井壁强化可成膜钻井液技术.pdf

第 3 1 卷 第 5 期 2 0 1 4年9月 钴井 液 与 完 井液 DRI L LI NG F LUI D COMP LET I ON F LUI D Vo 1 ． 3 l No ． 5 S e p t ．2 0 1 4 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ．2 0 1 4 ． 0 5 ．0 0 7 井壁强化可成膜钻井液技术 宋涛 ， 刘永贵 ， 杨东梅 ， 孙露露， 李海 大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 宋涛等 ． 井壁强化可成膜钻井液技术 【 J 】 _ 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 5 2 5 ． 2 7 ． 摘要应用聚合物乳液可在特定条件下形成整体膜结构的这一特性，研发出了一种可成膜钻井液体系，其能够在 井筒 内壁形成连续网状包覆膜，在降低钻井液滤失量的同时，起到增强井壁稳定性的作用。室内对 S B R聚合物乳液的 成膜作用机理、配伍性及泥饼膜效应进行实验评价 ，结果表明 S B R聚合物乳液在钻井液 中可形成立体网状膜结构， 且随着乳液颗粒数量增加， 形成的膜结构致密性增强， 具有降低高温高压滤失量的作用； 其对现场钻井液流变性影响小、 配伍性好，可提高泥饼韧性。S B R成膜钻井液在 XS P 3 4井进行了现场应用，解决 了该井营四段原生孔隙和裂缝性夹层 泥岩水化引起的井壁剥落问题，通过在裂缝面形成网状强化层，最大限度提高滤饼的致密柔韧性，提高了滤饼的抗冲 刷能力，减少 了钻井液 向地层滤失，提高了井壁稳定性。 关键词 成膜钻井液 ； 聚合物乳液 ；井壁稳定 ；泥饼韧性 中图分类号 T E 2 5 4 - 3 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 4 0 5 0 0 2 5 ． 0 3 在石油天然气钻井施工过程中，为解决易水化泥 页岩井段等复杂层位的井壁剥落、坍塌等井下事故的 发生 ，近年来兴起各种钻井液成膜技术 。钻井液成膜 技术就是通过在钻井液中加入成膜材料，使钻井液能 够在井壁表面形成一层半透膜或隔离膜结构 ，即在井 壁的外围形成保护层，阻止或减小钻井液及滤液进入 地层，防止地层岩石水化，封堵地层裂隙， 保持井壁 稳定 [ 1] 。分析了S B R聚合物乳液成膜机理，室内对 聚合物乳液的成膜性、与现场钻井液的配伍性及改善 泥饼韧性的作用进行实验研究，通过现场试验，S B R 聚合物钻井液能够提高泥饼韧性，降低滤失量，增强 井壁稳定性 。该项技术的研究与成功应用使钻井工程 中的井壁稳定技术水平上升到一个新的高度，对于提 高油气井工程井下安全具有重要意义 [2 -4 ] 。 1 聚合物乳液成膜作用机理 聚合物乳液泛指聚合物微粒分散于水中形成的胶 体乳液，习惯上将橡胶微粒的水分散体称为胶乳，树 脂微粒的水分散体称为乳液。聚合物乳液通常由功能 单体、乳化剂、表面活性剂等在水中乳液聚合而成， 一 般分为天然胶乳、合成胶乳和人造胶乳。聚合物乳 液通过水分挥发后聚合物粒子相互靠近、黏结可形成 整体的膜结构，如图 1 表示。最初，聚合物乳液粒子 分散在水 中，水分蒸发时，粒子渐渐靠近 ，温度高于 乳液最低成膜温度时，粒子在相互靠近的时候可以变 形 ，以填充粒子之间的空隙，进而形成膜结构 。 聚合物颗粒逐渐沉积 聚合物颗粒 紧密 聚集 E三三三l 具有力学强度的膜结构 图 1 聚合物堆积成膜示意图 根据上述聚合物乳液 的成膜特性 ，将其加入到钻 井液中，使聚合物颗粒在钻井液中均匀分散，随着钻 井液向地层滤失，聚合物颗粒和固相颗粒在井壁上沉 积，聚合物逐渐被限制在泥饼的孔隙中。