抗高温无黏土相钻井液体系研究与性能评价.pdf

第 4 O卷第 5期 2 O1 2年 9月 石 油 钻 探 技 术 P FI 、 ROI EUM DRI I I I NG TECHNI QUE S VO 【 _ 4 0 NO ． 5 Se p．， 2 1 2 ． 一 钻井完井 抗 古 日 同皿 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 0 7 无黏土相钻 井液体 系研 究与性能评价 吕开河 ， 杨 鹏 ，李建成 ，隗 虎。 ，王晓军 1 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院 ， 山东青 岛 2 6 6 5 8 0 ； 2 ． 中国石油长城钻探工程有限公 司工程技 术研究 院， 辽宁盘锦 1 2 4 0 1 0； 3 ． 中国石油长城钻探工程有限公 司钻井二公司 ， 辽宁盘锦 1 2 4 0 1 0 摘要 为 了使钻 井液摆脱对黏 土的依赖 ， 较好地保护 油气储层 和提 高钻 井速 度 ， 通过 引入磺 酸基 团和 阳离子 单体 ， 合成 了增黏 降滤失剂 S S D P； 对增黏剂 、 降滤失剂、 润滑剂和 防塌抑制 剂进行优 选和复 配， 研制 出了抗 高温无 黏土相钻井液， 并对其进行 了性能评价。结果表明 所研制的钻井液具有较好的抗温性能， 耐温能力达 1 6 0℃； 具 有较好的抗劣土污染能力， 抗劣土污染容量限达到 1 0 以上； 润滑能力接近油基钻井液水平； 岩心渗透率恢复率大 于 9 O ， 具有较好的储层保护效果。由性能评价结果可以看出， 该钻井液较好地解决了以往无黏土相钻井液在高 温下聚合物降解造成的黏度下降问题， 保证了钻井施工的安全进行 ， 具有较好的经济效益。 关键 词 无黏土相钻井液 钻井液性能 抗盐特性 防止地层损 害 中图分类号 TE 2 5 4 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 2 0 5 0 0 3 0 0 5 Re ma t c h a n d Ev a l u a t i o n o f Cl a y - Fr e e Dr i l l i n g F l u i d s wi t h Hi g h T e mp e r a t u r e Re s i s t a n c e L i i Ka i h e ， Y a n g P e n g ， L i J i a n c h e n g ， We i H u 。 ， Wa n g X i a o j u n 1 ． S c h o o l o f Pe 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 t y o f P e t r o l e u m Hu a d o n g ， Qi n g d a o ， S h a n d o n g ， 2 6 6 5 8 0 ， C h i n a ； 2 ． GWDCEn g i n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ， P a n j i n ， Li a o n i n g ， 1 2 4 0 1 0 ， C h i n a ； 3 ． GWDC No ． 2 Dr i l l i n g C o mp a n y， Pa i n， Li a o n i n g， 1 2 4 0 1 0 ， Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o e l i mi n a t e d e p e n d e n c e o n c l a y b y d r i l l i n g f l u i d ， o v e r c o me t h e d e g r a d a t i o n o f c o n v e n t i o n a l v i s c o s i f i e r a n d f l u i d l o s s a g e n t a t h i g h t e mp e r a t u r e ， p r o t e c t r e s e r v o i r a n d e n h a n c e p e n e t r a t i o n r a t e 。 