硅酸盐／聚合物防塌泡沫钻井液研究.pdf

石油 天然 气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 4 年 3 月 第 3 6 卷 第 3 期 J o u r n a l o f O i l a n d Ga s T e c h n o l o g y J ． J P I Ma r ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 3 硅 酸盐／ 聚合物 防塌泡沫钻 井液研究 吴婷婷 ，张烈辉 张宇睿 油 气藏地质及开发工程国家重点实验室 西南石油大学 ， 四川成都。 ’ 。 0 0 魏栋超 中 石油 川庆钻探工程 有限公司， 四J l I 成都6 1 0 0 5 1 [ 摘 要]针对泡沫钻井液在钻遇大段水敏性泥 页岩地层 时易引发井壁 失稳 问题 ，室内通过对发泡 剂、稳泡 剂、泥页岩抑制剂 的评价 与筛选 ，形成 了以脂肪 醇 聚氧 乙烯醚磷 酸钠 AE S 为 发泡 剂、黄原胶 X c 为稳泡剂、Kz 0 和聚 乙烯醇 P VA为抑制剂的 防塌泡 沫钻井液体 系。综合性能评价 表 明该体 系具 有 良好的发泡性能 ，其抗温和抗污染 能力较强 。在 防塌 性能 方面，该 泡沫钻 井液 能有效 降低 泥页岩 自吸 水速度 ，具有较高的持 久抑 制性能 以及硬 度测 试结果 。通过膨 润土 X R D分析 以及 成膜 性 能分析 可 以看 出，通过 两者协同作用 ，硅 酸钾可形成凝胶物质或沉淀 封堵 泥页岩 岩样孔 隙或 裂缝 ，并 与聚 乙烯醇作 用 在岩样表 面形 成一层憎水膜 。 同时钻井液 中部分小分 子能进 入黏 土 晶层，加强 黏土层 间连接 力， 因而能 有效防止钻井液 中自由水侵入 ，实现泡沫钻井过程 中的井壁稳定 。 [ 关键词]泡沫钻井 ；硅酸钾 ；聚 乙烯醇 ；防塌泡沫钻 井液 [ 中图分类号]T E 2 5 4 [ 文献标 志码 ]A [ 文章编号]i 0 0 09 7 5 2 2 0 1 4 0 3 0 0 8 2 ～ 0 6 泡沫钻井技术作为欠平衡钻井中的一种 ，在提高机械钻速、减少地层漏失 、防止压差卡钻 、保护储 层等方面具有独特的优势 。然而，当泡沫流体钻遇大段水敏性泥页岩地层时，由于泡沫流体不能在井壁 形成泥饼，且泡沫钻井液液柱压力不能平衡地层坍塌压力 ，因此随着钻井 时间的增加，泥页岩水化加 剧 ，最 终导 致井 壁失 稳 问题 l 】 ] 。针对 泡沫 钻井 井壁 失稳 问题 ，选择 性 能优越 的 防塌处 理 剂配 方 是 目前 解决这一问题最为普遍、最为有效的办法。为解决上述泡沫钻井中出现的问题 ，开展了硅酸盐／ 聚合物 防塌泡 沫钻 井液研 究 ，对该 泡 沫钻井 液 的基本 性 能和 防塌性 能进 行 了评 价 ，并对 其 防塌机 理进 行 了相应 的研 究 。 泡沫钻井液处理剂优选 1 ． 1发泡 剂 的优 选 发 泡剂 按其 性 能 可 分 为 阴 离 子 发 泡 剂 、 阳离子 发泡 剂 、非离 子发 泡剂 和两性 发 泡剂 4种 类 型 ，不 同 的 发 泡 剂 ，其 发 泡 性 能 不 同 。针 对 发 泡 剂 的性 能 和 成 本 ，室 内 采 用 W a r i n g ～ B l e n d e r 法 _ 9 分 别测 定 了 4种 发泡 剂 的起 泡 能 力 ，包 括 AO S 、 K1 2 、AB S和 表 1 不 同 类型 发 泡 剂 性 能评 价 发泡剂类型 0 4 至 旦 譬 0 6 墅 鱼 型 0 8 1 0 ． ． ． ． A E S，试验结果见表 1 。