新型無土相油基鉆井液研究與現場試驗
李振智1, 孫舉2, 李曉嵐2, 楊朝光2, 杜明軍3, 郭鵬1     
1. 中石化中原石油工程有限公司, 河南濮陽 457001;
2. 中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院, 河南濮陽 457001;
3. 中石化中原石油工程有限公司鉆井二公司, 河南濮陽 457001
摘要: 針對常規有土相油基鉆井液因有機土及瀝青降濾失劑等黏度效應較大、不利于流變性控制和低密度白油油基鉆井液適用范圍窄的問題,以自主研發的增黏提切劑、乳化劑和聚合物降濾失劑為基礎,通室內試驗考察了其配伍性并優選了其加量,形成了無土相油基鉆井液。室內試驗結果表明,無土相油基鉆井液在油水比為70:30~100:0、溫度為80~160℃、密度為0.9~2.2 kg/L時,塑性黏度可控制在55 mPa·s以內、破乳電壓在450 V以上,API濾失量小于2 mL,抗鉆屑污染達30%,抗水污染達20%,加重材料對潤滑性能影響非常小。焦石壩區塊4口頁巖氣水平井的現場試驗表明,無土相油基鉆井液原材料少,維護處理簡單,流變性易于控制,固相含量低,具有良好的剪切稀釋性,有利于降低循環壓耗,提高機械鉆速。
關鍵詞: 無土相油基鉆井液     增黏劑     乳化劑     降濾失劑     鉆井液性能     焦石壩區塊    
The Development and Application of a Clay-Free Oil-Based Drilling Fluid
LI Zhenzhi1, SUN Ju2, LI Xiaolan2, YANG Chaoguang2, DU Mingjun3, GUO Peng1     
1. Sinopec Zhongyuan Oilfield Service Corporation, Puyang, Henan, 457001, China;
2. Drilling Engineering Technology Institute, Sinopec Zhongyuan Oilfield Service Corporation, Puyang, Henan, 457001, China;
3. No. 2 Drilling Company, Sinopec Zhongyuan Oilfield Service Corporation, Puyang, Henan, 457001, China
Abstract: Conventional oil-based drilling fluids are characterized by their significant viscosity effects due to the content of organic clay and asphalt filtration loss controller. So it is difficult to control their rheological properties and the limited low-density oil-based drilling fluids application. Under such circumstances, a clay-free oil-based drilling fluid has been developed by using an independently developed viocosifier, strength-enhancing additives, an emulsifier and polymer filtration loss reducer. Compatibility and optimal volumes of such additives have been determined through experimental study. Research results show that the newly developed clay-free oil-based drilling fluid may have controlled plastic viscosity within 55 mPa·s, an emulsion-breaking voltage above 450 V,an API filtration losses less than 2 mL, cutting pollution resistance up to 30% and water pollution resistance up to 20% under oil/water ratios 70:30 to 100:0, temperature 80-160℃ and densities 0.9-2.2 kg/L. At the same time, the impact of weighting materials on lubrication performance are negligible. The newly developed drilling fluids have been applied in four horizontal shale gas wells in Jiaoshiba Block. Test results show that the innovative clay-free oil-based drilling fluids involve minor raw materials, simplified maintenance requirement, controllable rheological properties and low solid contents. With desirable shear thinning behaviors, the drilling fluid may effectively minimize circulation pressure losses and enhance ROP.
Key words: clay-free oil-based drilling fluid     tackifier     emulsifier     filtrate reducer     drilling fluid property     Jiaoshiba Block    

