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国内外钻井液技术发展概述

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国内外 钻井 技术发展 概述
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国内外钻井液技术发展概述郭保雨 成效华胜利石油管理局钻井工程技术公司 山东东营摘 要:本文主要论述了国内外钻井液的发展状况及发展趋势,介绍了近年来国内外发展起来的 16种新型钻井液技术,国内外钻井液技术仍以抗高温、高压、深井复杂地层的钻井液技术为主攻目标,指出了钻井液处理剂的发展方向是高效廉价、一剂多效、保护油气层、尽可能减轻环境污染,并寻求技术更先进、性能更优异、综合效益更佳的钻井液体系及钻井液处理剂。对钻井液技术发展进行了展望,由于深井、复杂井、特殊工艺井以及特殊储藏的开发、环境保护的重视,对钻井液完井液的要求越来越高,所以抗高温、高压、深井复杂地层、油气层保护仍是钻井液完井液技术发展的重要方向。关键词:钻井液 技术 发展 一、国内外钻井液技术新发展概述钻井液作为服务钻井工程的重要手段之一。从 90 年代后期钻井液的主要功能已从维护井壁稳定,保证安全钻进,发展到如何利用钻井液这一手段来达到保护油气层、多产油的目的。一口井的成功完井及其成本在某种程度上取决于钻井液的类型及性能。因此,适当地选择钻井液及钻井液处理剂以维护钻井液具有适当的性能是非常必要的。钻井液及钻井液处理剂经过 80 年代的发展高潮以后,逐渐进入稳定期,亦即技术成熟期。可以认为,由于钻井液及钻井液处理剂都有众多的类型及产品可供选择,因此现代钻井液技术已不再研究和开发一般钻井液及钻井液处理剂产品,而是在高效廉价、一剂多效、保护油气层、尽可能减轻环境污染等方面进行深入研究,以寻求技术更先进、性能更优异、综合效益更佳的钻井液及钻井液处理剂。1.抗高温聚合物水基钻井液所使用的聚合物在其 链上的侧链上引入具有特殊功能的基团如:酰胺基、羧基、磺酸根(H) 、季胺基等,以提高其抗高温的能力。不论是其较新的产品,如磺化聚合物 早己生产的产品如 磺化苯乙烯与马来酸酐共聚物)均是如此,并采取下列措施:①利用表面活性剂的两亲作用来改善钻井液的抗温性;②抗氧化剂可以大幅度提高磺化聚合物抗高温降滤失剂的高温稳定性能。③膨润土一直是水基钻井液的基础。但随着温度的升高和污染,它是最难控制和预测其性能的粘土矿物。而皂石和海泡石最重要的特征是随着温度的升高而转变为薄片状结构的富镁蒙脱石,比膨润土能更好的控制流变性和滤失量。2.强抑制聚合物水基钻井液随着钻井液的发展,研制成功了阳离子聚合物钻井液。这种抑制能力很强的新型钻井液与原阴离子的聚合物钻井液的本质区别就是在“有机聚合物包被剂”这一主剂上引入了阳离子基团即()基基团(如阳离子聚丙烯酰胺) ,另外又添加了一种分子量较小的季胺盐类, (如羟丙基三甲基氯化胺) 。另外,在 子链上引入阳离子基团、疏水基团和 —甲基丙磺酸) ,从而使改性的 予了新的性能。通过改性,使聚合物分子中的阳离子中和了粘土颗粒上的负电荷而减小静电斥力,使聚合物能在更多位置上与粘土发生桥链,对粘土能够起到很好的保护作用。由于分子链中含有疏水基团,使吸附在粘土表面的聚合物表现为憎水性质,故有利于阻止水分子的进入,从而能有效地抑制页岩的膨胀。3.合成基油包水钻井液合成基钻井完井液体系在组成上与传统的油基钻井液类似,主要由有机合成物基液、乳化剂、水相、加重剂和其它性能调节剂组成。其中有机合成物为连续相,水相为分散相,加重剂用于调节密度,乳化剂和其它调节剂用于分散体系的稳定及调节流变性。体系中常用的合成基液类型有酯类、醚类、聚烃类和直链烷基苯类等,而尤以酯类用得最多,其次是聚- а- 烯烃类。