抗220度高温有机硅钻井液体系的研究与应用

密度为1.06g/cm3钻井液在不同温度下老化后性能
序 号 1 温度℃ AV mPa.s 22 PV mPa.s 17 YP Pa 7 G10″/10′ Pa/ Pa 1.5/4.5 API FL mL 2.4 HTHP FL mL 13.0 pH 值 9
25
2
180
17.5
13
3.5
0.5/2
2.9
2.抗高温钻井液配方研制需解决的关键技术
⑴ 高温热稳定性问题，要研究解决高温老化， ⑵ 高温携屑问题，要解决高温低返速条件携屑 ⑶ 高温沉降稳定性问题，要解决高温静止条 ⑷ 高温高压滤失性问题，要解决高温高压滤 特别是长时间高温老化的难题； 的难题； ⑸ 高温井段井下地质情况的不确定性，要遇 件下悬浮性的难题； 失量高的难题； 到许多不可预见的技术难题，诸如油、气、水浸， 溢流，井漏，缩径，井塌，卡钻，井涌等复杂情 况应对措施研究。
（三）抗高温钻井液配方研制的难点
1.高温对钻井液的破坏作用
⑴ 高温下粘土的高温分散作用。高温使粘土粒子 ⑵ 高温下粘土的高温钝化作用。高温使粘土表面 ⑶ 高温下有机高分子化合物的高温降解作用。高 ⑷ 高温下处理剂的高温交联作用。高温使某些处 分散度增大，钻井液粘度大幅度升高，增大沿程 活性降低，呈现较大的惰性，导致钻井液塑性粘 温使主链或支链断裂，降低分子量，失去高分子 理剂分子量增大，失去处理剂原有的性能，造成 流动阻力，引起钻井复杂； 度大幅增加的同时动切力不升，不利于悬浮与携 性质，失去效能，如不饱和键高温下易发生氧化 钻井液性能难以控制等。 屑； 反应等，使钻井液可能增稠、胶凝、固化，也可 能是减稠、失水迅速增大等；
1.0%GWJ 1.5%YGT
2、抗220℃高温有机硅钻井液抗温性能评价 在优选配方的基础上根据密度的 不同，加入不同量的重晶石，高速搅 拌10min测其流变性能和中压滤失量。 然后装入老化罐中在不同的温度下热 滚16h，冷却至室温，移入搅拌罐中高 速搅拌5min。测其流变性能、中压滤 失量和高温高压滤失量。
抗220℃高温有机硅钻井液润滑性测试数据
测试条件 常温 吸盘式泥饼粘附系数 吸不住
220℃/24h老化后
220℃/48h老化后 220℃/72h老化后 220℃/168h老化后
0.0612
0.0125 0.0349 0.0612
6、抗220℃高温有机硅钻井液处理剂的裂解测 试评价
对配方中各种处理剂进行了高温裂解实验，通 过裂解温度判断钻井液高温下是否对气测录井存在 影响，选取了一个裂解温度高的和一个裂解温度低 的处理剂的高温裂解图
2.增强处理剂分子在粘土表面的吸附能力
由于高价离子能够与粘土形成较强的正电 吸附，有较强的聚结作用，克服高温解吸附作 用，对粘土的高温分散作用起到有效的抑制。 因此，适当使用高价离子络合物，有利于增强 处理剂的吸附能力。
较强的亲水基，如磺酸基、磺甲基能够保证粘 土粒子表面吸附处理剂后具有厚的水化膜，克服高 温去水化作用，确保粘土有强的热稳定性。处理剂 中亲水基团越多，越能保证粘土双电层被压缩的情 况下，能够形成足够厚的水化膜。为此，需要保证 处理剂分子具有高的取代度或磺化度，增强处理剂 的亲水能力。
抗220℃高温有机硅处理剂裂解情况表
处理剂名称
土粉 重晶石粉 SF260-1、2 KFT
裂解温度，℃
>450 >450 >450 >362
GWJ
YGY180 YGT BST-Ⅲ 润滑剂 高温保护剂GBH
>398
>346 >317 >355 >341 >367
钻井液处理剂的热裂解温度均在300℃以上，不会对气测 录井产生影响，满足现场需要。
40 30 20 10 0 0 16 40 64 88 112
AV PV YP GEL10′ GEL10″
h
图1 钻井液流变性能与热滚时间关系
3、抗220℃高温有机硅钻井液体系的抗污染性能
钻井液在钻井循环过程中，不可避免地遇到钻屑 的污染。因此，对有机硅钻井液进行抗钻屑污染 的研究。在原配方的不同密度下，分别加入5%、 10%、15%过100目筛钻屑粉在220℃热滚老化， 测其热滚前后的各项性能