無土相油基鉆井液與傳統油基鉆井液一樣具有優良的潤滑性和抑制性,但無土相油基鉆井液固相含量低、環空流動阻力小,因此可提高機械鉆速、縮短鉆井周期。另外,無土相油基鉆井液當量循環密度低,可降低鉆井液損耗和井漏風險,并且添加處理劑的種類少,配制維護簡單。國外已形成成熟的系列無土相油基鉆井液(ACCOLADE、ENCORE、INNOVERT、INTEGRADE等)[1-5],從2001年開始廣泛應用,并取得了良好的應用效果。國內對無土相油基鉆井液的研究起步比較晚,目前主要研制有高密度無土相油基鉆井液[6-9]和無土相低密度白油油基鉆井液[10],也獲得了良好的現場應用效果。但是,現有無土相油基鉆井液存在流變性不易控制、適用范圍較窄等問題,無法滿足頁巖氣水平井鉆井的需求。為此,筆者在研制關鍵處理劑并優選其加量的基礎上,配制了油水比70∶30~100∶0、適用溫度為80~160 ℃、密度為0.9~2.2 kg/L的無土相油基鉆井液,并在焦石壩區塊4口頁巖氣水平井進行了現場試驗,取得了良好的應用效果。

1 無土相油基鉆井液構建思路

無土相油基鉆井液雖然有諸多優點,但由于不含有機土和瀝青,其懸浮穩定性和乳化穩定性難以保證,濾失量難以控制。因此,要構建無土相油基鉆井液,首先要研制增黏提切劑、乳化劑和降濾失劑。基于膠體粒子間締合機理,筆者設計并研制了剛性核/柔性殼的球形粒子增黏提切劑代替有機土,其在常溫下可迅速分散在基油中,剛性部分提供懸浮支撐,柔性長鏈伸展并相互纏繞提供結構力。基于降低表面張力、形成堅固界面膜和增加外相黏度的原理,筆者設計并研制了疏水鏈末端具有支化結構的乳化劑,其不但可以保證無土相存在時乳液的穩定性,還有助于提高外相黏度并有利于親水固相的潤濕反轉,從而使鉆井液具有較強的抗污染能力。基于變形封堵、吸附成膜機理,設計并研制了油分散聚合物降濾失劑,其可與增黏提切劑協同作用形成超薄濾膜,不但可以降低濾失量,還可使鉆井液具有一定的防漏能力。

2 無土相油基鉆井液配方的確定 2.1 關鍵處理劑的配伍性

以油水比80∶20的無土相油基基漿為基礎,考察增黏提切劑、乳化劑和聚合物降濾失劑的配伍性。按照文獻[1]的方法測試無土相油基基漿加入關鍵處理劑后的性能,結果見表 1。從表 1可以看出:無土相油基基漿的黏度和切力較低,加入增黏提切劑后黏度和切力明顯升高,濾失量降低,再加入降濾失劑后濾失量降低更明顯;加入重晶石后黏度和切力明顯升高,濾失量略有升高,破乳電壓顯著提高。這說明,增黏提切劑可以通過增大外相黏度起到穩定油包水乳液的作用,油溶性降濾失劑通過封堵濾餅孔隙和增大外相黏度降低乳液的濾失量;重晶石的加入增大了乳液中顆粒之間的內摩擦力,表現為黏度和切力明顯升高,破乳電壓雖然明顯提高,但乳液均勻程度降低,因此濾失量略有升高。從無土相油基基漿的綜合性能可以看出,關鍵處理劑之間的配伍性良好。

表 1 關鍵處理劑對無土相油基基漿性能的影響 Table 1 Effects of key treatment additives on performances of clay-free oil-based drilling fluid
配方 表觀黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 動切力/Pa 靜切力/Pa 動塑比 API濾失量/mL 破乳電壓/V
1 9.5 9.0 0.5 1.0/0.5 0.06 10.6 402
2 20.0 16.0 4.0 3.0/3.5 0.25 5.2 451
3 23.0 17.0 5.0 3.0/3.5 0.29 1.8 490
4 51.0 37.0 14.0 6.5/7.5 0.38 2.0 836
注:配方1為240 mL柴油+60 mLCaCl2溶液(CaCl2質量分數為20%,下同)+5.0%乳化劑+3.0%CaO,即無土相油基基漿;配方2為配方1+2.0%增黏提切劑;配方3為配方2+3.0%降濾失劑;配方4為配方3+400 g重晶石;測試條件為在150 ℃下老化16 h,在60 ℃下測試。
2.2 增黏提切劑加量的優選

