低温钻井液体系研究现状.pdf
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1、Vol.39 No.11Technology SuetroleumIndustry第3 9 卷第11期NoV.20232023年11月石油工业技术监督低温钻井液体系研究现状张雨晨,郝树青12,杜欣齐1,吕锐杰3,刘学畅1.中国矿业大学资源与地球科学学院(江苏徐州2 2 1116)2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室(江苏徐州2 2 1116)3.中国矿业大学孙越崎学院(江苏徐州2 2 1116)摘要通过查阅文献,梳理总结近年来在低温地质环境(常年冻土、极地冰层、深海)下进行钻井勘探时所使用的抗低温钻井液类型。依据所使用的抗冻剂不同将其归纳为三大类型:以盐类、醇类等为主的水基钻井液;以石油类
2、、硅油类等为主的油基钻井液;以各类单酯、脂肪酸酯为主的酯基钻井液。对相关钻井液研究现状及优缺点进行讨论,并对低温钻井液未来发展方向提出建议。关键词低温钻井液;水基钻井液;油基钻井液;酯基钻井液D01:10.20029/j.issn.1004-1346.2023.11.002Research Status ofLowTemperatureDrillingFluid SystemZHANG Yuchen,HAO Shuqing2,DU Xinqi,LV Ruijie,LIU Xuechang1.School of Resources and Geosciences,China University
3、 of Mining and Technology(Xuzhou,Jiangsu 221116,China)2.Key Laboratory of Coalbed Methane Resources&Reservoir Formation Process,Ministry of Education,China University of Mining and Technology(Xuzhou,Jiangsu 221116,China)3.Sun Yueqi Honors College,China University of Mining and Technology(Xuzhou,Jian
4、gsu 221116,China)Abstract Through literature review,this study summarizes the types of low-temperature resistant drilling fluids used in drilling ex-ploration in low-temperature geological environments(including permafrost,polar ice sheets and deep sea)in recent years.Accordingto the different antif
5、reeze agents used,these fluids can be categorized into three types:water-based drilling fluids primarily composedof salts and alcohols,oil-based drilling fluids primarily composed of petroleum and silicone oil,and ester-based drilling fluids mainlycomposed of various monoesters and fatty acid esters
6、.The research status,advantages and disadvantages of these drlling fluids arediscussed,and recommendations for the future development direction of low temperature drilling fluids are put forward.Key words low temperature drilling fluid;water-based drilling fluid;oil-based drilling fluid;ester-based
7、drlling fluid张雨晨,郝树青,杜欣齐,等.低温钻井液体系研究现状 J.石油工业技术监督,2 0 2 3.3 9(11):6-11.ZHANG Yuchen,HAO Shuqing,DU Xinqi.et al.Research status of low temperature drilling fluid systemJ.Technology Supervision inPetroleum Industry,2023,39(11):6-11.全球冻土及南极大陆占地球总面积的3 3%,广阔的面积中储存着大量的矿产资源及清洁的天然气水合物资源。在常年冻土、极地及深海区域钻井时,由于特
