水基半透膜鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

1、水基半透膜鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用林喜斌 孫金聲 蘇義腦 （中國石油勘探開發(fā)研究院，北京）摘要：介紹了一種新型的有機硅酸鹽半透膜劑BTM-2。通過鉆屑回收率、泥球浸泡、抑制膨潤土造漿、抗污染、抗溫等試驗及半透膜效率測定，評價了半透膜劑及半透膜鉆井液的性能，有機硅酸鹽半透膜鉆井液具有高半透膜性能、強的抑制泥頁巖水化膨脹、分散的能力、良好的抗鉆屑污染能力和高溫流變性能?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該鉆井液體系抑制能力強，防塌效果好，井徑擴大率小，井徑規(guī)則。關(guān)鍵詞：半透膜劑 抗污染 抗溫 抑制作用泥頁巖遇水易水化膨脹、分散，易造成井壁坍塌、卡鉆等井下復(fù)雜情況，據(jù)統(tǒng)計，90%以上的井下復(fù)雜情況都是由于泥頁巖的這些特點引

2、起的。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，井壁失穩(wěn)的原因是由于孔隙壓力擴散所至。因此，維持井壁穩(wěn)定的重點就在于控制孔隙壓力擴散的問題上。通過對頁巖的研究發(fā)現(xiàn)泥頁巖在與水作用的情況下會產(chǎn)生“半透膜”的性質(zhì)，存在一定的膜效率，它是一種非理想的半透膜其效率不是100%，可用反映系數(shù)來表征膜的理想性，也作膜效率，可以加入特種處理劑來提高泥頁巖的膜效率。利用“半透膜”的機理對現(xiàn)有的鉆井液體系研究得出水基鉆井液在一定條件下可達(dá)到近油基鉆井液體系的性能，使用水基鉆井液替代油基鉆井液成為可能。半透膜水基鉆井液中的有機硅酸鹽具有硅氧四面體結(jié)構(gòu)（SiO44-），可與井壁上的硅酸鹽、硅氧化物等硅的化合物結(jié)合，形成Si-O-Si鏈化合物。

3、由于Si-O鍵能巨大（452kJ/moL），形成的復(fù)雜化合物非常穩(wěn)定，在井壁上形成一層具有一定強度的具有半透膜性能的硬殼“封固殼”，在井壁外圍形成保護層，阻止水及鉆井液進入地層，有效的防止地層水化膨脹、封堵地層層理裂縫、防止地層內(nèi)粘土顆粒的運移、防止井壁坍塌及保護油氣層。一、 水基鉆井液半透膜理論1、半透膜的原理用半透膜將純?nèi)軇┡c溶液或稀溶液與濃溶液隔開，溶劑分子能從純?nèi)軇┮贿呥M入溶液一邊，或從稀溶液一邊進入濃溶液一邊，這種現(xiàn)象稱為滲透現(xiàn)象。當(dāng)滲透達(dá)到平衡時，右端液面高出左端液面一段距離（如圖1中的h），產(chǎn)生靜壓力，阻止溶劑繼續(xù)向右端滲入，靜壓力為P=hg，稱為滲透壓。圖1為測定滲透壓的儀器示

4、意圖。半透膜 P=hg純?nèi)軇?溶液 圖1 滲透壓儀器示意圖 中國石油天然氣集團公司應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（No.03A20203）資助2、半透膜膜效率的計算對于理想半透膜，滲透壓值可根據(jù)Vant Hoff方程式直接計算出來，即： =cRT （1）式中c為半透膜劑在溶液中的摩爾濃度，R為氣體常數(shù)，T為開氏溫度值。但許多半透膜都是非理想半透膜，確定非理想半透膜的完美程度即膜效率可用下式來計算。 =（P/）J=0 （2）式中為膜效率，其意義為膜兩側(cè)無流動時，外壓與滲透壓之比。在測外壓不方便情況下，可通過測量溶液中離子濃度的變化亦即測溶液的電導(dǎo)率來計算膜效率。電導(dǎo)率（）公式為：= （3）式中N為半透膜劑的當(dāng)

