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第 2 8卷 2 01 1年 第 2期 3月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D V_o1 . 2 8 NO . 2 M a t .2 O1 l 文童编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 1 0 2 0 0 1 9 0 5 快吸附强抑制性 HE M 钻井液 罗健生, 耿铁, 李 自立, 莫成孝 , 孙强, 王伟, 潘代奇 , 郭海峰, 王健 中海油田服务股份有限公司油田化学事业部,河北燕郊 摘 要针对渤 中地 区蒙脱 石含量很高 的活性泥页岩地层 ,合成 了一种钻井液用胺基 聚合 物抑制剂 P F H AB。用 l R、 H NMR等方法表征了P F H AB的结构,表明其为含活性胺基聚醚类化合物。抑制性实验结果表明,1 0 %膨 润土基浆老化后表观黏度、动切力分别为7 7 mP a S 、7 1 P a ,而淡水中加入 3 % w / v P F HA B后再加入 1 5 %膨润 土老化后 ,表观黏度 、动切力分别降至 4 mP a s 、2 P a , P F H AB的抑制性与国外同类产 品相 当,优于 国内同类产 品。 吸附量和 X R D测试实验表明,P F . HA B能快速吸附在膨润土表面和晶层间。开发 了以P F HA B、两性离子聚丙烯 酰 胺 P F HI P和高 效防泥包润滑 剂 P F HL UB为 主剂的 HE M 钻 井液体 系,其一次和 耐久滚动 回收率分别达到 9 5 % 和 8 5 %,摩 阻系数为 0 .0 5 6 7; 该 体系能抵 抗 3 0 % 钻 屑或 5 % 氯化钙 的污染 ,且污染后钻井液流变性能稳定。该钻 井液在 B Z 3 4 一 I N 油田应用 了 2口井 ,在整个钻进 过程 中没有出现复杂情况 ,起下钻顺利 ,储层保护效果好。 关键词 强抑制性钻 井液 ; 胺基聚合物 ;防止地层损害 ; 层间吸附 ; X R D 中图分类号 T E 2 5 4 . 3 文献标识码 A 渤中地 区的明化镇组上部地层发育有大段的活 性软泥页岩 ,钻屑极易造浆,井壁容易发生垮塌或 者缩径,给现场维护钻井液带来极大的困难。为了 保证现场作业顺利 ,研究出一套抑制性强 、润滑性 好 、性能稳定的钻井液很有必要 [ 1 - 7 ] 。 1 室 内实验 1 . 1 实验材料与设备 一 级膨 润土 新 疆夏子 街 ; P F . P AC . L v,上 海长光 国际贸易有 限公 司 ; P F D YF T。北京 宏勤 石油助剂有限公 司 ; P F HL U B,天津 中海油服化学 有限公司 ; P F H I P,天津中海油服化学有限公司 ; P F XC,山东中轩股份有限公司。 总有 机碳 分析仪 T O C Vc P N , 日本 S h i ma d z u; 六速旋转黏度计 ,青岛海通达专用仪器厂 ; 高温高 压失水仪,美 国 F a n n I n s t r u me n t 公司 ; 定时滚子炉 , 美国 OF I T e s t i n g E q u i p me n t 公司。 1 . 2合成 国外文献资料表 明,聚胺 的胺基氮原子上具有 孤对 电子 ,该孤对 电子很容易进入泥页岩铝氧八面 体晶片中央的铝 、铁或镁原子的空轨道 ,因而聚胺 易被黏土吸附,因此具有很好 的抑制作用 。可以看 出, 设计 的含有活性胺基的聚合物分子量不能太大, 否则聚胺分子就不容易进入黏土的晶片内。基于上 述思路 ,在一定的温度下 ,通过用一种有机胺单体 和一种活性有机单体在 2种催化剂的作用下进行聚 合反应 ,制备出了胺基聚合物抑制剂 P F H AB。 1 . 3 评价方 法 I 抑制性评价方法。在蒸馏水 中,分别加入 不同的聚胺 ,加量为 3 %,搅拌均匀后加入 I 5 % 的 膨润土 , 搅拌 2 0 mi n , 在 1 5 0 c C 下加热老化 1 6 h后 , 测定其流变性能。 