（油气井工程专业论文）强抑制性水基钻井液完井液体系的研究与应用.pdf

s t u d y & a p p l i c a t i o n o f h i g t ti n h i b i t i v ew a t e r b a s e ddj i l l i n gf l u i d d i r e c t e db yp r o f q i uz h e n g s o n g f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro r e n g i n e m i n g o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fp e t r o l e t t m t h e r ea r e l a r g ea r e a so fw a t e r s e n s i t i v ef o r m a t i o n sf a c i n gs e v e r er e s e r v o ir d a m a g ep r o b l e m s i n s h e n g l i o i lf i e l d t h ea p p l i c a t i o no fo i l b a s e d r i l l i n g f l u i d ( o b m ) i sl i m i t e db e c a u s eo f i t si n e v i t a b l ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hc o s t ， e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n a c c o r d i n gt og e o l o g i c a la n a l y s i so fw a n g z h u a n g ，j i n j i a a n ds h a n j i a s io i ld i s t r i c t ，an e wk i n do fh i g hi n h i b i t i v ew a t e r b a s e dd r i l l i n gf l u i d w i t h g o o de n v i r o n m e n ta c c e p t a b i l i t y a n dr e s e r v o i r p r o t e c t i o n e f f e c th a sb e e n d e v e l o p e d f i r s t ，t h er e s e r v o i rd a m a g em e c h a n i s mo f w a t e r - s e n s i t i v ef o r m a t i o n s i n s h e n g l l o i lf i e l dh a sb e e n s t u d y e d i t i s m a i n l y b e c a u s et h e h y d r a t i o n s w e | l i n go fl a r g ea m o u n t so f w a t e r s e n s i t i v ec l a ym i n e r a l s ，e s p e c i a l l y m o n t m o r i l l o n i t e ，a n dd i s p e r s i o n & m i g r a g a t i o n o fk a o l i n i t e ，t h a tc a u s e dt h e r e d u c t i o no fr e s e r v o i rp e r m e a b i l i t y s ot h ei n h i b i t i o ne f f e c to ft h ed r i l l i n gf l u i d m u s tb ee n h a n c e da sh i g ha sp o s s i b l eb yd o i n gal o to fi n h i b i t i o na n dc o m p a t i b l e e x p e r i m e n t s ，m a i nc o m p o n e n tc h e m i c a l s h a v eb e e n s e l e c t e d ，s u c h a s p o s i t i v e s h a l es t a b i l i z e rc e t a ，z w i t t e r i o n p o l y m e rf a 3 6 7 ，p o l y a l c o h o l sa n do r g a n i c p o s i t i v ec o l l o i db p sf i n a l l y ，t h ef o r m u l a t i o no ft h i ss y s t e mh a sb