（油气井工程专业论文）有机硅改性聚乙烯醇钻井液防塌剂室内研究.pdf

t h el a b o r a t o r yr e s e a r c ho fo r g a n o s i l i c o nm o d i f i e d p o l y v i n y la l c o h o la n t i - s l o u g h i n ga g e n t i nd r i l l i n g - - f l u i d w a n j i e ( o i l g a sw e l le n g i n e e r i n g 、 d i r e c t e db yp r o f e s s o rq i uz h e n g - s o n g a b s t r a e t i nh o u s es t u d ya n do i l f i e l da p p l i c a t i o ns h o wt h a tt h ep o l y a l c o h o l a d d i t i v e sw i t l lw e l la n t i s l o u g h i n gf u n c t i o nh a v eas i d ee f f e c to fi n c r e a s i n g t h e v i s c o s i t y o ft h e d r i l l i n gf l u i d ，w h i c h l i m i t st h e a p p l i c a t i o n o f p o l y a l c o h o la d d i t i v e st od r i l l i n ge n g i n e e r i n g b a s e do nt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sd o c u m e n t s ，a l la n t i - s l o u g h i n g a g e n t t oc o n s o l i d a t et h eb o r e h o l ei n d r i l l i n g - f l u i d i s d e v e l o p e d f i l t r a t i o n e x p e r i m e n t a n ds h a l es t a b i l i t yi n d i c e st e s ts h o wt h a tt h e a n t i s l o u g h i n ga g e n tt o c o n s o l i d a t et h eb o r e h o l ei nd r i l l i n g - f l u i dh a s w e l la m i s l o u l g h i n gf u n c t i o n hc a na l s od e c r e a s et h ef i l t r a t i o n a c c o r d i n g t ot h em e c h a n i s m so fb o l e h o l e i n s t a b i l i t y o fc a v i n g g r o u n d o f y u m e n o i l f i e l d ，o p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fd r i l l i n gf l u i dt os t a b i l i z et h e b o l eh o l ea n dt or e s i s t a n tt h eh i g ht e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：d r i l l i n gf l u i d ，o r g a n o s i l i c o nm o d i f i e dp o l y v i n y la l c o h o l ， a n t i s l o u g h i n ga g e n t ，y u m e n o i l f i e l d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名： 乃鸯， 2 。以年5 月2 1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅： 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 万、走、 他 z od 6 年5 月z 7r 洲年，月刁日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 井壁不稳定是石油钻井过程中普遍存在的问题，一般发生在泥页 岩、盐岩、未胶结或弱胶结的砂岩及其它破碎性地层。但是常见的影 响最严重的是泥页岩地层。导致泥页岩不稳定的原因，从诱发机理上 可以分为两大类，即力学因素和物理化学因素。力学因素主要是孔隙 压力扩散，矿物颗粒之间的有效结合力减小导致泥页岩强度降低，从 而造成井壁坍塌。