硅铝钻井液体系的室内研究及现场应用.pdf

l 6 精 细 石 油 化 工 进 展 A D V A N C E S I N F I N E P E T R O C H E M I C A L S 第 1 6卷第 1期 硅 铝钻 井液体 系的室 内研 究及现场应用 孟丽艳， 张麒麟， 黄 宁 中国石化中原石油钻井工程有限公司钻井工程技术研究院， 河南濮阳 4 5 7 0 0 1 摘要在常规硅酸盐钻井液基础上， 引入偏铝酸盐 ， 研制了硅酸盐 一铝酸盐防塌钻井液体系， 并 对硅酸盐 一铝酸盐钻井液的抗污染、 抑制性、 封堵和封固性进行了室内研究与评价。结果表明， 硅 酸盐 一铝酸盐钻井液具有抗 1 0 ％钙土污染、 1 5 ％钻屑污染以及 C O ， 和 H C O 一 污染能力， 对泥页 岩岩屑滚动回收率达9 5 ％以上， 具有 良好的抑制性 ； 岩心浸泡实验表明硅铝钻井液具有 良好的防 塌能力， 岩心抗压试验表明硅铝钻井液使岩心抗压强度提高了3 7 ． 5 ％； 对低孔低渗岩心的封堵率 达 9 9 ％， 表明该体系具有较强的物理封堵和化学封固性能。该硅铝钻井液在内蒙意 1 5井进行了 现场应用， 取得了一定的井壁稳定效果 ， 并体现了较好的保护和发现油层的作用。 关键词防塌钻井液硅酸盐铝酸盐井壁稳定内蒙意 1 5井 井壁失稳是钻井和完井过程中常遇到的井下 复杂情况之一 ， 其中 ， 泥页岩地层不稳定造成的井 壁坍塌和缩径失稳 约 占总数的 9 0 ％ 以上 。虽然 油基及合成基钻井液最适宜解决复杂地层井壁失 稳问题， 然而油基钻井液的使用对保护环境和降 低钻井成本造成越来越大的压力。因此， 本研究 针对内蒙查干地 区火 山岩储 层井壁失稳的问题 ， 研制一种在钻井过程 中既可预防井壁坍塌 、 缩径 和渗漏 ， 又具有加固井壁 的硅酸盐 一铝酸盐 防塌 钻井液体系。硅酸盐和铝酸盐井壁封堵机理均是 在滤液从高 p H环境 向中性转换 的过程 中 ， 形成 硅酸或氢氧化铝来发挥地层封堵作用。因此 ， 本 研究首次将两种 物质特点结合 ， 在 中性条件下通 过生成硅酸 、 氢氧化铝和硅酸铝等沉淀封堵地层 ， 进一步加强泥页岩 等地层 的井壁 防塌和封堵效 果 ， 为安全钻井 ， 减少复杂事故 ， 节约成本提供必 要的技术支持。 1 硅铝钻井液的形成 硅酸盐 一铝酸盐钻井液具有与硅酸盐钻井液 相似的特点 ， 即高碱性和流变性不易控制 ， 限制了 一 些处 理 剂 的使 用 ， 参 考 国 内外 硅 酸 盐 钻 井 液 J 、 铝酸盐钻井液 处理剂配伍性的有关实 验 ， 首先进行 了硅铝钻井液无机盐处理剂优选 ， 包 括硅酸盐、 偏铝酸盐、 氯化钾和专用配伍处理剂的 优选实验， 包含流型调节剂 、 降滤失剂 、 抑制剂 、 封 堵剂 ， 通过评价钻井液 的抑制性 、 流变性 、 滤失造 壁性和封 固性 ， 确定硅酸盐 一铝酸盐防塌钻井液 适宜的配 方 为 1 ． 0 ％ 一2 ． 0 ％ 膨润 土基 浆 0 ． 1 ％ ～0 ． 3 ％ X C 1 ． 0 ％ ～1 ． 5 ％ L VP AC 0 0 ． 5 ％ L VC M C 2 ． 0 ％ 一5 ． 0 ％ 封堵材 料 0～2 ． 0 ％ 有机抑 制剂 1 ． 0 ％ 一3 ． 0 ％ 流型 调 节 剂 5 ． O ％ ～7 ． 0 ％N a 2 S i O 3 模 数 2 ． 02 ． 4 0 ． 2 5 ％一 1 ． 0 0 ％铝 酸 盐 3 ． 0 ％ ～ 5 ． 0 ％ K C 1 0 ． 5～1 ． O ％ N a O H重 晶石 。 2 硅铝钻井液性能评价 2 ． 1 钻井液基本性能 按照适宜的配方配 制硅酸盐 一铝酸 盐钻井 液， 钻井液密度 为 1 ． 2 0～1 ． 6 0 g ／ c m 。表 1为不 同密度硅铝钻井液经 9 0℃热滚 1 6 h后 的钻井液 性能。 表 1不同密度硅铝钻井液性能 A V为表观黏度， P V为塑性黏度 ， Y P为动切力， F L 为滤失量， F L H _r H P 为高温高压滤失量； F L H T H P 测试温度 1 0 0℃， 其他测试温 度为 2 5℃ 。 由表 1 可知， 使用重晶石可将硅铝钻井液加 收稿 13期 2 0 1 41 01 5 。 作者简介 孟丽艳 ， 工 程师 ， 硕士 ， 现在从 事钻井 液技术 研究 工作。 2 0 1 5年 1 月 孟丽艳等． 硅铝钻井液体系的室内研究及现场应用 l 7 重至不 同密度 ， 经 9 0 c c热滚 1 6 h后 的钻井 液性 能稳定 ， 流变性 良好 ， F L T H P 可控制在 1 0 mL内。 2 ．2 热稳定性 硅铝钻井液密度为 1 ． 6 0 g ／ e m ， 于 9 O℃下 ， 考察其热稳定性 ， 结果见表 2 。 表 2 硅铝钻井液热稳定性评价 F L T n P 测试温度 9 O℃， 其他测试温度 为 2 5℃ 由表 2可知 ， 硅铝钻井液在 9 0℃未经维护条 件下， 经 4 8 h滚动老化后， 初终切力有所降低， 但 其他性能保持 良好， 尤其是体系 凡 唧基本没有 增加 ， 说 明硅铝钻井液具有 良好 的热稳定性。 