低温钻井液技术.doc

低温钻井液技术钻井液与完井液 2006年4期目 录1.国内外研究背景22 .低温地层的钻进特点22.1 冰层和极地的钻进特点22.2永冻层的钻进特点32.3赋存天然气水合物的永冻层的钻进特点43.相关低温钻井液的研究现状53.1冰层和极地钻进相关的低温钻井液63.2永冻层钻进相关的低温钻井液73.3 赋存天然气水合物永冻层钻进相关的钻井液84.几点建议9冰层、极地、永冻层以及赋存天然气水合物的永冻层等低温地层的钻进,所用的低温钻井液在冰点以下能够正常工作是十分重要和必备的条件。一方面,这要求钻井液在低温条件下能够起到常规钻井液所具有的护壁堵漏的功能,即具有良好的流变性和滤失性能,如视粘度、剪切强度、动塑比和滤失量等;另一方面,要求控制其本身的流体温度,避免在循环过程中由于钻井液本身的热传递而改变所钻地层的固有温度,从而使其性能发生破坏。本文就低温地层的国内外研究背景及其钻进特点、相关低温钻井液的研究现状和应用情况进行了分析和讨论。1.国内外研究背景欧洲科学基金会为由法、德、英、比、意、冰岛、丹麦以及瑞士等国40多位科学家共同合作的格陵兰国际冰芯钻探研究计划(GRIP)提供经费进行相关的研究,以考证北半球的气候变化。此外,在国际南极冰川计划、极地试验计划、全球大气作用研究计划等范围内也已进行了长期综合的科学研究。目前，“欧洲南极冰芯钻探项目(EPICA)”课题组在南极进行冰芯钻探研究,以建立关于过去气候和大气变化的记录。迄今为止,中国已进行了21次的南极考察,均在南极冰盖最高点地区(冰穹A最高点) ,钻取了108m的冰芯。青藏高原是中国永久冻土集中分布区之一。通过大量的勘探实践,发现青藏高原蕴藏大量的矿产和油气资源，而且很可能赋存一定规模的天然气水合物矿藏。此外，在西伯利亚、波弗海的永冻土地区对石油、天然气开发的同时进行了附带的水合物层勘探；西伯利亚麦索雅哈气田伴随水合物下部的游离气生产而生产水合物分解气。美、日、加、印度、德国、国际大陆钻进计划组织（ICDP）等联合对冻土水合物进行试开采，至2002年6月已在加拿大北极附近西北部的马更些三角洲钻了5口井。2003年3月31日，Andarko石油公司、Maurer技术公司和美国能源部开始在阿拉斯加州钻第一口天然气水合物调查研究井“热冰1”井，该井钻探目的是验证北极气体水合物存在的地质学、地球物理和地球化学模型。2 .低温地层的钻进特点2.1 冰层和极地的钻进特点冰层是非线性流变介质，在应力不大时也可能具有屈服性。这就要求低温钻井液对孔壁的静水压力应能全部或部分抵消地层压力，从而保证孔壁的长期稳定。绝大部分的深度和中等深度（300600m）的钻进是在冷（低于-30）或暖冰层中进行的。抗冻热电钻进（ATED）已成功用于浅、中等合身的冰芯钻进，其中冰层的温度范围为-580。基于简单、方便和低造价原则设计的改进抗热电钻进（m-ATFD）克服了原方法的大部分缺点。而雪层的特点是具有高的渗透性，这就可能造成低温钻井液或压缩空气通过孔壁和孔底漏失.此时采用螺旋取芯钻进和反循环的空气洗孔钻进效果很好。而且,为保证冲洗介质(低温钻井液或压缩空气)的正常钻进.必须分隔雪层。2.2永冻层的钻进特点永冻层钻进涉及的地层大部分为冻结岩层。冻结岩层是由多种矿物颗粒、冰块、未冻结的水以及充满水蒸气的空气等组成的多成分的岩系。冰块和未冻结的水的相互比例关系,在外部条件变化时(如温度和压力的波动).不可避免地会引起永冻层自身物理性质发生质的变化。因此.从可钻性的观点来看.永冻层应看作是一种物理机械性质变化的岩层。永冻层中所含的液相水分越少,其强度越高。岩石孔隙中存在的冰能提高其塑性。岩石塑性在钻进中的实际影响在于钻头在钻进中会遇到很高的阻力。永冻层的塑性随着岩石矿物粒度变小、冰冻性增长以及钻孔深度增加而增加。沿钻柱向下流动的冲洗介质与环空中返流的冲洗介质.处于不断的热交换过程中。返流的冲洗介质又直接或通过间接地与周围岩石接触.随时间和深度的不同而改变其温度。井内温度的变化主要取决于井眼周围冻结岩石的温度、钻柱内向下流动的冲洗介质的初始温度、井底破碎岩石产生的热量、冲洗介质的性能特征和数量以及循环时间等。研究表明.