改变润湿消除钻头泥包钻井液技术研究.pdf

2 0 1 2年第 4 0卷第 3期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NERY 一3 一 ． _ 钻井技术与装备 改变润湿 消除钻 头泥包钻 井液技术研究 杨宇平 孙金声 中国石 油集 团钻井工程技术研 究院 摘要 钻井过程 中钻屑颗粒吸附钻头、B H A 面形成泥包导致重复破碎 ，严重影响钻 井速度。 为此 ，提 出改变润湿钻井液需具备功能及处理剂分子结构要求，研发 了改变润湿防止钻头泥包剂 K S Z J 一1 。通过润湿性 、表面张力、吸附效应等试验对 改变润湿防止钻头泥包 剂的润湿性和 改 善钻头泥包 的性能进行 了评价，试验结果表 明，K S Z J一1一方面在钻屑表 面形成单分子 吸附层 防 止钻屑附聚造成重复切 削；另一方面 改变岩石表面及孔 隙内部 的润湿性 ，降低岩石 的表面张力； 而且在钻头、B H A面以有机膦定向吸附的形式形成强定向多分子层物理和化学吸附，显著减少钻 头泥包 的现象。 关键词 吸附效应；钻井速度 ；润湿性；泥包 ；作用机理 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码A文章编号 1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 2 0 3 0 0 0 3 0 6 Re s e a r c h o n t he Dr i l l i n g Fl ui d Te c h no l o g y f o r Ch a ng i ng W e t t i ng a nd Re m o v i ng Bi t Ba i l i n g Ya n g Yu p i n g S u n J i n s h e n g C N P C D r i l l i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e A b s t r a c t T h e b i t i s a d s o r b e d b y d r i l l i n g c u t t i n g p a r t i c l e s i n t h e p r o c e s s o f d r i l l i n g ，t h e b i t b a l l i n g i s f o r me d o n t h e BHA f a c e t o c a u s e r e p e t i t i v e c r u s h i n g a n d t h e p e n e t r a t i o n r a t e wi l l t h e n b e s e v e r e l y a f f e c t e d ． Th e r e f o r e， t he f u n c t i o n o f t h e we t t i n g c h a n g i ng d r i l l i n g flu i d a n d t he r e q ui r e me n t o f t h e mo l e c u l a r s t ru c t u r e o f t h e t r e a t me n t a g e n t a r e f o r mu l a t e d ． T h e a g e n t f o r c h a n g i n g w e t t i n g a n d r e mo v i n g b i t b a l l i n g K S Z J一1 w a s d e v e l o p e d ． A n e v a l u a t i o n wa s c o n d u c t e d o f t h e i mp r o v e me n t o f t h e we t t a bi l i t y o f t h e a g e nt a n d t h e p e rfo r ma n c e o f b i t b a l l i n g t h r o u g h t h e e x pe r i me n t s o f we t t a b i l i t y， s urfa c e t e n s i o