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硅酸盐钻井液综合机理研究

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硅酸盐 钻井 综合 机理 研究
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© 1994                                      石   油   钻   探   技   术R N G S                                     V o l. 30, N o. 2A p r. , 2002收 稿 日 期 : 2002202225作 者 简 介 : 魏 新 勇 (1962— ) , 男 , 1984 年 毕 业 于 西 南 石 油 学 院钻 井 专 业 , 高 级 工 程 师 。联 系 电 话 : (0991) 6637217! 固 井 与 泥 浆 #硅 酸 盐 钻 井 液 综 合 机 理 研 究魏 新 勇 1, 肖   超 2, 韩 立 胜 3(11 中 国 石 化 新 星 公 司 西 北 石 油 局 , 新 疆 乌 鲁 木 齐   830011; 21 中 石 化 勘 探 开 发 研 究 院 石 油 钻 井 研 究 所 , 山 东 德 州   253005;31 华 北 石 油 管 理 局 钻 井 工 艺 研 究 院 , 河 北 任 丘   062552)摘   要 : 对 硅 酸 盐 及 硅 酸 盐 钻 井 液 的 性 能 进 行 研 究 , 比 较 了 不 同 无 机 盐 的 防 塌 能 力 , 分 析 了 各 组 分 对 硅 酸 盐 钻 井 液性 能 的 影 响 。 实 验 结 果 表 明 , 在 相 同 加 量 下 , 硅 酸 盐 的 防 塌 能 力 优 于 其 它 无 机 盐 , 硅 酸 盐 与 其 它 防 塌 剂 复 配 能 提 高 钻 井液 的 防 塌 能 力 , 是 影 响 硅 酸 盐 防 塌 能 力 的 主 要 因 素 。关 键 词 : 钻 井 液 ; 硅 酸 盐 矿 物 ; 井 眼 稳 定 ; 机 理 ; 钻 井 液 性 能中 图 分 类 号 : T   文 献 标 识 码 : A     文 章 编 号 : 100120890 (2002) 0220051203井 眼 失 稳 是 钻 大 段 泥 岩 过 程 中 遇 到 的 主 要 问 题 之一 , 为 此 , 国 内 外 在 化 学 稳 定 井 壁 方 面 做 了 大 量 工 作 ,研 制 出 了 包 括 多 元 醇 钻 井 液 、 甲 酸 盐 钻 井 液 、 合 成 基钻 井 液 、 油 基 钻 井 液 、 盐 水 钻 井 液 、 正 电 钻 井 液 、 硅酸 盐 钻 井 液 等 钻 井 液 体 系 , 其 中 硅 酸 盐 钻 井 液 因 具 有固 壁 防 漏 、 材 料 费 用 低 、 不 污 染 环 境 等 优 点 , 日 益 受到 国 内 外 钻 井 界 的 重 视 。 笔 者 对 硅 酸 盐 钻 井 液 中 的 各组 分 相 互 作 用 情 况 及 其 影 响 因 素 进 行 了 研 究 , 分 析 了其 作 用 机 理 。1  可 溶 性 硅 酸 盐 的 性 质 [1 ]111  制 取 可 溶 性 硅 酸 钠 、 硅 酸 钾 的 一 般 方 法将 纯 碱 、 硫 酸 钾 和 石 英 砂 (40~ 60 目 ) 按 照 一 定的 配 比 混 合 均 匀 (纯 碱 和 石 英 砂 的 配 比 依 成 品 的 模 数而 定 ) , 在 1400~ 1500℃ 下 反 应 得 到 所 需 产 品 :M 2+ m → M 2O · m + ↑模 数 的 定 义 是 的 摩 尔 数 与 M 2O 摩 尔 数 的 比值 , 所 得 产 物 的 模 数 范 围 一 般 是 115~ 313 之 间 。112  可 溶 性 硅 酸 盐 的 结 构1970 年 以 来 , 应 用 29 立 叶 变 换 核 磁 共 振 法 , 在认 识 硅 酸 盐 玻 璃 体 和 液 体 结 构 方 面 有 了 很 大 进 展 。 合成 硅 酸 盐 是 由 硅 酸 盐 基 本 结 构 单 元 4- 的 低 聚 体 组成 , 呈 典 型 的 硅 氧 四 面 体 结 构 。113  一 般 特 性硅 酸 盐 溶 液 的 是 组 分 和 体 积 百 分 数 的 函数 。 