低自由水钻井液体系.pdf

4 9 0 2 0 1 1 年 8 月 石油勘探与开发 PETROLEUM EXPL0RAT1 0N AND DEVEL0PM ENT VO 1 ． 38 No．4 文章编号1 0 0 0 ． 0 7 4 7 2 0 1 1 0 4 - 0 4 9 0 0 5 低 自由水钻井液体系 张岩 1 ,2 向兴金 2 ，鄢捷年 ，吴彬 2 1 ．中国石油大学 北京 石油工程学院；2 ．荆州市汉科新技术研究所；3 ．长江大学石油工程学院 摘要基于对钻井液 中自由水流动状态的研究，研制 了自由水络合剂，其能有效络合钻井液中的自由水，提高 自由 水进入地层的毛管阻力，减少滤液侵入地层的量和深度；同时络合剂络合 自由水后形成特殊的分子胶束，能形成致 密的低渗透封堵膜，有效封堵孔喉和微裂缝，提高地层承压能力，降低钻井液密度。构建了低 自由水钻井液体系， C S T 毛细管吸水实验、岩心 自吸水实验和 自由水含量测定均证实该体系具有较好的络合 自由水的能力，能有效减少 钻井液中液相 向地层的侵入量。现场应用结果表明，该体系具有 良好的流变性、润滑性及抑制性，可有效解决井壁 稳定性问题，且能有效提高地层承压能力、降低钻井液密度、提高机械钻速、缩短钻 井周期。图 6 表 5参 1 8 关键词井壁稳定；自由水；络合；分子胶束；机理；应用 中图分类号T E 2 5 4 ． 4 文献标识码 A A no v e l dr i l l i n g flu i d wi t h l e s s f r e e wa t e r Z h a n g Y a n ’。 ， Xi a n g Xi n g j i n ， Y a n J i e n i a n ， Wu B i n 1 ． C o l l e g e 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 ty ofP e t r o l e u m， B e o i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 ． Ha n c Ne w t e c h I n s t i t u t e o f J i n g z h o u ， J i n g z h o u 4 3 4 0 0 0 ， C h i n a ； 3 ． C o l l e g e o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， Y a n g t z e U n i v e r s i t y ， J i n g z h o u 4 3 4 0 2 3 ， C h i n a Abs t r a c t Thr ou g h r e s e a r c h o n t h e flo wi n g s t a t e of f r e e wa t e r i n d r i l l i n g fl ui ds ， a s pe c i a l c o mpl e x i n g a g e nt wa s d e ve l o p e d． Th i s a d d i t i ve c a n i n c r e a s e the c a pi l l a r y f o r c e f o r f r e e wa t e r t o i n v a d e r e s e r v o i r s a n d t h u s c o n t r o l fil t r a t e i n v a s i o n b y e ffe c t i v e l y c o mp l e x i n g the fle e wa t e r i n d r i l l i n g fl u i d s ． T h e i n v a s i o n q u a n t i t y a n d i n v a s i o n d e p t h o f wa t e r i n t o r e s e rvo i r s c a n b e r e d u c e d ． I n a d d i t i o n ， the c o mp l e x e d f r e e wa t e r c a n f o r m a k i n d o f s p e c i a l mi c e l l e a n d l o w- p e me a b i l i ty me mb r a n e S O tha t i t c a r l e ffe c t i v e l y p l u g p o r e t hro ats a n d mi c r o f r a c t u r e s ， i n c r e a s e the b e a ti n g p r e s s u r e o f f o rm a t i o n s and d e c r e a s e the r e q u i r e d d e n s i ty o f d r i l l i n g fl u i d s ． Ba s e d o n the r e s u l t s o f CS T t e s t s ， s p on t an e o us wa t e r i mb i bi t i o n t e s