在永冻层快速安全钻进的条件是保持孔壁冻结岩层的自然物态和温度状态。如果忽视温度因素.那么可能由于钻井液在孔内冻结,或冰胶结松散岩层因受热失去粘结而丧失稳定性,从而导致如下复杂钻孔情况的出现:孔壁冲毁和坍塌； 孔口冲毁;水基钻井液的局部冻结,随后在孔眼内形成冰棱.在孔壁上结冰;钻井液完全冻结:钻具以过冷状态下钻.冻结孔壁上;钻进结冰层和易冲蚀岩层时.岩矿芯采取率低。2.3赋存天然气水合物的永冻层的钻进特点在赋存天然气水合物的永冻层钻进时,必须考虑以下因素:天然气水合物在温度升高、压力降低的情况下很容易分解;其分解后释放出大量气体.体积会膨胀至120170倍;天然气水合物的平衡条件随气体和水溶液的混合成分的不同而发生变化;天然气水合物的分解为吸热反应;天然气水合物分解生成的水和气容易再生成天然气水合物；原位状态的天然气水合物的物性目前尚不太清楚。因此,在该类地层钻进,一方面要考虑钻井液的性能和温度必须保证天然气水合物赋存地层的分解抑制钻进.另一方面还必须考虑在井内地层环境温度极低的情况下循环介质的选择。该类地层的钻进方法主要为分解抑制法。分解抑制法是通过钻井液密度的提高、井内压力的增大、钻井液的冷却以及相关钻进参数的调整,将相平衡状态维持在天然气水合物的分解抑制状态的钻进方法.其中.低温钻井液对天然气水合物的控制主要有三个方面:一是抑制井内出露天然气水合物的分解:二是诱发天然气水合物的分解;三是抑制钻井液中天然气水合物的形成。增加钻井液密度提高井底静水压力,可以临时性抑制天然气水合物的分解,也可防止井喷。同时,通过地面泥浆池中的热交换器将钻井液冷却到尽可能低的温度，也可以抑制天然气水合物的分解。不过这两种方法对天然气水合物分解的抑制作用有限，而且在某些地区、某些弱地层下,过高的钻井液密度可能会造成严重的负面影响.如钻井液漏失、失水加剧和大量气体进入地层等。国外专家通过一系列的实验之后.发现在钻井液中加入一定量的化学试剂(包括卵磷脂、多聚物或PVP等)，通过试剂吸附于出露天然气水合物表面,可以减缓天然气水合物的分解速度.并可通过与天然气水合物已分解出的自由水和气体迅速形成天然气水合物，而控制气体扩散。3.相关低温钻井液的研究现状正如常规钻进一样,低温地层钻进同样需要与之相匹配的低温钻井液,从而实现井壁的稳定、地层压力的平衡、钻屑的携带和悬浮、钻头与钻具的冷却和润滑等功能.才能够保证钻进安全顺利。目前国内关于低温钻井液的文献较少,这可能与中国目前在冰层、撞地以及永冻层的钻进相对较少有关。3.1冰层和极地钻进相关的低温钻井液钻井液是冰芯钻进中非常重要的组成部分。在大的热或电动机械钻进系统中,利用亲水和憎水的钻井液进行过深和中等深度的冰芯钻进。其中,亲水钻井液倾向于和冰结合,如乙二醇、乙醇;而憎水钻井液则不会.如DFA、煤油、乙酸丁醋。前苏联在冰层和极地的钻进中,经常使用以烃类物质为基础加有各种添加剂的液体CTC-l型航空燃料、柴油机燃料)、乙醇水溶液、乙二醇水溶液及其它防冻剂。例如.煤油水溶液,或添加有极地柴油与三氯乙烯加重剂的乙醇水榕液,或DFA型极地柴油和氟里昂-11的混合物曾被用作孔底循环的钻井液。煤油和在北极应用的柴油燃料在冰层和其他地层钻进中用的最多,但煤油系列的钻井液具有高渗透性,特别在有裂隙的永冻层钻进过程中,钻井液的漏损会造成环境的污染。此外,由60%北极型柴油和40%矿化水(含25%CaClz的水溶液)混合而成的低温乳化剂,即溶解了沥青的柴油和含烃基苯磺酸铀的氯化钙水溶液,添加作为可逆乳化剂的专用添加剂以提高低温钻井液的稳定性。南极冰川大陆架上的友谊基地就曾以TC-1型航空燃料为钻井液进行了机械回转钻进。南极东方站在钻2200 m深钻孔时就利用了添有加重剂的TC-1型航空燃料。 1998年,俄罗斯在东方站(南极中心部分)打了一个深达3623 m的钻孔,孔内注有TC-1型航空燃料和氟里昂-11、氟里昂-141b的混合液,在孔内没有发生事故或复杂情况。南极冰层深孔钻进,主要采用以下钻井液:乙醇水溶液、n乙酸丁酯(用苯甲醚作加重剂)、硅有机溶液,并越来越广泛使用加有各种加重剂的烃基液体。烃基液体主要为柴油机、气涡轮机和喷射发动机的轻质燃料与工业煤油和溶剂。