钻井技术清洁钻井液新

1、1清洁钻井液新技术 西安石油大学 化学化工学院 张洁 教授 2钻井液体系的更新换代及其性能维护与测量相关技术始终围绕着钻井新技术的要求而发展钻井新技术： 水平井钻井、分支井钻井、大位移井钻井 小井眼钻井 欠平衡钻井 导向钻井 钻井信息（自动化、智能化） 随钻测 套管钻井 冲击钻 320世纪钻井新技术对钻井液的要求安全环保无侵害(non-invasive)快速时时监测经济421世纪清洁钻(完)井液保护环境保护储层保护油气品质5发展趋势开发和完善保护油气层,保护环境,保护油气品质的钻(完)井液体系必将成为钻(完)井液技术的发展主流。6迄今为止，用作钻井液材料的天然化合物大多来自矿物和植物 矿物：坂

2、土、铁矿粉、石墨 植物林产化合物（不占耕地） 农产化合物 植物三大素 & 植物提取物 （占用耕地） 纤维素 （单宁)植物多酚 粮食淀粉 木质素（植物单酚） 松香 魔芋胶 半纤维素（植物胶聚糖） 主要分布于植物根、叶、杆 7钻井液材料的更新换代第一代：天然化合物（绿色化学品）。第二代：合成化合物，按化学结构分为无机、有机、功能 高分子三类。第三代：天然化合物-合成化合物结合（化学反应、物理复配）。第四代：疏水性缔合型水溶性聚合物，简称疏水缔合物。第五代：天然化合物 + 天然矿物 的复合物第二、三、四代钻井液处理剂大多存在二次污染的可能性。8钻井液体系的发展1.天然钻井液：1904-1921，黏土

3、造浆2.细分散钻井液：1921-1946，黏土造浆3.粗分散钻井液：1946-1973，黏土造浆4.不分散低固相钻井液：1966-现在，黏土和聚合物造浆5.无固相钻井液：1968 -现在，聚合物造浆 上述第4、5两种钻井液体系统称为聚合物钻井液9主要内容HPWBM体系聚糖水基钻井液体系甲酸盐水基钻井液体系石墨基材料用于稳定井壁10国外最新体系 HPWBM(高效水基泥浆) 设计理念 总体抑制:在保证页岩,黏土,钻屑稳定性的同时,改善一些关键性能(如:提高机械钻速,防钻具泥包及降低扭矩和起下钻遇阻现象)11HPWBM体系稳定页岩:采用化学+力学法形成选择性半透膜抑制黏土和钻屑:采用有机盐 无机盐对

4、黏土和钻屑的抑制有较强选择性,如, KCl:对蒙脱石抑制效果好 对伊利石抑制效果一般 对高岭土反而增加水化膨胀12HPWBM体系实现总体抑制途径 使用封堵处理剂水化抑制剂有机盐-聚合物复合包被剂 其作用方式与油包水乳化钻井液相似13聚糖水基钻井液体系聚糖水基钻井液体系是国外近十来年才研制成功的一种新型的对环境无污染的油基钻井液替代体系。1994年在达拉斯举行的IADC/SPE钻井会议上，Walker T. O.等人首次报道了聚糖水基钻井液体系的室内研究成果；1995年的IADC/SPE钻井会议上他们又正式报道了聚糖水基钻井液体系在美国墨西哥湾高水敏性页岩层进行的首次现场应用成果。国内学者和专家

5、也关注着上述研究和应用成果，1996年的国内文献中首次出现了有关报道；1998年以来，国内文献陆续报道了相关室内和现场的试验结果。14聚糖水基钻井液体系已投入应用近十年聚糖水基钻井液体系能够满足清洁化钻井作业的要求，其各项性能明显优于其它水基钻井液体系，具有突出的抑制性和润滑性（其抑制性和润滑性几乎可与油基钻井液相媲美），同时还兼有较强的增黏性、低滤失和良好的造壁性。聚糖水基钻井液体系在高、低渗透率储层中均具有良好的保护储层特性，其作用机理有三方面：（1）强抑制性有效地避免或减少了黏土矿物的水化膨胀和分散引起的储层损害；（2）低滤失和良好的成膜造壁性有效地控制了由于固相和滤液侵入而引起的储层损

6、害；（3）低表面张力和低界面张力有效地降低了因滤液滞留效应而引起的储层损害。15聚糖水基钻井液体系中聚糖的化学结构特性（以PG树胶和ZG树胶为例） PG原胶和ZG原胶均属天然植物杂聚糖甙，由五碳糖基和六碳糖基以甙键结合而成。PG原胶主要组成糖基比为：L-阿拉伯糖D-半乳糖D-木糖D-葡萄糖醛酸=6521。ZG原胶主要组成糖基比为：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 。凝胶色谱法测得其数均分子量分别为5080万和2545万。不同植物聚糖的组成糖基、糖基比、分子量均有所不同！ 16树胶水溶性及其胶液流变特性对聚糖水基钻井液性质的影响树胶液稳定性（热、盐、

