聚合醇处理剂的作用机理及聚合醇钻井液的应用.doc

聚合醇处理剂的作用机理及 聚合醇钻井液的应用向兴金 肖稳发岳前声王昌军 (江汉石油学院化学工程系，荆州434102) 李自立莫成孝刘自明余志杰 (中海石油技术服务泥浆公司，北京101601)会议地点：江西省南昌市 会议时随：1999年6月29日至7月3日目录一聚合醇处理剂的浊点效应二聚合醇儿x在枯土上的吸附特性 三聚合醇JLX界面活陛四聚合醇与有机大分子处理剂相互作用五聚合醇对钻井液性能的改善六聚合醇钻井液(PEM)现场应用 七 结论与认识摘要聚合醇JLX是一种新型的泥浆处理剂，是协调钻井工程技术和环境保护 之间矛盾的产物。现场应用表明：聚台醇具有优异的防塌、润滑和保护油气层等特 性；本文通过实验对聚台醇的作用机理进行了研究：(1)聚合醇处理剂的浊点效应 聚合醇为一非离子型低分子聚合物，具有浊点效应。考察了聚合醇浓度、无机处理 剂、有机高分子处理剂、体系等对聚合醇浊点的影响，结果表明，这些因素均能导 致聚合醇浊点的下降。(2)聚合醇JLX在粘土上的吸附特性利用分光光度法研 究了聚合醇在粘土上的吸附特性。从吸附平衡时间、吸附等温线的形状、无机盐的 种类及加量、温度等对聚合醇吸附量的影响等方面的研究，获得了一些有规律的认 识，其中温度对吸附量的影响最为显著，随温度升高，吸附量增加，当温度超过其 浊点温度时，聚合醇发生相分离作用，在粘土表面形成一层憎水的油膜，利于防塌 润滑。(3)聚合醇JLX界面活性测定了聚合醇泥浆滤液与煤油的界面张力，聚 合醇的加入能降低油水界面张力，对保护油气层非常有利。(4)聚合醇与有机大分 子处理剂相互作用聚台酵与聚合物存在着相互作用，其结果导致聚合物在粘土上 的吸附量减少，控制了聚合物与粘土的桥联作用。(5)聚合醇能改善钻井液的性能 A能提高聚合物泥浆的防塌润滑性性；其效果与聚合醇浊点有关。B对聚合物泥浆 有一定的稀释降粘作用，并能提高聚合物泥浆的高温高压稳定性：C超过其浊点温 度时，能降低泥浆的高温高压失水，并使泥饼光滑致密；D聚合醇低的荧光性满 足地质录井的需要：低的生物毒性能满足环境保护的需要。E聚合酵处理剂能提高 聚合物泥浆的抗海水污染、抗劣质土固相侵污、抗钙、抗镁能力，使泥浆性能易于 维护。最后阐述了聚台醇钻井镀(PEM)在油田现场中的应用情况。关键词 聚合醇；钻井液处理剂；钻井液性能；机理研究；现场应用聚合醇处理剂研究是在现有聚合物钻井液的基础上，如何进一步提 高其防塌抑制性能：如何进一步改善润滑性能、避免使用对环境有不良 影响的油基润滑剂；如何提高地质录井对油气层的识别能力和钻井过程 中的储层护护；如何改善环保特性，在环境敏感地区替代油基钻井液的 应用的背景下开展的。国外于本世纪80年代开始研究，90年代初投入 应用。在国内，江汉石油学院于90年代初开始研究，95年投入现场应 用，聚合醇钻井液室内研究和现场应用证实，其具有优良的防塌抑制性、 润滑、储层保护特性，提高钻井液的抗温性，维护使用简单方便等优点， 但在聚合醇作用机理的研究和认识上国内外文献报道甚少，这对如何使 用好聚合醇处理剂十分不利。因此文章对聚合醇的浊点效应、吸附量、 界面活性、同有机处理剂之间的相互作用，以及这些特性与钻井液工程 性能之间的关系进行研究和论述，并简要介绍了聚合醇钻井液的现场应 用情况。一聚合醇处理剂的浊点效应聚合醇JLX为非离子型低分子嵌段共聚物，其性能显著受各链段长 度的影响，聚合醇既具有一般聚合物的特性，同时也具有非离子表面活 性剂的一般特征。非离予表面活性剂性能受温度影响较大。为了认识温 度对聚合醇性能的影响，研究了钻井液处理剂及体系对聚合醇浊点的影 响这部分内容。所谓浊点，又称雾点，是指非离子型表面活性剂水溶液受热而变浑 浊或冷却又变澄清时所对应的温度。影响浊点的因素很多，重点研究了 聚合醇本身和钻井液体系中常见的处理剂对聚合醇浊点的影响规律。实验结果见图11图1-6。对聚合醇处理剂的浊点效应的认识：1 聚合醇处理剂本身确实存在浊点行为，浓度升高浊点降低。