5、量濃度，為當(dāng)量電導(dǎo)。而當(dāng)量電導(dǎo)可由下式求算：由于： =A 所以： c=（）2 （4）式中為極限當(dāng)量電導(dǎo)，A為常數(shù)。對于一價離子化合物，c=N。將式（1）、（3）、（4）代入式（2）得： = （5）利用電導(dǎo)率測得的溶液電導(dǎo)率值，通過式（5）可計算半透膜的膜效率。二、半透膜劑及半透膜鉆井液的性能1、半透膜劑BTM-2的性能通過鉆屑回收率試驗、泥球浸泡試驗、造漿降低率試驗，評價了有機硅酸鹽半透膜劑BTM-2的抑制性能。1）、半透膜性能試驗 將25mL的半透膜BTM-2溶液與清水分別加入液槽中，待滲透平衡后，量取液面高度差，計算實際滲透壓及膜效率（清水進入半透膜溶液中為正）。結(jié)果見表1。表1與清水平衡

6、時的滲透壓及半透膜效率半透膜濃度0.5%1%3%滲透壓（牛頓）14.928.377.7膜效率（%）89.885.378.1表1的試驗結(jié)果表明，BTM-2具有半透膜性能，半透膜效率較高，3%的半透膜溶液，其半透膜效率大于75%，1%以下的半透膜溶液，其半透膜效率大于80%，半透膜溶液濃度低時，其效率反而高。2）、鉆屑回收率試驗 將冀東油田M3S-3井2482-2103m井段鉆屑加入到不同的抑制劑溶液中，在1200C下熱滾16h后測定回收率，試驗結(jié)果見表2。表2 抑制劑回收率的試驗結(jié)果（鉆屑為冀東油田M3S-3井2482-2103m）名稱清水5%甲酸鉀0.5% BTM-21% BTM-21.5%

7、BTM-22% BTM-23%硅酸鈉（2.8模）0.5%80A51回收率%1290.376.794.397.699.790.719.3表2的試驗結(jié)果表明，半透膜劑BTM-2抑制泥頁巖水化膨脹、分散的能力較硅酸鹽、甲酸鹽強，遠(yuǎn)大于陰離子、兩性離子聚合物。3）、泥球浸泡試驗將60克鈉膨潤土與30克蒸餾水混拌均勻，捏成約10g/個的小球，放入不同的抑制劑溶液中浸泡，每隔一定時間稱量泥球，計算進入泥球中水的百分量即水量/泥球原始重量，試驗結(jié)果見表3。從表3的試驗結(jié)果可以看出，泥球在半透膜劑BTM-2的溶液里浸泡72h后，吸入的水量不超過泥球原始重量的85%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于泥球在其他抑制劑溶液中浸泡時所進入的

8、水量，而在其他抑制劑溶液中所進入的水量超過泥球原始重量的200%以上。在泥球表面，由于有機硅酸鹽與泥球表面的無機硅酸鹽通過Si-O-Si或RO-Si鍵形式連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包裹著泥球，在泥球表面形成一層“封固殼”，阻止水進入泥球，使粘土不能進一步水化。因此，可防止粘土水化膨脹、分散，封堵地層裂隙，維護井壁的穩(wěn)定性，可有效地保護儲層。表3 泥球浸泡試驗結(jié)果時間（h） 泥球重量g溶液名稱12h24h48h72h0.5%80A5192.27126.41197.80237.680.5%FA36779.07115.09180.92208.610.5%大陽離子89.37117.44230.32273.303%

9、硅酸鈉（2.8模）散（無法稱）散（無法稱）散（無法稱）散（無法稱）3%BTM-240.4152.1272.8480.574）、造漿降低率試驗清水加10%的鈉膨潤土，測600的粘度數(shù)值1。然后在0.5%BTM-2溶液中加入10%的鈉膨潤土，測600的粘度數(shù)值2。造漿降低率值=（1-2）/1。表4 BTM-2抑制造漿試驗結(jié)果序號 600值鉆井液12310%土1081131210.5%BTM-2+10%土302935造漿降低率%72.2274.3471.07表4的試驗結(jié)果表明，加入0.5%BTM-2使10%的鈉膨潤土漿造漿率降低率達(dá)70%以上，BTM-2的具強抑制作用。2 鉆井液的性能1）、鉆井液的

10、半透膜性能試驗 將25mL的鉆井液與清水或4%NaCl溶液分別加入液槽中，待滲透平衡后，量取液面高度差，計算實際滲透壓及膜效率（清水或4%NaCl溶液中的水進入半透膜溶液中為正）。結(jié)果見表5。表5 與0.5%BTM-2鉆井液平衡時的滲透壓及半透膜效率與鉆井液平衡的液體滲透壓（牛頓）清水38.54%NaCl水溶液15.2注：半透膜鉆井液配方為4%土+0.5%BTM-2+2%CFJ-1+2%SMC+0.2%FA367+2%WBF-1從表5的試驗結(jié)果可知，半透膜劑BTM-2與其它處理劑配成鉆井液后，滲透壓增大，半透膜性能增強了，尤其是與清水接觸，鉆井液的滲透壓增大了2倍多。但與4%NaCl水溶液接觸

