孔低渗储层钻井液防水 锁剂的研制号性能评价 [ J ] _ 钻井液与完井液， 2 0 1 4 ， 3 1 2 9． 1 2． Li Yi ng y i n g， J i a ng Gu a n c he ng，Xua n Ya n g，e t a 1 ． De v e l o p m e n t a n d e v a l u a t i o n o f wa t e r b l o c k p r e v e n t i o n a g e n t f o r d r i l l i n g fl u i d u s e d l o w p o r o s i t y l o w p e r me a b i l i t y [ J ] ． Dr i l l i n g flu i d＆c o m p l e t i o n fl u i d ， 2 0 1 4 ，3 1 2 9 1 2 ． [ 8 ] 屈沅治，孙金声，苏义脑．新型纳米复合材料的膜效率 研究 [ J ] ．石油钻探技术 ，2 0 0 8 ，3 6 2 3 2 3 5 ． Qu Yu a n z h i ，S u n J i n s h e n g ，S u Y i n a o ． S tud y o n me mb r a n e e ffic i e n c y o f a n e w n a n o c o mp o s i t e [ 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 8 ，3 6 2 3 2 3 5 ． [ 9 ]9 赵亚宁，陈春来，秦博 ，等．改进型低 自由水钻井液在 NP 4 ． 5 5井的应用 [ J ] ．钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 5 3 0 ． 3 6 ． Z h a o Ya n i n g ， C h e n C h u n l a i ， Qi n B o ， e t a 1 ． A p p l i c a t i o n o n i n n o v a t i v e l o w f r e e - wa t e r d r i l l i n g fl u i d i n We l l NP 4 5 5 [ 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 2 ，2 9 5 3 0 3 6 ． 收稿 日期2 0 1 4 1 2 1 6 ；H GF 1 5 0 1 M1 0 ；编辑 马倩芸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m