水基半透膜钻井液技术研究与应用

1、水基半透膜钻井液技术研究与应用林喜斌 孙金声 苏义脑 （中国石油勘探开发研究院，北京）摘要：介绍了一种新型的有机硅酸盐半透膜剂BTM-2。通过钻屑回收率、泥球浸泡、抑制膨润土造浆、抗污染、抗温等试验及半透膜效率测定，评价了半透膜剂及半透膜钻井液的性能，有机硅酸盐半透膜钻井液具有高半透膜性能、强的抑制泥页岩水化膨胀、分散的能力、良好的抗钻屑污染能力和高温流变性能。现场应用表明，该钻井液体系抑制能力强，防塌效果好，井径扩大率小，井径规则。关键词：半透膜剂 抗污染 抗温 抑制作用泥页岩遇水易水化膨胀、分散，易造成井壁坍塌、卡钻等井下复杂情况，据统计，90%以上的井下复杂情况都是由于泥页岩的这些特点引

2、起的。科学研究发现，井壁失稳的原因是由于孔隙压力扩散所至。因此，维持井壁稳定的重点就在于控制孔隙压力扩散的问题上。通过对页岩的研究发现泥页岩在与水作用的情况下会产生“半透膜”的性质，存在一定的膜效率，它是一种非理想的半透膜其效率不是100%，可用反映系数来表征膜的理想性，也作膜效率，可以加入特种处理剂来提高泥页岩的膜效率。利用“半透膜”的机理对现有的钻井液体系研究得出水基钻井液在一定条件下可达到近油基钻井液体系的性能，使用水基钻井液替代油基钻井液成为可能。半透膜水基钻井液中的有机硅酸盐具有硅氧四面体结构（SiO44-），可与井壁上的硅酸盐、硅氧化物等硅的化合物结合，形成Si-O-Si链化合物。

3、由于Si-O键能巨大（452kJ/moL），形成的复杂化合物非常稳定，在井壁上形成一层具有一定强度的具有半透膜性能的硬壳“封固壳”，在井壁外围形成保护层，阻止水及钻井液进入地层，有效的防止地层水化膨胀、封堵地层层理裂缝、防止地层内粘土颗粒的运移、防止井壁坍塌及保护油气层。一、 水基钻井液半透膜理论1、半透膜的原理用半透膜将纯溶剂与溶液或稀溶液与浓溶液隔开，溶剂分子能从纯溶剂一边进入溶液一边，或从稀溶液一边进入浓溶液一边，这种现象称为渗透现象。当渗透达到平衡时，右端液面高出左端液面一段距离（如图1中的h），产生静压力，阻止溶剂继续向右端渗入，静压力为P=hg，称为渗透压。图1为测定渗透压的仪器示

4、意图。半透膜 P=hg纯溶剂 溶液 图1 渗透压仪器示意图 中国石油天然气集团公司应用基础研究项目（No.03A20203）资助2、半透膜膜效率的计算对于理想半透膜，渗透压值可根据Vant Hoff方程式直接计算出来，即： =cRT （1）式中c为半透膜剂在溶液中的摩尔浓度，R为气体常数，T为开氏温度值。但许多半透膜都是非理想半透膜，确定非理想半透膜的完美程度即膜效率可用下式来计算。 =（P/）J=0 （2）式中为膜效率，其意义为膜两侧无流动时，外压与渗透压之比。在测外压不方便情况下，可通过测量溶液中离子浓度的变化亦即测溶液的电导率来计算膜效率。电导率（）公式为：= （3）式中N为半透膜剂的当

5、量浓度，为当量电导。而当量电导可由下式求算：由于： =A 所以： c=（）2 （4）式中为极限当量电导，A为常数。对于一价离子化合物，c=N。将式（1）、（3）、（4）代入式（2）得： = （5）利用电导率测得的溶液电导率值，通过式（5）可计算半透膜的膜效率。二、半透膜剂及半透膜钻井液的性能1、半透膜剂BTM-2的性能通过钻屑回收率试验、泥球浸泡试验、造浆降低率试验，评价了有机硅酸盐半透膜剂BTM-2的抑制性能。1）、半透膜性能试验 将25mL的半透膜BTM-2溶液与清水分别加入液槽中，待渗透平衡后，量取液面高度差，计算实际渗透压及膜效率（清水进入半透膜溶液中为正）。结果见表1。表1与清水平衡

6、时的渗透压及半透膜效率半透膜浓度0.5%1%3%渗透压（牛顿）14.928.377.7膜效率（%）89.885.378.1表1的试验结果表明，BTM-2具有半透膜性能，半透膜效率较高，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%，半透膜溶液浓度低时，其效率反而高。2）、钻屑回收率试验 将冀东油田M3S-3井2482-2103m井段钻屑加入到不同的抑制剂溶液中，在1200C下热滚16h后测定回收率，试验结果见表2。表2 抑制剂回收率的试验结果（钻屑为冀东油田M3S-3井2482-2103m）名称清水5%甲酸钾0.5% BTM-21% BTM-21.5%

