高性能强抑制钻井液室内试验研究.pdf

石油天然气学 报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 1 o 月 第 3 6 卷 第 i 0 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I O c t ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 1 0 高性能强抑制钻井液室内试验研究 牛晓 中石化西北油田分公司工程技术研究院， 新疆乌鲁木齐8 3 0 0 1 1 熊汉桥 油气藏地质及开 发工程国家重点实验室 西南 石油 大学 ，四 J I I 成 都 6 1 o 5 o o 何仲 ，潘 丽娟 中石化西北油田分公司 工程技术 研究院， 新疆乌鲁木齐8 3 0 0 1 1 [ 摘 要]针对西北油 田顺 9区块 ，研 究出匹配性能 良好、成本 低、钻进 效率高 、同时满足储 层保 护要求 的 钻井液 。研 究表 明，在 优选 出 良好 的强 抑制 剂、防塌 剂 的基础 上， 以磺 化处 理剂 、聚合 物 为主处 理 剂 ， 并加 入增黏剂 、无渗透处理剂 、润滑 剂等形 成一套高性 能强抑 制钻 井液体 系。该体 系具 有 良好 的抗 污 染 性能、强抑制性能、流变性能 、悬砂携岩 能力及储 层保 护效果 ，密度可调节 ，抗 温达到 1 5 0 ℃ 以上 ，成本 较低 ，维护方便 ，可 以满足钻井 需求 。 [ 关键词]水基钻井液 ；抑制 剂；匹配性能；室 内试验 [ 中图分类号]T E 2 5 4 [ 文献标志码]A [ 文章编 号] l O O O 一9 7 5 2 2 0 1 4 1 0 0 1 2 7 0 6 近年来鉴于油气开采的新需求 ，发展了一种类油基性能的高性能水基强抑制钻井液 ，这种钻井液具 有 良好 的抑 制性 能 ， 同时又低 于油 基钻 井液 的成本 。在 国外 ，利 用这 种 “ 多 功能 、强 抑制 、低 成本” 的 设计理念口 研究出了一种新 型的高性能水基钻井液体系 HP WB M，该体系很好地解决 了井壁周 围岩石 水化膨胀分散的问题 ，同时还提高 了一系列诸如提高钻速 、保 护油气层 、减少压力传递、减少钻头泥 包 、抑制天然气水合物形成的性能。在国内，研究人员在高性能水基钻井液的研制方面也取得了很大的 进展 ，研究出了一系列的高性能水基钻井液体系 2 ] 。例如 ，胡进军等I 3 的 P D F P L US聚胺聚合物钻井 液 ；孔庆明等_ 4 报道 UL TR ADR I L水基钻井液在张海 5 0 2 F H 井的应用 ；王荐等[ 5 ] 研制 了一套无黏土相 聚胺强抑制钻井液 ；屈沅治等 采用催化胺化法研制 出一种新型胺基抑制剂并形成钻井液体系。 笔 者 在借鉴 前 人研究 成 果 的基 础 上 ， 同时结 合 西北 油 田顺 9区块 的钻 井 特 点 ，研 究 出 匹配 性 能 良 好 、成本 低 、钻进 效率 高 、同 时满足 储层 保护 要求 的钻 井 液 。 1 钻井液处理剂优选 1 ． 1 强 抑 制剂筛 选 筛选了国内外数种强抑制剂进行评价 ，并分别进行 了滚动 回收率试验 、线性膨胀试验 、流变性能 最佳 加量 试 验 、岩 心浸 泡试 验 。从 表 1 评 价 结果 可知 ，KC 1 、C F Y一 0 1 、HP A等 具有 较 强 的防塌 性和 比较 好 的经 济性 。根 据 文 献 [ 7 ] ，将 KC 1 与 其 他 处 理 剂 复 配 使 用 ，效 果 上 比单 纯 使 用 某 一 种 处 理 剂 更好 。 1 ． 2防塌剂 筛选 鉴 于在 强抑制 剂 的筛选 试 验 中采 用 了胺 基类 抑制 剂 ，根据 聚合 醇 、聚醚 多元 醇 、聚合脂 、阳离 子沥 青 粉 、铝基 防塌 剂等 处理 剂之 间 的协 同作用 ，筛 选 出铝基 防塌剂 和胺 基抑 制 剂共 用 的效果 更好 。试 验 中 收 集 了多种 铝基 防塌 剂进 行分 析 见表 2 。 由表 2可以看出，通过滚动 回收率试验 、1 6 h线性膨胀试验 、流变性能 最佳加量试验 ，可知 D L P 一 1的性能均较好 。