多元醇(和甲基多糖(是合成基钻井完井液中广为使用的两种多功能添加剂,它们具有乳化、降滤失、润滑和增粘的功效,也可以单独作为多元醇钻井液和甲基多糖钻井液两种新体系的主要添加剂。合成基钻井液的乳化剂有专用的,如水生动物油乳化剂:但多数使用与普通油基钻井液相同的乳化剂,如脂肪酸钙、咪唑啉衍生物、烷基硫酸(酯)盐、磷酸酯、山梨糖醇酐酯类(、聚氧乙烯脂肪胺、聚氧乙烯脂肪醇醚(平平加类)等。该钻井完井液体系已应用了上千口井,取得了井眼稳定、井下安全提高钻速、有利于保护环境和油气层等较好的效果和效益。4.有机盐盐水钻井液有机盐钻井液完井液的核心是高密度和强的抑制性它是基于低碳原子(C 1—金属(第一主族)有机酸盐、有机酸铵盐、有机酸季铵盐的钻井液完井液体系。优点为:① 配方简单:一种主处理剂有机盐构成一个钻井液体系;② 类油基特点:该钻井液是一种高浓度有机物连续相流体;③ 抑制性强:能够有效地抑制储层泥岩胶结物的水化膨胀和水化分散,有利于井壁稳定、井眼规则,有效地保护油气层;④ 低固相,高密度;⑤ 有利于提高机械钻速;⑥ 无毒、无害、易生物降解、无生物富集,有利于保护环境。有机盐钻井液完井液技术机理分析:有机盐钻井液完井液的五种作用机理都能有效地抑制泥岩水化膨胀、水化分散,有利于井壁稳定和油气层保护。1) 、类油基钻井液性质:有机盐钻井液中较长链有机酸根浓度较高,呈有机物连续相性质,可达到趋近于油基钻井液的抑制能力,可有效抑制粘土、钻屑的分散和膨胀,同时有利于保护油气层。2) 、水的活度较低:有机盐钻井液中有机盐含量较高,可束缚大量自由水,水活度低(例如:15%水溶液水的活度为 ,粘土颗粒、钻屑在其中浸泡时水化应力较低,在其中的分散趋势被强烈抑制,同时能够有效地抑制储层泥岩胶结物的水化膨胀、水化分散,有利于保护油气层。3) 、阳离子吸附和阳离子嵌入机理:有机盐钻井液中含大量的 K+ 、+ 、+ 可通过化学键吸附于带负电的粘土颗粒表面,也可嵌入粘土颗粒晶格内,增大粘土颗粒的水化阻力,起到抑制其分散、膨胀的作用,同时有利于保护油气层。4) 、有机酸根阴离子吸附机理:有机盐钻井液中大量的有机酸根阴离子可吸附于带正电的粘土颗粒端面上,阻止水进入粘土颗粒,抑制其表面水化及渗透水化,同时有利于保护油气层。5) 、有机盐钻井液的滤失造壁性分析:有机盐钻井液中大量的有一定链长的有机酸根阴离子,可与土结合形成薄而韧的泥饼,从而有效地保护井壁和降低滤失量,也有利于保护油气层。钻井液的典型配方:有机盐水溶液(g/综合考虑抑制性、流变性、价格等因素,首先确定有机盐基液的密度:烧碱 %+降滤失剂 失水+无萤光白沥青 善泥饼质量注:根据现场具体情况,有时需要加入包被剂 切剂 原胶 合醇 .甲酸盐类水基钻井液甲酸盐钻井液是国外 90 年代研制并使用的一种新型钻井液。将甲酸与氢氧化钠或氢氧化钾在高温高压下反应制成碱性金属盐如甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯配制成甲酸盐类水基钻井液。甲酸盐盐水钻井液体系是在盐水钻井液和完井液基础上发展起来的,因而除具有盐水钻井液的特点外,还具有其独特的优点。甲酸盐的优点:(1)由于其强抑制性,可有效地抑制泥页岩的水化膨胀和分散,也有利于减少钻井液对油气层的损害。(2)易生物降解,不会造成对环境的污染。(3)钻具、套管等金属材料在这种钻井液中的腐蚀性小,有利于延长它们的使用寿命。(4)不需要加重材料就可以配制高密度钻井液,甲酸纳和甲酸钾盐类的水溶液密度分别为 酸铯水溶液密度可高达 仅有利于提高机械钻速,而且有利于保护油气层。(5)这种钻井液体系的低粘度、高动态瞬时滤失量有利于提高机械钻速。(6)这种钻井液体系具有良好的抗高温、抗污染的能力,并可以降低所使用的各类添加剂在高温条件下的水解和氧化降解的速度。