2 ．3抗污染性能 2 ． 3 ． 1 抗污染 在钻井过程 中， 钻井液 中不可避免的溶人黏 土、 钻屑等 ， 钻井液性能会发生变化 ， 当变化较大 时会影 响钻井 的安全进行。而且 ， 硅铝钻井液与 硅酸盐钻井液具有 同样特性 ， 硅酸盐与黏土易形 成相互桥接的结 构 ， 使硅铝钻井液流变性难 以控 制。因此 ， 在 9 0℃热滚 1 6 h下 ， 考察黏土和钻屑 加量对硅铝钻井液性能的影响 ， 结果见表 3 。 表 3 硅铝钻 井液抗黏土污染能力 F L H T H P 测试温 度 9 O℃。 由表 3可知， 硅铝钻井液经 1 0 ％钙土 9 0℃／ 1 6 h污染 后 ， 其 表观 黏度 上 升率 小 于 1 0 ％ ； 经 1 5 ％钻屑 9 O c c ／ 1 6 h污染后 ， 其表观黏度上升率 小于 1 0 ％ 。说 明硅铝 钻井液具有较强抑制黏 土 水化和分散能力， 体系抗黏土和钻屑污染能力强。 2 ． 3 ． 2抗 C O3 。 HC O3 一 污染 由于 C O ， ， HC O ， 一 污染对钻井液性能造成 一 定影响 ， 增加 了钻井液处理和维护的难度 。常 规聚磺钻井液通过加入石灰克服 C O ， HC O 一 污染 问题， 处 理量大， 有效 时间短。因此， 在 1 0 0 c c热滚 1 6 h下 ， 考察 N a C O ， 加量对硅 酸铝 钻井液性能的影响 ， 结果见表 4 。 表 4 硅铝钻井液抗 C O ， HC O 一 污染能力 F L H T H P 测试温度 1 0 0℃。 由表 4可知 ， 随着 N a C O 加量增加 ， 钻井液 性能变 化不 大。 由于 硅铝 钻井 液具 有 较 高 p H p H1 1 ， 对 C O ， H C O 一 污染具有很好 的预 防作用 ， 无需针对 C O ， HC O ， 一 污染进行处理。 2 ． 4 钻井液抑制性 钻井液的抑制性对于井壁稳定和流变性控制 起着至关重要的作用。分别取 2种不 同区块的泥 岩岩屑， 对 密度为 1 ． 2 0 g ／ c m 硅铝钻 井 液进行 8 O℃滚动 1 6 h页岩 回收率试验 ， 评价其抑制性 能 ， 结果见表 5 。 表 5 硅铝钻井液抑制性评价 1 岩 屑为内蒙查 千地 区苏 二段 ， 2 岩屑 为内蒙查 干地 区巴二 段 。 由表 5可知， 硅铝钻井液对不 同区块岩屑抑 制性均较强 ， 页岩滚动一次、 二次 回收率均较高 ， 说明该体系可有效降低钻屑水化分散， 有利于水 敏性地层的井壁稳定和井眼缩径 ， 有助于控制井 2 0 1 5年 1月 孟丽艳等． 硅铝钻井液体系的室内研究及现场应用 1 9 透率仪测定岩心气体渗透率 K ； 再将岩心用模拟 地层水饱和 ， 测定岩心气体渗透率 ， 备用 ； 在岩 心流动实验仪上 ， 采用不 同类型钻井液体 系正 向 驱替岩心 3 ． 5 MP a ， 8 0 o C 2 h ， 烘干岩心 ， 再测定 岩心气体渗透率 ； 封堵率计算公式 封堵率 一 ／K l 1 0 0 ％ 。结果见表 7 。 表 7 不同钻井液的岩心封堵率实验结果 从表 7看 出， 硅铝钻井液在低孔低渗岩心 中 封堵率达9 8 ． 6 9 ％， 略高于硅酸盐钻井液， 具有更 好 的岩心封堵效 果。由于实 验采用低孔 低渗岩 心 ， 钻井液中固相颗料较难进入岩心 ， 饱和盐水聚 合物钻井液和聚磺钻井液只依靠常规封堵材料形 成外泥饼 ； 而硅酸盐和硅铝钻 井液不仅能形成外 泥饼 ， 且硅酸根离 子进 入岩心后 与 C a ， Mg 作 用形成沉淀或因 p H下降产生凝胶及 由于高温与 矿物作用产生封固作用， 形成内泥饼。硅铝钻井 液除上述作用之外 ， 还由于新物质硅铝酸盐凝胶 的封固作用， 进一步加强硅铝钻井液的封堵效果。 3现 场应 用 本研究硅 铝防塌 钻井液 体系具有较好 的抑 制 、 封堵和固壁作用 ， 通过在近井地带形成无机矿 物类的致密封堵层， 降低易坍塌地层的坍塌压力， 提高钻井液对火 山岩 、 泥岩地层 的快速封堵 和固 壁能力。该技术在 内蒙意 1 5井设计二开井段进 行现场应用 ， 并取得 了一定 的应用效果。该钻井 液表现为抑制性 、 防塌性和抗污染能力强 ， 经受住 了大段泥岩 、 HC O ， 一 和地层气 的污染 ； 同时具有 良好的发现和保护储层效果 ， 在 2 9 81 4 5 0 m井 段以 1 ． 2 0 g ／ c m 低 密度钻 井 阶段 ， 共 发现油 迹 5 0 m ／ 1 0 层 、 荧光 7 m ／ 3层 、 气测异常 1 m ／ 1 层 ， 显 示较好。意 1 5井总计钻遇 4 6 5 m火 山岩， 其中凝 灰岩 2 1 6 m， 玄武岩 2 4 9 m。井 眼基本保持稳定 ， 井径扩大率较低。全井井径扩大率 4 ． 2 5 ％ ， 取心 井段井径扩大率 1 ． 