鉆井技術(shù)清潔鉆井液新

1、1清潔鉆井液新技術(shù) 西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 張潔 教授 2鉆井液體系的更新?lián)Q代及其性能維護與測量相關(guān)技術(shù)始終圍繞著鉆井新技術(shù)的要求而發(fā)展鉆井新技術(shù)： 水平井鉆井、分支井鉆井、大位移井鉆井 小井眼鉆井 欠平衡鉆井 導(dǎo)向鉆井 鉆井信息（自動化、智能化） 隨鉆測 套管鉆井 沖擊鉆 320世紀鉆井新技術(shù)對鉆井液的要求安全環(huán)保無侵害(non-invasive)快速時時監(jiān)測經(jīng)濟421世紀清潔鉆(完)井液保護環(huán)境保護儲層保護油氣品質(zhì)5發(fā)展趨勢開發(fā)和完善保護油氣層,保護環(huán)境,保護油氣品質(zhì)的鉆(完)井液體系必將成為鉆(完)井液技術(shù)的發(fā)展主流。6迄今為止，用作鉆井液材料的天然化合物大多來自礦物和植物 礦物：坂

2、土、鐵礦粉、石墨 植物林產(chǎn)化合物（不占耕地） 農(nóng)產(chǎn)化合物 植物三大素 & 植物提取物 （占用耕地） 纖維素 （單寧)植物多酚 糧食淀粉 木質(zhì)素（植物單酚） 松香 魔芋膠 半纖維素（植物膠聚糖） 主要分布于植物根、葉、桿 7鉆井液材料的更新?lián)Q代第一代：天然化合物（綠色化學(xué)品）。第二代：合成化合物，按化學(xué)結(jié)構(gòu)分為無機、有機、功能 高分子三類。第三代：天然化合物-合成化合物結(jié)合（化學(xué)反應(yīng)、物理復(fù)配）。第四代：疏水性締合型水溶性聚合物，簡稱疏水締合物。第五代：天然化合物 + 天然礦物 的復(fù)合物第二、三、四代鉆井液處理劑大多存在二次污染的可能性。8鉆井液體系的發(fā)展1.天然鉆井液：1904-1921，黏土

3、造漿2.細分散鉆井液：1921-1946，黏土造漿3.粗分散鉆井液：1946-1973，黏土造漿4.不分散低固相鉆井液：1966-現(xiàn)在，黏土和聚合物造漿5.無固相鉆井液：1968 -現(xiàn)在，聚合物造漿 上述第4、5兩種鉆井液體系統(tǒng)稱為聚合物鉆井液9主要內(nèi)容HPWBM體系聚糖水基鉆井液體系甲酸鹽水基鉆井液體系石墨基材料用于穩(wěn)定井壁10國外最新體系 HPWBM(高效水基泥漿) 設(shè)計理念 總體抑制:在保證頁巖,黏土,鉆屑穩(wěn)定性的同時,改善一些關(guān)鍵性能(如:提高機械鉆速,防鉆具泥包及降低扭矩和起下鉆遇阻現(xiàn)象)11HPWBM體系穩(wěn)定頁巖:采用化學(xué)+力學(xué)法形成選擇性半透膜抑制黏土和鉆屑:采用有機鹽 無機鹽對

4、黏土和鉆屑的抑制有較強選擇性,如, KCl:對蒙脫石抑制效果好 對伊利石抑制效果一般 對高嶺土反而增加水化膨脹12HPWBM體系實現(xiàn)總體抑制途徑 使用封堵處理劑水化抑制劑有機鹽-聚合物復(fù)合包被劑 其作用方式與油包水乳化鉆井液相似13聚糖水基鉆井液體系聚糖水基鉆井液體系是國外近十來年才研制成功的一種新型的對環(huán)境無污染的油基鉆井液替代體系。1994年在達拉斯舉行的IADC/SPE鉆井會議上，Walker T. O.等人首次報道了聚糖水基鉆井液體系的室內(nèi)研究成果；1995年的IADC/SPE鉆井會議上他們又正式報道了聚糖水基鉆井液體系在美國墨西哥灣高水敏性頁巖層進行的首次現(xiàn)場應(yīng)用成果。國內(nèi)學(xué)者和專家