a v i s c o s i f i e r o r f l u i d l o s s a g e n t c a l l e d S S DP wa s s y n t h e s i z e d b y t h e s u l f o n i c a c i d g r o u p s a n d c a t i o n i c mO l l o me r ， a n d o n t h e b a s i s o f i t ， t h e a n t i - h i g h t e mp e r a t u r e a n d wa t e r b a s e d c l a y - f r e e d r i l l i n g f l u i d wa s d e v e l o p e d b y s e l e c t i n g a n d c o mp o u n d i n g t h e v i s c o s i f i e r s ， f i l t r a t e r e d u c e r s ， l u b r i c a n t s a n d a n t i s l o u g h i n g a g e n t ． Th e l a b o r a t o r y e v a l u a t i o n s h o we d t h a t t h e c l a y - f r e e d r i l l i n g f l u i d h a s b e t t e r r e s i s t a n c e t o h i g h t e mp e r a t u r e u D t o 1 6 0℃ ， h a s g o o d r e s i s t a n c e t o u n c o n s o l i d a t e d r o c k s wi t h t h e c o n t e n t o f 1 0％ o r mo r e ；i t s l u b r i c a t i o n D e f o r ma n c e i s c l o s e t o t h a t o f o i l b a s e d d r i l l i n g f l u i d ；p e r me a b i l i t y r e c o v e r y o f p o l l u t e d c o r e s h a s r e a c h e d t o 9 0 ％， a n d s h o wn i t s g o o d r e s e r v o i r p r o t e c t i o n e f f e c t ． I t c o u l d b e s e e n t h a t t h i s d r i l l i n g fl u i d c a n s o l v e t h e p r o b l e m o f v i s c o s i t y d e c r e a s e c a u s e d b y p o l y me r d e g r a d a t i o n a t h i g h t e mp e r a t u r e ， ma i n t a i n s a f e t y a n d p r o v i d e i mp r o v e d e c o n o mi c b e n e f i t s i n d r i l l i n g e n g i n e e r i n g ． Ke y wo r d s c l a y - f r e e d r i l l i n g f l u i d； d r i l l i n g f l u i d p r o p e r t y； s a l t t o l e r a n t p r o p e r t y ； f o r ma t i o n d a ma g e p r e v e nt j o n 由于钻井液通常以膨润土作为调节钻井液性能 的基本物质 ， 因此其 中钻井液中存在大量的亚微米 固相颗粒 ， 这不但会造成钻速降低 ， 而且固相颗粒侵 入油气层还会对油气层造成损害l 1 。 ] 。无黏土相钻 井液克服了常规钻井液对膨润土的依赖性 ， 通过添 加处理剂使钻井液的性能达到钻井要求 ， 实 现提高 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 0 1 ； 改 回日期 2 0 1 2 - 0 8 0 6 。 作者简介 吕开河 1 9 7 0 ． 男， 1 9 9 3年毕业于石油大 学 华 东 钻 井工程 专业 ， 2 0 0 7年 获 q - 国石 j由大 学 华 东 油气井 专业博 士 学 位， 教授 ， 主要从事油田化学方面的研 究Y - 作 。 联系方式 0 5 ,1 6 8 3 9 2 2 7 1 ， l v k a i h e v i p ． s i n a ． C O I l 1 。 基金项目 国家科技重 大专项“ 煤层气井钻井关踺技 术研 究” 编 号 2 0 0 9 z x 0 5 0 6 0和 “ 储 层 保 护 机 理 及 新 技 术 研 究 ” 编 号 2 0 0 8 ZX0 5 0 0 2 资 助 第 4 卷第 5期 吕开河等． 抗 高温无 黏土相钻 井液体 系研 究与性 能评 价 钻进速度和保护 油气层 的 目的l_ 4 ] 。