基于仿生技术的强固壁型钻井液体系.pdf

2 0 1 3 年 8 月 石油勘探与开发 PETRoLEUM EXPLoRAT1 0N AND DEVEL0PM ENT Vo 1 ． 4 0 No． 4 49 7 文 章编号 1 0 0 0 0 7 4 7 2 0 1 3 0 4 0 4 9 7 ． 0 5 D OI 1 0 ． 1 1 6 9 8 ／ P E D． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 1 7 基于仿生技术的强固壁型钻井液体 系 宣扬，蒋官澄，李颖颖 ，耿浩男 ，王金树 中国石油大学 北京 石油工程学院 基金项目国家 自然科学基金项目 5 1 0 7 4 1 7 3 ；中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目 “ 钻井新技术新方法研究” 摘要基于仿生技术，模仿海洋生物贻贝分泌的贻贝蛋 白具超强黏附性 能的特点，合成 了仿生固壁剂 G B F S ． 1和仿 生页岩抑制剂 YZ F S 一 1 ，并以这 2种仿生处理剂为核心，研制 了可有效加固井壁并维持井壁稳定的仿生钻井液体系。 2种仿生处理剂的性能评价结果表明 G B F S 一 1 具有 良好的降滤失性能， 且在井壁岩石表面形成的仿生壳能胶黏岩石， 胶黏能力强于常见的市售胶黏剂；YZ F S ． 1具有 良好的抑制页岩水化膨胀和分散、剥落的能力，抑制效果优于目前国 内常用的页岩抑制剂 ，且有 良好的造浆抑制能力。通过处理剂配伍性评价和加量优化，确定了仿生钻井液体系的配 方，对其性能进行 了评价并与现场应用 的某种防塌钻井液体系进行 了对 比，结果表 明仿生钻井液体系各项基本性 能 良好 ，且能有效抑制 页岩水化膨胀和分散剥落，总体上优于对 比钻井液体系。图 6表 5 参 1 3 关键词井壁稳定；仿生技术；固壁剂；页岩抑制剂；钻井液 中图分类号T E 2 5 4 文献标识码A A b i o m i m e t i c dr i l l i n g flu i d f o r we l l bo r e s t r e ng t h e n i ng Xu a n Ya ng ， J i a n g Gua nc he n g， Li Yi ng y i n g， Ge n g Ha o na n， W a ng J i ns h u MO E Ke y L a b o r a t o r y o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty o f Pe t r o l e u m， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n b i o mi me t i c t e c h n o l o g y , we l lb o r e s t r e n g t h e n e r GB F S - 1 a n d s h a l e i n h i b i t o r YZF S -- 1 we r e s y n t h e s i z e d i mi t a t i n g the mu s s e l pr o t e i n whi c h ha s s u pe r a d he s i on ． A ne w d r i l l i ng flui d s y s t e m c e n t e r i ng on t he t wo b i o mi me t i c a g e n t s wa s de s i g ne d a n d p r e p a r e d i n o r d e r t o e nh an c e t he s t r e n g t h of s h a l e r o c k s n e a r we l l bo r e a n d ma i n t a i n we l l b or e s tab i l i t y． Va rio us i nh i b i t i on e v a l ua t i o n t e s t s s ho w t h a t YZFS一 1 c a n s tron g l y i nh i b i t c l a y h y d r a t e d s we l l i ng an d t h e r e s u l t i ng s h a l e d i s p e r s i o n，d u e t o the a d s o r pt i o n an d s e l f - p o l yme r i z a t i o n o f YZFS- 1 mo l e c u l e s i n t h e i n t e r l a y e r of c l a y ． Be s i de s t h e a bi l i t y o f c o n trol l i ng flu i d l o s s ， GBFS- 1 c a n a l s o a dh e r e t o s h a l e r o c k， pr o d u c e de ns e and wa t e r i mpe r