页岩油储层环保型高性能水基钻井液体系研究及应用

为了满足页岩油储层钻井对钻井液环保性能的要求,以环保型页岩抑制剂HBY-S和环保型复合润滑剂HBR-L为主要处理剂,并结合其他环保型处理剂,研制出了一种适合页岩油储层钻井的环保型高性能水基钻井液体系。室内对钻井液体系的耐温性能、抗污染性能和环保性能进行了评价,结果表明:体系具有良好的耐温性能,经过160℃老化后钻井液体系的高温高压滤失量为9.6mL,岩屑滚动回收率可以达到90.6%,润滑系数为0.089;体系具有较强的抗污染能力,钻井液中加入10%NaCl、1.0%CaCl_(2)或者15%岩屑粉时流变性能和滤失性能均比较稳定;体系的环保性能优良,钻井液的EC_(50)值为85000(无毒),BOD_(5)/COD值为26.5%(易降解),重金属含量均低于行业标准值。环保型高性能水基钻井液在某页岩油区块水平井钻井过程中进行了成功应用,其中DG-1井钻井期间未出现井下复杂事故,现场钻井液性能稳定,环保性能达标,实现了安全高效钻井的目标,在页岩油水平井钻井中具有良好的推广应用前景。

高分子纳米复合材料在水基钻井液中的研究进展

传统高分子聚合物材料难以满足日益复杂的井下环境要求,而无机纳米材料又存在分散性不足的缺陷,将纳米材料接枝到聚合物链上或将聚合物嵌入纳米材料中形成高分子纳米复合材料,可发挥两种材料的协同增效作用,进而提升水基钻井液的综合性能。文章介绍了高分子纳米复合材料在改善水基钻井液流变性、优化封堵降滤失性、增强封堵防塌性方面的应用,总结了其作用效果及作用机理。高分子纳米复合材料改善钻井液流变性的机理包括聚合物增强固体纳米颗粒在钻井液中的分散性、增加流体层间内摩擦力、通过聚合物与黏土颗粒之间的氢键和静电相互作用形成空间网络结构等。优化钻井液封堵降滤失性的机理包括利用无机纳米材料对微孔进行封堵,形成致密的泥饼,利用聚合物的强吸附性和两亲性,在泥饼表面形成疏水膜等。增强钻井液封堵防塌作用的机理包括纳米颗粒桥接和堵塞页岩纳米孔隙,形成致密屏障,阻止水分子侵入页岩;聚合物链上的多功能基团在黏土表面形成竞争吸附,降低黏土对水分子的吸附;成熟聚胺类聚合物的氨基嵌入和阳离子压缩双电层的综合作用,强化页岩水化抑制性能。提出了高分子纳米复合材料面临的挑战,如大规模生产过程中无机纳米颗粒在聚合物基质中可能出现的分散不均匀问题。最后,从降磨减阻、储层保护和可持续性3个方面对高分子纳米复合材料的研究方向进行了展望。

无黏土水基钻井液用超支化聚合物降滤失剂的合成及性能评价

在高温条件下,聚丙烯酰胺类降滤失剂分子易发生降解,导致降滤失效果大幅下降。为此,通过超支化单体季戊四醇三烯丙基醚(APE)与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、对苯乙烯磺酸钠(SSS)共聚合成了一种耐高温的超支化聚合物降滤失剂JHPAS,以JHPAS为基础配制了一种新型的无黏土水基钻井液,分析其降滤失机理,评价其在高温、高盐条件下的流变性能和降滤失性能。结果表明:JHPAS具有很好的热稳定性,在水溶液中可形成网络结构,在无黏土水基钻井液中吸附于超细CaCO 3表面形成致密滤饼,并堵塞滤饼上的孔隙,进一步降低钻井液滤失量;构筑的无黏土水基钻井液在200℃老化16 h、饱和氯化钠盐水的条件下仍具有稳定的流变性和良好的降滤失性能,API滤失量和高温高压滤失量分别为5.5 mL和7.6 mL。研究成果有助于推动超支化聚合物在深层、超深层油藏钻井液中的研究与应用。

