聚磺饱和盐水高温钻井液体系研究

I摘要聚磺钻井液是将聚合物钻井液和磺化钻井液结合在一起而形成的一类抗高温钻井液体系。聚磺钻井液既保留了聚合物钻井液的优点，又对其在高温高压下的泥饼质量和流变性进行了改进，从而有利于深井钻速的提高和井壁的稳定。聚磺饱和盐水钻井液是钻穿盐层、石膏层常用的一种钻井液体系，随着钻井深度的增加，钻遇深部盐层和石膏层的情况越来越多，对钻井液的抗高温能力要求越来越高，在现场实践中常出现因抗温能力不足，引起钻井液失水上升，高温稠化，流变性难以调控等问题，导致井下复杂事故的发生。因此，提高聚磺饱和盐水钻井液的抗高温能力和热稳定性是亟待解决的问题。本次设计选取现场常用两性离子聚磺饱和盐水钻井液，通过正交实验法，研究其抗温能力与体系组成的内在联系，得出影响该体系抗温能力的因素排序及最优化配方，经高温实验检测，该体系抗温能力达 160 度以上。 关键词：聚磺钻井液；饱和盐水；热滚动；高温高压失水；抗温能力；优选IIAbstractThe polysulfonate drilling fluid,as a kind of drilling fluid system resistant to high temperatures,is polymer drilling fluid combined with sulfonated drilling fluid.Polysulfonate drilling fluid not only retains the advantages of polymer drilling fluid,and also improves mud cake quality and rheological properties under high temperature and high pressure ,thus,it is in favor of drilling rate improvement of deep wells and wellbore stability.Polysulfonate saturated brine drilling fluid is a kind of drilling fluid system for layer of salt and gypsum layers.With the increase of drilling depth,the situation of encountering layer of salt and gypsum layers is more and more,the demand for temperature resistance capacity is higher.In the field practice,it often causes the rise of fluid loss ,high temperature thickening and the difficult to control the rheology due to the inadequate of temperature resistance capacity,leads to complex accidents under well.Therefore,its vital to enhance temperature resistance capacity and thermal stability of polysulfonate saturated brine drilling fluid.This design is to select a frequently used zwotterionic polysulfonate saturated brine drilling fluid,through the orthogonal experiment method,research the inner link of temperature resistance capacity and system composition,to find the sequence of factors which influence the systems temperature resistance capacity and optimizing formulation.After the testing experiment under high temperature,this systems temperature resistance capacity can reach above 160 degrees.Keywords: polysulfonate drilling fluid;saturated brine;hot rolling;filtration under high temperature and high pressure ;temperature resistance capacity; optimizationIII目录中文摘要 英文摘要 第 1 章 绪论 11.1 聚磺饱和盐水钻井液的概况 11.2 研究的目的和意义 21.3 主要研究内容和关键点 2第 2 