抗240℃超高温水基钻井液室内研究.pdf

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第 3 2卷 第 1 期 2 0 1 5年1月 钻井 液与 完井液 D砒 LL I NG F LUI D C0M P L ET I ON F LUI D Vo l | 3 2 NO. 1 J a n.20l 5 d o i 1 0 . 3 9 6 9 8 . i s s n . 1 0 0 1 5 6 2 0 . 2 0 1 5 . 0 1 . 0 0 3 抗 2 4 0 o C 超高温水基钻井液室内研究 许洁 , 乌效鸣 , 朱永宜 , 契霍特金 V F . , 许明标 , 吴川 , 郑文龙 1 . 中国地质大学 武汉 工程学院, 武汉 ; 2 . 中国地质科学院勘探技术研究所 , 河北廊坊 ; 3 . 长江大学石油工程学院,湖北荆州 许洁等. 抗 2 4 0℃超高温水基钻井液室内研究 [ J ] . 钻井液与完井液,2 0 1 5 ,3 2 1 1 0 . 1 3 . 摘要针 对 中国大陆科 学钻探松科 2井深部高温层段钻井作业需要,通过研制 出高 温稳定剂 MG H2 ,引入抗 高温 抗盐 的凹凸棒 土,优选抗 高温降滤失剂,设计 出一套 以钠膨润土和 凹凸棒土为黏土相 的低 固相抗 2 4 0℃超高温 的水 基 钻井液配方。MG . H2是采用反相乳液聚合方式研制出的一种油包水型高温稳定剂,其具有球状高分子柔性搭接、增强 悬浮稳定性作用和半刚性微粒黏度特性,能实现对钻井液黏度、润滑、滤失性能的综合控制。优选出的 3种降滤失利 及其加量配比为 3 %L o c k s e a l 1 %硅氟降滤失剂 1 . 5 %S o l t e x 。综合性能评价结果表明,该抗高温钻井液经过2 4 0 0 高 温老化后性能稳定,具有良好的流变性能和滤失造壁性能,抑制和润滑性能满足钻井需要,能抗 l 0 %膨润土、5 %Na C l 和 I %C a C 1 , 的污染。为松科 2井下阶段抗 2 6 0℃超高温钻井液的研制奠定 了良好基础。 关键词超高温水基钻井液 ; 高温稳定剂 ;凹凸棒土 ;降滤失剂 中图分类号T E 2 5 4 _ 3 文献标识码A 文章编号 松辽盆地大陆科学钻探 2号井 松科 2井 位于 黑龙江省安达市 ,设计井深为 6 4 0 0 m。由于地温梯 度相对较高,井底高温问题使钻井液面临着巨大的挑 战。实践表明 ,钻井液 l生能对于确保深井安全 、快速 钻进起着十分关键的作用。为了保障松科 2 井钻井的 顺利施工,在调研国内外资料、分析地层特点及钻井 液技术难点的基础上 ,经过大量的实验研究 ,研制出 一 种抗高温水基钻井液体系。 1 技 术难 点与对 策 抗 2 4 0 c lC 超高温水基钻井液体系的研制是针对松 科 2 井五开 5 6 0 0 6 4 0 0 m 钻探而提出的,其技 术难点主要体现在以下 2 个方面。①地层温度高,据 邻井地层资料和 目前的测井数据计算 ,平均地温梯度 为 4 o C/ 1 0 0 m,井底温度可能高达 2 6 0℃ [ 1 】 。普遍认 为中国目 前抗高温水基钻井液的抗温能力在 2 0 0 cI 以 下,同时传统的抗高温水基钻井液处理剂难以满足 2 0 0 以上钻井液的需求 [2 】 。②高温作用使得钻井液 中钠膨润土钝化、絮凝,处理剂解吸附,导致钻井液 流变性能难 以控制 ,整体性能发生变化甚至恶化。 具体研制思路为 优选出抗温能力强 的降滤失剂 作为主要处理剂,利用他们之间的协同增效作用提高 钻井液 的抗温能力 [ 3 ; 研制 出一种高温稳定剂 ,引入 抗高温抗盐的凹凸棒 土,将其与钠膨润土配合使用 , 改善钻井液 的抗温抗盐性能 [4 - 5 ] 。 2处 理 剂优 选 2 . 1 新型高温稳定剂MG H2 的研制 该研究研制 的 MG . H2处理剂是通过引入丙烯酰 胺、A MP S 等单体,采用反相乳液聚合法制备得到的 一 种油包水型乳液。与传统链状聚合物添加剂相比, 经形貌化处理的介观球型聚合物添加剂在钻井液多相 流中具有 3种特性 ①添加剂分子结构的刚性增大 , 耐温 I生和抗剪切性增强 ; ②添加剂微球粒子间摩擦和 搭接增强流体结构黏度 ; ③占据层状膨润土颗粒的搭 接空间,避免由端 . 端或端 . 面搭接的空间结构速递 增强。