可循环强抑制性稳定泡沫钻井液研究.pdf

第 4 2卷第 4期 2 0 1 4年 7月 石 油 钻 探 技 术 PETROI E UM DRI LI I NG TECHNI QUES Vo 1 ． 4 2 NO ． 4 J u 1 ． ， 2 0 1 4 ． ． 钻井完井 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 4 ． 0 4 ． 0 1 3 可循环 强抑 制性 稳定泡 沫钻 井液研究 舒小波， 孟英峰，万里平，李 皋 ， 刘厚彬，张宇睿 油气藏地 质及开发工程 国家重 点实验 室 西南石油大学 ， 四川成都 6 1 0 5 0 0 摘要 针对泡沫钻 井过程 中一次性 泡沫使用量大、 耗 材多以及 井壁 易失稳的 问题 ， 从 泡沫循环 以及泥 页岩抑制 机理 出发 ， 通过评价 不同处理剂的性 能， 研制 了可循环强抑制性稳定泡沫钻井液 。采用常规泡沫性能评价方法、 泡沫 循环性能测试 以及 泥页岩抑制性能测试对其综合性 能进行 了评 价。结果表 明 N a C l 质量分数 、 岩屑含 量 以及煤油加 量分别达 1 5 时， 该 泡沫钻井液在 1 3 0℃下滚动 1 6 h 后 ， 发泡体积 维持在 4 0 0 m L以上 ， 说明其具有较好的抗温 、 抗 污 染能力； 调节 p H值进行 8次循环以后其发泡体积仍维持在 5 0 0 m L以上； 泥页岩在该泡沫钻井液中的一次、 二次滚动 回收率达 9 6 以上， 泥页岩经其处理后的硬度与经白油处理后的硬度相近。研究结果表明， 应用可循环强抑制性稳 定泡沫钻井液进行钻井， 可以避免地面泡沫大量堆积， 降低钻井成本， 同时能有效抑制黏土水化膨胀， 且抑制性能持 久， 有利 于维持泥页岩地层 的稳定。 关键 词 泡 沫钻 井液 发 泡剂 抑制剂 井眼稳定 钻 井液性 能 中图分 类号 T E 2 5 4 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 4 0 4 ～ 0 0 6 9 0 6 Re c y c l a b l e a nd Hi g hl y I nhi b i t i v e S t a bl e Fo a m Dr i l l i ng Fl u i d Sh u Xi a o b o， M e n g Yi n g f e ng， W a n Li pi ng， Li Ga o， Li u Ho u bi n， Zha ng Yu r u i S t a t e Ke y La b o r a t o r y 0 f 0 Z Ga s Re s e r v o i r Ge o l o g y a n d pl o i t a t i o n S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y ， e n g du ， Si c h u a n， 6 1 0 5 0 0， C i n a Ab s t r a c t Re c y c l a b l e a n d h i g h l y i n h i b i t i v e s t a b l e f o a m d r i l l i n g f l u i d wa s r e s e a r c h e d t o r e d u c e t h e l a r g e a mo u n t o f d i s p o s a b l e f o a m a n d r e l a t e d ma t e r i a l s a n d s o l v e we l l b o r e s t a b i l i t y i s s u e i n f o a m d r i l l i n g ． Ba s e d o n t h e f o a m c i r c u l a t i o n a n d s h a l e i n h i b i t i o n me c h a n i s ms ， t h e r e c y c l a b l e a n d h i g h l y i n h i b i t i v e s t a b l e f o a m d r i l l i