甲酸盐盐水具有作为深井和小井眼钻井的无固相钻井液的特性:(1)在高温下能维持携屑。(2)在高温下能阻止固相沉降。(3)降低了压差卡钻的可能性(滤饼很薄) 。(4)在长且狭窄的井筒中具有低的当量循环密度。(5)可以向钻井液马达和钻头传送最大的动力。(6)与油层的矿物和油层中的液相相容。(7)与完井设备的硬件和人造橡胶相容。(8)符合环保要求而且易被生物降解。6.硅酸盐钻井液钻井液中添加了对页岩抑制性最好的可溶性硅酸盐。这种硅酸盐钻井液体系已用于钻水敏性页岩地层、分散性白垩岩地层和含伊利石的地层。硅酸盐钻井液的抑制能力比任何水基钻井液都高,实际上已达到油基钻井液的抑制能力。1)硅酸盐的化学性质硅酸盐是一种无机材料,是由碳酸盐与二氧化硅混合后加热生成的。硅钠比是硅酸钠最重要的物理性能。改变 a 2O 和 比例能控制硅酸钠的化学和物理性能。硅钠比决定了硅酸钠的下列特性:(1)固相和粉末的溶解度;(2)硅酸盐的反应能力;(3)诸如粘度等物理性能。室内试验证明,高硅钠比的硅酸盐具有更高的抑制效率。在一般情况下,硅钠比为 )钻井液配方和特性典型的硅酸盐钻井液配方见表 1。体系普遍使用黄原胶和聚阴离子纤维素来达到要求的流变性和控制滤失。硅基钻井液在 为 11~稳定性最好。高 可防止溶解硅的聚合。因此,需要添加硅酸钠来达到要求的 。 下降是硅酸盐耗损的信号。要添加硅酸盐来维持钻井液的抑制性。钻井液中硅酸盐的浓度可用试验和从硅酸钠的浓度计算出来。可通过直接把硅酸钠加到钻井液中或通过预混合加到钻井液中的方式来维持理想的浓度。表 1 硅酸盐钻井液配方添加剂 加量(kg/m 3) 作用黄原胶 3 悬浮聚阴离子纤维素 8 控制失水淀粉 10 控制失水硅酸钠溶液 100 抑制性杀菌剂 1 杀菌碳酸钾 40 增加抑制性盐( 300 氯含量、密度纯碱 制硬度、补水当可溶性硅酸盐与页岩表面接触时,下降并且与页岩中的两价离子(2 和 )反应,在页岩表面形成一道可以防止滤液和颗粒侵入地层的屏障。当使用硅酸盐钻井液钻进时,要注意下列问题:(1)由于钻井液的抑制性强,所以钻屑等固相对钻井液的流变性可能不会产生影响;(2)在钻屑吸收钻井液的滤液之前,新配制的钻井液具有较高的滤失量;(3)钻进时,重要的是要定时记录泵入和返出钻井液中的硅酸盐含量,以便监测硅酸盐的消耗率和确定是否需要对钻井液进行处理;(4)硅酸盐钻井液的高抑制性保持了钻屑的完整性,需要钻井液具有较高的屈服值和较低的剪切粘度以保证井眼的清洁能力,同时振动筛的负荷也要比使用普通钻井液高;(6)由于硅酸盐与钙和镁反应产生沉淀物,所以钻井液体系的硬度为零;(7)硅酸盐钻井液的 一般为 井液的 是从硅酸盐含量推导出来的,所以钻井液的碱度(P m 和 监测硅酸盐含量的有效方法。P m 为 10~30,而 8~ 25。在钻进时 和碱度下降归咎于硅酸盐消耗。要通过加入硅酸钠来维持 通常情况下,不需要通过加氢氧化钾和氢氧化钠来维持 。(8)硅酸盐是一种金属材料的防腐剂,所以不需要往钻井液中加防腐剂。在盐饱和体系中游离态氧的含量非常少,硅酸盐与铁反应生成一种可防止发生化学反应的硅酸盐包被物。硅酸盐钻井液可以有效地抑制页岩。钻进时要把钻井液的 控制在 11~用硅酸盐钻井液时,固控设备对维持钻井液特性和降低钻井液成本起决定性作用,因此要选择处理量大的固控设备。7.用减轻剂配制低密度钻井液钻进低压地层时,为减少漏失和对油气层的损害,采用密度小于 钻井液。目前使用的密度小于 钻井液都含有气,而密度低于 g/钻井液均含油。油会对录井资料产生影响,而使用泡沫、充气、氮气等会增加钻井成本,还会造成钻具腐蚀、摩阻高、法使用等问题。因而需研制降低钻井液密度的新材料。美国能源部(研究出一种新的低密度钻井液,所使用的空心玻璃以有工业化产品,此产品被其它行业用作涂料、凝胶和其它液体增量剂。