高温下水基钻井液核心组分微观行为分析

水基钻井液在高温下性能调控难度大,主要与核心胶体粒子的分散状态有关,而水基钻井液成分复杂,单一组分与多组分间受高温作用性能变化规律不同,对胶体粒子的分散状态均有影响。针对水基钻井液核心组分,通过高温高压流变性测试获得了膨润土胶体剪切应力-温度曲线,并测试了不同温度下胶体颗粒粒度分布,分析了黏土矿物胶体粒子在室温~220℃范围内的分散、絮凝与聚结状态及形成机制,同时利用SEM测试和黏土矿物晶层结构分析,从微观角度揭示了富含镁多孔纤维状黏土矿物胶体的高温稳定机理,此外,基于对高温热滚前后流变性和滤失量等性能变化的分析,从黏土矿物结构特征和聚合物断链、吸附特性等角度揭示膨润土/复配黏土矿物与聚合物类处理剂在高温下的互相作用机理,结合实验结果,明确了低浓度膨润土与海泡石复配胶体具有明显的高温稳定优势,为超高温水基钻井液的构建提供了理论支撑。

纳米材料提高水基钻井液页岩稳定性研究进展

维持井壁稳定一直是油气钻探过程中的技术难题。由于页岩微纳米孔缝与层理发育、水敏性高,井壁失稳问题在页岩层尤为突出。提高钻井液的性能是减少井壁失稳的重要途径。纳米材料因其独特的尺度和性质,可作为水基钻井液添加剂以提高页岩的稳定性。通过对国内外技术的跟踪与分析,阐述纳米材料提高页岩稳定性的评价方法、纳米材料类型及其作用机制。开展纳米材料在非均质地层的基础理论研究,开发在高温高压及高盐环境下稳定有效的新型纳米材料,建立纳米材料提高页岩稳定性的微观评价方法,是纳米材料的重要发展方向。

水基钻井液复合纳米成膜封堵剂的制备及性能

以改性纳米SiO_(2)为刚性粒子,丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、苯乙烯和醋酸乙烯酯为聚合单体,壬基酚聚氧乙烯醚(10)和十二烷基磺酸钠为乳化剂,过硫酸铵和亚硫酸氢钠为引发剂,合成了一种有机/无机复合纳米成膜封堵剂。采用FTIR、SEM、动态光散射(DLS)和TGA对产物进行了表征和测试。考察了不同质量分数复合纳米成膜封堵剂对水基钻井液的流变性、滤失性及封堵性能的影响。结果表明,复合纳米成膜封堵剂呈球形,并保持纳米级分布,中值粒径为325 nm;340℃时的质量损失率为14%;120℃、16 h老化后较老化前表观黏度和塑性黏度均明显增加。当复合纳米成膜封堵剂质量分数为3%时,水基钻井液的静滤失量为10 mL;当质量分数≥2%后,砂床滤失量为0;当质量分数从0增至4%时,高温高压滤失量从104 mL减至29 mL,渗透性为1.56×10^(–2)mD,封堵率为90.7%。

抗超高温220℃聚合物水基钻井液技术

我国深层油气资源丰富,其高效开发对保障国家能源安全具有重大意义。钻井液是深部地层钻探的关键,但目前常规聚合物钻井液的抗温能力普遍低于220℃,且盐会大幅降低钻井液性能,钻探过程中往往由于钻井液失效引发安全事故,对深层油气开发造成重大损失。针对钻井液高温高盐条件下性能恶化的难题,合成了具有协同作用的抗高温两性离子聚合物和抗高温阴离子聚合物,通过高强度的网架结构调控钻井液流变性;合成抗超高温高效封堵剂来提高钻井液封堵性能和滤失性能,封堵泥饼和砂床,阻止压力传递。以抗高温两性离子聚合物、抗高温阴离子聚合物和抗超高温高效封堵剂为核心处理剂,构建了一套抗超高温220℃的聚合物水基钻井液体系,并评价了该钻井液的性能。实验结果表明,该钻井液具有良好的流变滤失性、沉降稳定性、封堵性和润滑性,其高温高压滤失量仅为9.6 mL,高温高压下仍保持黏度和切力稳定,直立老化72 h沉降因子仅为0.5113,砂床侵入深度仅为6 mm,老化后润滑系数和泥饼黏滞系数分别为0.1224和0.0875。该钻井液具有良好的抗温性能和稳定性,对深部油气的开发具有重要意义。