n g f l u i d wa s d e v e l o p e d t h r o u g h t h e p e r f o r ma n c e e v a l u a t i o n o f d i f f e r e n t c h e mi c a l a g e n t s ． Th e c o mp r e h e n s i v e p e r f o r ma n c e o f t h e f o a m d r i l l i n g f l u i d wa s e v a l u a t e d t h r o u g h c o n v e n t i o n a l f o a m p e r f o r ma n c e e v a l u a t i o n， f o a m c i r c u l a t i o n p e r f o r ma n c e t e s t a n d s h a l e i n h i b i t i o n p e r f o r ma n c e t e s t ． Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e f o a m d r i l l i n g f l u i d k e p t a b o v e 4 0 0 mL f o a m v o l u me wi t h t h e h o t r o l l i n g t e mp e r a t u r e o f 1 3 0℃ 。 t h e Na Cl ma s s f r a c t i o n o f 1 5 ， c u t t i n g s c o n t e n t o f 1 5 a n d k e r o s e n e c o n t e n t o f 1 5 9 ／ 6 ， i n d i c a t i n g g o o d t e mp e r a t u r e t o l e r a n c e a n d c o n t a mi n a t i o n r e s i s t a n c e ． T h r o u g h t h e p H a d j u s t me n t ， t h e f o a m d r i l l i n g f l u i d c o u l d k e e p a 5 0 0 mL f o a m v o l u me a f t e r t h e e i g h t f o a m c i r c u l a t i o n ． Th e r e c o v e r y r a t e s o f t h e s h a l e i n t h e f o a m d r i l l i n g f l u i d s t a y a b o v e 9 6 ％ b o t h i n t h e f i r s t a n d s e c o n d r o l l i n g r e c o v e r y t e s t s a n d t h e s h a l e k e p t a g r e a t h a r d n e s s t h a t wa s s i mi l a r t o t h e h a r d n e s s o f wh i t e o i l t r e a t e d s h a l e ． Th u s ， t h e f o a m d r i l l i n g f l u i d n o t o n l y c o u l d a v o i d t h e l a r g e a c c u mu l a t i o n o f f o a m o n t h e g r o u n d a n d s a v e d r i l l i n g c o s t s ， b u t a l s o c o u l d e f f e c t i v e l y p r o h i b i t c l a y h y d r a t i o n a n d s we l l i n g f o r a n e x t e n d e d p e r i o d， a n