抗高温高密度低毒油包水钻井液技术.pdf

第 2 8卷第 1 期 2 0 l 1 年1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D C0M PLET1 0N FLUI D Vo 1 ． 2 8 NO ．1 J a n．2 0l 1 文章编 号1 O O l 一 5 6 2 0 2 0 1 1 0 1 ． 0 0 3 3 0 3 抗高温高密度低毒油包水钻井液技术 张宇， 陈在君 ， 杨斌 ， 金祥哲， 黎金明， 郑玉辉 川庆钻探工程有限公 司工 程技 术研究 院 低渗透油气 田勘探开发 国家工程实验室 ，西安 摘要选择 3 白油作为连续相 ，优选 出 了用于配制油包水逆乳化钻 井液 的有机土 、乳化剂 、润湿剂 、降滤失 剂 、辅助处理 剂及其加量 ，并确定 出了该体 系的最佳 配方。该新型油包水钻井液具有 良好 的流变性能 、悬浮能力、 高温稳定性 抗温 2 2 0 D C ，破 乳电压一般在 6 0 0 v 以上 ； 具有强 的抑 制性，且 抗污染能力 强、钻 井液性能易于调 整； 该体系在现场应用中井径规则、钻具扭矩小、钻速快、润滑性好，井壁稳定，且施工工艺简单、现场维护容易， 可循环 回收使用，并具有优 良的储层保护特性，能解决地层复杂、泥页岩吸水膨胀、润滑减阻效果不佳、储层保 护效果差等技术难题。 关键词 油包水钻井液 ； 高温钻 井液 ； 钻 井液配方 ； 钻井液维护 中图分类号 T E 2 5 4 - 3 文献标 识码 A 油基钻井液 目前 已成为钻高难度 的高温深井 、 大斜度定 向井 、 水平井 和各种复杂地层的重要手段 。 通过分析评价及优选实验 ，优选出了低毒油包水逆 乳化钻井液处理剂以及处理剂 的最佳用量 ， 确定出 了低毒油包水钻井液体系的基本配方。该体系具有 良好 的乳化稳定性 、能抗高温 、抗盐钙侵 、利于井 壁稳定 、 润滑性好和对油气层损害程度较小等特点 ， 可以解决地层复杂 、泥页岩吸水膨胀 、润滑减阻效 果不良、储层保护效果差等技术难题 [ 1 - 5 ] 。 1 油包水 钻井液的组成及优选评价 1 ． 1基油 目前使用的钻井液基油为 3 白油 ，其芳香烃含 量小于 3 ％，凝点为 一 2 5。 C，闪点为 1 1 0。 C，对海 洋生物属低毒或无毒 ，满足现场环境保护以及安全 使用要求。 1 ． 2水 相 使用 1 6 ％～2 3 ％ C A C 1 ， 盐水作为体系水相 ，其 主要 目的在于控制水相的活度 ，以防止或减弱泥页 岩地层的水化膨胀 ，保证井壁稳定。在一定的含水 量范围内，随着水所 占比例 的增加 ，油包水钻井液 的黏度 、切力逐渐增大，因此常用它作为调控油包 水钻井液流变参数的一种方法。增大含水量可减少 基油用量，降低配制成本 。但 随着含水量的增大 ， 维持油包水钻井液乳化稳定性的难度也随之增加 ， 必须添加更多的乳化剂才能使其保持稳定。 1 ． 3乳化剂 用 于油包水乳化 钻井液 的乳化 剂是油溶性 的 表面活性剂 ，它们 的 HL B值一般应 在 3 ． 5 ～6 ． 0之 间。但为 了形成密堆复合膜 ，增强乳化效果 ，有时 也使用 HL B值大于 7的表 面活性剂作为辅助乳化 剂 。乳化剂的有效性常与基油的化学组成以及水相 的 p H值和含有 的电解质等 因素有关。通过乳化 电 压法对 8种乳化剂进行了优选实验。 取 2 8 0 mL 3 白油 、1 2 0 mL蒸馏水 ，在 2 5。 C 下高速乳化 3 0 mi n ，在 2 2 0。 