空心玻璃球密度为 g/裂强度达到 21~28球基本上是不可压缩的,常规的现场固控设备和离心泵都不会破坏空心玻璃球。在钻井液中加入空心玻璃球,润滑系数和滤失量均下降,塑性粘度和动切力增大,但可通过加入降粘剂进行调整以满足钻井工程的需要。该钻井液中的空心玻璃球可通过重力分离方法进行回收。8.新型微泡钻井液新型微泡钻井液是在标准微泡钻井液的基础上研制出一种新型微泡钻井液。标准的微泡钻井液使用使用粘土和聚合物使钻井液产生独特的流变性和提高微泡的韧性,基液钻井液密度在发泡以前密度为 。而新型微泡钻井液体系是使用乳状液和聚合物来使钻井液达到理想的流变性和稳定微泡,。表 2 和表 3 为普通微泡钻井液的组份和新型微泡钻井液的组份。这两种钻井液都含有增粘剂、制剂、微泡发生剂、微泡稳定剂和漏失控制剂。表 2 普通微泡钻井液体系的配方组份 作用淡水/盐水 连续相粘土/聚合物 增粘聚合物 失水控制剂和热稳定剂表面活性剂 微泡发泡剂聚合物/表面活性剂 微泡稳定剂聚合物 钻井液调节剂表 3 新型微泡钻井液体系的配方组份 作用乳状液 连续相生物聚合物 增粘聚合物 失水控制剂和热稳定剂表面活性剂 微泡发泡剂聚合物/表面活性剂 微泡稳定剂聚合物 钻井液调节剂新型微泡钻井液的流变性与标准微泡钻井液基本一样,但新型微泡钻井液具有更好的井眼清洁能力和更低当量循环密度。9.多功能钻井液这种钻井液在钻进时能有效地增加地层的抗压裂强度,既可以用于页岩地层,也可以用于砂岩地层。该方法实际上允许井壁上形成小的裂缝,然后用桥堵颗粒在井壁裂缝的开口处堵塞裂缝。这种桥塞必须是低渗的,而且能提供压力封隔。在井壁上或井壁附近桥堵裂缝增加了井壁周围的环形应力,这种方法叫做应力屏蔽效应。在钻进时,通过不断往钻井液中加适量的颗粒材料,使钻井液连续产生这种作用。把这种钻井液叫做多功能钻井液。假设地层在压力下产生径向裂缝与裂缝的尺寸和地层的硬度呈函数关系,那么可列出下式:= × ×P8(2为裂缝内的过度压力(过度压力是指压力超过最低实地应力) ;w 为裂缝宽度;R 为裂缝半径;E 为地层的杨氏模量; V 为地层的泊松比。上式是以压裂理论为基础的。多功能钻井液是利用桥堵颗粒堵塞裂缝的开口来控制裂缝。裂缝的过度压力被桥堵颗粒所施加的机械应力替代。所以不能直接利用上式来计算应力屏蔽效应对井眼强度的影响。但上式有助于了解参数的重要性。利用上式进行了敏感性分析,并观察到了一些有用的现象:(1)当裂缝宽度小到 1裂缝的半径范围为 1m 时,井眼强度可增加到10002)短裂缝或有支撑的长裂缝最好,如果有支撑的裂缝很长,裂缝很容易再次裂开,而且当裂缝拓宽后才能达到同样的强度;(3)软岩石需要较大的裂缝宽度;(4)上式对地层的泊松比不是很敏感。在渗透性岩石之中使用桥堵颗粒并不好,因为钻井液可以穿过桥堵颗粒,进入岩石裂缝中从而侵入基岩。在裂缝中不能形成压力而且裂缝不能扩大。即便如此,在裂缝壁上也会形成滤饼。当裂缝初步形成时,桥塞后面的压力降会进一步产生作用,提高裂缝横截面的应力并导致桥塞后面的裂缝闭合,这就是桥塞稳定地层的方法。如果钻井液中所含的颗粒太小不能在裂缝口附近形成桥塞,那么裂缝将被裂缝内的滤饼密封。如果密封/桥堵缓慢,通过应力屏蔽效应会使裂缝延伸得太长。这种情况已在现场得到证实。诸如页岩等低渗岩石,需要桥塞具有极低的渗透率以防止压力穿透进入裂缝和拓宽裂缝。使用超低滤失钻井液加固井眼已有专利技术,在页岩段使用已取得很好的效益。使用时要认真考虑桥堵颗粒穿过页岩地层的驱动力。最初钻井液进入裂缝,桥堵颗粒在裂缝口处沉积,但需要控制穿过桥塞的压差。在压裂技术实验室使用特制的设备进行了裂缝密封试验。试验时使用的是圆筒型岩心试样,利用钻井液的压力使岩心产生裂缝。试验结果指出,碳酸钙和石墨的混合物是降低钻井液侵入裂缝最好的材料之一。试验还指出,裂缝宽度是无法控制的。为测试多功能钻井液,他们专门设计了一套试验装置。