主要包括泥页岩塑性变形，硬脆性页岩沿滑动面( 层 理、节理、裂缝等) 滑动及钻井液密度不能平衡构造应力或泥页岩沉 积压实过程中所形成的异常压力所引起的页岩破裂和剥落坍塌。物理 化学因素是指泥页岩的水化作用。地层中粘土等矿物颗粒之间的氢键 等非化学胶结力被破坏，如粘土水化膨胀分散、水溶性岩盐的溶解等 物理化学作用引起地层岩石水化膨胀、分散和强度下降，导致井壁不 稳定。 长期以来，众多研究者根据泥页岩不稳定的诱发机理，从抑制泥 页岩的水化作用着手，针对不同地层优化出了多种钻井液体系，研制 出了多种钻井液防塌剂。其作用方式可分为两种：一是阻止或延缓水 从井眼进入井壁岩石孔隙，即消除或减小水迁移的驱动力；二是增大 岩石矿物颗粒之间的连接力。 当钻开的泥页岩暴露在钻井液中时，粘土矿物表面的硅醇基 s i o h 、硅氧基s i o 一及铝羟基a i o h 等活性基团会部分电离，加速 泥页岩的水化分散、膨胀。但如果能在钻井液中的水起破坏作用之前， 抢占这些活性点，则可形成有利于井壁稳定的憎水保护膜和键合粘 结。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 多元醇聚合物大分子链上的羟基与粘土有较好的亲和吸附性，并 且可以在介质表面形成一层致密且坚韧的膜，阻止水继续进入有利 于井壁稳定。但其吸附为物理吸附，强度较低。 有机硅产品，如c h ，一s i ( o h ) 。o n a ( 甲基硅醇钠) 的不同缩合物， 分子中的硅醇基s i o h 容易与粘土上的s i - o h 缩聚成s i o - s i 键，形 成牢固的化学吸附，并使粘土亲水表面反转为亲油性，阻止或减缓粘 土表面和层间的水化作用。同时也减缓了钻井液中粘土颗粒间的相互 作用力，削弱了网架结构，具有较好的钻井液稀释能力和润滑性能。 在前人研究基础上，将有机硅基团引入聚乙烯醇分子中，研制开 发了有较强抑制防塌能力，流变性能良好的钻井液防塌剂。具体研究 内容如下： ( 1 ) 优选制备反应条件，研制出有机硅改性聚乙烯醇钻井液防塌 剂，并测定了其页岩吸附量和电动电位。 ( 2 ) 通过页岩膨胀、砂层滤失和页岩稳定指数等实验方法评价了 钻井液防塌剂的防塌性能。 ( 3 ) 开展了玉门油田青西地区井壁失稳机理研究，并对有机硅改 性聚乙烯醇钻井液防塌剂在青西深井防塌钻井液中的应用进行了室 内试验。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 2 1 井壁稳定技术研究现状 井眼由于地质因素、泥页岩与钻井液相互作用和钻井作业等因素 而出现不稳定的问题，即井壁稳定问题，是钻井系统工程中所遇到的 一个十分复杂的世界性难题，迄今为止还没有研究出一套可以彻底解 决这个问题的完整有效方法。因此，人们加强了井壁稳定机理的研究， 以求在井壁稳定技术方面获得新的突破。目前在井壁稳定机理和技术 研究方面有一个重要的特点，即将防塌问题研究工作与环境保护、油 层保护、钻井液综合性能的改善相结合。 2 ，1 1 井壁稳定机理的研究 井壁失稳是钻井液与地层岩石的化学作用结果。也是井壁围岩受 力失去平衡，力学性能下降的结果，更是钻井液化学和井壁力学耦合 作用“1 的结果。因此，有必要对钻井液化学、井壁力学以及化学一力学 耦合作用对井壁稳定的影响规律作深入细致的研究。 2 1 泥页岩井壁粘土矿物表面特征“3 从地质和化学基础的观点看，泥页岩是沉积在海相盆地里的沉积 岩。泥页岩一般由非粘土矿物( 如石英、长石、方解石、白云石等) 、 晶质的粘土矿物( 如蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭石、伊蒙混层、 绿蒙混层等) 和非晶体粘土矿物( 如蛋白石、氢氧化铁、氢氧化铝等) 组成。对泥页岩稳定性产生影响的主要组份是晶体和非晶体粘土矿 物。泥页岩的惰性组成部分石英、长石、白云石、方解石、菱铁矿和 石膏之类矿物，能促进泥页岩井壁的机械不稳定性，这是由于这些不 膨胀的矿物包围在粘土矿物周围，造成膨胀压差，引起井壁不稳定。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 粘土矿物是由硅氧四面体和铝氧八面体两种基本的构造单位组 成的，这一构造特点决定了粘土矿物表面活性官能团的种类和性质。 一般来说，经机械破碎作用后，粘土矿物表面的主要活性官能团为硅 醇基s i o h 、硅氧基s i o 及铝羟基a 1 一o h 等活性官能团。蒙脱石表 面在水中的复杂特性如图2 1 所示，反映了泥页岩的粘土矿物表面硅 醇基( s i o h ) 的存在。 h r - - o o 饲翻 t ， ：- i oo - - - h l i o o i o s l ， oo ii 3 i j 。 、 oo o 。o o o o ? h i f f 7 j i n7 r f iiiil 。 。l o i 。i o l 。 图2 - 1 蒙脱石表面在水中的复杂特性 硅醇基及粘土矿物表面的其他活性基团既有增进水化，对井壁稳 定不利的一面；又有具有化学反应活性，能进行预定化学反应的有利 的一面。这是钻井液引起晶间凝结力变化和裂解的化学作用基础，因 而也是防塌抑制作用的突破口，关键在于钻井液处理剂能否在钻井液 中的水起破坏作用之前，迅速抢占这些活性点。 