当 模 数 为 2~ 4 时 , 硅 酸 钠 溶 液 的 模 数 和 溶 液 最 高 间 呈 一 线 性 关 系 : 1314- 0169m。114  溶 解碱 金 属 玻 璃 体 的 溶 解 可 分 为 2 个 步 骤 。 第 一 步 是离 子 交 换 进 程 :≥ a+ H 2O → ≥ N a+ + 同 时 , 使 溶 液 变 碱 性 , 并 在 玻 璃 体 表 面 上 形 成 一层 硅 醇 烷 基 表 面 层 。 第 二 步 是 断 裂 网 状 结 构 :≥ i≤ + ≥ + i≤115  硅 酸 盐 在 溶 液 中 的 聚 合 作 用络 合 硅 醇 的 凝 聚 过 程 能 用 下 列 经 验 式 表 示 :≥ ≥ → ≥ i≤ + 当 和 参 与 的 硅 醇 基 团 的 相 等 时 , 凝聚 作 用 发 生 的 非 常 快 。 模 数 大 于 2 的 除 了 刚 配 置 的 属于 真 溶 液 外 , 在 储 放 过 程 中 会 因 聚 合 作 用 生 成 正 硅 酸与 硅 酸 胶 粒 的 混 合 分 散 体 系 而 老 化 。2  复 合 硅 酸 盐 防 塌 能 力 研 究211  复 合 硅 酸 盐 与 其 它 无 机 盐 防 塌 能 力 比 较分 别 将 N aC l、 KC l、 A lC 模 数 为 311的 硅 酸 钠 加 入 到 6% 的 预 水 化 膨 润 土 浆 中 , 比 较 它 们对 钻 井 液 性 能 的 影 响 和 回 收 率 , 结 果 见 表 1。表 1    不 同 无 机 盐 对 纯 膨 润 土 浆 的 影 响无 机 盐 表 观 粘 度 m 粘 m s 动 切 力 P 收 率 , %膨 润 土 浆 16 9 14 16 39+ 5% 硅 酸 钠 12 14 4 26 88+ 5% N aC 凝 胶27 60+ 5% KC l 29 79+ 5% 9 76+ 1% A lC 8 70由 表 1 可 以 看 出 , 在 相 同 加 量 下 , 硅 酸 钠 的 岩 屑© 1994 , 其 它 无 机 盐 普 遍 会 使 膨 润 土 浆 絮 凝 形 成凝 胶 , 只 有 复 合 硅 酸 盐 对 纯 膨 润 土 浆 有 降 粘 作 用 。 据文 献 介 绍 [2 ], 复 合 硅 酸 盐 在 拆 散 纯 膨 润 土 浆 网 状 结 构的 同 时 使 膨 润 土 浆 中 细 颗 粒 聚 结 , 减 少 细 颗 粒 数 目 , 增加 粗 颗 粒 数 目 。 因 此 , 复 合 硅 酸 盐 尽 管 对 纯 膨 润 土 浆有 降 粘 作 用 , 但 同 时 滤 失 也 增 加 。212  复 合 硅 酸 盐 与 无 机 盐 复 配 后 的 防 塌 效 果 研 究选 用 4% 的 预 水 化 膨 润 土 浆 , 将 无 机 盐 N aC l、KC l、 复 合 硅 酸 盐 复 配 , 测 定 不 同 无 机 盐 与 复合 硅 酸 盐 的 协 同 作 用 效 果 , 结 果 见 表 2。表 2     不 同 种 类 无 机 盐 与 复 合 硅 酸 盐 配 伍 情 况无 机 盐 钻 井 液 情 况 回 收 率 , %3% 复 合 硅 酸 盐 流 动 性 好 753% 复 合 硅 酸 盐 + 3%N aC l 凝 胶 823% 复 合 硅 酸 盐 + 3% KC l 凝 胶 923% 复 合 硅 酸 盐 + 3% 胶 65从 表 2 可 看 出 , 复 合 硅 酸 盐 与 其 它 无 机 盐 复 配 后 ,都 会 使 纯 膨 润 土 浆 生 成 凝 胶 , 同 时 , 复 合 硅 酸 盐 与 KC 性 最 好 , 与 伍 性 差 。 由 于 复 合 硅酸 盐 反 应 生 成 硅 酸 钙 沉 淀 , 使 复 合 硅 酸 盐 失 效 , 且 回收 率 略 有 下 降 。3  各 组 分 对 钻 井 液 性 能 的 影 响实 验 室 研 制 出 的 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 配 方 为 : 3%~5% 膨 润 土 + 112%~ 115% 复 合 碱 + 4%~ 6% KC l+3%~ 5% 复 合 硅 酸 盐 + 018%~ 112% 2%~3% + 2%~ 3% 2B + 012% 1%~2% , 其 基 本 性 能 为 : 表 观 粘 度 20~ 25m s, 塑粘 15~ 24 m s, 动 切 力 8~ 15A P I 滤 失 5~7 高 温 高 压 滤 失 11~ 1411  聚 合 物 护 胶 剂 对 防 塌 效 果 的 影 响 一 种 高 分 子 护 胶 剂 , 起 絮 凝 包 裹 钻 屑 作用 , 可 降 低 泥 岩 的 瞬 时 吸 水 和 初 始 膨 胀 量 。 