用这套试验设备在系列条件下研究了岩石渗透率、钻井液类型、温度、钻井液注入压力、钻井液密度、桥塞颗粒类型、桥塞颗粒含量、桥塞颗粒的尺寸分布、钻井液滤失量和裂缝宽度等参数。通过试验研究得出下列结论:(1)钻井液中应加入颗粒尺寸为 1 m 到裂缝宽度的桥堵颗粒;(2)对低密度钻井液来说,选择最佳颗粒尺寸分布的理想填充理论是有用的;(3)以高颗粒含量为最佳,最低含量不应低于 15;(4)在某些试验中,在高达 3000~4000约相当于 21~28 兆帕的压力,1过平衡压力下穿过地层密封了裂缝;(5)钻井液密度不是桥堵成功的关键。10.新型钻井液加重材料四氧化锰具有密度大() 、粒径小、颗粒呈球形的特点。由于球形颗粒的粒间摩擦很小,塑性粘度大幅度降低。虽然四氧化锰的密度比重晶石大得多,但其颗粒的尺寸却比重晶石小得多,这意味着这些颗粒可以被弱结构的钻井液所支撑,同时在较低的屈服值下不会增加沉降的风险。这种加重材料可以提高钻井液的流变性能,同时降低加重材料发生沉降的趋势。可在高温/ 高压井和小井眼中使用。对于高温 /高压井,减轻沉降趋势和降低塑性粘度能大幅度降低钻井时间,同时这种加重钻井液能减少井下漏失。11.防漏技术与封堵技术的发展 基础上又提出了防漏物料( 一名词。另外在降低失水量材料的研制方面,打破了过去"吸附" 为基础的理论,而提出以"封堵 "为基础的理论。例如己应用的超细碳酸钙,单封等均具有降失水和堵漏作用。近期国外文献中又提出了用聚合物使之在固定的级配细颗粒下,制成具有可溶、部分溶、不溶三种状态同时存在的产品,具有很好的防漏作用,还开发了一些如膨胀性填料(种在高温 427件下处理后的多孔性矿物材料) ,微粒水泥新产品。据称这类产品不仅可起到防漏的效果,而且还可增强井壁强度,使破裂压力提高 司的新产品(有很好的防漏作用又有很好的润滑性。12.废弃钻井液的处理1)废弃钻井液固液分离技术对废弃钻井液进行固液分离的关键技,应分两步走。一是用井场废水对废弃钻井液进行稀释,将其固相含量降至 10%以下,投入化学处理剂脱稳,泵人离心机,同时加入高分子量有机絮凝剂,提高固液分离效果,排出水再进行二次化学混凝处理,使水质指标达到控制要求。二是对钻井污水直接进行化学脱稳和离心分离,排出水再进行二次混凝处理。废弃钻井液经处理后,悬浮物、去除率大于 99%,油类去除率大于 97%,外排水各项污染物浓度达到 1996 污水综合排放一级标准,分离出来的泥渣含水量为40%~60%。泥渣可成型堆放,自然干燥 3d 后,含水量可降至 24%,泥渣浸出液中有害污染物含量未超标。2)钻井液固化技术依据化学剂的作用原理,研究出废弃钻井液固化剂必须由 4 种试剂(凝聚剂 A、助凝剂比胶结剂 C 和胶结剂 D)复配而成。凝聚剂 A 用来中和废弃钻井液的碱性,使溶液呈中性;并彻底破坏废弃钻井液的胶体体系,使废弃钻井液化学脱稳脱水;该剂与废弃钻井液中许多不同形式的有机阴离子基团交联,导致废弃钻井液中的残留有机物和固相颗粒形成稳定的絮凝体,从而有效地减少了溶液中有机物的浓度,保证废弃钻井液固化后达到很好的 除率,另外它还与废弃钻井液中重金属离子生成多合羟基金属离子的配合物,并沉淀于固化物晶格中,从而有效地减少了废弃钻井液中的重金属含量。助凝 B 主要对废弃钻井液中的粘土颗粒和有机物起吸附絮凝作用,同时参与废弃钻井液固化体系整体晶格的形成。胶结剂 C 和 D 将凝聚剂 A 和助凝剂 B 处理后的絮凝体进一步胶结包裹起来,使之形成一个具有很好抗水浸泡能力和一定强度的固化体。废弃钻井液进行固化处理证明,固化处理是可行的。固化处理后,3~5d 即可得到干燥的固化体。废弃钻井液被固化后的浸出液无色无味,清澈透明。均小于300mg/l,含油量在 2mg/l 以下,为 7~8,均符合工业废水排放标准。被固化废弃钻井液的浸出液经检测达到国家排放标准。13.