3 8 ％ ， 远 超出设计 要求 即小 于 1 0 ％ 。与此相 比， 邻井意 l Ol井 采用常规 聚合物钻井液， 其平均井径扩大率为 8 ． 8 ％。由 此可见 ， 该硅铝钻井液对查干凹陷的玄武岩、 凝灰 岩 、 泥岩地层具有一定的井壁稳定效果 。 4结论 1 优选硅铝钻井液配套专用处理剂 ， 研究构 建的硅铝防塌钻井液具有 良好 的热稳定性、 抗污 染能力和较强的抑制性 、 封堵封固性。 2 该钻井液技术在意 1 5井现场应用 中取 得 了良好的保护和发 现储层 的效果 ， 以及一定 的 井 壁稳定效 果 ， 试验 井段 平均井 径扩大 率仅 为 4 ． 2 5％ 。 参考文献 [ 1 ] 蔡利山 ， 郭才轩． 中国硅酸 盐钻井 液技术 面临 突破 [ J ] ． 钻 井 液与完井液 ， 2 0 0 7， 2 4 2 1 4 ． [ 2] 王波， 付饶 ， 赵胜 英 ．国内外 硅酸盐钻 井液研 究应 用现 状 [ J ] ． 断块油气田， 2 0 0 5 ， 1 2 3 7 5 7 7 ． [ 3 ] 丁彤伟 ， 鄢捷年 ．硅酸盐钻 井液 的抑 制性及其 影响 因素的 研究 [ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 5 ， 2 3 6 3 23 5 ． [ 4 ] 蔡利 山， 赵素丽 ．硅酸盐 ～烷基葡 萄糖苷钻井 液的研究 与 评价[ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 4 ， 2 1 2 2 3 2 6 ． [ 5 ] 王雅 静 ， 翟 玉春 ， 田彦文 ， 等 ．硅 铝酸 钠溶 液性 质 的研 究 [ J ] ． 矿业工程 ， 2 0 0 4， 2 4 2 5 35 5 ． [ 6 ] 潘振杰 ．硅铝络合两性离 子聚合物强抑制防塌钻井 液体 系 在查干花地区的研究及 应用 [ J ] ． 探 矿工 程， 2 O l O， 3 7 1 2 4 2 6 ． [ 7 ] 刘伟 ， 蒲晓林 ， 欧 阳伟 ， 等． 高性能铝化合物钻井 液体 系研究 [ J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 O l 1 ， 2 8 1 1 8 2 3 ． La b o r a t o r y Re s e a r c h o n S i l i c a t e- - Al u mi n a t e Dr i l l i ng Fl u i d S y s t e m a n d I t s Fi e l d Ap pl i c a t i o n Me n g L i y a n ， Z h a n g Q i l i n ， H u a n g N i n g D r i l l i n g E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e o f S i n o p e c Z h o n g y u a n P e t r o l e u m D r i l l i n g E n g i n e e r i n g C o ．L t d ． ， P u y a n g ， He n a n 4 5 7 0 0 1 下转第3 l页 2 0 1 5年 1月 谢俊等． 氯化钙水基钻井液体系现状及展望 3 1 [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] [ 2 O ] [ 2 1 ] [ 2 2 ] 刘乐乐 ，罗向东．氯化 钙无土 相钻井 液体 系在苏 丹水平 井中的应用 [ J ] ．石油钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 0 4 1 1 7 1 2 0． 郭保雨， 严波， 孙强， 等． 钙 一 醇钻井液体系的室内研究 及应用 [ J ] ．石油钻探技术 ， 2 0 0 2 ， 3 0 1 3 1 3 3 ． Ki n g G． Th i r t y y e a r s o f g a s s h a l e f r a c t u rin g wh a t h a v e we l e a r n e d [ R] ．S P E 1 3 3 4 5 6 ， 2 0 1 0 ． 王 中华．钻井液化学品设计 与新产 品开发 [ M] ．西安 西 北工业大学 出版社 ， 2 0 0 6 1 3 ． 赵福麟．油 田化 学 [ M] 2版． 山东东 营 中 国石 油大 学 出版社 ， 2 0 1 0 1 1 2 ． 吉利明 ， 邱 军利 ， 夏燕青 ，等．常见 泥土 矿物电镜扫描 微 孔隙特征与甲烷吸附性[ J ] ．石油学报， 2 0 1 2 ， 3 3 2 2 4 92 5 6． [ 2 3 ] [ 2 4 ] [ 2 5 ] [ 2 6 ] [ 2 7 ] Ro s e D J K．