硅酸钾聚合醇钻井液体系的实验研究.pdf

第 2 7卷 第 5期 2 0 1 0 年 9月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D C0M PLETI ON FLUI D 、 ， 0 1 ． 2 7 NO． 5 Se p t ．2 01 0 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 0 0 5 0 0 3 4 ． 0 4 硅酸钾聚合醇钻井液体系的实验研究 聂勋勇 ， 李再钧 ， 王平全 ， 王荣杰 。 1 ． 西南石油大学油气井工程学院， 成都 ； 2 ． 塔里木油田公司监督管理中心 ， 新疆库尔勒 ； 3 ． 石河子大学，新疆石河子 摘要将硅酸钾的胶凝沉淀效应和聚合醇的浊点效应结为一体，建立了一套具有胶凝一 浊点效应的膜结构硅酸 钾聚合醇钻 井液体 系。性能评价结果表 明，硅酸钾聚合 醇钻 井液具有流变性好 、滤失造壁 性好 、抑 制性强、抗污 染能力强 可抗 6 ％Na C 1 ，抗5 0 0 0 mg m C a 2 和Mg ，抗 1 5 ％钻屑 、润滑性好、封堵能力强和热稳定性好等特点， 膜效率达到了8 2 ％。通过电镜扫描研究了硅酸钾钻井液和硅酸钾聚合醇钻井液形成的泥饼表面和泥饼断面情况， 结果表明，硅酸钾聚合醇钻井液泥饼表面片状膜结构伸展性好且连接性紧密，断面较紧凑且均匀，既有硅酸钾处 理后泥饼所呈的片状膜结构，又有聚合醇处理后泥饼整体似一层的致密特性。该钻井液兼有硅酸钾钻井液和聚合 醇钻 井液 的优点。 关键词硅酸钾聚合醇钻井液 ； 井眼稳定 ； 封堵性 ； 泥饼结构 中图分类号 T E 2 5 4 - 3 文献标识码 A 研究认为，水溶性硅酸盐能够有效地抑制黏土 的水化分散 ，稳定黏土的主要机理是尺寸分布较宽 的硅酸粒子通过 吸附 、扩散等途径结合到黏土晶层 端部 ，堵塞黏土层片之间的缝隙 ⋯，钾离子具有强 的抑制黏土水化 的作用 ，从而稳定黏土 ； 在某些极 端的应用条件 如高温 、长时间接触等 下，硅酸 盐与黏土反应会改变黏土表面的晶体结构 ，能与黏 土进行化学反应产生无定形的、 胶结力很大 的物质， 使黏土等矿物颗粒凝结成牢固的整体 ； 负电性 硅酸粒子结合到 已经过预水化的黏土颗粒端部 ，使 其电动电位升高 ，钻井液的黏度 、切力和滤失量下 降，有利于形成薄而韧 的泥饼 ] 。而聚合醇是一种 非离子低分子量聚合物，具有浊点效应 ，当井温高 于其浊点温度时 ，可在井下从水相中分离 出来形成 油膜 ，对泥饼具有堵孔作用 ，可减少钻井液滤液向 地层 滤失 ，抑制黏土 的水化膨胀 [ 7 - 8 1 0将硅酸钾的 化学效应与 聚合醇 的物理效应结为一体 ，建立 了 具有凝胶浊点效应的膜结构硅酸钾聚合醇钻井液体 系，旨在发挥膜结构的稳定井壁机理 ，增强钻井液 稳定井壁的能力。 1 重 内买验 采用 A P I 失水仪 、Z N N D6型旋转黏度计评价 硅酸钾聚合醇钻井液 的性能 ，并与硅酸钾钻井液进 行对比，优选出硅酸钾聚合醇钻井液配方 ，从宏观 和微观角度研究这 2种钻井液的泥饼结构 ，测定其 膜效率等，探讨硅酸钾聚合醇钻井液 的作用机理。 实验综合考虑膨润土 、增黏剂 、聚合醇的加量硅酸 钾的模数及加量等对钻井液性能的影响 [ 9 】 ，通过对 处理剂的优选和钻井液配方的优化，确立了硅酸钾 聚合醇水基钻井液基本配方如下。 4 ％膨 润 土 0 ． 4 ％ 两性 离 子 聚合 物 降滤 失剂 J T 8 8 8 4 ％F P V型 硅 酸 钾 模 数 为 3 _ 2 1 1 ％Kc l 0 ． 4 ％HV - C MC 3 ％J L X． B ． S 浊 点 为 5 3。 C 适 量 Na OH 调节 p H值为 1 1 ． 5 1 ． 1 流变性能 按照 S Y／ T 5 6 2 1 9 3钻井液测试程序 ，考察了 高温作用后钻井液的流变性 ，结果见表 1 。