环保型正电性钻井液完井液技术长期以来,井壁稳定问题一直是引起钻井工程中井下复杂情况的重要原因之一。正电性钻井液完井液就是针对这一难题研制的一种电性大于或等于零的新型钻井液完井液体系,该体系中带正电的处理剂与地层中的粘土类进行化学、物理吸附以及静电吸附,在井壁与钻屑上产生富集效应,因而具有极强的抑制能力、包被能力和好的保护油气层效果,并能有效的提高机械钻速。正电性钻井液完井液体系经多口井的现场应用表明,该体系具有极强的抑制防塌能力,开发前景广阔。14.生物酶可解堵钻井液该体系利用生物酶能够对侵入地层和粘附在井壁上的暂堵材料进行生物降解的特殊性能,在钻开产层前几十米,通过选择加入特殊的复配生物酶制剂和相应的钻井液处理剂,使在近井壁形成一个渗透率几乎为零的屏蔽层,到达暂堵的效果。钻进结束后,该层中的暂堵材料在生物酶的催化作用下发生生物降解,由长链大分子变成了短链小分子,粘度逐渐下降,先前形成的泥饼自动破除,产层孔隙中的阻塞物消除,从而使地下流体通道畅通,恢复油层渗透率。该项目成功解决石油钻井护壁防渗与保护储层渗透性的矛盾,不仅能有效消除泥饼对油层的损害,也能消除滤液侵入地层造成的损害,降解滤液中聚合物高分子,降低储层污染和伤害,满足环保要求。15.纳米钻井液处理剂的研究与开发钻井液的发展历史是紧紧围绕着粘土颗粒的分散状态而发展的。钻井液中添加各种处理剂是为了使粘土保持合适的颗粒状态,分散的粘土颗粒表面聚集了大量的负电荷,并且具有很大的比表面。在过去常加入无机电解质,尤其是高价阳离子,降低粘土的比表面和表面负电荷。现代钻井液技术发展了阳离子有机处理剂及无机正电胶和有机正电胶,这些处理剂都使粘土的水分散性基本丧失而起到稳定粘土的作用。但粘土在钻井液的颗粒直径一般为 有较大的比表面,要使钻井液体系的负电荷进一步降低,就需要开发出一种呈正电、比表面更大的钻井液处理剂,从而使钻井液具有更优良的抑制能力和润滑性、更好的油层保护能力。现代纳米高新技术的新发展,为解决当前钻井液技术难题提供了一种科学新途径。纳米材料又称为超细颗粒材料,是由纳米粒子组成,一般是指尺寸在 1—100 纳米之间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,具有非常大的比表面积和很高的表面活性以及特殊的宏观物理性质。胜利油田钻井泥浆公司开发出的新型纳米钻井液处理剂,填补了纳米技术在钻井液完井液中的应用空白。该产品现已进行了中试生产 400 多吨,在油田垦东 405—平 1、渤深 6 区块、大王北地区等二十多口井上进行了应用,均取得了成功。二、钻井液技术发展展望随着油田勘探开发的不断深入,施工难度也将更大,特别是深井、复杂井、特殊工艺井以及特殊储藏的开发、环境保护的重视,对钻井液完井液的要求越来越高,抗高温、高压、深井复杂地层、油气层保护仍是钻井液完井液技术发展的重要方向。(一).钻井液技术理论1.重视钻井液的油气层保护性能在钻井液研究目的上,不仅仅研究钻井液与钻井效率的关系,而是把钻井效率和油层保护看得同等重要。加强油层保护的研究。2.重视钻井液技术与相关学科的交叉把胶体化学、物理化学、高分子物理与化学等与纳米科学的理论应用到钻井液中,扩宽钻井液的范围。3.钻井液体系设计更趋于定量化和智能化在钻井液新体系的设计理论上,不仅仅是靠经验、靠推测来进行研究,而是把经验推测与坚实的基础理论应用看得同等重要;重视配制的准确性,加强计算机在钻井液设计的应用,使钻井液体系设计趋于定量化和智能化。(二).钻井液新技术1.渗透膜钻井液技术这种技术在理论上认为,在水基钻井液中,通过加入一到几种成膜剂,可以使钻井液体系在泥页岩等类地层井壁表面形成较高质量的膜,这样可阻止钻井液滤液进入地层,从而在保护油气层和稳定井壁方面发挥类似油基钻井液的作用。