2006钻井液技术研讨会(论文合集433页后_).doc
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1、2006年钻井液学术研讨会论文集硅酸钾聚合醇水基钻井液实验研究作者简介:王平全,男,重庆开县人,1964年12月24日生,博士,副教授。南石油大学油气井工程力学与化学学术方向负责人。从事钻井液、储层保护、井壁稳定和堵漏技术研究。联系方式:手机13881947670,E-MAIL:王平全1 聂勋勇1 王荣杰2(1 西南石油大学 2 石河子大学)摘要:本文将硅酸钾的化学效应(胶凝沉淀)和聚合醇的物理效应(浊点效应)结为一体,建立一套具有凝胶浊点效应的膜结构硅酸钾聚合醇钻井液体系,实验评价了该钻井液体系的流变性、失水造壁性、抗污染性能、润滑性能、封堵能力和热稳定性能等,通过宏观和微观手段研究了该体系
2、的膜结构特征,并评价了该体系作用下的泥页岩的膜效率。关键词:石油 钻井液 聚合醇 膜效率 井壁稳定 试验研究1 引言近年来,我国石油钻探开发逐渐由浅层向深层、由简单地层向复杂地层发展。由于深井、超深井的井下温度和压力比较高,尤其钻遇复杂地层时,井下钻井液性能易发生较大变化,极易导致一些井下复杂情况的发生,如坍塌、卡钻等。国内外在化学稳定井壁方面作了大量工作,研制了甲酸盐钻井液、油基钻井液、合成基钻井液、硅酸盐钻井液、聚合醇钻井液等体系。通常情况下,硅酸盐和聚合醇分别作为抑制剂和润滑剂加入钻井液体系中,本文将硅酸钾的化学效应(胶凝沉淀)与聚合醇的物理效应(浊点效应)结为一体,建立一套具有凝胶浊点
3、效应的膜结构硅酸钾聚合醇钻井液体系,旨在充分发挥膜结构效应的稳定井壁机理,为钻井液稳定井壁研究开拓一条新的技术路径1。2 硅酸钾聚合醇水基钻井液作用机理研究欲讨论硅酸钾聚合醇水基钻井液的作用机理,需分别讨论硅酸钾和聚合醇的作用机理。2.1 硅酸钾作用机理研究(1)硅酸钾形成凝胶与沉淀堵塞裂缝带负电的硅酸盐聚集体很小,足以因扩散和水力流动而进入页岩孔隙中,当这些聚集体进入孔隙水pH值接近中性的页岩后,会克服凝聚而形成三维网状凝胶结构,同时地层水中的多价金属离子()会快速与这些聚集体反应生成不溶沉淀物:它们可提供进一步阻止滤液侵入和压力传递的物理屏障,胶凝(沉淀)过程发生非常迅速并在显著的滤失和压
4、力侵入发生前就可完成;它们可提高泥页岩膜的效能2,便可以通过控制井筒内液柱压力和钻井液的活度来控制地层的水向井筒内流动,防止泥页岩地层水化,膨胀和分散,有利于井壁稳定。(2)抑制页岩中粘土矿物水化膨胀和分散即使有钻井液滤液进入到泥页岩中,滤液中的硅酸钾(硅酸钠)中的钾离子有较强的抑制粘土水化膨胀和分散的作用,产生的水化应力较小,利于保证井壁稳定。(3)硅酸盐与地层粘土矿物发生化学反应据报道,高岭石与5%的硅酸钠在80下反应50天,高岭土大部分消失,有沸石等新矿物生成。将高岭石浸泡于模数为2.83,浓度为3%和5%的硅酸钾溶液中一周时间,维持温度为150,X-射线衍射分析结果表明,高岭石和石英含