d c o n s e q u e n t l y e n h a n c e t h e we l l b o r e s t a b i l i t y i n f o a m d r i l l i n g ． Ke y wo r d s f o a m d r i l l i n g f l u i d； f o a me r ； i n h i b i t o r ； h o l e s t a b i l i z a t i o n； d r i l l i n g f l u i d p r o p e r t y 气体钻井作为钻井提速的有效手段 ， 因地层 出 水而受到限制__ 1 ] 。泡沫钻井作为其有效 的补充 ， 在 携岩 、 携水 、 提高机械钻速上具有独 特 的优势 。然 而， 泡沫钻井过程中返出泡沫的处理问题 ， 以及泥页 岩地层的井壁失稳 问题 ， 同样是泡沫钻井亟待解决 的问题L 2 ] 。泡沫的循环利用是解决井场泡沫大量 堆积 、 实现环保节约的有效途径 ， 但是 目前 的研究主 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 0 1 5 ； 改回 日期 2 0 1 4 0 3 2 8 。 作者简介 舒 小波 1 9 8 5 一 ， 男， 四川 泸州人， 2 0 0 8年毕 业于西 南石油大学应用化学专业， 2 O l 1 年获西 南石油 大学油气井工程专业 硕士学位 ， 在读博士研 究生 ， 主要 从 事气体钻 井、 泡沫钻 井 、 井壁稳 定 、 油田化学方面的研 究。 联系方式 0 2 8 8 3 0 3 4 7 8 6 ， s h u x b 9 2 1 1 2 6 ． c o i n 。 基金项 目 国家 自然科 学基金 重点项 目“ 气体 钻井技 术基 础研 究” 编号 5 1 1 3 4 0 0 4 和 四川省科技创新 苗子工程“ 可循 环强抑 制稳 定泡沫钻井液研 究” 编号 2 0 1 3 2 0 7 9 资助。 石 油 钻 探 技 术 要集 中于微泡沫钻井液ll4 ] ， 较少研究稳定泡沫钻井 液。此外 ， 微泡沫钻井液处理地层 出水的能力要远 低于稳定泡沫钻井液 。目前 ， 稳定泡沫钻井液抑制 剂的选择主要集 中于一些高分子 聚合 物或无机盐 类 ， 但这些抑制剂 的抑制性 能弱 ， 且抑制性 能不持 久L 2 。为此 ， 笔 者从发泡 剂与泥 页岩抑制 剂 出 发 ， 开展了可循环强抑制性稳定泡沫钻井液研究 。 1 泡沫钻井液循环与抑制机理 1 ． 1 F P H泡沫的循环机理 液态泡沫是气体分散于液体中， 在添加发泡剂 的条件下实现气液界面的稳定 。发泡剂按其性能可 分为非离子发泡剂 、 阴离子发泡剂 、 阳离子发泡剂以 及两性发泡剂 ， 不同类 型的发泡剂复配可实现酸碱 泡沫的循环利用。 F P H 发泡剂 由两性发泡剂与阴离子发泡剂 组 成 ， 其中两性发泡剂通过接受或给予质子实现阳离 子与非离子之 间的转变 ， 而阴离子发 泡剂则不受 酸 碱影 响。因此 ， 在碱性条件下 ， F P H 发泡剂 由非 离 子发泡剂与阴离子发泡剂复配而成 ， 展现 出良好 的 发泡性能； 在酸性条件下 ， F P H 发泡剂则是 由阳离 子发泡剂与阴离子发泡剂复配而成 ， 两者相互作用 ， 消除发泡能力 。图 1为酸碱条件下 F P H发泡剂形 成的泡沫液膜特征。从 图 1可以看 出， 在碱性条件 下 ， 非离子插入 2个阴离子之间 ， 减弱了阴离子间的 电排斥性 ， 更有利于增强界面膜的强度 ， 从而促进泡 沫的稳定 。当酸液侵入液膜 以后 ， 首先与 H相接 触的两性发泡剂转变为阳离子 ， 由于阴阳离子之间 强烈的电性互相作用产生固态沉淀 ， 导致液膜破裂， 实现消泡。因此 ， 通过酸碱调节可实现泡沫的循环 利用 。 气相 气相 碱性条件液膜稳定 向液膜 滴加酸液 气相 酸性条件液膜破裂 图 1 酸碱条件 下循环泡沫 的液膜特征 Fi g ．1 Li qu i d f i l m c ha r a c t e r i s t i c s o f f o a m i n al ka l i n e an d a c i d c o ndi t i o ns 1 ． 