从表 1 可 以看出，当加入的发泡剂质量分数相 同时，不同发泡剂 的发泡性能有 明显 的区别 ，其 中 K1 2 、AB S 、AE S泡 沫性 能较好 ，发 泡体 积都 超过 5 0 0 mI 。但 由于 AE S抗硬 水 能力 相对于其他 2 种较强，因此优选 AE S作为该配方的发泡剂 。 1 ． 2稳泡 剂 的优选 为 了提高 泡沫 的稳定 性 ，通 常 向泡沫基 液 中添加增 黏 剂作 为稳 泡剂 。其 可提高 液膜 的黏 度 ，降低 流 [ 收稿 日期 ]2 0 1 3一i 0 2 8 [ 作者简介]吴婷婷 1 9 8 9一 ，女 ，2 0 1 2年大学毕业 ，硕士生 ，主要从事欠平衡钻 井方面 的研究与学习。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 3 期 吴婷婷 等 硅 酸盐／ 聚合物防塌泡沫钻 井液研 究 动 度 ，减缓 泡沫排 液 速度 ，从而 增加 泡 沫 的稳 定 性 l 1 。然 而 ，稳 泡 剂 的 加 入 虽可以提高泡沫的稳定性能 ，同时也会 影 响泡 沫 的发泡 能力 。室 内选用 稳泡 剂 X C和 C Mc，考察其对质量分数为 1 的 AE S发泡 剂 发 泡 性 能 的影 响 ，试 验 结 果见 表 2 。从 表 2可 以看 出 ，随着 稳 泡 剂 X C和 C MC质 量 分 数 的增 加 ，泡 沫体积降低 ，泡沫半衰期增加。通过室 内试验 结果 对 比可 知 ，X C对 质 量 分 数 为 1 的 AE S发 泡 剂 的发 泡 体 积 影 响 较 C MC小 ，且 稳泡 能 力 更 为 优 越 。因 此 ，选 用 X C作为 该配方 的稳泡剂 。 1 ． 3抑制 剂 的优 选 表 2 加入不同稳泡剂泡沫性能参数 表 3抑 制剂 的性 能评 价 防塌泡沫钻井液配方 百分数 为质量分数 滚动 回收率／ 1 ％AE S 0 ． 3 XC 1 AE S 0 ． 3 ％XC 1 P VA 1 AES 0 ． 3 XC 1 PVA 1 K 2 S i O4 1 ％AE S 0 ． 3 XC 1 P VA2 ％K 2 S i O4 目前解决泡沫钻井井壁稳定 的方法主要是添加抑制剂 ，以减少泥页岩地层水化的程度。常用的处理 剂包括无机盐和有机类物质 “ ] 。表 3为该泡沫钻井液泥页岩抑制剂的优选结果。从表 3可 以看出，通 过硅酸钾与聚乙烯醇相互匹配 ，可实现泥页岩抑制性能大幅提升 ，有利于泡沫钻井 中的井壁稳定 。通过 对 泡沫 钻井 液泥 页岩 抑制剂 的优 选可 以看 出 ，当泡 沫钻 井 液配 方 为 1 AE S 0 ． 3 XC 1 9 ／ 6 P VA 2 K。 S i O 配方里的百分数为质量分数 ，泥页岩滚动回收率高达 9 6 ． 1 5 9 ／ 6 ，其发泡体积为 5 3 0 mL，半衰 期 为 2 4 ． 7 5 mi n 。因此 ，试 验 中选 用该 泡沫 钻井 液配 方进 行综 合性 能评 价 。 2 泡沫钻井液性能评价 2 ． 1抗污 染性 能评 价 当采用 泡 沫钻井 液 进行钻 井 时 ，为 确保井 下泡 沫钻 井液性 能 的稳定 ，因此需 要泡 沫钻 井 液具 有较强 的抗 污染 能力 。室 内对 优选 泡沫 体 系 的抗油 、抗 盐和抗 岩 屑污染 进行 了评 价 ，试 验结果见表 4 。其中，抗油污染是在泡沫体系 中加入煤油，抗盐和抗岩屑是在泡沫体系中加 入 Na C 1 和过 1 0 0目筛 的 岩 屑 。从 表 4的试 验 结果 中可 以看 出 ，该 泡 沫体 系具 有 良好 的抗 污 染 性 。 2 ． 