高效聚合物钻井液泥饼润滑剂的研制及其作用机理分析.pdf
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1、第40卷第2期2023年6月25日油田化学Oilfield ChemistryVol.40 No.225 Jun,2023http:/文章编号:1000-4092(2023)02-191-07高效聚合物钻井液泥饼润滑剂的研制及其作用机理分析*冯福平1,董乐园1,张健伟1,于洋2,谭跃龙3,张胜业1,张朝琪1(1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室,黑龙江 大庆 163318;2.中国石油天然气股份有限公司吉林油田分公司钻井工艺研究院,吉林 松原 138000;3.大庆钻探工程公司钻井四公司,黑龙江 大庆 163318)摘要:为改善井壁泥饼在水平井和大位移井钻进至中后期的润滑性,研发了一
2、种能有效降低水平段摩阻的固体粉末状高效聚合物水基钻井液泥饼润滑剂RHGXJ-3(羧酸共聚物、针状硅酸盐、聚丙烯微粉质量比为10 11 2),通过测定泥饼黏滞系数、温度敏感性和钻井液配伍性,明确泥饼润滑剂RHGXJ-3的作用效果和适用条件,并结合SEM和XRD微观表征技术分析该泥饼润滑剂的润滑机理。研究结果表明,将泥饼润滑剂以0.9%的加量加入井浆并制得泥饼,静置1 min后测得的泥饼黏滞系数相较于加剂前从0.0966降为0.0496,泥饼润滑性提高了48.65%。温度敏感性测试结果表明该泥饼润滑剂的适用温度为30120。该泥饼润滑剂与钻井液的配伍性良好,0.9%的加量下可将井浆的漏斗黏度由55
3、 s降至39 s,井浆流动能力提升29.1%。该润滑剂够在泥饼表面和内部生成溶剂化水膜和凝胶类物质,通过填充空隙、提升压缩性等途径提高泥饼的润滑性,降低泥饼摩阻。与石墨和球状固体润滑剂相比,润滑剂RHGXJ-3的泥饼润滑效果更佳,是其它固体润滑剂的1.62.2倍,而使用成本则降低约50%。关键词:泥饼固体润滑剂;黏滞系数;泥饼摩阻;水平井;钻井液流变性文献标识码:ADOI:10.19346/ki.1000-4092.2023.02.001中图分类号:TE254+.4开放科学(资源服务)标识码(OSID):*收稿日期:2022-04-24;修回日期:2022-06-18。基金项目:黑龙江省自然科
4、学基金“环空未封固段钻井液老化机理及密封性能评价”(项目编号 LH2022E026)。作者简介:冯福平(1982),男,教授,东北石油大学石油与天然气工程专业博士(2014),从事井筒完整性失效机理与评价方面的研究,E-mail:。张健伟(1980),女,副教授,本文通讯联系人,东北石油大学化学工程与技术专业博士(2016),从事钻井液水泥浆方面的研究,通讯地址:163318黑龙江省大庆市高新技术产业开发区学府街99号,E-mail:jian-。0前言大位移井和水平井是非常规储层和海上油田开发的主要方式,随着井斜角的增加和水平段的增长,管柱在重力作用下与下井壁的接触面积增大,进而导致水平段摩阻
5、高、扭矩大、卡钻风险大、井眼轨迹控制难等问题,严重影响了大位移井和水平井的钻井安全和延伸极限,管柱摩阻问题已经成为制约大位移井和水平井钻井技术发展的关键问题之一1。尤其是泥岩地层,水基钻井液的润滑性一般,随着水平段的延长,钻井液中无法震动筛除的固相含量逐渐增多,井壁泥饼的光滑度下降,钻具与井壁泥饼之间的摩阻问题变得更为突出。因此,加入润滑剂改善井壁泥饼光滑性是降低水平段摩阻的有效途径2。钻井液润滑剂主要分为固体润滑剂和液体润滑剂两大类,固体润滑剂主要为石墨、塑料小球、玻璃微珠、坚果圆粒以及合成类固体粉末润滑剂等,液体润滑剂主要含矿物油、沥青、柴油、原油等物质。液体润滑剂一般存在易起泡、稳定性差