破乳耦合减压蒸馏工艺处理非水基钻井液的资源化及节能降耗特性

本文提出了一种破乳耦合减压蒸馏工艺,用于处理多次使用后的非水基钻井液,以实现其资源化,探究了该工艺对非水基钻井液的处理效果及系统能耗,并分析了其破乳协同降耗特性。结果表明:多种破乳剂中,丙二醇嵌段聚醚类破乳剂BASF-L64的热稳定性和降黏效果最佳,在最优添加量1.0%(以钻井液质量计)条件下,液相回收率高达93.51%,剩余固体含油率低于1%,满足《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》(GB 4914—2008)要求,可达标排放,系统能耗降低9.86%;回收油的烃组分碳数分布与白油基本一致,主要集中于C_(13)~C_(14),可进行钻井液的回配;添加BASF-L64后,体系油水界面张力下降,剩余固体亲油性降低,导致系统能耗和剩余固体含油率下降。

超支化高分子水基钻井液仿生润滑机理

随着定向钻井技术的发展,水基钻井液润滑性逐渐成为确保定向井钻进的关键指标,设计新型钻井液润滑材料已成为油田化学领域的研究热点和重点。为探究超支化高分子水基钻井液仿生润滑机理,首先采用发散法合成了第1.5代超支化聚丙烯酸乙二胺基丙烯酸十八酯G1.5 P(EDA—MA—OA),然后进行了合成产物结构、微观形貌与热稳定性检测及其强化水基钻井液润滑性能评价,最后系统分析了超支化高分子与膨润土粒子的吸附行为。研究结果表明:①G1.5 P是粒径分布在几十纳米的分散性粒子,具有良好的热稳定性,热解温度集中在214℃;②以G1.5 P为润滑添加剂,构建的水基钻井液润滑系数为0.068,具有良好降摩减磨性;③G1.5 P呈“分子刷”状吸附于亲水材料表面,不仅改变了表面润湿性,而且还可促进膨润土粒子聚结形成致密、韧性的泥饼;④基于超支化高分子强化水基钻井液润滑的构效关系,提出了一种水基钻井液边界—固体润滑新模型,即超支化高分子促进在钻具与井壁摩擦副间形成低剪切强度泥饼,以泥饼结构内摩擦代替钻具刚性外摩擦,实现钻井液降摩减磨功能。结论认为,该认识完善了水基钻井液润滑添加剂的设计思路,为新型高性能润滑处理剂设计及超滑水基钻井液的开发提供了理论与技术支撑。

废弃水基钻井液固液分离产水回用技术

以废弃水基钻井液为对象,采用“破胶—压滤—沉淀”工艺进行处理,将处理产水回用于钻井液配制。实验结果表明:适宜的破胶剂为质量分数20%的聚合氯化铝(GW-CFA)溶液,加入量36 mL/L;适宜的离子沉淀剂为三巯基-三嗪三钠盐(TMT-15)(固),加入量7.5 g/L。现场试验结果表明,选用石灰与GW-CFA复合破胶剂(GW-CFA溶液(质量分数20%)加入量15mL/L,石灰加入量5.0g/L)对废弃钻井液进行破胶,压滤产水时间可缩短至10'10'',产水率为61%。废弃水基钻井液经“破胶—压滤—沉淀”工艺处理后,产水回用于钻井液配制是完全可行的,所配制钻井液的各项性能均能满足现场需要。

高性能水基钻井液体系设计原理及应用

为解决油基钻井液带来的环保压力与经济成本的上升,新型水基钻井液的研究与推广势在必行。通过XRD和环境扫描电子显微镜的实验方法分析页岩气储层地质特征,同时以钻井液在岩心封堵实验、滚动回收率和润滑性测试方法评价该水基钻井液的封堵性、抑制性和润滑性等关键性能。结果表明,该水基钻井液体系高温高压滤失量小于6 mL,岩心封堵效率达83.52%,体系对红层土和龙马溪组页岩露头(某区域)的岩样滚动回收率均在95%以上,说明该体系流变及滤失造壁性稳定,具有强封堵和抑制能力;钻井液体系摩阻系数为0.0804,所形成滤饼的黏滞系数为0.0753,钻井液体系润滑能力较好:在100~160℃时钻井液体系均保持相对稳定的流变性及滤失造壁性,抗温性良好。该体系具备良好的封堵与抑制能力,接近油基钻井液效果,可节约钻井成本,具有广阔的应用前景。