5、也關(guān)注著上述研究和應(yīng)用成果，1996年的國內(nèi)文獻中首次出現(xiàn)了有關(guān)報道；1998年以來，國內(nèi)文獻陸續(xù)報道了相關(guān)室內(nèi)和現(xiàn)場的試驗結(jié)果。14聚糖水基鉆井液體系已投入應(yīng)用近十年聚糖水基鉆井液體系能夠滿足清潔化鉆井作業(yè)的要求，其各項性能明顯優(yōu)于其它水基鉆井液體系，具有突出的抑制性和潤滑性（其抑制性和潤滑性幾乎可與油基鉆井液相媲美），同時還兼有較強的增黏性、低濾失和良好的造壁性。聚糖水基鉆井液體系在高、低滲透率儲層中均具有良好的保護儲層特性，其作用機理有三方面：（1）強抑制性有效地避免或減少了黏土礦物的水化膨脹和分散引起的儲層損害；（2）低濾失和良好的成膜造壁性有效地控制了由于固相和濾液侵入而引起的儲層損

6、害；（3）低表面張力和低界面張力有效地降低了因濾液滯留效應(yīng)而引起的儲層損害。15聚糖水基鉆井液體系中聚糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)特性（以PG樹膠和ZG樹膠為例） PG原膠和ZG原膠均屬天然植物雜聚糖甙，由五碳糖基和六碳糖基以甙鍵結(jié)合而成。PG原膠主要組成糖基比為：L-阿拉伯糖D-半乳糖D-木糖D-葡萄糖醛酸=6521。ZG原膠主要組成糖基比為：L-阿拉伯糖:D-半乳糖:D-木糖:D-葡萄糖醛酸:甘露糖=5:6:1:1:3 。凝膠色譜法測得其數(shù)均分子量分別為5080萬和2545萬。不同植物聚糖的組成糖基、糖基比、分子量均有所不同！ 16樹膠水溶性及其膠液流變特性對聚糖水基鉆井液性質(zhì)的影響樹膠液穩(wěn)定性（熱、鹽、

7、剪切）及其影響因素樹膠濃度-表觀黏度關(guān)系樹膠液表觀黏度-溶脹時間關(guān)系樹膠液表觀黏度-溫度關(guān)系樹膠液表觀黏度-剪切速率關(guān)系17樹膠的理化性能及其影響因素對樹膠液穩(wěn)定性影響作用由大到小依次為：樹膠本性、溫度、pH值、含鹽度、溶劑組成。PG樹膠原膠在水中只溶脹，需加入分散劑才能形成均勻溶膠，改性PG樹膠的水溶性和增黏性顯著提高。ZG樹膠在水中易溶解而形成均勻溶膠，具有良好的水溶性、增黏性、剪切稀釋特性。PG樹膠和ZG樹膠的熱解溫度極限均為120，都可在任意含鹽度下使用。18樹膠的電化學(xué)特性研究PG膠液電泳實驗ZG膠液電導(dǎo)滴定、電位滴定、Zeta電位測定 研究結(jié)果水溶樹膠液的電導(dǎo)率隨膠液濃度、溫度、含

8、鹽度的增大而增大，隨酸性或堿性的增強而增強。 19鉆井液用改性PG樹膠 改性PG樹膠在水基鉆井液中同時兼有增黏、降濾失、防塌、潤滑四種作用，控制改性反應(yīng)及其條件，即可得到以其中一種作用為主的鉆井液助劑。ZG膠用于鉆井液中有利于廢棄鉆井液的處理分布在種子中的樹膠與樹木酚衍生物結(jié)合制備水基鉆井液增黏劑20 ZG膠液發(fā)酵及其抑制ZG原膠液黏度隨時間的變化（表1）ZG原膠-植物酚水溶膠液黏度隨時間的變化（表2）ZG原膠-鹽水溶膠液黏度隨時間的變化（表3）21表1 室溫（25C）下 ZG原膠液黏度隨放置時間的變化 t/h 3 6 12 18 /mPa.s 47.0 47.0 47.0 47.0 t/h

9、24 30 36 48 /mPa.s 47.0 47.0 24.5 14.5 t/h 60 72 84 96 /mPa.s 6.5 2.5 2.0 1.5 注: 原膠液指質(zhì)量百分濃度為0.6% 的ZG原膠水溶膠液22表2 室溫下 ZG原膠-植物酚水溶膠液黏度隨放置時間的變化t/h 3 4 30 48 72 96 120 C酚/(%,m)/mPa.s 49.0 50.5 50.5 44.0 35.5 16.0 3.5 2/mPa.s 50.0 51.0 51.0 48.5 41.5 33.0 26.0 5/mPa.s 47.0 48.5 48.0 45.5 42.0 39.0 37.5 10/m