国内外无黏土 相钻井液 的研究方 向主要有 甲酸盐无 黏土相钻井 液、 聚合物盐水无黏土相钻井液和无黏土相正电性 钻井液等 。国外主要对有机盐无黏土相钻井液进行 了研究 ， 该钻井液因加入 了有机盐 ， 抗温性能较好 ， 但价格较高， 导致其应用受 到限制 。国内外对抗高 温清水无黏土相钻井液 的研 究较少[ 6 。 ] 。为 了降低 钻井液的成本 ， 扩大无黏土相钻井液的应用范围， 满 足钻井液的抗温要求 ， 抗高温无黏土相钻井液 的研 究就尤为必要 。 在高温条件下 ， 钻井液的稳定性和滤失量控制 是需要解决 的难题 ， 通常 的做法是尽可 能增大增黏 剂和降滤失剂的加量来维护钻井液的基本性能。而 常规增黏剂 、 降滤失剂在无膨润土的高温条件下很 容易降解 ， 丧失增黏和降滤失性能 ， 不利于钻井液性 能的稳定。因此通过对聚合物分子结构进行分析设 计 ， 研 制 出抗 温 能 力 达 1 6 0℃ 的增 黏 降 滤 失 剂 S S D P， 同时优选降滤失剂、 防塌剂、 润滑剂 ， 研 制出 抗 l 6 O℃高温的无黏土相钻井液 。 l 增黏降滤失剂的合成 1 ． 1 原料 丙烯酰胺 ， 丙烯酸， 磺酸基 聚合物 ， 阳离子单体 实验室 自制 ， 引发剂。 1 ． 2 合成方法 将磺酸基聚合物 、 丙烯酸溶解在去离子水 中， 调 节 p H值， 不断搅拌并加入丙烯酰胺 ， 待其溶解后 ， 加入阳离子单体 ， 升温， 调节体系的 p H 值 ， 然后 向 体系中加入 引发剂 ， 在一定 温度下 ， 可得胶凝状 产 物。把产物剪切成颗粒状 ， 在 1 0 5℃下烘干并粉碎 ， 即得磺酸盐共聚物增黏降滤失剂 S S D P。 1 ． 3 S S D P的表征 图 1 为 S S D P的 I R谱 图。由图 1 可看出 2 9 3 0 和 1 4 1 0 c m 附近是链 烷基吸收峰； 3 4 4 0 c m 附 近是～NH2吸收峰 ； 1 6 7 0 c m 附近有 酰 胺基 的 CO特征吸收峰 ； 2 9 3 0 c m 为 C H键的特征吸 收峰 ； 1 0 4 0和1 1 8 0 C m 是磺 酸基S 3 的特征 吸收峰 。由以上分析可看 出， 合成 的产物是磺酸盐 型共聚物。 波数 ／ c m 。 。 图 1 S S D P的 1 R谱 图 Fi g ．1 I n f r a r e d s p e c t r a o f SS DP 1 ． 4 S S D P性能评价 1 ． 4 ． 1 S S DP在清水 中的性能 用 清水 配 制 1 ． O ， 1 ． 5 ， 2 ． O 和 3 ． 0 的 S S D P溶液 ， 用六速流变仪测定 4种溶液的流变性 ， 然后在 1 5 0℃条件下热滚 1 6 h后 ， 测其流变性 ， 结 果见表 1 。 表 1 S S D P在清水 中的性能 Ta b l e 1 Rh e o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f S S DP i n f r e s h wa t e r 从表 1可 以看 出， 1 ． 0 HS S D P溶液表观黏度达 2 7 ． 5 mP a s ， 且具有较高的切力， 并且在 1 5 0℃下老 化 1 6 h 后黏度下降幅度不大， 降滤失效果明显 ， 说明 S S D P具有较好的高温增黏降滤失性能。 1 ． 4 ． 2抗 温性 能 图 2为 2 ． 0 ％S S DP溶液在不同温度下 的表观 黏度和动切力 曲线。由图 2可 以看 出， 2 ． O S S DP 溶液随着温度 的升高， 黏度、 动切力变化不大， 当温 度达到 1 8 0℃时仍然具有较高的黏度和动切力， 说 明 S S D P具有较好 的抗温性能。 3 2 石 油 钻 探 技 术 ＼ 霹 需 图 2 2 ． 0 ％S S D P溶液在 不同温 度下的表观黏度和动切 力 F i g ． 2 T e m p e r a t u r e r e s i s t a n c e o f 2 ％ S S D P s o l u t i o n 1 ． 4 ． 3 S S DP在 盐 水 中的性 能 将 2 ． O ， 3 ． O 9 ／ 6 ， 4 ． 0 S S D P溶液加 人到 4 盐水溶液和饱和盐水溶液 中， 分别测其流变性和滤 失性 ， 然后在 1 5 0℃下热滚 1 6 h后 ， 测其基本性能 ， 结果见表 2和表 3 。 