e e no p t i m i z e d a sb e l o w ：4 b e n t o n i t eb a s em u d + 0 3 c e t a + 0 2 x c + 3 5 m i x e d a n t i s l o u g h i n ga g e n t + 0 1 5 f a 3 6 7 + 0 - 3 m i x e df l u i dl o s sa d d i t i v e s + 2 b p s + 2 p o l y a l c o h o l s t h ee v a l u a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h i sn e ws y s t e mp e r f o r m s m a n ye x c e l l e n tp r o p e r t i e s i th a ss u p e rh i g hi n h i b i ta n da n t i s l o u g h i n gp r o p e r t y ， n i c e r e o t o g i c a lp r o p e a i e s ，f i n et e m p e r a t u r es t a b i l i t y , o u t s t a n d i n g r e s e r v o i r p r o t e c t i o ne f f e c t ：p e r m e a b i l i t y r e c o v e r y r a t e 8 5 f a v o r a b l el u b r i c a t i o n p r o p e r t ya n dl o wt o x i c i t yt oe n v i r o n m e n t t i l ln o w , t h i sd r i l l i n gf l u i ds y s t e mh a s b e e np u ti 1 1 t ou s ei nm o r et h a n3 0w e l l s t h ef i e l da p p l i c a t i o ne f f e c t sh a v es h o w n t h a tt h i s s y s t e m i s h e l p f u l t o k e e pt h e w e l1w a l ls t a b l e e n h a n c em e c h a n i c a l d r i t l i n gs p e e da n dd r i l l i n ge f f i c i e n c y , a n dp r o t e c tt h eo i l ! e s e r v o i re f f e c t i v e l y m e a n v , h i l e t h i ss y s t e mc a nl a r g e l y 【- e d u c ec h i l l i n gc o s t c o l l l p a l e d w i t ho b m ( o n s i d e l a b l ee c o l l o m i cb e n e f i t sh a v eb e e ng a i n e df ( ) | u s i n g h | s p ws 54 s f e l n k e y w o r d s ： s h e n g l io i l f i e l d ；w a t e r 、s e n s i t i v e 0 i u l a t i o h i g hi n h i b i t i o np r o p e r t y ；r e s e r v o i rp r o t e c t i o n 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：2 0 0 牛年f 扫月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、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阋； 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： 困监 - - 色亚璺：刍 ii 动d 牛年 ) d 月 7 日 驯年f d 月f 日 石油大学华东) 硕士论文 第1 章前言 第1 章前言 在钻井工程中，人们常以“泥浆是钻井的血液”来形象地说明 钻井液在钻井中的重要地位。钻井液的作用可以概括为：清洗携岩、 冷却和润滑钻具、平衡地层压力、保护井壁等。随着石油工业的发 展，保护油气层的意识日益提高，对钻井液完井液提出了更高的要 求。如果没有做好油气层保护工作，就可能导致油气层不能被及时 发现或产能降低【l 】。国内外对如何防止地层损害进行了大量的研 究，在保护油气层的理论研究方面取得了较大的突破。较常见的保 护油气层钻井液完井液主要有：水基聚合物体系、油基钻井液体系、 混合金属硅酸盐体系、无固相钻井液等，在保护油气层方面各有其 特点和适用范围【2 1 。 