无渗透钻井液技术的研究

无渗透无侵害钻井液技术研究***化学与环境工程学院[摘要]概述了无渗透无侵害钻井液体系及其工作机理，介绍了国外DWC2000无侵害钻井液体系和国内的无渗透钻井液处理剂OCL-BST的研究状况，并给出了：API滤失仪测试法，FA型无渗透钻井液滤失仪测试法，注射器测试法及试管测试法这四种无渗透钻井液渗滤性能的评价方法，最后阐述了此钻井液体系的功能特性。[关键词]无渗透；无侵害；DWC2000；OCL-BST；FA滤失仪；注射器测试钻井过程中的油层保护工作是油层保护系统工程的第一个环节，在用常规钻井工艺钻井中，外来流体始终与井内不同地层和流体接触，很容易对油气层造成伤害。储层伤害不但影响油井的初期产量，而且影响后续作业的损害程度和作业效果。为减少油层伤害，提出了一种新的钻井液-无侵害无渗透钻井液。无渗透无侵害钻井液是一种对地层几乎不产生滤液渗透和固相侵害的体系。无渗透是指钻井液滤液几乎不渗入地层，不损害储层，采用砂床评价方法测得的滤失量趋近于零；无侵害是指体系中的固相颗粒对地层几乎不产生侵害，能最大程度地防止储层渗透率降低，实现无损害钻井。近年来，国内外无论是在钻井液储层伤害机理方面，还是在防止储层伤害方法以及储层保护钻井液技术方面都取得了很大进展。1无渗透无侵害钻井液体系及作用机理通过钻井液储层损害机理分析可知，主要的储层伤害机理包括孔隙喉道的物理堵塞和缩小以及相对渗透率的变化等。为了保护油气层，避免储层伤害，首先要考虑减少钻井液侵入储层。石油工作者期望研发出对储层无侵害且保护油气层的钻井液，无渗透无侵害钻井液技术则实现了这个目标，“无渗透无侵害”的意思是无液相与固相侵入损害。这种钻井液体系是目前国内外都热切关注研制开发的一种新型钻井液体系，通过在常规钻井液中加入无渗透钻井液处理剂转化而成。与以往钻井液体系相比，该体系利用表面化学原理，实现在很短时间内，钻井液在岩石表面就形成一层具有一定强度的无渗透膜，将钻井液和地层隔离开，不仅防止钻井液任何组分的进人，同时阻止压力传递，它不受液柱压差和浸泡时间的影响，既能很好地保护油气层，又可以保持井眼稳定、提高地层承压能力和防止压差黏附卡钻[1]。无渗透钻井液的核心技术是利用特殊聚合物处理剂(油溶或水溶)，这些处理剂具有极其广泛的HLB值，能有效封堵储层。当加入普通钻井液中，该聚合物形成可变形的聚集体或膜(膜在溶液中是分子成组式的，形成球状、棒状和片状)，在井眼内液体的压力下，这些膜在泥饼和井壁岩石表面浓集形成胶束，依靠聚合物胶束或胶粒界面吸力及其可变形性，能自适应封堵岩石表面较大范围的孔喉，在泥饼和井壁岩石表面形成致密无渗透膜，在井壁的外围形成保护层，有效封堵不同渗透性地层和微裂缝泥页岩地层，使钻井液及其滤液完全隔离，不会渗透到地层中，从而实现近零滤失钻井，有效保护油气层。其机理如图1-1所示[2]，其中1表示成膜，2表示膜在溶液中成为可变形屏障，3表示钻井液滤失的早期阶段在岩石表面形成膜。图1-1无渗透钻井液体系机理图2国内外的研究状况2.1国外研究状况美国于2000年开始研究该技术，年底开发了无渗透钻井液的配套核心产品，形成了一套无渗透钻井液室内评价方法，目前该技术已成功地进行于现场应用[3,4]。使用的无渗透钻井液不仅有油基钻井液体系、合成基钻井液体系，也有聚合物、盐水、甲酸盐、硅酸盐等水基钻井液体系。