室 内 研 究证 明 , 当 量 大 于 015% 时 , 对 泥 页 岩 有 明 显 的抑 制 作 用 , 复 合 硅 酸 盐 和 KC l 可 降 低 泥 页 岩 的 最 终 吸水 分 散 膨 胀 量 。 在 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 体 系 中 , 护 胶 剂与 无 机 盐 协 同 作 用 , 效 果 明 显 , 在 该 体 系 中 加 入 5% 的膨 润 土 也 不 会 对 流 变 性 、 滤 失 产 生 任 何 影 响 。312  硅 络 合 醇 2B 对 防 塌 效 果 的 影 响所 用 的 2B 在 温 度 超 过 其 浊 点 时 , 会 从 溶 液中 析 出 , 以 小 颗 粒 的 形 式 存 在 于 钻 井 液 中 , 可 直 接 堵塞 地 层 微 裂 隙 ; 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 滤 液 中 的 复 合 硅 酸盐 与 孔 隙 流 体 发 生 反 应 , 在 低 时 生 成 凝 胶 , 或 者与 地 层 水 中 的 钙 、 镁 离 子 发 生 反 应 生 成 沉 淀 , 堵 塞 地层 微 裂 隙 , 防 止 滤 液 侵 入 泥 页 岩 深 部 , 阻 止 压 力 传 递 。此 外 , 2B 能 吸 附 在 膨 润 土 颗 粒 表 面 , 可 增 强 钻 井液 抗 固 相 污 染 能 力 , 提 高 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 的 高 温 稳定 性 , 保 持 钻 井 液 的 防 塌 性 能 稳 定 。313  氯 化 钾 对 钻 井 液 防 塌 性 能 的 影 响钾 离 子 与 泥 页 岩 中 的 粘 土 矿 物 反 应 , 通 过 晶 格 固定 作 用 和 离 子 交 换 作 用 , 使 粘 土 矿 物 的 组 分 发 生 变 化 ,从 而 起 到 抑 制 泥 页 岩 水 化 膨 胀 的 作 用 。 另 外 , 复 合 硅酸 盐 能 提 高 页 岩 的 膜 效 率 , 氯 化 钾 能 降 低 钻 井 液 中 水的 活 度 [3 ], 通 过 两 者 协 同 作 用 , 通 过 控 制 钻 井 液 中 水 的活 度 低 于 页 岩 中 孔 隙 流 体 中 水 的 活 度 , 使 页 岩 中 的 水流 向 钻 井 液 以 稳 定 井 壁 。 岩 心 浸 泡 实 验 显 示 , 用 含 有5% 氯 化 钾 和 3% 复 合 硅 酸 盐 的 钻 井 液 浸 泡 岩 心 7d, 岩心 内 部 还 是 干 的 。314  、 对 钻 井 液 性 能 的 影 响降 粘 剂 和 高 温 降 滤 失 剂 对 钻 屑 有 分散 作 用 , 使 钻 井 液 的 防 塌 能 力 降 低 , 但 这 两 种 处 理 剂 的加 入 对 于 保 持 钻 井 液 性 能 稳 定 , 降 低 滤 失 有 重 要 作 用 。实 验 表 明 , 在 其 它 条 件 相 同 的 情 况 下 , 不 添 加 、 的 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 在 130℃ 老 化 24h 后 , 可 以看 到 加 入 的 预 水 化 膨 润 土 浆 呈 块 状 、 团 状 漂 浮 在 钻 井液 中 , 且 略 有 分 层 , 滤 失 也 略 有 增 大 ; 而 添 加 了 、 的 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 没 有 出 现 上 述 现 象 , 滤 失 也较 低 。 这 一 方 面 证 明 了 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 具 有 很 强 的防 塌 能 力 , 另 一 方 面 也 证 实 了 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 中 应添 加 、 来 调 节 钻 井 液 的 综 合 性 能 。4  其 它 影 响 因 素411  对 防 塌 效 果 的 影 响研 究 表 明 , 对 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 性 能 影 响与 对 常 规 钻 井 液 性 能 影 响 情 况 不 同 。 