10、Pa.s 45.5 45.5 45.0 44.0 42.5 37.0 33.5 1523表3 室溫下不同濃度鹽水ZG膠液表觀黏度隨時間的變化C鹽 放 置 時 間 （h）（%,m） 3 30 48 72 96 1.5 48.5 48.5 41.75 39.5 35.5 2.0 48.5 48.5 43.0 41.5 39.5 2.5 47.0 47.0 43.15 43.0 41.5 3.0 46.5 46.5 44.0 43.5 41.75 3.5 46.0 46.0 44.0 43.25 42.0 4.0 45.5 45.5 44.5 43.5 42.515.0 44.0 44.0 43.5

11、 42.5 42.5注:以上鹽水膠液中ZG原膠質(zhì)量百分濃度均為0.6%。 24在植物酚類鉆井液添加劑的開發(fā)研究中，木質(zhì)素和單寧的化學(xué)結(jié)合物的開發(fā)與應(yīng)用最引人注目植物酚和鹽均對ZG膠液發(fā)酵有一定的抑制作用.植物酚和鹽對ZG膠液發(fā)酵起抑制作用時，都存在一個最適宜濃度范圍，植物酚適宜質(zhì)量百分濃度為510%，鹽的適宜質(zhì)量百分濃度為2.02.5% 。 25PG原膠在水中只溶脹，需加入分散劑才能形成均勻溶膠，其溶膠在自然條件下不發(fā)酵；改性PG膠具有良好的水溶性，在水基鉆井液中具有良好的降濾失和潤滑作用并兼有一定的增黏和抑制水敏性礦物水化膨脹作用。26 ZG原膠在水中易溶解而形成黏稠的均勻溶膠，ZG膠液具有

12、良好的剪切稀釋特性且在自然條件下易發(fā)酵降解；ZG樹膠用作鉆井液助劑時，需改性以抑制其發(fā)酵降解，才能滿足鉆井液循環(huán)使用的要求。 27樹膠聚糖鉆井完井液近幾年開發(fā)的一種新型雙保體系基本功效：防塌、降濾失、潤滑、增黏、抑制水合物結(jié)垢現(xiàn)場試驗表明：聚糖衍生物的水基體系比油基體系更具發(fā)展前途聚糖衍生物已用于原油儲運的工作液中；已投入開發(fā)海底新能源-天然氣水合物晶體的現(xiàn)場應(yīng)用中28不同聚合物為主劑的鉆井液性能對比（1）頁巖滾動回收率實驗結(jié)果鉆井液 頁巖滾動回收率（%）清水 16.3聚糖鉆井液 94.6清潔鹽水鉆井液 88.6正電膠鉆井液 83.2兩性離子鉆井液 72.4 主劑添加量：0.6g/100ml2

13、9不同聚合物為主劑的鉆井液性能對比（2）表觀黏度測定結(jié)果鉆井液 表觀黏度（mPa.S）基漿 10.0聚糖鉆井液 31.0清潔鹽水鉆井液 11.5正電膠鉆井液 19.0兩性離子鉆井液 24.0 主劑添加量：0.6g/100ml30不同聚合物為主劑的鉆井液性能對比（3）失水量測定結(jié)果鉆井液 API失水量（ml）基漿 6.5聚糖鉆井液 2.4清潔鹽水鉆井液 8.0正電膠鉆井液 7.8兩性離子鉆井液 5.6 主劑添加量：0.6g/100ml31不同聚合物為主劑的鉆井液性能對比（4）潤滑性能對比鉆井液 極壓磨阻 泥餅黏附 系數(shù) 系數(shù)降低率（%）基漿 41 聚糖鉆井液 15 29.7清潔鹽水鉆井液 36

14、0.8正電膠鉆井液 43 -0.3兩性離子鉆井液 31 1.4 主劑添加量：0.6g/100ml32ZG樹膠為原料，不同改性方法的增黏效果比較（測定質(zhì)量百分濃度均為0.2%的膠液表觀黏度） 表觀黏度（mPa.S）原膠液 2.5物理研磨改性膠液 10.0羧甲基化改性膠液 10.5丙烯酰胺醚化改性膠液 12.5羥丙基化改性膠液 14.5疏水締合改性膠液 26.033聚糖鉆井液特點 通常，增黏性與潤滑性難以同時滿足，而聚糖鉆井液體系很好地解決了此矛盾。34SB現(xiàn)場應(yīng)用（2區(qū)塊共9口井）35主要內(nèi)容：一、A區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用二、B區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用三、總結(jié)36一、A區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用 2004年6月，在A區(qū)一口井進行了第一次