t o f c o r e s an d me a s ure me n t o f f r e e wa t e r c o nt e n t ， i t i s c on c l u de d tha t the ne wl y f o rm u l a t e d d r i l l i n g flu i d wi th l e s s fre e wa t e r c a n e ffe c t i v e l y c o mp l e x f r e e wa t e r i n d r i l l i ng flui d s a nd r e d u c e l i qu i d i n va s i o n t o f o r mati o ns ． Fi e l d a pp l i c a t i o n s h o ws tha t t h e l e s s fre e wa t e r d r i l l i n g fl u i d h a s g o o d b e h a v i o r s o f r h e o l o g y , l u b r i c i t y a n d i n h ib i t i o n ． I t c a n i n c r e a s e the b e a ti n g c a p a b i l i ty o f the f o r ma t i o n ， d e c r e a s e the r e q u i r e d d e n s i ty o f dri l l i n g fl u i d ， a n d s h o r t e n the d r i l l i n g t i me ． Ke y wo r d s we U b o r e s t a b i l i ty； f r e e wa t e r ； c o mp l e x i n g ； mi c e l l e ； me c h a n i s m； a p p l i c a t i o n O 引言 井壁稳定问题是钻井系统工程中的世界性难题 。 据估算 ，每年由于井壁失稳造成的经济损失高达十亿 美元左右f 1 】 。 多年来人们在钻井液的抑制性 、 封堵性以 及钻井液与地层流体之间活度平衡技术等方面做了大 量研究工作【 ] ，却甚少关注钻井液 中自由水的流动状 态。事实上 ，井壁失稳 的一个主要原 因就是水基钻井 液中的水与地层之间的作用 ，水分子和离子在钻井液 和地层之间的运动使井壁周围的孔隙压力发生很大的 变化 ，继而有可能造成井壁失稳【 】 。作为水基钻井液 的分散介质，水在钻井液中以 3种形态存在 ，即化学 结合水 、吸附水 、自由水 。化学结合水 结 晶水 是黏土矿物晶体结构的组成部分 ；吸附水是由固相颗 粒分子间力 吸附的水化膜 以及聚合物分子所 吸附的 水 ；而 自由水则是钻井液中可以 自由移动的水 ，在体 系中占绝大部分。由于大量 自由水的存在 ，一方面地 层岩石毛细管具 自吸水作用 ，导致钻井液液相大量侵 入 ；另一方面钻井液在压差的作用下很容易进入地层 ， 从而造成地层强度下降 ，层理剥落坍塌 ，导致井壁失 稳[ 1 0 - 1 4 ] 。因此减少钻井液中自由水的含量是解决井壁 失稳问题的有效方法之一。 本研究从钻井液中 自由水的流动状态出发 ，研制 自由水络合剂 ，构建低 自由水钻井液体系，以解决井 壁稳定问题。 1自由水络合剂作用机理 钻井过程中，由于压差的作用及孑 L 喉和裂缝的存 2 0 1 1 年 8 月 张岩等 低 自由水钻井液体系 4 9 3 钻井平均机械钻速达到 1 2 m／ h ，较常规盐水钻井液提 高了约 5 0 ％， 南堡 1 1 区块低 自由水钻井液体系钻井平 均机械钻速达到 1 0 m／ h，较常规盐水钻井液提高了约 46 ％ 。 3 ． 2降低了井径扩大率 相对传统的盐水钻井液 ，低 自由水钻井液体系中 自由水含量低 ，减小 了钻井液滤液的侵入量及深度 ， 从而缓解 了地层 的水化膨胀 ，提高了井壁稳定性 ，同 时其特殊 的分子胶束有效封堵了地层微裂缝 ，提高 了 地层承压能力 ，避免 了地层的垮塌掉块 ，降低了井径 扩大率 ，如南堡 1 3区块二开井段井径扩大率平均降低 了 3 4 ％左右 ，玄武岩井段井径扩大率平均降低了 4 5 ％ 左 右 见表 3 。 表 3 南堡 1 3区块低自由水钻井液与盐水钻井 液体系井径扩大率对 比 井号 钻井液 二开井段 玄武岩井段 井径扩大率／ ％ 平均井径扩大率／ ％ 是否遇阻卡 3 ． 3降低了钻井液密度 低 自由水钻井液体系依靠胶束或胶粒界面吸力及 其可变形性 ，有效封堵岩石表面较大范围的孔喉 ，形 成致密的低渗透封堵膜 ，提高地层承压能力 ，避免易 塌地层的坍塌掉块 ，从而降低了平衡地层压力所需 的 钻井液密度。表 4数据表明，东海天外天油气田钻井 液平 均密 度从 以往 的 1 ． 1 6 g ／ c m 左 右 降低 到 1 ． 1 3 g ／ c m ； 冀东油田南堡 1 1 区块钻井液密度从以往的 1 ． 2 6 g ／ c m 降低到 1 ． 2 1 g ／ c m 。 表 4 低 自由水钻井液与聚合醇以及盐水钻井 液体系钻进密度对 比 NP1 1 一 L1 2 ． X2 0 9 NP1 l C1 ． X2 0 6 南堡 NP1 1 一 C9 一 X2 0 5 NP1 1 一 B3 ． X3 0 8 盐水 盐水 盐水 低 自由水 1 ． 