在配方為240 mL柴油+60 mLCaCl2溶液+5.0%乳化劑+3.0%CaO+3.0%降濾失劑+400 g重晶石的無土相油基基漿中加入不同量的增黏提切劑,在150 ℃下老化16 h,測其性能,結果見表 2。從表 2可以看出,隨著增黏提切劑加量的增加,無土相油基基漿的表觀黏度和塑性黏度基本呈線性增加,動塑比為0.19~0.25;當其加量大于2.0%時,無土相油基基漿的塑性黏度增加幅度較大,動塑比呈降低趨勢;其加量為1.5%~2.0%時,無土相油基基漿的綜合性能較好。因此,增黏提切劑最優加量為1.5%~2.0%。

表 2 增黏提切劑加量對無土相油基基漿性能的影響 Table 2 The effect of viscosifier and strength-enhancing additives volume on the performance of clay-free oil-based drilling fluid
增黏提切劑加量,%) 表觀黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 動切力/Pa 靜切力/Pa 動塑比 API濾失量/mL 破乳電壓/V
1.0 43 38 5 3.0/5.0 0.23 3.6 650
1.5 47 39 8 3.5/5.0 0.20 2.2 590
2.0 50 40 10 4.0/5.0 0.25 0.8 550
3.0 71 60 11 7.0/8.0 0.19 0.4 620
2.3 乳化劑加量的優選

在配方為240 mL柴油+60 mLCaCl2溶液+1.5%增黏提切劑+3.0%CaO+3.0%降濾失劑+400 g重晶石的無土相油基基漿中加入不同量的乳化劑,在150 ℃下老化16 h后測其性能,結果見表 3。從表 3可以看出:當乳化劑加量為3.0%時,無土相油基基漿的表觀黏度和塑性黏度較大,API濾失量為4.5 mL,破乳電壓僅為450 V,說明在該乳化劑加量下無土相油基基漿的穩定性稍差;當其加量為4.0%~5.0%時,無土相油基基漿的綜合性能較好。因此,乳化劑的最優加量為4.0%~5.0%。

表 3 乳化劑加量對無土相油基基漿性能的影響 Table 3 The effect of emulsifier contents on performance of clay-free oil-based drilling fluid
乳化劑加量,% 表觀黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 動切力/Pa 靜切力/Pa 動塑比 API濾失量/mL 破乳電壓/V
3 60 50 10 7.0/9.0 0.20 4.5 450
4 50 42 8 4.0/5.0 0.25 2.2 810
5 55 44 11 4.0/5.0 0.25 1.0 1 050
6 57 46 11 6.0/8.0 0.24 1.5 1 100
2.4 降濾失劑加量的優選

在配方240 mL柴油+60 mLCaCl2溶液+1.5%增黏提切劑+5.0%乳化劑+3.0%CaO+400 g重晶石的無土相油基基漿中加入不同量的降濾失劑,在150 ℃下老化16 h后測其性能,結果見表 4。從表 4可以看出:隨著降濾失劑加量的增加,無土相油基基漿的表觀黏度呈線性增加;當其加量低于3.0%時,塑性黏度不變,動塑比和動切力呈線性增加趨勢,說明降濾失劑和增黏提切劑形成了協同增效作用;降濾失劑加量為2.0%~3.0%時,無土相油基基漿的綜合性能較好。因此,降濾失劑的最優加量為2.0%~3.0%。

表 4 降濾失劑加量對無土相油基基漿性能的影響 Table 4 The effect of filtrate loss additive volumes on the performance of clay-free oil-based drilling fluid
降濾失劑加量,% 表觀黏度/
(mPa·s)
塑性黏度/
(mPa·s)
動切力/Pa 靜切力/Pa 動塑比 API濾失量/mL 破乳電壓/V 高溫高壓濾失量/mL
1.0 47.5 40 7.5 3.0/4.0 0.19 1.0 415 4.8
2.0 48.5 40 8.5 2.0/3.0 0.21 1.2 590 0.8
3.0 50.0 40 10.0 2.0/3.0 0.25 0.4 550 0.2
4.0 57.5 48 9.5 2.5/3.5 0.53 0.6 620