2 1 1 2 井壁稳定的钻井液化学因素嘲m 裸露于钻井液中的泥页岩，其物性及状态主要取决于泥页岩的三 个结构特征：( 1 ) 泥页岩颗粒的接触点；( 2 ) 粘土的类型；( 3 ) 泥页岩 中的粘土含量。因此，泥页岩的稳定性取决于泥页岩颗粒的表面化学 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章井擘稳定及有机砗钻井液研究现状 特性。在水敏性泥页岩中，稳定作用取决于颗粒表面之间的氢键( 由泥 页岩颗粒表面的硅醇形成) 。当水溶液削弱了泥页岩颗粒之间的结合 力时，强度降低，粘土的膨胀力便成为泥页岩分散的主要因素。采用 油基钻井液时由于连续油相对相邻泥页岩颗粒接触点之间的氢键没 有干扰，泥页岩接触点之间的结合力也就不受影响。在水基钻井液中 要阻止水在颗粒接触点处侵入是很困难的。泥页岩不稳定的决定性机 理是保持泥页岩颗粒间接触点的氢键联结的稳定性被破坏。井壁稳定 主要由井眼的压力状态所控制，而井眼压力状态又决定于孔隙压力及 其变化和原始的地层强度。泥页岩含水量的变化对泥页岩的岩石性能 有直接和重要的影响。泥页岩含水量增加时强度大幅度下降，含水量 减少时抗压强度明显提高。泥页岩含水量的变化决定井眼周围孔隙压 力的变化，也就决定泥页岩强度的变化。含水量是影响硬脆性泥页岩 稳定性的重要因素，含水量的微小变化会引起硬脆性泥页岩稳定性的 很大变化，影响程度甚至大大超过一些稳定剂。因此控制钻井液中的 水渗入泥页岩是井壁稳定的关键措旌。非膨胀性的粘土矿物如高岭石 和伊利石颗粒吸水是从单个晶体裂解面进水开始的。其中，1 0 个晶格 的伊利石吸水8 0 ，1 0 个晶格的高岭石吸水1 2 0 。因此这类粘土的吸 水是值得注意的。粘结伊利石与高岭石的凝结力认为是范德华引力， 它的有效作用范围很小，故堆叠晶层之间的任何分离都将大大降低其 凝结力。硅石层( 即氧化硅) 吸水的氢键力比范德华力强得多，故水可 侵入伊利石的硅石层或高岭石的氧化铝层。内层水的侵入和可形成氢 键的液体都会使层面分离，减弱它们之问的凝结力，含氢氧根离子的 水会加速这类粘土的裂解。伊利石的硅层对水的吸引力要比范德华力 强得多，故遇水后先沿层面吸水，削弱层面间的联结力而使层面分离。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 地层的裂缝和微裂缝发育可增大粘土与水的接触面积，促进泥页岩的 水化裂解。当水溶液呈碱性时，活泼性强的0 h 一极其稳固的偶极特性， 会比水更牢固地与硅石层联结起来，加剧泥页岩的裂解。 2 1 1 3 井壁稳定的力学因素n 3 m ”“5 肺3 位于地层深部的岩石，受上覆地层压力、水平方向地应力及地层 孔隙压力的作用，在井眼钻开之前，各种应力处于平衡状态，钻开后， 井内钻井液柱压力取代了所钻岩层对井壁的支撑，破坏了地层的原有 应力平衡，引起井眼周围应力的重新分布，当应力超过泥页岩的强度 时，便发生井壁破坏。 作用在地下岩石上的力可以分为机械作用力和物理一化学作用 力。前者主要包括：上覆岩层压力、最大和最小水平地应力、孔隙压 力以及基岩颗粒接触应力等；后者主要影响岩石的组成和结构，包括： 范德华力、静电力、粘土表面与层间离子水化或溶解引起的短程力， 以及钻井液岩石问的化学反应力等。后面这几种力综合作用常一起 被称之为“结构联结力”。水化膜斥力引起结构力作用平衡关系( 斥 力与吸力) 改变，导致了“水化应力压力”或“膨胀应力压力”， 反映了秸土和泥页岩的膨胀特性。 2 1 1 4 井壁稳定性化学一力学耦合作用。7 8 3 通过“压力传递”模拟实验研究，并结合井壁稳定性化学一力学 耦合作用理论分析，归纳提出了“物理化学封固一抑制水化一化学反 渗透有效应力支撑”这一标本兼治“多元协同”钻井液防塌新原理。 “物理化学封固”作用，包括物理封堵和或化学胶结加固井壁 两种作用。不仅强调物理封堵作用( 例如改性沥青类和新型多元醇成 膜树脂的封堵防塌作用) ，而且也开始重视固壁剂的化学胶结加固井 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 壁作用，后者对于缝隙发育和破碎性易塌地层尤为重要。含有硅酸盐 的固壁剂重新引起了人们的关注，发展形成了所谓的固壁强化防塌钻 井液体系，研究表明，稀硅酸盐防塌钻井液体系，具有物理封堵和化 学加固井壁双重防塌作用，能降低井壁渗透率、阻止压力传递，而且 抑制水化能力较强，还能改善泥页岩膜效率，可望发展成为一种能取 代油基钻井液的高效水基防塌钻井液体系。 “抑制水化”作用，是指通过优选抑制剂，减少水化应力，抑制 水化分散，尽可能阻缓水化引起井壁岩石强度降低。值得注意的是， 最新研究结果表明，最好的抑制剂也不能将泥页岩水化应力降为零， 泥页岩水化在前，抑制剂作用在后，抑制作用是有限度的；一般抑制 剂有最佳使用浓度，有时过高反而不利于井壁稳定；对许多情况，多 种抑制剂的协同防塌作用越来越受到重视，但协同防塌机理有待于深 入研究。近年来，抑制剂的研究开发也取得了新的进展，国内外学者 研究证明，硅酸盐的抑制分散作用尤为突出，甲酸盐( 如甲酸铯和甲 酸钾) 的抑制性也很强；在阳离子聚合物和两性聚合物研究的基础上， 吸收了正电胶钻井液的优点，研制开发出复合金属离子两性聚合物 ( p m h a 系列) 增粘包被剂，具有较理想的抑制水化分散作用。