8、殊的地理环境使得勘探过程中所使用的钻井液要在0 以下具有良好的流变性能、滤失性能、润滑性能,并对地层有良好的封堵性能,还要求具有及时冷却钻具以及清洁井底的能力等。一般使用无机盐或醇类作为抗冻剂,结合降滤失剂、增黏剂等试剂配置出适合某地区的低温水基钻井液I-3。在极地等极端气温环境钻井时对钻井液的收稿日期:2 0 2 3-0 4-19;修回日期:2 0 2 3-0 5-2 9基金项目:中国矿业大学重大项目培育专项(重点)“水合物法煤层储CO,钻井液渗流诱导效应下井壁稳定多相场耦合机制”(编号:2 0 2 0 ZDPYZD03);新一轮“双一流 建设提升自主创新能力项目,矿业学科群提升自主创新能力
9、项目“可燃冰勘探开发基础理论与关键技术”(编号:2 0 2 2 ZZCX05K6)。作者简介:张雨晨(1998 一),男,硕士,主要从事钻探及冻土钻井液方面的研究。E-mail:张雨晨等:低氵井液体系研究现状性能要求更加苛刻,要求在-6 0-3 0 下依然具有良好流变性能、护壁性能之外,还要对环境友好及不会对人体健康造成影响。多通过在航空燃油、柴油基或酯基(4-5)等溶剂中加人加重剂来平衡密度以满足极地开采需求。本文通过查阅相关文献,总结了低温水基钻井液、油基钻井液及酯基钻井液的应用研究现状,分析其优缺点并提出建议。1水基钻井液水基钻井液相较于油基钻井液具有成本低、配置简单、添加剂选择多样且来
10、源广泛、性能容易控制等优点,但容易受到污染且不易回收。目前在水基钻井液中所使用的抗冻剂多为醇类及无机盐类。但钻井液性能并不随着抗冻剂含量的增加而一直变好,例如当乙二醇的含量达到3 5%时可以抗-2 0 的低温,但是含量再升高则会与其他的添加剂表现出不相容性,并且NaCl的含量影响着钻井液的流变性能及滤失量,含量越高其黏度越高,并且其滤失量也会随之升高(6。所以在对目标区域进行钻井勘探时选择合适且含量合理的抗冻剂尤为重要。1.1酒醇类低温钻井液从水基钻井液的工作特点来看,其耐温介质须是价格低廉、来源广泛、无毒无污染、可溶于水的,醇类由于其具有较低的冻点而被广泛关注。但并不是所有醇类均可作为抗冻剂
11、,像甲醇、乙醇由于易燃、沸点低等缺点而不被研究工作者所使用,而乙二醇、丙二醇等是钻井液最为常见的醇类抗冻剂,表1为乙二醇与丙二醇在不同体积分数下的凝固点表1乙二醇与丙二醇在不同体积分数下的凝固点乙二醇体积分数/凝固点/丙二醇体积分数/凝固点/%5-24.8-1.610-4.39.6-3.320-920.4-7.630-1730.4-13.440-2640.6-22.1杨军虎、Nikolaev等18-面对天然气水合物(NGH)开采时易分解造成井壁水化塌等安全事故,采用复合醇(丙二醇和聚乙二醇)作为防冻剂结合水合物抑制剂配置成钻井液。发现复合醇钻井液密度合理、润滑性及流变性能优异、能够有效地抑制泥
12、页岩的水化膨胀和水合物的生成。在-8 下塑性度(PV)为2 5mPas,动切力(YP)为10.5Pa,滤失量仅为5.8 mL,16 h 内泥页岩的线性膨胀量仅为清水中的1/3,并且在12 h后几乎不再发生膨胀。冯哲等以乙二醇为主抗冻剂结合抑制剂(聚乙烯醇)、絮凝剂(水解聚丙烯酰胺)等研制出一种复合聚合物类钻井液,在-15低温条件下具有优秀的流变性能及失水性能,并随着乙二醇含量的增加其防塌性能在逐步提升,主要原因可能为乙二醇的链式分子结构与抑制剂聚乙烯醇分子结构相似,并且乙二醇水溶液呈现弱酸性能够加速聚合物的絮凝使其快速成膜提高钻井液的防塌性能。此类钻井液随着乙二醇的加人均为牛顿流体,严重影响钻
13、井液的流变性能,故需要进一步对钻井液进行优化1.2聚合醇类钻井液聚合醇类钻井液是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新型钻井液体系,相较于传统的醇类钻井液体系具有以下优点:固相含量低,能有效提升钻井速度;在高速的剪切作用下固相与聚合醇分子之间及聚合醇分子之间的桥联易发生破裂,使其具有良好的流变性能及较高的动切力;能抑制孔壁的水敏地层发生水化塌,有良好的防塌效果;拥有低密度、低固相的特点使其能够有效地保护油气藏,降低对油气藏的伤害;在钻进过程中易维护、易降解且价格低廉。在对冻土区天然气水合物钻探时,由于长年处于低温高压下,岩石会更加的致密,钻探速度会降低。为提高冻土区的钻探速度,使用5%聚乙
14、二醇+1%PVP(K90)作为基浆,研究低温条件下不同的无机盐及表面活性剂对岩石的软化效果。发现表面活性剂对砂岩的软化效果大于无机盐类,并且十二烷基硫酸钠对砂岩的软化效果最好,能降低砂岩26.7%的显微硬度、3 0%的静态抗压强度、18.8%的动态抗压强度和3 8.5%的最大变形量,效果远好于甲酸钾、Mirapol Surf S210等,可为聚乙二醇低温钻井液中砂岩表面活性剂 12 。韩月113 以聚乙二醇为主结合NaCl配置适合高原冻土区天然气水合物开采的钻井液,在-8 下表观黏度(AV)为42 mPas,动切力(YP)为13 Pa,滤失量为8.6 mL,对泥页岩的水化有良好抑制作用,并通过
