正電膠鉆井液性能影響因素分析

楊睿

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

李君，曹光福，申延晴張浩，楊英波

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉瑪依 834000)

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正電膠鉆井液性能影響因素分析

楊睿

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

李君，曹光福，申延晴張浩，楊英波

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉瑪依 834000)

針對正電膠鉆井液在現(xiàn)場應(yīng)用過程中鉆井液攜砂、懸砂困難等問題，室內(nèi)研究了降濾失劑的類型、膨潤土和鉆屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值等對正電膠鉆井液流變特性和濾失量的影響。研究結(jié)果表明，常用的陰離子降濾失劑在降低正電膠鉆井液濾失量的同時(shí)導(dǎo)致鉆井液切力急劇下降，攜砂和懸砂困難；非離子型和陽離子降濾失劑能很好地維持鉆井液切力不變。膨潤土和鉆屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，不利于鉆井液流變性的控制，膨潤土和鉆屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都應(yīng)控制在4.0%以下。pH值過高或過低也會使鉆井液失去良好的流變特性，一般應(yīng)控制在9～11之間。該研究對正電膠鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用具有理論指導(dǎo)意義。

正電膠鉆井液；觸變性；濾失量；流變性；pH值

正電膠鉆井液是由正電膠MMH、膨潤土、其他處理劑、水組成的一種電位大于—10mV的水基鉆井液體系，具有獨(dú)特的流變性，即鉆井液靜止時(shí)呈現(xiàn)半固體狀態(tài)，具有一定彈性，攪拌時(shí)產(chǎn)生極強(qiáng)的剪切稀釋性能，體現(xiàn)出“固-液雙重性”[1]。其原因主要是形成的MMH-水-黏土復(fù)合體結(jié)構(gòu)所引起的，靜止時(shí)體系的水全部被極化后可形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，表現(xiàn)為靜切力較高，但這種極化水鏈很容易被破壞，所以攪拌時(shí)很容易變稀[2]，這種特性是正電膠鉆井液的獨(dú)特流變性，使正電膠鉆井液體系具有很好的攜砂和懸砂作用。該鉆井液同時(shí)具有抑制性強(qiáng)、抗可溶性鹽污染能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好、儲層保護(hù)性好等特點(diǎn)，常用來鉆水平井或地層泥頁巖含量高的井。但現(xiàn)場在使用該鉆井液體系時(shí)往往忽略了正電膠處理劑的作用機(jī)理，在其他處理劑的使用、膨潤土和鉆屑含量控制、pH值調(diào)整等方面易于忽視，使正電膠鉆井液體系流變性類似于一般聚合物鉆井液體系，導(dǎo)致鉆井液攜砂性和懸砂性下降，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致井眼凈化困難并發(fā)生沉砂卡鉆等事故。針對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，以期指導(dǎo)正電膠鉆井液在頁巖氣開發(fā)中的水平井、大斜度井中的正確應(yīng)用。

1　正電膠鉆井液結(jié)構(gòu)特征及作用機(jī)理

我國現(xiàn)場應(yīng)用的正電膠產(chǎn)品主要是鋁鎂氫氧化物(Al-MgMMH)正電膠，其化學(xué)組成式為：Mg0.43Al(OH)3.72Cl0.140.5H2O，具有類似于水滑石層狀結(jié)構(gòu)，層片具有類水鎂石結(jié)構(gòu)，在pH值為9～11時(shí)該結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定[3]。

正電膠鉆井液中正電溶膠粒子帶有較高的正電荷，對其周圍水分子必然產(chǎn)生一個(gè)定向極化作用，使水分子在膠粒周圍形成穩(wěn)固的水化膜，這個(gè)水化膜的外沿顯正電性，而黏土膠粒帶負(fù)電荷也會產(chǎn)生類似作用，只是水化膜外沿顯負(fù)電性。極化的水分子充填于正電膠粒子和黏土粒子之間，使兩個(gè)粒子保持一定距離而不再靠近(包括物理阻隔和電性阻隔)。這樣，在整個(gè)空間就會形成水分子穩(wěn)定的體系，稱這種由正負(fù)顆粒與水分子形成的穩(wěn)定體系為“復(fù)合體”[4]。該“復(fù)合體”空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是通過“靜電”來實(shí)現(xiàn)的，與常規(guī)的聚合物鉆井液中的結(jié)構(gòu)體系是不同的，因此，影響該鉆井液體系性能的因素與常規(guī)鉆井液也是不同的。影響正電膠電性強(qiáng)弱和“復(fù)合體”數(shù)目等因素都會使正電膠鉆井液的性能發(fā)生改變。