因此在该次试验中采用 DL P 一 1 作为体系的防塌剂 。 [ 收稿日期]2 0 1 3一l 1 0 9 ’ [ 作者简介]牛晓 1 9 7 7 一 ，女，2 0 0 0年大学毕业 ，高级工程师 ，现主要从事钻井液设计及相关研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油 天然 气工程 2 0 1 4 年 1 O月 表 l 强抑制剂筛选与评价 注 “ 一”表示没有数据 。下同。 表 2防 塌 剂 筛 选 与 评 价 注 处理剂 中 1 ％为质量分数 。 1 ． 3 其他 主 要处理 剂 筛选 1 增黏剂 评价黄原胶 X C、聚合氯化铝 P AC、羧甲基纤维素 C MC、聚丙烯 酰胺 P AM、羟乙基 纤维素 HE C、无机增黏剂 S WZ N、C NM 等处理剂抗温抗盐抗钙及表观黏度等性能 ，优选 出 P AC 一 【 V、 P AC HV 复配 作为 增黏 剂 。 2 降滤失剂 根据表 3中评价的多种处理剂试 验结果 ，优选出抗盐抗 钙高温 降滤失 剂作 为降滤 失剂 。 表 3降滤失剂筛选与评价 注 V A p l 为 AP 1 滤失量 ； Vh h p 为高温高压滤失量 3 无渗透 处理 剂 评 价 了 B S T 一 1 I 、OC I 一 B S T、DL 一 7 0 1 、QC X 一 2等 4种 处 理 剂 ，通 过 加入 前 后 失 水量测定 、泥饼承压试验 、流变性能试验等 ，筛选出 B S T一 Ⅱ作为无渗透处理剂 。 4 润滑 剂 评 价 了 D NP 、T RH一 2两种 处 理 剂 的润 滑 性 能 ，其 中 DNP润 滑 系 数 最 小 0 1 1 5 3 ， 选择 DNP作 为润滑 剂 。 5 加 重剂 评价 了保 护油 气层 的 B GH I、活 化重 晶石 、2种普 通重 晶石 粉等 4种加 重 剂 ，进行 密 度筛 选及 酸溶 率测 定 ，筛选 出 B GH 工作 为加 重剂 。 6 聚磺处理剂 聚磺处理剂能有效地降低钻井液高温高压失水 ，提高井壁 的稳定性 。在顺 9井 区 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 1 O期 牛晓 等 高性能强抑制钻井液室内试验研究 l 2 9 现 用水 基钻 井液 中 ，基本 上 采用 聚磺 钻井 液体 系 ，应用 效果 上加 入 三磺处 理剂 的钻 井液 要 明显 优于其 他 钻井液 。同时由于聚磺处理剂适用范围较广，使用效果 比较好，成本较低 ，抗污染性能力也 比较好 ，使 用剂量 比较大 ，能对体系性能起到较大的影响 。根据现场的实际应用情况 ，结合钻井液研制的要求 ，提 取现场钻井液的优点，在配方中加入经典的聚磺体系处理剂 ，提高钻井液的整体性能。 1 ． 4处理 剂配 伍性 评 价 考虑 到处 理剂 优选 ，如 强抑 制剂 、防塌剂 、增 黏剂 、润 滑剂 、加 重剂 、聚磺处 理 剂优选 试 验均 为单 剂试验，不能全面考虑到与其他处理剂的配伍性 ，故对多种处理剂间配伍性进行试验性能评价 ，试验配 方 见 表 4 。配 方评 价结 果 如 图 1 所示 ，可 以看 出 ，处 理剂 配伍 性 良好 ，滚动 回收 率最 高可 达 9 4 ． 6 。 表 4处理 剂配伍性评价配方 配方 编号 配方 百分数为质量分数 5 KCl 3 HPA 0 ． 1 5 PAC LV 0． 1 5 PAC- H V 5 KCl 0 ． 7 CFY 0 1 0 ． 1 5 PAC LV 0 ． 1 5 P AC H V 3 HPA 3 DI P一 1 0 ． 1 5 PAC LV 0 ．1 5 PAC- H V 0． 7 CF Y一 0 1 3 DLP 1 0 ． 1 5 PAC LV 0 ．1 5 PAC HV 5 KCl 3 HPA 3 DI P 1 0 ． 1 5 PAC LV 0 ．1 5 PAC H V 5 ％KCl 0 ． 7 C F Y O 1 3 DL P l o ． 1 5 P AC L V0 ． 1 5 oAP AC HV 0 ． 7 C F Y O 1 3 D LP 一 1 聚磺0 ． 1 5 P AC L V0 ． 