另外， 还研制开发出了聚合醇防塌钻井液体系。聚合醇是一种非离子表面活 性物质，溶于水，但其溶解度随温度升高而降低，井下温度达“浊点” 温度后，不溶的聚合醇聚集成微小颗粒，能堵塞微孔隙，阻止压力传 递，同时聚合醇也具有抑制水化作用：聚合醇与无机盐复配使用抑制 效果更佳。 “化学反渗透”防塌作用，是指可通过调节钻井液水活度和改善 泥页岩膜效率，当钻井液水活度低于地层水活度时，水活度诱导的化 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 学渗透压可以部分抵消井下水力压差引起的孔隙压力传递和滤液侵 入作用，甚至使地层水流向井眼内部，即针对水基钻井液，也可以有 效实施水活度差诱导的“化学反渗透”防塌措施。但同时也应注意， 如果只靠高浓度各种无机盐降低钻井液水活度时，高浓度差可能会促 进无机盐离子交换进入页岩内部，改变泥页岩原有内部组成结构，水 化离子浓集引发粘土颗粒界面间短程斥力增加，又不利于井壁稳定 性。因此，防塌钻井液中无机盐抑制剂存在一个最佳浓度范围。 “有效应力支撑并壁”作用，是保证井壁力学稳定的必要条件， 合理钻井液密度应处于坍塌压力梯度与破裂压力梯度之间。基于岩石 力学基本原理确定坍塌压力和破裂压力时，应充分考虑钻井液孔隙压 力传递、水化应力以及水化引起岩石力学参数变化等诸多方面的影 响。值得注意的是，加强封固井壁，阻缓孔隙压力传递，是提高井下 液柱压力对井壁有效力学支撑作用的前提。针对缝隙发育或破碎地层 而言，当钻井液封固造壁能力差，孔隙压力传递作用显著时，只靠提 高钻井液密度，不一定有利于井壁稳定，有时会适得其反。这是由于 密度提高，导致井眼压力增加，会：i i i i 井下水力压差驱动下的孔隙压 力传递和滤液侵入，进而降低对井壁的有效力学支撑作用，也能引发 更严重的水化作用。因此，应强调钻井液化学防塌性能与合理的密度 协同优化研究。 实际上，针对某一实际井壁失稳具体情况，往往众多影响因素当 中有主次之分，只有在首先弄清主要影响因素的前提下，运用标本兼 治的化学力学耦合“多元协同”防塌新原理和研究新方法，针对性 优化研究高效防塌钻井液体系，优选合理的钻井液密度，才能有效攻 克井壁不稳定工程技术难题。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 2 1 2 钻井液防塌技术研究 2 1 2 1 钻井液防塌剂的作用机理 钻井液在井壁周围形成泥饼，阻止钻井液滤液继续向地层滤失， 也有些钻井液体系或处理剂甚至会强化井壁稳定性。 ( 1 ) k + 、n h 。+ 与泥页岩。1 相互作用存在两种方式，一是离子交换， 二是晶格固定；泥页岩类别不同，钾离子的作用方式也不相同。p h 值增高和钠、钙等阳离子的混入，会阻碍泥页岩对钾离子的固定作用。 k + 、n h + 进入粘土晶层间，使晶层间的静电弓l 力加强，同时，k + 的大小 刚好镶嵌在相邻晶层间的氧离子网格所形成的孔穴中，不能被其它离 子所交换，这使水分子不易进入晶层间，从而防止了粘土因水化作用 而引起的膨胀分散现象。 ( 2 ) 有机硅“”中的一s i - 0 h 基易与粘土表面的- s i - o h 基缩合脱水， 形成一s i o s i 键，与粘土表面形成一种很强的化学吸附作用。另外， 有机硅中的有机基团有憎水作用，使粘土表面发生润湿反转，从而控 制泥页岩的水化作用。 ( 3 ) 高分子聚合物“”上的吸附基团吸附在粘土片上，将众多粘土 片连接在一起，将粘土片包被起来，这一方面使粘土不易分散，另一 方面使水分子不易进入粘土晶层间，防止了粘土因水化作用而引起的 膨胀分散，从而起到防塌作用。聚合物类型、结构、分子量以及官能 团等因素对聚合物稳定井壁效果都有一定影响。 ( 4 ) 不同沥青类产品稳定井壁机理不同。沥青粉的主要作用机理 是在一定温度压力下产生变形，封堵地层层理、裂缝，在井壁处形成 良好的内外泥饼，从而在钻井液与地层之间形成一层致密的保护膜， 阻止水进入地层，起到保护井壁作用。磺化沥青防塌机理既有化学作 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 用，又有物理作用，溶于水的阴离子基团，主要起降滤失作用，并吸 附在泥页岩裂缝边缘抑制地层水化；油溶部分则与沥青粉一样，在一 定压差下进入地层起封堵作用。沥青类产品的软化点、使用温度和压 差等都会影响其使用效果，软化点以内，温度增加，稳定井壁效果增 强；温度高于软化点时，沥青变成流体，便失去了封堵作用。 ( 5 ) 聚合醇和多元醇防塌剂“2 1 的研究，国内从1 9 9 3 年开始，并已 在现场进行试验。至今已发展了聚乙二醇、甲基葡萄糖苷、聚醚等多 种聚醇类防塌剂，并对其作用机理和效果与其分子量之间的关系进行 了研究。 钻井液失水的降低，使水分子不易进入岩心中，从而降低了由于 水化分散而引起的粘土不稳定作用，因此，大多数降失水剂也有助于 防塌。另外，油类、酯类及合成基类等钻井液基液也有类似的作用。 钻井液对井壁的冲击力大小影响到井壁的稳定性，紊流对井壁的冲击 力大，塞流或平板流型对井壁的冲击力小，而这些表现在钻井液的流 型上，也即钻井液的动塑比上。