me a bl e bi o mi me t i c s h e l l t ha t ha s r e l a t i v e s tro n g c o h e s i o n s tre n g t h a f te r s p o n t a n e o u s c u r e ． The s h e a r s tre ng t h t e s t s s h o w tha t t h e s h e a r s tre n g t h o ftw o s ha l e p i e c e s g l u e d t o g e t he r by t he bi omi me t i c s h e l l i n a q u e o u s e nv i r o nme n t i s o b v i o u s l y s tro n ge r tha n g l u e d b y s e v e r a l c o mmo n l y u s e d b i n d e r s ． T h r o u g h c o mp a t i b i l i ty e v a l u a t i o n a n d d o s a g e o p t i mi z a t i o n o f the a d d i t i v e s ， the f o rm u l a o f bi o mi me t i c d r i l l i n g flui d wa s e s t a b l i s he d，a nd i t s pe rfo r man c e wa s e v a l ua t e d an d c o mpa r e d wi t h a no t he r an t i - c a v i n g d r i l l i ng flu i d ．Th e r e s ul t s s h o w the bi o mi me t i c dr i l l i n g flu i d i s b e ae r i n a l l b a s i c pe r f o rm a nc e s tha n t h e a n t i c a v i n g d r i l l i n g fl ui d o n the wh o l e ．an d C an e ffe c t i v e l y i nh i bi t s ha l e s we l l i n g a n d d i s pe r s i o n． Ke y wo r d s we l l b o r e s tab i l i ty； b i o mi me t i c t e c hn o l o g y ； we l l b o r e s tr e n g t h e n e r ； s h a l e i nh i b i t o r ； d r i l l i n g fl u i d 0引言 井壁稳定问题一直是困扰国内外钻井界的难题 ， 井壁失稳引发的事故平均每年造成近 1 0 1 0 美元的 经济损失【 l 】 。 大多数研究者以减轻钻井液对井壁稳定性 的不利影响为主要 目标 ，研究能避免井壁失稳的钻井 液体系[ 2 培 ] 。然而 ，由于不能完全抑制泥页岩的水化膨 胀 或阻止 自由水 的滤失 ，这些钻井液体系只能在一定 程度上减轻井壁失稳所造成 的影 响，不适用于极易坍 塌或造浆 的地层 。为了从根本上避免井壁失稳引起的 缩径卡钻、井壁坍塌等工程事故 ，应该随钻将井壁岩 石直接加固，大幅提高井壁岩石 的力学稳定性 ，这是 近年来 国外学者最新研究的井壁强化技术。由于不能 克服岩石表面亲水性的影响 ，到 目前为止这项技术仍 处于探索阶段，未能实现井下随钻加固岩石。 仿生技术是研究生物体的结构、功能和工作原理 ， 并将其移植于工程技术中， 用以解决工程难题的新兴技 术类别 ， 还没有被应用于钻井液体系的研究。本文基于 仿生技术 ， 模仿海洋生物贻贝的特点，研究在井下环境 条件下能高效随钻加固井壁岩石的仿生钻井液体系。 1仿生处理剂作用机理 海洋生物贻贝分泌 的足丝蛋白具有超强的黏附能 力 ，能够在水环境下牢固地黏附在几乎任何基材上 ， 包括金属、岩石 、聚合物膜等【 9 】 。贻贝蛋 白这种超强的 黏附性能来源于其中包含的一种关键基团 ，本文称之 2 0 1 3年 8月 宣扬 等 基 于仿生技术 的强 固壁型钻井 液体 系 5 O 1 优于对比钻井液体系。 3 ． 2 抑制 性 能评价 通过线性膨胀实验和滚动 回收实验对仿生钻井液 体系进行了抑制性能评价 ，并与对比钻井液体系进行 了对 比，实验所用岩屑与对仿生页岩抑制剂 YZ F S 一 1 进行性能评价的线性膨胀实验和滚动 回收实验所用岩 屑来 源相 同 。 图6 为仿生钻井液和对 比钻井液的线性膨胀曲线 ， 可以看出实验时间 1 6 h内，页岩岩屑在 2种钻井 液体系 中的膨胀均未停止 ，但仿生钻井液抑制页岩膨 胀的能力明显强于对 比钻井液。 2 4 6 8 1 O 时间／ h 图 6 仿生钻井液和对比钻井液的线性膨胀 曲线 粒径 1 ． 7 0 ～3 ． 3 5 mm 的页岩岩屑在仿生钻井液和 对 比钻井液 中的滚动 回收率 1 5 0℃下热滚 1 6 h分 别为 9 4 ． 