1 5 P AC HV 3 ％HP A3 DL P 一 1 聚 磺 0 ． 1 5 P AC L V0 ． 1 5 P AC HV 5 K C1 3 HP A3 DL P 一 1 聚磺 0 ． 1 5 P AC L v0 ． 1 5 PA C Hv 5 K CI 0 ． 7 C F Y 一 0 1 3 DL P l 聚磺 0 ． 1 5 P AC L v0 ． 1 5 P AC HV 3 C F 2 3 0 聚磺0 ． 1 5 P AC L V0 ． 1 5 P AC HV 5 KC I 0 ． 7 C F Y一 0 1 3 ％DL P l 3 C F 2 3 0 聚磺 0 ． 1 5 P AC L V0 ． 1 5 P AC HV 5 KC 1 3 HP A3 oAD L P 一 1 3 CF 2 3 0 聚磺 0 ． 1 5 P AC L v0 ． 1 5 PA C Hv 1 O O 9 5 9 0 8 5 墼8 0 回7 5 7 0 6 5 6 0 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l 1 1 2 1 3 配方编号 图 1 处 理 剂 配 伍 性 评 价 结 果 2 高性能强抑制钻井液配方建立及评价 2 ． 1配方 的建 立 顺 9区块志留系储层属于低孔特低渗且裂缝／ 微裂缝发育 的砂岩储层 ，储层敏感性矿物含量高，水 敏／ 盐敏性强 。因此需要从 3 个方面进行钻井液设计 ①防储层敏感性损害，采用钾基胺基强抑制剂 ； ②防储层孔喉堵塞 ，采用多级架桥精确暂堵技术嘲 ；③防裂缝／ 微裂缝损害，采用无渗透处理剂 裂缝 暂 堵粒 子 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天 然气 工程 2 0 1 4 年 1 0 月 钻井液储层保护功能配方设计为钻井液基液强抑制剂KC 1 复合暂堵粒子无渗透处理剂变 形粒子其他。其中复合暂堵粒子和变形粒子的设计依据多级架桥精确暂堵技术进行 。 根据顺 9 井组储层岩心孔喉区间渗透率贡献率 图 2 统计表明，顺 9 井组储层岩心孔喉区间对渗 透 率 贡献率 最大 的孑 L 喉 主要集 中在 0 ． 4 ～ 1 ． 0 m，1 ． 0 ～ 1 _ 6 m 和 2 ． 5 ～6 ． 3 b t m 这 3 个 区问 ，这 3个 区 问 孔 喉对 渗透 率 的贡献 率分 别 为 5 6 ． 8 7 、2 1 ． 5 7 和 1 5 ． 9 5 ，3个 区间 的 累计 贡 献 率 为 9 4 ． 3 9 ，表 明 储层连通孑 L 喉中对渗透率贡献率较大的孑 L 喉总体非常细小 。设计多级架桥粒子为 1 ． 5 ～2 ． 0 C a C O 。 3 0 0 0目 0 ． 2 ～0 ． 5 ％C a C O。 1 5 0 0 ～ 2 0 0 0目 0 ． 1 ～0 ． 3 纤维 粒 子 。室 内进 行 复配 试 验 后 ， 得 到 的高性 能强 抑制 水基 钻井 液配 方 4 膨 润土浆 5 KC 1 1 ～3 强抑 制剂 3 防塌 剂 D L P 一 1 0 ． 1 9 ／ 6 ～0 ． 1 5 增黏 剂 P AC L V 0 ． 1 ～0 ． 1 5 增 黏 剂 P AC HV 3 降滤 失 剂 C F 2 3 0 2 ～3 无渗 透处 理剂 B S T lI1 ． 5 ～2 ． 5 润滑剂 DNP 2 ～3 磺甲基酚醛树脂 S MP 一 1 2 ～3 褐煤树脂 S P NH2 ～3 磺化褐煤 S MC 油层保 护 剂 1 ． 5 ～2 ． 5 复合 暂堵 粒子 0 ． 5 ～1 _ 5 变形 粒 子 加 重剂 B GH- I。 1 o -1 6 孔 喉区间／ l I m 图 2顺 9井组储 层岩心孔喉区 间渗透率贡献率 曲线 2 ． 2常 规性 能评 价 测定高性能强抑制水基钻井液的常规性能 ，包括流变性、AP I 失水量、高温高压失水量等 ，结果如 表 5所示 。 表 5 高性能 强抑 制水 基钻 井液常规 性能评价 注 为表观黏度 ； 为塑性黏度 ； r d 为动切力 ； 为初切力 ； r f 为终切力 ； R d 为动塑比 ； P 为密度 。