5、量减少了一半左右,生成了一种非晶质的连接非常致密的新矿物,这种新矿物的剪切强度达6MPa。这就类似于水泥浆体凝固过程中其矿物成分先溶解、析出胶体沉淀、再慢慢结合成大块水泥石的作用。硅酸盐与地层粘土矿物之间的化学反应利于井壁稳定。当然,在钻井条件下,钻井液中的硅酸盐能否与页岩中的粘土反应及其反映程度尚需深入研究3,4。2.2 聚合醇作用机理理论研究聚合醇是一种非离子低分子量聚合物,具有浊点效应。当井温高于其浊点温度时,可在井下从水相中分离出来形成油膜,对泥饼具有堵孔作用,可减少钻井液滤液向地层滤失,能够抑制粘土的水化膨胀。同时聚合醇具有表而活性,能降低油水界而张力,有利于原油返排可以提高岩心渗透
6、率恢复值,还具有一定的保护储层的作用5,6。2.3 聚合醇与粘土、硅酸钾相互作用硅酸钾聚合醇钻井液中的两种主要处理剂(硅酸钾和聚合醇)能够分别进行作用,二者相互作用的不利影响小,实验发现硅酸钾聚合醇形成的泥饼结构较硅酸钾钻井液和聚合醇钻井液相比均有差异,是硅酸钾钻井液和聚合醇钻井液泥饼结构的复合,主要表现在硅酸钾聚合醇钻井液泥饼表面片状膜结构伸展性好且连接性紧密,断面较紧凑且均匀,既拥有硅酸钾处理后泥饼所呈片状膜结构,又拥有聚合醇处理后泥饼整体似一层的致密特性。硅酸钾聚合醇钻井液兼有硅酸钾钻井液和聚合醇钻井液的优点。3 硅酸钾聚合醇钻井液实验研究3.1 硅酸钾聚合醇钻井液体系基本配方研究硅酸钾
7、聚合醇钻井液体系(配方)研究综合考虑坂土加量,硅酸钾的模数,钻井液增粘剂,聚合醇的加量等对钻井液性能的影响,通过处理剂的优选优配试验研究,并且对钻井液体系配方优化的机理和实验研究,确立硅酸钾聚合醇水基钻井液体系的基本配方如下:4%土浆+4%FP-V+0.4%HV-CMC+0.4%JT888+3%聚合醇JLX-B-S+1%KCl+适量NaOH(浓度为40%,调节pH为11.5)。配制过程硅酸钾聚合醇水基钻井液体系。该钻井液体系为淡黄色流体,密度在1.03左右,室温密闭养护24h后无分层与沉淀现象。3.2 硅酸钾聚合醇水基钻井液体系(配方)性能评价(1)体系流变性能评价表1 钻井液的流变性能评价钻
8、井液体系流变参数热滚前25热滚后(16h)77100125150硅酸钾钻井液AV mPa.s25.521.519.5127PV mPa.s171513.595YP Pa8.56.5632APIB ml5.15.76.010.412.6APIK mm0.50.50.50.50.5硅酸钾聚合醇钻井液AV mPa.s29.526231811PV mPa.s191716139YP Pa10.59752APIB ml3.44.65.47.09.6APIK mm0.50.50.50.50.5(注:硅酸钾钻井液体系配方:4土浆+4FP-V+0.4HV-CMC+0.4JT888+1KCl+适量NaOH(浓度为
9、40,调节pH为11.5),硅酸钾聚合醇钻井液体系配方:4土浆+4FP-V+0.4HV-CMC+0.4JT888+3JLX-B-S+1KCl+适量NaOH(浓度为40,调节pH为11.5);钻井液常规性能经热滚后高搅25min,25下测试。配方以下同)按照“SY/T 5621-93钻井液测试程序”,根据对硅酸钾钻井液和硅酸钾聚合醇钻井液进行了高温下的流变性评价实验,随着老化温度升高,硅酸钾聚合醇钻井液表观粘度、切力都有所下降,滤失量显著增加,实验结果见表1。硅酸钾钻井液体系抗温达120,硅酸钾聚合醇钻井液在温度高达150时,失水仍小于10ml,体系抗温可达150。(2)体系失水造壁性能评价实验