2.井眼不稳定的问题
大庆深层泉二段以下地层井眼稳定难度大,特别是 营城组粗安岩、安山岩多孔隙、碎裂、蚀变强烈,属硬、 脆、碎、漏层，易造成工程阻卡。火石岭组上部玄武岩、 安山岩、流纹岩，属硬、脆、碎、漏层，极易坍塌造成 卡钻。2000年钻的葡深1井，高温井段使用的是油包水 钻井液，下部4600～5500m井段平均井径扩大率为 13.3%，证明了深层井眼稳定难度是很大的。为此，对 于水基钻井液钻深部高温井段，井眼稳定的难度将会更 大，需要不断地进行探索研究。
因此
合理地选 择处理剂 认清它们 的使条件 科学地进 行分配 充分发挥它 们的效能
是能否成功研 制抗高温钻井 液体系的关键 所在
筛 分 析
选 完 善
验室通过大量的实验
确定了抗高温钻井液配方使 用的各种产品，完成了抗高 温钻井液配方的研究。
5.0%土粉
+
0.4%纯碱
+
3%KFT
+ + + 1.0%YGY180 + 1.0% BST－Ⅲ + 1.0%润滑剂 + 0.1%KOH + 1.0%SF260－2 + 1.0%YGB-1
2
180
热滚后
21
16
4
9
3
200
热滚后
24
15
9
9
4
220
热滚后
26
14
12
9
在深井超深井钻井过程中，经常会因各种原因使钻 井液停止循环。因此，很有必要考察钻井液长时间 老化后的流变性变化情况。密度1.15g/cm3的钻井 液在220℃下连续热滚112h，在不同时间取出冷却 后，测其流变性，
Pa 流变性能 mPa.s
（一）抗220℃高温有机硅钻井液处理剂 抗高温作用机理
提高钻井液处理剂抗高温Leabharlann Baidu力有两种途径
一是直接法，即选择特殊分子结构的处理剂 二是间接法，即增强处理剂分子的吸附能力
1.抗高温处理剂的分子结构特征
大多数钻井液处理剂是有机高分子化合物， 这些化合物的分子结构千差万别，在众多的分子 结构中，含有C-C、C-N、C-S等键的处理剂抗温 能力比较高。因此，选择抗高温处理剂时，处理 剂分子的主链和主链与亲水基团连结键必须有CC、C-N、C-S等键。
4、抗220℃高温有机硅钻井液的抑制性评价
钻井液的抑制性关系到井壁稳定的大问题，良好的 钻井液体系必须保证井眼稳定。因此，很有必要考 察有机硅钻井液高温下的抑制性能。钻井液的抑制 性一般用回收率来衡量。
在清水和不同温度下的钻井液配方中加入10%过6～10 目的钻屑在相应温度下热滚16h，测其回收率。在220℃热 滚时，清水回收率只有88.2%，抗高温有机硅钻井液的回收 率为98.7%。
14.0
9
3
200
21.5
13
8.5
2.0/5.5
3.4
18.0
9
4
220
24
13
11
2.5/6.5
3.4
19.0
9
密度为1.15g/cm3钻井液在不同温度下老化后性能
序 温度 老化情况 AV 号 ℃ （16 h） mPa.s 1 25 热滚前 20 PV mPa.s 17 YP Pa 6 G10″/10′ API FL Pa/ Pa mL 2/4.5 0.5/2.5 2.0/7.5 2.5/8.0 3.2 3.9 3.9 3.9 HTHPFL mL 10.2 14.6 18.6 20.6 pH 值 9
2
3
钻进中根据粘度和切力的变化加入适当的处理 剂，如果粘度高，可用SF260-2配成的水溶液 （浓度为20～40％，即一加药池内加1～2桶 SF260-2）细水长流来维护。如果粘度低或携 屑不理想，可用20～30％预水化的膨润土浆 来调控，当失水超过设计上限时，可用抗高温 降滤失剂KFT、封堵防塌剂YGT控制失水。 钻进中根据实际情况，及时补充各种处理剂。 加入时按循环周期加入，特别是泥岩段，要加 足封堵防塌剂YGT和有机硅抑制剂YGY180。
部分处理剂裂解曲线图
1
4500米后即做好抗高温钻井液配制的准备工 作，配浆时，提前24h，在循环池内打水先配 制般土浆，预水化。 按照配方配制抗220℃高温有机硅钻井液50～ 100方，边钻进边往循环罐内补充新配制的抗 220℃高温有机硅钻井液，以后配制胶液时按 抗220℃高温有机硅钻井液的配方配制，不断 混入循环钻井液中，使有机硅钻井液转为抗高 温有机硅钻井液。