根據以上關鍵處理劑加量的優選結果,確定無土相油基鉆井液的配方為:300 mL基液+1.5%~3.0%增黏提切劑+3.0%~4.0%乳化劑+3.0%CaO+2.0%~3.0%降濾失劑+重晶石,基液由不同體積比的柴油和CaCl2溶液組成。

3 性能評價 3.1 抗溫性能

按上文中無土相油基鉆井液配方配制油水比80∶20、密度1.6 kg/L的無土相油基鉆井液,在不同溫度下老化16 h后測其性能,結果見表 5

表 5 溫度對無土相油基鉆井液綜合性能的影響 Table 5 The effect of temperature on performance of the clay-free oil-based drilling fluid
老化溫度/℃ 表觀黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 動切力/Pa 靜切力/Pa 動塑比 API濾失量/mL 破乳電壓/V
80 63 50 13 6.0/7.5 0.26 2.8 650
110 57 44 13 5.0/6.5 0.30 2.0 770
130 58 46 12 4.5/5.5 0.26 2.0 760
150 55 45 10 3.5/5.0 0.22 1.4 700
160 50 41 9 4.0/5.5 0.22 1.0 820

表 5可以看出,隨著老化溫度升高,無土相油基鉆井液的表觀黏度、塑性黏度、動塑比和API濾失量有略微降低的趨勢,破乳電壓小幅升高,說明該無土相油基鉆井液在80~160 ℃性能穩定,能抗160 ℃高溫,具有良好的熱穩定性。

3.2 加重性能

配制不同密度的無土相油基鉆井液,在150 ℃下老化16 h后測其性能,結果見表 6。從表 6可以看出,隨著密度增大,雖然無土相油基鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和切力逐漸增大,但其性能還能滿足鉆井要求,說明該鉆井液具有良好的加重性能。

表 6 加重對無土相油基鉆井液綜合性能的影響 Table 6 The effect of weighting materials on the performance of clay-free oil-based drilling fluid
密度/(kg·L-1) 表觀黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 動切力/Pa 靜切力/Pa 動塑比 API濾失量/mL 破乳電壓/V
1.2 32 26 6 1.5/2.0 0.22 1.2 510
1.4 40 33 7 3.0/4.0 0.21 0.8 680
1.6 50 41 9 3.0/5.0 0.22 0.8 800
1.8 55 43 13 4.0/5.5 0.28 0.4 900
2.0 61 48 13 4.0/6.0 0.27 0.2 1 100
2.2 68 52 16 4.5/6.5 0.31 0.8 1 500
3.3 抗污染性能

按配方240 mL柴油+60 mLCaCl2溶液+2.0%增黏提切劑+4.0%乳化劑+3.0%降濾失劑+3.0%CaO+400 g重晶石配制無土相油基鉆井液,分別加入不同量的鉆屑或水,在150 ℃下老化16 h后測其性能,結果見表 7表 8

表 7 鉆屑侵入量對無土相油基鉆井液綜合性能的影響 Table 7 The effect of invading cuttings on rheological properties of the clay-free oil-based drilling fluid
鉆屑侵入量,% 表觀黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 動切力/Pa 靜切力/Pa 動塑比 API濾失量/mL 破乳電壓/V
0 50 41 9 4.0/5.5 0.22 1.4 670
3 51 42 9 4.5/5.5 0.21 1.0 630
5 54 44 10 5.0/6.0 0.23 2.0 810
7 55 42 13 4.5/6.0 0.30 1.6 850
10 60 46 14 5.0/6.0 0.30 1.0 920
15 58 46 12 4.5/6.0 0.26 1.4 800
20 57 48 9 3.5/5.0 0.19 2.0 670
30 61 50 11 5.0/7.0 0.22 1.8 750
表 8 水侵入量對無土相油基鉆井液綜合性能的影響 Table 8 The effect of invading water on rheological properties of the clay-free oil-based drilling fluid
水侵入量,% 表觀黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 動切力/Pa 靜切力/Pa 動塑比 API濾失量/mL 破乳電壓/V
0 50 41 9 4.0/5.5 0.22 0.8 670
5 55 45 10 4.0/6.0 0.22 1.0 600
10 60 49 11 5.0/6.0 0.22 1.4 500
15 65 50 15 5.5/7.0 0.30 1.0 430
20 77 58 19 6.0/7.5 0.33 2.0 360
201) 66 50 16 5.5/7.0 0.32 1.2 450
注:1)補加2.0%乳化劑和5.0%柴油。