C 下滚动老化 1 6 h ，用 F a n n 一 2 3 C型电稳定仪测其破乳 电压 ，结果见表 1 。 由表 1 可知 ，主乳化剂油酸酰胺 P E 一 1 可在 油水界 基金项 目 川庆钻 探工程 有 限公 司科技 项 目低 毒油包水 乳化钻 井液体 系研 究及低 成本处理 废钻屑 工艺配套技 术研 究 20 09 4 9。 第一作者简 介 张字 ， 1 9 8 2年生 ， 现在主要从事钻井液体 系配方研 究及应用工作 。地址 西安市长庆兴 隆园小 区长庆 大厦 ； 邮政编码 7 1 0 0 2 1；电话 1 3 5 7 1 8 4 3 5 3 6； E ma i l z h a n g y u 1 9 8 2 1 6 3 1 6 3 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年1 月 面形成高强度 的复合膜 ，从而保证在高温下乳状液 稳定性 良好，油溶性辅乳化剂 S E 一 1 可进一步增 强 油水界面膜的强度 ， 增强乳状液稳定性和抗温能力 ， 2种乳化剂配合使用时破乳电压最高 ，乳液稳定 ， 可以作为油包水钻井液 油相为 3 白油 中乳化 效果好 、乳液稳定的主 、辅乳化剂 ⋯。 表 1 不 同乳化剂对乳液稳定性的影响 注 在 2 2 0口 C 热滚 1 6 h 后在 5 0。 C 下测定性 能 乳化剂的加量将直接影响乳状液的稳定性 ，如 果加量太少 ，将不会形成稳定的乳状液 ； 如果加量 太大 ，会提高钻井液的黏度 ，增大钻井过程 的负 面影响。当油水比为 7 3 ，在 2 5。 C 下高速乳化 3 0 mi n ，在 2 2 0。 C 老化 1 6 h ，乳状液 的稳定性随着主 乳化剂 P E ． 1 及油溶性辅乳化剂 S E ． 1 加量的增加而 增大 ； 当复合加量为 6 ． 0 ％ 时，破乳电压为 5 1 0 V； 当加量大于 6 ． 0 ％后 ，再增大加量 ，其破乳电压变 化不明显，故选择复配乳化剂的加量为 6 ． 0 ％。 表 2 乳化剂加量对乳液稳定性的影响 P E ． 1 ／ S E ． 1 ／ 巳 P E l ／ S E l ／ E ％ ％ V ％ ％ V 1 ． O 1 ． 0 3 25 3 ． O 3 ． O 51 0 1 ． 5 1 ． 5 3 65 3 ． 5 3． 5 5 06 2． O 2． 0 4 7 0 注 在 2 2 0。 C 热滚 1 6 h后在 5 0。 C 下测定性能。 1 ． 4润湿剂 当重 晶石粉 和钻屑等 亲水 的固体颗 粒进人 W／ O 型钻井液时，它们趋向于与水结合并发生聚结 ，引 起钻井液的高黏度和沉降现象，从而破坏乳状液的 稳定性 。与水基钻井液相比，油包水钻井液的切力 较低 ，如果重晶石和钻屑维持其亲水性 ，则它们在 钻井 液 中的悬 浮会更 成 问题 。因此 ，有必 要在 油相 中添加润湿控制剂 ， 优选出阳离子表面活性剂 DS ． 2 和 OD E复配使用 。复配产品的亲水基团可有效地 吸附在带负电的重晶石和钻屑颗粒表面，使其表面 覆盖一层憎水亲油基团而迅速转变为亲油固体 ，从 而保证它们能较好地悬浮在油相 中。 通过加入一定量 的重晶石 使溶液 的密度达 到 1 ． 1 5 g ／ c m 和 1 ． 0 ％ 有机土，在 2 5。 C 下高速乳化 3 0 mi n ，在 2 2 0。 C 老化 1 6 h ，不同润湿剂对乳液稳 定性 的影 响见表 3 。