2抗 温性 能评 价 实 际钻井 中，随井 深增 加 ，井底 温度 也随 之上升 ，泡沫的发泡体积和稳定性也将受到影 响 ，因此需要 泡沫钻井液具有 较强 的抗温性 表 4 泡沫钻 井液抗 污染性试 验 温度／ ℃ 泡沫体积／ mI 半衰期／ mi n 室 温 7 0 90 11 O 1 3 0 能。为评价泡沫钻井液体系的抗温性 ，将泡沫体 系在室温、7 O 、9 0 、1 1 0 、1 3 0 ℃的条件下老化 1 6 h ，考 察其发泡能力和稳定性 ，试验结果见表 5 。从表 5中可 以看 出，随着温度的增加 ，体系的发泡体积逐渐 增大 ，表明该泡沫体系抗温能力强；半衰期随着温度 的增加而降低，因此 ，在泡沫钻井过程中，可根据 实 际情况 调节 泡沫 基液 黏度 ，保证 出 口泡 沫 的连续性 。 2 ． 3井壁 稳 定性 能评价 2 ． 3 ． 1 泥 页 岩 自吸性 能评价 在泡沫钻井过程中，由于泡沫流体 的热力学不稳定性导致 的排液行为 ，泡沫基液与泥页岩地层之间 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天 然气工程 2 O l 4 年 3 月 的化 学 势 差 以及 在 泥 页 岩 强 亲 水 性 条 件下 的毛细 管作用 力等影 响因素 ，促 使 泡沫 流 体 中 的 自 由水 不 断 侵 入 泥 页 岩 地 层 ，从 而 导 致 泥 页 岩 地 层 中水 敏 性 黏 土 矿 物 水 化 加 剧 ，进 而 引 发 井 壁 失稳 问题 。 因 此 ，必 须 有 效 地 降 低 泥 页 岩 的 自吸 水 速 度 。室 内采 用 泥 页 岩 自吸测 量 仪 对 泥 页 岩 岩 样 进 行 泥 页 岩 自吸 测 试 ，评 价 该 泡 沫 钻 井 液 对 泥 页 岩 吸 水 的 影 响 ，其 试 验结 果 如 图 l所 示 。从 图 1可 知 ，优 选 的泡 沫 钻 井 液 体 系 能显 著 地 降低 泥 页岩 的 自吸 速 度 ， 减小 水 侵 入 的深 度 ，有 效 地 减 缓 泥 页 岩 的水 化 过 程 ，从 而 实 现 维 持 井 壁 稳 定 的作 用 。 2 ． 3 ． 2滚动 回收试 验 将 一 定大 小 、一定 质量 的泥 页岩 岩 样放入盛有特定处理液的高温罐中进行 滚 动评 价 ，通 过 回收率 的大 小来 判断 处 理 剂 的 抑 制 能 力 。室 内 评 价 了 清 水 、 1 0 0 ％白油 、质 量 分 数 0 ． 5 聚 丙 烯 酰 胺钾 盐 KP AM 、未 添 加 抑 制 剂 的 泡 沫基 液 和防塌 泡沫 钻井 液对 须 家河组 泥 页岩 岩样 的一 次 回收 率 ，同时也 评价 了 面 埘 l 泥页岩吸水时f H J ／ m i n 图 1泥页岩 自吸水试验 表 6泥页岩滚动回收试验 注 热滚条件 8 o C1 6 h 。表 中空 白表示未测。 经不 同配方处理后 的岩样在清水中的二次清水 回收率 ，其试 验结果见表 6 。从表 6可以看出，硅酸盐／ 聚乙烯醇 防塌泡沫钻井液一次回收率高达 9 6 ． 1 5 ，较泡沫基液大 幅度提 高，略高于质量分数 0 ． 5 KP AM 溶液 ，并接近于白油的测试结果 ，表现出较强的抑制性能。从二次清水 回收率方面看 ，防塌泡 沫钻井液 的二次清水回收率高达 9 0 ． 3 4 。表现出持久的抑制性能 ，而经其他处理剂热滚后 的岩样 ，其 二次清水 回收率等同于岩样在清水中直接热滚后的回收率 。 2 ． 3 ． 3泥 页岩硬 度 测试 硬 度 测 试 用 于 测 定 泥 页 岩 岩 样 暴 露 4 于测试 溶 液 中 一 段 时 间 以 后 岩 样 强 度 大 小的变化 ，其 强度 的大小 与泥 页岩 自身 ． 的水化 能 力 以 及 所 接 触 溶 液 的 抑 制 性 能 有关 ] 。