表 7可以看出,隨鉆屑侵入量增大,無土相油基鉆井液的主要性能參數變化不大,這說明無土相油基鉆井液抗鉆屑污染能力強。

表 8可以看出:隨著水侵入量的增大,無土相油基鉆井液的動塑比逐漸增大,破乳電壓緩慢降低;當侵入量達到20%時,破乳電壓低于400 V,穩定性已達不到鉆井要求,但補充乳化劑和5%柴油后,破乳電壓又升至400 V以上。這說明,水侵入量低于20%時,無土相油基鉆井液的性能可以滿足鉆井要求。

3.4 潤滑性能

采用極壓潤滑儀測定密度為1.0 kg/L的無土相油基鉆井液和有土相油基鉆井液的極壓潤滑系數,兩者的極壓潤滑系數分別為0.050和0.055。用重晶石將上述2種鉆井液的密度加重至1.8 kg/L,再測其極壓潤滑系數,兩者的極壓潤滑系數分別為0.055和0.080。由此可知,與有土相油基鉆井液相比,無土相油基鉆井液在用重晶石加重之后極壓潤滑系數無明顯變化。分析認為,這是因為無土相油基鉆井液中的增黏提切劑和降濾失劑具有一定的表面活性,有利于重晶石的潤濕和分散,降低固相顆粒之間的摩擦。這說明在密度較高的情況下,無土相油基鉆井液的潤滑性能較好。

3.5 油水比對鉆井液性能的影響

配制密度為1.6 kg/L,油水比分別為90∶10,85∶15,80∶20,75∶25和70∶30的無土相油基鉆井液(油水比90∶10的無土相油基鉆井液中增黏提切劑、乳化劑和降濾失劑加量均為3.0%;油水比70∶30的無土相油基鉆井液中增黏提切劑加量為1.5%、降濾失劑加量為2.0%、乳化劑加量為5.0%),測其性能,結果見表 9。由表 9可知,油水比降低時,通過調整增黏提切劑、降濾失劑和乳化劑的加量,可使無土相油基鉆井液的性能保持穩定。

表 9 油水比對無土相油基鉆井液綜合性能的影響 Table 9 The effect of oil and water ratio on the performance of the clay-free oil-based drilling fluid
油水比 表觀黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 動切力/Pa 靜切力/Pa 動塑比 API濾失量/mL 破乳電壓/V
90∶10 40 33 7 2.5/3.5 0.21 1.6 1 580
85∶15 44 36 8 3.0/5.0 0.22 1.0 1 300
80∶20 50 41 9 3.5/4.5 0.22 0.8 800
75∶25 52 42 10 3.0/4.5 0.24 0.6 720
70∶30 55 43 12 3.5/5.0 0.28 1.0 550
4 現場試驗

無土相油基鉆井液在焦頁47-6HF井、焦頁68-1HF井、焦頁68-3HF井和焦頁68-2HF井等4口井進行了現場試驗,平均機械鉆速為7.82 m/h,與使用有土相油基鉆井液的9口鄰井相比,機械鉆速提高了15.9%。鉆進過程中,無土相油基鉆井液性能穩定,潤滑、抑制性能優越,攜巖能力強,流變性能良好,井眼穩定,通井電測下套管順利,保證了頁巖氣水平井的安全快速鉆進。下面以焦頁47-6HF井為例介紹現場試驗情況。