取得了较好的成果
通过第一阶段和 第二阶段的研究
顺利地完成了48口 深井的施工任务
第三阶段 顺利完成了徐深22井5320米的深井施工
形成了大庆深井抗高温水基钻井液应用技术
使大庆深井水基钻井液在抗高温方面的研究取得了 重大突破
抗高温水基钻井液技术研究需攻克以下三 方面的难点： 一是 钻井液技术需要攻 克地质方面存在的难点 钻井液高温评价方法 存在一定的局限性
（二）钻井液高温评价方法存在的问题
对于钻井液高温评价实验方法，国内外没有统 一的方法，特别是220℃高温情况，受评价仪器温度 量程的限制，有些高温评价实验存在一定的难度。
钻井液高温高压滤失量评价实验，当实验温度达 到200℃以后，实验滤纸经常被高温炭化，使实验失 败，造成无法直接完成高温高压滤失量的测试。
（二）抗220℃高温有机硅钻井液的高温 评价实验
1.抗220℃高温有机硅钻井液配方研究
抗高温钻井液配方的研究主要是配浆材料和处理 剂的研究。钻井液中粘土的抗温能力对于抗高温钻井 液是一个十分重要的部分。钻井液中粘土的含量既不 能太高，也不能太低，粘土含量过低会产生高温减稠， 影响钻井液的高温热稳定性。粘土含量过高会产生高 温增稠，影响钻井液的高温流变性。因此，严格控制 钻井液的粘土含量，有利于钻井液的高温失水造壁性 和高温流变性。
抗220℃高温有机硅钻井液抑制性能实验结果
配方 1 3 种类 清水 钻井液 热滚温度(℃) 220 220 回收率(％) 88.2 98.7
注：实验用岩屑为深层钻屑（振动筛下拣的 掉块，层位杂）。
5、抗220℃高温有机硅钻井液润滑性评价实验 进行了润滑性评价实验，实验利用吸盘式 泥饼粘附系数测试
一、概况
二、抗高温水基钻井液技术攻关难点
三、抗高温有机硅钻井液室内攻关实验研究 四、抗高温有机硅钻井液现场试验情况
五、结论与认识
为满足庆深气田勘探开发的需求，钻井 一公司同大庆石油学院合作，共同开展了抗 高温有机硅钻井液体系研究。抗高温有机硅 钻井液的研究经历了三个阶段 即
第一阶段为2004年会战初期的抗180℃高温 有机硅钻井液的研究 第二阶段为2005年的抗200℃高温有机硅钻 井液的研究 第三阶段为2006年的抗220℃高温有机硅钻 井液的研究
有机硅钻井液的抗污染性能
钻屑粉 加量 0% 5% 10% 15% 0% 5% 10% 15% 密度 g/cm 1.06 1.06 1.06 1.06 1.15 1.15 1.15 1.15 老化情 况 （16 h） 热滚后 热滚后 热滚后 热滚后 热滚后 热滚后 热滚后 热滚后 AV mPa. s 13 12.5 14. 15.5 21.5 22 23 26 PV mPa.s 9 10 10 11 12.5 15 19 21 YP Pa 3 3.5 4.5 4.5 7.5 7 4 11 G10″/10′ Pa/ Pa 2/5 1/2.5 1/3 2/6 3/7 3/8 2/9 5/14 API FL mL 3.5 4.0 5.0 5.5 4.2 5.5 6.6 7.4 HTHP FL mL 15.5 15.8 16.8 17.0 13.0 14.2 16 17.4 pH 值 9 9 9 9 9 9 9 9
基于钻井液处理剂抗高温的理论，研制抗高温钻井 液的核心问题是研究抗高温处理剂。因为抗高温处 理剂具有以下作用： 第一，有效的控制高温对粘土的各种破坏作用，并 能够把它们的破坏作用减小到最低限度，以保证钻井液 第二，处理剂受高温作用发生降解作用，同时也发 的热稳定性，使钻井液具有适应井下任一工况要求的良 生交联反映，合理解决这对矛盾，适当利用高温对处理 好性能。 剂的交联反应来提高钻井液的热稳定性。
二是
三是
抗高温钻井液配方研制存在难度
（一）钻井液技术攻克的地质难点
1.井下高温问题
深井钻井施工时，钻井液长时间处在200℃ 以上高温的条件下，存在着粘土高温分散、粘土 高温钝化、有机高分子化合物高温降解、处理剂 高温交联作用等影响，钻井液面临着长时间高温 老化，钻井液性能变差，导致施工无法正常进行 的难题。