因此，凡能提高钻井液动塑比的处理 剂也有助于防塌，这类剂主要指正电胶、改性石棉及一些高分子聚合 物。由于现在防塌剂的种类多，有许多防塌剂都具有一种甚至多种防 塌机理。例如，正电胶具有对双电层的压缩作用及对钻井液流型的改 进作用两方面的作用机理，k p a m 具有k + 镶嵌作用、高分子聚合物包被 作用及降低失水作用三方面的作用机理。 2 1 2 _ 2 防塌钻井液体系“1 现场应用较为广泛的防塌钻井液体系如下： ( 1 ) 聚合醇钻井液体系o ” 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 聚合醇既是一种聚合物，又是一种非离子表面活性剂。由于聚合 醇具有浊点效应特点，即在常温下易溶于水，但其溶解度随温度升高 而降低，在达到某一温度时就会形成浊状微乳液而析出，因而当井底 的循环温度高于聚合醇浊点时，聚合醇发生相分离，封堵泥页岩的孔 喉，阻止钻井液滤液进入地层，从而使钻井液与泥页岩之间隔离，起 到稳定井壁的作用。此外，聚合醇可在泥页岩表面发生强烈吸附，形 成吸附层，从而阻止泥页岩水化膨胀和分散。 ( 2 1 硅酸盐钻井液体系【3 2 】 硅酸盐进入地层孔隙形成三维凝胶结构和不溶沉淀物，快速在井 壁处堵塞泥页岩孔隙和微裂缝，阻止滤液进入地层，同时减少了压力 穿透作用；抑制泥页岩中粘土矿物的水化膨胀和分散；k c i 聚合物， 硅酸盐体系各处理剂间的协同作用，在一定程度上可使粘土脱水收 缩，提高泥页岩的结构强度；硅酸盐可能与泥页岩中的粘土矿物发生 反应，生成类似氟石的非晶质的联结非常致密的新矿物，增强井壁的 稳定性；稀硅酸盐防塌钻井液体系，具有物理封堵和化学加固井壁双 重防塌作用，能降低井壁渗透率、阻止压力传递，而且抑制水化能力 较强，还能改善泥页岩膜效率，可望发展成为一种能取代油基钻井液 的高效水基防塌钻井液体系。 ( 3 ) 阳离子聚合物钻井液体系。” 该钻井液体系以高分子阳离子聚合物作为粘土包被抑制剂，以小 分子阳离子作为粘土稳定剂，并复配以增粘剂、降滤失剂、封堵剂等。 大阳离子的大分子链上含有正电荷基团，与粘土的作用除氢键作用 外，主要为粘土表面的负电荷与聚合物分子链上的正电荷之间的静电 作用。d , l j b 离子分子量小并带有正电荷，易吸附在粘土表面，进入粘 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 土晶层间并取代交换性阳离子而吸附于其中，由于吸附力很强而不易 脱附。吸附分子外表面是含有碳氢基团的憎水表面，可阻止水分子进 入，故能有效地抑制粘土的水化膨胀和分散，稳定井壁。 ( 4 ) 两性离子聚合物钻井液体系。” 两性离子聚合物钻井液体系是我国2 0 世纪8 0 年代以来开发成功 的一类新型钻井液体系，该两性聚合物由非离子、阳离子和阴离子三 种类型的单体组成，吸附强度由两种阳离子单体调节，能够与c m c 等处理剂通过氢键和静电引力等作用形成复合物，通过阳离子基团牢 固地吸附在泥页岩表面，阻止钻井液的侵入。 ( 5 ) m m h 正电胶钻井液体系o ” m m h 钻井液具有优异的井壁稳定能力，其稳定井壁的机理有几 种观点： “滞流层”机理。由于m m h 钻井液具有“固、液”双重性，近 井壁处于相对静止状态，因此容易形成保护井壁的“滞流层”，以减 轻钻井液对井壁的冲蚀。一般认为，“滞流层”对解决胶结性差的地 层的防塌问题更为重要。此外，“滞流层”还可以阻止钻屑的分散。 “胶粒吸附膜稳定地层活度”机理。m m h 在与粘土形成复合体 时，能将粘土表面的阳离子排挤出去，使粘土矿物表面离子活度降低， 从而削弱渗透水化作用。此外，m m h 的胶粒在井壁上形成正电膜， 也可以抑制粘土或泥页岩的分散。同时胶粒吸附膜相当于在粘土表面 形成一层固态水膜，也可减缓水分子的渗透。 “束缚自由水”机理。在m m h 钻井液中，水分子是形成复合体 结构的组分之一，因而在复合体中可束缚大量的自由水，减弱了水向 钻屑和地层中渗透的趋势，有利于抑制钻屑分散和保持井壁稳定。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 2 2 有机硅钻井液技术研究现状 2 2 1 有机硅钻井液应用现状。”“” 国内从2 0 世纪8 0 年代开始了硅基钻井液的研究，目前已经在辽 河、大港、冀东、大庆等油田取得了较好的应用效果。辽河油田采用 硅聚物稳定钻井液( g w j 钻井液) 已经钻井6 0 多口，在双北、双南 地区及曙三、曙四调整井区，取得了较好的经济效益和社会效益。大 港油田采用聚硅、聚硅氟钻井液解决了该地区地层坍塌、高温及水平 井钻井等技术难题。在冀东油田g 2 9 p i 井有机硅钻井液体系取得了 较好的应用效果。大庆油田太南地区上部地层造浆严重，下部地层易 垮塌，选用以有机硅稳定剂为主处理剂的钻井液体系，在该地区钻井 6 口，应用效果明显，有机硅钻井液具有很强的抑制性和携岩能力， 能有效地防止井塌和缩径，完全满足了该地区钻井工程和测井作业需 要。 几种常用有机硅产品是有机硅腐殖酸钾、硅稀释剂g x l 、硅稳 定剂g w j 等。这些有机硅产品大都是由烃基卤硅烷或烃基硅油与褐 煤( 有效成分为腐殖酸) 等聚合而成。由于有机硅本身的裂解温度高 于3 0 0 。