非常规页岩层的井壁稳定性——纳米.doc
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1、非常规页岩层的井壁稳定性纳米粒子钻井液设计Meghan Riley等著 翻译:严新新(安全生产科) 审校:刘振东(油化所)摘要:页岩气储层以及其他非常规储层已得到世界各国的广泛关注。以前,在这些储层使用合成基钻井液(SBM)钻井,未出现环境问题,是井壁稳定的首选钻井液体系。本文介绍了用一种改性水基钻井液(WBM)钻井,该钻井液体系可以简化钻井液配方和现场维护、具有优良的流变性、可保持井壁稳定且具有良好的环保性能。众所周知,水基钻井液成本低廉,将经济合理的钻井液材料与新技术相结合,可获得所需的流变性和井眼稳定性。用纳米粒子对纳米级孔隙进行物理封堵以降低页岩的渗透率,可保持解决主要问题的能力,以证
2、实水基钻井液可用于页岩地层,并证实所研发的钻井液的优势。为此,研发了一种二氧化硅纳米材料。该材料可设计用于满足所钻地层的要求,具备商业价值。可用透射电子显微镜法(TEM)、动态光散射法、X射线光电子能谱分析法来测定纳米颗粒的性能。研究了该钻井液的流变性能、滤失性能以及其他主要性能,如页岩稳定性和抗冲蚀性能;介绍了用于研究这些性能的新型室内实验方法,如应用改进的API滤失试验法进行页岩膜试验,以测定钻井液的滤失性能和封堵性能;还介绍了一些未来的研究方向,如增加活性反应组分,使其粘附在孔隙上,以进一步提高页岩层的井壁稳定。关键词:非常规 页岩层 井壁稳定 纳米钻井液前 言由于世界各地的常规油田逐渐
3、衰竭,不断升高的能源价格促使人们开发天然气储层,如Barnet储层或Marcellus储层,人们日益重视开发本地能源并减少对进口原油的依赖性。页岩气是一种产自页岩层的天然气,页岩层一般是天然气的储集岩和源岩。从地质上来说,页岩层是沉积岩,大多由粘土颗粒组成。钻井作业中,颗粒很细、薄片状的地层会造成严重的井眼稳定问题。在过平衡钻井中,钻井液压力会逐渐穿透地层;由于地层的饱和度和较低的渗透性,只有少量滤液渗入井壁。这就导致井眼周围的孔隙流体压力增大,由此产生井壁失稳问题。在水平井钻井中井壁失稳问题尤为严重,由于钻开的目的层面积增多,水平井从井眼排出页岩气的能力远高于直井,因此得到广泛应用,还可以降
4、低油田的运输成本。在水平井钻井中,由于合成基钻井液(SBM)具有优良的地层稳定性和润滑性,通常是这些地区钻井的首选钻井液体系。如使用水基钻井液(WBM)体系,可通过减少液柱压力对井眼的渗入或对地层进行物理堵塞来提高页岩层的稳定性。如使用普通的降滤失剂,由于进入页岩的滤液数量少,不能形成滤饼,因此无法阻止钻井液或水的侵入。将该技术与纳米级惰性材料相结合,似乎可以相当完美地达到目的。背 景美国环境保护局(EPA)和地方政府的环境机构都要求,天然气储层地区的作业公司可以遵守某些协议和活动情况来调整其钻井作业。可在今后的作业中使用合成基钻井液。本文所介绍的钻井液体系研发用于满足这些地区的以下要求:成本
5、低、淡水钻井液避免使用氯化物(人们认为氯化物与环境不友好)、简单直接的设计(以易于使用加量较少的材料)。表1 Marcellus页岩的地质性能Marcellus页岩岩心6711.056711.6 ft(2045.532045.70 m)蒙脱石4%伊利石25%石英47%长石10%黄铁矿5%绿泥石6%铁白云石3%CEC,meq/g3渗透率,mD193000 psi(20.7 MPa)渗透率,mD 66000 psi(41.4 MPa)孔隙度10%有机质总含量9%图1 150(66)下浸泡在淡水中的Marcellus页岩产生的微裂缝考虑到水基钻井液的井眼稳定性,页岩抑制性是首先遇到的问题。页岩的化学