章 两性离子聚磺钻井液抗温及抗盐机理 32.1 高温水基钻井液的主要特点 32.2 高温对搬土颗粒的影响 42.3 高温对钻井液处理剂的影响 62.4 高温对钻井液中粘土粒子和处理剂相互作用的影响 72.5 两性离子聚磺化钻井液抗高温原理 82.6 盐对水基钻井液的影响 8第 3 章 研究方案 113.1 实验方案 113.2 实验程序 143.3 测试评价方法 14第 4 章 实验数据分析 174.1 对高温高压失水的极差分析 18 4.2 对流变参数的极差分析 214.3 热滚动结果的数据分析 22第 5 章 研究结论 26致谢 27参考文献 2811 绪论1.1 聚磺钻井液的概况 3聚磺钻井液是在钻井实践中将聚合物钻井液和磺化钻井液结合在一起而形成的一类抗高温钻井液体系。尽管聚合物钻井液在提高钻速、抑制地层造浆和提高井壁稳定性等方面确有十分突出的优点，但总的来看其热稳定性和所形成泥饼的质量还不适应于在井温较高的深井中使用。特别对于硬脆性页岩地层，常常需加入一些磺化类处理剂来改善泥饼质量，以降低钻井液的 HTHP 滤失量。因此，很自然地逐渐将两种体系结合在一起。聚磺钻井液既保留了聚合物钻井液的优点，又对其在高温高压下的泥饼质量和流变性进行了改进，从而有利于深井钻速的提高和井壁的稳定。这类钻井液的抗温能力可达 200-250，抗盐可至饱和。从 20 世纪 80 年代起，这种体系已广泛应用于各油田深井钻井作业中。适宜的膨润土含量是聚磺钻井液保持良好性能的关键，必须严加控制。如果泥饼质量变差，HTHP 滤失量增大，应及时增大 SMP-1、SMC 和磺化沥青的加量；若流变性能不符合要求，可调整不同相对分子质量聚合物所占的比例以及膨润土的含量；若抑制性较差，可适当增大高分子聚合物包被剂的加量或加入适量 KCL。聚磺钻井液所使用的主要处理剂可大致地分为两大类：一类是抑制剂类，包括各种聚合物处理剂及 KCL 等无机盐，其作用主要是抑制地层造浆，从而有利于地层的稳定；另一类是分散剂，包括各种磺化类、褐煤类处理剂以及纤维素、淀粉类处理剂等，其主要主要是降滤失和改善流变性，从而有利于钻井液性能的稳定。在深井的不同井段，由于井温和地层特点各异，对两类处理剂的使用情况应有所区别。上部地层以增强抑制性和提高钻速为主，而下部地层应以抗高温降滤失为主。目前，我国钻井液科技人员在聚磺钻井液的现场应用方面已积累了丰富的经验。他们通常将以上两类处理剂分别简称为“聚”类和“磺”类，提出了深井上部地层“多聚少磺”或“只聚不磺” ；而下部地层“少磺多聚”或“只磺不聚”的实施原则，其分界点大致在井深 2500-3000m。根据这一原则，聚磺钻井液已在我国许多油田得到普遍的推广应用。1.2 研究的目的和意义盐层和石膏层是钻井工程中的复杂地层，常引起井下复杂事故，对钻井工2程危害极大。国内的塔里木油田、克拉玛依油田、青海油田、四川、华北、胜利、中原、江汉等油田都有广泛的分布。中石油海外战略发展区域之一的中亚滨里海沉积盆地各油区也分布着巨厚的盐层和石膏层。两性离子聚磺饱和盐水钻井液是钻穿盐层、石膏层常用的一种钻井液体系，随着钻井深度的增加，钻遇深部盐层和石膏层的情况越来越多，对钻井液的抗高温能力要求越来越高，在现场实践中常出现因抗温能力不足，引起钻井液失水上升，高温稠化，流变性难以调控等问题。在现场大段复合盐层的钻进中，随着易分散膏泥岩的混入及持续的高温作用，钻井液流变性的控制更加困难，引起的钻井液性能恶化，导致井下复杂事故的发生。因此，提高聚磺饱和盐水钻井液的抗高温能力和热稳定性是亟待解决的问题。本课题的目的在于研究两性离子聚磺饱和盐水钻井液抗温能力与体系组成的内在联系，通过各因素水平的优选组合，得到能抗160 度以上高温的聚磺饱和盐水钻井液体系配方，为现场应用提供参考。1.3 主要研究内容和关键点研究内容主要包括：（1） 两性离子聚磺饱和盐水钻井液组成对抗温能力的影响；（2） 影响体系抗温能力和热稳定性的因素排序及最佳优化配方；（3） 最佳优化配方的极限抗温能力测评。关键点：（1）正交实验因素和水平的选择；（2）实验条件的制定。32 两性离子聚磺钻井液抗温及抗盐机理2.1 高温水基钻井液的主要特点 8超深井钻井液的最大特点是使用于高温高压的条件下，5000m 深井的井底温度可达 150-200.。井越深，地层越老，越可能出现温度梯度异常，井底温度越高。而一般 5000m 以上深井的井底压力可能达到 100MPa 以上。如此高温高压必然会对钻井液体系发生严重的影响。由于水的可压缩性相对较小，故压力对水基钻井液的密度及其它性能，如流变性、滤失造壁性等均无明显的影响，但是温度的影响却十分显著。2.1.1 高温恶化钻井液性能随着温度的增加，钻井液的各种性能都会随之而发生改变。一般而言，升温使钻井液的造壁性能变坏，即泥饼变厚，渗透性变大，滤失量增高。高温对钻井液流变性的影响比较复杂，其影响情况可根据粘度与温度的关系分为三种形式。第一种是粘度随着温度的升高反而降低。它属于抗温能力较强但粘土含量较低的分散钻井液。这类钻井液流变性的构成中，非结构粘度所占的比重大于结构粘度。而聚结性强、粘土含量高的钻井液，它的粘度反应为第二种形式，即粘度随着温度升高而增大。此种钻井液的结构很强，大大超过塑性粘度对于粘度的贡献。