2 6 1 ． 2 6 1 ． 2 6 1 ． 2 l 3 ． 4缩短了钻井周期 低 自由水钻井液体系在现场应用过程 中表现出良 好的井壁稳定性 ，起下钻效率得到 了很大改善 ，如天 外天油气 田 T WT - A 7 S井 ， 其相邻 5口井每趟起钻均采 用倒划眼方式 ， 而 T WT - A 7 S井在钻井过程中每趟起钻 均直接起钻 ，未采用倒划眼方式 ，良好的井壁稳定性 大大缩短了钻井周期。 表 5给出了冀东油 田两 口低 自由水钻井液体系实 验井与同区块 常规盐水钻井液钻进井钻井周期对 比情 况。数据显示 ，南堡 1 1和 1 3区块使用低 自由水钻井 液体 系 比使用盐水钻井 液体系平均钻井周期缩短 约 4 9 ． 6 ％和 2 8 ． 3 ％。可以看 出，在相同区块构造 、相近的 井身结构情况下 ，低 自由水钻井液体系依靠其 自由水 含量低、形成特殊分子胶束的特点 ，有效减少滤液的 侵入 、提高地层稳定性 ，缩短了钻井周期 ，保证 了钻 井的顺利进行 。 表 5 冀东油田南堡 l 1 和 l 3区块钻井周期对比 4结论 从研究钻井液中 自由水的流动状态出发 ，研制 了 自由水络合剂 ，该处理剂能有效 限制 自由水 的流动 。 低 自由水钻井液体系能有效降低钻井液中 自由水 的含 量 ，提高钻井液 中自由水进入地层的毛管阻力 ，减少 滤液侵入地层的量和深度。低 自由水钻井液体系改变 了传统钻井液体系的抑制 、封堵方式 ，其分子胶束能 有效封堵地层 ，为稳定井壁和储集层保护提出一个新 的理念。 现场应用结果表明 ，低 自由水钻井液体系具有很 好 的流变特性 、润滑性、抑制性及封堵能力 ，不仅解 决 了井壁稳定问题 ，同时能有效提高机械钻速 、降低 钻井液密度 、缩短钻井周期。 4 9 4 石油勘探与开发 石油工程 V r0 I ． 3 8 N o ． 4 参考文献 [ 1 ] C h e n X， T a n C P ， De t o u r n a y C ． T h e i m p a c t o f mu d i n fi l t r a t i o n o n we l l b o r e s t a b i l i t y i n f r a c t u r e d r o c k ma s s e s [ R ] ． S P E 7 8 2 4 1 - MS ， 2 0 0 2 ． f 2 ] 马世昌，杨 玉良，汪世 国，等．用 强抑制性钻井 液体系钻巨厚泥 岩地层[ J ] _ 钻井液与完井液， 2 0 0 3 ， 2 0 2 5 6 5 7 ． M a S h i c ha n g ，Ya n g Y u l i a n g ，W a n g S h i g u o ，e t a 1 ．Hi g h i n hi b i t i v e d r i l l i n g fl u i d f o r d r i l l i n g mu d s t o n e f o r ma t i o n o f i n t e n s e t h i c k n e s s [ J ] ． D r i l l i n g F l u i d ＆ C o mp l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 3 ， 2 0 2 5 6 5 7 ． [ 3 ] 王信，李 家库，黄达全，等 ．超低渗透成膜封 堵钻井液在冀东 油 田的应用[ J ] l 钻井液与完井液， 2 0 0 7 ， 2 4 5 2 6 ． 2 9 ． Wa n g Xi n，L i J i a k u， Hu a n g Da q u a n ，e t a l Ap p l i c a t i o n o f u l t r a l o w fi l t r a t i o n r a t e fi l mi n g d r i l l in g fl u i d i n J i d o n g a r e a [ J ] ． D r i l l i n g F l u i d C o mp l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 7 ， 2 4 5 2 6 - 2 9 ． [ 4 ] 李 忠慧 ，楼一珊，王兆峰，等．地层压 力预测技术在 准噶尔盆地 钻井中的应用[ J 】 ．天然气工业， 2 0 0 9 ， 2 9 8 6 6 6 8 ． Li Z ho n g h u i ，Lo u Yi s ha n ，W a n g Z ha o f e n g ，e t a1 ．Ap p l i c a t i o n o f f o r ma t i o n p r e s s ur e p r e d i c t i o n t e c h n o l o g y t o d r i l l i n g i n J u n g g a r B a s i n [ J ] ． Na t u r a l Ga s I n d u s t r y , 2 0 0 9 ， 2 9 8 6 6 6 8 ． [ 5 ] 黄 昌武．8种将要走 红的勘探开 发新技术 [ J ] ．