第一作者简介 罗健生,高级工程师,现在从事钻井完井液、油气层保护及井壁稳定方面的研究工作。地址 河北省 三河市燕郊中海油田服务股份有限公司油田化学事业部技术发展中心 ;邮政编码 0 6 5 2 0 1;电话 0 1 0 8 4 5 2 2 1 3 9; E ma i l l u o j s c o s 1 . c o rn. c a 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年 3月 2吸附量评价方法 。取数个 5 0 mL的广 口瓶 , 分别加入一定量高浓度的 P F . H A B水溶液 ,然后再 加入提纯的钠基蒙脱土悬浮体 , 最后加入去离子水 , 使得每份中蒙脱土的浓度均为 5 g / t , ,P F HA B的浓 度分别为 0 、0 . 2 、0 . 4 、1 、2 、3 、4 、5 、6 、8 、1 0 、 2 O 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0和 7 0 g / L。将上述广 口瓶放在 磁力搅拌器上搅拌 2 4 h ,在室温下使体系达到吸附 平衡 。用 B i o f u g e S t r a t o s 高速冷冻离心机在 1 3 0 0 0 r / m in转速下离心 2 0 ra i n ,离心完毕后取上层清液 稀释到仪器的测定范围。 吸附量测定采用损耗法 ,即通过吸附平衡前后 溶液中胺 的含量来确定其在蒙脱土上的吸附量。具 体方法为 分别取离心后得到的上层清液于试管中, 用去离子水稀释到仪器可测量的浓度范围 0 ~ 1 0 0 mg / L ,得到有机碳测定试样 ,用总有机碳分析仪 测定试样 中的有机碳含量 ,根据下面的公式计算得 到吸附量。 C C A / 5 其中, 厂为吸附量,m g / g; C o 为聚合物初始浓度, mg / L; C为上清液稀释后聚合物浓度 ,mg / L; A为 稀释倍数 ; 5为黏土浓度 ,g / L 。 2 结果与讨论 2 . 1 P F HA B 结构表征 P F HA B的 I R谱 图见 图 1 。 由图 1 可 知 ,在 3 2 8 2 . 3 c m 处为 NH吸收峰 ; 在 1 l l O . 8 c m。和 1 0 3 9 . 5 c m 处的吸收峰为 c O c的伸缩振动峰。 这说明 P F . H AB为含活性胺基醚类化合物 。 褂 图 1 P F . H A B的红外光谱 由P F . H A B的 H核磁共振谱图可知 , 在 2 . 7 ~ 3 .0 m g / L处的 2 组峰是 A B 一级谱系统,说明主 要 组 分 分子 中有一O c H 一c H N一 的类 似 结 构 。 综上所述,合成的 P F H AB主要为聚醚胺类化 合物。 2 . 2 抑制性评价实验结果 抑制性评价实验结果见表 1 。从表 1 可以看出, P F H AB抑制膨润土造浆的能力较强。 表 l 抑制剂溶液耐膨润土侵的实验 结果 2 . 3 吸附量 和XRD的测定结 果 P F H A B在黏土颗粒上的吸附等温线如 图 2 所 示 ; 吸附了 P F . H AB的膨润土的 XR D衍射图见图 3 。 咖 莲 惑 平衡浓度, g /I 图 2 聚胺 P F . H AB的吸附平衡曲线 3 5 o o 3o o0 25 oo 2O 00 l 5 O O l 0 o 0 5 00 O 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 2 0 / 。 图 3 P F HA B MMT层间距 的变化 2 5℃ 层问距分别为 MMT ,1 . 2 5 1 n l n; P F H AB MMT ,1 . 4 ll m.PF HAB M M T- 1 %NaC1 , 1 . 46 6 nm ;PF HAB M M T_ 1 %K C I ,1 . 4 4 2 n m ; P F . H AB MMT - 0 . 