6、、影响钻井液流变性和具有荧光效应等缺点,而固体润滑剂相较液体润滑剂具有热稳定性好、无荧光、运输油田化学2023年http:/方便等优势3-5。但固体润滑剂中较大的粒径在操作过程中易被设备筛除或被挤压变形导致破碎6,润滑效果一般,加量为1%3%时泥饼的黏滞系数仅降低了20%30%7。尽管可以通过改性或复合的手段改善固体润滑剂的泥饼润滑性能,但其成本却是一些传统润滑剂的两倍以上8。因此,现有钻井液固体润滑剂难以兼顾聚合物钻井液体系下高效降摩阻、无毒且低成本的施工需求4,9。为了进一步提高固体润滑剂的润滑效果并降低使用成本,本文研究了一种低成本的固体粉末状聚合物钻井液泥饼润滑剂RHGXJ-3,评价了
7、该润滑剂对聚合物钻井液泥饼的润滑效果,考察了泥饼润滑剂与钻井液的配伍性,研究了泥饼润滑剂的作用机理。1实验部分1.1材料与仪器聚羧酸接枝共聚物(主链带羧酸基团,接枝侧链带聚醚基团,固体粉状),工业级,天津伟合科技发展有限公司;针状硅酸盐(主要成分为偏硅酸钙,固体针状粉末,210 m),工业级,上海创宇化工新材料有限公司;超细聚丙烯微粉(热塑性树脂,惰性固体微粉,12 m),工业级,南京天诗新材料科技有限公司。膨润土、碳酸钠、聚丙烯腈-聚丙烯酰胺型复合铵盐、聚丙烯酸钾KPA、降滤失剂聚合铝JS-2、防塌封堵剂乳化沥青YK-H、低荧光井壁稳定剂HQ-1、消泡润滑剂RH-5,由吉林油田分公司钻井工艺
8、研究院提供;石墨类润滑剂GD-2,工业级,河北光大石化有限公司;塑料小球类润滑剂HZN-102,工业级,河北华运鸿业化工有限公司。NZ-3A型黏滞系数测定仪,青岛广正信石油仪器有限公司;ZNN-D6B型六速旋转黏度计、YM-2型钻井液密度计、MN-4型马氏漏斗黏度计、GGS-42型高温高压滤失仪,青岛恒泰达机电设备有限公司;IGMA型热场扫描电子显微镜,德国Zeiss公司;SmartLab SE型智能X射线衍射仪,日本理学株式会社。1.2实验方法(1)钻井液及固体润滑剂的制备泥饼润滑剂RHGXJ-3的制备:将聚羧酸接枝共聚物、针状硅酸盐、聚丙烯微粉按一定配比混合均匀后制得泥饼润滑剂RHGXJ-
9、3,颗粒粒径为115 m。膨润土浆的制备:将水、膨润土、碳酸钠按照质量比500 25 0.25混合,高速搅拌30 min,室温下密封放置24 h后待用。聚合物钻井液的制备:在膨润土浆中加入2%聚丙烯腈-聚丙烯酰胺型复合铵盐、1%聚丙烯酸钾KPA、2%降滤失剂聚合铝JS-2、3%钻井液用防塌封堵剂乳化沥青YK-H、3%低荧光井壁稳定剂HQ-1、7%消泡润滑剂RH-5,高速搅拌30 min,室温下密封放置24 h后待用。(2)钻井液配伍性测定将泥饼润滑剂RHGXJ-3直接加入制备好的钻井液中,高速充分搅拌15 min,使得泥饼润滑剂均匀分散。参照国家标准GB/T 167831997 水基钻井液现场
10、测试程序,分别测定钻井液的黏度、滤失量、pH和钻井液流变性参数,考察泥饼润滑剂与钻井液的配伍性。(3)泥饼黏滞系数测定采用NZ-3A黏滞系数测定仪测定泥饼的黏滞系数。首先,将钻井液置于高速搅拌器中充分搅拌15 min,然后将搅拌好的钻井液装入高温高压静态滤失仪中,在3.5 MPa、90 下滤失30 min,制备泥饼。将制备好的泥饼放在泥饼黏滞系数测定仪工作滑板平面上,将滑块轻轻放在泥饼上并静置,使工作滑板带动长方体滑块慢慢翻转。当滑块随着工作滑板的翻转开始滑动时,读取显示窗的角度值,读数对应的正切函数值,记为泥饼的黏滞系数。(4)泥饼的微观表征将泥饼在常温(25)干燥24 h,取微量泥饼样品,