n a n d a ds o r p t i o n e f f e c t ． Th e e x p e r i me n t a l fi nd i ng s s ho w t h a t o n t h e o n e h a n d，t h e KS Z J c a n for m a u n i mo l e c u l a r a d s o rpt i o n l a y e r o n t h e d r i l l i n g c u t t i n g s u rf a c e t o p r e v e n t t h e c u t t i n g a g g l o me r a t i o n whi c h ma y c a u s e r e p e t i t i v e c u t t i n g ．On t h e o t h e r h a n d， t h e we t t a b i l i t y o f r o c k s u rfa c e a n d p o r o us i nt e r i o r c a n b e i mp r o v e d t o l o we r t h e s u r f a c e t e ns i o n o f r o c k． Mo r e o v e r ， t h e p h y s i c a l a n d c h e mi c a l a ds o rpt i o n o f t h e s t r o ng di r e c t i o na l p o l y mo l e c u l a r l a y e r c a n b e p r o d u c e d i n t h e for m o f o r g a n i c ph o s p hi ne di r e c t i o n a l a d s o rp t i o n a t t h e bi t a n d o n t he BHA f a c e ． As a r e s u l t ， b i t ba l l i n g i s r e d u c e d r e ma r k a b l y ． Ke y wo r ds a d s o rp t i o n e f f e c t ； d r i l l i n g s p e e d； we t t a b i l i t y； b i t b a l l i n g； a c t i o n me c h a n i s m 0 引 言 钻井过程 中钻遇泥页岩地层 ，很容易发生钻屑 吸附 钻头泥包 钻头 ，钻屑颗粒 吸附钻头 和钻 具表面是严重影 响机械钻速 的主要 因素之一 卜 。 钻头泥包不仅增加了扭矩 ，降低 了切削效率 ，而且 在钻杆上形成的泥包有可能切断环空 内的循环 ，甚 至造成卡钻 。改变润湿钻井液技术可 以通过油润湿 行为来阻止钻头泥包 ，因此其必须具 备如下功能 基金项 目中国石油天然气集 团公司应用基础研究项 目 “ 清洁钻头提高钻速钻井液技术研究” 0 6 A 2 0 4 0 3 。 石 油机械 2 0 1 2年第4 0卷第 3期 ①阻止带状物的附聚 ；②阻止裂缝 的复原 ；③阻止 粘土在钻头和 B H A表面上 的吸附 。基于改变 润湿钻井液需要具备的功能要求 ，采用具备强吸附 基团 羟基 、羧基 、胺基 、酰胺基及 磺酸基等 ， 并在金属表面具有极强的选择性定向吸附功能的吸 附基 团如磷酸基 ；有较长的多官能团分子链 以及较 长的烃基侧链的烯烃单体 ，多元共聚得到一种水溶 性的改变润湿防止钻头泥包剂 K S Z J一1 。 笔者首次提出了润湿反转消除钻头泥包的评价 新方法 ，通过润湿性测试 、表面张力测试 、紫外分 光光度计试验 、x射线光电子能谱表征以及粘附聚 集等试验对 K S Z J一1的润湿性和改善钻 头泥包 的 性能进行了评价 ，并针对消除钻头泥包钻井液技术 改变润湿性 ，消除钻屑吸附效应的机理进行 了详尽 的研究，这对于应用于指导钻井液性能设计及现场 施工从而提高钻井速度将起到重要作用 。 1 试验条件及试验步骤 1 ． 