史峻臣 , 尚興典 , 湯希希 , 趙賽特

(荊州學(xué)院 , 湖北 荊州 434023)

為提高滲流面積,其中大多數(shù)為水平井,鉆井液的配制方法決定了地層的保護(hù)程度和鉆井工具的使用壽命。傳統(tǒng)的鉆井液往往采用蓬松土配漿以及重晶石加重,這些固相一旦入侵儲層,必然會造成儲層孔喉堵塞,影響油氣產(chǎn)量,同時(shí)降低油層質(zhì)量[1]。國外對付類似高溫高壓復(fù)雜地層優(yōu)先選用油基鉆井液體系,即油包水乳化鉆井液[2]。雖然油基鉆井液不易卡鉆井塌,但容易濾失,同時(shí)調(diào)節(jié)流變性和乳化穩(wěn)定性難度很大,且成本高污染環(huán)境對錄井工作帶來不便。無固相鉆井液是一種以儲層保護(hù)為目的的水基鉆井液,該體系是在聚合物水基鉆井液的基礎(chǔ)上不斷演變而來的,不使用膨潤土與重晶石等固相顆粒,由水溶性高分子聚合物增黏劑和降濾失劑以及無機(jī)鹽或有機(jī)鹽和水組成無固相鉆井液體系[3]。

因?yàn)椴皇褂灭ね?從根本上消除了黏土固相顆粒對儲層的污染,卓越的泥餅性能,有利于儲層保護(hù),同時(shí)體系形成的泥餅易于返排,滲流通道易于重新建立,儲層保護(hù)效果好[4]。對于環(huán)保型的耐高溫?zé)o固相鉆井液的需求迫切。首先解決高溫破壞性而研制的處理劑和建立的鉆井液體系。在保證處理劑抗溫能力的基礎(chǔ)上研究高溫對鉆井液體系的作用機(jī)制,找出有利于性能改善的影響因素,提高有利因素的比重,形成利用高溫改善鉆井液性能的鉆井液體系。本文從配制新型抗高溫?zé)o固相鉆井液出發(fā)建立抗高溫?zé)o固相保護(hù)儲層鉆井液的體系與實(shí)驗(yàn)。

1 體系構(gòu)建與性能評價(jià)

1.1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1.1主要原料

玉米淀粉,工業(yè)級;苯乙烯磺酸鈉(SS)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、二烯丙基二甲基氯化銨(DMDAAC)、過硫酸銨、乙醇,分析純;NaOH、HCl、Na2CO3,分析純;HCOOK,工業(yè)級;流型調(diào)節(jié)劑VIS-HT,工業(yè)級;二甲基硅油,工業(yè)級,白炭黑,工業(yè)級;穩(wěn)定劑PAM、乳化劑TX-10、增稠劑CMC,工業(yè)級。封堵劑FDH工業(yè)級淀粉的預(yù)處理:分別取100 g玉米淀粉、50 mL稀鹽酸(濃度為 0.5 mol/L)依次加入裝有攪拌器的圓底燒瓶中,水浴加熱至55 ℃,恒溫條件下攪拌 4.5 h,得到粗產(chǎn)物,通過抽濾、干燥得到酸解淀粉。

改型淀粉降濾失劑的制備:稱取40 g上述酸解淀粉以及適量的水加入裝有攪拌器依次加入10 g苯乙烯磺酸鈉(SS)、6 g N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、7 g二烯丙基二甲基氯化銨(DMDAAC),用 NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值至8,水浴加熱至70 ℃,通氮?dú)? h后加入少量引發(fā)劑過硫酸銨,恒溫?cái)嚢钘l件下反應(yīng)4 h后,通過乙醇提純、抽濾干燥,最終得到改性淀粉降濾失劑。

消泡劑的合成:把100 mL的硅油和穩(wěn)定劑倒入四口燒杯中,在緩慢攪拌下注入總體積7%的白炭黑,加熱至175 ℃反應(yīng)3 h,反應(yīng)完成后冷卻至室溫觀察穩(wěn)定度,待其穩(wěn)定后加熱至90 ℃加入增黏劑和乳化劑繼續(xù)攪拌3 h,停止攪拌為成品。

1.1.2 加重鹽的選擇

由于K+對黏土晶格的固定作用,K+通常被認(rèn)為是對付水敏性地層最為理想的無固相鉆井液加重材料。而鉆井液用有機(jī)鹽加重劑通常是指甲酸鈉、甲酸鉀和甲酸銫,混合使用,密度在1.0～2.3 kg/L調(diào)整。有機(jī)鹽加重劑特性見表1。

