高性能水基钻井液研究进展

文章编号:100125620(2007)0120071205

高性能水基钻井液研究进展

王建华　鄢捷年　丁彤伟

(中国石油大学,北京昌平)

摘要　高性能水基钻井液(HPWBM )是为了满足环保需要而研制的一类可以替代油基钻井液(OBM )的新型钻井液体系,该项技术在国外引起了高度重视。介绍了国外高性能水基钻井液的室内研究和工艺技术方面取得的重要进展,包括其性能特点、井壁稳定机理、组成及处理剂作用、抑制性评价方法和现场应用效果。高性能水基钻井液已广泛应用于各种复杂井的钻井作业。现场应用效果表明,高性能水基钻井液提高了机械钻速,实现了低的稀释率和较高的固相清除效率,摩擦系数与油基钻井液基本相当,最大程度地减少了钻头泥包和聚结现象,大大节省了钻井和完井时间,提高了页岩地层的井壁稳定性,保护了环境。

关键词　水基钻井液　抑制性　井眼稳定　研究进展中图分类号:TE254.3

文献标识码:A

为满足环保要求和降低钻井液成本,近年来国外一直在寻求一种具有油基钻井液性能的水基钻井液。在过去几年内,采用了多种方法提高水基钻井液性能,如:阳离子聚合物钻井液、聚合醇钻井液和硅酸盐钻井液等[1]。然而,这些钻井液在抑制泥页岩水化以及钻井液润滑性等方面均存在多种局限性。针对这些情况,国外开发出了一种新型的高性能水基钻井液(HPWBM ),以替代油基钻井液,用于钻进工艺复杂井和高成本井[2]。高性能水基钻井液具有非水基钻井液的许多优良性能,如:①页岩稳定性;②黏土和钻屑抑制性;③提高了机械钻速;④减小了钻头泥包;⑤减少扭矩和摩阻;⑥高温稳定性;⑦抑制天然气水合物的生成;⑧减少储层伤害。同时,还具有保护环境和配浆成本较低的优点。

1　HPWBM 性能特点

111　抑制性强

不同钻井液对页岩的抑制效果评价结果见表

1。由表1可以看出,高性能水基钻井液对页岩的抑制性和OBM 相当,明显高于KCl/聚合物钻井液,对活性页岩具有很强的抑制作用,能减少井下复杂情况发生[3]。112　机械钻速高

使用水基钻井液经常会出现钻头泥包,影响机

械钻速。高性能水基钻井液通过加入一种高效的防泥包剂,在金属和岩石表面形成一层油膜,使金属和钻屑表面的润湿性发生改变,防止钻屑的聚结和黏附,从而提高机械钻速。特别是当高性能水基钻井液与PDC 钻头联合使用时,可以节省钻时。

表1　不同钻井液体系对页岩的抑制结果钻井液

回收率/%

水化率/%线性膨胀率/%

KCl/聚合物97.617.623.0OBM 100-3.012.8HPWBM

100

4.2

11.3

113　储层保护效果好

从使用贝雷砂岩测定渗透率恢复值的实验结果可以看出,在经过高性能水基钻井液污染后,其渗透

率恢复值大于90%。由于在下套管后通常采用压裂充填方式完井,对近井壁带的伤害可忽略不计,同时还增大井眼的有效半径,不存在表皮因子影响[4]。114　保护环境

高性能水基钻井液采用各种环保型处理剂,因

而能保护环境,钻井液和钻屑均允许直接排放,从而大大节约了用于废浆和钻屑处理的费用。此外,高性能水基钻井液还具有以下钻井特性:①对海洋生

第一作者简介:王建华,1981年生,现为中国石油大学石油与天然气工程学院05级在读博士研究生,主要从事油田化学和储层保护研究。地址:北京市昌平区中国石油大学博2005级131信箱;邮政编码102249;电话(010)89733893;E 2mail :

wjhzhm @ 。

第24卷第1期 钻　井　液　与　完　井　液 Vol.24No.12007年1月 DRILL IN G FL U ID &COM PL ETION FL U ID J anu.2007