表 2 S S D P在 4 ％盐水溶液 中的性能 T a b l e 2 R h e o l o g i c a l p r o p e r t ie s o f S S D P i n 4 ％ b r i n e sol u t i o n 表 3 S S D P在饱和盐水溶液中的性能 Ta b l e 3 Rh e o l o gi c ai p r o pe r t i e s of S SDP i n s a t u r a t e d b r i ne S O l u t i o n 从表 2和表 3可 以看 出， 在盐水溶液 中， S S D P 加量为 2 ． O 时表观黏度增加至 3 2 mP a S ， 动切力 较高 ， 同时滤失量较低 ， 但老化后黏度和动切力下 降 明显 ， 因此需要与其他增黏剂复配 以满足抗 高温无 黏土相钻井液的性能要求 。 S S DP增黏降滤失的机理是 1 S S DP是有磺酸 基的长链高聚物， 具有增黏作用； 2 S S D P可以通过 桥联缩小毛细孔径降低滤失量 ； 3 S S D P分子 的长 链可以楔人到孔隙中， 形成堵塞， 同时长链分子可卷 曲成球状 ， 堵塞微小孔隙， 从而降低滤失量。 2 无黏土相钻井液配方优选 2 ． 1 增黏提切剂 通过试验确定磺酸盐共聚物 S S D P和聚丙烯酰 胺 相对分子质量 为 1 4 0 0万 复配作 为增 黏提切 剂 。为确定 2种聚合物的加量 ， 考察 2种聚合物 以 不同加量复配在一起热滚前后 的流变性 ， 结果见 表 4 。由表 4可以看 出， 1 ． 3 S S D P和 0 ． 3 P AM 复 配时 ， 黏度和动切力较为合适 ， 热滚前后 ， 表观黏度 和动切力变化不大， 动塑 比合适。因此， 确定 1 ． 3 S S DP和 0 ． 3 P AM 复配作为增黏提切剂。 表 4 增黏剂加量对流变性的影响 l h b l e 4 I n f l u e n c e o f v i s c o s i fie r d o s a g e o n 0 g i c a l p r o pe rti e s 注 配方 1为清水1 ． O S s D P0 ． 2 P AM 配方 2为 清水 1 ． O S S DPo ． 3 P AM； 配方 3为清 水 1 ． 3 S S D P 0 ． 3 P AM； 配方 4为清水 1 ． 4 S S DP 0 ． 4 P AM。 2 ． 2降滤失剂和封堵剂 选用降滤失剂 S P NH、 封堵剂超细碳酸钙作 为 无黏土相钻井液的降滤失方案。基础配方为清水 1 ． 3 S S D P0 ． 3 P AM， 在基础 配方基 础上加入 不同量超细碳酸钙和 S P NH， 测定热滚前后 的性能 热滚条件为 1 5 0℃ 1 6 h ， 结果见表 5 。由表 5可 以看 出 随超细碳 酸钙 和 S P NH 加量的增 大 ， 钻井 液滤失量逐渐降低 ； 热滚前后流变性能 良好 ； 当超细 碳酸钙和 S P NH加量为 3 时， 滤失量较小 ， 同时流 变性较好。因此 ， 无黏土相钻井液的降滤失方案为 3 ％超细碳酸钙3 S P NH。 石 油 钻 探 技 术 表 9 N a C l 加量对无黏土相钻井液的影响 Ta bl e 9 Ef f e c t o f Na CI c o nt e n t o n c l a y - f r e e d r i l l i n g flui d s 3 ． 4 润 滑性能 采用 E P极压润 滑仪测定无黏土相钻井 液的 润滑系数 ， 结果为 0 ． 0 4 4 ， 接近于油基钻井液的润滑 系数 ， 远低于普通水基钻井液 0 ． 1 ～O ． 2 。说 明无 黏土相钻井液具有较好的润滑性能。 3 ． 5 抑 制性 能 称取 5 0 g 6 ～1 0目东 营组岩屑加入 到清水 和 无黏土相钻井液中， 在 7 7℃下热滚 1 6 h后 ， 过 4 0 目筛 回收并计算 回收率， 结果为 在清水中的回收率 为 3 6 ． 9 2 9 ／ 5 ； 在 无 黏 土 相 钻 井 液 中 的 回 收 率 为 9 0 ． 6 2 。图 3为页岩膨胀试验结果 。 图 3 页岩在无黏土相钻井液中的膨 胀曲线 Fi g ． 3 S ha l e e xp a ns i o n c u r v e o f c l a y - f r e e d r i l l i n g f l ui ds 从图 3 可 以看出， 与在清水 中相 比， 页岩在无黏 土相钻井液 中的膨胀率4 qE 多。以上试 验结果表 明， 无黏土相钻井液能够有效抑制页岩的水化膨胀 ， 具有较好的抑制性能。 3 ． 6 储层保护性能 采用 YB H一 1 岩心流动试验仪 ， 测定不同渗透率 人造岩心在用无黏土相钻井液污染前后 的渗透率， 计算渗透率恢复率 ， 结果见表 1 0 。由表 1 O可看出， 无黏土相钻井液对岩心伤 害较小 ， 渗透率恢复率大 于 9 O 。说明无黏土相钻井液具有较好的保 护油 气层效果 。 表 1 0 无黏土相钻井液渗透率恢复率试 验 Tab l e 1 0 Pe r me a bi l i t y r e c o v e r y e v a l u a t i o n t e s t o f c l a y - f r e e dr i l l i ng flu i ds 污染前渗 石 D 透率／ mD 污染后 渗 透率／ mD 渗透率恢 复率 ， 4 结论与建议 1 所研制的抗高温无黏土相钻井液具有较好 的抗温性能 ， 耐温 达 1 6 0 ℃ ， 能满足高温井 的需求 ； 具有较好的抗劣土污染能力 ， 润滑性和防塌性较好 。 