c 以上，且与粘土表面产生牢固的化学吸附作用，在钻井液中 其抗温能力可达2 0 0 。c ，在钻井液体系中，有机硅常用作抗高温稳定 剂。 2 2 2 有机硅井壁稳定机理研究现状 2 2 2 1 烃基卤代甲硅烷与粘土矿物的作用机理“”1 烃基卤代甲硅烷的通式为r 。s i x 。，它可与枯土的羟基化表面反应 使烃基朝外，从而使粘土亲水表面变成憎水表面。它与水反应生成相 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 应的硅醇，硅醇中的多元醇很容易缩聚生成聚硅醇沉淀，可吸附在粘 土晶层之间，将晶层连接起来。烃基卤代甲硅烷是油溶性的。烃基卤 代甲硅烷与粘土矿物的粘结同时有化学键合和氢键缔合。 ( 1 ) 高温下烃基卤代甲硅烷( 以甲基三氯硅烷为例) 与水反应 c h 3 s i c l 3 + 3 h 2 01 盆= 1 龃- c h 3 s i ( o h ) 3 + 3 h c l ( 2 ) 与矿物界面理想的氢键缔合粘结 6 c h ，s i ( o h ) ，+ 矿物 ( 3 ) 与矿物界面理想的化学键合粘结 c h t i s i+ 5 h ：o 、 oh i s l j 。“寸号 1 )i i ff s j s s i j s is 2 ，2 2 2 硅烷偶联剂与粘土矿物的作用机理饰“”1 硅烷偶联剂的通式为y - - r - - s i x 。式中y 是可与有机高分子聚合 物反应的基团，如乙烯基、环氧基等；r 是短链烷烃基，通过它把y 与s i 原子相连接；x 是可进行水解反应并生成s i o h 的基团，如烷 氧基、酰氧基及卤素等。硅烷偶联剂作用机理的化学键理论可用反应 式表示为： y r s i x 3 + 3 h 2 0 y r s i ( 0 h ) 3 + 3 h x n y r s i ( o h ) 3 + ( h o s i ) 。矿物斗( y - r s i 一0 一s i ) 。可物+ n h 2 0 b r “ 叭 r 盯 。i喵，ii 1i鲫虬翱伽i 鲫 f i 卟i ” 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井壁稳定及有机硅钻井液研究现状 2 2 2 3 有机硅防塌机理 在适当的条件下，有机硅烷衍生物遇水水解，乙氧基转变成硅醇 基。硅醇基与井壁表面的羟基以及硅醇基之间发生脱水及缩合反应， 其结果是形成网络结构的大分子，将井壁表面固结在一起。 反应分为以下4 步进行晒m ： ( 1 ) 水解：在水的存在下，聚甲基三乙氧基硅烷发生水解，脱除 乙醇，生成齐聚物。 c h jc h j ch j iil c ，hs 口一 曼i 一 【d si ) - d si - d c t h 【州4 ) h o iil 0 c ，hso c2 h id c i hs c h jch jc h ， lii 一一hd si 一 【o si ) _ 一。一 si - oh 【卅4 ) c 1 hj oh iii d 卜|d hoh ( 2 ) 缩合：两分子齐聚物或多分子齐聚物发生分子间脱水反应， 生成相对分子质量更高的齐聚物，这一步相当于聚合反应。 ( ：h ，c h ， ll “) 5 1 。一。一s i o 一i l 十nm 。cjl， 一 。 一 刚 踟 一 。 薹_铲； o dhh u l 冁uo & o m l 小 ， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井譬稳定及有机硅钻井液研究现状 ( 3 ) 氢键：齐聚物上的硅醇基与井壁表面上的羟基或硅醇基发生 氢键作用。 c h j c 阿t( w t ij 阿。一s i 一( o - - s i ，一。一s o h lii ooc - j 一一移罚 ( 4 ) 成键：在5 0 c 以上齐聚物与井壁表面发生脱水反应而成键。 c 1 4 , c c h 。 ii+ h o - 氟一o s 1 ) r o s i - - o h + 一 ii o h0 h粥 o ho h0 “ j l i 一。移五 6 严寸f h i h 0 _ 哼r i o 卜甄1 o 一盎，o h 、p p 、 nh h h hh 、66 l 土0 一移“ 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验研究方法简介 第3 章实验研究方法简介 3 1 页岩膨胀实验 3 ，1 1 实验仪器1 ( i ) n p - 0 1 a 型页岩膨胀试验仪：包括主机、记录仪和压力机全套 设备； ( 2 ) 天平；感量为0 0 1 9 ； ( 3 ) 游标卡尺等。 3 1 2 岩心准备 ( 1 ) 在测筒底盖内垫一层滤纸，旋紧筒底盖； ( 2 ) 用游标卡尺测量测简的原始深度h k m m ) ： ( 3 ) 称取l o a ：0 0 1 9 过1 0 0 目筛、在1 0 5 士3 烘干4 h 并在干燥器中 冷至室温的钙坂土，装入测筒内，将钙坂土抚平； ( 4 ) 装好塞杆上的密封圈，将塞杼插入测筒内，一并放在压力机上 均匀加压，直至压力表上指示5 8 8 p s i ( 4 0 a t m ) ，稳定5 m i n ： ( 5 ) 卸去压力，取下测简，将塞杆从测筒内慢慢取出，用游标卡尺 测量测筒的高度h 2 ( m m ) ，计算岩心高度h ( m m ) 。 