对 于 常 规 钻 井 液 ,当 小 于 9 时 , 对 泥 页 岩 水 化 影 响 不 大 , 当 继 续 增 加 时 , 泥 页 岩 水 化 膨 胀 加 剧 , 促 使 泥 页 岩 坍 塌 。而 对 于 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 , 当 低 于 11 时 , 钻 井液 中 的 复 合 硅 酸 盐 会 以 原 硅 酸 或 者 以 低 聚 硅 酸 的 形 式从 钻 井 液 中 析 出 [4 ], 使 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 粘 度 增 大 , 同时 失 去 防 塌 作 用 ; 当 高 于 11 时 , 钻 井 液 中 具 有防 塌 作 用 的 复 合 硅 酸 盐 以 硅 酸 根 离 子 或 者 聚 合 硅 醇 离子 的 形 式 存 在 , 在 钻 开 地 层 时 , 滤 液 中 的 硅 酸 根 或 者硅 络 合 醇 与 地 层 流 体 发 生 反 应 而 封 堵 地 层 , 钻 井 液 中的 硅 酸 根 或 硅 络 合 醇 吸 附 沉 积 在 钻 屑 表 面 , 与 钻 屑 发生 反 应 , 提 高 泥 页 岩 的 膜 效 率 , 从 而 起 到 抑 制 钻 屑 分散 膨 胀 的 作 用 。 泥 页 岩 中 释 放 出 的 氢 离 子 会 消 耗 掉 钻井 液 中 的 部 分 碱 , 使 体 系 的 下 降 , 钻 井 液 粘 度 上升 , 因 此 , 应 经 常 补 充 碱 和 复 合 硅 酸 盐 , 保 持 其 防 塌·25· 石     油     钻     探     技     术                             2002 年 4 月© 1994 。412  温 度 对 钻 井 液 防 塌 能 力 的 影 响在 较 高 的 地 层 温 度 下 , 硅 酸 盐 与 粘 土 接 触 一 定 时间 后 会 反 应 生 成 一 种 类 似 沸 石 的 新 矿 物 , 从 而 消 除 粘土 矿 物 分 散 膨 胀 , 稳 定 泥 页 岩 地 层 。 实 验 分 析 表 明 [5 ],在 为 12 的 硅 酸 钠 溶 液 中 老 化 的 岩 心 , 产 生 了 大量 细 粒 矿 物 的 聚 集 和 絮 凝 。 对 岩 心 的 X 射 线 分 析 表明 , 高 硅 酸 钠 溶 液 下 的 岩 心 中 高 岭 石 含 量 由95% 下 降 到 92% , 未 处 理 的 粘 土 与 蒸 馏 水 中 老 化 的 岩心 均 未 发 生 这 种 变 化 。 同 时 , 高 温 下 , 钻 井 液 中 的 钾 、钠 离 子 可 与 膨 润 土 、 泥 岩 钻 屑 中 的 氢 离 子 发 生 离 子 交换 , 释 放 出 氢 离 子 , 降 低 钻 井 液 体 系 的 , 使 钻 井液 的 粘 度 、 切 力 上 升 , 流 变 性 能 恶 化 。 同 时 , 使 体 系中 的 硅 酸 根 、 硅 酸 根 聚 合 体 以 原 硅 酸 、 聚 合 硅 酸 的 形式 析 出 , 降 低 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 的 防 塌 能 力 , 因 此 , 深井 钻 进 时 , 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 中 必 须 保 持 较 高 的 碱度 [6, 7 ]。413  处 理 剂 种 类 对 钻 井 液 性 能 的 影 响复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 必 须 与 合 适 的 处 理 剂 配 伍 才 能达 到 优 快 钻 井 的 目 的 。 实 验 表 明 , 、 、 、62 等 磺 化 处 理 剂 与 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 配 伍 性 良好 , 纤 维 素 类 、 淀 粉 类 、 生 物 聚 合 物 类 处 理 剂 也 与 钻井 液 有 较 好 的 配 伍 性 。 