一方 面原因是分子量分布有一定范围，另一方面是更易形成胶束和胶束聚集 数变大所致，浊点的严格测定是指1O的处理剂水溶液。2聚合醇的浊点随无：帆盐加量增加而逐渐降低，5的NaCl、KCl使 聚合醇浊点降低10-15左右，5000ppm的ca2+、M矿+离子使聚合醇的浊点降低5lO左右。3聚合醇的浊点随有机处理剂浓度增加是先升高而后逐渐降低，有 机处理剂浓度在010-020范围，聚合醇的浊点基本稳定在本身浊点值；有机处理剂浓度在025-0 30范围，其浊点下降5左右。4在80A51聚合物钻井液，以及钻井液KCl加量小于3时，聚合醇 的浊点降低10左右，若KCl加量进一步增加，其浊点还会进一步降低， 当KCl加量为8时，其浊点降低20左右。图卜1聚合醇浓度对其浊点的影响图1-2 KCI和haCl及其加量对Ju【浊点的影响图卜3无机盐种类及其加量对JLx浊点的影响6图14有机处理剂对J“一A浊点的影响图卜5有机处理剂对JLXB浊点的影响7图l一6体系对聚合酵控点的影响二聚合醇JLx在粘土上的吸附特性在钻井液配制及其使用过程中，处理剂与粘土、处理剂与井壁之间 会发生各种作用。其中吸附是钻井液处理剂发生作用的基础，为了更好 地认识聚合醇JLX与粘土之间的作用，研究了聚合醇在粘土上的吸附特 性。实验结果见图21图24。对聚合醇JLX吸附特性认识：1聚合醇JLX在浊点温度以下，在粘土上的吸附特性与阴、阳离子 聚合物处理剂类似，其等温吸附线符合Langmuir型。2聚合醇JLX在浊点温度以上时，其在粘土上的吸附量随JLX浓度 增加几乎呈线性规律显著增加，当其浓度为2时，在粘土上的饱和吸附量为1200mgg，这一特点与阴、阳离子聚合物处理剂在粘土上的吸附规 规具有显著的区别。3在浊点温度以上时，聚合醇JLx在粘土上的吸附量随温度的增加不断增加，在超过浊点温度25左右时达到吸附平衡，这与阴、阳离子 聚合物处理剂在粘土上的吸附量随温度增加而降低规律完全不同。聚合 醇的这一特性，是同浊点特性相统一的，证明了聚合醇相分离特性的客 观真实存在。同时在现场应用聚合醇时，其目标井壁的井温应比聚合醇 的浊点高出25。C左右最佳，结合考虑钻井液体系中有机大分子处理剂和 无机盐的影响，那么其巨标井段的井温比聚合醇的浊点高出5IO。C即最佳。4无机盐使聚合醇吸附量增加，二价离子比价离子影响显著，无 机处理剂浓度增加使聚合醇的吸附量逐渐增加。图22浊点上浓度对J L x吸附量的影响图2 2浊点上浓度对J L x吸附量的影响图2-3温度对J Lx吸附量的影响lO图2-4无机盐及其加量对J L X吸附量的影响三聚合醇JLx的界面活性既然聚合醇具有一般表面活性剂的特性，又具有浊点效应，就应该 具有临界胶柬浓度和界面活性即能降低油水界面张力的特性，利用XZD3全量程界面张力接触角测量仪测定了聚合醇的临界胶束浓度(CMC)、 聚合醇钻井液滤液一煤油界面张力，并研究了影响聚合醇这对研究JLX 的储层保护机理很有意义。实验结果见图31一图37。对聚合醇JLX的界面活性的认识：1聚合醇JLX的临界胶束浓度(CMC)为：1510motL，其水 溶液很容易形成缔合胶束。2聚合醇JLX能显著降低o。3温度升高、无机盐浓度增加，使聚合醇降低o。的能力增加，这同 聚合醇的相分离效应相对应。4低浓度的有机高分子处理剂对JLX界面活性有一定的毒害作用， 不利于降低油水界面张力。5聚合醇JLX能降低聚合物钻井液滤液的油水界面张力，利于返排， 有利于保护油气储层。图32 JLXA浓度对油水界面张力的影响图3-3温度对油水界面张力的影响图3-4 KCI加量对油水界面张力的影响图3-5 CaCI：浓度对油水界面张力的影响图3-6有机处理剂对油水界面张力的影响14图37 JLX对滤液一煤油界面张力的影响四聚合醇与有机大分子处理NEl互作用聚合醇钻井液(PEM)就是在聚合物钻井液中引入聚合醇JLX 配制而成的钻井液体系。因此聚合醇就不可避免地与聚合物发生各 种相互作用，从而对聚合物钻井液的各种性能产生影响，如在现场 应用时就发现聚合醇钻井液越打越稀的特点，对聚合物钻井液表现 出一种稀释降粘作用。