2 4 ％和 9 2 ． 4 7 ％。由此可见 尽管仿生钻井液体 系中处理剂种类较少 ，Y Z F S ． 1 和 G B F S ． 1的加量也较 低 ，其抑制页岩分散剥落的能力却十分突出 ，甚至略 强于包含多种处理剂的对比钻井液体系。 4 结 论 基于仿生技术 ，模仿海洋生物贻贝的特点 ，合成 了 2种仿生钻井液处理剂 仿生固壁剂 G B F S ． 1 和仿生 页岩抑制剂 Y Z F S ． 1 。性能评价发现 GB F S 一 1能大量 减少侵入地层的 自由水 ，且能在井壁岩石表面形成胶 黏岩石 的仿生壳 ； YZ F S ． I 具有良好 的抑制页岩水化膨 胀 和分散 、剥落 的能力 ，抑制效果优于 目前 国内常用 的页岩抑制剂 ，还有 良好的造浆抑制能力。 以 2种仿生处理剂为核心，通过配伍性评价和加 量优化 ，确定了仿生钻井液体系配方 清水 2 ． 5 0 ％膨 润 土 0 ． 1 5 ％ Na 2 C O 3 0 ． 6 0 ％ Y Z F S 一 1 1 ． 0 0 ％ G B F S 一 1 1 ． 0 0 ％P AC L v 3 ． 0 0 ％ S MP I I Na O H 将 p H值调为 8 。 仿生钻井液体系各项基本性能 良好 ，总体上优于对 比 钻井液体系。 线性膨胀实验和滚动回收实验结果表明仿生钻 井液体系能有效抑制页岩水化膨胀和分散剥落 ，且抑 制效果优于对 比钻井液体系，可以在钻井过程中有效 加固井壁并维持井壁稳定 ，实际应用价值突出。 参考文献 f 1 1 An d e r s o n R L，Ra t c l i f f e I ，Gr e e n we l l H C，e t a 1 ．Cl a y s we l l i n g A c h a l l e n g e in t h e o i l fi e l d [ J ] ． E a r t h S c i enc e R e v i e ws ， 2 0 1 0 ， 9 8 3 ／ 4 2 0 1 2 1 6 ． [ 2 】 张克勤，何纶，安淑芳，等．国外高性能水基钻井液介绍 [ J 】 ．钻井 液与完井液， 2 0 0 7 ， 2 4 3 6 8 9 5 ． Zh a n g Ke q i n， He Lu n ， An S h u f a n g ， e t a 1 ． An i n t r o d u c t i o n t o t h e h i g h p e r f o r ma n c e wa t e r b a s e d mu d s a b r o a d [ J 1 ． Dr i l l i n g F l u i d Co mp l e t i o n Fl u i d ， 2 0 0 7 ， 2 4 3 6 8 9 5． [ 3 ] 谢水祥，蒋官澄，陈勉，等．环保型钻井液体系[ J ] ．石油勘探与开 发 ， 2 O l 1 ， 3 8 3 3 6 9 3 7 8 ． Xi e S h u i x i a n g ， J i a n g Gu a n c h e n g ， Che n M i a n ，e t a 1 ． An e n vi r o n me n t f r i e n d l y d r i l l i n g flu i d s y s t e m[ J ] ． Pe t r o l e u m Ex p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 Ol 1 ， 3 8 3 3 6 9 3 7 8 ． [ 4 ] 张岩，向兴金，鄢捷年，等．低 自由水钻井液体 系[ J ] ．石油勘探 与 开发， 2 0 l 1 ， 3 8 4 4 9 0 4 9 4 ． Z h a n g Y a n ， X i a n g Xi n g J i n ， Y a n J i e n i a n ， e t a 1 ． A n o v e l d r i l l i n g fl u i d w i t h l e s s f r e e wa t e r [ J ] ．P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 Ol 1 ， 38 f 4 4 9 0 49 4． 【 5 】 冯京海，张克勤．水基钻井 液配方组合的 回顾与展望 [ J ] ．油 田化 学 ， 2 0 0 5 ， 2 2 3 2 6 9 2 7 5 ． F an g J i n g h a i ，Zh a n g Ke q i n．An o v e r vi e w o n fo r mu l a t i o n o f wa t e r b a s e d r i l l i n g fl u i d s [ J ] ． O i l fi e l d C h e mi s t r y , 2 0 0 5 ， 2 2 3 2 6 9 2 7 5 ． [ 6 1 Cl a r k R K。S c h e u e r ma n R Ra t h H，e t a 1 ．