11、，只滲透壓增大2%，這是因為4%NaCl水溶液也能產(chǎn)生滲透壓的緣故。2）、鉆井液的回收率試驗 將冀東油田M3S-3井2482-2103m井段鉆屑加入到不同的抑制劑鉆井液中，在1200C下熱滾16h后測定回收率，試驗結(jié)果見表6。表6 鉆井液回收率的試驗（鉆屑為冀東油田M3S-3井2482-2103m）序號123回收率%1294.794.17注：1：清水2：4%土+0.5%BTM-2+2%CFJ-1+2%SMC+0.2%FA367+2%WBF-13：4%土+2%CFJ-1+2%SMC +2%WBF-1+5%甲酸鉀表6的試驗結(jié)果表明，2號鉆井液與3號鉆井液相比，雖然BTM-2的加量是甲酸鉀的十分之一

12、，但兩者的回收率相近，顯示BTM-2鉆井液的強抑制性。3）、鉆井液的性能試驗 鉆井液養(yǎng)護24h，測常規(guī)性能，實驗結(jié)果見表7。表7 BTM-2鉆井液的性能項目序號鉆井液常規(guī)性能AVmPa.sPVmPa.sYPPaFLAPI（mL）pH1121112.89211743.693111014948624.19515.5123.549注：1：4%土+1.2% BTM-2+2%CFJ-1+0.1%PAM 2：4%土+1.2% BTM-2+2%CFJ-1+0.1%80A51 3：4%土+1.2% BTM-2+2%CFJ-1+0.1%大陽離子 4：4%土+1.2% BTM-2+2%CFJ-1+0.1%FA36

13、75：4%土+0.5%BTM-2+1%銨鹽+0.2%FA367表7實驗數(shù)據(jù)說明半透膜鉆井液較低的API濾失量和良好的流變性能，API濾失量都低于5ml且泥漿的粘度及切力都較好，顯示BTM-2與其它處理劑良好的配伍性能。4）、鉆井液抗污染性能試驗 將不同量的鉆屑粉分別加入到BTM-2鉆井液中， 在1200C下熱滾16h，測定熱滾前后鉆井液的常溫性能。試驗結(jié)果見表8。表8 鉆井液的抗污染性能項目序號鉆屑%熱滾前熱滾后AVmPa.sPVmPa.sYPPaFLmLpHAVmPa.sPVmPa.sYPPaFLmLpH1017.5152.559242134.892519.5163.54.4925.5214

14、.53.8931021.5183.54.89262152.8941522.5193.54.49282353.695202520549302462.89注：1：基漿-4%土+0.5%BTM-2+2%CFJ-1+2%SMC+0.2%FA367+2%WBF-1表8的試驗結(jié)果表明，在 BTM-2鉆井液體系中加量20%的鉆屑粉時，鉆井液的性能及高溫高壓性能都很好。說明鉆井液體系具有較強的抗鉆屑污染能力。5）、鉆井液加重漿的性能試驗將不同密度的鉆井液養(yǎng)護24h，在1200C下熱滾16 h，測量熱滾前后的性能及高溫高壓濾失量。其結(jié)果見表9。表9 高密度半透膜鉆井液的性能 熱滾溫度 1200C（16h）項目序

15、號密度熱滾前熱滾后HTHPAVmPa.sPVmPa.sYPPaFLmLpHAVmPa.sPVmPa.sYPPaFLmLpHFLHTHP（mL）濾液pH11.0217.5152.54.69242134.8912921.51353235938.5335.53.2910.4931.724034659413573.6989注：1：基漿-4%土+0.5%BTM-2+2%CFJ-1+2%SMC+0.2%FA367+2%WBF-1，2、3：基漿+重晶石由表9的試驗結(jié)果可以看出，高密度的半透膜鉆井液的粘度、切力都較好，API濾失量也較低，且在高溫高壓下，鉆井液的高溫高壓濾失量隨密度的增加而降低，說明高密度半透