随着滤失的 进一步进行，孔隙中的水量逐渐减少，聚合物颗粒絮 凝在一起 ，在固相颗粒表面形成聚合物密封层，聚合 物密封层黏结了固相颗粒和井壁表面，泥饼中的孔隙 第一作者简介 宋涛，工程师，1 9 8 4年生，毕业于西安石油大学石油工程专业，现在从事钻井液技术研究工作。地址 黑 龙江省大庆市红岗区 八百垧钻井研究院钻井液所 ； 邮政编码 1 6 3 4 1 3； 电话 1 3 9 4 6 9 1 9 6 3 0； E - m a i l y d m1 2 3 1 9 9 5 1 6 3 ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 钻井 液与 完井 液 2 0 1 4年 9月 被有黏结性 的聚合物所填充 。由于滤失过程的不断进 行 ，凝聚在一起的聚合物颗粒之 间的水分逐渐失去 ， 最终完全凝结在一起形成连续 的聚合物网状膜结构， 即泥饼 中的固相颗粒与聚合物交织缠绕在一起 ，改善 了泥饼质量 ，阻止了钻井液 向地层的滤失 ，也提高了 泥饼与地层的黏结强度 ，起到稳定井壁的作用 。 2 室 内实验 2 ． 1 聚合物乳液的成膜降滤失作用 以 4 ％ 膨润土浆为基浆 ，分别加入不 同量 的 S B R 聚合物 ，充分搅拌后测其性能 ，结果见表 l 。由表 l 可知，S B R对钻井液的流变性影响小，同时具有降 低高温高压滤失量的作用。 表 I 不同加量 S B R聚合物对 4 ％ 膨润土 浆性能 的影响 注 凡H T H P 在 1 0 0 、3 ． 5 MP a测定。 应用土酸对 中压滤失得到的滤饼进行腐蚀，土酸 具有极强的腐蚀性 ，能够溶解泥饼 中的膨润土，而对 橡胶质聚合物不敏感 ，腐蚀后 ，能够清楚观察聚合物 的形 态结构 ，如图 2所示。 尢 S B R聚合物 膨润土浆 5 ％S B R聚合物 膨润土浆 1 0 ％S BR聚合物 膨润土浆 1 5 ％S B R聚合物 罔 2 土酸腐蚀后的泥饼宏观膜结构 由实验结果 可见 未添加 S B R聚合物 的泥饼完 全溶解，仅有微量颗粒状残留物，含有 S B R聚合物 的泥饼部分腐蚀 ， 露出立体网状膜结构 ，而且随着 S B R聚合物加量的增加 ，形成的膜结构更加致密。 2 ． 2 聚合物乳液对泥饼的影响 应 用 Z N一 4型泥 饼厚度 韧度 自动测 量仪对 不 同 S B R聚合物加量所形 成的泥饼进行 质量测定 ，评价 S B R聚合物对泥饼质量 的作用效果。实测加载 重量 与不同加量 S B R聚合物时所形成的泥饼变形量之间 的关 系 ，结 果见 图 3 。经数据 处理 ，得 出不 同 S BR 聚合物加量条件下泥饼韧性变化趋势 ，如图 4所示。 面 吲 掣 晕 基 熙 『皋 l 3 S B R加量 与泥饼变形量父系网 S BR N 量／ ％ 图 4 S B R聚合物加量对泥饼韧性的影响 随着加 载质 量 的增加 ，泥饼 的厚度 逐渐 减小 ， S BR聚合物加量越 大，泥饼形变速率越快 ，泥饼更 易于变形 ，即在泥饼中 S B R聚合物形成了富有弹性 的网状膜结构 ，显著改善 了泥饼的可变形量 ，使其具 有了较大的断裂伸长值 ，提高了泥饼 的韧性。 2 ． 3聚合物 乳液的 封堵效 果 1 可视砂床实验 。应用粒 径为 0 ． 1 8 ～0 ． 2 8 mm 的石英砂配制厚度为2 0 m m的可视砂床，模拟高渗 透漏失地层，对应孑 L 喉尺寸为 0 ． 0 5 6 mm，通过加压 来测定钻井液 的滤失量 和滤液侵入深度。