国外高性能水基钻井液研究的最新进展.pdf

第 2 6卷 第 5期 2 0 0 9年 9月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI L LI NG F LUI D COMP LETI ON FLUI D Vo 1 ． 2 6 NO ． 5 Se pt ．2 00 9 文 章 编 号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 9 0 5 0 0 6 9 0 4 国外高性能水基钻井液研究的最新进展 王治法 刘贵传 刘金华 聂育志 张国 中国石化石 油勘 探开发研 究院石油钻井研究所 ， 山东德州 摘要 介绍 了国外一种在性能 、 费用 、 环境保 护等方面 能够取代 油基钻 井液 与合 成基钻 井液 的高 性能水基 钻 井液。通过对该 钻井液的基本 组成及 主要处理 剂的作 用机理 、 室内评价方法和在世界 部分油 田的现场 应用情况进 行综述得知 ， 高 性能水基钻 井液在抑制敏感性泥岩 、 提高 页岩膜 效率、 防止钻 头泥包、 提高机械 钻速等 方面远好 于 常规抑制性强的水基钻井液， 而且在满足钻井要求 、 环境保 护和 经济方面完全 可以替代 油基 钻井液 ； 高性能水基钻 井液无论是对陆上钻井还是对海上钻井 ， 都具有广 阔的应用前景 ， 特别适合含 大量泥岩段的重点探井使 用。 关键词 高性能水基钻井液； 水基钻井液 ； 井眼稳定 ； 环境保护 ； 综述 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标 识码 A 近 年来 ， B a k e r Hu g e s 、 MI 和 Ha l l i b u r t o n等 公 司研 发 出了一种 在性 能 、 费用 、 环 境保 护等 方 面能够 取代 油基 钻井液 与合 成基 钻井液 的高 性能 水基钻 井 液 。 1 配 方及 主要 处 理 剂 的作 用机 理 1 ． 1 配方 高性 能水基 钻井 液典 型配方 如下口 ] 。 2 ～4 聚胺盐 1 ～2 铝酸盐络合物 2 ～4 钻速提高剂4 - 2 ～3 9 ／ 6 可变形聚合 物封 堵剂 0 ． 2 ～0 ． 4 9 ／ 5 改 性淀 粉 4- 0 ． 1 5 ％～ 0 ． 3 0 ％ XC4- 0 ． 1 ～0 ． 2 P AC 1 ． 2 主要处理剂的作用机理 1 聚胺盐。聚胺盐水溶 、 低毒 ， 可与其它添加剂 一 起 使用 ， 不水 解 ， 具 有成 膜作用 。聚胺盐 有独特 的 分子结构 ， 可以充填在黏土层 间并把它们束缚在一 起 ， 有 效地 减小 黏土 的吸水倾 向 ， 胺基 通过 金属 阳离 子 吸附在 黏土表 面 ， 或 者 是在 离 子 交换 中取 代 了金 属 阳离子 形成 了对 黏 土 的束 缚 ， 正 是 由于胺 基 独 特 的束缚 作 用 ， 层 间水不 会从 层 问排 出。 2 铝酸盐络合 物。它在钻井液 中作 抑制剂使 用 ， 当 p H值为 1 0 ～1 2时， 这种络合物在钻井液 中 以 AI OH 4的形 式 存 在 ； 当p H值 为 6 ～ 8 时 ， AI OH 的络合 物 又 转化 成 白色羟 化 铝 沉淀 。根 据 铝 酸盐络 合物 的 这一 特 性 ， 其 在 钻 井 液 中是 可 溶 的， 但当铝酸盐络合物进入页岩内部后 ， 由于碱浓度 的降低 以及与多价阳离子的反应 ， 则会生成沉淀 ， 因 此可以用来增强其在页岩孔喉或微裂缝 内的井壁稳 定 性 。 3 钻速提 高剂 。它 主要 是 由表面 活性剂 和润 滑 剂 组成 的特 殊混 合物 。该处 理剂 能覆 盖在钻 屑和金 属表面， 从而降低黏土水化及其在金属表 面黏结的 趋 势 ， 防止水 化颗 粒 聚 沉 ， 阻 止 钻头 泥 包 ， 可 起 到 提 高 机械 钻速 的作用 ， 确 保起 下钻顺 利 。 4 可变形 聚合 物封 堵剂 。它是 用来 封 堵页 岩孔 隙、 喉道和微裂缝的。该 聚合物 即使在高浓度的盐 溶液中依然能保持稳定 的颗粒尺寸分布 ， 再加上它 的可变形特点， 使其可以与页岩中的微孔隙相匹配 ， 并 沿着 裂缝架 桥 同 时 紧密 充 填 ， 从 而 提高 钻 井 液 的 封 堵效 率 。 2 评 价 方 法 2 ． I 压力传递实验 使用压力传递实验仪器测量极低渗透地层 泥 页岩 由于钻 井 液 滤液 侵 入 而 增加 的压 力 。在 高 渗 储 层中由于钻井液滤液的侵入很快扩散到岩心中， 第一作者简介 王治法， 助理工程师， 1 9 7 8年 生， 2 0 0 8年毕业于石油大学 华东 石油工程专业， 主要从 事钻井液应用研 究 工作。