相同条件下 ，测试压力越大，试 罢 验岩样越 硬，处 理液抑制 性能越 好。室 内采用 自制泥页岩硬度测试仪对经白油、 警 质量 分 数 0 ． 5 OKP AM 和 优 选 的 防塌 泡 1 沫钻 井 液 处 理 后 的 泥 页 岩 岩 样 进 行 硬 度 测试 ，其试验结果如图 2所示。从 图 2可 以看 出 ，优 选 的 防 塌 泡 沫 钻 井 液 对 于 维 持泥页岩硬度 ，更优 于单一 聚合物 抑制 剂 KP AM ，较 为 接 近 白 油 的 测 试 结 果 。 因 此 ，从 硬 度 钡 4 试 的 角 度 ，该 防 塌 泡 沫 O 3 6 9 1 2 1 5 旋转罔数／ r 图 2不 同处 理剂 硬 度 测试 结 果 5 4 5 3 5 2 5 1 5 O 4 3 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 3期 吴婷婷 等 硅酸盐／ 聚合 物防塌泡沫钻井液研究 钻井液对于提高泥页岩地层泡沫钻井井壁稳定方面具有突出的作用 。 3 泡沫钻井液防塌机理研究 3 ． 1 膨润 土 X RD分 析 从 井壁 稳定 性评 价试 验可 以看 出 ，该 防塌 泡 沫钻井 液具 有较 强 的抑 制泥 页岩 自吸水 的能力 、较 高的 滚 动 回收率 和较 高的硬 度测 试结 果 。为进 一步 分 析该 泡 沫 钻 井 液 的 防塌 机 理 ，室 内采 用 I n n o v X T e r r a 便 捷式 X射 线衍 射仪 功 率 8 5 ～ 9 0 W ，X 射 线 管 功 率 1 0 W ，C u靶 ，XR D 分 辨 率 0 ． 2 5 。 ，2 0范 围 5 ～ 5 5 。 对膨 润土 干样 热烘 1 0 5 ℃ 4 h 、经 清水处 理 后 的膨 润 土 湿样 热 滚 8 0 ℃ 1 6 h 以及 经 该 防 塌 泡沫 钻井液 处理后 的膨 润 土湿 样 热 滚 8 0 ℃ 1 6 h 和 干样 热 烘 1 0 5 ℃ 4 h 进行 XR D分 析 ，试 验 结 果 如 图 3所示 。 从图 3可以看出，对于膨润土于样 ，在低角度 2 05 ～1 O 。 之 间存在一个 明显的特征峰 ，从该峰可 以得出该膨润土干样层 间距为 1 0 ． 2 9 A。随着膨润土水化 的加剧 ，水分子不断进入黏 土晶层间 ，使得该 特征峰将不断向低角度移动。经清水热滚后 的膨 润土湿样 ，由于此时的特征峰 已经超 出仪器的测定范 围，所以对于测定 的膨润土湿样近似为一条直线 ，但其湿样的层间距将显著高于膨润土干样 。泡沫钻井 液处理后的膨润土干样 ，其层间距为 1 2 ． 9 A，高于膨润土干样 ，这说明泡沫钻井液中的抑制剂能进入黏 土晶层间作用。对于泡沫钻井液处理后湿样 ，其膨润土层间距为 1 4 ． 2 7 A，高于泡沫钻井液处理后干样， 而远低于清水处理后湿样 。这说 明泡沫钻井液 中仍有部分水分子能进入黏土 晶层结构 中，但 由于硅酸 钾／ 聚乙烯醇抑制剂的存在 ， 使得膨润土各晶层间的连接力以及 晶层间空间阻力得到加强，因此，能阻 碍水分子的进一步进入，从而抑制黏土水化膨胀。 3 0 0 25 0 2 0 0 饕 1 0 O 5 O O 3 0 0 2 5 0 2 0 0 嚼 萎1 5 o 1 0 O 5 O 0 8 1 0 1 2 l 4 1 6 角度2 0 ／ 。 a 膨润土一 千样 6 8 l 0 1 2 1 4 1 6 角度2 0 ／ 。 C 钻井液处理一 千样 3 0 0 2 5 0 2 0 0 饕 1 O O 5 O O 3 0 0 2 5 0 2 0 0 罂 1 0 0 5 O O 6 8 】 0 1 2 l 4 1 6 角度 2 0 ／ 。 