由表 3可以看 出，D S 一 2 ／ OD E 的润湿效果最好 ，其破乳电压达到 6 3 3 V，故选用 DS 一 2 ／ O D E作为该油包水钻井液的润湿剂。 表 3 不 同润湿剂对乳液稳定性 的影响 润湿剂 润湿剂／ ％E S ／ V 润湿剂 润湿Nf ％E S ／ V DA一 2 3 2 5 28 RS 2 51 9 DJ W 2 5 51 BS 2 57l E A一 2 2 5 3 6 UR 2 5 8 6 D S 一 2 ／ 0D E l ／ 1 6 3 3 1 ． 5 有机土 有机 土很容 易分散在油中起 到提高黏度和切 力、悬浮重晶石 、降低滤失量 的作用 ，通常在 1 0 0 mL油包 水乳化钻井液 中加人 3 g有机土便可悬浮 2 0 0 g左右的重 晶石粉。有机土还可在一定程度上 增强油包水乳状液的稳定性 ， 起固体乳化剂的作用。 称取 3 g有机土倒人装有 1 0 0 mL 3 白油的高搅杯 中， 于4 0 0 0 r ／ rai n 下搅拌 1 0 mi n ， 使有机土充分分散， 然后量取 1 0 0 mL混合液于 1 0 0 mL的具塞筒中，静 置，同时以秒表计时 ，记录 9 0 mi n时上层游离白油 的体积 ， 计算胶体率。 有机土的优选实验数据见表4 。 表 4有机土优选实验 由表 4可知 ，所选用的富邦有机土胶体率可达 到 9 9 ％，说 明其 在 白油 中可形成较好 的空 间凝胶 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 1 期 张宇等 抗高温高密度低毒油包水钻井液技术 3 5 网状结构 ，并具有较好的流变性 表观黏度为 1 7 ． 5 mP a S ，塑性 黏度 为 1 3 mP a S ，动切力为 4 ． 5 P a ， 能够较好地满足现场使用要求 。 1． 6 pH 在油基钻井液 中，未溶 C a O H ， 的量一般应保 持为 0 ． 4 3 ～0 ． 7 2 k g ／ m ，或者将钻井液 的甲基橙碱 度控制为 0 ． 5 ～1 ． 0 c m ，当遇到 C O， 或 H ， s污染时 应提 至 2 ． 0 c m 。该体系 引入 C a O，其加量初步定 为 2 ． 0 ％，可以在后期 的施工和评价中做一些调整 ， 使其更好地满足现场需要 。 2 钻 井 液 配 方及 性 能 钻井液基础配方如下 ，性能见表 5 。 基 液 3 白 油 1 6 ％C a C 1 ， 水 溶 液 7 0 3 0 十 3 ％ 主 乳 化 剂 P E 一 1 3 ％辅 乳 化 剂 S E l 3 ％ 有 机 土 O B 一 1 3 ％ 润 湿 剂 DS 一 2 ／ 2 ％O DE 2 ％ 碱 度 调 节 剂 2 ％ 降滤失剂 G3 2 0 一 J L S 重晶石 每增加 1 0 0 g重 晶石 ，增加 1 ． 5 g润湿剂 ； 密度 为 1 ． 6 g ／ c m 的钻井液 ，受体系稳定性及流变性的影 响 ， 改变油水比为 8 0 2 0 ； 密度为2 ． 0 g ／ c m 的钻井液 ， 改变油水 比为 8 5 1 5 。从表 5 可知 ，所选用不 同密 度钻井液的性能稳定 ，流变性较好 ，满足现场使用 要 求 。 表 5 钻 井液 的-陛能 g 油水 比 防井下失稳。用 固控设备清除无用同相 ，用预先配 制的油基钻井液和基油稀释 ， 来控制钻井液密度 [ 3 1 。 3 ． 2油 水 比 保持油水 比为 7 3 ，如果钻井液的固相含量 、 密度或静切力上升并很难控制 ， 可相应增加该比例。 