热滚条件为 I 5 0 o c 1 6 h。下同 。 2 ． 3抗 污染 性能 评价 体 系 的抗 污染 性能 评价 进 行 了包 括 抗 盐 、抗 钙 、抗 岩 屑污 染 性 能 评 价 ，试 验 结 果 见 表 6 。可 以看 出，该体系热滚前后流变性能变化不大，具有 良好的抗污染能力。 2 ． 4抑 制性 评价 抑制 性评 价包 括滚 动 回收率评 价 和线性 膨胀 评价 。试 验采 用顺 9 井储 层 岩屑 进行试 验 ，用 以考察 钻 井液 体 系 的抑 制性 ，试 验结 果见 表 7 、8 。 ∞ ∞加∞如∞如加m 0 ， 索藿怄褂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6 卷第 1 O期 牛晓 等 高性能强抑制钻井液 室内试验 研究 1 3 1 蒸馏水 1 5 O C1 6 h 5 0 3 2 ． 0 3 6 4 ． 0 6 水基钻井液 密度 1 ． 3 9 g ／ c m。 1 5 0 C1 6 h 5 0 4 7 ． 3 2 9 4 ． 6 4 由表 7试验结果可知，该强抑制水基钻井液体系的滚动 回收率达到 了 9 4 ． 6 4 ，表明该钻井液体系 对易 坍塌 分散 岩样 具有 非 常强 的抑制 分散 能力 。由表 8 试 验 结果可 知 ，强抑 制水 基钻 井 液 1 6 h膨 胀率 只 有 8 ． 2 5 ，表明该强抑制水基钻井液体系及加重后对易坍塌、易膨胀钻屑具有非常强的抑制能力 。 2 ． 5沉 降稳 定性 评价 沉 降稳定 性则 是指 在重 力作 用下 钻井 液 内颗粒 是否 易 于下沉 的性 质 ] ，一 般用 颗粒 下沉 速度 的快 慢 来衡量沉降稳定性 的好坏 ，如两桶加重后 的钻井液，静止 2 4 h后分别测上部和下部钻井液密度变化 ，其 变 化越 小 ，则沉 降稳定 性 越好 ，越 适合 钻井 作业使 用 。试 验 中用量 筒法 分别 对 密度 为 1 ． 3 9 、1 ． 5 2 g ／ c m。 的加重 钻井 液 的沉 降稳定 性作评 价 ，其 评价 结果 见表 9 。 表 9 加 重 后 钻 井 液 沉 降 稳 定 性 评 价 从 表 9中可 看 出 ，密 度为 1 ． 3 9 g ／ c m。的加 重钻井 液 2 4 h后上 下 密度 差 几乎 为 0 ，密 度 为 1 ． 5 2 g ／ c m 的加重 钻井 液上 下密 度变 化很 小 ，仅有 0 ． 0 1 g ／ c m。 。 由结果 可 以看 出 ，该 钻井 液 体系 能够 很好 悬 浮 加重 剂 ，密 度可 调性 好并 且性 能稳 定 。 2 ． 6保护 油气 层性 能评 价 ． 钻 井液 动态 评价 试验 主要 是尽 量模 拟 实 际 工 况 ，评 价 钻 井 液 对 油气 层 的综 合 损 害 情 况 。试 验 采 用 S W一 1 I 型动态试验损害评价仪 ，参照钻井液动态污染试验评价标准进行评价 。试验结果见表 1 O 。从表 1 O可 以看 出 ，动 态损 害试 验 的岩心 渗透 率恢 复值 基本 在 8 5 以上 ，起 到 了很好 的保 护效 果 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．1 3 2． 石油 天然 气工程 2 0 1 4 年 1 o 月 3 结论 1 形 成一套 高性 能强 抑制 水基 钻井 液体 系 ， 温 能力 达 到 1 5 0 C以上 。 2 形成的钻井液体系针对储层敏感性损害、 有 针对 性地 解决 钻井 中可 能遇 到 的问题 。 具 有 良好 的抑制 性 能 、流 变 性 能 、悬 砂携 岩 能 力 ，抗 孔隙孔喉损害、裂缝／ 微裂缝损害分别提出应对措施 ， 3 形成的高性能钻井液引入多级屏蔽暂堵技术 ，能够很大程度上提高钻井液的储层保护性能。 4 研究的高性能水基钻井液体系成本较低 ，维护方便 ，同时较为环保 ，可以满足使用 的要求。 [ 参考 文献] [ 1 ] A1 An s a r i A，Ya d a v K．Di v e r s e a p p 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