2 泡沫流体的抑制作用机理 水基泡沫流体 自身的结构特点能在一定程度上 减缓泥页岩的水化速度 ， 但并不能完全阻止泥页岩 水化的进程 。因此 ， 随着钻井时间的增长， 泥页岩地 层水化加剧 ， 进而引发井壁失稳。目前 ， 解决泡沫钻 井 中井壁失稳的办法 主要是添加化学处理剂， 降低 泥页岩的水化作用， 实现泥页岩井壁的稳定 。 胺类抑制剂的主要特点是， 由于烷基 的供 电效 应 ， 使胺分子中氮原子上的电子云密度升高 ， 更有利 于与 H 结合 ； 同时， 烷基使生成的铵离子 NH4 中 的正电荷分散 ， 从而更稳定[ 9 1 2 ] 。由于黏土矿物表面 带负电荷 ， 利用电荷间的相互作用 以及分子间 的氢 键作用 ， 使胺类抑制剂更易吸附在黏土上 ， 且不易于 解吸附， 从而使黏土保持长久稳定 。利用胺类抑制 剂的这一特点 ， 将高分子与低分子胺类抑制剂复配 ， 发挥其协同增效作用 ， 实现 良好 的抑制性能 。图 2 为两者协同增效作用机理。从图 2可以看 出 低分 子胺类抑制剂能进入黏土晶层 ， 阻止水分子进入黏 土使其水化 ； 高分子抑制剂 由于分子结构较大 ， 不易 进入黏土晶层 ， 因此主要吸附在黏土表面形成保护 膜 ， 阻止水分子进入 。 低分 子 ． - ． 胺类 抑制剂 m 嚣 抑制剂 黏土矿物晶层结构 胺类抑制剂嵌入黏土晶层结构 图 2 胺类抑制剂作用机理 Fi g ． 2 I nhi bi t i o n me c ha ni s m o f am i n e i nh i bi t o r s 2 泡沫钻井液配方 的研制 2 ． 1 F P H发泡剂性能评价 室 内采用 Wa r i n g - B l e n d e r 法_ 1 引， 测试 了 0 ． 8 F P H发泡剂溶液的发泡性能及其与 p H值 的关系 ， 结果如图 3所示 。从图 3 可知 ， 当 p H值小于 5时 ， F P H发泡剂基本无发 泡能力 ； 当 p H值 大于 7时 ， F P H发泡 剂表现 出 良好 的发泡性 能并趋 于稳 定。 因此 ， 可通过酸碱调节实现泡沫的循环利用。对于 随后的泡沫循 环试验 ， 碱性 p H值定 为 9 ， 酸性 p H 值定 为 3 。 膜 第 4 2卷第4期 舒小波等． 可循环强抑制性稳定泡沫钻井液研究 8 0 0 6 00 鸟 g ＼ 躁 懈 赠 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 发泡基液 的p H值 图 3 p n值对 F P H发泡剂性能的影响 Fi g ． 3 Th e e f f e c t o f pn v a l ue o n FPH f o a m pe rfo r ma nc e 2 ． 2 稳泡剂性能评价 F P H发泡剂虽然具有较强的发泡能力 ， 但泡沫 的半衰期较短 ， 不能满足钻井要求 。为此 ， 采用增黏 型聚合物作为稳泡剂， 一方面可以延长泡沫半衰期， 另一方面可 降低 泥页岩的吸水 速度 。表 1为 F P H 发泡剂溶液加入 XC与 C MC后 发泡性 能 的变化 。 从表 l 可以看出 XC与 C MC的加入均降低 了发泡 体积 ， 但两者对发泡体积 的影响差别较小 ， 均可以满 足钻井的要求 ； 在相同加量条件下 ， XC对于提高泡 沫的稳定 性 更 明显 ， 且 X C的抗 盐 能力 明显 强 于 C MC。为此 ， 选用 XC作为稳泡剂 。 表 1 稳泡剂对 F P H发泡剂- 眭能的影响 h b l e 1 T h e e f f e c t o f f o a m s t a b i l i z e r o n F P H f o a m p e rfo r ma n ce 注 F P H 的质量分 数为 O ． 8 ， 溶 液 的 p H值 为 9 ， 试 验温度 为 室温。 2 ． 3 抑制剂性能评价 针对泡沫钻井 中的井壁失稳问题 ， 选用季铵盐 高聚物 P P VA与胺类低聚物 D A一 1作为抑制剂， 并 采用滚动回收试验和硬度测试进行性能评价[ 】 ， 结 果见表 2和图 4 。其 中， 将泥页岩岩样在不同处理液 中的滚动回收率定为一次回收率； 将经不同处理液热 滚后的干样 6 o℃下烘干 在清水中的滚动回收率定 为二次清水 回收率。