1 试验条件 泥页岩 岩 心，蒸 馏水 ，K S Z J一1 ，质 量分 数 4 ％的钠土浆 ；视频接触角测定 仪 O C A 2 0型 ，德 国；全 自动表面张力仪 J K 9 9 B型，上海中晨数字 技术设备有限公司；紫外分光光度计 u V一6 1 0 0 A 型 ，上海元析仪器 有限公司 ；X射线光 电子能谱 仪 P HI Q u a n t e r a S X M 型 ，美 国 P e k i nE l m e r P H I 公 司 。 1 ． 2 试验步骤 1 ． 2 ． 1润 湿 性 试 验 选取容易 吸附钻头 的泥 页岩岩心作 为研究对 象 ，将页岩岩心平均分割成 5等份 ，分别用不 同质 量浓度 K S Z J一1的水溶 液 、质 量分数 4 ％ 的钠 土 浆 、现场模 拟钻井液抽真空 注入 ，然后做 干燥处 理 ，用 O C A 2 0型视频接触角测定仪测水滴在岩石 的润湿接触角 ，通过透镜成像并录像 ，然后 由计算 机程序拟合计算出接触角。 1 ． 2 ． 2 表 面张 力试 验 把不同质量浓度 的 K S Z J一1加入到清水 、质 量分数 4 ％ 的 钠 土浆 及 现 场 模 拟 钻 井 液 中，用 J K 9 9 B型全 自动表面张力仪测定其表面张力 。 1 ． 2 ． 3 紫外分光光度计试验 将吸附剂 粘土放在 6 5℃烘烤箱 内烘烤 2 4 h ，取 出后在保干器中冷至室温。准确称取一定质 量 的 K S Z J 一1 ，加入容量瓶中，然后将基浆溶液加 入到容量瓶刻度处 ，准确配制质量浓度分别 为 0、 2、3 、4、5和 1 0 g ／ L的 K S Z J一1 溶液 ，恒温摇荡 1 0 h 平衡为止 。 1 ． 2 ． 4粘 附聚集试验 配制 0 、1 、2和 5 g ／ L不 同质量浓度 K S Z J一1 的钻 井液 ，钻井 液 配方 为基 浆 4 ％ 土浆 0 ． 1 ％ 8 0 A 5 1 0 ． 5 ％胺 盐 1 ％S P N H1 ％ F T一1 0 ． 5 X Y 一 2 7 。利用 自制的粘附聚集测试仪检测 1组钢管在 受试的钻井液体系中热滚后钢管的粘土吸附状态 。 2 结果及分析 2 ． 1 改变润湿性试验评价 2 ． 1 ． 1 润湿性、表面张力表征 K S Z J 一1改变泥页岩岩心的润湿性表征试验结 果表明 见 图 1 ，随着 处理 强水 湿类 型岩 心 的 K S Z Jl浓度 的增大 ，无 论是水 溶液 、质量分 数 4 ％的钠 土浆 、现场钻井液 ，岩心 的接 触角增大 ， 实现了岩石的润湿性 由强亲水向弱亲水方 向转变 。 钻井液润湿性改变有利于减弱或消除钻屑颗粒在钻 一 ＼ 藿 图 1 K S Z J 一1对钻 井液体 系接 触角影响曲线 F i g ． 1 T h e c u r v e o f t h e KS Z J一1 e f f e c t o n t h e c o n t a c t a n g l e o f t h e d r i l l i n g fl u i d s y s t e m 头 、钻具 表 面 的 吸 附。表 面 张 力试 验 结 果 表 明 见图 2 ，随着 K S Z J 一1质量浓度的增大 ，上述几 图2 K S Z J 一1对钻 井液体 系表 面张力影响曲线 F i g ． 2 T h e C H I v e o ft h e KS Z J一1 e f f e c t o n t h e s ur f a c e t e ns i o n o f t h e d r i l l i n g flu i d s y s t e m 2 0 1 2年 第4 0卷 第3期 杨宇平等改变润湿消除钻头泥包钻井液技术研究 种体系的表面张力均降低 ，从而可以降低岩石的毛 细管力 ，使钻井液更容易渗入钻头冲击井底岩层时 所形成 的微裂缝 中，减小压持效应。图 1和图 2钻 井液配方与试验步骤 中的相同。 2 ． 1 ． 2改 变润 湿减 少虚 泥饼 泥饼对于保护油气层 ，防止钻井过程 中有害粒 子侵入地层对储层的破坏起到了有利的作用 ，但是 虚假泥饼 的产生致使 摩阻增 大，不利 于正常起下 钻 ，严重时可导致压差卡钻。K S Z J 一1通过改变钻 屑及井壁表面的润湿性能 、有效降低其表面张力 ， 使其向减弱亲水方向变化 ，能够把 已经吸附了粘土 的井壁表面润湿，降低表面对粘土颗粒 的吸附性 ， 使粘土从井壁表面解吸 ，这样可以减少或消除井壁 虚泥饼降低泥饼厚度 ，提高泥饼强度 ，这对于消除 钻头泥包 ，利于起下钻都有重要意义。