Bu s t i n R M．Ch a r a c t e ri z i n g t h e s h a l e g a s r e - s o u r c e p o t e n t i a l o f d e v o n i a n mi s s i s s i p p i a n s t r a t a i n t h e we s t - c r n C a n a d a s e d i me n t a r y b asi n a p p l i c a t i o n o f a n i n t e g r a t e d f o r - m a t i o n e v alu a t i o n[ J ] ． A A P G B u l l e t i n ， 2 0 0 8 ， 9 2 1 8 7 1 2 5． 薛华庆 ，王红岩 ， 刘洪林 ，等．页岩吸附性能 及孔隙结构 特征 一以四川 I盆地 龙 马溪 组 页岩 为 例 [ J ] ．石油 学报 ， 2 0 1 3 ，3 4 5 8 2 68 3 2 ． 王建华 ，鄢捷年 ，丁彤伟．高 性能 水基 钻井 液研究 进展 [ J ] ．钻井液与完井液 ， 2 0 0 7 ， 2 4 1 7 1 7 5 ． 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 1 ， 7 3 ． 张启根 ，陈馥 ， 刘彝 ，等．国外 高性能水 基钻井液技术 发 展现状 [ J ] ．钻井液 与完井液 ， 2 0 0 7， 2 4 3 7 4 7 7 ． S t a t u s q u o a n d Pr o s p e c t o f Ca l c i u m Ch l o r i d e W a t e r- Ba s e d Dr i l l i n g Fl u i d S y s t e m Xi e J u n ， Ma Ch e n g ， Wa n g Z h o n g h u a 。 ， J i a n g Gu a n c h e n g 1 ．S i n o p e c Z h o n g y u a n O i lfie l d E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n D r i l l i n g E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， P u y a n g， He n n a n 4 5 7 0 0 1 ； 2 ．MO E K e y L a b o r a t o r y o f P e 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 of P e t r o l e u m B e ij i n g ，B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 Ab s t r a c t T h e a c t i o n me c h a n i s m o f c a l c i u m c h l o ri d e wa t e rb a s e d d r i l l i n g fl u i d i s i n t r o d u c e d．t h e s t a t u s q u o o f r e s e a r c h a n d a pp l i c a t i o n o f c a l c i um c h l o rid e wa t e r b a s e d d ril l i n g flu i d b o t h a t ho me a n d a b r o a d i s s u mm a ri z e d ， a n d t h e ma j o r p r o b l e m s t o b e s o l v e d w h e n c a l c i u m c h l o ri d e w a t e r b a s e d d ri l l i n g fl u i d i s u s e d f o r t h e d e v e l o p me n t o f s h ale g a s a r e a na l y z e d。 