7、剪切）及其影响因素树胶浓度-表观黏度关系树胶液表观黏度-溶胀时间关系树胶液表观黏度-温度关系树胶液表观黏度-剪切速率关系17树胶的理化性能及其影响因素对树胶液稳定性影响作用由大到小依次为：树胶本性、温度、pH值、含盐度、溶剂组成。PG树胶原胶在水中只溶胀，需加入分散剂才能形成均匀溶胶，改性PG树胶的水溶性和增黏性显著提高。ZG树胶在水中易溶解而形成均匀溶胶，具有良好的水溶性、增黏性、剪切稀释特性。PG树胶和ZG树胶的热解温度极限均为120，都可在任意含盐度下使用。18树胶的电化学特性研究PG胶液电泳实验ZG胶液电导滴定、电位滴定、Zeta电位测定 研究结果水溶树胶液的电导率随胶液浓度、温度、含

8、盐度的增大而增大，随酸性或碱性的增强而增强。 19钻井液用改性PG树胶 改性PG树胶在水基钻井液中同时兼有增黏、降滤失、防塌、润滑四种作用，控制改性反应及其条件，即可得到以其中一种作用为主的钻井液助剂。ZG胶用于钻井液中有利于废弃钻井液的处理分布在种子中的树胶与树木酚衍生物结合制备水基钻井液增黏剂20 ZG胶液发酵及其抑制ZG原胶液黏度随时间的变化（表1）ZG原胶-植物酚水溶胶液黏度随时间的变化（表2）ZG原胶-盐水溶胶液黏度随时间的变化（表3）21表1 室温（25C）下 ZG原胶液黏度随放置时间的变化 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: 原胶液指质量百分浓度为0.6% 的ZG原胶水溶胶液22表2 室温下 ZG原胶-植物酚水溶胶液黏度随放置时间的变化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 室温下不同浓度盐水ZG胶液表观黏度随时间的变化C盐 放 置 时 间 （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:以上盐水胶液中ZG原胶质量百分浓度均为0.6%。 24在植物酚类钻井液添加剂的开发研究中，木质素和单宁的化学结合物的开发与应用最引人注目植物酚和盐均对ZG胶液发酵有一定的抑制作用.植物酚和盐对ZG胶液发酵起抑制作用时，都存在一个最适宜浓度范围，植物酚适宜质量百分浓度为510%，盐的适宜质量百分浓度为2.02.5% 。 25PG原胶在水中只溶胀，需加入分散剂才能形成均匀溶胶，其溶胶在自然条件下不发酵；改性PG胶具有良好的水溶性，在水基钻井液中具有良好的降滤失和润滑作用并兼有一定的增黏和抑制水敏性矿物水化膨胀作用。26 ZG原胶在水中易溶解而形成黏稠的均匀溶胶，ZG胶液具有

12、良好的剪切稀释特性且在自然条件下易发酵降解；ZG树胶用作钻井液助剂时，需改性以抑制其发酵降解，才能满足钻井液循环使用的要求。 27树胶聚糖钻井完井液近几年开发的一种新型双保体系基本功效：防塌、降滤失、润滑、增黏、抑制水合物结垢现场试验表明：聚糖衍生物的水基体系比油基体系更具发展前途聚糖衍生物已用于原油储运的工作液中；已投入开发海底新能源-天然气水合物晶体的现场应用中28不同聚合物为主剂的钻井液性能对比（1）页岩滚动回收率实验结果钻井液 页岩滚动回收率（%）清水 16.3聚糖钻井液 94.6清洁盐水钻井液 88.6正电胶钻井液 83.2两性离子钻井液 72.4 主剂添加量：0.6g/100ml2

13、9不同聚合物为主剂的钻井液性能对比（2）表观黏度测定结果钻井液 表观黏度（mPa.S）基浆 10.0聚糖钻井液 31.0清洁盐水钻井液 11.5正电胶钻井液 19.0两性离子钻井液 24.0 主剂添加量：0.6g/100ml30不同聚合物为主剂的钻井液性能对比（3）失水量测定结果钻井液 API失水量（ml）基浆 6.5聚糖钻井液 2.4清洁盐水钻井液 8.0正电胶钻井液 7.8两性离子钻井液 5.6 主剂添加量：0.6g/100ml31不同聚合物为主剂的钻井液性能对比（4）润滑性能对比钻井液 极压磨阻 泥饼黏附 系数 系数降低率（%）基浆 41 聚糖钻井液 15 29.7清洁盐水钻井液 36