强水敏地层的泥页岩稳定问题一直是困扰国内外钻井行业的一 大难题。据不完全统计，由于泥页岩引起的井壁稳定问题造成的经 济损失每年高达5 亿美元【3 1 。由于此类地层的粘土矿物以蒙脱石或 无序伊蒙混层为主，含量可达1 5 5 0 ，遇水极易膨胀、分散，如应 用一般水基钻井完井液钻井，容易发生井下复杂事故，若防塌措施 不力，井眼极易缩径，井径可缩小2 0 3 0 ，造成起钻遇卡拔活塞， 下钻遇阻划眼。甚至造成卡钻；储层岩石与钻井完井液作用产生水 敏反应，堵塞油气孔道，使储层产能得不到有效的开发。 钻进强水敏地层的井，一般采用价格较高的油基钻井液体系， 但由于油基钻井液环境污染严重，随着环境保护工作日益受到重视， 尤其是国内外环保法规日益严格，石油天然气工业健康安全和环境 管理的建立和实施，对钻井液的性能提出越来越高的要求，油基钻 井液的应用受到越来越多的限制。油基钻井液还存在易发生火灾、 i 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 对录井有影响、存在油层润湿反转、与地层水乳化、降低油相渗透 率等不足。 胜利油田的郑家、金家等油田存在大量强水敏储层，以往只能 采用价格昂贵的油基钻井液体系，使该区域的开发成本一宣居高不 下，经济效益不显著。如何经济有效地开发这些地区的原油，是胜 利油田当前及今后一个时期的重要攻关目标。当前，经济效益已经 被视为油气田开发中最基本的驱动力，特别是在发展阶段，必须采 取成本节约的措施，而不仅仅着重于开发工作的过程。因此有必要 研究开发一种真正环保的、具有强抑制性的水基钻井液完井液体系， 在保护油气层的同时，大幅度降低钻劳成本，替代油基钻井液完井 液体系用于强水敏地层。 国外一些公司在研制适用于强水敏地层的新型钻井液和处理剂 方面开辟了许多新思路，如用丙烯酸( a a ) 和二异二甲基氯化铵 ( d a d m a c ) 共聚合成新型阳离子页岩稳定剂【“，b a k e rh u g h e s 公 司发明非离子烷基酵胺作为页岩稳定表面活性剂，等等，但这些新 产品在国内应用较少。用矿物油代替柴油进行改进后的新型逆乳化 钻井液，虽然可以提高膜效率f 贸。对基油的改进减少了毒性，改善 了生物可降解性，但是在钻屑排泄中的高浓度连续相会对环境造成 有机负担【6 1 ，仍有环境局限性，以及由于钻屑处理带来的成本增加 问题，并不能根本上解决油基钻井液的环境污染问题。后来开发了 仿油基的合成基钻井液，但是成本过高，且仍存在一定环境问题。 因此，在减少环境污染方面，水基钻井液最具有吸引力。硅酸盐钻 井液由于具有固壁防漏、材料费用低、不污染环境等优点，日益受 到国内外钻井界的重视。在3 0 年代，使用高浓度硅酸盐( 2 0 5 0 ) 2 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 钻井液在海湾地区成功钻井1 0 0 多口，由于遇到粘切控制困难，维 护处理难等问题而被石灰钻井液代替。在2 0 世纪6 0 年代中期， d a r l e y 等人发现低浓度( 2 0 ) 的硅酸盐具有稳定井壁能力并使用 稀硅酸盐钻井3 口1 7 1 。此后由于聚合物体系的应用，对硅酸盐体系 的研究减少。近几年来，钻大段软泥岩时使用效果较好的油基和合 成基钻井液时出现环保问题，硅酸盐钻井液又有被逐渐看好的趋势， 改进后的硅酸盐钻井液虽然性能有很大提高有很好的抑制性和稳 定性，但仍存在一些不能避免的问题，如硅酸盐必须配合相应的护 胶剂以防止过度增稠，与含有铵、钙等离子的处理剂不配伍，而且 受p h 值、澎润土含量等因素的影响较大 ”。最薪开发的阳离子聚 合物钻井液虽然可以有效地抑制泥页岩中粘土膨胀，减少水敏性损 害的发生，但缺点是成本较高，配伍的处理剂种类少，性能控制和 维护比较困难【，不利于推广应用。 虽然我国在钻井完井液技术的发展趋势上与国外的脉络基本相 似，但在总体上仍有相当差距，为缩短差距，保障国内油田的勘探 开发需求，研究开发接近国际先进水平的、能够用于强水敏地层的、 真正符合环保要求的经济型水基钻井完井液体系迫在眉睫。 研究首先通过从理论上分析强水敏地层的地质特性和油层损害 机理，认清强水敏地区发生油层损害的主要原因，从而确定体系的 性能要求，如选用抑制性强的粘土稳定剂和聚合物包被剂和保护油 层添加剂等，以尽量提高钻井液完井液的抑制性和防塌包被能力， 降低该类地区的油层损害，最大限度地保护和开发强水敏性地区的 油藏。 采用粘度、切力、滤失量、膨胀量、页岩回收率、渗透率恢复 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 值等多种评价指标和页岩膨胀率试验、滚动回收率试验等多种试验 方法优选出粘士稳定剂、防塌剂、包被抑制剂、油层保护添加剂 等各种处理剂，最后确定体系室内配方；并通过一系列试验，进行 体系性能评价。体系室内配方确定后，要在强水敏性地层区块进行 先导性试验应用，验证实际效果。 新开发的强抑制性水基钻井完井液体系要将保护油气层放在首 位，力图达到类似油基钻井液完井液的效果，即抑制包被能力强， 具有良好的携岩能力、防塌能力，抗高温、抗污染能力和保护油气 层作用并保证钻井施工的j i r 妤u 进行。