实验条件 为 2 5℃、0 ． 7 MP a 、7 ． 5 mi n 。钻井液配方为 3 ％膨 润土浆 3 ％ 架桥填充粒子 4 ％ 超细碳酸钙 5 ％S B R 聚合物，钻井液侵入深度测定值见表 2 2 微裂缝封堵实验。应用自主改装的微裂缝封 堵 评 价装 置 ，模拟 3 0 g m微 裂缝 ，取 现场 钻井 液 ， 首 先评价 5 ％S B R聚合物加量对 钻井液性能 的影 响， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷 第 5 期 宋涛等井壁强化可成膜钻井液技术 2 7 按照 2 ／ 3架桥理论 ，在钻井液中加入 3 ％粒径为 0 ． 0 2 IT I IF I 的碳酸钙，进行高温高压滤失实验，结果见表 3 。 表 2 S B R聚合物乳液封堵 2 0 ml n厚可视砂床实验 钻井液配方 侵入 ／ c 深 m 3 ％膨润土浆 3 ％膨润土浆 3 ％架桥填充粒子 4 ％超细碳酸钙 3 ％膨润土浆 3 ％架桥填充粒子 4 ％ 超细碳酸钙 5 ％S BR聚合物 穿透 8 ． 0 3． 2 ．．． 老化后5 5 ／ 3 5 2 8 ／ 1 7 3 ／ 2 2 ． 0 ／ l 1 ． 5 1 现场浆 穿透 老化后6 2 ／ 4 0 3 2 ／ 2 0 3 ／ 2 2 ． 5 ／ 1 6 ． 0 2 1 3 ％碳酸钙 5 5 ／ 3 6 2 8 ／ 1 7 3 ／2 2 ． 0 ／ 1 2 ． 0 2 4 ． 0 ． ． ， 老化后 5 8 ／ 3 7 2 o ／ 1 9 3 ／ 2 2 ． 0 ／ 1 3 ． O 3 2 5 ％ S BR 7 ． 8 老化后 6 0 ／ 3 9 3 6 ／23 3 ／ 2 2 ． 0 ／ 1 7 ．0 注 碳酸钙粒径为 0 ．0 2 n l n l ，老化条件为 1 6 0℃、1 6 h； 凡 H T H P 在 1 6 0℃、3 ． 5 MP a下测定。 通 过 以上聚合物乳 液封堵效果实验 ，S B R聚合 物能够在泥饼中形成致密的网状膜结构，在裂缝和孔 隙表面形成不规则的纤维状桥塞，与架桥粒子协同作 用，提高桥堵效率，降低滤失量。 3 S B R 聚合物 乳液 的现 场应 用 大庆油 田 XS P 3 4井位于松辽盆地北部东南 断陷 区徐家围子断陷徐东斜坡带，是为评价徐家围子断陷 徐东斜坡营四段砂砾岩储层含气性的一口预探井。该 井营 四段岩性为灰 色砂 质砾岩夹薄层灰色泥岩 、灰 色含砾粗砂岩 ，富含原生孔隙和裂缝 ，钻进至井段 3 8 4 2 3 8 4 4 1 T I 因裂缝渗滤造成夹层泥岩水化 ，出现 井壁剥落掉块、 定向3 t 无进尺、 钻压加 4 t 憋压现象， 上提活动划眼有挂卡显示 ，最大挂卡 2 0 t ，且划眼憋 压 ，越划越浅 ，划至井深 3 8 3 0 i n之后阻卡严重。决 定打水泥塞固井，在井深 3 7 9 2 ．7 2 in套管开窗侧钻， 考虑到聚合物乳液首次现场应用，如果聚合物乳液破 乳交联会黏连在筛网上，对振动筛产生较大影响，为 了降低风险，在钻井液体系中仅加入 5 ％S B R聚合物 乳液和 3 ％超细碳酸钙。现场试验过程 中，未发生破 乳现象 ，钻井液性能稳定 。钻进过程中，通过在井壁 原生孔隙和裂缝面形成网状强化层，最大限度提高滤 饼的致密柔韧性，提高滤饼的抗冲刷能力，降低钻井 液 向地层滤失 ，解决 了因夹层泥岩水化引起 的破碎型 井壁坍塌问题，根据测井资料，该井井深 3 9 0 0 1T I 后 平均井径扩大率为 4 ％，解决了井壁失稳 问题 。 