3 1 3 实验步骤 ( 1 ) 接通电源，启动仪器，预热1 5 m i n ： ( 2 ) 将装好岩心的测筒安装到主机的两根连杆中间，放正。把测杆 放入测筒内，使之与岩心紧密接触，在测杆上端插入传譬器中心杆， 调整中心杆上的调节螺母，使数字显示为o o o ： ( 3 ) 在测简内注满待测溶液，同时启动秒表，记录5 m i n ，1 5 m i n ， 3 0 m i n ，l h ，2 h ，3 h ，6 h ，7 h 岩心膨胀高度a h ( m m ) ； 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验研究方法简介 ( 4 ) n 试7 h 后，关闭电源，拆下测简和测杆，清洗干净，收存备 用； ( 5 ) 按下式计算泥页岩的线膨胀率： p - 等x100(3-d h 式中：p - 7 h 时的线膨胀率，； a h 一7 i l 时的线膨胀量，n l l n ： h 一岩心的原始高度，h i m 。 从式中可以看出，线膨胀率越大，所测试样的抑制性越差。 3 2 钻井液粘度和切力的测定 3 2 1 符号及单位 ( 1 ) 漏斗粘度：以f v 表示，单位为s ； ( 2 ) 表观粘度：以a v 表示，单位为m p a s ； ( 3 ) 塑性粘度：以p v 表示，单位为m p a s ； ( 4 ) 动切力：以y p 表示，单位为p a ； ( 5 ) 静切力：以g ”( 1 0 s 切力) 和g ，。( 1 0 m i n 切力) 表示，单位 为p a 。 3 2 2 表观粘度、塑性粘度、切力的测定 ( 1 ) 仪器 a 直读式粘度计：z n n d 6 型或同类产品； b 秒表：灵敏度为0 1 s ； c 样品杯：3 5 0 5 0 0 m l ； d 温度计：量程为0 一l o o ，分度值为l 。 主垦互鎏奎堂! 兰查! 堡论塞第3 章实验研究方法简介 ( 2 ) 实验步骤 a 将待测定钻井液倒入样品杯后，放置在仪器的样品杯托架上， 调节高度使钻井液的液面正好在转筒的测量线上： b 将粘度计的转速调至6 0 0 r m i n ，待读值稳定后读取并记录： c 将转速调至3 0 0 r m i n ，待读值稳定后读取并记录； d 如需要，按相同方法读取并记录2 0 0 ，1 0 0 ，6 ，3r m i n 的读 值： e 在6 0 0 r m i n 下搅拌1 0 s ，静置l o s 后在3r m i n 下读取并记 录最大值，再在6 0 0 r m i n 下搅拌1 0 s ，并静置l o m i n 后读值并记录3 r m i n 下的最大读值。 3 2 3 计算公式 a v = 寺中6 0 0( 3 2 ) p v = o 一巾3 0 0 ( 3 3 ) y p = ( 中3 0 0 一p v )( 3 4 ) g l ，：委。，( 3 - 5 ) g l 。= 昙m ，( 3 - 6 ) 式中：( p 6 0 0 - - 6 0 0 r m i n 下的读值： m 3 0 0 - - 3 0 0 r m i n 下的读值； 中3 1 静止l o s 后在3r m i n 下读值； 巾3f 一静止l o m i n 后在3r m l n 下读值。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验研究方法简介 3 3 钻井液a p i 滤失量测定方法 3 3 1 实验仪器 ( 1 ) 室温中压滤失仪：包括压滤器、支架、垫圈等，并带有压力源； 压滤器的容积为3 0 0 4 0 0 m l ，直径为7 6 2 r a m ，高度大于6 4 o m m ， 过滤面积为4 5 8 0 _ _ _ 6 m m 2 ，用耐腐蚀材料制成： ( 2 ) 滤纸：瓦特曼( w h a t m a n ) 5 0 型或相当产品； ( 3 ) 秒表：灵敏度为0 1 s ： ( n ) 亥r j 度量筒；容量为l o 2 5 m l ，分度值为0 2m l ： ( 5 ) 钢板尺。 3 3 2 实验步骤 ( 1 ) 将已用高速搅拌器搅拌后的钻井液到入压滤器中，至刻线，放 好垫圈、滤纸，盖好盖，把压滤器挂在支架上，并把刻度量筒放在压 滤仪流出口下面。 1 ( 2 ) 用打气筒加压至0 7 m p a 后，给压滤器加压，同时开始计时， 然后重新把压力加到0 7 m p a 。 ( 3 ) 当滤出时间到7 5 m i n 时，将滤失仪流出口上的残留液滴收集 到量筒中，移去量筒，读取并记录所采集的滤液的体积( 其值乘2 可 得3 0 m i n 滤失量的近似值) ，同时测定并记录钻井液的温度。 ( 4 ) 放掉压滤器中的压力，取下压滤器，小心取出带有泥饼的滤纸， 用水冲去滤饼表面上的浮泥，用钢板尺测量并记录滤饼的厚度，观察 并记录滤饼质量的好坏( 硬、软、韧、松等) 。 ( 5 ) 冲洗并擦净压滤器，放掉仪器内的压力。 中国石油大堂( 华东) 硕士论文第3 章实验研究方法简介 3 4 页岩回收率实验 页岩分散回收率实验是评价处理剂页岩抑制能力大小的常用方 法。