在高温下 ,具有多维规整性的球状体型聚合物 粒子其表面活性高 、耐温性强,改善功能化聚合物处 基金项目 国际大陆科学钻探 I C D P项目 “ 松辽盆地深资源与环境深部钻探工程” 1 2 1 2 0 1 1 3 0 1 7 6 0 0 o 第一作者简介 许洁,1 9 8 3年生,中国地质大学 武汉 在读博士研究生,现主要从事钻井液技术研究工作。地址 湖北省武 汉市洪山区鲁磨路 3 8 8 号中国地质大学 武汉 工程学院 ; 邮政编码 4 3 0 0 7 4; 电话 1 3 5 5 4 1 6 8 3 0 6; E - m a i l x u j i e 5 6 1 1 2 6 . c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 1 期 许洁等抗2 4 0℃超高温水基钻 井液室内研究 理剂与膨润土粒子问的作用 ; 此外 ,在钻井液流体 中 聚合物球型粒子展示了特殊的流体力学性质,因此, 可有效降低钻井液体系的温度敏感性 ,达到高温稳流 特性 。实验室正从聚合物分子结构 、形貌设计以及分 子模拟角度开展研究,以期从分子水平解释聚合物微 球添加剂在钻井液高温体系中的作用机理 ,为新型钻 外液添加剂的没汁、 合成和应用提供理论基础。它与 链状聚合物分子的高温作用原理见 1 。该处理剂在 钻片液 巾具有 同增效的作用 ,能提高其他处理剂的 抗温性能 ,进 而提高整个高温钻井液配方 的抗温性 ; 能使高温下急剧变化的流变参数在较/⋯1% -tq 围内波动, 高温滤久谜明 降低 ; 并且具有一定的润滑作用 。 赢 丑 t ■ ■ _ I I 瞳 ≮ 迄 1 高温稳定剂 MG. H 2作用原理图 如 表 l所 示,加 入 MG . H 2后 ,老 化后 钻 井 液 的滤欠量都 著降低 ; 随着 MG H 2 加量的增大,钠 膨 润 土浆 老化 后 增 稠 的趋势 减 缓甚 至 降黏 ,说 明 MG. H 2 n 丁 以改善抗高温钻井液 的流变性能和滤失性 能 ,其最优加量为 3 %。钻井液配方如下。 2 % 钠 膨 润 土 0. 2 %Na OH十0. 2 %Na , CO M G H 23% L o c k s e a l 1% F L.12% S M P C 2% SH R 2% SPN H H T 3% JLX 0. 1% V I S. B 3 %K C I 2 % 甲酸钠 重晶石 p 1 . 1 5 g / c m 表 l MG l I 2加量对钻井液流变参数和滤失量的影响 沌 5 5 o 【 测试性能 ; 凡 H T } 1 P 在 1 5 0 、3 . 5 MP a 测定 。 2 . 2 降滤 火剂的 优选 在研制} lJ 新型高温稳定剂的基础上对高温降滤失 剂进行优选。如表 2 所示 ,D r i s c a l - D、L o c k s e a l 、S o l t e x 和的 A P I 滤 失量最小 ,S H R、K F T、S P NH的滤失量 较小 ,但是这 3种处理剂经 2 4 0 o C 高温老化后均有刺 鼻气味。最终确定将 D r i s c a l - D作为辅助增黏剂, L o c k s e a l 和硅氟降滤失剂作为固定降滤失剂,S o l t e x 作为辅助 降滤失剂。钻井液造壁性需要在近井壁形成 内滤饼 , 这样有助于形成薄而致密的外滤饼 ,这就要求钻井液 应含有一定比例的固体粒子 ,能迅速在岩石近井壁 1人 J 侧桥塞孔喉,大幅度降低滤失介质的渗透率,S o lt e x 中含有的不溶物成分能起到这个作用。室 内正交实 验确定 3种降滤失剂的最佳配 比为 3 %L o c k s e a l l % 硅氟降滤失剂 1 . 5 %S o l t e x 。基浆配方如下。 1 % 钠 膨 润 土 1 % 凹 凸 棒 土 O . 2 %Na , C O 0 . 2 %Na O H 3 %MG. H 2 降滤 失 剂 3 %J L X 3 %K CI 2 % 甲酸钠 表 2 降滤失剂优选评价结果 降滤失剂 A V / ⋯ P V / Y P/ 空 白 l %SHR 1 %硅 氟 降滤失剂 老化前1 4 . 5 6 老化后1 8 . 0 6 老化前1 2 . 5 7 老化后8 . 0 6 老化前1 7 . 0 1 0 老化后1 6 . 0 8 老化前1 3 . 5 7 老化后1 2 . 0 6 老化前1 4 . 5 7 老化后7 . 