10、对比了硅酸钾钻井液和硅酸钾聚合醇钻井液体系的失水造壁性能,实验结果见表2,相同条件下,硅酸钾聚合醇钻井液体系高温前API失水比硅酸钾钻井液体系相比降低33%,高温后相比降低27%;硅酸钾聚合醇钻井液体系高温前HTHP失水比硅酸钾钻井液体系相比降低25%,高温后相比降低30%,尤其是硅酸钾聚合醇钻井液体系的泥饼质量好,薄而致密,且韧性好。(3)体系抑制性能评价抑制性评价是钻井液性能评价的一个重要方面,有两种评价方法:一是抑制分散性(滚动回收)实验;二是抑制膨胀实验。本论文采用后者评价,采用NP-01型页岩膨胀仪测试页岩在钻井液体系中的线性膨胀率,进而评价出体系抑制页岩膨胀性能。硅酸钾聚合醇钻井液
11、体系来说,2小时线膨胀百分率仅为3.5%,较清水相比降低了50%,较硅酸钾钻井液体系降低了13%;16小时的线膨胀百分率仅为14.4%,较清水相比降低了68%,较硅酸钾钻井液体系降低了15%,实验结果见表3。取出岩样后观察,在岩样上附有一层灰白色的硬壳,内部干燥。表2 钻井液体系失水造壁性能体系指标条件滤失量(ml)滤饼(mm)压差(MPa)测温()硅酸钾钻井液体系API高温前5.10.50.725125/16h9.70.50.725HTHP高温前16.01.03.5125125/16h30.01.03.5125硅酸钾聚合醇钻井液体系API高温前3.40.50.725125/16h7.00.5
12、0.725HTHP高温前12.00.83.5125125/16h21.00.83.5125 表3 体系膨胀实验钻井液体系线膨胀率(%)2h16h清水741硅酸钾钻井液体系416.9硅酸钾聚合醇钻井液体系3.514.4(4)体系抗污染性能评价本文通过实验评价了硅酸盐聚合醇钻井液体系抗可溶性盐类污染和钻屑污染能力,进一步考察体系在钻遇污染源时的性能稳定性。 抗盐能力评价。综合流变性和失水造壁性两方面性能,硅酸钾聚合醇钻井液体系抗污染达6%,抗污染均为0.5%。 抗钻屑污染能力评价。硅酸钾聚合醇钻井液抗钻屑能力为15%。(5)体系润滑性能评价硅酸钾聚合醇钻井液体系的泥饼摩阻系数仅仅为0.0326,具
13、有很好的润滑性,这为降低钻具摩阻提供了有利保证。(6)体系封堵能力评价利用改造的高温高压失水仪,一端装滤纸及填积层,另一端装钻井液,装置在垂直状态一定压力下,封堵层能形成。实验中填积层为:1020目、2040目、100120目三种粒度的石英砂,分别称取23g、23g、35g混配搅匀,填入装置轻压0.1MPa,装入封堵钻井液;90、3.5MPa下测定30min滤失量;把所用钻井液换成清水,在3.54.9MPa范围内不同压力下测定滤失量。试验结果见表4,图1。表4 封堵试验结果体系封堵参数(3.5MPa、90)清水滤失量随压力变化(ml)滤失量(ml)泥饼厚(mm)3.5MPa4.5MPa4.9M
14、Pa硅酸钾钻井液体系7.426.88.510.2硅酸钾聚合醇钻井液体系5.925.36.77.4图1 压力清水滤失量关系曲线图硅酸钾聚合醇钻井液所形成的泥饼清水滤失量增加趋势线斜率比硅酸钾钻井液要小,这说明在硅酸钾钻井液体系中加入聚合醇,能增强体系封堵能力,提高封堵层承压能力。(7)体系热稳定性能评价本文考察了钻井液体系在加重前后经过125热滚16小时和48小时后的流变性能的变化情况,实验结果见表5,硅酸钾聚合醇钻井液体系加重后较加重前相比表观粘度和API静失水均有所上升。在125下,热滚48h以后,加重前后钻井液API静失水仍小于10ml,满足API小于10ml的标准要求。表5 钻井液体系加