2 %C a C 1 2 ,1 .4 2 8 n i n 通过吸附实验可以看出,P F . HA B在很低 的聚 胺浓度时,吸附量急剧升高 ; 随浓度增加吸附量上 升速度趋缓 ,浓度进一步增至 C MC附近时 ,吸附 趋于饱和 ,吸附等温线为 L型等温线 。聚胺 的吸附 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 2期 罗健 生等快吸附强抑制性HE M钻井液 2 1 有利于阻止泥页岩的水化。 从 x射线衍射 曲线可以看出,聚胺 P F HAB能 进入膨润土的品层 ,从而可以阻止水分 的进入 ,防 止泥页岩的膨胀。 3 HE M 钻井 液性能评价 优化出的 HE M 钻井液配方如下。 1 海 水 1 . 5 % 膨 润 土 0 . 1 5 %N a 2 C O3 0 . 6 % 降滤失 剂 P F P AC . L _V 1 . 5 % 封堵 剂 P F D YF T 3 . 0 % 抑制剂 P F HA B 1 . 0 % 高效防泥包润滑剂 P F H L U B 3 . 0 %Na C I 0 . 6 % 两 性 离 子 聚 丙 烯 酰 胺 P F H I P 0 . 3 %P F . XC 石灰石 加重至密度为 1 . 2 g / c m 2 用 0 . 3 % 部分水解聚丙烯酰胺 P F . P L H代替 0 . 4 %P F HI P,其余同 1 3 用 1 % 甲酸钾代替 3 . 0 %Na C 1 ,其余同 1 3 . 1 常规 性能 钻井液的常规性能见表 2 。从表 2可知 ,无论 是以 P F H I P还是 P F P L H作 包被剂 ,钻井 液 的流 变性能都较好 ,高温高压滤失量也较低 ,3 个配方 钻井液的常规性能均能满足现场正常钻进的要求 。 表 2 钻 井液常规性能 1 0 0 o C 、 1 6 h 3 . 2抑 制性能 3 . 2 . 1 滚动 回收率 B Z 3 4 1 岩 屑 在 海 水 中 的 滚 动 回收 率 极 低 , 为 2 . 3 % ; 在 H E M 钻 井液 中 的一 次滚动 回收率 为 9 6 %, 耐久滚动回收率为 8 6 . 5 %, 均很高 ; 在 P E C 有 机正电胶钻井液 中的一次滚动回收率为 7 8 %,耐 久滚动 回收率较低 ,为 6 2 . 5 %,说 明 HE M 钻井 液 抑制泥页岩的分散能力很强。 3 . 2 . 2 高温高压防膨实验 在 8 0 。 C、3 . 0 MP a的 条 件 下 , 测 得 H E M、 P E M 氯 化 钾 聚 合 醇 钻 井 液 及 P E C钻 井 液 对 B Z 3 4 1 岩屑粉人造岩心的防膨率分别是 9 6 %、9 3 % 及 8 5 %,说明 H E M 抑制泥页岩膨胀效果最好。 3 . 3钻井液 防泥包及 润滑性 分别测定基浆及含有不 同加量 的 P F HL UB的 HE M 钻井液 的钻屑黏附率及钻井液的润滑性 ,测 试结果见表 3 。从表 3可以看 , 加有 3 %P F - H L UB 的 H E M 钻井液 的摩 阻系数最低,钻屑的黏 附率也 最低,说明 HE M 钻井液润滑性及防泥包效果好。 基 浆 配 方 4 海 水 1 . 5 % 膨 润 土 0 . 1 5 % N a 2 CO3 0. 6 % PF P A C LV1. 5 % PF DYFT3. 0% P F H AB 1 . 0 % 甲 酸 钾 0 . 4 %P F . H I P O . 3 %P F . XC 石灰石 加重至密度为 1 . 2 g / c m 表 3 钻屑黏附率及润滑性 测试 结果 注 采用 B Z 3 4 1 油 田钻屑 ,黏附于金属表面。 3 . 4 抗 污染性 能 在 HE M 钻井 液 4 中,分别 加入不 同量 的 B Z 3 4 . 1 钻屑及氯化钙 , 测定污染前后钻井液的性能 , 结果见 表 4 。从表 4可知 ,H E M 钻井 液能抗 3 0 % 钻屑或 5 %氯化钙污染 ,钻井液的抗污染能力强。 