5 6 8 . 5 . 8 . 0 / 7 . 5 1 2.O l 1 . 0 / 1 0. 0 3 . 0/ 2. 5 27. 0 5. 5 5 . 0/ 5. 0 2 . 0 1 . 0 / 1 . 0 0 . 5 / 1 . 5 1 2 . 0 7. 0 6.0/ 6 . 0 8. 0 6.0/ 6 . 0 1 . 5 / 5. 0 9. 0 6. 5 7. 0 / 6 . 5 6 . 0 0 / 0 0 t 0 1 2 . 0 7 . 5 8 . 5 / 8 . 0 1 . 5 1 .0 / 1 . 0 0 . 5 / 0 . 5 1 2 . 0 0 . 5 %Dr i s c a 1 . D老化前4 2 . 0 2 2 2 0 .0 1 3 . 0 / 1 1 .0 雪佛 龙 老化后3 8 .0 2 0 1 8 . 0 1 1 . 0 / 9 . 0 3 . 5 / 5 . 0 9 . 5 1 %S o l t e x 老化前1 4 . 0 7 7 . 0 4 . 0 / 3 . 5 雪佛龙 老化后1 7 . 5 1 l 1 6 . 5 3 . 0 / 2 . 0 1 . 2 / 1 . 5 8 . 1 老化前1 4 . 0 9 5 . 0 3 . 0 / 3 . 0 老化后1 5 .0 8 7 . 0 5 . 0 / 4 . 5 1 . 5 / 6 . 0 1 6 . 0 老化 前1 3 .0 7 6 . 0 6 . 0 / 5 . 5 老化 后1 0 . 5 8 2 . 5 1 . 5 / 1 . 0 0 . 5 / 1 . 0 1 0 . 8 注 老化条件为 2 4 0℃、1 6 h ,流变性 能在 5 5℃测定 、 2 . 3 黏_ } 相的优选 凹凸棒土是一种层链状过渡结构的以含水富镁硅 酸盐为主的黏土矿,具有天然惰性 ,其阳离子交换容 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 钨井液与完井液 2 0 1 5年 1月 量低 ,且在 3 5 0 4 0 0℃温度下 晶体结构不变 ,所 以 在盐水中不会被电解质所絮凝,具有抗高温性能 f6 】 。 考虑大幅度降低钻井液中膨润土含量, 将钠膨润土与 凹凸棒土进行复配 ,作为该抗高温水基钻井液 的黏土 相 ,钻井液配方如下 ,实验结果见表 3 。 膨 润 土 浆 0 _ 3 %Na OH 3 %MG. H2 3 %L o c k s e a l l %硅氟降滤失剂 1 . 5 %S o l t e x 3 %K C l 2 %甲酸钠 用重晶石加重至 1 . 2 0 g / c m3 从表 3可以看 出,全钠膨润土浆热滚后表观黏度 增大 ,动切力增长幅度大 ; 随着凹凸棒土所 占配 比增 大,热滚前动塑比增大,热滚后动塑比减小 ; 热滚后 A P I 滤失量随着凹凸棒土配比增大而降低。 综合考虑, 将钠膨润土与凹凸棒土的复配比例定为 1 1 。 表 3 钠膨润土与凹凸棒土不同比例复配对钻井液性能的影响 注 ’为老化后的性能,老化条件为 2 4 0℃、1 6 h 。 3 抗高温水基钻井液的配方及性能 室内实验确定新型抗高温钻井液基本配方如下。 2 % 土 1 %钠膨润土 l % 凹凸棒土 0 . 2 %Na O H 0 . 2 %N a , C O 3 % 高温稳定剂 MG H2 3 % 降滤失剂 L o c k s e a l 1 %硅 氟 降 滤 失 剂1 . 5 %S o l t e x 0 . 4 % D r i s c a 1 . D 3 % K C l 2 %甲酸钠 3 %聚合醇防塌抑制剂 J L X 重晶石 密度为 1 . 2 0 e / c m 3 . 1 基本性能 该钻井液体系的综合性能评价结果见表 4 。 表 4 新型抗高温水基钻井液的综合性能评价 实验 P , F 润滑防膨 F L /F L H T H P / 条件 mP a . s P a 仍s 系数率 / %mL mL 注 流变性能在 6 0℃测定,F L 在 1 5 0℃测定 ; 2 4 0 、 2 5 0 o C 老化后滚动回收率分别为 9 1 . 4 8 %和 9 1 . 0 %。 由表 4可知 ,体系的抗温达 2 4 0℃ ; 高温老化后 切力较高, 在表观黏度相对较低时携带岩屑能力较好; 润滑性能好 ,利于减小井下摩阻,保证施工安全。 3 . 2抗污染 性能 1 抗膨 润土粉污染能力 。