焦頁47-6HF井位于重慶市涪陵區天臺鄉辣子村3組,設計井深5 090.00 m,實鉆井深5 217.00 m。該井三開井段鉆進中存在井壁易失穩、井下摩阻大等難點,所以試驗應用了無土相油基鉆井液,其配方為柴油+20.0%CaCl2溶液+3.0%~5.0%乳化劑+4.0%~5.0%增黏提切劑+2.0%~3.0%聚合物降濾失劑+3.0%CaO+重晶石,油水比為80∶20。該井三開鉆進過程中,主要采取了以下維護處理措施:

1) 控制油水比,以降低含水波動對鉆井液性能的影響;

2) 及時補充乳化劑、聚合物降濾失劑等材料,以補充巖屑、井壁吸附等造成的材料損耗;

3) 充分利用固相控制設備嚴格控制固相含量,并及時補充維護漿,維護漿的配方為柴油+20.0%CaCl2溶液+3.0%~5.0%乳化劑+2.0%~3.0%增黏提切劑+1.0%~2.0%聚合物降濾失劑+3.0%CaO+重晶石,油水比為80∶20;

4) 在井壁穩定的情況下,盡量減少具有增稠作用封堵防漏材料的加量(如超細碳酸鈣);

5) 控制鉆井液密度;

6) 針對油基鉆井液黏度對溫度敏感的特性,長時間停泵、起下鉆作業后,減少參與循環鉆井液罐的數量,并降低循環罐的液面,以減少開鉆時循環鉆井液的體積,縮短循環升溫時間。

通過采取上述鉆井液維護處理措施,焦頁47-6HF井三開鉆進中無土相油基鉆井液性能穩定,密度1.30~1.44 kg/L,塑性黏度28~40 mPa·s,固相含量13%~25%,破乳電壓420~752 V,油水比75∶25~83∶17。該井三開井段鉆進順利,平均鉆時9 min/m,水平段平均鉆時7 min/m,水平段平均井徑擴大率1.1%。

焦頁47-6HF井和焦頁47-4HF井三開井段的泵壓和鉆井液密度情況如圖 1所示。這2口井的井身結構、機泵條件、鉆具組合、排量相近,而焦頁47-4HF井三開井段使用有土相油基鉆井液鉆進。從圖 1可以看出,焦頁47-6HF井三開井段的泵壓比焦頁47-4HF井低,而且焦頁47-6HF井三開所使用無土相鉆井液的密度比焦頁47-4HF井三開所用有土相鉆井液高,這說明無土相油基鉆井液具有良好的剪切稀釋性,有利于降低循環壓耗和提高水功率傳遞。

圖 1 焦頁47-6HF井和焦頁47-4HF井三開井段的泵壓和鉆井液密度 Fig.1 Pump pressure and density of drilling fluid in Well Jiaoye 47-6HF and Well Jiaoye 47-4HF
5 結論與建議

1) 針對有土相油基鉆井液流變性不易控制的缺點,在研制關鍵處理劑的基礎上,考察關鍵處理劑的配伍性并優選其加量,形成了油水比70∶30~100∶0、適用溫度80~160 ℃、密度0.9~2.2 kg/L的無土相油基鉆井液。

2) 現場應用表明,無土相油基鉆井液的性能穩定,流變性易于控制,維護處理簡單,且固相含量低、剪切稀釋性好,有利于提高機械鉆速、降低循環壓耗。

3) 建議開展抗高溫高密度(抗溫>160 ℃、密度>2.2 kg/L)無土相油基鉆井液的研究,以擴大無土相油基鉆井液的應用范圍。

參考文獻
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文章信息

李振智, 孫舉, 李曉嵐, 楊朝光, 杜明軍, 郭鵬
LI Zhenzhi, SUN Ju, LI Xiaolan, YANG Chaoguang, DU Mingjun, GUO Peng
新型無土相油基鉆井液研究與現場試驗
The Development and Application of a Clay-Free Oil-Based Drilling Fluid
石油鉆探技術, 2017, 45(1): 33-38.
Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(1): 33-38.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201701006

文章歷史

收稿日期: 2016-03-24
改回日期: 2016-10-14

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