使用强抑制性水基钻井液， 与油基钻井液相比，可降低钻井成本，节约建井周期，产生巨大的 经济效益和社会效益，具有广泛的推广价值。该项目的成功对油田 的“增油上产”有重要的意义。 综上所述，通过对强水敏地层的了解和研究，开发一种具有强 抑制性、低成本、环保的水基钻井液完井液体系来替代油基钻井液 完井液体系，是非常必要而且是可行的，能够为强水敏地层的开发 提供一种新的途径。 4 互塑盔堂! 望型硕士论文第2 章强水敏储层特性及油层损害机理 第2 章强水敏储层特性及油层损害机理 2 1 胜利油田典型强水敏区块的地质特性 为正确研究在钻遇页岩中遇到问题的本质，必须先研究有关的 各种物理一化学过程。导致页岩问题的相关因素主要有下列三种：页 岩水化和膨胀、岩屑分散和异常压力；另外，还有其它过程和井壁 条件也会增加井壁不稳定性，包括：裸眼井段滞留时间，井下压力 和地层特性，以及机械作用和侵蚀作用。 本文主要针对由于页岩水化膨胀和岩属分散引起的地层的水敏 性问题。水敏性是指外来液体的矿化度与储层中的粘土矿物不配伍 时，引起粘土矿物的水化膨胀和分散，导致储层渗透滤降低。这种 现象绝大多数存在于碎屑岩储层，是储层的主要损害因素。储层 的蒙脱石含量、伊蒙混层含煮、石英、胶结物含量、胶结类型、孔 隙度、气测渗透率、泥质含量、颗粒粒度、颗粒分选、孑l 喉平均值、 地层水矿化度等是影响水敏性的主要储层岩石组成与结构参数“1 。 胜利油田的很多油区存在大面积的水敏性地层，如滨南采油厂 的王庄油田郑4 0 8 区块、纯粱采油厂的金家油田、清河采油厂的八 面河油田沙三段和沙四段油层、临盘采油厂的曲堤油田馆陶组和沙 河街组油层及商河油田沙河街组油层，位于潍海的埕岛油田馆陶组 油层。在此仅以王庄油田郑4 0 8 区块、纯粱采油厂金家油田沙一段 油层和单家寺油田单六区块为例，对强水敏区块储层的地质概况及 物性特点进行分析。 ( 1 ) 王庄油田郑4 0 8 区块的储层物性 胜利油田的王庄油田处于东营凹陷北部陡坡带西段，是一个太 古界基岩潜山油藏和下第三岩性地层油藏的复合式油田，下第 s 互塑_ ：j ! 浮( 华东) 硕士论文第2 章强水敏储层特性及油层损害机理 三系稠油层控制含油面积1 0 o o k m 2 。王庄油田主要含油层沙三上地 层的岩性为含砾砂岩，砾状砂岩夹灰绿色砂质泥岩及粒岩，平均粒 度中值0 2 6 m m ，储层孔隙类型以粒间孔和微孔隙为主，并含有少 量次生溶孔，储层平均孔隙度( 2 5 - 2 9 ) ，平均渗透率9 0 9 2x1 0 3 um 2 。含油饱和度6 3 7 。根据现有的压力、温度资料，油藏属常 温常压系统，油层压力( 1 2 5 8 1 3 7 5 ) m p a 。储层埋藏浅，胶结疏 松，平均泥质含量2 9 3 。郑4 0 8 区块是王庄油田的典型的强水敏 性区块，属砾岩体油藏类型，是常温常压条件下受边水影响的中高 渗构造性油减。郑4 0 8 区块砂砾岩体连通性好，储层上部以中性 亲油为主，下部以亲水为主。沙三上储层粘士含量为o 3 1 3 2 ， 粘士矿物以易分散运移的高蛉石和易膨胀的伊蒙混层为主。地层水 型c a t l 2 型。其地层粘土矿物分析和地层水分析见表1 和表2 。 表1 郑4 0 8 区块地层粘士矿物分析 1矿物类型含量 薮脱石相对音量 3 0 2 伊利石相对含量1 8 9 高岭石相对含量4 1 4 绿泥石相对含量 g 5 表2 郑4 0 8 块强水敏地层水分析 离子类型宙量m g ，l k + 、n a 7 4 6 8 1 9 2 c a 2 +9 0 4 9 2 5 m 9 2 + 3 1 0 8 1 6 歪垫奎堂! 兰查! 堡主丝塞 墨! 兰墨查墼熊星堑丝垦塑星望童垫堡 c i -1 i 5 6 6 2 0 s 0 4 2 4 2 2 5 2 9 5 h c 0 3 1 3 l9 2 5 c 0 3 2 。 o h 总矿化度2 4 3 2 7 6 2 水型氯化钙 郑4 0 8 区块主要含油层沙三上为含砾砂岩、砾状砂岩夹灰绿色 砂质泥岩及粒岩。从地层岩性来看，平原组、明化镇组和馆陶组地 层段较长，地层较软，极易造浆。地层分段岩性见表3 。 表3 郑4 0 8 区块地层分段岩性 地层底垂深m岩性 平原组3 0 5棕黄色、棕红色粘土及松散砂层 明化镇9 8 0 9 8 5 上郝躞灰、荻黄色砂泥岩，下部稼红色泥砂岩 馆陶组 1 1 7 0 - - 1 1 9 0 上部以棕红色紫红色泥岩为主、夹灰色砂砾岩， 下部为粉砂岩砂砾岩泥岩互层 东营组1 2 0 0 ，1 2 3 0 上部棕红色泥岩砂质泥岩与灰白细砂岩。下部 睹棕色泥岩砂质泥岩 沙一段 1 2 7 0 】2 9 0 以灰色灰绿色泥岩为主，夹浅灰色自云岩、生 物灰岩、灰白色宙砾砂岩 沙三段1 3 4 0 中上部以灰色深灰色泥岩砂质泥岩为主，下部 以深灰色泥岩为主 _ ( 2 ) 金家油田的储层物性 纯梁采油厂的金家油田是一个典型的强水敏区块，其地质概况 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章强水敏储层特性及油层损害机理 如下：处于济阳坳陷东营凹陷的南侧斜坡带上，是在区域继承性向 南抬起的单斜背景上发育而成的一个鼻状构造带，为一稠油浊藏， 主要储集层分布在新生界下第三系沙河街组沙一段。