由表 1 可以看出 ，随着老化温度的升高 ，2种钻井液的表 观黏度、 切力都有所下降，滤失量显著增加，硅酸 第一作者简介 聂勋勇，在读博士研究生，1 9 8 2年生，现在主要从事钻井液、钻井堵漏技术的研究工作。地址 成都 市新都区西南石油大学油气井工程专业 ； 邮政编码 6 1 0 5 0 0； E ma i l n x v 8 2 8 0 3 1 6 3 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7 卷 第 5期 聂勋勇等硅酸钾聚合醇钻井液体 系的实验研 究 3 5 钾钻井液抗温达 1 2 0。 C，硅酸钾聚合醇钻井液在温 度高达 1 5 0。 C 时 ，滤失量仍小于 1 0 m L，表 明其抗 温达 1 5 0。 C 。硅酸钾钻井液配方如下。 4 ％ 膨 润 土 4 ％F P V 0 ． 4 ％HV CMC 0 ． 4 ％ J T 8 8 8 1 ％KC l 适量 Na OH 浓度为 4 0 ％，调节 p H 为 1 1 ． 5 表 1 钻井液在不同温度下老化 1 6 h后的常规性能 25 25． 5 l 7 ． 0 8． 5 5 ． 1 0． 5 硅酸钾 7 7 2 1 5 1 5 0 6 ． 5 5 7 0 ． 5 钻升液 1 0 0 1 9 ． 5 1 3 ． 5 6 ． 0 6 ． 0 O ． 5 1 2 5 l 2． 0 9． 0 3． 0 1 0．4 0． 5 1 5 0 7． 0 5 ． 0 2． 0 1 2． 6 0 ， 5 2 5 29 ． 5 1 9． 0 1 0． 5 3．4 0 ． 5 硅酸钾 7 7 2 6 ．0 1 7． 0 9． 0 4． 6 0． 5 鼻 。 。 2 ．。 6 ．。 ．。 s ．4 。 ．s l 25 l 8． 0 1 3． 0 5．0 7．0 0． 5 l 50 11 ．0 9． 0 2． 0 9．6 O． 5 注 钻井液的性能在热滚后高速搅拌 2 5 mi n 后在 2 5。 C 下测定 。 1 ． 2滤失造 壁性能 钻井液 的滤失造壁性能评价结果见表 2 。 表 2 硅酸钾聚合醇钻 井液 的滤 失造壁性能 由表 2可 以看 出 ，在相 同条件 下 ，硅酸 钾 聚 合醇钻井液高温老化前后的滤失量 比硅酸钾钻井液 低。尤其是硅酸钾聚合醇钻井液 的泥饼质量好 ，薄 而致密，且韧性好。硅酸钾聚合醇钻井液形成的泥 饼的致密性均优于硅酸钾钻井液 ，在泥饼未干时表 面有类似亮膜的物质。 1 ． 3抑制 性能 考察 了岩心分别在清水 、硅酸钾钻井液和硅酸 钾聚合醇钻井液中热滚 1 2 0。 C、 1 6 h 后的回收率。 结果表明 ，清水对 四川红尘土的抑制性很差 ，回收 率仅为 9 ． 7 0 ％ ； 硅酸钾钻井液 由于具有钾离子的抑 制性 ，回收率有大幅度的提高 ，为 9 5 ． 6 0 ％ ； 而硅酸 钾 聚合醇钻井液 的回收率高达 l 0 0 ％，表明硅酸钾 聚合醇钻井液比硅酸钾钻井液具有更强 的抑制性 。 用 NP 一 0 1 测试页岩在钻井液 中的线性膨胀率 ， 结果见表 3 。取 出岩样后 观察 ，在岩样上附有一层 灰 白色的硬壳 ，内部干燥 ，这是造成硅酸钾钻井液 和硅酸钾聚合醇钻井液线性膨胀率过高的原 因。 表 3 钻 井液的线性膨 胀率实验 钻井液 线性膨胀率 ／ ％ 2 h l 6 h 1 ． 4 抗 污染性能 综合考虑了钻井液的流变性 和滤失造壁性 ，硅 酸盐 聚合醇钻 井液抗 N a C 1 污染 达 6 ％，抗 C a C 1 ， 、 Mg C 1 ， 污染均为 0 ． 5 ％，抗钻屑污染能力达 1 5 ％。 1 ． 5润滑性 能 硅 酸钾 聚合 醇 钻 井 液 的泥 饼 摩 阻 系 数仅 为 0 ．0 3 2 6 ，润滑性良好 ，有利于降低钻具摩阻。 1 ． 