水基聚乙二醇钻井液页岩稳定性研究

第21卷第6期天然气工业水基聚乙二醇钻井液页岩稳定性研究刘平德牛亚斌王贵江夏朝辉张梅TE2 A(石油勘探开发研究院)(大庆油田有限责任公r1)刘平德筹.水基聚乙二醇钻井液页岩稳定性研究.天然气工业.2001 ;21(6):57-59摘妻钻井过程中,由于钻井滤液的侵入,地层中的粘土矿物发生水化、膨胀、分散,削弱了岩石的力学强度,导致井壁失稳的发生。文中简述了聚乙二弊钻井液页岩抑制机理:浊点行为、协同作用、渗造作用。结合窒内实验分析了影响聚乙二醇钻井液抑制作用的因素。当温度达到聚乙二醇的浊点温度后,聚乙二醇从溶液中析出。封堵页岩裂链。当在聚乙二醉钻井液中加入合适的无机盐后,无机盐与聚乙二醇起协同作用，提高了聚乙二群的页岩抑制性能,达到稳定页岩的目的。主题词钻井液 聚乙二醇井眼稳定抑制作用钻井过程中所钻遇的地层大部分由页岩构成,聚乙二醇页岩抑制机理分析页岩中一般含有蒙脱石、伊利石、高岭石等易水化分散、膨胀的粘土矿物。页岩水化一方面产生水化膨聚乙_ :醇在水中具有浊点和逆溶解性。低于一胀应力,另一方面水的进入又削弱了岩石的力学强定温度,它们是水溶性的。 当温度高于聚匕二醇浊度,易使井璧发生失稳。基于上述原因,研制一种页点温度时，发生相分离而形成乳状液起封堵裂缝来岩抑制性强,且利于环保的可替代油基泥浆的聚乙阻 止滤液的侵人,达到稳定页岩的目的(2。二醇水基钻井液是非常必要的。目前,人们普遍认为聚乙二醇页岩抑制机理为:聚乙二醇水基钻井液是近几年来发展起来的一(1)浊点行为种新型钻井液,它是由聚乙二醇、聚合物、无机盐等当温度高于聚乙二醇的独点温度时,吸附增加构成。当加入一定量的聚乙二醇,可以明显提高该起主导作用,将会有更多的聚乙二醇吸附在粘 上表体系的页岩抑制性,由于它毒性低，可以生物降解，面上,温度越高析出的聚乙.二醇越多,通过封堵粘土利于环保,因而引起了人们的极大关注。颗粒表面的裂缝产生的抑制作用越强烈。随温度的本文简要概述了聚乙二醇钻井液的页岩抑制机升高,聚乙二醇的吸附量增大,导致了聚乙_醇的溶理,并通过实验研究了影响聚乙二醇钻井液页岩抑解度减小而析出,吸附在粘土表面上相当于吸附着制作用的因素。-层憎水膜,起到防塌作用(3)。聚乙二醇的浊点受成，该体系常温下经50心、16h以及120心、16 h老参考文献化后的流变性和滤失性均能满足钻井要求。.4)酯基钻井液体系的润滑性能和储层保护性能1梁文杰主编 .石油化学.北京:石油大学出版社. 1995均优于柴油基钻井液;高温流变性试验表明,酯基钻2陈乐亮.新型油浆换代体系-- -合成基钻井液国外研制井液的粘度在100C后开始随温度和压力的升高而与应用情况.石油与天然气化I .1996,25(1):26- 30.增大;页岩抑制性试验结果表明,酯基钻井液的页岩3张琰,任丽荣.仿油牲水基钻井液的试验研究.现代地质，2000,14(2)抑制性低于柴油基,高于水基钻井液,其原因在于酯基液的极性介于柴油和水之间。中国煤化工°编辑钟水潇)w刘平簿,1972年生,中国石油天然气总公司石油勘探开发研究院在.MYHc N MH G油学院酋气井T程专业硕」学位,现主要从事油田化学方面的研究工作。地址:(100083)北京市 910信箱研究生部博2000。电话:(010)62098389。57●天然气工业2001年11月溶液的矿化度、聚乙二.醇的分子量与浓度的影响，上在基浆中分别加人不同浓度的KCI.CaC2.NaCl述任何一种因素的增加，都将会导致聚乙二醇浊点后, 实验结果见表2。的降低[5]。无机盐对聚乙二醇的浊点有很大的影响。室内研究发现:随眷无机盐加量的增加,由于无表2无机盐对聚乙二醇抑制作用的影晌机盐促使聚乙二醇发生相分离,及在粘土表面上吸无机盐GelL| 回收率+0600/0300附量增加而引起聚乙二醇的独点降低。无机盐对聚种类|加量(%)(Pa/Pa)| (mL)(%)乙二醇的浊点影响如表1。30/19 4. 5/9880KCl25/163/6.57. s20/132/4. 5既1无机盐对聚乙二醇浊点的影响21/132.5/63NaCl19/112/4415/10 ,1.5/2.55:种类加量(%)24/15/704(97.CaCl222/142.5/5594.518/111.5/36)1注:基浆为:2%土+ 1%KPAM+2%嫌乙二酵+0.5%QS -2。)6KCI9389.5从表2的实验结果可发现:随着氯化铆加量的增加,失水减小，页岩回收率增大。这是由于K*的有机处理剂也会影响聚乙二醇浊点。随着有机水化能比较低,聚乙二醇与K'间较强的相互作用，处理剂加量增加,其独点表现为先增加后减小。加压缩 帖土表面的双电层,使粘土表面的水化膜变薄，量很低时,其浊点基本趋于聚乙二醇的浊点。有利于聚乙二醇在粘土表面的吸附。阻止粘上颗粒(2)协同作用与水接触,抑制页岩水化分散。聚乙二醇与KCl的吸附在粘土表面的钾离子压缩粘土表面的双电协同作用抑制页岩水化分散。当温度高于聚乙二醇层,使粘土表面的水化膜变薄,有利于来乙二醇的吸的浊 点温度时,析出的聚乙二醇颗粒封堵页岩裂缝，附包被作用,可阻止粘土与水直接接触,以抑制页岩抑 制作用增强。的水化分散(4)。