b 膨润士 一 湿样 6 8 l 0 1 2 l 4 1 6 角度 2 0 ／ 。 d 钻井液处理一 湿样 图 3经不同处理方式处理后 的膨 润土 X RD分析 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 3期 吴婷婷 等 硅酸盐／ 聚合物 防塌 泡沫钻井液研究 8 7 舒小波 ，万里平 ，孟英 峰，等 ．复配发泡剂泡沫循 环利用研究E J ] ．西安石油大学学报 自然 科学版 ，2 0 1 1 ，2 6 3 张振华，鄢捷 年，樊世忠 ．低密度钻井流体技术E M] ．东营 石油大学出版社 ，2 o o 4 ． 1 2 2 ． 丁锐 ．钻井液防塌剂的作用方式及 分类厂 J ]．石油大学学报 自然科学版 ，1 9 9 8 ，2 2 6 1 2 5 ～1 2 8 ． 蓝强 ，邱正松，王毅 ．硅酸盐钻井液防塌机理研究E J ]．石油学报 ，2 0 0 7 ，2 8 5 1 3 3 ～1 3 8 ． 徐加放，邱 正松 ，吕开河 ．硅酸盐钻井液 防塌机理与应用技术 [ J ]．石油勘探与开发 ，2 0 0 7 ，3 4 5 6 2 2 ～6 2 7 ． 梁大川 ．硅酸盐钻井液稳 定井壁机理分析[ J ]．西南石油学院学报 ，l 9 9 8 ，2 0 2 5 3 ～5 5 ． 丁锐 ，邱正松 ，李健鹰 ．硅酸盐稳 定黏 土作用机理研究 E J 3．天然气工业 ，1 9 9 7 ，1 7 1 3 6 ～3 8 ． [ 编辑] 6 2～ 6 6 帅群 上接 第 7 1页 3 认识与结论 1 精细井震标定赋予了那些基于同相轴的地震属性 以更 明确的地质意义 ，同时可 以提高层位 的解 释精度 ，进而提高地震属性 的表征精度。 2 在松辽盆地临江南地区，均方根振幅属性对砂体很敏感 ，能很好地显示砂体的展布规律 ，所 以 在研究 区利 用均 方根 属性 辅助研 究沉 积相 是合 理 的 。 3 研究 区沉积相 主要 为 曲流河 相 和浅 水 三 角 洲 相 ，扶 I油 组 1小 层 主要 以浅 水 三 角 洲 沉 积 为 主 ， 扶 I油组 2小层 、3小层 主要 以曲流河 沉积 为主 。 [ 参考文献] [ 1 1王世瑞 ，王树平 ，狄帮让 ，等 ．基于地震属性特征的河道砂体 预测方法 口]．石油地球物理勘探 ，2 0 0 9 ，4 4 3 3 0 4 3 1 3 ． [ 2 ]张伟 ，高刚 ，桂志先，等 ．地震属性分析技术在 B N4 4区储层预测 中的应用 E J 3．石油天然气学报 江汉石油学院学报 ，2 0 0 8 ，3 0 6 7 9 ～ 8 2 ． [ 3 1宁松华 ，贾民强，龚丹 ．托浦 台石炭系砂泥岩储层预测 [ J ]．石油天然气 学报 江汉石油学院学报 ，2 0 0 6 ，2 8 4 4 ～7 ． E 4 2张荣忠 ，季玉新 ，崔凯 ，等 ．油储地球 物理综合描述技术 [ J ]．勘探地球 物理 进展 ，2 0 0 2 ，2 15 1 5 5 ～6 2 ． E 5 1王玉梅 ，季玉新 ，李东波 ，等 ．应用地成属性技术预测 A 地区储层 [ J ]．石油物探 ，2 0 0 1 ，4 0 4 6 9 ～7 6 ． [ 6 ]鲍祥生 ，尹成 ，赵伟，等 ．储层顶测的地震属性优选技术研究 [ J ]．石 油物探 ， 2 0 0 6 ，4 5 1 2 8 3 3 ． E 7 ]凌云研究组 ．基本地震属性在沉积环境解释中的应用研 究 [ J ]．石油地球物理勘探 ，2 0 0 3 ，3 8 6 6 4 2 ～6 5 3 ． [ 编辑] 龚丹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m