地 址 山东省德州市东风东路 3 5号石油钻井研究所 ； 邮政编码 2 5 3 0 0 5 ； 电话 0 5 3 4 2 6 7 0 1 7 5／ 1 3 9 6 9 2 3 8 4 4 9 ； E - ma i l wz f s i n o p d ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 9年 9月 所以岩心压力不受影响， 但是在低渗地层中， 钻井液 滤液侵入岩 心后 ， 压 力下降 得较慢 ， 并 随着滤 液 的侵 入 ， 压力持续 增加 ， 压力增加 减弱 了井壁 围压 的 支撑 作 用 ， 进而 导致 了近 井 壁 的坍塌 。使 用 P i e r r eⅡ层 的泥页岩 对不 同钻 井 液进 行 岩心 压 力 传递 实 验 ， 结 果 见 图 1 。其 中水 基钻 井 液 的水 相 活 度 为 0 ． 8 4 ， 合 成 基钻井液 为 0 ． 7 5 。 ’ 罚 e 邕 Ⅲ l{ 舞 0 1 O 2 O 3 O 4 0 5 0 t 1 图 1 不 I司钻 井 液 的 岩 心 压力 传 递 买 验 结 果 比较 由图 1 看 出 ， 常 规 水基 钻 井 液 的 岩心 压 力 随着 时间 的变化逐 渐保 持 一个 稳 定值 ， 而 高性 能 水 基钻 井液随着时间的变化岩心压力降低 ， 这表明了岩心 中的水从 页岩进 入 高性 能 水基 钻 井 液 中， 并 且 高性 能水基钻 井液 的页岩膜效 率与合 成基钻 井液相 近 。 2 ． 2 硬 度测试 使 用新型硬 度测试仪评 价钻 屑在 钻井 液 中浸泡 后的硬度， 由于钻屑浸泡后的硬度和钻井液的抑制 性相关 ， 因此硬度测试仪测 出的相关参数可以直接 反应钻井液的抑制性。实验前 ， 分别称取 3 0 g过孔 径为 2 ． 0 ～5 ． 2 7 mm筛 的 Ox f o r d 、 F o s s E i k e l a n d和 Ar me 泥 页岩钻屑 ， 依 次分 别 装入 盛 有 油基 钻 井液 、 Na C 1 ／ 聚合物钻井液、 KC 1 ／ 硅 酸盐钻井液 和高性能 水基钻 井液 的热滚釜 中 ， 在 6 5℃下热滚 1 6 h后 ， 取 出钻屑 过孔 径 为 1 ． 0 0 mm 的 筛后 ， 用 盐 水 清洗 后 ， 立即放人新型硬度测试仪器 中进 行实验 ， 结果见图 2 ～图 4 l 3 图中黄 色 曲线 是 直接 对 页岩 进行 硬 度测 试 。由图 2 ～图 4可 以看 出 ， 高性 能 水基 钻井 液 的 抑制性能 比 Na C 1 ／ 聚合 物钻 井 液好 ， 与 KC l ／ 硅 酸盐 和油基钻井液的抑制性能相近。 2 ． 3 耐崩散性测试 钻屑崩散性主要是使用崩散性试验仪测试并通 过钻屑回收率来描述。实验称取一定质量和固定粒 径 的页岩 钻 屑 ， 加 入 各类 钻 井液 中 ， 在 6 5℃下 热滚 1 6 h后 ， 过孔径为 1 ． 0 0 mm 的筛 ， 用盐水清洗后称 重， 计算回收率， 其结果见图 5 。由图 5可以看出， 高性 能水基 钻井液 的抑制性 能 与油基 钻井 液 的抑制 性 能接近 。 35 0 ， 、 3 0 0 卓2 5 0 v 2 0 0 1 5 0 辑1 0 0 5 O O 注 1 f t l b1 ． 3 5 5 8 N m 图2 F o s s E i k e l a n d 泥岩在不同钻井液 中热滚后的硬度 比较 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 OO 5O 0 注 l f t l b 1 ． 3 5 5 8 N m 图3 O x f o r d页岩在不 同钻井液中热滚后 的硬度比较 3 5 0 30 0 25 0 2 00 1 5 0 蟊 1 0 0 5 O O 囊 1 一赠 油基 Na c l ， 聚合物 K c l ， 硅酸盐 高性能 钻井液 钻井液 钻井液 钻井液 图 5 耐崩散性 测试 O O O 0 O O O O 如 加 2 m 苫 v＼ 辑 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 5期 王 治法等 国外高性 能水基 钻 井液研 究的最新 进展 7 1 2 ． 4 防泥 包测 试 测试 时在热 滚 釜 中加 装 一组 钢 棒 ， 钻 屑 和钻 井 液 均匀地 分布 在 泥包 测 试 棒 的 周 围 ， 在 设 定 的温 度 下 热滚一段 时 间 ， 取 出后 对 比不 同钻 井 液 的 防 泥包 效果 ， 实 验结果 见 图 6 ] 。