16、膜鉆井液的性能良好。6）、鉆井液的抗溫性能試驗將鉆井液在不同的溫度下熱滾16h，測試熱滾前后的性能及高溫高壓濾失量。試驗結(jié)果見表10。表10 半透膜鉆井液的抗溫性能 （溫度1500C熱滾16h）項目序號溫度0C熱滾前熱滾后HTHPAVmPa.sPVmPa.sYPPaFLmLpHAVmPa.sPVmPa.sYPPaFLmLpHFLHTHP（mL）濾液pH鉆井液室溫17.5152.54.6910017.5152.54.6918.5162.54.6912912017.5152.54.692017.52.54.4912915017.5152.54.692112859169注：鉆井液：4%土+0.5%B

17、TM-2+2%CFJ-1+2%SMC+0.2%FA367+2%WBF-1 表10 的試驗結(jié)果表明，鉆井液體系在1500C以下，熱滾后鉆井液性能較好，在1500C下的高溫高壓濾失量為16mL，鉆井液具有良好抗溫性能。7)、滲透率恢復(fù)實驗在100，壓差3.5mPa，速梯為200-s條件下，按照動態(tài)模擬現(xiàn)場鉆井液損害時的試驗步驟，評價了鉆井液損害后巖心的滲透率恢復(fù)值試驗結(jié)果見表11。試驗結(jié)果表明，冀東油田二開鉆井液轉(zhuǎn)換成成膜水基鉆井液后巖心經(jīng)鉆井液損害后的滲透率恢復(fù)值高，能有效減輕鉆井液對中低滲透率油層的損害。表11 鉆井液巖心滲透率恢復(fù)值實驗結(jié)果序號鉆井液配方巖心105min動濾失 mL氣 相 滲

18、透率 10-3油 相 滲透率 10-3滲透率恢復(fù)率，%切割后滲透率恢復(fù)率，%反排突破壓差Mpa平均 溫度 1冀東基漿（L90-34，2240m泥漿）露頭巖心5.6105.96 47.36 37.06 48.470.084 1202成膜鉆井液露頭巖心4.5107.23 40.79 98.56 0.068 1203冀東基漿（L90-34，2240m泥漿）露頭巖心6.8262.5876.1636.260.141204成膜鉆井液露頭巖心4.6264.61 71.09 1000.070 1205成膜鉆井液露頭巖心4.6266.62 72.099460.076 120注，成膜鉆井液：冀東基漿+1%BTM-

19、2+1%SMC+1%液降+2%CMJ-2+1SMP-1三、現(xiàn)場應(yīng)用1、 半透膜鉆井液技術(shù)在冀東油田的應(yīng)用試驗井選擇高尚堡地區(qū)的三開井段，試驗井G76-42位于高尚堡油田高76斷塊構(gòu)造較高部位，鉆探目的是開發(fā)ES1ES31油藏，為三段制三開定向井，造斜點深度1706m，完鉆井深3286m，最大井斜角31°，全井采用PDC鉆頭、單彎螺桿復(fù)合鉆進，施工井段22863286m。成膜鉆井液體系的試驗是在聚合物體系的基礎(chǔ)上開展的，轉(zhuǎn)換前，對聚合物鉆井液進行處理，把膨潤土含量控制在50g/l以下，然后半透膜以0.8%、隔離膜以2%，液體降粘劑以0.5%的含量。半透膜配成膠液加入，加入以后，鉆井液的

20、流變性很好。并隨后進行補充，保證半透膜、隔離膜的有效含量。轉(zhuǎn)化前后鉆井液性能見表12：二開鉆井液轉(zhuǎn)換成成膜水基鉆井液性能非常穩(wěn)定，鉆井液性能一直維持到鉆到3024m，此時發(fā)生較為嚴(yán)重的油氣侵，最后把鉆井液密度提至1.39 g/cm3，此時鉆井液性能見表11，該性能維持到完鉆。在三開鉆井施工過程中，在2822m、3202m和3286m三次短起下，起下鉆正常，無任何阻卡現(xiàn)象。電測一次成功，下套管完井順利。表12 二開鉆井液轉(zhuǎn)換成成膜水基鉆井液前后性能性 配 能方井深(m)漏斗粘度(s)密度(g/cm3)PV(mPa. s)YP(Pa)Gel(Pa)API FL(mL)泥餅厚度(mm)pH二開聚合物-2286421.171551.5/44.80.59成膜鉆井液22863024351.1894.50.5/14.40.59井涌后成膜鉆井液30243286501.391962/430.592、半透膜鉆井液技術(shù)在克拉瑪依油田