并且 ，需要 额外指出的是 ，减少或消除井壁虚泥饼并通过合理 的工艺措施如紊流顶替 ，活动套管 ，提高排量冲刷 强度较低 的虚泥饼从而降低泥饼厚度这一影响固井 二界面胶结质量的几何参数 ，可以显著提高固井二 界面胶结质量 。 2 ． 2 改变吸附效应试验评价 2 ． 2 ． 1 紫外分光光度计表征 1 工作 曲线。图 3为 K S Z J一1吸附动力学 曲线 。由图可知 ，吸附初期 ，吸附量随时间变化 曲 。o ● ＼ 咖1 莲 图 3 KS Z J一1吸 附动 力 学 曲线 F i g ． 3 T h e d y n a mi c C H I V e o f t h e KS Z J一1 a d s o r p t i o n 线上升很快 ，说 明吸附速率很快 ，5 0 mi n后 ，曲线 趋于平缓 ，滤液浓度变化很小。与 吸附 2 5 0 m i n时 的相比，5 0 mi n后 K S Z J一1的吸附量就 已达到总 吸附量的 9 0 ％以上 ，在 1 ． 5 h后 即达 到吸附平衡。 说明粘土对 K S Z J一1的吸附主要发生在吸附初期 。 2 吸附等温 线。吸 附平 衡关 系可 以用不 同 的方法表示 ，通常用等温下吸附剂中吸附质的含量 q与液相 中吸 附质 的浓度 c之间 的关 系 g l厂 c 来表示 ，称为吸附等温线 。根据吸附剂与吸附质的 不同 ，吸附等温线的形式不同。在几种典型的吸附 等温线 中，向上 凸的 曲线称 为 “ 优 吸” 等 温线 ， 因为在这种体系中，液相中吸附质的浓度较低 ，吸 附剂有较高的平衡吸附量 。不 同的吸附等温线反映 出吸附剂吸附吸附质的不 同机理 ，由此提出了多种 吸附理论和表达吸附平衡关系的吸附等温式 ，常用 的有 L a n g m u i r 方程式和 F r e u n d l i c h方程式等 。 3 L a n g m u i r 模 型。L a n g m u i r方程 式系根 据 单分子层均匀 吸附的假设经理论推导而得 ，其表达 式为 g ㈩ 1 ／ q 1 ／ B1 ／ K B C 式中q 吸附质在吸附剂相 中的质量浓度 ，即 粘土对 K S Z J 一1 处理剂的吸附量 ，g i g ； c 吸附质在液相 中的质量浓度 ，即吸附 平衡时液相中 K S Z J 一1的平衡质量浓度 ，g ／ m E ； 一L a n g m u i r 常数 ； 日 最大吸附量。 当K C ≥1 ，等 温 线为 强优 吸 型等 温 线 ；当 K C 1时 ，等温 线接 近线 性。单 分子 层均 匀 吸 附 液体吸附时 ，溶质与溶剂都有可能被 吸附。当 溶剂的吸附作用为 0或可忽略不计时，则按单组分 吸附来处理 ，即溶液中只有一种组分选择性地被吸 附剂所吸附。1 ／ q与 1 ／ C 的变化关系 曲线见 图 4 。 相关关系很好 ，相关系数为 0 ． 9 9 3 7 8 。 图 4 吸 附等 温 线 L a n g mu i r模 型 的 拟 合 Fi g ． 4 F i t t i ng o f a d s o r pt i o n i s o t he r ma l L a ng mu i r mo d e l 4 F r e u n d l i c h模 型。F r e u n d l i c h方程 式是 一 个经验关系式 ，适合稀溶液的吸附，表达式为 q G 1 ／ 2 式中g 土壤对 K S Z J一 1处理剂的吸附量，g ／ g ； K 广吸附系数 ，即与吸附剂种类 、特性 、 温度及所采用单位有关 的常数 ； 1 ／ n 与温度有关 的常数 ，表示吸附的非 线性程度 。 由 F r e u n d l i c h等温式变为 6 石 油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 3期 l g ql g 巧 1 ／ n l g C 以 l g q对 l g C 。 制图，可得直线 ，截距为 l g K i ， 斜率为 1 ／ n 。q与 C 的对数关系见图 5 。F r e u n d l i c h 方程表示吸附量与吸附质在液体中浓度 的分数幂次 成正比。浓度增大 ，吸附量 q随之增加 。但 c 增 至一定程度后 ，吸附量 已饱和而不再变化。 一 。o ● ＼ 血】 莲 图 5 吸 附等 温线 F r e u n d l i c h模 型 的拟 合 F i g ． 