水基钻井液储层保护技术研究进展

钻井液储层保护性能对后续油气资源产能的影响至关重要。文章综述了储层伤害的主要类型以及储层保护钻井液的关键功能,钻井液对储层的主要伤害分为固相污染、聚合物的吸附堵塞、储层黏土易发生水化膨胀,并可能因钻井液中的成分而分散或运移,以及钻井液滤液与地层水配伍性伤害。储层保护钻井液大致分为强封堵低滤失钻井液、强抑制低伤害水基钻井液、低固相/无固相聚合物钻井液体系以及在无固相聚合物钻井液体系上发展的可生物降解的无固相钻井液,在现场应用中取得了较好的储层保护效果,为现场储层保护提供了技术支持。

新型活度调节剂的合成与低活度水基钻井液的应用

为解决水基钻井液中液相侵入岩层导致粘土矿物吸水后水化分散膨胀造成井壁失稳的问题,通过加热搅拌法制备活度调节剂Urea-Gyl-DES,对其进行性能评价、傅立叶红外光谱(FT-IR)分析和对水基钻井液的影响评价。实验结果表明,当Urea-Gyl-DES加量为0.5%时相对抑制率可达到100%;通过FT-IR扫描Urea-Gyl-DES,共晶体系中氢键网络形成且无新化合物产生;将Urea-Gyl-DES加入水基钻井液中其抗温性能与钻井液体系适配度均良好。Urea-Gyl-DES具有一剂双效的作用,降低离子活度的同时又有效抑制页岩水化分散。

不同粒径淀粉对水基钻井液性能的影响

淀粉具有来源广、无毒易降解的特点,可有效降低钻井液泥饼厚度,常被作为降滤失剂应用于水基钻井液中。为了探讨不同粒径淀粉对钻井液增粘、降滤失效果的影响,通过球磨方法制备微细淀粉,使其评价粒径从38.87μm降低至10.32μm,增大了淀粉的比表面积,可在钻井液中与更多的水分子接触,提高淀粉分子上的氢键与水分子之间的水化作用和黏土颗粒的吸附能力,其降滤失效果优于玉米淀粉、羧甲基纤维素(CMC),羟乙基纤维素(HEC)。淀粉粒径分布的改变影响了水基钻井液的流变性以及降滤失性能,这一发现以期为钻井现场优选淀粉降滤失剂提供技术指导。

海上水基钻井液废弃物压滤液回用技术研究与应用

海上油田环保项目水基钻井液废弃物压滤液如果能够实现资源化利用,那将大大降低海上环保项目钻井过程中产生的废弃物终端处理费用,实现降本增效。从滤液回用技术难点出发,通过室内实验,研究压滤液回收利用配置的钻井液性能是否稳定和对储层保护的效果方面进行分析,证实了其可行性。以海上某调整井项目为依托,将压滤液配置的钻井液应用到该项目5口井的钻井中,钻井全过程中的钻井液性能稳定,储层配伍性强,无污染,进一步验证了压滤液回用的可行性,实现了水基钻井液废弃物压滤液的重新利用。该项技术的成功应用,对后续海陆油田环保钻井项目的成本控制、资源化利用均具有重要的指导意义。

苏北陆相页岩油高性能水基钻井液技术

为解决常规油基钻井液在苏北页岩油工区钻井施工中面临的井壁失稳、环境污染等技术问题,在研究井壁失稳机理的基础上,提出了“外防水侵、内控膨胀”的井壁稳定控制方法,制定了“封堵为主+强化抑制+润湿反转+合理密度”的技术措施,研发了可变形微纳米聚合物封堵剂、页岩润湿反转剂和原油乳化分散降黏剂等关键助剂,构建了高性能水基钻井液体系SM-ShaleMud-II。该钻井液体系高温高压滤失量小于6.0 mL,极压润滑系数小于0.12,可有效降低储层泥页岩力学性能的弱化程度。苏北页岩油区块的10口井应用了该钻井液体系,钻井过程中井壁稳定,套管下入顺利,取得了良好的应用效果。高性能水基钻井液体系SM-ShaleMud-II的成功研制,为非常规页岩油气低成本绿色开发提供了一种有效的技术手段。