表1 有機(jī)鹽加重劑特性

有機(jī)鹽具有很強(qiáng)的抑制性,有機(jī)鹽鉆井液能增強(qiáng)體系的高溫穩(wěn)定性。有機(jī)鹽鉆井液中,含有較多

的還原性基團(tuán),可除掉鉆井液中的溶解氧,使其他常規(guī)水中可降解的處理劑不發(fā)生降解反應(yīng),有效地保護(hù)了各種處理劑,使其在高溫下穩(wěn)定地發(fā)揮作用。其次,甲酸鹽能提高有些聚合物(黃原膠)的轉(zhuǎn)變溫度。甲酸根離子可以和黃原膠中的羥基和多糖鏈之間形成橋結(jié),使得黃原膠分子的結(jié)構(gòu)加強(qiáng),致使黃原膠抗溫性提高。甲酸鹽也能大幅度提高常用處理劑的16 h穩(wěn)定溫度(老化16 h后,聚合物的黏度或降失水能力降低)?；谝陨戏治?本文采用甲酸鉀作為加重劑,可有效地提高鉆井液的密度。

自主合成材料BHX為抗溫增黏降濾失劑封堵劑和消泡劑H26,同時(shí)加入FDH封堵劑以HCOOK有機(jī)鹽加重劑構(gòu)建無固相抗高溫鉆井液體系。

1.2 流型調(diào)節(jié)劑加量優(yōu)選

流型調(diào)節(jié)劑可改善鉆井液的流變性和濾失率,增強(qiáng)頁巖穩(wěn)定性,抑制黏土膨脹和水化[5]。以3.5%BHX作為抗溫增黏降濾失劑,甲酸鉀作為可溶性鹽加重劑和抑制劑,使鉆井液密度為1.3 kg/L。以VIS-HT為流型調(diào)節(jié)劑,并改變其加量,討論流型調(diào)節(jié)劑對鉆井液流變性能的影響,向鉆井液中加入不同質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)的VIS-HT,評價(jià)其在180 ℃老化后的流變性、美國石油協(xié)會(American Petroleum Institute,簡寫API)濾失量,結(jié)果見表2。

表2 鉆開液中流型調(diào)節(jié)劑VIS-HT的加量優(yōu)選

由表2可知,隨著流型調(diào)節(jié)劑VIS-HT的加量增加,體系黏切逐漸增大,API濾失量逐漸降低。其中,VIS-HT的加量為0.7%時(shí),體系黏切適中,API濾失量僅7.1 mL;繼續(xù)提高加量至1.0%時(shí),體系黏切大幅度上漲,但API濾失量降低不明顯。故優(yōu)選VIS-HT最佳加量為0.7%。

1.3 封堵劑FDH的加量優(yōu)選

按“水+3.5%BHX”配制5杯鉆井液,其中1杯作為空白樣,另外4杯分別向其中加入不同質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)的FDH,評價(jià)其在180 ℃老化后的流變性、API濾失量,結(jié)果見表3。

表3 鉆井液中封堵劑FDH的加量優(yōu)選

由表3可知,隨著封堵劑FDH的加量增加,體系黏切呈緩慢上漲趨勢,API濾失量逐漸降低。其中,FDH的加量為3.0%時(shí),體系黏切適中,API濾失量降低至4.4 mL;繼續(xù)提高加量至4.0%時(shí),API濾失量降低明顯。故優(yōu)選FDH最佳加量為3.0%。

1.4 潤滑消泡劑H26加量優(yōu)選

消泡劑能通過改變泡沫表面張力達(dá)到消泡的效果[6]。鉆井液要求潤滑消泡劑能夠有效地降低鉆井液的摩阻系數(shù),提高鉆井液的潤滑性能,有助于提高井壁的穩(wěn)定性;另有助于井控。按“水+3.5%BHX +0.7%VIS-HT+3.0%FDH”配制4杯鉆井液,其中1杯作為空白樣,另外3杯分別向其中加入不同質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)的H26,評價(jià)其在180 ℃老化后的流變性、API濾失量,結(jié)果見表4。