泥页岩的分散性能与井壁是否稳定直接相关，它是宏观评价泥页 岩井壁稳定性的重要指标之一，利用分散试验可以了解岩样的水化分 散性能，也可以作为钻井液对页岩的抑制性评价手段。 3 4 1 实验仪器 ( 1 ) 滚子炉，滚动瓶； ( 2 ) 4 0 目分样筛； ( 3 ) 天平：感量为o 1 9 ； ( 4 ) 鼓风恒温干燥箱。 3 4 2 操作步骤 ( 1 ) 称取5 0 0 9 ( 称准至0 1 9 ) 2 - 5 m m 风干泥页岩试样，装入盛有 3 5 0 m l 蒸馏水的滚动瓶中，盖紧： ( 2 ) 将装有试样的滚动瓶放入7 7 1 的钻井液滚子炉中，滚动1 6 小时： ( 3 ) 恒温滚动1 6 小时后，取出滚动瓶，冷至室温，将滚动瓶内的 液体和岩样全部倒入4 0 目分样筛上，在自柬水槽中筛选1 分钟； ( 4 ) 将筛余岩样放入1 0 5 3 c 的鼓风恒温干燥箱中烘干4 小时， 取出冷却，在空气中静置2 4 小时，然后进行称量； ( 5 ) 利用下式计算岩样分散回收率r 4 0 ： r 4 0 = m 5 0 1 0 0 ( 3 - 7 ) 式中：r 4 0 - - 滚动分散回收率( 过4 0 目筛余) ，： m 一过4 0 目筛余岩样重量，g 。 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验研究方法简介 3 5 页岩稳定指数测定 3 5 1 实验仪器 ( 1 ) 针入度测定器( 精度：1 分度= 1 1 0 r a m ) ； ( 2 ) 测试杯或不锈钢品脱罐； ( 3 ) 岩芯试件成型装置； ( 4 ) 试件成型机( 或材料试验机) ； ( 5 ) 滚子炉。 3 5 2 实验步骤 。 ( 1 ) 称过6 0 目的风干岩屑6 0 9 ，在2 0 0 0 p s i 压力下，压l 小时： ( 2 ) 1 0 5 c 下烘干1 2 小时( 可不烘干，以防止粘土脱水收缩岩心掉 落) ： ( 3 ) 3 5 0 m l 溶液中，1 5 0 下( 7 7 。c ) 滚动8 小时： ( 4 ) 针入度的测定( 压1 0 秒测其值) ：浸泡前测一个针入度，浸泡 后再测一个针入度。 3 5 ，3 计算公式 ( 1 ) 体积膨胀率( p s ) p s = a h h + 1 0 0 ( 3 - 8 ) 式中h 一岩芯膨胀高度，i t l a q l ： h 一岩芯吸水前高度，m m 。 ( 2 ) 页岩稳定指数( s s i ) s s i = 1 0 0 2 ( h f - h i ) 一4 a h ( 3 - 9 ) 式中h f - 页岩吸水后针入度，r l l r n ： h i 一页岩吸水前针入度，h i m 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验研究方法简介 3 5 4 数据记录 表3 - i 针入度实验数据记录表 压模浸泡 h i ，m mh tm mh ， 杯号h ，m ms s i 号 渡 h 0 h ，m m 表中h 一实验前岩心纯高度，r a m ； h i 一初针入度，i t i i t i ； h i = h i h o ； 其中h o - 模+ 干样高，n - i r f l ； h 1 压1 0 秒后模+ 干岩样高，r i l m ； h f 终针入度，m m ； h f - h 3 - h 2 ： h 2 膨胀后模+ 湿岩样高，m m ： h 3 一压1 0 秒后模+ 湿岩样高，m m ： a h 岩心线膨胀高，i t h t i ； h = h 2 一h o ，m m 。 3 6 可视中压砂床滤失仪测试法m m 0 1 此方法是在a p i 滤失量测试法基础上建立起来的，引入此方法是 为了评价有机硅改性聚乙烯醇钻井液防塌剂对地层的胶结与封固性 能。这种方法采用有机玻璃筒作为可透视的钻井液杯，可以在实验过 程中清晰地观察到滤液的渗滤过程。仪器见图3 1 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验研究方法简介 图3 - 1 可视中压砂床滤失仪简图 3 6 1 可视中压砂床滤失仪组成 可视中压砂床滤失仪由钻井液杯组件、减压阀组件和支架等组 成。它的主要技术参数见表3 2 。 表3 2 可视中压砂床滤失仪主要技术参数 序号名称技术参数 l 有效滤失面积 、 1 8 c m j 2 工作压力 0 7 m p a 3 标准滤砂注入量3 5 0 c m 4 标准钻井液注入量 5 0 0 c m 5 外形尺寸4 0 0 x 2 5 0 1 1 0 0 m m 3 6 2 仪器安装操作步骤 ( 1 ) 要确保钻井液杯各部件，尤其是滤网清洁干燥，也要确保密封 圈未变形或损坏； ( 2 ) 取出仪器支架部分，检查支架上的钻井液杯项盖内是否放入橡 胶圈，将仪器放平； ( 3 ) 检查减压阀组件的气源接头内“0 ”型密封圈是否完好无损。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验研究方法简介 将气源输气管的连接螺母接在减压阀组件气源接头上旋紧，调压手柄 处于自由状态； ( 4 ) 钻井液杯按以下顺序组装使用，将底盖内放入橡胶圈、滤网压 圈( 滤网一体) 、橡胶圈。钻井液杯体上有两圆柱销使其对准底盖两 开口放入逆时针拧紧； ( 5 ) 将一定量定粒径的砂