油藏类型为受 构造控制的地层岩性浊气藏，砂岩储层为沙一段的主要储层构造类 型，以颗粒支撑，孔隙一接触式构造类型为主，泥质含量为5 8 ， 成分以蒙脱石为主：碳酸盐岩含量2 3 2 7 ，孔隙度3 3 - 3 7 ， 平均渗透率1 1 2 2 1 0 。p m 2 ，分选系数1 2 5 1 5 ，原油为高密度、 商粘度，稠油密度为( 0 9 4 4 5 0 9 9 6 8 ) c m 3 。5 0 c 时地面脱水原油 粘度为2 0 0 m p a s 。 造成金家油田储层伤害的潜在因素主要有：粘土矿物的水化膨 胀、分教、运移等堵塞；地层出砂；入井液带入的机械杂质堵塞。 金家油田的储层特点、产层敏感性评价结果和明化镇组清水分 析数据见表4 、表5 和表6 。 表4 金家油田储层特点 储层井段，m7 7 5 - 8 5 2 储层温度 c4 5 有效渗透率1 1 0 u 秆 1 0 3 5 孔嚷半径u m大：1 6 8 中：2 1 5 粘含量，2 36 高峰石1 1 8 伊剥石， o 8 3 伊蒙混层， 0 羹脱石， 9 8 i承蟪性( 被辟性) 强 亘塑奎兰( 警东) 硕士论文第2 章强水敏储层特性及油层损害机理 表5 金家油田产层敏感性评价结果 油层sj 埋深m 7 3 0 9 0 0 速度评价试验弱速敏 水教评价试验强水敏 盐敏评价试验盐敏 酸敏评价试验不酸敏 碱敏评价试验弱碱敏 表6 金家油田明化镇组清水分析数据 项目过滤蔚过滤后 p h 656 5 lk + 、n a + m l 2 0 7 01 6 l0 im g ：+ m g ，乙 1 4661 lc a ! m g ，l 2 6 12 00 c i m l 7 0 93 5 5 s 0 4 。m g ，l1 0 57 4 80 h c 0 3 。m l 3 8 443 3 5 6 |c 0 3 二m l 3 003 0 ，o l悬浮物m l k p a m 8 0 a 5 1 p h p a ，说明f a 3 6 7 抑制分散的效果较优。 ( 2 ) 页岩膨胀率试验 用蒸馏水配制o 3 的小阳离子c e t a 水溶液，再分别加入o _ 3 的聚合物抑制包被剂p h p a 、8 0 a 5 l 、k p a m 、f a 3 6 7 ，用页岩膨 胀仪测定钠膨润士岩芯在不同的聚合物强包被剂中的膨胀率，对比 评价其抑制性能。实验结果见图5 。 - 一0 3 c e t h + o f a 3 6 7 * 一0 3 c e t a + o k p a m 一0 3 c e 丁 + 0 8 0 f i - 5 1 6 r 一0 3 蛾t a + o p l p a b 蒸馏水 l2340b78 时间( h ) 图5 不同聚合物对钠膨润土岩芯膨胀量的影响 由图5 可以看出，f a 3 6 7 抑制粘土膨胀的能力较强。 ( 3 ) 粘土吸附实验 利用分光光度计法测定吸光度，考察不同种类和加量的聚合物 包被荆对钙蒙脱土吸附效果的影响。 a 实验仪器：7 2 2 型光栅分光光度计、离心机、恒温水浴锅。 b 实验原理：依据吸光度的概念和比耳定律f 3 5 】，简述如下。 透光度：透过光的强度i i 与入射光强度i o 之比，用t 表示。 t = i i i o( 3 一1 ) 吸光度：表示物质对光的吸收程度，用“a ”表示，定义为 “透光度的倒数的对数”或“透光度的负对数”。 a = 一i g t = i g o t ) = i g ( t = i i ，1 0 1 ( 3 - 2 ) 6 5 4 3 2 1 0 暮)茁娄琏 互垫奎堂! 望查! 竺主堡苎 蔓i 兰塞堕墼互墨堡堂篓堡堕堕 吸光度a 越大，该物质对光的吸收程度越大。 比耳定律：当用一适当波长的单色光照射一溶液时，若透光 液厚度固定，则吸光度与溶液浓度成正比。 a = k c ( 3 - 3 ) 式中k 一为比例常数，与入射光波长、溶液的性质、液层厚度和温度有关。 c 一溶液浓度 在溶液中，处理剂与蒙脱土相比，粒径小很多，因此蒙脱土为 主要吸光物质。如果处理剂对蒙脱土的包被吸附作用越强，吸附蒙 脱土的量就越多，则经离心后沉降的蒙脱土就越多，上层清液中蒙 脱土就越少，根据比耳定律，测出的吸光度就越小，由此得出评价 原则：测出的上层清液的吸光度越小，处理剂的包被吸附效果越好。 c 实验程序和结果分析： 准确称量1 0 0 0 9 蒙脱土数份，分别加入到l o o m l 浓度为0 0 5 的抑制包被荆f a 3 6 7 、k p a m 、p h p a 和8 0 a 5 1 的水溶液中，在2 5 恒温水浴中振荡2 4 h ，使处理剂达到吸附平衡，然后在3 6 0 0 f f m i n 转速下离心2 0 m i n 使粘土沉降，吸取清液，用分光光度计测定吸光 度；为消除处理剂本身对吸光度的影响，并分别配制o 0 5 的 f a 3 6 7 、k p a m 、p h p a 和8 0 a 5 1 水溶液，不加入蒙脱土，用分光光 度计测定吸光度。试验数据见表1 7 。 