2　影響正電膠鉆井液性能的因素

2.1降濾失劑

正電膠鉆井液體系盡管具有很好的流變性、抑制性、儲層保護(hù)性，但其最大的弱點(diǎn)是濾失量不易控制，泥餅厚而且韌性不好。這主要是該鉆井液平均粒徑較大，正電膠粒子具有與高分子化合物相類似的“敏化”和“保護(hù)”作用，MMH自身的粒度分布也不是很均勻，再加上其強(qiáng)吸附性，很容易協(xié)同其他處理劑形成大顆粒分子，使鉆井液表現(xiàn)出粗分散體系特點(diǎn)，也就是結(jié)構(gòu)強(qiáng)、濾失量大、泥餅厚且韌性差。因此，現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，控制鉆井液濾失量是最重要的工作。室內(nèi)選擇了3種常用類型的降濾失劑，評價(jià)其對鉆井液流變性和濾失性的影響，結(jié)果如表1所示。正電膠鉆井液基本配方：3.5%膨潤土+0.1%NaOH+0.40%MMH+1.2%非離子型降濾失劑DF-1 +降濾失劑(配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即每100mL鉆井液中所加處理劑的質(zhì)量，下同)。陰離子型降濾失劑LV-CMC、LV-PAC、SMP、SMC加入到正電膠鉆井液中，鉆井液濾失量下降，泥餅質(zhì)量變好，但鉆井液的動切力及靜切力大幅下降，鉆井液體系失去了獨(dú)特流變性，懸砂性和攜砂性下降；非離子型降濾失劑YDF-1、TRDT能降低鉆井液濾失量，動切力和靜切力基本不變，對鉆井液懸砂性和攜砂性無影響；陽離子降濾失劑YLQ、RHLQ有很好的降濾失性，泥餅質(zhì)量好，但黏度和切力增加明顯。因此，現(xiàn)場應(yīng)用正電膠鉆井液體系時(shí)一定要注意處理劑的類型，盡量選擇非離子或陽離子型的處理劑，保證鉆井液體系的電性，以確保鉆井液體系具有獨(dú)特的流變性。

表1　降濾失劑類型對正電膠鉆井液性能影響

注：μa為表觀黏度；μp為塑性黏度；τd為動切力；Rdp為動塑比；τi為初切力；τf為終切力；VAPI為API濾失量。下同。

2.2膨潤土

正電膠作為正電膠鉆井液體系中的增黏劑和抑制劑，主要是利用其電性特點(diǎn)形成的MMH-水-黏土“復(fù)合體”來提高鉆井液的“結(jié)構(gòu)”。當(dāng)鉆井液體系中的膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，體系中的“復(fù)合體”結(jié)構(gòu)也會過高，使鉆井液體系的黏度、動切力過大，導(dǎo)致鉆井液循環(huán)不暢，濾失量也不好控制。因此，使用正電膠鉆井液體系時(shí)一定要控制好鉆井液體系中膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)[5]。室內(nèi)評價(jià)了膨潤土對正電膠鉆井液性能的影響，結(jié)果如表2所示。膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，鉆井液表觀黏度、動切力、靜切力和動塑比越來越高，表明鉆井液中的“復(fù)合體”結(jié)構(gòu)也越多和越強(qiáng)。膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.0%后，鉆井液表觀黏度、動切力、靜切力及動塑比過大，影響鉆井液的循環(huán)。因此，配制正電膠鉆井液時(shí)膨潤土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在4.0%以下。

表2　膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)對正電膠鉆井液性能影響

2.3鉆屑

鉆井液中的鉆屑與膨潤土具有相同的特點(diǎn)，也能形成MMH-水-黏土“復(fù)合體”，不同的是鉆屑會明顯導(dǎo)致鉆井液黏度增加，鉆井液泥餅質(zhì)量變差，摩擦系數(shù)提高[6]。室內(nèi)評價(jià)了鉆屑對正電膠鉆井液性能的影響，結(jié)果如表3所示。鉆屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，鉆井液表觀黏度、塑性黏度大幅增加，動切力緩慢增加，動塑比下降，靜切力上升，濾失量增大，泥餅厚度增加。表明鉆屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鉆井液流變性有明顯的影響。固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過4.0%時(shí)，影響程度大。因此，現(xiàn)場要加強(qiáng)固控設(shè)備的應(yīng)用，鉆井液中鉆屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在4.0%以下。