7、BTM-22% BTM-23%硅酸钠（2.8模）0.5%80A51回收率%1290.376.794.397.699.790.719.3表2的试验结果表明，半透膜剂BTM-2抑制泥页岩水化膨胀、分散的能力较硅酸盐、甲酸盐强，远大于阴离子、两性离子聚合物。3）、泥球浸泡试验将60克钠膨润土与30克蒸馏水混拌均匀，捏成约10g/个的小球，放入不同的抑制剂溶液中浸泡，每隔一定时间称量泥球，计算进入泥球中水的百分量即水量/泥球原始重量，试验结果见表3。从表3的试验结果可以看出，泥球在半透膜剂BTM-2的溶液里浸泡72h后，吸入的水量不超过泥球原始重量的85%，远远低于泥球在其他抑制剂溶液中浸泡时所进入的

8、水量，而在其他抑制剂溶液中所进入的水量超过泥球原始重量的200%以上。在泥球表面，由于有机硅酸盐与泥球表面的无机硅酸盐通过Si-O-Si或RO-Si键形式连成网状结构，包裹着泥球，在泥球表面形成一层“封固壳”，阻止水进入泥球，使粘土不能进一步水化。因此，可防止粘土水化膨胀、分散，封堵地层裂隙，维护井壁的稳定性，可有效地保护储层。表3 泥球浸泡试验结果时间（h） 泥球重量g溶液名称12h24h48h72h0.5%80A5192.27126.41197.80237.680.5%FA36779.07115.09180.92208.610.5%大阳离子89.37117.44230.32273.303%

9、硅酸钠（2.8模）散（无法称）散（无法称）散（无法称）散（无法称）3%BTM-240.4152.1272.8480.574）、造浆降低率试验清水加10%的钠膨润土，测600的粘度数值1。然后在0.5%BTM-2溶液中加入10%的钠膨润土，测600的粘度数值2。造浆降低率值=（1-2）/1。表4 BTM-2抑制造浆试验结果序号 600值钻井液12310%土1081131210.5%BTM-2+10%土302935造浆降低率%72.2274.3471.07表4的试验结果表明，加入0.5%BTM-2使10%的钠膨润土浆造浆率降低率达70%以上，BTM-2的具强抑制作用。2 钻井液的性能1）、钻井液的

10、半透膜性能试验 将25mL的钻井液与清水或4%NaCl溶液分别加入液槽中，待渗透平衡后，量取液面高度差，计算实际渗透压及膜效率（清水或4%NaCl溶液中的水进入半透膜溶液中为正）。结果见表5。表5 与0.5%BTM-2钻井液平衡时的渗透压及半透膜效率与钻井液平衡的液体渗透压（牛顿）清水38.54%NaCl水溶液15.2注：半透膜钻井液配方为4%土+0.5%BTM-2+2%CFJ-1+2%SMC+0.2%FA367+2%WBF-1从表5的试验结果可知，半透膜剂BTM-2与其它处理剂配成钻井液后，渗透压增大，半透膜性能增强了，尤其是与清水接触，钻井液的渗透压增大了2倍多。但与4%NaCl水溶液接触

11、，只渗透压增大2%，这是因为4%NaCl水溶液也能产生渗透压的缘故。2）、钻井液的回收率试验 将冀东油田M3S-3井2482-2103m井段钻屑加入到不同的抑制剂钻井液中，在1200C下热滚16h后测定回收率，试验结果见表6。表6 钻井液回收率的试验（钻屑为冀东油田M3S-3井2482-2103m）序号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%甲酸钾表6的试验结果表明，2号钻井液与3号钻井液相比，虽然BTM-2的加量是甲酸钾的十分之一

12、，但两者的回收率相近，显示BTM-2钻井液的强抑制性。3）、钻井液的性能试验 钻井液养护24h，测常规性能，实验结果见表7。表7 BTM-2钻井液的性能项目序号钻井液常规性能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%大阳离子 4：4%土+1.2% BTM-2+2%CFJ-1+0.1%FA36

13、75：4%土+0.5%BTM-2+1%铵盐+0.2%FA367表7实验数据说明半透膜钻井液较低的API滤失量和良好的流变性能，API滤失量都低于5ml且泥浆的粘度及切力都较好，显示BTM-2与其它处理剂良好的配伍性能。4）、钻井液抗污染性能试验 将不同量的钻屑粉分别加入到BTM-2钻井液中， 在1200C下热滚16h，测定热滚前后钻井液的常温性能。试验结果见表8。表8 钻井液的抗污染性能项目序号钻屑%热滚前热滚后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：基浆-4%土+0.5%BTM-2+2%CFJ-1+2%SMC+0.2%FA367+2%WBF-1表8的试验结果表明，在 BTM-2钻井液体系中加量20%的钻屑粉时，钻井液的性能及高温高压性能都很好。说明钻井液体系具有较强的抗钻屑污染能力。5）、钻井液加重浆的性能试验将不同密度的钻井液养护24h，在1200C下热滚16 h，测量热滚前后的性能及高温高压滤失量。其结果见表9。表9 高密度半透膜钻井液的性能 热滚温度 1200C（16h）项目序