11、使用IGMA热场扫描电子显微镜和SmartLabSE 智能 X 射线衍射仪于常温环境下(25)进行SEM电镜扫描分析和XRD衍射分析,观察钻井液加入润滑剂前后泥饼的微观结构及组成变化。2结果与讨论2.1润滑剂RHGXJ-3配方优选为提升泥饼的润滑性和钻井液配伍性,泥饼润滑剂需要实现高效降低泥饼黏滞系数,改善泥饼内部结构完整性,并与钻井液的配伍性良好。为降低复配成本和运输成本,泥饼润滑剂还需要满足原料192第39卷第2期http:/成本低、复配方法简单、无毒害、不易燃爆的条件。聚羧酸接枝共聚物JSS-1在碱性环境下水解变为离子型化合物,从而可避免初期被黏土吸附,能够提高固相颗粒的分散度,改善流体
12、流变性。针状硅酸盐粉末GSYJX-2溶解后可与黏土颗粒水化反应,加快硅酸盐凝胶物质的生成速度,改变泥饼内部固相颗粒的胶态稳定性。聚丙烯微粉JBXF-1可填充在泥饼颗粒空隙之间,提高泥饼的致密性,同时利用其自身的弹性,增强泥饼的变形性。采用聚羧酸接枝共聚物JSS-1、针状硅酸盐粉末GSYJX-2、聚丙烯微粉JBXF-1复配制备泥饼润滑剂。制备原料主要来源于石油行业的衍生产品或者来自类似的地质资源,绿色环保、无毒无害。基于前期的单因素浓度筛选实验结果设计了L9(34)正交实验,确定聚羧酸接枝共聚物JSS-1加量水平值(0.4%、0.5%、0.6%)、针状硅酸盐粉末GSYJX-2加量水平值(0.55
13、%、0.70%、0.85%)、聚丙烯微粉JBXF-1水平值(0.05%、0.10%、0.15%),以泥饼静置1 min时测得的泥饼黏滞系数f1 min为主要评价指标,静置10 min时测得的泥饼黏滞系数f10 min为辅助评价指标,实验结果如表1所示。最佳组合为A2B1C2(试 验 4 组),即 JSS-1 加 量 为 0.50%、GSYJX-2加量为0.55%、JBXF-1加量为0.10%,泥饼静置1 min、10 min时的泥饼黏滞系数分别为0.052和 0.088,泥饼润滑效果最好。因此润滑剂 RH-GXJ-3中JSS-1、GSYJX-2、JBXF-1的最佳质量配比为10 11 2。2.
14、2润滑剂对泥饼的润滑效果为考察润滑剂RHGXJ-3对泥饼的润滑效果,将RHGXJ-3 以 0%1.8%的加量加入聚合物钻井液中,加量为0的实验组作为空白对照组,制备泥饼并测定泥饼黏滞系数,为减小实验误差,进行了重复试验,测得的泥饼黏滞系数取均值,实验结果如表2所示。由表 2 可以看出,随着 RHGXJ-3 加量的增大,泥饼黏滞系数显著降低;当加量为0.9%时,泥饼静置1 min、10 min后的泥饼黏滞系数均明显降低,相较于空白对照组润滑性能分别提升了55.4%和45.1%。当RHGXJ-3加量进一步增大后,泥饼内部包被、吸附、置换、分散作用加剧电解质的生成,胶体颗粒的扩散双电层厚度会随电解质
15、浓度增大而变小,粒子间静电斥力减小10,从而导致胶体聚沉,泥饼黏滞系数升高,泥饼润滑性变差。因此,泥饼润滑剂RHGXJ-3在聚合物钻井液中的加量以钻井液质量的0.9%为宜。通过对比加入泥饼润滑剂RHGXJ-3前后钻井液所形成泥饼的外观形貌可以发现,钻井液中添加0.9%RHGXJ-3后,所形成泥饼的表面更加光滑,厚度也明显降低,泥饼的光滑度和整体性显著提升,宏观上验证了润滑剂可有效提升泥饼的润滑性。表1L9(34)正交实验结果实验编号123456789f1 minf10 mink1k2k3极差k1k2k3极差AJSS-1加量/%0.400.400.400.500.500.500.600.600.