由 于 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 体 系 , 铵 盐 、 酰 胺 类 处 理 剂 易 与 钻 井 液 发 生 反 应 放 出氨 气 , 同 时 使 体 系 的 下 降 , 钻 井 液 性 能 变 坏 ; 硅酸 根 易 与 含 钙 的 处 理 剂 反 应 生 成 硅 酸 钙 沉 淀 , 使 复 合硅 酸 盐 失 效 , 因 此 , 在 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 中 不 可 加 入含 有 钙 离 子 的 处 理 剂 。5  结 束 语复 合 硅 酸 盐 比 常 用 无 机 盐 对 泥 岩 的 抑 制 性 强 , 与氯 化 钾 配 伍 性 好 , 硅 络 合 醇 2B、 护 胶 剂 有 利 于 提高 复 合 硅 酸 盐 钻 井 液 的 防 塌 能 力 , 、 能 增强 钻 井 液 的 稳 定 性 , 保 持 较 高 的 有 助 于 保 持 钻井 液 的 防 塌 能 力 和 钻 井 液 流 变 性 的 稳 定 。 复 合 硅 酸 盐钻 井 液 高 温 下 具 有 较 强 防 塌 能 力 , 但 同 时 应 保 持 钻 井液 较 高 的 碱 度 。参   考   文   献1  高 瑞 栋 . 硅 化 合 物 [A ]. 见 : 陈 冠 荣 主 编 1 化 工 百 科 全 书 (第 6卷 ) [C ] 1 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社 , 19942  丁 锐 . 硅 酸 盐 钻 井 液 防 塌 性 能 室 内 研 究 [J ]. 油 田 化 学 , 1998, 15(1)3  梁 大 川 . 硅 酸 盐 钻 井 液 稳 定 井 壁 机 理 研 究 [J ] 1 西 南 石 油 学 院 学 报 ,1998, 20 (2)4  V o , et co so to w re p s [R ]5059, 19965  . C t m s of w R ] 19401, 19986  U se of p on H P l R ] 119977  W W. m op on 1997om il r lu e i X X . N dm S P o. , U X 830011, Ch 2. P E xp D S P D ez S 253005, Ch 3.D H dm R H 062552, Ch T h is p an of t ic ib rs of ts on p T he an se of is o ic w e A m ix tu re of o an se ib rs se of pH is a r an se of m ho le m id p 动 态 与 信 息 #纳 米 技 术 进 入 石 油 石 化 领 域近 几 年 , 纳 米 技 术 与 石 油 科 技 的 结 合 , 已 展 现 出 无 穷 的 魅 力 。在 环 保 领 域 , 使 用 纳 米 二 氧 化 钛 可 降 解 在 石 油 开 采 、 运 输 和 使 用 过 程 中 废 弃 的 石 油 类 物 质 ; 纳 米 净 水 剂 的吸 附 能 力 和 絮 凝 能 力 是 普 通 净 水 剂 的 10~ 20 倍 ; 纳 米 钛 酸 钴 作 为 高 活 性 石 油 脱 硫 催 化 剂 , 可 用 于 降 低 各 类 油 品的 硫 含 量 ; 复 合 稀 土 化 合 物 的 纳 米 级 粉 体 可 以 彻 底 消 除 汽 车 尾 气 中 的 一 氧 化 碳 和 氮 氧 化 物 。 在 石 油 化 工 领 域 , 纳米 塑 料 的 研 制 成 功 使 纳 米 技 术 产 业 化 成 为 可 能 ; 纳 米 催 化 剂 比 传 统 的 炼 油 催 化 剂 具 有 更 神 奇 的 作 用 。 在 勘 探 开发 领 域 , 国 外 应 用 纳 米 分 子 膜 驱 油 以 提 高 采 收 率 的 研 究 已 经 取 得 现 场 试 验 结 果 ; 清 华 大 学 开 展 了 “ 863” 研 究 项目 — — “ 激 光 单 原 子 、 单 分 子 探 测 高 技 术 应 用 于 海 洋 油 气 资 源 勘 查 ” 。 这 些 探 索 性 研 究 都 具 有 重 要 的 战 略 意 义 。·35·第 30 卷 第 2 期                       魏 新 勇 等 : 硅 酸 盐 钻 井 液 综 合 机 理 研 究
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