6 封堵能力 利用改造 的高温 高压失水 仪进行 了钻 井液 的 封 堵 能力 实验 [ 】 。实验 中填 积 层 为粒 径 分 别 为 0 ． 9 0 ～2 ． 0 0 、0 ． 4 5 ～ 0 ． 9 0 、0 ． 1 2 5 ～ 0 ． 1 5 4 mm 的 石 英 砂 ，分别 称 取 2 3 、2 3和 3 5 g混 配 搅 匀 ，填 入 装 置轻压 0 ． 1 MP a ，装 入封堵钻 井液 ，在 9 0。 C、3 ． 5 MP a 下测定 3 0 mi n 滤失量 ； 将所用钻井液换成清水 ， 在 3 ． 5 ～4 ． 9 MP a下测定滤失量 ，实验结果 见表 4 。 由表 4可以看出 ，硅酸钾聚合醇钻井液 的滤失量增 加趋势 比硅酸钾钻井液要小 ，表明在硅酸钾钻井液 中加入聚合醇 ，能增强钻井液的封堵能力 ，提高封 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 0年 9月 堵层的承压能力。 表 4封堵实验结果 1 ． 7 热稳定性能 考察了钻井液在加重前后在 1 2 5。 C 热滚 J 6 h和 4 8 h后的流变性能 ，结果见表 5 。由表 5可以看出， 硅酸钾聚合醇钻井液加重后 的表观黏度和滤失量 比 加重前均有所上升 ； 在 1 2 5。 C 下热滚 4 8 h后 ，加重 前后钻井液的滤失量均小于 1 0 mL，满足钻井液性 能的要求。 表 5 硅酸钾聚合醇钻井液加重前后热稳定性能 注 热滚温度为 1 2 5 o c。 2 硅酸钾 聚合醇钻井液作用机理探讨 2 ． 1 聚合醇钻 井液的膜效 率 实验采用半透膜效率测试仪 ，测得硅酸钾钻井 液和硅酸钾聚合醇钻井液的泥页岩的膜效率分别为 0 ． 7 5和 0 ． 8 2 。由此表明 ，硅酸钾聚合醇钻井液形成 的泥饼质量好 ，可 以通过控制钻井液活度阻止离子 进入地层 ，从而维护井壁的稳定性。 2 ． 2 泥饼的微 观结构 硅酸钾 、聚合醇和硅酸钾 聚合醇钻井液的微观 结构变化的电镜扫描结果见图 1 。聚合醇钻井液的 配方如下。 4 ％膨润 土 0 ． 4 ％HV - C MC 3 ％J L X - B S I ％K C l 0 ． 4 ％J T 8 8 8 适量 Na O H 调节 p H值为 1 1 ． 5 a 硅酸钾 钻井液泥饼表 面结构 5 0 0 0 b 硅酸钾钻井液泥饼断面结构 5 0 0 0 C 聚合醇钻井液泥饼表面结构 1 0 0 0 0 d 聚合醇钻井液泥饼断面结构 1 0 0 0 0 e 硅酸钾聚合醇钻井液泥饼表面结构 1 0 0 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 5期 聂勋勇等 硅酸钾聚合醇钻井液体 系的实验研 究 3 7 f 硅酸钾聚合醇钻井液泥饼表而结卡 勾 2 0 0 0 0 g 硅酸钾聚合醇钻井液泥饼断面结构 1 0 0 0 0 h 硅酸钾 聚合醇钻井液 泥饼 断面结 构 4 0 0 0 0 罔 l 不同钻井液的泥饼微观结构 图 F } 1 罔 1 a ～ d 可知，硅酸钾钻井液泥饼表 面 的膜结构呈小片状紧密分布 ，断面呈层状分布，均 匀且致密 ； 而聚合醇钻井液的泥饼 表面很致密 ，且 近似呈整体一层 ， 断面较硅酸钾钻井液相比薄得多 ， 呈稀疏不均匀层状分布。南罔 1 e ～ h 可知 ，硅 酸钾聚合醇钻井液泥饼的表面结构是硅酸钾钻井液 和聚合醇钻井液泥饼结构的复合 ，泥饼表面片状膜 结构伸展性好且连接性紧密 ，断面较 紧凑且均匀 ， 既有硅酸钾处理后所呈片状膜结构 ，又有聚合醇处 理后整体似一层的致密特性 。这种复合类似膜结构 的出现 ，弥补硅酸钾钻井液泥饼表面片状膜结构面 积小 以及 聚合醇钻井 液泥饼 断面稀疏不 均匀 的现 象。南此可以看j H，复配使用硅酸钾和聚合醇改善 了泥饼质量 ，形成了致密封堵层 ，达到了稳定井壁 的效果 ，表明硅酸钾聚合醇钻井液是一种具有较高 膜效率的结构封堵型水基钻井液。 