国外 M—I 钻井液公司对页岩的膜效率进行过比较系统的研究,并取得了一些成果,比如他们研究认为,在水基钻井液中可以形成三种类型的膜:Ⅰ型膜(水基钻井液成膜) 、Ⅱ型膜(封堵材料成膜)和Ⅲ型膜(合成基和逆乳化钻井液成膜) ,其中Ⅱ型膜的膜效率最高,并认为,各种类型膜的渗透机理是完全不同的。就能形成膜的钻井液种类来讲有:合成基钻井液、硅酸盐钻井液、逆乳化钻钻井液和聚合醇类钻井液等。据报道,目前,国外 司已联合开发研制了具有高膜效率的新型水基钻井液,在现场使用获得较好的效果。国内已研制出 基钻井液成膜剂,具有良好的半透膜效能,抑制泥页岩水化膨胀、分散能力较硅酸盐、聚合物钻井液强。2.正电性钻井液技术目前常用的钻井液处理剂大多数为负电性,少数由天然的或有机高分子改性的处理剂为中性,仅有极少数处理剂为正电性处理剂,所以以上处理剂配制的、我国现有的各种钻井液体系,基本上都属于阴离子体系,钻井液体系的 位小于零。如果使钻井液体系的 ξ 电位大于零,这不仅有利于抑制地层粘土的水化膨胀和分散,提高钻井液的抗盐、抗污染能力,而且正电性钻井液体系的形成能解决“钻井稳定性”与“地层稳定性”及保护油气层之间的矛盾,对油气层的保护,提高原油产量具有重要意义。胜利油田与中石化石油勘探开发研究院、山东大学等单位合作承担的科研项目《正电性钻井液正电钻井液体系研究及在保护油气层中的应用》已经按时完成,并顺利通过中国石化科技开发部组织的项目鉴定,鉴定委员会认为总体技术水平居国际领先水平。3.纳米处理剂基础上的钻井液技术通常将纳米尺寸范围定义为 1~100处于团簇(尺寸小于 1原子聚集体)和亚微米级体系之间,其中纳米微粒是该体系的典型代表。由于纳米微粒尺寸小、比表面积大,表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增大,表现出四大效应:小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点,从而使纳米粒子出现了许多不同于常规粒子的新奇特性,展示了广阔的应用前景。从均着眼于如何改变钻井液体系中组份的物理化学性质来达到目的,有目的地从纳米技术的角度来对钻井液技术进行研究,探索纳米技术在钻井液完井液领域中的应用。由胜利石油管理局、中国石化石油勘探开发研究院和山东大学共同承担了中国石化科技开发部《纳米技术在钻井液完井液中的应用研究》项目,通过此项攻关研究,达到以下目标:(1)研究成功正电纳米钻井液处理剂;(2)研究成功一种新型纳米润滑剂;(3)形成一种新型防塌保护油层钻井液体系和新型纳米润滑工艺技术。目前,该项研究的室内工作已全部结束,取得一些阶段性成果,所研制的中试产品性能达到了合同的要求。在研究出的新材料基础上形成的钻井液体系,经在多口井中进行试验,取得了明显的效果。4.深井、超深井钻井液技术目前,油气勘探开发区域不断拓宽,逐渐由浅层向深层、由简单地层向复杂地层发展,由于储层埋藏相对较深、地层压力变化大、岩性复杂多变,钻探较为困难,时效低,成本高。深井、超深井钻井液技术存在的主要问题:1)深井、超深井井下温度和压力高、地层复杂,温度可达 250℃以上,上;2)使用高密度钻井液钻进时,钻井液流动性差、泥饼厚、滤失量大、固相清除困难、钻井液性能难以维护;3)随着井深的增加,地温越来越高,钻井液在井底高温条件下,处理剂降解加快,失水大幅度增加,造成钻井液粘度增加或固化,井壁不稳定等。5.盐膏层钻井液技术钻遇超高压盐水层、复杂的盐膏层和膏泥岩,常规钻井液体系难以解决钻井液高固相含量、滤液高矿化度、性能不稳定、滤失量过高等技术难题,在钻井施工过程中经常发生盐膏层蠕变,井壁不稳定、易喷易漏、起下钻遇阻和易卡钻等井下复杂事故,同时由于地层盐溶解造成井径扩大,严重影响井身质量,给油气钻探带来极大的困难,严重阻碍着油气勘探进程。6.绿色环保钻井液技术为了满足对环境保护越来越严格的要求,必须发展绿色环保钻井液技术,以满足在环境敏感地区的勘探开发需要。