16、600.0820.0640.0700.0180.1410.1080.1220.033BGSYJX-2加量/%0.550.700.850.550.700.850.550.700.850.0640.0700.0820.0180.1170.1220.1320.015CJBXF-1加量/%0.050.100.150.100.150.050.150.050.100.0760.0700.0700.0060.1280.1140.1290.015泥饼黏滞系数f1 min0.0880.0700.0880.0520.0700.0700.0520.0700.088f10 min0.1410.1320.1500.08
17、80.1140.1230.1230.1200.123表2不同RHGXJ-3加量下泥饼的润滑效果RHGXJ-3加量/%00.30.60.91.21.51.8泥饼黏滞系数f1min0.0920.0650.0590.0410.0520.0580.061润滑性提升幅度/%(1 min)29.335.955.443.537.033.7泥饼黏滞系数f10 min0.1530.1170.1060.0840.0920.1040.112润滑性提升幅度/%(10 min)23.530.745.139.932.026.8冯福平,董乐园,张健伟等:高效聚合物钻井液泥饼润滑剂的研制及其作用机理分析193油田化学2023
18、年http:/2.3润滑剂加量对钻井液性能的影响向聚合物钻井液中加入一定量的润滑剂RH-GXJ-3,RHGXJ-3加量对钻井液性能的影响如表3所示。由表3可知,将泥饼润滑剂RHGXJ-3加入聚合物钻井液后,钻井液的表观黏度出现降低的趋势,说明润滑剂能够改善钻井液的流变性。钻井液的动切力随着RHGXJ-3加量的增加而有所降低,动塑比也随之降低,总体上介于正常范围 0.360.48Pa/(mPa s),这说明钻井液中加入润滑剂后依旧具有一定的携岩能力,满足钻进要求。当泥饼润滑剂RHGXJ-3加量为0.9%时,钻井液的漏斗黏度从146 s降为95 s,动切力从21.5 Pa降为18.4 Pa,API
19、滤失量从 2.2 mL 降为 2.0 mL。这说明泥饼润滑剂 RH-GXJ-3在提升泥饼润滑性的同时,还能够有效改善钻井液的流变性。2.4润滑剂的温度敏感性随着油井深度的变化,井下的温度也随之变化,因此有必要考察钻井液润滑剂在不同温度环境下的使用效果。向聚合物钻井液中加入0.9%的泥饼润滑剂RHGXJ-3,在不同温度下老化16 h后,测定钻井液的性能参数,并利用高温高压滤失仪于90 条件下制备泥饼,测定泥饼黏滞系数,结果如表 4 所示。由表 4 可知,在聚合物钻井液中加入0.9%的泥饼润滑剂RHGXJ-3后,随着温度的升高,泥饼黏滞系数呈上升的趋势。在120 条件下热滚16 h后的漏斗黏度为1
20、46 s,动切力为21.5 Pa,API滤失量为2.2 mL,压缩系数为1.58,钻井液流变性参数仍低于或接近对照组。120 条件下热滚16 h后钻井液静置1 min、10 min后的泥饼黏滞系数分别为0.088和0.145,低于对照组的泥饼黏滞系数0.092和0.153。这表明润滑剂RHGXJ-3在30120 下具有良好的泥饼润滑性,且与钻井液的配伍性良好。2.5润滑剂润滑泥饼的机理聚合物钻井液的组分比较复杂,为排除其它处理剂对润滑作用机理研究的干扰,在膨润土浆中研究泥饼润滑剂的润滑机理。将 0.9%泥饼润滑剂RHGXJ-3加入膨润土浆中,所形成泥饼的表面更加平整光滑,韧性和整体完整性明显提
21、高。图1和图2分别为加入 RHGXJ-3 前后所形成泥饼的 SEM、XRD图。加入润滑剂后泥饼内部有大量硅酸盐水化物凝胶生成。这些凝胶类物质附着在泥饼表面并填充在固体颗粒之间,吸附不同粒径的矿物微粉,改变黏土粒子的胶态稳定性,结合空隙填充、压缩性提升等途径提高泥饼的润滑性,增加了泥饼的表3RHGXJ-3加量对聚合物钻井液性能的影响RH-GXJ-3加量/%00.30.60.91.21.5FV/s1461251129599101AV/(mPa s)707269656569PV/(mPa s)495149464649YP/Pa21.521.520.418.419.420.4YP/PV(Pa/(mPa
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