表1 7 蒙脱土在不同溶液中吸光度的变化 吸光度a 00 5 聚合物水溶液 ( 测试波长 ，3 6 4 r t m )f a 3 6 7k 队m8 0 a 5 lp h p a 溶液中未加士( 空白) 00 0 20 0 0 60 0 0 000 1 9 l l溶液加土经离心分离 0 0 2 60 0 3 400 9 801 9 8 j 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章室内配方及性能评价试验 表1 7 中数据表明，溶液中未加入蒙脱土( 空白) 时，处理剂本 身的吸光度很小与加入蒙脱土后的吸光度相差很大，处理剂本身 对吸光度的影响可忽略不计，蒙脱土为主要吸光物质：在相同浓度 时，f a 3 6 7 的上层清液吸光度最小，说明f a 3 6 7 对蒙脱土的包被吸 附效果最好：几种聚合物的抑制效果由大到小依次为f a 3 6 7 k p a m 8 0 a 5 l p h p a 。 ( 4 ) 表观粘度上升率实验 用表观粘度上升率作为指标来考察不同包被剂的抑制能力( 3 6 】。 表观粘度上升率的测定方法如下：将一定浓度的聚合物钻井液在 1 5 0 下滚动加热1 6 h 后。测定其表观粘度( a v l ) ：在相同浓度的 聚合物钻井液中加入5 的钙土，在1 5 0 下滚动加热1 6 h 后，测定 其表观粘度( a v 2 ) ：按下式计算表观粘度上升率v a v 。 v a v ( ) = ( a v 2 一a v 0 a v l 】1 0 0 ( 3 - 4 ) 表观粘度上升率越小，表明抑制粘土分散的作用越强。表1 8 是4 膨润土基浆和几种聚合物钻井液的表观粘度上升率测定结果。 表l8 聚合物对钻井液表观粘度上升率的影响 配方a v m p a sa v 4 n 伊a ，s n i 4 钠土基浆 76 0 7 5 7 i 基浆+ 0 1 p h p a 2 48 73 5 4 基浆+ 0 i 8 0 a 5 l 1 85 7 52 1 9 基浆+ 0 i k p a m 2 77 2 51 6 9 基浆+ 0 i f a 3 6 7 2 34 7 ，56 7 从表1 8 中数据可以看出，加入聚合物后，表观粘度上升率在相 同加量的条件下，f a 3 6 7 的表观粘度上升率明显低于其它几种聚合 4 l 每鎏大学( 华东) 硕士论文第3 章室内配方及性能评价试验 物表明其具有较强的抑制粘土分散的能力。 综合以上试验结果，确定主要的聚合物包被抑制剂为f a 3 6 7 。 3 i 5 2 包被抑制剂f a 3 8 7 加量的确定 上面初步确定配方1 。：4 钠膨润土浆+ o 3 c e t a + o 2 x c + 3 5 复合防塌剂，在此基础上，改变f a 3 6 7 的加量，考察对抑制性 的影响。试验数据见表1 9 。 表1 9f a 3 6 7 的加置对抑制性的影响 j配方p v p ay p r n p a sf 1 r i l l l膨胀量 m l 。1 5s6 51 3 3 1 。+ 0 i f a 3 6 71 796 21 2 2 1 i + o 1 5 d d ：a 3 6 71 91 05 81 1 4 l + o 2 f a 3 6 72 ll o 55 7 11 2 从表中数据可以看出，f a 3 6 7 的加量提高到0 ，1 5 时，流变性 和抑制性能改善较明显，继续提高加量，性能提高不显著，从而确 定f a 3 6 7 的最佳加量为0 1 5 。 3 1 6 降滤失剂评选试验 前面确定出配方2 。：4 钠膨润土浆+ o 3 c e t a + o 2 x c + 3 。5 复合防塌剂+ o 1 5 f a 3 6 7 ，在此基础上，选取常用的降滤失剂 9 0 3 a 、t p o s 8 8 、s t 5 9 8 、s j 1 、s k - 2 、队c 1 4 1 和p a j c l 4 3 进行 优选。其中p a c l 4 1 是丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸钠和丙烯酸钙的 四元共聚物，在降滤失的同时，还兼有增粘作用，抗温可达1 8 0 c ， 抗盐可达饱和：p a c l 4 3 是由多种乙烯基单体及其盐类共聚而成的 水溶性高聚物，其相对分子量为1 5 0 万 2 0 0 万，可作为各种矿化度 的水基钻井液的降滤失剂。对比不同降滤失剂对钻井液流变性和滤 至垫奎茎! 兰查! 堡主鲨奎 釜i 兰塞塑里查墨丝壁篓笙苎壁 失量的影响，数据见表2 0 。 表2 0 不同种类的降失水剂对流变性能的影响 配方及加量f lp vy pg s ，g m n i lm p a _ s p ep a p a 配方2 。5 81 9 1 03 ，5 s j 辨- o 3 如3 a5 43 61 9 57 ，1 4 5 l 群+ 0 3 t p o s - 8 853 9 2 07 5 f 1 5 1 斛0 3 s t - 5 9 85 62 l1 0 3 5 ，6 i 撑+ 03 s k - 24 62 6 1 357 ，1 7 i 捍+ 0 3 s j 142 3l l 。