6、活性一般较低,常用的页岩抑制剂如胺类和盐类都抑制性不佳或无抑制作用。表1列出了某一井深典型的地质构成和Marcellus页岩的性质。如上所述,地层中蒙脱石含量较低,与活性相关的阳离子交换容量(CEC)值也较低。 不过,由于地层的饱和度和较低的渗透性,只有少量滤液渗入井眼,这就导致井眼附近的孔隙流体压力增大,造成井眼稳定条件不佳,可能会造成井壁失稳。图1为150(66)下,一段保存完好的Marcellus岩心在淡水中浸泡前后的情况对比。几天后,观察到的裂缝宽度为545m,主要与层理面平行。这些结果表明,Marcellus页岩在水中的活性不很强,但仍易于产生裂缝,可能会造成井壁失稳,尤其是在长水平
7、段的井中。方 法前几年,对纳米二氧化硅的定义一直存有争议。纳米粒子的定义是直径小于100 nm的物质。近来,又提出了其他定义,新的定义更关注于表面积而非直径,但在粒径界限上尚不明确。二氧化硅是氧化硅(SiO2)的常用名称,具有不同的形式:非晶质或结晶质、孔隙型或非孔隙型、无水型或羟基型。从结构上说,硅原子位于带4个氧原子的四面体配位中,可由此形成多种结构。二氧化硅主要由水溶液合成,但会分解出单体硅酸,也可由硅化合物蒸汽合成等很多其他的合成方法。图2为可用于工业生产的几种二氧化硅合成方法。图2 可用于工业生产的二氧化硅合成方法1纳米二氧化硅的分散体系一般由两相组成:分散相和连续相。若形成的分散体
8、系不稳定,颗粒就会聚结沉淀。一般情况下,可加入分散剂,在其吸收到分散颗粒上后,通过原子空间排列或静电作用防止发生相分离。常用的表面改性基团有硅烷类、有机酸类、偶数链醇类。可采用不同方法提高连续相粘度,以预防分散体系发生离析。为解决钻井中遇到的问题,研究了如何使溶液中的纳米二氧化硅粒子发挥封堵作用,减少渗入到纳米级页岩孔隙中的水。在设计这些添加剂时需要考虑一些影响因素,如所需费用应经济合理;因此,其加量应尽可能地少。所加材料还需与其他钻井液处理剂相配伍,对钻井液流变性无影响,具有较好的热稳定性,可抗固相污染。纳米二氧化硅溶液广泛用于一些工业领域,粒径从5100 nm有多种尺寸,采用不同的悬浮液。
9、对性能的影响主要取决于两方面。图3为粒径相同但稳定/悬浮液不同的两种纳米二氧化硅粒子的低温透射电子显微镜(TEM)影像。结果清楚地表明,其中一种的弹性比另一种好,更有利于在孔隙中发挥作用。图3 两种粒径为20 nm的纳米二氧化硅样品的TEM影像根据悬浮液选择的表面活性剂可能会严重影响钻井液的流变性能,发生胶体脱水收缩或凝胶产生空隙。在最终选择最佳方式时,所有这些问题都要考虑到。钻井液性能和试验设备合成基钻井液可用于几乎所有的页岩储层,而常规水基钻井液则不能。如果改变条件,如温度、盐度、pH值、污染物发生变化,水基钻井液的化学活性和敏感性会大大提高。因此,可设计特殊的水基钻井液以满足目的层的要求
10、。为用户设计钻井液配方时,需考虑一些必要的因素,不仅要考虑钻井液性能,还要考虑环境和后勤等因素,例如使用含氯化物或其他化学剂的钻井液会对环境产生危害。为满足上述要求研发了一种淡水钻井液,其组分可满足特殊性能的要求,并便于作业人员现场应用。用天然聚合物的衍生物提粘,提供所需的流变性能,即在低剪切速率下可悬浮钻屑。用混有纳米粒子的复配型水分散聚合物作降滤失剂,对地层孔隙进行物理封堵。此外,该体系钻井液还加有润滑剂,以提供良好的润滑性能并包被钻屑。现场作业人员可根据需要,方便地调节钻井液组分。纳米二氧化硅的最佳加量为10.5 ppb(30 g/L),详见后文。典型的钻井液流变性能见表2。还进行了其他
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