15、重前后热稳定性能体系老化时间hAPI结果AVPVYPAPIB(ml)APIK(mm)(mPas)(mPas)(Pa)硅酸钾聚合醇钻井液体系加重前1.0303.70.529.51910.5166.80.518126487.40.51293加重后1.4804.60.5513813166.00.5342212489.70.5201284 硅酸钾聚合醇钻井液膜结构研究4.1 硅酸钾聚合醇水基钻井液泥饼膜结构对比观察(1)硅酸钾聚合醇钻井液泥饼宏观结构实验发现,从高温高压失水仪取出的泥饼是硅酸钾聚合醇钻井液的泥饼较硅酸钾的泥饼薄且光滑。添加了聚合醇的硅酸钾钻井液形成的泥饼其致密性均优良于未添加聚合醇的硅
16、酸钾钻井液,特别在泥饼未干时表面有亮膜。在聚合醇浊点效应的指导下,为了更好的研究其作用机理特对其微观结构进行观察。(2)硅酸钾聚合醇钻井液泥饼微观结构(扫描电镜)硅酸钾钻井液中先后添加聚合醇的泥饼微观结构变化所做的电镜扫描结果见图2图4。 (a) 硅酸钾钻井液泥饼表面结构图 5000X (b) 硅酸钾钻井液泥饼断面结构图 1000X (c) 硅酸钾钻井液泥饼断面结构图 2000X (d) 硅酸钾钻井液泥饼断面结构图 5000X图2 硅酸钾钻井液泥饼结构图 (a) 聚合醇钻井液泥饼表面结构图 10000X (b) 聚合醇钻井液泥饼断面结构图 10000X图3 聚合醇钻井液泥饼结构图注:聚合醇钻井
17、液配方:4土浆+0.4HV-CMC+0.4JT888+3聚合醇JLX-B-S+1KCl+适量NaOH(调节pH为11.5) (a) 硅酸钾聚合醇钻井液泥饼表面结构图 5000X (b) 硅酸钾聚合醇钻井液泥饼断面结构图 5000X图4 硅酸钾聚合醇钻井液泥饼结构图由图2和图3可以看出,硅酸钾钻井液泥饼表面膜结构呈小片状紧密分布,断面呈层状分布均匀且致密;而聚合醇钻井液的泥饼表面未见类似于硅酸钾钻井液的小片状膜结构,其泥饼表面很致密且近似呈整体一层,断面较硅酸钾钻井液相比薄得多,呈稀疏不均匀层状分布。由图4可知,硅酸钾聚合醇钻井液泥饼表面结构是硅酸钾钻井液和聚合醇钻井液泥饼结构的复合,泥饼表面片
18、状膜结构伸展性好且连接性紧密,断面较紧凑且均匀,既拥有硅酸钾处理后所呈片状膜结构,又拥有聚合醇处理后整体似一层的致密特性。这种复合膜结构的出现,弥补硅酸钾钻井液泥饼表面片状膜结构面积小以及聚合醇钻井液泥饼断面稀疏不均匀的现象。由此可以看出,硅酸钾和聚合醇相互复配作用于钻井液体系中具有复合膜结构,改善泥饼质量,形成致密封堵层以达到稳定井壁的效果,证明硅酸钾聚合醇钻井液体系是一种具有膜结构封堵型水基钻井液体系。4.2 泥页岩在硅酸钾聚合醇钻井液作用下的膜效率评价一般认为油基钻井液的膜效率最高,为100%,水基钻井液的膜效率相对较低。实验采用半透膜效率测试仪,将钻井液与清水分别加入液槽中,待渗透平衡