2 抗高温无黏土相钻井液较好地解决了以往 无黏土相钻井液在高温下因聚合物降解造成 的黏度 下降、 滤失量增加的问题 ， 具有较好的经济效益 。 3 建议开展海水、 饱和盐水无黏土相钻井液技 术研究。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 鄢捷年． 钻井液工艺学[ M] ． 东营 石油大学出版社， 2 0 0 0 1 1 1 3， 1 8 5 1 8 8 ． Y a n J i e n i a n ． D r i l l i n g f l u i d t e c h n o l o g y [ M] ． D o n g y i n g P e t r o l e u m U n i v e r s i t Pr e s s ， 2 0 0 1 1 1 1 3， 1 8 5 1 8 8 r 2 ] Ma r t in s A L， Wa l d ma n n A T A， R i b e i r o D C， e t a 1 ． Th e c o n c e p t u a l d e s i g n o f a n o n - i n v a s i v e s o l i d s f r e e d r i l l i n f l u i d [ R] ． S PE 9 4 2 8 7 ， 2 0 05 ． [ 3 ] G h o f r a n i R e z a Ma z e e l ， A l a b o u d i M A， S e n g u p t a P i n a k i ． D a m a g e c a u s e a b y c l a y - b a s e d a n d c l a y - f r e e inh i b i t i v e f l u i d s in s a n d s t o n e f o r ma t io n s [ R ] ． S P E 2 3 8 1 5 ， 1 9 9 2 ． r 4 ] Ma r t i n s A L， Wa l d ma n n A T A， R i b e i r o D C， e t a 1 ． Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f t h e r a d i a l v i s c o e l a s t i c f l o w o f a s o l i d s f r e e d r i l l - i n f l u i d [ R ] ． S P E 1 0 7 6 1 7 ， 2 0 0 7 ． I s ] S a m u e l M， Ma r c in e w R， A I Ha r b i M， e t a 1 ． A F l e w s o l i d s f r e e n o n - d a ma g i n g hig h t e mp e r a t u r e l o s t - c i r c u l a t i o n p i l l d e v e l o p m e n t a n d f r i s t f i e l d a p p l i c a t io n s [ R ] ． S P E 8 1 4 9 4 ， 2 0 0 3 ． [ 6 1 C o b i a n c o S ， B a r t o s e k M， L e z z i A， e t a 1 ． N e w s o l i d s f r e e d r i l l i n f l u id f o r l o w p e r me a b i l i t y r e s e r v o i r s [ R ] ． S P E 6 4 9 7 9 ， 2 0 0 1 ． E 7 ] 张金波 ， 鄢捷年． 国外特殊工艺井 钻井液技 术新进展 【 J ] ． 油 田 化学 ， 2 0 0 3 ， 2 0 3 2 8 5 2 9 0 ． Z ha n g J inb o， Ya n J i e n i a n ． Re c e n t a d v a n c e s i n o v e r s e a s d r i l l i n g f l u i d s y s t e ms a n d t e c h n o l o g i e s f o r n o n c o n v e n t i o n a l we l l s [ J ] ． Oi l f i e l d Ch e mi s t r y， 2 0 0 3 ， 2 0 3 2 8 5 2 9 0 ．