表3　鉆屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對正電膠鉆井液性能影響

2.4pH值

現(xiàn)場上常用的正電膠一般是用AlCl3和MgCl2混合鹽溶液與NH4OH、KOH、NaOH共沉淀劑，在pH值為8～11的條件下制備而得的。制備時(shí)發(fā)現(xiàn)，pH值低于8.1時(shí)不能形成溶膠而形成了凝膠，pH值高于11時(shí)不形成溶膠，也不能形成凝膠，而生成了偏鋁酸鹽，可見pH值的大小直接影響到制備產(chǎn)品的形態(tài)及性質(zhì)[7]。為此，室內(nèi)評價(jià)了pH值對正電膠鉆井液性能的影響，結(jié)果如表4所示。

表4　pH值對正電膠鉆井液性能的影響

pH值對鉆井液性能的影響與制備正電膠時(shí)pH值范圍有對應(yīng)關(guān)系。pH值低于8時(shí)，鉆井液表現(xiàn)出的性能類似于一般的聚合物鉆井液體系，且濾失量略增大；pH值高于11時(shí)，鉆井液表現(xiàn)出的性能也類似于一般的聚合物鉆井液體系，且濾失量增大明顯；pH值在8～11之間時(shí)性能穩(wěn)定。造成該現(xiàn)象的主要原因是pH值低于8時(shí)，正電膠MMH以AlCl3和MgCl2無機(jī)鹽的形式存在，導(dǎo)致鉆井液性能失去獨(dú)特流變性、濾失量增大；pH值大于11時(shí)，正電膠MMH以偏鋁酸鹽的形式存在，導(dǎo)致鉆井液性能失去獨(dú)特流變性、濾失量增大。因此，現(xiàn)場在使用正電膠鉆井液體系時(shí)，一定要控制好pH值，否則就失去了應(yīng)用正電膠鉆井液體系的意義。

3　結(jié)論

1)非離子或陽離子型降濾失劑能有效降低正電膠鉆井液濾失量而不影響鉆井液獨(dú)特的流變性；陰離子型降濾失劑能降低濾失性，但中和了正電膠的電性，影響正電膠鉆井液獨(dú)特的流變特性，導(dǎo)致鉆井液性能類似于一般的聚合物鉆井液?，F(xiàn)場應(yīng)選擇非離子型或陽離子型處理劑來調(diào)整鉆井液性能。

2)膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會使正電膠鉆井液中MMH-水-黏土“復(fù)合體”增多，導(dǎo)致鉆井液黏度、切力太大，影響鉆井液循環(huán)。配制正電膠鉆井液時(shí)膨潤土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在4.0%以下。

3)鉆屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會使正電膠鉆井液中MMH-水-黏土“復(fù)合體”增多，導(dǎo)致鉆井液黏度、切力及濾失量上升，鉆井液循環(huán)困難?，F(xiàn)場要加強(qiáng)固控設(shè)備的應(yīng)用，鉆井液中鉆屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在4.0%以下。

4)pH值在8～11之間時(shí)正電膠鉆井液性能穩(wěn)定，因此現(xiàn)場鉆井時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制好pH值。

[1]張春光，徐同臺，侯萬國.正電膠鉆井液[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000：12～15.

[2]Fraser L J，Aragao A F L.Successful application of MMH fluid to drill in narrow pressure window，ultra deepwater situation[J].SPE/IADC 67734，2001.

[3]伍勇，許紹營，王思友，等.KCI有機(jī)正電膠鉆井液在GlO4-5P1井的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2004，21 (4)：45～47.

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[編輯]帥群

2016-01-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51174036)。

楊睿(1990-)，男，碩士生，主要從事油田化學(xué)方面的研究，xiaxu2@163.com。

TE254

A

1673-1409(2016)26-0043-03

[引著格式]楊睿，李君，曹光福，等.正電膠鉆井液性能影響因素分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2016,13(26):43～46.