加重剂主要为三氯乙烯、高氯乙烯以及某些氯氟化碳。3.2永冻层钻进相关的低温钻井液俄罗斯冻结岩层钻进经验表明,散热系数小、滤失量低、粘度大的钻井液是最有效的。向低温钻井液中添加不同聚合物(水解聚丙烯蜻、聚丙烯酰胺、羧基甲基纤维素、聚乙烯氧化物等) ,可以使其粘度变大,滤失量减小,从而达到上述性能。为降低钻井液和钻孔周围岩层的热交换系数,必须调整流程参数,其中包括调整流态和决定钻井液热物理性能和润滑性能的物理化学成分。通过添加少量的聚氧乙烯或巴西树脂型聚合物,可以使相遇液流间的相互作用明显降低。这些聚合物的大分子明显降低了钻井液的涡流性,使得液流间的热交换强度也减少了数倍,同时还降低了液力摩擦功上的消耗。通过增大冲洗液量和改变其冷却条件来调整钻进规程参数(转速和钻压)时,往洛液中加入有机和润滑添加剂,便具有重要的意义。为了保证正常钻井,防止井壁解冻坍塌,降低钻井液的冰点非常重要。为了降低洗井液的冰点,可以使用NaCI、KCI、CaCl2、Na2C03等盐。钻井液加有机添加剂时,易使用无机盐作防冻剂。为了得到低温钻井液，适用下列有机添加剂非常有效：乙醇、丙三醇、乙烯乙二醇、聚乙烯乙二醇和表面活性剂。这些结果已被全俄石油钻井研究所的研究所证实。目前在冻结岩层中进行钻探时，为了制备低温聚合物钻井液，主要使用NaCl和KCl。有时使用CaCl2,但是制备带有该添加剂的稳定钻井也非常困难，因为它不稳定，容易分解成液相和固相。钻进冻结砾石层时可以使用粘稠的钾聚合物钻井液，钻进冻结泥岩时也可使用这种钻井液。钻井液的温度对钻井温度影响较大，所以应该选用能够保证井壁岩石不解冻的钻井初始温度。试验资料表明，钻井液的初始温度不应高于-2、盐水溶液初始温度不应高于-2.5-3。3.3 赋存天然气水合物永冻层钻进相关的钻井液该类地层钻进使用的低温钻井液的特点是添加有不同成分的天然气水合物的抑制剂。抑制剂主要有两类，一类是常规的抑制剂，即热力学抑制剂，盐、甲醇、或乙二醇等，作用机理主要是使水合物的相平衡曲线移至更低温度（更高压力）的位置，另一类为新型的抑制剂，即低压量水合物抑制（LDHI）,而它又分为动力学抑制剂（KHI）和防聚（AA）水合物抑制剂。目前，世界上对抑制剂研究较多的主要是低剂量水合物抑制剂（LDHI）。热力学抑制剂是防止天然气水合物形成的最直接方法，但需要的剂量很大，这就使得输送、放置、处理等费用相当昂贵，而且处理时还存在环境污染问题。LDHI的低剂量就是相对热力学抑制剂而言的。动力学抑制剂，含有聚合物和表面活性剂的化学剂，主要是对天然气水合物的具有时间依赖性和随机性的结合和生长过程进行抑制。防聚（AA）水合物抑制剂不是防止水合物的形成，而是通过一个“亲水合物”的头部和水合物晶体结合，同时另一个“疏水合物”（或“亲油”）的尾部将水合物分散于液烃相中，从而维持它们在一种可流动的浆液状态。具体而言，常用的天然气水合物抑制剂主要有低分子量水溶性有机聚合物抑制剂、盐类抑制剂、乙二醇衍生物加盐类抑制剂、油基抑制剂以及一些特殊的化学试剂（包括卵磷脂、多聚物或PVP等）。低分子量水溶性有机聚合物主要是乙二醇衍生物，其分子量大约在800的非聚合物分子和分子量大约在2000的聚合物。采用几种乙二醇衍生物的混合物作为抑制剂的抑制效果比单纯使用乙二醇衍生物要好。采用混合物不仅能够抑制天然气水合物形成,而且还能提高水敏性页岩的抑制性。常用的盐类抑制剂有NaCI、CaCl2、NaBr及KCI,其中NaBr与NaCI的效果相当。盐的浓度对天然气水合物的拥制有决定性影响。而油基钻井液中天然气水合物的形成主要由水相的盐成分控制。卵磷脂的表面吸附对抑制天然气水合物分解能起到关键作用。另外.卵磷脂分子可形成不同类型的聚合物,主要取决于卵磷脂的浓度和介质的成分。KCI聚合物卵磷脂体系在阿拉斯加北极地区东南边缘永冻层的K-13等井的使用中获得成功。4.几点建议4.1 低温地层钻进对于科学研究和矿产与油气资源的勘探开发非常重要。这就需要对低温地层特性进行深入研究。钻进的设备和技术也需要进一步的改进和提高.从而保证钻进的顺利和安全。4.2 对低温地层钻进中起关键作用的低温钻井液进行研究很有必要。这需要和所钻低温地层的特性研究