54 6 5 l # + 0 3 p c 1 4 14 22 91 58 1 3 5 l # - - 0 ，3 p a c l 4 34 83 41 955 1 1 5 注：配方2 。：4 土+ o 3 c e t a + 0 2 x c + 3 5 复合防塌剂+ o 1 5 f a 3 6 7 由表2 0 中数据可知，提粘降滤失剂9 0 3 a 和s t 5 9 8 在配方中 的降滤失效果较差；t p o s 一8 8 和p a c l 4 3 虽然降滤失效果较好，但 增粘幅度过大；s j i 、s k - 2 和p a c l 4 1 降游失效果较明显，且对粘 度增加的程度小，有利于调整钻井液性能。并进一步确定三者的最 佳配比，试验数据见表2 l 。 表2 1 不阊降滤失剂对钠膨润土岩芯膨胀率的影响 指标鼠方2 。+ o 3 s k ，2+ o 3 s j l+ 0 ，p c 1 4 l+ 复合降滤失剂 孙膨胀量 l ，1 4i 1 2 10 91 0 61 0 4 m m a p i 滤失量 5 84 644 23 6 枷 注：复合降滤失剂：o i s j - i + o i s k 2 + 0 i p a c l 4 1 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章室内配方及性能评价试验 由表2 l 中的数据可以看出，将s j 1 、s k 2 和p a c l 4 1 复配使 用时，其降滤失效果和抑制膨胀效果都较单剂使用时的其它配方有 所提高。复合降滤失剂在体系中的总加量为0 3 。 3 1 7 黑色正电胶b p s 和聚合醇的评选试验 3 1 7 1 b p s 和聚合醇的特性和作用 在正电胶m m h 的基础上开发的黑色正电胶b p s 是一种高正电 性的有机溶胶，可作为新型多功能钻井液添加剂 3 7 】。正电胶m m h 由于带正电荷，表现出独特的流变性调节能力和优良的油气层保护 作用3 8 i 。与m m h 相比，b p s 有以下优点：带有更高的正电荷，正 电性是m m h 的两倍以上，可达到7 0 m v ，其表面电荷密度的理论 值是蒙脱土带有永久电荷的2 3 倍，可通过静电吸引力同蒙脱土紧 紧地吸附在一起。因此抑制页岩永化的能力更强；b p s 有效成分是 有机物，既可混溶于水，又是油溶性的，对油层损害程度低，有利 于油气层保护；b p s 还可起到封堵防塌作用；与钻井液其它处理剂 的配伍性好；耐温在1 6 0 以上：抗盐、抗钙性能优良。b p s 加入 膨润土钻井液中，能使钻井液具有独特的流变性能，其性能变化规 律与m m h 相同【3 9 】，表现为随着b p s 加量的增加，粘度和切力提高 到一个最高点，然后下降；钻井液的滤失量随b p s 加量的增加而增 加；膨润土含量为2 5 5 时，其加量一般为o 5 2 。 聚合醇又称多元醇，属乙二醇衍生物，是一种淡黄色液体状的 非离子表面活性剂无毒无味，无腐蚀性。其稳定井壁机理是利用 “浊点效应”：当温度低于浊点时，聚合醇分散在钻弗液中；当温度 升高到一定程度时，聚合醇以小油滴的形态从水中析出，可吸附在 钻屑和泥页岩表面，起到抑制页岩水化分散的作用，另外，粒度适 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章室内配方及性能评价试验 中的油滴还可起到充填孔吼和封堵微裂缝的作用，阻缓压力传递， 防止滤液渗入地层，提高井眼的稳定性4 0 “1 ，与体系中的有机硅腐 殖酸钾协同作用，防塌效果更好。聚合醇具有类似油基钻井液的特 性，可降低油水界面张力，容易反排解堵，达到保护油层的作用 4 9 - 5 t l ：根据产层温度加入合适浊点的聚合醇，能够有效提高井壁稳 定性。聚合醇具有良好的润滑性【5 2 ，可在钻具表面形成一层憎水 膜，抑制腐蚀过程的进行，还具有毒性低、易生物降解、对环境影 响小等优点。 b p s 和聚合醇在体系中的防塌抑制作用可通过页岩滚动回收率 试验得到证实。在前面确定出配方3 4 ( 4 膨润浆+ o 3 c e t a + o 2 x c + 3 5 复合防塌剂+ 0 1 5 f a 3 6 7 + o 3 复合降滤失剂) 的基 础上分别加入b p s 和聚合醇，用郑4 0 8 区块2 0 0 0 m 处岩屑进行页 岩滚动回收试验，试验条件为8 0 1 6 h 。试验数据见图6 。 图6 聚合醇和b p s 对滚动回收率的影响 由图6 中试验结果可看出，黑色正电胶b p s 和聚合醇的加入 都可使页岩滚动回收率增加，显著地提高钻井液体系的抑制性。 3 1 7 2 黑色正电胶b p s 和聚合醇加量的确定 ( 1 ) 黑色正电胶b p s 加量的确定 在配方3 4 的基础上分别加入不同量的b p s ，考察b p s 的加量对 4 5 互徊查学( 坐东) 硕士论文第3 章室内配方及性能评价试验 体系流变性能的影响。试验结果见表2 2 。 表2 2b p s 的加量对体系流变性能的影响 配方及加显f lp vy pg “g m m lm p asp a，p a ，p a 配方3 。3 62 31 14 7 配方3 。+ j 1 3 p s362 35i i54 5 75 配方3 + 2 b p s3 82 5 51 355 5 7 配方3 。