采用硬度测试仪测定硬度 ， 取 采用特定处理液滚动回收后的泥页岩岩样 湿样 放 人硬度测试仪容器 中 岩样 的加量与刻度线齐平 ， 旋转扳手挤压测试岩样 ， 观察岩样被挤压时仪器 的 旋转圈数与压力表读数。 表 2 滚动 回收试验 结果 Ta b l e 2 Te s t r e s ul t s o f h o t r o l l i ng d i s pe r s i on 注 热滚 时间 1 6 h ， 热滚温度 6 5℃。 O 2 4 6 8 1 O 1 2 1 4 1 6 旋 转圈数 图 4 泥页岩经不 同处理液处理后的硬度测试结果 Fi g ．4 Bu l k ha r d ne s s t e s t r esu l t s o f s ha l e t r e at e d b y di f f e r e nt t r e a t me n t flu i d s 从表 2 可 以看 出 P P VA与 D A一 1能有效抑制 泥页岩水化分散 ， 具有较 高的一次 回收率和较高的 二次清水回收率 ， 表明 P P VA 与 D A一 1能使泥页岩 保持长久稳定 ， 不 因处理液介质 的改变而加剧泥页 岩的水化程度 。 从图 4 可以看出， P P V A虽然具有较高的泥页岩 滚动回收率， 但并不能维持较高的泥页岩硬度。这主 要是因为 P P V A 聚合物分子量大 ， 不易进入黏土晶层 结构中， 但 D A - 1 分子量小， 易进入黏土晶层结构中， 因此随着其加量的增加， 泥页岩硬度增加。 5 4 3 2 1 ＼ 永 璐 第 4 2卷第 4期 舒 小波等． 可循环 强抑制性稳 定泡沫钻井液研 究 射线衍射仪对新疆中非夏子街膨润土进行膨润土抑 制性分析 ， 测定其在清水水化前后的干湿样 A样 ， 经泡沫钻井液热滚后的干湿样 B样 和经泡沫钻井 液热滚 、 随后再用清水热滚后的干湿样 C样 的层 间距 ， 结果见表 4 。其 中热滚条件为温度6 5℃下滚 动 1 6 h 。 表 4 膨润土经不 同方法处理后 的 X R D分析结果 Tab l e 4 XRD a n a l y s i s r e s u l t s o f b e n t o ni t e t r e a t e d b y d i f f e r e nt t r e at m e nt me t ho ds 膨润土水化后 ， 黏土层 间距 可从 1 ． 0 n m 左 右 增至 2 ． 2／l m左右[ 1 引， 由于膨 润土在清水 中热滚后 的层间距超出了仪器测量范围， 为此， 测定了膨润土 水化 0 ． 5 h后的层 间距 。从表 4可 以看 出， 膨润 土 水化 0 ． 5 h以后其特征 峰 2 0 降低 了 2 ． 9 1 3 。 ， 黏 土 层间距增加 了 0 ． 5 0 2 n m。对 比 A样 、 B样可知， 泡 沫钻井液中的抑制剂能嵌入黏土晶层结构， 使 B样 中干样的层间距增加 了 0 ． 3 3 3 n m。对 比 B样 中干 样和湿样的层间距 可知 ， 干样和湿样问 的层间距相 差不大 ， 说 明该泡沫钻井液具有较强 的抑制能力 ， 能 抑制黏土的水化膨胀 ， 有利 于泡沫钻井时 的井壁稳 定。对 比 B样和 C样中的层间距可知 ， 经泡沫钻井 液处理后的膨润土样品， 再次放人清水 中处理以后 ， 无论是干样还是湿样 ， 其层间距与 B样 中干样的层间 距相差不大。这说明该泡沫钻井液具有长久的抑制 性能 ， 其对黏土 的吸附具有不可逆性 ， 这一特性对于 处理泡沫钻井地层 出水 以及泡沫钻井转换为常规钻 井时的井壁稳定具有积极作用 。 3 ． 3 ． 2泥 页岩 滚动 回收 试验 选用清 水、 白油、 5 ％聚 合 醇 l O KC 1以及 0 ． 5 K P AM 作为对 比， 通过泥 页岩岩 样 回收试验 评价可循环稳定泡沫钻井液的抑制性 ， 结果见表 5 。 由于 5 聚合 醇 1 0 KC I的一 次 回收 率 低 于 6 O ， 所 以未进行二次清水滚动回收评价。 从表 5 可以看出 1 白油、 0 ． 