15、COMSOL软件探究钻井液对地层温压影响范围进行模拟。发现钻井液对井壁地层温压影响范围最大仅为0.2 m和0.4m,能够有效地保护地层减少钻井液对地层的侵害。聚合醇类钻井液是近年来研制比较成功的钻井液,但当遇到水化能力强的Li时其抑制性就会消失,故在使用此类钻井液时,应该探明钻探位置地化特8石油工业技术监督征,减少由于井壁发生水化而珊塌的安全事故1.3无机盐类钻井液无机盐类钻井液体系的塑性黏度要低于其他钻井液体系,能够降低井下压力损失,提高钻井效率。常用的无机盐包括NaCl、K C I等。NaCI价格低廉、分布及来源广泛,常用在高原冻土区及海洋水合物勘探中充当耐低温介质,具有降低溶液凝固点(表
16、2)4及一定的防塌性能等特点。KCl亦可充当钻井液抗冻剂,但在相同含量下其凝固点高于NaCl,但抑制性强于NaCl,故其主要被当作抑制剂使用1-16 表2 NaCI含量与凝固点关系NaCl含量/%51015203530凝固点/-4.0-7.5-12.0-17-21-24杨阳等117 根据不同的聚合物对钻井液流变性能、滤失量及对岩石试块的抑制能力大小,配置出乙二醇(15%2 0%)+NaCl(7.5%)+膨润土(1.5%)+聚乙烯醇(1.8 7 5%2.2 5%)+水解聚丙烯酰胺(PH-PA)(0.2 5%0.3 13%)钻井液,应用于漠河盆地对天然气水合物的勘探中,发现其流动性随温度的降低变差
17、,但降低幅度不大可以满足在该地区使用,并对井壁起着良好的防塌效果。张川等 2 根据高原冻土区天然气水合物的储层条件,以NaCl为抗冻剂结合成都理工大学自制的ALT-1、A L T-2 稀释剂配置出在-14下具有良好性能的聚合物钻井液,滤失量仅为4.6 mL,在对得到的实验数据进行回归分析发现其在低温条件下趋势十分符合赫-巴模式拟合度,可以达到0.997,并建立低温条件下AV响应数学模型,精度在98.5%以上。王胜等18 研制以15%NaCI为基础液的无固相钻井液体系,配方为15%NaCl+0.8%植物胶+0.0 5%NaOH+0.5%FA,其中自制研制的特种聚合物FA解决了钻井液的低温技术问题
18、,具有创新性。此方案简单,可改变处理剂的类型及含量,适用于不同的地质条件但其实用性还需进行现场实践。周忠鸣等9选择NaCl、腐殖酸钾(KHM)、水解聚丙酰胺(PHP)等试剂,筛选出两组在低温条件下具有良好性能的钻井液。在-15下表观黏度分别为46.5、47.5mPas,动切力分别为3 4、3 5Pa,滤失量分别为6.8、7.6 mL。PH P与KHM进行配置能够有效地增强钻井液的抑制能力,满足高原冻土层的使用条件并且价格低廉具有一定的实用价值。但还需进一步在实地进行钻探试验,以此对钻井液的实用性进行验证和优化PHP与KHM的配比提高钻井液防塌性能。无机盐类钻井液中材料来源广泛、价格低廉,在相同
19、的含量下其凝固点要低于乙醇、乙二醇及甲酸盐类,是在高原冻土及深海中钻探天然气水合物常用的一种抗冻剂,但其对井壁的水敏地层的抑制性较小常需要添加抑制剂,而含量过高则会影响钻井液的流变性能及增大滤失量。故在以后的工作中应该着重关注钻井液中抗盐添加剂的开发,有效解决“盐侵”问题1.4甲酸盐类钻井液甲酸盐类钻井液具有对地层破坏性小、固相含量低、清洁能力强、污染小、对水敏地层抑制性强、与聚合醇类相复配时具有良好的防塌性能和润滑性等优点而引起广泛关注 2 0 。在甲酸盐中一般使用甲酸钾与甲酸钠,相同含量情况下甲酸钠的凝固点要远低于甲酸钾 2 1WANG2以甲酸钾为耐温介质结合植物胶、纳米二氧化硅等配置成低
20、温植物胶钻井液(水+15%HCO0K+0.6%kuli gum+0.3%瓜儿豆胶+0.1%Nanosilica+0.15%NazSiO,),对其性能进行测试发现在-10下具有良好的流变性及黏弹性,在进行膨胀量测试时发现在清水中浸泡的试块在48 h时完全塌,在该钻井液中膨胀量为4.6 5mm,且96 h后依旧保存完好并在高寒复杂地质条件下进行实地应用,表现出良好的流变性能及防塌性能。张鹏飞 2 3 选用甲酸钠作为抗冻剂,结合NazSiO3、羟甲基淀粉等配置成的钻井液(10 0 0 mLH.0+5%钠土+16%HC00Na+0.1%NazSiO;+1.5%羟甲基淀粉+0.2%瓜儿豆胶)具有良好的流
21、变性能(AV=18mPas,PV=12mPa?s,YP=3.8 Pa),并在川藏线中易破碎地层进行实地钻探,使用此钻井液平均钻进速度提升66.7%,岩心采取率高达90%,并且形成了更加优异的泥皮保护膜尽管甲酸盐类钻井液在低温条件下拥有良好的流变性能、防塌性能、润滑性、易维护及能够有效地保护储层等优点,但是其价格要高于一般的无机盐(NaCI)和泥页岩抑制剂(KCI)故在实地应用方面并未进行大规模的应用,需要进行优化减少损耗量和提高回收率。1.5醇/无机盐类低温钻井液钻井液中试剂的抗盐性能决定着无机盐的含量不能过高进而导致使用温度范围有限,醇类钻井液含有较少的黏土等固相颗粒令其在低温条件下9张雨晨
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