表 4钻 井液污 染实验测试结果 1 0 0℃、1 6 h 3 . 5岩心渗透 率恢复值 使用 H E M 钻井 液 污染 B Z油 田的天 然岩 心 , 分别测定污染前后岩心的渗透率 ,计算岩心的渗透 率恢复值 ,测试结果见表 5 。从表 5 可 以看出,用 HE M 钻井液污染 B Z油 田的天然岩心后 ,岩心的渗 透率恢 复值在 8 0 % 以上 ,从污染端 截去 1 c m后 。 岩心的渗透率恢 复值在 9 0 % 以上 ,说明 H E M 钻井 液对岩心的损害程度较小 ,储层保护效果好。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年 3月 表 5 岩心渗透率恢复值的测试 结果 岩心 / 渗透率/ 1 0 。 /a m 渗透率恢复值 I C 1 . 丐 c m K o 污染后 0 . 5 c m 1 c m 注 为从污染端截去的长度。 4现 场应 用 B Z 3 4 1 油 田位于渤海南部海域 ,北部 同渤中 2 8 . 2南油 田相邻 ,西北距渤中 2 5 1 油田 3 5 k m,东 南距龙 口市 9 0 k m,属于渤中 3 4油田群 。 在 B Z 3 4 1 N C 4井 的 3 1 1 . 1 5 mm井 段 使 用 HE M 钻井液。当钻至井深 1 0 1 6 m时 ,转化钻井液 为 H E M 体系。钻至井深 1 0 8 3 m 时,由于 S L B仪 器故障,倒划起钻至井深 6 9 8 m,起钻 出井 口,重 新组合 S L B钻具组合 。下钻到底 ,钻至井深 1 9 0 0 m完钻。倒划起钻至井深 5 3 6 m,起钻 出井 口,组 合通井钻具组合。下钻到底,循环,调整钻井液, 起钻出井 口。下套管至井深 1 8 9 4 m, 该井二开结束。 B Z 3 4 1 A D2 h井第 2次使 用 H E M 钻井 液,钻 进井深 1 0 6 9 m开始转化成 HE M 钻井液。定 向钻 至井深 1 2 9 6 m,循 环 ,起 钻至井 口,井 I li O N 畅 , 组合二开旋转导向钻具 ,下钻至井底 ,无沉砂。旋 转钻进至井深 1 3 7 8 m,由于旋转导向工具造斜率 不能满足设计要求 ,起钻至井 口,井眼顺畅 ,组合 二开造斜钻具组合 ,下钻至井底 ,无沉砂 ,定 向钻 至井深 1 6 7 4 m。连续 3柱马达造斜率不能达 到要 求 ,决定起钻更换旋转导向钻具 ,起钻至井 口,井 眼顺畅 ; 组合二开旋转导向钻具,下钻至井底,无 沉砂 ,旋转钻进至着陆井深 2 0 5 8 m ; 组合通井钻 具 ,下钻至井底 ,无沉砂 ; 循环至返出干净 ,短起 至井深 1 4 0 0m,下钻至井底 ,循环 ,起钻至井 口 ; 下 1 7 7 . 8 mi l l 套管 固井。 B Z地 区油 田黏土矿物分 析见表 6 。该地 区所 钻 的 2口井 BZ 3 4 1 AD2 h的最 大井 斜角为 9 0 。 , B Z 3 4 1 N. C 4的最大井斜角为 5 7 . 0 2 。 。现场钻井液 的流变性分别见图 4 ~ 图 6 。从表 6可以看出,B Z 油田钻屑黏土矿物含量较高,黏土矿物中伊蒙混 层 的含量在 8 0 % 以上 ,混层 比中蒙脱石含量高达 7 0 %,是极易水化分散造浆的泥岩。虽然所钻地层 是蒙脱石含量高且极易水化分散的软泥岩 ,但是从 振动筛返出的钻屑是成型的, 并且岩屑内部是干的, 说明钻井液的抑制性较强。从图 4 ~图 6可以看出, 无论是 HE M 钻井液的漏斗黏度 ,还是其塑性黏度 及动切力均 比较平稳。在整个钻井过程 中,起下钻 顺利 ,电测成功 ,下套管一次到位 ,没有 出现复杂 情况 ,说明 H E M 钻井液流变性能稳定 ,润滑性好 , 抑制性强 , 维护简单 ,完全能满足现场的正常钻进。 