水相含量的任何变化都要经过认真分析。 3 ． 3流变性 使用 C a C 1 ， 溶液 为内相的逆乳化油基钻井液 ， 消除了由于泥页岩水化膨胀 引起的井塌 ， 并保持井 眼干净 ，因而在井斜达 3 0 。 以前 ，钻井液 的流变性 在保持足够的排量前提下应尽可能低 ，有利于提高 钻速 。但在大斜度井段 ，6 r ／ mi n流变性读数必须调 整至井眼尺寸的 1 ． 0 ～ 1 ． 5 倍 ， 以提高井下清洁能力。 在保证排量的前提下 ，提高钻速。对于在山西组地 层 由应力引起的坍塌，考虑采取严格的防塌措施 ， 并使钻井液具有较好的流变性并能清洗井眼 ，将钻 井液高温高压滤失量降至 3 mL 9 3。 C、 3 ． 5 P a 以下。 每天测量控制 A P I 滤失量 以评价乳化稳定性 ，使用 自制的油溶性降滤失剂 G3 2 0 一 J L S 。 在钻井液静切力大幅增加情况下使用主乳化剂 和石灰来避免高温产生的胶凝现象。石灰加量必须 维持在 5 k g ／ m 左右。当钻井液用大量加重剂加重 时，需要额外的油湿剂 ，每增加 1 0 0 g重晶石 ，需 要相应地增加 0 ． 7 5 g润湿剂。 3 ． 4预防井漏 现场通过配制含有不 同粒级碳酸钙的钻井液来 避免地层漏 失 ，在 体系 中保持 L C M 添加 1 0 ～2 0 k g ／ m 粒径为 5 0 m的 C a C O3 ，5 ～ 1 0 k g ／ m 微纤维 素材料或石墨类物质来预防渗漏。避免微纤维素 材料含量超出 2 5 k g ／ m ，井眼校正 根据实验将会导 致 电稳性降低 、渗漏和表面漏失需要频繁估算 以 便迅速识别出地层漏失。获得 的任何漏失显示都必 须及时上报和采取相应措施。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 1 期 武永波等大庆油田抗 高温水泥浆体 系室内研 究 3 9 中始终监 测密度和流 动度 ，当其密度稳 定在 1 ． 9 1 g ／ c m 时 ，取样做室内实验，结果见表 5和表 6 。 表 5 地面模拟现场测得的密度与流动度 序号 p 流动度 序号 ，9 pl il t 流动度 ／ g／ c m g／ c m c m g／ c m g／ c m c m 1 1 ． 83 2 4． 0 1 0 1 ． 92 20 ． 0 2 1 馏2 2 4． 0 1 1 1 ． 93 1 9． 0 3 1 ． 85 23 ． 0 1 2 1 ．91 21 ． 0 4 1 ． 8 8 2 2． 5 1 3 1 ． 9l 21 ． 5 5 1 ． 8 6 2 3． 0 l 4 1 ． 95 l 9． 0 6 1 ． 9 3 21 ． 0 1 5 1 ． 9 6 1 8． O 7 1 ． 9 0 2 2． 0 1 6 1 ． 98 1 6． 0 8 1 ． 9 4 1 8 ． 0 1 7 1 ． 9 7 1 7 ． 0 9 1 ． 91 21 ． 0 1 8 1 ． 96 l 7． 0 表 6 室 内实验和地面模拟实验数据对照表 l筌件 p ／ 流动度／游离液／初始稠 t 1 0 0 B c ／ 凡 ／ p ／ g ／ c m c m m L 度／ B c mi n mL MP a 注 稠 化时 间实 验条件 为 1 8 0。 C、1 2 9 ． 6 MP a； 抗 强 度养护条件为 2 4 0。 C、2 0 ． 7 MP a 、4 8 h； A P I 失水量实验 条 件 为 1 8 0 。 C、6 ． 