15、号密度热滚前热滚后HTHPAVmPa.sPVmPa.sYPPaFLmLpHAVmPa.sPVmPa.sYPPaFLmLpHFLHTHP（mL）滤液pH11.0217.5152.54.69242134.8912921.51353235938.5335.53.2910.4931.724034659413573.6989注：1：基浆-4%土+0.5%BTM-2+2%CFJ-1+2%SMC+0.2%FA367+2%WBF-1，2、3：基浆+重晶石由表9的试验结果可以看出，高密度的半透膜钻井液的粘度、切力都较好，API滤失量也较低，且在高温高压下，钻井液的高温高压滤失量随密度的增加而降低，说明高密度半透

16、膜钻井液的性能良好。6）、钻井液的抗温性能试验将钻井液在不同的温度下热滚16h，测试热滚前后的性能及高温高压滤失量。试验结果见表10。表10 半透膜钻井液的抗温性能 （温度1500C热滚16h）项目序号温度0C热滚前热滚后HTHPAVmPa.sPVmPa.sYPPaFLmLpHAVmPa.sPVmPa.sYPPaFLmLpHFLHTHP（mL）滤液pH钻井液室温17.5152.54.6910017.5152.54.6918.5162.54.6912912017.5152.54.692017.52.54.4912915017.5152.54.692112859169注：钻井液：4%土+0.5%B

17、TM-2+2%CFJ-1+2%SMC+0.2%FA367+2%WBF-1 表10 的试验结果表明，钻井液体系在1500C以下，热滚后钻井液性能较好，在1500C下的高温高压滤失量为16mL，钻井液具有良好抗温性能。7)、渗透率恢复实验在100，压差3.5mPa，速梯为200-s条件下，按照动态模拟现场钻井液损害时的试验步骤，评价了钻井液损害后岩心的渗透率恢复值试验结果见表11。试验结果表明，冀东油田二开钻井液转换成成膜水基钻井液后岩心经钻井液损害后的渗透率恢复值高，能有效减轻钻井液对中低渗透率油层的损害。表11 钻井液岩心渗透率恢复值实验结果序号钻井液配方岩心105min动滤失 mL气 相 渗

18、透率 10-3油 相 渗透率 10-3渗透率恢复率，%切割后渗透率恢复率，%反排突破压差Mpa平均 温度 1冀东基浆（L90-34，2240m泥浆）露头岩心5.6105.96 47.36 37.06 48.470.084 1202成膜钻井液露头岩心4.5107.23 40.79 98.56 0.068 1203冀东基浆（L90-34，2240m泥浆）露头岩心6.8262.5876.1636.260.141204成膜钻井液露头岩心4.6264.61 71.09 1000.070 1205成膜钻井液露头岩心4.6266.62 72.099460.076 120注，成膜钻井液：冀东基浆+1%BTM-

19、2+1%SMC+1%液降+2%CMJ-2+1SMP-1三、现场应用1、 半透膜钻井液技术在冀东油田的应用试验井选择高尚堡地区的三开井段，试验井G76-42位于高尚堡油田高76断块构造较高部位，钻探目的是开发ES1ES31油藏，为三段制三开定向井，造斜点深度1706m，完钻井深3286m，最大井斜角31°，全井采用PDC钻头、单弯螺杆复合钻进，施工井段22863286m。成膜钻井液体系的试验是在聚合物体系的基础上开展的，转换前，对聚合物钻井液进行处理，把膨润土含量控制在50g/l以下，然后半透膜以0.8%、隔离膜以2%，液体降粘剂以0.5%的含量。半透膜配成胶液加入，加入以后，钻井液的

20、流变性很好。并随后进行补充，保证半透膜、隔离膜的有效含量。转化前后钻井液性能见表12：二开钻井液转换成成膜水基钻井液性能非常稳定，钻井液性能一直维持到钻到3024m，此时发生较为严重的油气侵，最后把钻井液密度提至1.39 g/cm3，此时钻井液性能见表11，该性能维持到完钻。在三开钻井施工过程中，在2822m、3202m和3286m三次短起下，起下钻正常，无任何阻卡现象。电测一次成功，下套管完井顺利。表12 二开钻井液转换成成膜水基钻井液前后性能性 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)泥饼厚度(mm)pH二开聚合物-2286421.171551.5/44.80.59成膜钻井液22863024351.1894.50.5/14.40.59井涌后成膜钻井液30243286501.391962/430.592、半透膜钻井液技术在克拉玛依油田