19、后,量取液面高度差,经计算得出加入硅酸钾钻井液和硅酸钾聚合醇钻井液体系的泥页岩的膜效率分别为65%和74.3%,可以通过钻井液活度控制有效地阻止离子进入地层,从而维护井壁的稳定性。5 结论(1)实验研究并确立硅酸钾聚合醇钻井液体系的基本配方:4%土浆+4%FP-V+0.4% HV-CMC+0.4%JT888+3%聚合醇JLX-B-S+1%KCl+适量NaOH(浓度为40%,调节pH为11.5)。硅酸钾聚合醇钻井液体系具有流变性好、失水造壁性好、抑制性强、抗污染能力强(可抗NaCl 6%,抗Ca2+、Mg2+ 5000ppm,抗钻屑污染达15%)、润滑性好、封堵能力强和热稳定性好等特点。(2)硅
20、酸钾作用于钻井液而显示出的强抑制封堵性主要有下面几方面的机理:硅酸钾形成凝胶与沉淀堵塞裂缝;抑制页岩中粘土矿物水化膨胀和分散;硅酸盐与地层粘土矿物发生化学反应。通过对具有浊点效应的聚合醇钻井液在浊点前后的抑制性及封堵性进行了研究,说明聚合醇钻井液在浊点以上时抑制作用强于浊点温度前,能够在泥饼表面形成有效封堵层。(3)采用宏观和微观的研究手段,对钻井液泥饼结构进行了深入分析。硅酸钾聚合醇钻井液形成的泥饼结构是硅酸钾钻井液和聚合醇钻井液泥饼结构的复合,主要表现在硅酸钾聚合醇钻井液泥饼表面片状膜结构伸展性好且连接性紧密,断面较紧凑且均匀,既拥有硅酸钾处理后泥饼所呈片状膜结构,又拥有聚合醇处理后泥饼整
21、体似一层的致密特性。加入硅酸钾钻井液和硅酸钾聚合醇钻井液体系的泥页岩的膜效率分别为65%和74.3%,可以通过钻井液活度控制有效地阻止离子进入地层,从而维护井壁的稳定性。参 考 文 献1 徐同台,赵忠举21世纪初国外钻井液和完井液技术石油工业出版社,20042 孙金声水基钻井液成膜技术研究西南石油大学2006届博士论文3 Bailey B.Craster new insight into the mechanisms of shale inhibition using water based silicate drilling fluidR.IADC/SPE39401,19984 Ward,C
22、hampman JW. Silicate based muds: chemical optisation based on field experience.SPE37266,19975 岳前声,肖稳发,向兴金聚合醇处理剂JLX作用机理研究J油田化学,2000, 17(1):14-166 王昌军,岳前声,张岩等聚合醇JLX防塌润滑性能研究J钻井液与完井液,20 01, 18(3):6-8动态模拟方法选配钻井液添加剂的实验研究尤源 张洁 赵向阳 胡琦(西安石油大学化学化工学院,陕西西安,710065)摘要:本文针对现行钻井液添加剂研究、评价方法中存在的问题,探索用动态模拟钻井液循环流动过程的实验
23、装置及实验方法研究、评价钻井液及其添加剂,并优选钻井液配方,指导其现场应用工艺。文中对以SJ为添加主剂的水基钻井液进行了动态模拟实验,优选了辅助添加剂及其添加量范围,并对各组分作用机理进行了探讨。实验结果显示:动态模拟实验方法比常规实验方法更接近现场条件,评价结果更真实有效;动态模拟实验方法能从多个角度反映钻井液及其添加剂的作用效果,在添加剂的选配及其作用机理研究方面有一定的应用潜力。关键词:钻井液 添加剂 动态模拟 选配 1 前言钻井液新理论及添加剂作用机理的研究迫切要求有新的有效的研究和评价手段12。目前,钻井液室内API实验方法不能完全模拟现场钻井液的循环流动条件,往往反映出一些钻井液或
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