4 结论 1 ． S B R聚合物乳液能均匀分散于钻井液中，随 着钻井液向地层滤失，聚合物颗粒在泥饼中沉积并聚 集，高温及滤失作用下，聚合物颗粒之间的水分逐渐 失去 ，颗粒完全凝结在一起形成连续的聚合物网状膜 结构，镶嵌在泥饼中，在改善泥饼质量的同时，提高 泥饼与地层 的黏结强度 ，起到稳定井壁 的作用。 2 ． S B R聚合物乳液在钻井液中可形成立体网状 膜结构，且随着其加量的增加，形成的膜结构更加致 密 ； 其对现场钻井液流变性影响小、配伍性好 ，加入 S B R聚合物乳液后，钻井液泥饼韧性得到明显改善， 且随着加量的增加 ，韧性进一步提高。 3 ． 应用 S B R成膜钻井液能够在井壁形成网状强 化层， 提高滤饼的致密柔韧性， 降低钻井液渗滤作用， 很好地解决了深层裂缝破碎性地层井壁失稳问题 ，为 油田深层钻探开发提供技术支持。 参 考 文 献 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 1 2 ． 1 6 ． S u n J i n s h e n g ． R e s e a r c h o n w a t e r b a s e fi l mi n g t e c h n i q u e [ D] ． Xi ’ a n S o u t h we s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y， 2 0 0 6 1 2 1 6 ． 毛淑才 ． 聚四氟乙烯 ／ 聚丙烯酸酯微观复合改性乳液的制 备及性能与应用研究 [ D] ． 华南理工大学 2 0 0 5 2 5 ． 2 7 ． M a o S hu c a i ．S t ud y o n pr e p a r a t i o n， p r o p e r t i e s a n d a p pl i c a t i o n s o f mi c r o c o s mi c c o mp o s i t e p t f e ／ p o l y - a c r y l a t e e mu l s i o n [ D] ． P h ．D． Di s s e r t a t i o n o f S o u t h C h i n a Un i v e s r i t y o f Te c hn o l o g y ． 2 0 0 5 2 5 - 2 7 ． H a l e A H．a nd M o d y F K ．M e c ha n i s m f o r we l l bo r e s t a b i l i z a t i o n w i t h l i n e b a s e d mu d s [ R] ． S P E ／ I A DC 2 5 7 0 6 ． 王松 ，魏霞 ，喻霞，等 ． 钻井液泥饼强度评价研究 [ J ] ． 钻 井液与完井液，2 0 1 1 ，2 8 1 1 1 - 1 3 ． W a ng So n g，W e i Xi a，Yu Xi a，e t a 1 ． Re s e a r c h o n e v a l u a t i o n o f mu d c a k e i n t e n s i v e [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 1 1 ，2 8 1 1 1 ． 1 3 ． 收稿 日期2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 8 ；HG F 1 4 0 4 N4 ；编辑王小娜 Ⅲ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m