+ 3 b p s52 51 3 5 9 由表2 2 中试验数据可以得出，b p s 加量在2 时，体系的流变 性能较好，滤失量变化不大，加量超过定限度后，滤失量反而变 大。由此确定b p s 的最佳加量为2 。 ( 2 ) 聚合醇加量的确定 在配方4 8 ( 4 钠膨润士浆+ o 3 c e t a + o 2 x c + 3 5 复合防 塌剂+ o 1 5 f a 3 6 7 + 0 - 3 复合降滤失剂+ 2 b p s ) 的基础上，进一 步确定聚合醇在配方中的最佳加量。改变聚合醇的加量，用钠膨润 土岩芯进行页岩膨胀率试验，测定8 h 膨胀量；用郑4 0 8 区块2 0 0 0 m 处岩屑进行页岩滚动回收试验，试验条件为8 0 1 6 h ，数据见表2 3 。 表2 3 不同加量的聚合醇对抑制性能的影响 性能指标基础配方4 4 1 聚合醇4 2 聚合醇4 3 聚合醇 8 h 膨胀量，n w1 0 40 8 90 7 7o 7 4 页岩回收率惕8 0 68 3 28 748 78 表2 3 中试验结果表明，聚合醇加量为2 时抑制页岩膨胀分 散的效果最明显，加量继续增大，效果不明显。从而确定聚合醇的 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章室内配方及性能评价试验 最佳加量为2 。 3 1 8 室内配方的确定 通过大量抑制性和配伍性实验，优选出以小阳离子粘土稳定剂 c e t a 、两性离子包被抑制剂f a 3 6 7 、有机正电胶b p s 以及聚合醇 为主要处理剂的强抑制性水基钻井液完井液配方：4 钠膨润土浆+ o 3 c e t a + o 2 x c + 3 5 复合防塌剂+ 0 1 5 f a 3 6 7 + 0 3 复合降 滤失剂+ 2 b p s + 2 聚合醇。 强抑制性水基钻井完井液体系的主要钻井液性能见表2 4 。 表2 4 强抑制性水基钻井完井液体系的钻井液性能 k p 。， 中6 中2 中一g s g mp vy pf lk p h 审3 锄中j 0 0 中，p a ，p ap am p a s r f l jn w n 【。，8 4 1 5 64 l 3 09 1 755 82 81 43 、6o ，59 3 2 体系性能评价试验 在处理剂优选及配方基本确定的基础上，对强抑制性水基钻井 完井液体系的抑制防塌性、抗温性、保护油层特性、润滑性、毒性 等各项性能进行了评价实验，并与油基钻井液、普通聚合物钻井液 等体系进行性能对比。 3 2 1 防塌抑制能力评价试验 实验内容包括：页岩膨胀率实验、岩屑回收率实验、抗岩芯粉 污染能力评价实验和高温高压膨胀率实验。 ( 1 ) 页岩膨胀率评价实验 用n p 一0 2 智能型页岩膨胀测试仪分别测定钠膨润土岩芯和自制 地层岩芯在不同钻井液体系中的膨胀量，试验数据见图7 和图8 。 4 7 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章室内配方及性能评价试验 4 童3 二z 耋- 0 】2345 67 8 时间( h ) p 蒸馏m - 一聚台物钻井液 体幕 * 一油包水钻井液 体系 - 一沽莲钻井液体 系 - - x - - 强抑制水基钻 井液体系 图7 钠膨润土岩芯在各钻井液体系中的膨胀高度曲线图 ： l v 捌 世 渣 + 蒸馏水 一聚台物钻井液 体系 * 一油包水钻井液 体系 r 一油基钻井液体 - - x - - 强抑制水基钻 井渣体系 图8 自制地层岩芯在各钻并液体系中的膨胀高度曲线图 由图7 和图8 中的试验数据都可以看出，强抑制性水基钻井液 体系在粘土中的膨胀量为o 7 3 r a m ，在地层岩芯中的膨胀量只有 o 3 l m m 明显低于普通水基钻井液体系与油基钻井液的膨胀量较 接近，表明该体系具有较强的稳定粘土能力，抑制页岩膨胀的效果 接近油基钻井液。 ( 2 ) 页岩回收率实验 实验方法：称取2 3 4 m m 的郑4 0 8 区块产层岩屑5 0 9 ，分别加 入盛有3 5 0 m l 不同处理剂溶液的高温老化罐中，放入滚子加热炉中， 在一定温度( 8 0 c ) 下滚动1 6 h ，取出后用o 2 5 0 4 2 m m 筛回收岩 屑，冲洗、烘干，称重，计算回收率。回收率的大小说明各种处理 剂对产层粘土的稳定程度，试验数据见表2 5 。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章室内配方及性能评价试验 表2 5 不同体系的页岩回收率比较( 8 0 1 6 h ) 配方体系回收率回收后岩屑描述 淡水( 自来水)l o出现大量碎块 油包球钻井坡7 8棱角分明，：j _ ；现少量碎块 普通聚台物钻井液5 4棱角不分明，出现较多碎块 油基钻井液 9 7 棱角分蹦，基本保持原状 强抑制水基钻井液 9 2棱角分明，来出现碎块 由表2 5 中试验数据可以看出，强抑制性水基钻井液体系的回 收率大于9 0 ，与油基钻井液体系的回收率很接近而且从岩芯形 ：漩看，在强抑制性钻井液中滚动后的岩芯块棱角分明，基本保持原 状说明该体系的抑制能力很强。 ( 3 ) 抗岩芯粉污染能力评价实验 分别在油基钻井液、普通聚合物水基钻