14、0.8正电胶钻井液 43 -0.3两性离子钻井液 31 1.4 主剂添加量：0.6g/100ml32ZG树胶为原料，不同改性方法的增黏效果比较（测定质量百分浓度均为0.2%的胶液表观黏度） 表观黏度（mPa.S）原胶液 2.5物理研磨改性胶液 10.0羧甲基化改性胶液 10.5丙烯酰胺醚化改性胶液 12.5羟丙基化改性胶液 14.5疏水缔合改性胶液 26.033聚糖钻井液特点 通常，增黏性与润滑性难以同时满足，而聚糖钻井液体系很好地解决了此矛盾。34SB现场应用（2区块共9口井）35主要内容：一、A区现场应用二、B区现场应用三、总结36一、A区现场应用 2004年6月，在A区一口井进行了第一次

15、现场应用。该井是一口开发井，设计井深1240米，实钻1207米，最大井斜15.41度。 现场应用表明，SB钻井液体系性能比较稳定，流变性能好，降失水效果明显，润滑、抑制能力强。37 随后在同一区块八口井进行了井组应用。（试用井分别编为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，未使用润滑剂，钻井液成本较普通聚合物成本降低，钻井过程无粘、卡事故，电测顺利。 38 2004年12月在B区选择一口井进行现场应用，该井是一口开发井，设计井深2584米，实钻2607米。 根据SB在A地区的使用情况，对该体系进行调整和完善，为了试验其在井深2000米以上井中的

16、性能变化，该井继续试用SB钻井液体系，为今后的推广使用积累经验。 现场应用表明：SB钻井液体系抑制能力强，性能稳定，流变性好，钻井过程中无粘、卡事故，井下安全。二、B区应用391、B区地质特点： 表层： 以灰色沙砾岩和灰黄色粘土为主； 三垛组、戴南组岩性主要是： 浅灰色含砾不等砾砂岩与棕色泥岩互层； 阜宁组： 上部为灰色泥岩、粉砂岩为主， 下部为深灰色砂质泥岩和紫色泥岩。 40一开 采用清水开钻，后用钠土5t、K2CO3 0.32t配浆 100m3，充分预水化24小时。二开（1）该井二开后采用SB钻井液体系，其基本配方 为：基浆+2%SB-4+0.5%Na-HPAN。 二开钻水泥塞后，加入0.

17、5t Na-HPAN， 调整好性能。上部流沙层要保持钻井液良好 的携砂能力，同时加入超细钙1t，封堵地层， 提高泥饼质量。2、钻井液技术：41（2）在Qy1的底部，进入ES2地层前一次性加入 SB-4 1.5吨，增强钻井液的抑制性，控制地层造浆。钻进过程中按2kg/m补充SB-4 ，保证钻井液的抑制性能。在钻进过程中，钻井液性能比较稳定，粘度保持在4045s之间，振动筛上返出的岩屑均为均匀规则颗粒状，且具有良好的流变性能。 （3）在Ed组继续补充SB-4，并用碱液调节钻井液的pH值，保持在8-9之间。由于杂多糖具有良好的润滑性能和一定的防塌性能，该井在Ed1底部没有加入防塌剂。 42（4）进入

18、Ef组后，钻井过程中震动筛上未见有垮塌、剥落的掉块，起下钻正常，说明该钻井液使用后泥页岩稳定性好，防塌性能满足井下要求。43三、结论：（1）SB在钻井液中的添加量范围为23%， 可用pH范围为6-14。其基本配方： 5%钠土+23%SB-4+0.5%Na-HPAN（2）SB在水基钻井液中具有良好的包被抑制 作用同时兼有较好的降滤失、润滑等多 项功能，井径扩大率均小于5%。（3）其主要作用机理包括线型大分子吸附包 被、吸水膨胀、弹性堵孔、水化膜润滑等。44（4）SB钻井液失水后的滤液及其滤饼浸出液 的CODCr和BOD5值均达到相应的排放标准 且易自然降解，降解速率BOD5/CODCr大于 0.3。 （5）热降解极限温度为120以上。 45甲酸盐钻井完井液近十几年发展起来的一种新型无固相体系基本组成：甲酸的碱金属盐、聚合物增黏剂、降滤失剂体系密度：1.72.3 g/cm3优点：循环压降小、腐蚀性小、易生物降解、对环境污染较小、热稳定性好（150C）、易配制和维护、保护储层效果好特别适用于：取代目前必须使用高价金属盐的清洁钻井完井液新进展：甲酸-硅-钾盐，热稳定性和井壁稳定性更好46石墨基材料 用于稳定井壁的钻井液新技术石墨类材料具有独特