实验结果见图41一图45。对聚合醇与有机大分子处理剂相互作用的认识：通过对部分水解丙烯酰胺(HtAM)吸附量实验、pH滴定实验和毛细管粘度测定 实验证实，聚合醇同有机大分子处理剂之间确实存在相互使用，能 降低大分子处理剂在般土上的吸附量，控制大分子与粘土粒子的桥 联，对聚合物钻井液略有降粘作用；能局部络合聚合物的吸附基团， 破坏大分子链之间的桥联，对聚合物水溶液略有稀释作用；在无机 盐存在时，其又表现为增加了大分子链的剐性，使聚合物水溶液粘 度略有提高。图4-1 JLX对RAM吸附量的影响图4-2 JLX的滴定曲线图4-4浊点以上JLX-A对聚合物的降粘作用17图4-5 浊点下Naa对儿XA降粘作用的影响五聚合醇改善钻井液的性能前面研究了聚合醇处理剂的浊点效应、吸附量、界面活性和与 有机大分子处理剂之间的相互作用，那么，聚合醇处理剂的这些特 性是否对改善钻井液性能有联系昵?因此探讨了聚合醇处理剂对钻 井液性能的影响。实验结果见图5一l图57和表5156。对聚合醇改善钻井液的性能的认识：1聚台醇JLx与聚合物钻井液体系具有很好的楣容性，对聚合 物钻井液略有稀释和降滤失作用，这同聚合醇与大分子处理剂之间 相互作用相一致。2聚合醇JLX能改善聚合物钻井液的热稳定性，能将聚合物钻 井液体系抗温极限提高20以上。3聚合醇JLX的防膨、抑制和润滑性都与浊点效应有关，浊点 以上的性能明显优于浊点以下的性能。4聚合醇JLX在浊点温度以上，对泥饼和低渗透率岩心具有堵 孔作用，这与聚合醇的胶柬特性相一致。一方下班面降低液柱压差向地层传递，提高井壁的稳定性；另一方面降低钻井液滤液侵入储 层，有利于保护储层。5聚台醇JLx提高低渗透率岩心的渗透率恢复值，这是聚合醇 JLX降低o 0W特性所致，有利于储层保护。6聚合醇JLX荧光很低，有利于识别和发现油气储层。7聚合醇JLx生物毒性满足环保要求。表5-1 JLX对聚合物泥浆流变性和失水的影响加量 心PV YP GelKFLAPl()(mPaS、 (mPaS1 (Pa)(P“P幻(mm) (m1)O54 36 18414l70l52-5 37 15 539 5l 65250 35 152591 6 5349 34 152 58 5l 60548 341425185300000无毒 HPc讧 O 2 300000无毒80A5l02)300000无毒眦02 300000无毒Deformer005300000无毒DCP_20830300000无毒 几XA 3 0 300000无毒JLXA 5300000无毒 RT44l 3O10000 实际无毒 Na-PAN O-5 300000无毒SM卜l30300000无毒SMT1010000 实际无毒PSC3010000 实际无毒、札D2 O 100000无毒FLCS10O100 高毒CALlml 0 45000无毒 表5-5含聚台醇JLX的钻井液体系的生物毒性体系 稀释 EC50 生物毒性80A51体系 l：9 1000000 无毒 FA367体系 I：9 1000000 无毒 NWl体系1：9 1000000无毒絮表5_6TLX润滑性能与浊点的关系 MMH体系1：9 500000 无毒浊点下(180)浊点上(80)l体系基浆 33343839 基浆2JLxAll13 州基浆+22LXBI争一20 12一13六聚合醇钻井液(PEM)现场应用1 Pnf钻井液的基本配方：3耻35般土浆+O10-4)40聚合物 包被剂+O50-400改性淀粉(或腈胺盐)_幢肚50JLX。因为聚合醇 JLX为非j葛子聚合物处理剂，它同各种电性的处理剂都具有很好的 相容性。2现场应用 聚合醇JLX先后在渤海、南海西部、东海、辽河、大港、塔里木和江苏等油田大量应用或进行过现场试验均获得成功。现仅就在 渤海油田应用总结如下。(1)在快速钻井中的推广应用 要加快海洋石油的勘探、开发步伐，降低油田综合成本，实旌快速钻井技术是一条：卣效的途径。1995年，对于井深3500m左右的海洋钻井， 其建井周期的国际水平为8d。