5 F i t t i n g o f a d s o r p t i o n i s o t h e r ma l F r e u n d l i c h mo d e l F r e u n d l i c h模 型 相关 系数 为 0 ． 9 3 1 2 1 。说 明 L a n g m u i r 等温式更适合描述 K S Z J 一1 处理剂在粘土 上的吸附行为 ，由此证 明 K S Z J一1处理剂在粘 土 上的吸附属于单分子层吸附。 2 ． 2 ． 2 X射线光电子能谱表征 结合能／e V a ． D0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 结合 能／ e V c ． O5 g ／ L 1 K S Z J 一1在金属表面吸附表征 。金属钻头 在不同质量浓度 P的 K S Z J 一1 水溶液 中表面吸附状 况的表征分析如图 6所示。可以看到 ，金属铁片在 没有任何 吸附的时候 ，在 7 1 1 e V位置 出现 了明显 的 F e ， P 峰，并伴有 A 1 、Mg 、S n等金属元素 ，在 5 3 2 e V位置出现了 O 1 S 峰 ，峰值不高 ，使用 X P S溅 射金属表面 1 n m，O 1 S 峰明显减 弱，这足 以证明是 由于未吸附 K S Z J一1的金属样 品放置过程 中金属 表面与空气中氧发生了少量的反应氧化缘故 ；当金 属在P 2 g ／ L的 K S Z J一1水溶液 中处理后 ，元 素 谱带发生了明显 的改变 ，F e P 、F e 峰 明显减弱 或消失 ，而相应地 ，C 1 S 、N1 S 、P 2 p 、S 2 p峰值开 始凸显 ；当金属在 P5 L的 K S Z J一1水溶液 中 处理后 ，F e P 、F e 元 素谱 带 已经 完 全 消 失 ， C 1 S 、N 1 S 、P 2 p 、S 2 p元素谱 带显现 很强 的峰值 ； 当金属在 P2 g ／ L的 K S Z J一1水溶液 中处 理后 ， 元素谱带与P 5 g ／ L的 K S Z J一1水溶液 中处理后 的变化不大。同样 ，也分析 了钻井液在金属表面的 吸附情况。如图7所示 ，加入了P1 0 g ／ L的 K S Z J 一 1 的钻井液相比基浆的 X P S扫描全谱明显具有了 K S Z J 一1的特征峰。由此可以证 明 K S Z J一1在金属 表面存在有效吸附。 结合 fi l l e V b ． D2g ／ L 结合f il l e V d ． p1 0 g ／ L 图 6 不 同质量浓度的 K S Z J 一1水溶液在金属表 面的 X P S全谱 扫描谱 F i g ． 6 T h e XP S f u l ls p e c t r u m s c a n n i n g s p e c t r u m o f K S Z J一1 wa t e r s o l u t i o n s wi t h d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o n me t a l s n r f a c e 2 K S Z J一1在金属 表 面吸 附层厚 度表 征。 K S Z J 一1 在金属表面存在着有效吸附，可进一步分 析 K S Z J一1在金属表 面吸附层的厚度。对 吸附层 厚度的分析对于研究 K S Z J一1在金属 表面吸附 的 吸附机制 、分析减少泥包现象 以及指导实际生产都 有着重要的意义。 5 4 3 2 1 秘捉 5 4 3 2 1 秘靛 5 4 3 2 1 释按 5 4 3 2 1 秘莨 2 0 1 2年第 4 0卷第 3期 杨 宇平等 改变润湿消除钻 头泥 包钻 井液技 术研 究 图 7 K S Z J一1 钻 井液在金属表 面的 X P S全谱扫描谱 Fi g ． 7 Th e XPS f u l ls pe c t r u m s c a n ni ng s p ec t rum o fK S Z J 一 1 d r i l l i n gfl u i d o n me t a l s u r f a c e 利用 x射线光电子能谱溅射的方法分析了吸 附层厚度 见图 8 。试验的溅射条件 为 扫描型 A r 枪 ，面积为 11 m m ，溅射速率约为 1 4 n m ／ mi n ，能量为 2 k V，发射电流为 2 0 m A。