页岩气储层低伤害水基钻井液体系研究

针对页岩气储层采用油基钻井液钻井施工时成本较高,岩屑和废弃钻井液的处理比较复杂,还存在一定的环境污染风险的问题,通过大量室内试验,开发了一种适合页岩气储层的低伤害水基钻井液体系,并综合评价了其耐温性能、抗污染性能、抑制性和储层保护性能。试验结果表明,低伤害水基钻井液体系的耐温性能较好,当老化温度为140℃时,体系仍能保持良好的流变性和降滤失性能;钻井液体系的抗NaCl、CaCl_(2)和岩屑污染性能较好;钻井液体系的抑制性能较强,对页岩岩屑的一次和二次滚动回收率均能达到90%以上,12 h线性膨胀率仅为8.5%;钻井液体系的储层保护性能较好,页岩岩心经过钻井液污染后的渗透率恢复值均能达到80%以上。低伤害水基钻井液能够满足页岩气储层钻井施工对钻井液性能的要求。

纳米流体和聚合物复合材料改善水基钻井液性能试验研究

通过试验研究对比了不同类型(氧化锌、二氧化钛、多壁碳纳米管、功能化多壁碳纳米管)不同质量分数(0.002 8%、0.014 3%、0.028%和0.143%)纳米流体对水基钻井液流变性能和滤失性能的影响,以及高温高压下聚合物复合材料对其性能的影响。试验结果表明,水基钻井液流变特性和过滤性能随着纳米流体浓度的增大而增大,其中功能化多壁碳纳米管(F-MWCNTs)纳米流体改善水基钻井液性能参数最好。同时在高温高压下,聚合物(ACN-co-VP)/沸石复合材料可以明显改善纳米流体水基钻井液的流变特性,如增大塑性黏度、屈服点、滤液体积,提高纳米水基钻井液热稳定性及钻井效率,降低对地层伤害程度。

页岩储层的高性能水基钻井液体系分析

页岩储层黏土矿物含量高,易发生水化膨胀、分散现象,造成钻井施工井壁高摩阻使卡钻事故频发。因此,针对性地优选钻井液用抑制剂、封堵剂、润滑剂等关键处理剂,优化出适合X区块页岩储层钻井施工技术难点的高性能水基钻井液体系质量分数:3%土浆、2%JS-2a、2%NBG-2、3%FCZ、5%ZN、1%G1140、1%KPS-1、1%KPS-2、7%KCl、重晶石等组合。结果表明:该体系可有效维持页岩储层井壁稳定,具有良好的润滑作用,较好地解决钻井过程中的井壁失稳和易卡钻等问题,缩短了钻井周期。优化后的页岩储层的高性能水基钻井液体系具有良好的抑制性、疏水性,极压润滑系数由0.112下降至0.082,接触角范围从26.00°增加到93.95°,抗温能力由100℃提高至120℃,密度由1.5 g·cm^(-3)提高至1.8 g·cm^(-3),具有较好的推广应用前景。

复杂条件下新型加重材料对水基钻井液的影响

在能源安全备受重视的当下,石油与天然气资源在国计民生中的重要性不言而喻。在各个油田有利地质圈闭钻探殆尽的大背景下,复杂条件下的油气井钻探变得越发常见,钻井工作也迎来一些新的挑战。以高温高压为代表的复杂地质条件需要克服高地层压力带来的井喷风险,因此选用合适的加重材料对复杂条件下钻井所用的水基钻井液进行处理势在必行,例如渤海湾盆地的渤中19-6油田,因其目的层多为致密高压的中生界火山岩,在地层压力过大的情况下,势必要寻求新型钻井液加重材料确保钻井作业的安全与高效。选用氧化铁作为一种新型的加重材料加入水基钻井液中,系统研究了氧化铁作为钻井液加重材料,其质量浓度对水基钻井液的影响。将3种不同质量浓度的氧化铁加重材料分别加入100 L水中,制备高密度钻井液,并对钻井液密度、黏度与滤饼性能等进行了评价。将加入氧化铁加重材料的水基钻井液在120℃和3500 kPa的热环境下反应20 h之后,在50℃的温度下对其性质进行评估。实验结果表明,加入氧化铁加重材料的质量浓度与水基钻井液的表观黏度、塑性黏度、屈服点成正比关系。随着钻井液中氧化铁质量浓度的增加,单位面积受力(YP)/塑性黏度(PV)比值降低。滤饼厚度也随着氧化铁加重材料质量浓度的增加而增大,而滤饼孔隙率几乎保持恒定。