石 油勘探 与开发， 2 0 0 9 ， 3 6 3 4 0 7 ． Hu a n g Cha n g wu． Ei g h t n e w e x pl o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t t e c h n i q u e s t 0 b e p o p u l a r [ J ] ．P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p me n t ，2 0 0 9 ， 3 6 3 4 0 7 ． [ 6 ] Z h a n g J i a n g u o ，C h e n e v e r t M E ，AL - Ba z a l i T ，e t a 1 ．A n e w g r a vi me t r i c s we l l i n g t e s t for e v a l u a t i n g wa t e r a n d i o n u p t a k e i n s h a l e s [ R] ． S P E 8 9 8 3 1 - MS ， 2 0 0 4 ． [ 7 ] 李长喜，石玉江，周灿灿，等．淡 水钻井 液侵入低 幅度． 低 电阻率 油层评价方法[ 石油勘探与开发， 2 0 1 0 ， 3 7 6 6 9 6 ． 7 0 2 ． L i C h a n g x i ，S h i Y u j i a n g ， Z h o u C a n c a n ，e t a 1 ．E v a l u a t i o n o f l o w a mp l i t u d e a n d l o w r e s i s t i v i t y p a y z o n e s u n d e r t he fle s h d r i l l i n g mud i n v a s i o n c o n d i t i o n [ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 0 1 0 3 7 6 1 6 9 6 7 0 2 ． [ 8 ] 鄢捷年 ．钻井 液工艺学 [ M] ．东 营中国石油大 学出版社，2 0 0 1 4 0 43 ． Y a n J i e n i a n ．D r i l l i n g fl 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 Un i v e r s i t y Pr e s s ， 2 0 01 4 0 4 3 ． [ 9 ]Da r l a y H C H， G r a y G R ． C o mp o s i t i o n a n d p r o p e r t i e s o f d r i l l i n g a n d c o mp l e t i o n f l u i d s [ M] ．T e x a s G u l f P u b l i s h i n g C o m p a n y , 1 9 8 8 1 5 6 1 5 9 [ 1 0 ] 刘玉石 ．地层坍 塌压力及井壁稳定对策研究 [ J ] ．岩石力学与工程 学报， 2 0 0 4 ， 2 3 1 4 2 4 2 1 ． 2 4 2 3 ． Li u Yu s h i Co l l a p s e p r e s s u r e a n d p r e c a u t i o n s fo r s t a b i l i t y o f we l lbo r e wa l l [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 2 3 1 4 、 2 4 2 1 2 4 2 3 ． [ 1 1 ] Mo d y F K，Ha l e A H．B o r e h o l e - s t a b i l i t y mo d e l t o c o u p l e t h e me c h a n i c s a n d c h e mi s t r y o f d r i l l i n g fl u i d ／ s h a l e i n t e r a c t i o n s [ R ] ． S P E 2 5 7 2 8 - P A， 1 9 9 3 ． f 1 2 ] Y e w C H，C h e n e v e M E ，Wa n g C L ，e t a l We l l b o r e s t r e s s d i s t r i b u t i o n p r o d u c e d b y mo i s t u r e a d s o r p t i o n [ R ] ．S P E 1 9 5 3 6 - P A， 1 9 9 0 ． [ 1 3 】 岳 前升，刘书杰，向兴金．适于疏松砂岩稠 油油藏储集层保护 的 水平井钻井液f J ] ．石油勘探与开发， 2 0 1 0 ， 3 7 2 2 3 2 2 3 6 ． Y u e Q i a n s h e n g ， L i u S h u j i e ， X i a n g Xi n g j i n ． D r i l l i n g fl u i d t e c h n o l o g y f o r h o r i z o n t a l we l l s t o p r o t e c t t h e f o r ma t i o n s i n u n c o n s o l i d a t e d s a n d s t o n e h e a v y o i l r e s e r v o i r s [ J ] ．