表4 鉆井液中潤滑消泡劑H26加量優(yōu)選

由表4可知,隨著潤滑消泡劑的加入,對鉆井液的流變性能以及濾失量的影響較小,可有效地抑制鉆井液在高攪條件下小氣泡的產(chǎn)生,且顯著降低鉆井液的潤滑系數(shù),當(dāng)潤滑消泡劑加量為2%時(shí),其潤滑系數(shù)僅為0.88,且降低了鉆井液的濾失量。提高了鉆井時(shí)效,有利于井壁穩(wěn)定,有助于鉆井安全[7]。

1.5 pH調(diào)節(jié)劑篩選

按“水+3.5%BHX+0.7%VIS-HT+3.0%FDH+2%H26”配制5杯鉆井液,分別向其中加入不同類型的pH調(diào)節(jié)劑,評價(jià)其在180 ℃老化后的流變性、API濾失量,結(jié)果見表5。

表5 pH調(diào)節(jié)劑篩選

由表5可知,不加pH調(diào)節(jié)劑情況下,老化后體系黏切均大幅下降,0.7%NaOH+0.5%Na2CO3使鉆井液老化前后的黏度切力變化較小,濾失量下降,并未出現(xiàn)起泡現(xiàn)象。基于以上分析以及經(jīng)濟(jì)成本考慮,抗高溫?zé)o固相鉆井液以NaOH+Na2CO3為pH調(diào)節(jié)劑?；谏鲜鎏幚韯┎牧霞恿績?yōu)選,確定密度為1.30 kg/L的抗高溫?zé)o固相鉆液:0.7%NaOH+0.5%Na2CO3+0.7%VIS-HT+3%BHX+3.0%FDH+2%H26+HCOOK+水。

2 體系性能評價(jià)

2.1 高溫降解度

將配制好的密度為1.30 kg/L抗高溫?zé)o固相保護(hù)儲層鉆井液體系(配方為:水+0.7% NaOH+0.5%Na2CO3+0.7%VIS-HT+3.5%BHX+3.0%FDH+2.0%H26+HCOOK)靜置于全自動真空干燥箱一段時(shí)間后,測試其表觀黏度來表征無固相保護(hù)儲層鉆井液的自降解性能,傳統(tǒng)的鉆井液遇到較高溫度時(shí),不能保持很好的穩(wěn)定性[8]。結(jié)果見表6。

表6 無固相鉆井液體系自降解性能

由表6可知,抗高溫?zé)o固相保護(hù)儲層鉆井液體系在高溫下靜置后,仍保持良好的網(wǎng)架結(jié)構(gòu),靜置5天后,其表觀黏度仍有33 mPa·s。隨著高溫下靜置時(shí)間的延長,其膠體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)降解明顯,且在長時(shí)間靜置下表現(xiàn)出優(yōu)異的可降解性能,表明該無固相鉆井液在裂縫、孔喉中可有效地降解。

2.2 儲層保護(hù)性能評價(jià)

室內(nèi)初步對抗高溫?zé)o固相保護(hù)儲層鉆井液體系進(jìn)行了儲層保護(hù)效果評價(jià),結(jié)果見表7。

表7 儲層保護(hù)效果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鉆井液體系的滲透率恢復(fù)值均>90%,具有優(yōu)良的儲層保護(hù)效果,滿足鉆井儲層保護(hù)要求。另外,抗高溫?zé)o固相保護(hù)儲層鉆井液體系在孔喉中長時(shí)間高溫靜置后,其自降解性能有助于儲層保護(hù),其滲透率恢復(fù)值高于96%。

3 結(jié)論

①通過優(yōu)選優(yōu)配無固相抗高溫保護(hù)儲層鉆井液處理劑,并添加可提高鉆井液抗溫能力的添加劑進(jìn)一步提高鉆井液的抗溫能力來建立抗高溫高密度鉆井液體系的技術(shù)路線是切實(shí)可行的。②基于上述處理劑材料加量優(yōu)選,確定密度為1.30 kg/L的抗高溫?zé)o固相鉆液:水+0.7% NaOH+0.5%Na2CO3+0.7%VIS-HT+3%BHX+3.0%FDH+3.0%H26+HCOOK。③隨著高溫下靜置時(shí)間的延長,其膠體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)降解明顯,且在長時(shí)間靜置下表現(xiàn)出優(yōu)異的可降解性能,表明該無固相鉆井液在裂縫、孔喉中可有效地降解。④實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鉆井液體系的滲透率恢復(fù)值均>90%,具有優(yōu)良的儲層保護(hù)效果,滿足鉆井儲層保護(hù)要求。