当溅射 1 0 n m深度的时候 可以看到 ，谱 图并没有发生 明显的 变化 ；当继续溅射 1 0 0 n m深度 的时候 ，K S Z J一1 的特征谱带 明显减弱或着消失 ；当溅射到 2 0 0 F i B 的时候出现了金属 的特征谱峰 F e P 峰值 ，2 5 0 n m 的时候该峰值增强 ，而 K S Z J一1的特征谱峰逐 渐 减弱直至消失 。由此可 以确定 K S Z J一1在金 属表 面吸附层的厚度约为 2 0 0 n m。 越 氍 霞 图 8 金属表 面薄膜全谱溅射深度分析 Fi g ． 8 Th e f u l ls p e c t ru m s p u t t e r i n g d e p t h a na l y s i s o f me t a l s ur f a c e fil m 3 K S Z J一1在 金 属 表 面 吸 附 机 理 分 析 。 K S Z J 一1先通过静电引力和范德华力作用在金属表 面物理吸附，如图9所示 ，一方面 K S Z J 一1通过磷 酸基上 的 P原子 的孤对 电子与苯 环中的 盯电子的 共轭作用使 电子流动性增强 ，更易转移而 与 F e原 子发生化学吸附作用 ，形成配位键 。P原子与苯环 中的 1 T电子对 K S Z J一1的金属吸附有重要的作用 。 除 了 P原子 的孤对 电子与苯环中的 叮 T 电子的共轭 作用 ，P上 的氧原子亦是吸附 中心 ，表现 出供电子 能力。氧原子上的孤对 电子亦可 向金 属 F e提供电 子 ，形成配位键 ，增强 K S Z J一1与 金属 的吸附作 用 。而且 K S Z JI较长 的有机分子侧链 取代基 的 平面性好 ，增大了其对金属表面的覆盖面积 ，有利 于 K S Z J 一1在金 属表面 的吸附 ，同时较 长 的有机 分子侧链取代基又增加了吸附层的厚度。 a ． 电子 供体 b ． 电子 接受 体 图9 K S Z J 一1 在钻具表面吸附机制示意图 F i g ． 9 T h e d i a g r a m o f KS Z J一1 a d s o r p t i o n me c h a n i s m o n d r i l l i n g t o o l s u r f a c e 另一方面，羧基 、胺基 、酰胺基 中的 C0双 键和 N原子上的孤对电子 同铁外 围空轨道 的共 价 键结合发 生配位 ，铁是 电子接受 体 ，而 羧基 、胺 基 、酰胺基为电子供体 。铁原子最外层电子排布为 3d 。 4 s ，它成单电子数较多 ，属于高 自旋 型。当形 成配合物时 ，因受到电负性较大 的配位体原子氮的 影响，使得外层电子发生重排，形成 p 。 轨道。 羧基 、胺基 、酰胺基是吸附在金属表面 ，而非极性 烷基直连或支链则位于离开金属 的方向，形成憎水 膜 ，即增加了吸附层的厚度 ，又起到了消除泥包的 作用。金属 F e具有未 占满 的 d轨道 ，有得到电子 的趋势 ；同时 d轨道中已有 的电子由于受到较小的 核引力 ，因此也容易供 出。K S Z J一1上有大 叮 r 键 ， 就会有 电子进入铁的空的 d轨道 ，反 轨道 又可接受铁 的 d轨道 中的电子而形成反馈键 产生多吸附中心的化学吸附作用。 2 ． 2 ． 3粘 附聚 集试验 图 l 0为不 同钻 井 液 中的 聚集 情况 。图 中带 “ ”号的为 基浆 4 ％土浆 0 ． 1 ％8 0 A 5 1 0 ． 5 ％ 胺盐 1 ％S P N H1 ％F T一1 0 ． 5 X Y一 2 7 。币 0 用 1 组钢管在受试的钻井液体 系中观察热滚后钢管的粘 土吸附状态。可以看到钢管在 基浆 中热滚 1 6 h之 后粘土吸附或 泥包 非常严 重 ，在 同样 的试验条件 下 ，逐渐提高 K S Z J一1的加量 ，吸 附 泥包 现 象明显减弱 。当 K S Z J 一1加量至 5 L时 ，粘土不 再吸附。 由此可见 ，K S Z J一1在 钻头 、B H A表 面能够 以有机膦定 向吸附的形式形成强定 向多分子层物理 和化学吸 附，在金 属表 面形成 润滑油膜 提高润滑 性，显著消除钻头泥包；另外，还可以有效降低环 空摩阻，降低扭矩 ，从而有效减小环空压力降，增 大钻头水马力，有效提高机械钻速。 道 化 轨 杂 ● ●● ● ●● ●● ● ●●●●●●●●● ●●●●● ●●●