P o l y a c r y l a mi d e ／ p o t a s s i u m c h l o r i d e mu d f o r d r i l l i n g wa t e r - s e n s it i v e s h a l e s [ J 1 ． J o u r n a l o f Pe t r o l e u m T e c h n o l o g y , 1 9 76 ， 28 6 1 7l 9 7 2 7 ． [ 7 】 孙金生．水基钻井液成膜技术研究【 D 】 ．成都西南石油大学， 2 0 0 6 ． S u n J i n s h e n g ．S t ud y o n me mb r a n e f o r mi n g t e c h n o l o g y o f wa t e r b a s e d m u d [ D] ． C h e n g d u S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y , 2 0 0 6 ． [ 8 ] 郭锦棠，卢海J J I ，刘 硕琼，等．新型 固井降失水剂 HT F 一 2 0 0 C[ J ] ． 石油勘探与开发， 2 0 1 2 ， 3 9 3 3 5 9 3 6 4 ． Gu o J int a n g ，L u Ha i c h u a n， Li u S h u o q i o n g ， e t a 1 ． Th e n o v e l flu i d 1 O S S a d d i t i v e H T F ． 2 0 0 C for o i l fi e l d c e me n t i n g [ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 Ol 2， 3 9 3 3 5 9 3 6 4． 『 9 1 L e e H， De l l a t o r e S M， Mi l l e r W M， e t a1． Mu s s e l i n s p i r e d s u r f a c e c h e mi s t I y f o r mu l t i f u n c t i o n a l c o a t i n g s [ J ] ． S c i e n c e ， 2 0 0 7 ， 3 1 8 5 8 4 9 4 2 6 4 3 0 ． [ 1 0 】 J a b e r M， L a mb e r t J F ． A n e w n a n o c o m p o s i t e L DO P A／ L a p o n i t e [ J ] ． T h e J o u r n a l o fP h y s i c a l Ch e mi s t r y L e t t e r s 。 2 0 1 0 ， 1 1 8 5 8 8 ． 『 l l 1 L e e H，S c h e r e r N F ， Me s s e r s mi t h P B． S i n g l e mo l e c u l e me c h a n i c s o f m u s s e l a d h e s i o n [ J ] ． P NAS ． 2 0 0 6 ． 1 0 3 3 5 1 2 9 9 9 1 3 0 0 3 ． [ 1 2 】 Y a n g L ， P h u a S L ，T e o J K H，e t a 1 ．A b i o mi me t i c a p p r o a c h t o e n h a nc i n g i n t e r f a c i a l i n t e r a c t i o n P o l y d o p a mi n e c o a t e d c l a y a s r e i n f o r c e me n t for e p o x y r e s i n s [ J ] ．AC S Ap p l i e d Ma t e r i a l s ＆ I n t e r f a c e s ， 2 0 1 1 ， 3 8 3 0 2 6 3 0 3 2 ． [ 1 3 ] L u c k h a m P H， R o s s i S ． T h e c o l l o i d a l a n d r h e o l o g i c a l p r o p e rt i e s o f b e n t o n i t e s u s p e n s i o n s [ J ] ． Ad v a n c e s i n C o l l o i d a n d I n t e r f a c e S c i e n c e ， 1 9 9 9 ， 8 2 1 3 4 3 - 9 2 ． 第一作者简介宣扬 1 9 8 4 一 ，男，安徽黄山人，中国石油大学 北京 石 油工程 学院在读博士研究生，主要从事钻井液用页岩抑制剂方面的研究 工作。地址北京市昌平区府学路 1 8 号，中国石油大学 北京 石油工程 学院，邮政编码1 0 2 2 4 9 。E ma i l h a d e s 3 3 1 1 6 3 ． t o m 收稿 日期2 0 1 2 1 1 1 2 修回日期2 0 1 3 0 4 1 2 编辑胡 苇玮 绘 图 刘方方 7 6 5 4 3 2 l O O 0 O O O O 0 l ＼ 恒当蛰