15、現(xiàn)場應(yīng)用。該井是一口開發(fā)井，設(shè)計井深1240米，實鉆1207米，最大井斜15.41度。 現(xiàn)場應(yīng)用表明，SB鉆井液體系性能比較穩(wěn)定，流變性能好，降失水效果明顯，潤滑、抑制能力強。37 隨后在同一區(qū)塊八口井進行了井組應(yīng)用。（試用井分別編為A-1、A-2、A-3、A-4、A-5、A-6、A-7）。 其中最大井斜29，提升摩阻小，未使用潤滑劑，鉆井液成本較普通聚合物成本降低，鉆井過程無粘、卡事故，電測順利。 38 2004年12月在B區(qū)選擇一口井進行現(xiàn)場應(yīng)用，該井是一口開發(fā)井，設(shè)計井深2584米，實鉆2607米。 根據(jù)SB在A地區(qū)的使用情況，對該體系進行調(diào)整和完善，為了試驗其在井深2000米以上井中的

16、性能變化，該井繼續(xù)試用SB鉆井液體系，為今后的推廣使用積累經(jīng)驗。 現(xiàn)場應(yīng)用表明：SB鉆井液體系抑制能力強，性能穩(wěn)定，流變性好，鉆井過程中無粘、卡事故，井下安全。二、B區(qū)應(yīng)用391、B區(qū)地質(zhì)特點： 表層： 以灰色沙礫巖和灰黃色粘土為主； 三垛組、戴南組巖性主要是： 淺灰色含礫不等礫砂巖與棕色泥巖互層； 阜寧組： 上部為灰色泥巖、粉砂巖為主， 下部為深灰色砂質(zhì)泥巖和紫色泥巖。 40一開 采用清水開鉆，后用鈉土5t、K2CO3 0.32t配漿 100m3，充分預(yù)水化24小時。二開（1）該井二開后采用SB鉆井液體系，其基本配方 為：基漿+2%SB-4+0.5%Na-HPAN。 二開鉆水泥塞后，加入0.

17、5t Na-HPAN， 調(diào)整好性能。上部流沙層要保持鉆井液良好 的攜砂能力，同時加入超細鈣1t，封堵地層， 提高泥餅質(zhì)量。2、鉆井液技術(shù)：41（2）在Qy1的底部，進入ES2地層前一次性加入 SB-4 1.5噸，增強鉆井液的抑制性，控制地層造漿。鉆進過程中按2kg/m補充SB-4 ，保證鉆井液的抑制性能。在鉆進過程中，鉆井液性能比較穩(wěn)定，粘度保持在4045s之間，振動篩上返出的巖屑均為均勻規(guī)則顆粒狀，且具有良好的流變性能。 （3）在Ed組繼續(xù)補充SB-4，并用堿液調(diào)節(jié)鉆井液的pH值，保持在8-9之間。由于雜多糖具有良好的潤滑性能和一定的防塌性能，該井在Ed1底部沒有加入防塌劑。 42（4）進入

18、Ef組后，鉆井過程中震動篩上未見有垮塌、剝落的掉塊，起下鉆正常，說明該鉆井液使用后泥頁巖穩(wěn)定性好，防塌性能滿足井下要求。43三、結(jié)論：（1）SB在鉆井液中的添加量范圍為23%， 可用pH范圍為6-14。其基本配方： 5%鈉土+23%SB-4+0.5%Na-HPAN（2）SB在水基鉆井液中具有良好的包被抑制 作用同時兼有較好的降濾失、潤滑等多 項功能，井徑擴大率均小于5%。（3）其主要作用機理包括線型大分子吸附包 被、吸水膨脹、彈性堵孔、水化膜潤滑等。44（4）SB鉆井液失水后的濾液及其濾餅浸出液 的CODCr和BOD5值均達到相應(yīng)的排放標準 且易自然降解，降解速率BOD5/CODCr大于 0.3。 （5）熱降解極限溫度為120以上。 45甲酸鹽鉆井完井液近十幾年發(fā)展起來的一種新型無固相體系基本組成：甲酸的堿金屬鹽、聚合物增黏劑、降濾失劑體系密度：1.72.3 g/cm3優(yōu)點：循環(huán)壓降小、腐蝕性小、易生物降解、對環(huán)境污染較小、熱穩(wěn)定性好（150C）、易配制和維護、保護儲層效果好特別適用于：取代目前必須使用高價金屬鹽的清潔鉆井完井液新進展：甲酸-硅-鉀鹽，熱穩(wěn)定性和井壁穩(wěn)定性更好46石墨基材料 用于穩(wěn)定井壁的鉆井液新技術(shù)石墨類材料具有獨特