3 结论 1 ． 实验研究 优选 出硅酸钾聚合醇钻井液的基 本 配方 为 4 ％膨 润 土 4 ％F P V O ． 4 ％H V - C MC 0 ． 4 ％J T 8 8 8 3 ％儿x B S 1 ％KC I Na OH 调节 p H值 为 1 1 ． 5 。该钻井液具有流变性好 、滤失造壁性好 、 抑制性强 、抗污染能力强 可抗 6 ％N a C 1 ，抗 5 0 0 0 mg ／ L C a 和 Mg ，抗 1 5 ％ 钻屑 、润滑性好 、封 堵能力强和热稳定性好等特点。 2 ． 硅酸钾聚合醇钻井液的膜效率为 0 ． 8 2 ，高于 硅酸钾钻井液的膜效率 0 ． 7 5 ， 表明加入聚合醇后 ， 钻井液形成的泥饼渗透率更低 ，阻止压力传播 的能 力更强 。 3 ． 酸钾聚合醇钻井液泥饼表面片状膜结构伸展 性好且连接性 紧密 ，断面较 紧凑且均匀 ，既拥有硅 酸钾处理后泥饼所呈片状膜结构 ，又拥有聚合醇处 理后泥饼整体似一层 的致密特性。该钻井液兼有硅 酸钾钻井液和聚合醇钻井液的优点 。 参 考 文 献 [ 1 ] 丁锐 ，邱正松，李建鹰 ． 硅酸盐稳定黏土作用机理研究 [ J ] ． 天然气 T业 ， I 9 9 7 ，1 7 1 3 6 3 8 ． [ 2 ] Mo h n o t S M， e t a 1 ． A s t u d y o f mi n e r a l a l k a l i r e a c t i o n [ R ] ． SPE 、 30 32． 98 4． [ 3 ] B a i l e y L， C r a s t e r B，S a w d o n C，e t a 1 ． Ne w I n s i g h t i n t o t he M e c ha ni s ms of Sha l e I nhi bi t i o n Us i ng W a t e r Ba s ed S i l i c a t e D r i l l i n g F l u i d s [ R ] ． I A DC ／ S P E 3 9 4 0 1 ， 1 9 9 8 ． [ 4 ] Wa r d ，C h a p ma n J W．S i l i c a t e b a s e mu d s Ch e mi c a l o p t i mi z a t i o n b a s e d o n f i e l d e x p e r i e n c e [ R＼ ． S P E 3 7 2 6 6 ， 1 9 9 7 ． [ 5 ] 梁大川．硅 酸盐钻井 液稳定井 壁机理研 究 【 J 1 ．两南石 油学院学报 ，1 9 9 8 ，2 0 2 5 3 5 8 ． [ 6 ] 王平全 ，李晓红．硅酸钾钻井液体系的实验研究 【 J J ． 西南石油学院学报，2 0 0 5 ，2 6 3 2 0 2 5 ． [ 7 ] 沈丽，柴金岭．聚合醇钻 液作用机理的研究进展 [ J ] ． 山东科学 ，2 0 0 5 ，1 8 1 l 8 2 3 ． [ 8 ] 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 ． [ 9 ] 张高波 ，张希红．硅磺聚合物钻井液研究及应用 [ J ] ． 钻井 液与完井液 ，2 0 0 5 ，2 2 4 1 6 - 2 1 ． [ 1 0 ]李春霞，黄进军，崔茂荣．HT HP 3 8 7 4 2型仪器功能开 发与应用钻井液封堵效果评价方法 I J 】 ． 实验科学与 技术 ，2 0 0 3 2 5 8 6 0 ． 收稿 日期2 0 1 0 - 0 2 2 7 ；H GF 1 0 0 4 A9 ；编辑 张炳芹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m