在密度 为 1 . 2 0 g / c m 的该抗高温钻井液 中,分别加入 5 %、1 0 %、1 5 %粒 径为 0 . 0 7 4 m m的膨润土粉,其性能评价结果见表 5 。 由此可知,该钻井液能够抗 1 0 % 膨润土的侵污。 表 5 抗高温钻井液的抗膨润土粉污染性能 在 2 4 0℃、1 6 h 注 滚后 p H值均为 9 ; 膨润土加量为 1 0 %时比 为 3 0 m L 。 2 抗盐、抗钙性能。在该抗高温钻井液中分别 加人不 同浓度 的 Na C 1 和 C a C1 ,其性能见表 6 。 表 6 抗 高温钻井液的抗盐污染性能 2 4 0℃ 、1 6 h 注 滚后 p H值均为 9; N a C 1 加量为3 %时 T }{ P 为2 6 mL; C a C 1 2 加量为 1 %时 为2 7 mL 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 1期 许洁等抗2 4 0℃超 高温水基钻井液室内研究 l 3 由表 6可 以看 出,该钻井液具有较好的抗盐 、抗 钙性能 ,能抗 5 %Na C I 和 I %C a C 1 2 。 4 结论 与认 识 1 .抗 2 4 0℃超高 温钻 井液 由研 制 的高温稳 定 剂 MG H 2 、优选出的抗高温降滤失剂组合 1 %硅氟 降滤失剂 3 % L o c k s e a l 1 .5 %S o lt e x 等组成,并采用 1 %钠膨润土和 1 % 凹凸棒土复配作为黏土相,结合 凹凸棒土的抗温抗盐特点,改善膨润土含量高时在高 温下导致 的钻井液性能恶化 问题。其 中 MG H 2是 由 AM、AMP S等单体 ,采用反相乳液聚合方法制得 的 一 种油包水型乳液,其聚合物呈球型,具有柔性搭接 作用和介观流体 的黏度特性 。 2 .该钻井液具有 良好的抑制性 ; 能抗 1 0 %膨润 土 、5 %Na C 1 和 1 %C a C 1 , 的污染 ; 且具有 良好的润滑 性能 ,综合性能好 ,为松科 2井下阶段 2 6 0℃超高温 钻井液的研制奠定了 良好基础。 [ 2 ] 参 考 文 献 单文军 ,陶士先, 付帆抗 ,等 . 2 4 0 o c 高温水基钻井液体系 的室内研究 [ J ] . 钻井液与完井液,2 0 1 4 ,3 1 5 1 0 . 1 3 . S h a n We n j u n , T a o S h i x i a n , F u F a n , e t a 1 . Hi g h t e mp e r a t u r e d r i l l i n g fl u i d t e c h n o l o g y [ J ] . Dr i l l i n g Fl u i d& C o m p l e t i o n F l u i d ,2 0 1 4 ,3 1 5 1 0 1 3 . 李公让 ,薛玉志,刘宝峰,等 . 胜科一井四开超高温高密 度钻井液技术 [ J ] . 钻井液与完井液,2 0 0 9 ,2 6 2 1 2 . 1 5 . [ 3 ] [ 4 ] [ 5 】 [ 6 】 Li Go n g r a n g, Xu e Yuz h i ,Li u Ba o f e n g, e t a 1 . Hi g h t empe r a t ur e hi gh dens i t y dr i l l i ng flui d t ec hnol ogy f or t h e f o r t h i n t e r v a l o f we l l S h e n g k e - 1 [ J 】 . Dr i l l i n g F l u i d& C o m p l e t i o nF l u i d ,2 0 0 9 ,2 6 2 1 2 1 5 . 丁彤伟 ,鄢捷年,冯杰 . 抗高温高密度水基钻井液体系 的室内实验研究 [ J ] . 中国石油大学学报 自然科学版 , 2 0 0 7 ,3 1 2 7 3 . 