P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p me n t ， 2 0 1 0 ， 3 7 2 2 3 2 2 3 6 ． [ 1 4 ] 黄荣樽，陈勉 ，邓金根 ，等 ．泥页岩井壁稳定力 学与化学 的耦 合 研究 [ J ] ．钻井液与完井液， 1 9 9 5 ， l 2 3 1 5 ． 2 1 ， 2 5 ． Hu a n g Ro n g z u n，Ch e n M i a n ，De n g J i n ge n ，e t a 1 ．S t u d y o n s h a l e s t a bi l i t y o f we l l b o r e b y me c h a n i c s c o u p l i n g wi t h c h e mi s t r y me t h o d [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d Co mp l e t i o n F l u i d ， 1 9 9 5 ， 1 2 3 1 5 2 1 ， 2 5 ． 【 l 5 ] 张岩，吴彬，向兴金，等． B Z 2 5 ． 1 油 田软泥页岩井壁稳定机理及 其应用[ J ] ．钻井液与完井液， 2 0 0 9 ， 2 6 3 2 0 ． 2 2 ． Z h a n g Ya n ， Wu B i n ， Xi a n g Xi n g j i n ， e t a 1 ． B o r e h o l e s t a b i l i z a t i o n o f t h e s o ft s h a l e f o r ma t i o n s i n B l o c k B Z 2 5 _ 1 [1 J ] ．Dr i l l i n g F l u i d C o mp l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 9 ， 2 6 3 2 0 2 2 ． [ 1 6 ] 梁大川，王林．钻井液和泥页岩问 的传递作用对井壁稳定 的影 响 [ J ] ．天然气工业， 1 9 9 9 ， 1 9 3 5 8 ． 6 0 ． Li a ng Da c h u a n，W a n g Li n ．An i n fl ue n c e o f t he t r a n s f e r f u n c t i o n b e t we e n d r i l l i n g fl u i d a n d mu d s h a l e s o n b o r e h o l e wa l l s t a b i l i t y [ J ] Na t u r a l Ga s I n d u s t ry, 1 9 9 9 ， 1 9 3 5 8 6 0 [ 1 7 】 T a r e U A， Mo d y F K， Me s e A I ． Un d e r s t a n d i n g c h e mi c a l p o t e n t i a l r e l a t e d t r a n s i e n t p o r e - -p r e s s u r e r e s p o n s e t o i mp r o v e r e a l - t i me b o r e h o l e s t a b i l i t y p r e d i c t i o n s [ R ] ． S P E 6 5 5 1 4 一 MS ， 2 0 0 0 ． [ 1 8 ] 朱 宽亮，冯 京海 ，韩飞 ，等．南 堡油 田先导试验 水平井高效钻 完 井技术 [ J ] ．石油勘探与开发， 2 0 0 9 ， 3 6 5 6 5 8 ． 6 6 3 Z h u Ku a n l i a n g ， Fe n g J i n g h a i ， Ha n F e i ，e t a 1 ． Pi l o t t e s t o f h o r i z o nt a l d r i l l i n g a n d c o mp l e t i o n t e c h n i q u e s i n Na n p u Oi l fie l d [ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 0 0 9 ， 3 6 5 6 5 8 6 6 3 ． 第一作者简介张岩 1 9 7 3 ． ，女，山东平度人，中国石油大学 北京 石油天然气工程 学院在读博士研究生，主要从事钻井液技术研究。地址 北京市昌平区府学路 1 8 号，中国石油大学 2 4 4信箱，邮政编码1 0 2 2 4 9 。 E- ma i l z h an g y a n _w b 1 6 3 c o m 收稿日期 2 0 1 0 ． 0 1 2 5 修回 日期2 0 1 1 - 0 4 2 8 编辑郭海莉 绘 图 刘方方