物的影响较小;②能最大程度避免循环漏失;③在海洋钻井平台上可操作性强。

2　HPWBM 稳定井壁的机理

211　减弱孔隙压力传递

保持井壁稳定最重要的因素是阻止钻井液侵入页岩基质中,同时保持静液柱压力对井壁的支撑。就页岩稳定性而言,一种理想的钻井液应该是无侵

入的流体。常采用PP T 装置测量钻井液对页岩样品的膜效率和渗透作用。目前已发现聚合醇、硅酸盐和铝盐络合物等几种处理剂可降低孔隙压力传递。据报道,聚合醇主要通过浊点效应降低孔隙压力传递,而硅酸盐和铝络合物是通过其沉淀过程来控制孔隙压力传递[5]。室内和现场试验表明,上述处理剂在高浓度盐水中作用效果更好。多种钻井液体系的PP T 试验曲线见图1

。

注:实验条件为:围压3.3MPa ;井眼压力2.4MPa ;初始压差1.75MPa ;温度70℃;使用Pierre Ⅱ页岩岩心

图1　多种钻井液体系的PPT 试验曲线

由图1可知,随着时间的推移,地层孔隙压力最终达到平衡并稳定在某一状态,此时在页岩两端的压差保持稳定。20%NaCl 和氢氧化铝络合物(A HC )能延缓孔隙压力的传递;而高性能水基钻井液的情况是地层孔隙压力随着时间的增加而减小,这表明页岩孔隙中的流体单向流入了高性能水基钻井液中。这种地层压力的降低,得益于高性能水基钻井液比传统的WBM 体系具有更高的膜效率。合成基钻井液(SBM )也表现出相同的趋势,随着时间的增加,由于页岩中的水被驱出,地层孔隙压力趋于降低,这说明高性能水基钻井液在压力传递及膜效率特性方面与SBM 体系十分接近。212　半透膜稳定井壁机理

高性能水基钻井液可在力学封堵和化学沉淀的共同作用下形成选择性半透膜,这样可降低页岩的渗透率。该体系使用了一种微米级的可变形聚合物

封堵易剥落页岩上的微孔隙和微裂缝。而常规的封

堵剂,如超细碳酸钙,其粒度不能与这些微孔隙和微裂缝很好地匹配,因此不能实施有效封堵。这种可变形的聚合物封堵剂不仅粒度分布与页岩上的微孔隙相匹配,而且在淡水和饱和盐水溶液中均可保持同样的粒度分布,是一种可应用于抑制性水基钻井液的理想封堵剂,可变形的特点使它能嵌入孔喉或裂缝中,从而提高封堵效率。此外,高性能水基钻井液使用了一种铝盐混合物,它可与页岩基岩发生反应而生成沉淀,从而形成了一种内部桥堵。在钻井液体系的正常p H 值条件下,这种化合物是可溶的,而当其进入页岩后,由于p H 值的降低或与地层中的二价阳离子发生反应,便会生成沉淀。213　铝化学稳定井壁机理

采用铝化学方法增强井壁稳定性,其依据是改变页岩的物理和化学性质[6]。与目前研究的钻井液与页岩之间发生离子交换的方法不同,该方法根据铝化学原理,通过生成氢氧化铝沉淀,最终与地层矿物的基质结合成一体。这种铝的沉淀物能显著增强井壁稳定性,提高敏感性页岩的物理强度,并形成一种物理的屏蔽带,阻止钻井液滤液进一步侵入页岩。

3　HPWBM 组成及处理剂作用

311　页岩抑制剂31111　胺类抑制剂

高性能水基钻井液中的页岩抑制剂是一种胺基

多官能分子,完全溶于水并且低毒。生物毒性试验结果表明,96h 的L C 50大于500000mg/L [7]。页岩水化抑制剂的分子结构如下。

HO —(OR )X αN H -CH 2-CH 2—C H 2—O —C H 2—C H 2—N H δ(R ′O )Y —H 页岩水化抑制剂也可从具有下列化学分子式的产品中进行选择。

HO —R —N H —CH 2—C H 2—C H 2—O —C H 2

—C H 2—N H 2

H 2N —C H 2—C H 2—CH 2—O —C 2H 4—N H —R —O H

HO —R —N H —CH 2—C H 2—C H 2—O —C H 2

—C H 2—N H —R ′—O H

分子式中R 和R ′均为含2～4个碳原子的烃基,X 和Y 为独立可选的数值,最小为1。由环氧烷烃与烷氧基二胺反应的产物烷氧基二胺可用作页岩抑制剂,其分子结构为:

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钻　井　液　与　完　井　液 2007年1月