Ke y wo r d s c a l c i u m c h l o rid e wa t e rb a s e d d ril l i n g fl ui d；a c t i o n me c h a ni s m ；r e s e a r c h d e v e l o p me n t ；s h a l e g a s d e v e l o p me n t 上接第 1 9页 Abs t r a c t A s i l i c a t e a l u mi n a t e a n t i c o l l a ps e d r i l l i n g flu i d s y s t e m wa s d e v e l o p e d by a d d i n g a me t a a l u mi n a t e t o c o n v e n t i o n a l s i l i c a t e a l u mi n a t e d ri l l i n g fl u i d，a n d l a b o r a t o r y r e s e a r c h a n d e v a l u a t i o n we r e c o n du c t e d o n t h e a n t ip o l l u t i o n，i n h i b i t i o n，p l u g g i n g a n d s e a l i n g p r o p e r t i e s o f t h i s s i l i c a t ealu mi n a t e a n t i c o l l a p s e d ri l l i n g fl u i d s y s t e m．T h e r e s u l t s o f r e s e a r c h a n d e v alu a t i o n h a v e s h o wn t h a t t h i s s i l i c a t ea l u mi n a t e d r i l l i n g flu i d i s c a p a b l e o f r e s i s t i ng t h e p o l l u t i o n o f 1 0％c a l c i u m mu d，1 5％d ril l i n g c u t t i n g s，CO3 一 a n d HCO3 一，i t s mu d s h a l e c u t t i n g s r o l l e r r e c o v e ry i s 9 5％o r mo r e，a n d i t h a s g o o d i n h i b i t i o n pr o p e r t y．Ac c o r di n g t o t he r e s u l t s o f c o r e i mme r s i o n e x p e rime n t a nd c o r e c o mp r e s s i o n t e s t ，i t h a s g o o d a nt ic o l l a ps e p r o pe rty，a n d t h e c o r e c o mp r e s s i o n s t r e n g t h i s i n c r e a s e d b y 3 7． 5％wh e n i t i s u s e d． Th e p l u g g i n g r a t e o f t h i s s i l i c a t e a l u mi n a t e d ril l i n g flu i d s y s t e m r e a c h e s 9 9％for l o w p o r o s i t y a n d l o w pe r me a b i l i t y c o r e，s h o wi n g t h a t i t h a s g o o d p h y s i c a l p l u g g i n g a n d c h e mi c a l s e a l i n g p r o p e r t i e s ．T h i s s i l i c a t ea l u mi n a t e d r i l l i n g fl u i d h a s b e e n u s e d i n Yi 一1 5 We l l i n I n n e r Mo n g o l i a ．B o r e h o l e wa l l s t a b i l i t y w a s i mp r o v e d．a n d o i l r e s e r v o i r s we r e p r o t e c t e d a n d i d e n t i fi e d b e t t e r a f t e r t h i s s i l i c a t e～a l u mi n a t e d ri l l i n g fl u i d w a s u s e d ． Ke y wor ds a n t i c o l l a p s e d ril l i n g flu i d； s i l i c a t e； a l u mi n a t e； b o r e h o l e s t a b i l i t y；Yi一 1 5 we l l i n l n ne r Mo n g o l i a