9MP a 。 从地面模拟实验过程和表 5可见 ，抗高温水泥 浆无论配浆还是注水泥的过程都 比较流畅，密度容 上接 第3 5 贝 2 ． 该体系抗污染能力强 ，电解质及钻屑的污染 对钻井液性能影响不大 ， 并且钻井液性能易于调整 。 3 ． 低毒油包水钻 井液在现场应用 中使井径规 则 、钻具扭矩小 、钻速快 、润滑性好 ，井壁稳定 ， 且施工工艺简单 、现场维护容易 ，可循环 回收使用 ， 并具有优 良的储层保护特性。 参 考 文 献 易控制 ，流动度较稳定 ，当密度为 1 ． 9 1 g ／ c m 时排 量可达到 1 ． 3 m ／ mi n ，能够满足 固井施工作业要求。 地面模拟实验与室 内实验数据基本相吻合 见表 6 ， 水泥浆流动度略好于室 内。 4 结 论 】 ． 确定了抗高温水泥浆的配方 DG T ，其 A P I 失水 量可控制在 1 0 0 mL以内，稠化时间可调，且 流动性较好 ； 高温稳定 剂的加人不但解决 了水泥浆 的沉降稳定性问题 ，还提高了水泥石抗压强度 ，减 缓了水泥石强度的衰退。 2 ． 抗高温水泥浆 DG T 有足够 的抗窜能力，能 防止气窜的发生。 3 ． 抗高温水泥浆 D GT 形成水泥石后的渗透率 比普通加砂水泥石降低 了近 7 3 ％，从而提高了水泥 石的耐腐蚀性 ， 降低了地层流体对套管的腐蚀程度。 参 考 文 献 f 1 ] 张景福，徐明，高丽丽，等 ． 温度及外加剂对水泥浆流 变性 的影响 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 3 ，2 0 3 3 5 3 8 ． f 2 1 郑成胜 ，王槐平 ，孙在春 ． 国内外油井水泥降失水剂材 料的研究 l J 1 ． 山东科学 ，2 0 0 4 ，l 7 3 4 9 5 4 ． [ 3 ] 桑来玉 ． 硅粉对水泥强度发展影响规律 [ J ] ． 钻井液与完 井 液 ，2 0 0 4，2 1 6 4 1 4 3 ． 【 4 ] 卢甲晗，袁永涛，李同旗 ． 油井水泥抗高温抗盐降失水 剂的室内研究 『 J 1 ． 钻井液与完井液， 2 0 0 5 ， 2 2 S O 6 7 ． 6 8 ． 收稿 日期2 0 1 0 0 3 2 0 ；HG F 1 0 0 5 M7 ；编 辑 马倩芸 2 0 0 0，2 2 3 7 4 7 7 ． 【 2 ] 鄢捷年 ， 黄林 基 ． 钻井液优化设计与实用技术 [ M] ． 北京 石油大学 出版社 ，1 9 9 3 2 3 5 2 9 8 ． [ 3 ] 徐 同 台 ． 油气 田地层 特性与钻 井液技 术 [ M] ． 北 京 石 油工业 出版社 ，1 9 9 8 9 8 1 0 0 ． 【 4 ] J a me s 拉 默斯 著 ． 钻井液优选技术 [ M] ． 朱墨 译 ． 北京 石油工业 出版社 ，1 9 9 3 1 3 1 - 1 4 7 ． [ 5 ] 刘进京，李彦琴，刘军彪，等 ． 抗高温高密度环保低毒 油 包水 钻井 液 的研究 [ J ] ． 钻 井液 与完井 液 ，2 0 0 9 ，2 6 2 l 5 ． 1 6 ． [ 1 】 梁大川 ，黄进军 ，崔茂荣，等 ． 抗高温高密度低毒油包 水钻井液 的乳化剂优选 和研 制 [ J ] ． 两南 石油学院学报 ， 收稿 日2 0 1 0 0 4 2 3 ；H GF 1 0 0 6 N 6 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m