表 6 黏土矿物分析 井号 井深 / 黏土矿黏土矿物组成 / %混层C E C / m 物/ %U S S I K C 比, % m mo l/ k g k 井深/ m 图 4 H E M 钻井液在不 同井 的漏斗黏度 井深/ m 图 5 B Z 3 4 1 N C 4井钻井液在不同井深 的性能 井深/ m 图 6 B Z 3 4 1 A D2 h井钻井液在不同井深的性能 5 结 论 1 . P F H AB抑制活性泥页岩造浆 的效果好 ,在 应用中对维护钻井液 的稳定起到了关键 的作用。 2 3 2 加 ∞ ∞ 5 5 5 7 7 7 8 7 踟 引 0 0 0 卯 能 ∞ ∞ ∞ 5 O l } 2 2 2 0 J Z Z Z B B B 日 日 吕 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 2期 罗健 生等 快吸附强抑制性HE M钻井液 2 3 2 . 在 B Z 3 4 . 1 油 田 2口井 的使用过程 中,H E M 钻井液表现出抑制性强 、润滑性及防泥包效果好 、 钻井液维护简单 、体系性能稳定 、油气显示 明显 、 储层保护效果好等特点。 参 考 文 献 【 1 ] Ar v i n d P a t e l ,E ma n u e l S t a ma t a k i s ,Da v i s E r i c . Hi g h Per f o r m a nc e W a t er Bas e d Dr i l l i ng M ud a n d M e t ho d of Us e [ P ] . U S P a t e n t ,0 1 5 5 1 5 7 , 2 0 0 3 ,8 . 『 2 ] Ar v i n d P a t e l ,Ema n u e l S t a ma t a k i s ,Da v i s E r i c .S h a l e Hy d r a t i o n I n h i b i t i o n Ag e n t a n d Me t h o d o f Us e [ P 1 . US Pa t e nt , 6 2 47 5 43,20 01,6. [ 3 】 S c h l e me r R,P a t e l A,F r i e d h e i m J ,e t a 1 . P r o g r e s s i o n of W a t e r Ba s e d Fl ui ds Bas e d o n Ami ne Che mi s t r v Ca n t h e R o a d L e a d t o T r u e Oi l Mu d R e p l a c e me n t s [ R ] . AADE一 0 3一 NTCE一 3 6, 2 003, 4 l 一 3. f 4 1 Ar v i n d P a t e l ,Ema n u e l S t a ma t a ki s ,J a me s E,e t a 1 . Hi g h l y I n h i b i t i v e W a t e r Ba s e d Fl u i d S y s t e m P r o v i d e s Su p e r i o r Ch e m i c a l S t a bi l i z a t i on o f Re a c t i v e Sh a l e F o r ma t i o n s [ R] . AADE. 0 l NC. H0 5 5 ,2 0 0 1 ,3 2 7 2 9 . [ 5 ] Dy e W ,Cl a p p e r D,Ha n s e n N. L e a p e r . De s i g n C0 n s i d e r a t i o n s f o r H i g h Pe r f o r m a n c e W a t e r Ba s e d Mu d [ R ] . A AD E 一 0 4 一 D F HO 一 1 4 . f 6 ] Mo r t o n K,Bo ma r B, S c h i l l e r M ,e t a 1 .De v e l o p me n t a n d Le a r n i n g P r o c e s s Us i n g Ne w HP W BM o n Gu l f o f Me x i c o S h e l f We l l s [ R1 . AADE 一 0 5 一 NT CE. 3 1 . [ 7 】 张克勤 、何纶、安淑芳,等 . 