7 8 . Di n g T o n g we i ,Ya n J i e n i a n,Fe n g J i e . Ex p e r i m e n t a l s tud y o n wa t e r - b a s e d d r i l l i n g fl u i d s r e s i s t i n g h i g h t e mp e r a t u r e wi t h h i g h d e n s i t y [ J ] . J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m E d i t i o n o f Na t u r a l S c i e n c e , 2 0 0 7 ,3 1 2 7 3 7 8 . 杨泽星,孙金声 . 高温2 2 0。 c 高密度 2 _ 3 g / c I I 1 3 水基钻井液 技术研究 [ J ] . 钻井液与完井液,2 0 0 7 ,2 4 5 1 5 1 6 ,8 6 . Ya n g Ze x i n g,S u n J i n s h e n g . Re s e a r c h e s o n h i g h t e mp e r a t u r e h i g h d e n s i t y w a t e r b a s e mu d [ 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 0 7 ,2 4 5 1 5 1 6 ,8 6 . 常晨 , 许明标, 由福昌 . 超高温水基钻井液的室内研究 [ J ] . 钻井液与完井液,2 0 1 2 , 2 9 3 3 6 . 3 7 . Ch a n g Ch e n,Xu M i n g b i a o,Yo u F u c h a n g . Ex p e r i me n t a l s tudy o n ul t r a hi gh t e mpe r a t u r e wa t e r -- b as e d dr i l l i n g flui d s y s t e m[ 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 2 , 2 9 3 3 6 3 7. 施里宇 ,李 天太 ,张喜凤 . 温度和膨润土含量对水基钻井 液流变I生的影响 【 J ] . 石油钻探技术,2 0 0 8 ,3 6 1 2 0 . 2 2 . Shi Li yu,Li Ti a nt ai ,Zha ng Xi f e ng, et a 1 .Ef f ec t s of t e mp e r a t u r e a n d c l a y c o n t e n t o n wa t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d s ’ r e h o l o g i c a l p r o p e r t y [ J ] . Pe t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s . 2 0 0 8 ,3 6 1 2 0 . 2 2 . 收稿 日期2 0 1 4 0 9 2 8 ;HG F 1 5 0 1 N1 ;编辑王小娜 上接第9 页 [ 2 】 [ 3 ] [ 4 】 [ 5 】 参 考 文 献 M a g n i n A , P i a u J M . Co n e a n d pl a t e r h e o m e t r y o f fl u i d s wi t h a y i e l d s t r e s s . S t u d y o f a n a q u e o u s g e l [ J ] .J o u r n a l of Non 一 wt o ni an Fl u i dM e c ha ni c s, 1 99 0, 3 6 85 . Al d e r ma n N J , Me e t e n G H ,Sh e r wo o d J D ,Va ne r h e o me t r y o f b e n t o n i t e g e l s [ J ] .J o u r n a l of N o n Ne wt o n i a n F l u i dMe c h a n i c s , 1 9 9 1 ,3 9 3 2 9 1 . 3 1 0 . Pi gn on F, Pi a u J M , M ag ni n A. 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