5 KP AM、 可循环 强抑制性稳定泡沫钻井液 的一次 回收率都 在 9 5 9 ／ 6 以上 ， 显示出较强的泥页岩稳定性能 ； 2 从二次清水 表 5 泥页岩在不同处理液中的滚动回收试验结果 Ta bl e 5 Hot r ol l i ngdi s p e r s i o nt e s t r esu l t so f s ha l ei nd i f f e r e nt t rea t me nt flu i d s 滚动 回收率可以看 出， 可循环强抑制性稳定泡沫钻 井液表现出持久的抑制性能， 其在清水 中的二次 回 收率仍高于 9 0 ， 而经 白油、 0 ． 5 KP AM 热滚后的 试验岩样 ， 其二次清水滚动 回收率与岩样在清水 中 直接热滚后的回收率基本相 同， 表明白油与 KP AM 聚合物无持久抑制性能 。 3 ． 3 ． 3硬度 测试 滚动 回收试验 中泥页岩回收率较高， 但 回收的 泥页岩并不一定具有较高的硬度 ， 因此 ， 进行了硬度 测试 ， 结果见图 7 。从 图 7可以看 出， 可循环强抑制 性稳定泡沫钻井液在稳定泥页岩作用上与白油较为 接近， 远强于 0 ． 5 K P AM。因此， 该泡沫钻井液能 有效保持泥页岩硬度 ， 维持泥页岩地层的稳定 。 4 3 莹 嚣z 赠l O 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 旋转 圈数 图 7 泥 页岩经不 同处理液处理后 的硬度测试结果 Fi g ． 7 Bu l k ha r d n e s s t e s t r esu l ts of s ha l e t re a t ed b y di f f e r e nt t r e a t me nt f l u i ds 采用膨润土抑制性 能测试、 泥页岩滚动回收试 验以及硬度测试相结合的方法评价可循环强抑制性 稳定泡沫钻井液 的抑制性能 ， 可弥补 以往单一采用 滚动回收试验评价抑 制性能 的缺 陷。测试 结果表 明， 该泡沫钻井液能有效抑制黏土矿物水化膨胀 ， 泥 页岩经其处理后 的硬度与经白油基处理后的硬度相 近， 因而有利于泡沫钻井过程中的井壁稳定 。同时， 酸碱调节不会破坏抑制剂 的分子结构， 但是外加酸 7 4 石 油 钻 探 技 术 2 O 1 4 年 7月 液和碱液会改变泡沫钻井液 中发泡剂 的发泡性能 ， 因此在现场施工中可根据酸液和碱液加量对钻井液 进行维护。 4 结论 1 通过对发泡剂 、 稳泡剂以及泥页岩抑制剂的 性能进行评价 ， 研制 了可循环强抑制性稳定泡沫钻 井液。在碱性条件下 ， 该 泡沫钻井液表现 出优 良的 泡沫性能 ， 具有较好的抗温 、 抗污染能力 。 2 利用复配发泡剂 F P H 对酸碱 的敏感性 ， 通 过调节 p H 值可实现泡沫钻井液发泡一消泡一再发 泡的多次循环利用 ， 能避免钻井过程中地面泡沫的 大量堆积 ， 有助于降低钻井成本 。 3 低分子胺类抑制剂易进入黏土 晶层， 阻止水 分子进入黏土使其水化 ， 高分子胺类抑制剂则吸附 于黏土表面形成保护膜， 将高分子与低分子胺类抑 制剂复配 ， 发挥协同增效作用 ， 可实现 良好的抑制效 果 。同时 ， 胺类抑制剂具有持久抑制能力 ， 因此有利 于泡沫钻井过程 中的井壁稳定。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 Re f e r e nc e s 魏武 ， 邓虎 ， 李皋 。 等． 气体钻井井壁稳定 处理剂评 价方法探讨 l J ] ． 天然气工业 ， 2 0 1 0 ， 3 0 9 5 1 5 4 ． W e i W u， De n g H u， Li Ga o ， e t a 1 ． A d i s c u s s i o n o n t h e e v a l u a t i o n me t h o d s o f t h e a d di t i v e s f o r we l l b o r e s t a b i l i t y i n g a s d r i l l i n g l J ] ． Na t u r a l Ga s I n d u s t r y ， 2 0 1 0 ， 3 0 9 5 1 5 4 ． 李兆敏 ， 董 贤勇． 泡沫流体油气 开采技术研 究进展 [ M] ． 东 营 中国石油大学 出版社 ， 2 0 0 9 2 3 1 - 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