国外高性能水基钻井液介 绍 【 J ] . 钻 井液 与完 井液 ,2 0 0 7 ,2 4 3 6 8 7 3 . 收稿 日期2 0 1 0 1 0 一 l 1 ;H GF I 1 0 2 N7 ;编辑 王小娜 ; ; 乔 { 绵 { ; 尔 筇 ; 乖 ; 乖 ; 硝肆 乖 钎 0乖 ; 上接第1 8 页 5 提高 了机械钻速。由于采用油包水钻井液 , 定向机械钻速最高可达 1 6 m/ h ,复合钻进机械钻速 最高可达 3 0 m / h ,钻井周期为 4 1 9 h 。 6 钻井液具有 良好 的乳化稳 定性 。该钻井液 在现场应用中维持 了足够的石灰含量 ,保证了乳化 液的高温电位稳定性 ,并为乳化剂和其它处理剂提 供了适 当的碱性 ; 氧化钙加量保持为 3 . 2 %~6 . 5 %, 消除了酸 性气体对钻井液性能的影响。该井的酸性 气体比较活跃 ,石灰碱度下降很快 ,需要不断补充。 破乳电压值最低为 5 3 5 V, 后期稳定在 1 0 0 0 V以上 , 井深和破乳电压 的变化关系见图 2 。 l UU 1 1 0 0 l 0 0 0 吾;盟0 7 0 0 6 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 21 0 0 2 2 1 井深/ In 图2 不同井深处的钻井液破乳电压 7钻井液润滑性好 。定 向钻进过程 中无托压 现象 ,起下钻过程 中摩阻为 2 ~3 t ,未出现卡钻等 复杂情况, 下套管顺畅, 保证了安全快速优质施工。 4认 识 和 结论 1 . 州 7 2 一 平 5 4 Z井二开井段实现了中短曲率半 径 、长泥岩段大井眼安全钻进施工。 2 . 油包水钻井液具有 良好 的乳化稳定性 、润滑 性和较强的抑制性 ,以及较低 的摩阻 、滤失量 ,有 利于井壁稳定 ,达到了预期的性能指标 。 3 . 在用油包水钻井液钻进的过程 中由于地层水 及钻屑的侵入 ,造成黏度有升高的趋势 ,通过四级 固控设备清除无用 固相 ,降低有机土 、氧化沥青 、 氧化钙及氯化钙水溶液 的加量来适 当调整。 4 . 进尺快时振动筛带出的岩屑吸附的润湿剂使 其消耗量大,因此需勤测量体系的破乳电压,并及 时补充润湿剂 ,保持体系的稳定 。 5 . 油包水钻井液能够满足大庆油 田四分支鱼骨 水平井钻井的要求 ,提高了机械钻速 , 避免了卡钻 、 泥包 、井塌等复杂情况。 参 考 文献 [ 1 】1 董伟,姚烈,姜文波,等 . 静 5 2 一 H1 Z分支水平井钻井 液技术 【 J 】 . 钻井液与完井液,2 0 0 9 ,2 6 3 1 - 4 . [ 2 ] 张明海 , 陈永奇 , 王洪升 , 等 . Wu M1 . 1 羽状分支水平井 充气钻井液技术 . 钻井液与完井液,2 0 0 6 3 4 5 。 4 6 . [ 3 】 蔺志 鹏 , 陈恩让 , 胡 祖彪 , 等 . 杏平 1 水平分 支井 钻井 液技术 . 钻井液与完井液 ,2 0 0 7 ,2 4 2 1 5 1 8 . [ 4 ] 张洪 霞 , 鄢捷 年 , 宋 元森 . 多分支水 平井钻井液 技术研 究与应用 . 钻井 液与完井 液 ,2 0 0 8 ,2 5 2 3 1 . 3 3 . [ 5 ] 董伟 , 姚烈 , 姜文波 , 等 . 静 5 2 一 H1 Z分支水平井钻井液 技术 . 钻井液与完井液 ,2 0 0 9 ,2 6 3 1 - 4 . 收稿 日期2 0 1 0 1 1 - 1 7 ;HG F I 1 0 1 N1 ;编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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