氯化钠浓度对聚乙二醇抑制页岩水化影响较(3)渗透作用大,在氯化钠加量低时,聚乙二醇抑制作用较差,由聚乙二醇能够提高钻井液滤液的粘度,并通过于钠离子水化作用较强,与溶剂化水结合很牢固,钠.降低钻井液中水的活度来减小压力渗透,起到稳定离子与聚乙二醇之间的作用不足以将溶剂化水带页岩,防止井壁失稳的作用。走,而聚乙二醇的加人会使粘土晶体地面间距增大。聚乙二醇抑制机理为:通过浊点行为,当温度高氯化钙中钙离子的水化作用较强,与溶剂化水于聚乙二醇的独点温度时,聚乙二醇会彤成颗粒,封结合很牢固 ,钙离子与聚乙二醇之间的作用不足以.堵页岩裂缝;与无机盐的协同作用，在页岩表面强烈将溶剂化水带走, 而聚乙二醇的加入会使粘土晶体吸附,进一步阻止页岩水化.分散;渗透作用,提高钻地面 间距增大,抑制作用很弱。井液滤液粘度,降低钻井液中水的活度来臧小压力(2)聚乙二醇分子量对抑制作用的影响渗透,起到稳定页岩,防止井壁失稳的作用。聚乙二醇是一种水溶性高分子化合物,其分子影响聚乙二醇抑制作用的因素.通式为:44Xn +18,n为聚合度。平均分子量大约在200~20 000之间。随着分子量的增加,可以从无聚乙二醇本身具有独点行为,其浊点随浓度的色 、无臭粘稠液体增稠至半固体。它在粘土表面上升高而降低。当浓度升高时易形成胶束并聚集。正的吸附是靠-0- 与粘土颗粒表面的-OH形成氢是由于浊点的存在,提高了钻井液的防塌性能。研键,-0-也可与粘土颗粒表面的高价离子鳌合,具究表明:当温度接近或超过聚乙二醇的浊点温度时，有较中国煤化工分子量为400、其抑制性能会得到进一步的提高。1 000三基浆同前),其粘(1)不同的无机盐对聚乙二醇页岩抑制作用的切、失:DYHCNMHG2mL.12mPa.s.影响6.5Pa .5.1 mL。可见,分子量增大聚乙二醇的抑58，第21卷第6期天然气工业制性增强,同时高分子量的聚乙二醇还可做降滤失聚乙二醇能够封堵页岩裂缝,温度越高 ,抑制作用会剂，使失水降低,粘切增加。小分子量的乙二醇类在越强。室温下可溶于水,而当温度升高时,会发生相分离现2)合适的无机盐与聚乙二醇具有协同作用,在象，形成乳状液,可堵塞页岩孔隙,起到封堵作用。含有氯化钾、氯化钠.氯化钙的水溶液中抑制作用增(3)加量对聚乙二.醇页岩抑制作用的影响强在2%土+ 1%KPAM +0.5%QS-2+5% KCl3)聚乙二醇页岩抑制机理为:通过浊点行为、协的基浆中加入1%的聚乙二醇在100C老化16 h后同作用、渗透作用,起到抑制页岩的水化来稳定井壁测其性能,此时发现钻井液的API失水为21 mL,而的作用。当聚乙二醇加量达5%后API失水为7 mL,粘切分别为11 mPa.s.3.5 Pa。随着爨乙二醇浓度的增加，钻井液失水得到控制。因此,聚乙二醇具有较强的1Ron Bland and G L Smith Baker hughes INEQ Low salinity页岩抑制作用。polyglyool water - based dilling fhuids as altemnative to oil -based muds. SPE36400(4)聚合物对聚乙二醇抑制作用有一定的影响室内研究表明:当加入一定量的聚合物时,聚乙2 Reld F I and Bernadeue. TDolan. Mechanism. of shale inhi-bition by polygyols in water - based drlling fluid.二醇的抑制性能有所提高。为满足现场施工要求，SPE28960应选择合适的有机处理剂,使聚乙二醇的抑制性能i TwynamAJ et al. Glycol - enhanced water - based mud:得到最大程度的发挥。此外,温度对聚乙二醇的页case history to demonstrate improved driling eficiency in岩抑制性能也有重要的影响。当温度高于檠乙二醇tectonically stressed shale .的独点温度时,析出的聚乙二醇封堵页岩裂缝,温度4向兴金等.钻井液与完液.199.16(3)越高,析出的聚乙二醇越多,抑制作用会越强。5 Aston, M P: Water - based glycol dilling mud: Shale inhi-bition mechanisms. Paper SPE 28818, Presented at the 1994结论Furopean Petruleurn Conference, London Oet .25- 271)当温度高于聚乙二醇的独点温度时,析出的(收稿日期2001-06-23 编辑钟水清)欢迎订阅2002年《测井技术〉本刊于1977年创刊,是经国家科委批准面向国内外公开发行的国家级正式期刊,是国内惟-反映我国测井技术发展现状、水平及动向的技术性刊物。本刊集学术性、技术性和信息性为一体,为中国科枝论文统i计源和<中国学术期刊(光盘版)>期刊;被<中国石油文擒>、美国《石油文擒)、美国职业测井分析家学会(SPWLA)地球物理敷据库.美国Ei 检索刊物敷据库、万方.数据库等收录检索;被美国