中国海洋石油总公司决定在歧口181油田 进行快速钻井试验，对于平均井深为3400m的3口井试验井，平均建井周期为118d。后又在歧口173油田进行了9口井的快速钻井，平均井 深为2435m，平均建井周期为797d，创造了中国海洋石油总公司7项钻井新纪录。(2)在复杂钻井中的推广应用a歧口181-4D井在钻进至4187m时无油气显示。为了节约钻井成 本，决定利用己下入井眼的9 58”套管，将其井眼回填至3225m，于8 12”井眼侧钻，方位变化48 5。，然后降斜，打成三维s型井限，于4408m深度完钻。该井漫计为双靶点，第二靶点井底位移2668 m，最大井斜515。，用常规电测方法电测成功，下套管顺利，建井周期共计58d。b歧口181-P4井设计井深4800rn，虽大井斜62，靶点为两个，设 计井眼轨迹为三维s型井眼。第一靶点在井深4060m中靶后，再扭方位38。中第二靶点。电测、下套管和起下钴顺利，井身质量庭好，建井周期53d。c港海地区下部地层泥质含量高，其中蒙脱石含量高达95，以前用 P口A钻井液钴：牛时导致井眼垮塌。港海3-1井的12 14”井段从1835 至3403m，裸眼井段长达1568m，且两次增斜，8 12”井段从3403至4502m，最大井斜379。，水平位移131441m，建井周期100d。虽然地 层复杂，但整个作业非常顺利，电测和下套管均一次成功。(3)现场应用中的性能测试结果 聚合醇钻：牛液无论在快速钻井还是在复杂钻井中的应用均获得成功，并表现出：r如下优良的性ne(表61和表6-2，其中p为钻井液密度， Fv为马氏漏斗粘度，MBT为钻井液亚甲基兰膨润土含量)。表6-1 P酬在歧口17-2快速钻井作业中的流变性参数1葡匾覆一厂_1可面葡广i1碡r西i否垂一12 13”1 09i25 34卅815-207 5-,12 54-640,45920-4008 12”1 231 32 42-62 1520 615 o5 13638,-42表争2 PEM在歧口18一卜P4复杂钻井作业中的流变性参数l井深P FV PV YP FL MBT ca2t含量3833 132 50 38 26 6 38 484292 127 44 30 23 5 34 48【4735 132 47 39 30 4 30 48a抑制性强，I生能稳定，维护简单使用PDC钻头，振动筛上返出的 钻屑棱角分明、干燥，钻井液的膨润土含量和密度均很稳定，随钻井的 进行除动切力略有下降，其粘度和滤失量均很稳定，使用少量的XC提 切维护外，钻井液不需另外处理，而且做到了不放浆，不稀释。在80、16h的热滚试验条件下，测定了港海3，1井2885m深的钻屑在不同钻井液体系中的回收率：清水为24；阳离子型钻井液为37O；聚合醇钻井液为84O。b润滑性能好在歧口18-1-P2井的12 14”井眼中，第一次加l96 的PFJ“时，钴具扭矩从225降到185 As；在8 l2”井眼中连续钻 井800m，无起下和接立柱划眼。在18一卜P3井的8 l2”井眼中连续钻 井1000m，无起下和接立柱划眼，钻井液性能稳定；当起钻时，摩阻小于1St，说明钻：毕液润滑性能好。c井壁稳定性能强在歧口18一t和173的12口快速钻井中，起下 钻无阻卡，下套管和电测一次成功，电测井径曲线是一条直线，平均井 径扩大率小于蹦。d有利于识别和发现油气层在18-1一P2井钻井中，在钻探目的层 上部发现了一层新的油层，在预期的油层钻穿后又发现了新的油层；在18一l-P3井钻穿目的层后又有新的油层发现，导致了3次加深。地质上 认为以前含有荧光的钻井液导致地质录井和电测对油气层判断解释不准确，而聚合醇钻井液则有利于识别和发现油气层。例如，使歧口18一l油田地质储量从808万吨提高到1076万吨，净增286万吨。七结论与认识通过系统地研究聚合醇处理剂的作用机理，得出以下结论和认识：1聚合醇JLX的防塌、润滑性能与其浊点行为有关。影响jLx浊点的 因素很多，如儿x浓度、无机处理剂种类及加量、有机处理剂及加量、体 系等，这些因素均能降低Ju(浊点，这些规律对现场施工有一定的指导意 义