由 图 6可 以看 出 ， 高性 能 水基 钻井 液 的防泥包 效果 比其 它钻井 液好 。 筮 求 } Ⅲ 熙 6 0 4 0 2 0 页岩 0．4 0． 3 0 ．2 邕 O． 1 ， 、 0 2 、 恩 oCMA泥 岩加／ p p b 注 l l b ／ 1 0 0 f t 一0 ． 4 7 8 P a ； l p p b 2 ． 8 5 k g ／ m。 图 8 不 同钻井液 中加 入不 同量 的 0C MA 后在 1 1 2℃ 、 1 6 h老化后的动切力 由图 8可 以看 出 ， 高性 能 钻 井 液 的抗 钻 屑 污染 能力 强 ， 与 油基 钻井 液接 近 。不 同盐 加 量 下膨 润土 、 Ox f o r d 、 F o s s E i k e l a n d和 Ar n e泥 页 岩 在 高性 能钻 井液 中的分散 性实 验 结果 见 图 9 L 4 ] 。由 图 9可 以看 出 ， 用海水 、 1 O 9 ／ 6 KC l 和 2 O Na C 1 配 制 的高性 能钻 井 液的抑 制性 均很 强 。 1 o 0 8 0 基 6 0 票 4 0 l 皂 { 2 0 O 膨润土O x f o ld 页岩 F o s s E i k e l ,,m d A me 页岩 页岩 图 9高性能钻井液在不同盐浓度下 的抑制性对 比 2 ． 6 高性能钻井液的毒性和渗透率恢复值 通 过美 国和英 国 的 生物 鉴 定 测 试 ， 高 性 能 钻 井 液 的 L C 。 测 试值 为 4 6 ． 5 1 0 mg ／ L 。在 墨 西 哥 湾 和 英 国北 海应 用 高 性 能水 基 钻 井 液 钻 井 时 ， 所 产 生 的钻 屑可 以直 接 排 放 ， 而 合成 基 和 油 基 钻 井 液 则需 要处 理并 达 到标准 要 求后 才 允许 排 放[ 3 ] 。经过 对 深 海 和浅海 的 几 口井 进 行 岩 心 渗 透 率 恢 复 值 测 试 表 明 ， 高性 能水基 钻井 液 的岩心渗 透恢 复值 均大 于 9 0 。 3 世界 部分 油 田的现场应 用情况 高性能水基钻井液首次在墨西哥湾深水钻井中 进行 了成 功应用 。然 后该钻 井 液在 全球 试 验 4 0 0多 口井 ， 其 中大 约 5 O 的应 用 井取 代 了 目前 使 用 的水 基钻 井 液 或 油 基 钻 井 液 。高 性 能 水 基 钻 井 液 在 陆 上 、 浅海和深海钻井 中均进行了应用， 作业区域包括 北美 、 南美 、 欧州、 非州、 中东和远东 ，取得了如下的 记 录 ] 。①在 2 9 1 7 m 的深海 钻 井 中 巴西 进 行应 用 ； ② 钻井液 密 度 最高 达 2 ． 1 6 g ／ c m。 美 国怀 俄 明 州 ； ③ 最大 造斜 角大 于 9 0 。 在 沙特 、 巴西钻 井 中 ； ④在五 开次井 中使 用最 多 5 1 2 ． 3 mm， 4 3 1 ． 8 mm， 3 6 8 ． 3 ml T l ， 3 1 1 ． 1 mm， 『j 2 1 5 ． 9 mm， 墨 西 哥湾钻井 ；⑤最长使用井段为 2 8 9 0 ． 2 m 中国南 海 ； ⑥ 最 长的定 向段 为 2 7 4 1 ． 2 m 4 4 4 ． 5 mm 井 眼 ， 井斜 为 6 5 。 ， 北海 。 在所有应用的区域中， 与其它水基钻井液相 比， 高 性能水 基钻 井液 具有 极好 的抑 制性 能 和经 济可 操 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 钻 井 液与 完 井 液 2 0 0 9年 9月 作性 。高性 能水基 钻 井 液在 井 壁 稳 定性 、 提高 机 械 钻 速和节 约成本方 面 已接 近油 基钻 井液 ， 见 图 1 O ～ 图 1 2 E 。 螽 4 H 蠢 3 冀 2 嘉 蓄 。 高性能 合成基钻井液 钻井液 图 1 O 墨西哥湾深水钻井 中高性能钻 井液应用井钻时与邻井的 比较 60 0 5 00 4 0 0 镫3 0 0 蒸 2 0 0 1 OO 0 1 we l l we l l 3 we l l we l l 图 1 1 墨西哥湾深水钻井中与油基钻井液相 比使用 高性能水基 钻井液节省的成本 8 0 黾6 0 蔺 4 0 撂 警 2 0 0 机械钻速 机械钻速 高性能 合成基钻井液 N a C l ／ 聚合物 钻井液 钻井液 图 1 2 墨西哥湾深水钻井 中高性能水基钻井 液应用井 的机械钻速与邻井 的比较 现场应用实践表明， 高性能钻井液在抑制泥页 岩水化 和 防钻 头 泥包 方 面 的优 良性能 ， 使 其 可 以用 于更高性能的 P DC钻头钻进作业 ， 并且能确保泥岩 段定 向控制 。