各类水基钻井液在较宽的温度范围内（常温高温）普遍表现为随温度的升高粘度先降低再增大的第三种趋势。研究表明，这种因温度而变化的性质有可能是可逆的。因为，它能较好地反映钻井液使用中从井口井底井口的循环过程中钻井液性能的实际变化情况。2.1.2 高温降低钻井液的热稳定性高温使钻井液中各组分本身及各组分之间在低温下本来不易发生的变化、不剧烈反应、不显著的影响都变得激化了。这些作用的结果必然严重改变、损害以至完全破坏钻井液的原有性能，而这种影响是不可逆的永久性变化。它表明了钻井液体系受高温作用后的稳定能力的变化。实际反映钻井液在使用过程中井口进出口性能的变化。2.1.2.1 高温对钻井液流变性热稳定性的影响41高温增稠钻井液经高温作用后视粘度、塑性粘度、动切力及静切力上升的现象，属不可逆的变化。高温增稠是深井钻井液最常见的现象，在使用中表现为钻井液井口粘、切力不断上升，特别在起下钻后升幅更大。凡钻井液中粘土含量高，分散性强的钻井液则表现出这种现象。2.高温减稠钻井液经高温作用后，动、静切力下降的现象称为高温减稠。主要表现为动静切力下降。高温减稠作用纯是高温引起的变化，在实际作用中它表现为钻井液井口粘、切力逐渐缓慢下降。3.高温固化钻井液经高温作用后成型且具有一定强度的现场称为高温固化。凡发生高温固化的钻井液不仅完全丧失流动性而且失水猛增。实践证明，钻井液体系经高温作用后，常表现出以上几种不同的现象。这些现象不仅发生在不同的钻井液体系中，而且同一体系在不同条件下，都可能出现。这些都充分说明了高温对钻井液体系影响的复杂性。2.1.2.2 高温降低钻井液的 PH 值钻井液经高温作用后 PH 值下降，其下降程度视钻井液体系不同而异。钻井液矿化度越高，其下降程度越大，经高温作用后的饱和盐水钻井液 PH 值一般下降到 78。PH 值下降必然会恶化钻井液性能，影响钻井液的热稳定性，钻井液体系经高温后 PH 值下降的情况一般采用表面活性剂可抑制。2.1.2.3 高温增加处理剂加量经验表明，高温钻井液比浅井常规钻井液消耗更多的处理剂。随着井深增加温度升高，钻井液处理剂用量明显增加。原因为：一是维持高温高压下所需的钻井液性能要比低温消耗更多的处理剂；而是为弥补高温的破坏作用所带来的损失而作的必要的补充。因此，温度越高，使用时间越长，处理剂消耗量必然会越大，且增加了深井钻井液的技术难度。2.2 高温对搬土颗粒的影响 7高温对水基钻井液的影响十分明显并且非常复杂。一般认为这是高温引起钻井液组分的变化和影响各组分间的化学及物理化学作用的结果，其中，高温对钻井液粘土的作用是基础，对处理剂的作用是关键。2.2.1 高温分散作用大量事实证明，高温使水基悬浮体的粘度增加。通过实验得知其原因是高5温使钻井液中粘土粒子自动分散导致其粒子浓度增大，比表面增加。同时实验还发现粘土的高温分散能力与其水化能力相对应：易水化的钠搬土，其高温分散作用强；而不易水化的钙搬土、高岭土，其高温分散作用弱；而任何粘土在油中的悬浮体都未见到高温分散现象。因此，可以认为，钻井液中粘土的高温分散本质上是水化分散，而高温只是激化了这种作用而已。产生高温分散作用的原因，主要是由于高温加剧了钻井液中各种粒子的热运动，这样可能增强了水分子深入未分散的粘土离子晶层表面的能力，另一方面使粘土矿物晶格中片状微粒的热运动加剧，增强了水化膨胀后的片状粒子彼此更加分散。影响高温分散作用的因素主要有以下几种：(1)粘土种类。它是高温分散水化分散的决定因素。在常温下越容易水化的粘土，高温分散作用也越强。 （2）温度及作用时间。所受的温度越高，作用时间越长，粘土高温分散越强。 （3）PH 值。由于 OH-的存在有利于粘土的水化，因此高温分散作用随 PH 值升高而增强。 （4）一些高价无机阳离子的存在（Ca 2+、Mg 2+、Al 3+等）不利于粘土水化，因为它们对粘土的高温分散具有一定的抑制作用，其作用大小与正离子价数和浓度相关。高温分散作用使钻井液中粘土粒子浓度增加，因此，对钻井液的流变性有很大的影响，而且这种影响是不可逆的和不可恢复的。2.2.2 高温聚结作用高温下，粘土粒子热运动加剧，这增加了粘土颗粒碰撞的频率；同时，这也降低了水分子在粘土表面或极性基团周围定向的趋势，即减弱了它们的水化能力使其外层保护水化膜减薄（高温去水化作用） ；另外，温度的升高促进了处理剂在粘土颗粒表面的解吸附。这些原因使钻井液中粘土粒子易于聚结，且这种作用可随温度的变化而部分可逆。粘土粒子高温聚结对钻井液性能的影响很明显，主要是因为高温聚结使钻井液中的粘土颗粒数目减少，粒径增大，从而增大了泥饼的渗透率，使泥饼质量降低，增加钻井液滤失量。影响高温聚结作用的因素很多，主要有以下几种：粘土表面的水化能力，温度高低，钻井液中的电解质浓度和种类，处理剂和用量，粘土粒子的分散度和浓度等。2.2.3 高温钝化实验发现，粘土悬浮体经高温作用后，粘土粒子表面活性降低，这就是粘6土粒子表面高温钝化。高温钝化钻井液的分散度、粘度增加的同时，动切力和静切力却增加不多，有时甚至下降，这个现象在悬浮体中粘土含量较低时普遍存在。这充分说明粘土粒子经高温后，其表面活性降低，这可从测定高温前后粘土粒子单位表面的吸附量减少而得到证实。这种现象叫粘土粒子表面高温钝化。高温钝化对钻井液性能的影响主要有高温减稠和高温固化两个方面。2.3 高温对钻井液