7.综合自控钻井液技术此技术包括固控设备自控监视器、钻井液处理剂自动加料器、主要钻井液性能连续检测器。(三).油气层保护技术1.研究不损害油气层的钻井液从发展的趋势来看,今后钻井液与完井液将合为一体。由于油气层特性各不相同,保护油气层的技术措施具有很强的针对性,不可能存在对所有油气层均不发生损害的钻井液完井液。因而必须进一步研究对油气层敏感性和潜在损害因素的快速预测软件、对油气层不发生损害的钻井完井液、设计保护油气层技术措施的专家系统。2.研究新型的暂堵剂和解堵剂1)暂堵技术研究新型的暂堵剂和暂堵技术,即能有效的暂堵,又能易解除。2)解堵技术研究有效无损害的解堵剂和解堵技术。(四).钻井液技术达到的水平1.钻井液体系方便化一种处理剂就是一种钻井液体系,在实际使用中,针对不同条件的储层等情况,只要按一定比例与水混合,就可成为及时配成基本满足要求、且性能稳定的钻井液。钻井现场只要另配备少数几种其它的添加剂,就可以满足日常维护和对钻井液性能特殊的要求。钻井液体系方便化,至少带来以下几个方面的好处:(1)大大减少了钻井液材料的运输费用和材料损耗;(2)简化了钻井现场配浆程序;(3)稳定、提高和保证了钻井液的性能;(4)体系日常维护简单,工作量减少;(5)其它好处。2.钻井液处理剂和体系多功能化钻井液体系中钻井液处理剂的减少,就意味着钻井液处理剂的多功能化。这种多功能化,并不是传统意义上的多功能化,传统认为一种处理剂,如中粘 能既是增粘剂,也是降失水剂,同时是润滑剂,但新出现的处理剂比之综合功能要强得多,这种处理剂可能就是一种适于多种储层和多种施工条件的处理剂,只要与水相混就成为完整的钻井液体系。3.钻井液处理剂和体系颗粒将纳米化纳米技术的特点在于当材料的颗粒达到纳米级范围,将使材料呈现四大效应,四大效应的出现,将给纳米钻井液处理剂带来一些意想不到的优异性能,从而大大改善和提高钻井液的使用性能。目前我们努力把钻井液处理剂纳米化的主要出发点是:钻井液材料剂颗粒的细化,必然使其比表面积增大,这样就大大增加了与其它物质发生吸附反应的机会和程度。实际上,这只是利用了纳米材料四大效应中的一大效应,显然,真正纳米钻井液材料的性能表现还不仅限于此。4.钻井液体系将具有真正意义上的强抑制性能例如正电性钻井液体系,其抑制地层中页岩膨胀的机理,就是与带负电的粘土颗粒形成结构紧密的复合体,从而有效地防止了粘土颗粒膨胀。使钻井液整体表现为强抑制性。再如 井液,如能真的实现零渗透,将从根本上切掉使地层中粘土膨胀的基本条件:水的渗入,从而使井壁化学和物理性能保持原始状,从而使储层或地层受到保护,保证了井壁的稳定和储层的清洁。5.钻井液体系将越来越具备高新技术特色钻井液技术,作为一种应用技术,在人们印象中,似乎不太能与高新技术挂上钩,但近几年来,钻井液技术的发展越来呈现出高新技术的特点。例如,纳米技术,与生物技术和信息技术一起,被誉为二十一世纪的三大高新技术。纳米技术在钻井液完井液中的应用,必将使钻井液技术表现为高新技术特色。再如,化学成膜理论,也是物理化学领域研究热点之一,膜理论在水基钻井液中的应用,也会增加水基钻井液研究的高新技术色彩。6.钻井液性能评价将出现体现高新技术特色的新标准现在国内外对钻井液性能评价,更多体现的是它的宏观使用性能。尚不能充分体现钻井液特殊性能和微观性能,有时达不到准确评价的目的。新的钻井液产品的出现,必然需要由相应的新标准去界定、判断和评价,如纳米钻井液材料的纳米尺度和性能验证、水基钻井液膜效率的准确定量测定方法等等。
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本文标题:国内外钻井液技术发展概述
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