高性 能钻井 液具有很 强 的抑 制性 和携 带钻 屑能力 ， 返 出 的钻 屑棱 角 清 晰 、 完 整 ， 很 快被 一 级 固控 设备 清除 ， 确 保 了钻 井液不 会受 固相 污染 。 4 结束 语 1 ．高性能水基钻井液在抑制敏感性强的泥岩、 提高页岩膜效率、 防泥包、 提高机械钻速等方面远好 于常规抑 制性 较强 的水基 钻 井 液 ， 而 且在 满 足 钻井 要求、 环境保护性能和经济效方面完全可 以替代油 基钻井液 。 2 ．高性 能 水基 钻 井 液 无 论 是 对 陆 上 钻井 还是 对海上钻井， 都具有广阔的应用前景， 特别适合含大 量泥岩段 的重点 探井使用 。而 中 国对其研 究 才刚 刚 开始 ， 应 该加强 对 高性 能 水基 钻 井 液 处理 剂 的研 究 以缩 短与 国外 的差 距 。 参 考 文 献 [ 1 ] J u l i o Mo n t i l v a ， E r i c v a n O o r t ， e t a 1 ．I mp r o v e d Dr i l l i n g Pe r f o r ma n c e i n La k e M a r a c a i b o Us i ng a Low Sa l i ni t y Hi g h P e r f o r m a n c e Wa t e r - B a s e d Dr i l l i n g F l u i d[ R] ． AADE O7 NTCE一 2 1 E 2 3 R a mi r e z M A， C l a p p e r D K， e t a 1 ．A l u mi n u m B a s e d HP W BM S u c c e s s f u l l y Re p l a c e s Oi l Ba s e d M u d t o Dr i l l Exp l o r a t or y W e l l s i n a n En vi r on me nt a l l y Se n s i t i v e Ar e a E R] ．S P E 9 4 4 3 7 [ 3 ] Wi l l i a m D y e ，K e n D a u g e r e a u ， e t a 1 ．N e w Wa t e r B a s e d M u d Ba l a n c e s Hi g h ‘ P e r f o r ma n c e Dr i l l i n g a n d En v i r o n - me n t a l C o mp l i a n c e F R ] ．S P E ／ I ADC 9 2 3 6 7 [ 4 ] S t e v e n Y o u n g ， G a m a l R a ms e s ， e t a 1 ．Dr i l l i n g P e r f o r m a nt e a nd En vi r on me nt a l Co mp l i a nc e Re s o l u t i on o f Bot h Wi t h a Un i q u e Wa t e r - B a s e d F l u i d[ R] ．S P E ／ 1 ADC 1 O3 96 7 I- s 3 Ma r i o A ．R a mi r e z S a d d o k B e n a i s s a ， e t a 1 ．A l u mi n u m Ba s e d H PW BM Su c c e s s f u l l y Re pl a c e s Oi l Ba s e d M ud To Dr i l l Exp l o r at or y W e l l i n t he M a g e l l a n St r a i t ，Ar g e n t i n a [ R ] ．S P E／ I A DC 1 0 8 2 1 3 收稿 日期 2 0 0 9 0 2 2 6 ； HGF 0 9 4 A1 0 ； 编 辑 张炳 芹 欢 迎 投 稿 J 钻 井液与完井液 投稿信箱 z l y y wi y 1 2 6 ． c o rn；d f c f e d c n p c ． c o m． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m