无渗透钻井液可有效地解决探井储层损害问题，比如，在印度孟买深海区域采用该技术，油井产能比预期高出580％。此外，该技术在防漏、防塌和防压差黏附卡钻方面也取得了很好的效果。美国EDTI公司(EnvironmentalDrillingTechnologyInc．)研制成功了FLC2000(动滤失降低剂)、LCP2000(堵漏剂)和KFA2000(润滑剂)三种钻井液处理剂[5]，并配制出一种新的钻井液体系，称之为DWC2000无侵害(或无侵人)钻井液(non-invasivedrillingfluid)，其油气层保护效果非常好。这三种钻井液处理剂适用于淡水、盐水和饱和盐水。抗温201℃，加量仅为1％～2％，不再需要添加水解聚丙烯酰胺、沥青质、乙二醇等处理剂，并可预装成一袋化(onesackproduct)使用，不受地层中石膏、盐、硫化物等污染。DWC2000无侵害钻井液所用的3种处理剂的基本组成和机理为：2.1.1FLC2000动滤失降低剂FLC2000是一种用植物衍生物质形成的混合物，含有部分水溶、全水溶和不溶有机聚合物以及一些金属氰化物，其作用机理主要是通过物理化学和表面化学的作用逐步封堵并形成封堵膜，使钻井液动滤失量降低。FLC2000在高温下稳定，不受井内污染物影响，用于水或油基钻井液，可将任何水或油基钻井液转换成无渗透钻井液，加量可根据需要适当调整。2.1.2LCP2000剪切稠化(shear-thicking)堵漏剂LCP2000由不同比例的薄片、纤维和颗粒搭配组成，包括5～100目的薄片、0.2～1.3mm的纤维和细度500目的颗粒材料。它通过剪切稠化起到堵漏作用，在漏失层内剪切稠化形成段塞浆，高浓度的段塞浆通过钻头喷嘴等井下工具，随地层的变化对地层进行封堵[6]。其作用机理不是传统的架桥作用，而是处理剂膨胀变大限制渗透，薄片吸人液体后膨胀而从颗粒挤出滤液，形成堵漏层。2.1.3KFA2000防塌润滑剂KFA2000主要由钾基有机微乳状液组成，是一种钻井液调节剂，可消泡、润滑、降粘。2.2国内研究状况目前国内的处理剂系列产品及超低渗透的处理剂中主要是井眼稳定剂和防漏堵漏剂。井眼稳定剂主要用于中、低孔隙及微裂缝地层，由植物衍生物形成的混合物、部分水溶和全水溶的合成有机聚合物、不溶的金属氧化物等组成，具有温度稳定性，抗温达204℃，可替代其他产品，如部分水解聚丙烯酰胺、SPA、沥青质、硬沥青、乙二醇和聚合物絮凝剂；防漏堵漏剂主要用于大大孔喉及裂缝地层[7]。无渗透无侵害钻井液通过在各种常规钻井液体系中加入无渗透钻井液处理剂转化而成，基本组成为：膨润土浆+护胶剂+流型调节剂+无渗透钻井液处理剂，是一种能够满足钻井工程要求的宾汉塑性流体，具有非常低的动滤失量。国内研制出的无渗透钻井液处理剂OCL-BST（降滤失剂）由水溶和油溶性聚合物及生物聚合物、阳离子胶体等原料组成。用OCL-BST降滤失剂配制的无渗透无侵害钻井液的主要作用机理不是依靠固相滤饼封堵，而是利用独特的表面化学原理封堵，体系中的聚合物聚结成可变形胶团或胶束，在滤液开始侵入渗透性地层时这些胶束迅速在孔喉形成薄的低渗透屏蔽薄膜，屏蔽薄膜由固相和高分子量聚合物、生物聚合物等组成，能有效阻止流体的进一步侵入和固相的侵害，实现井壁稳定，防止储层损害。3无渗透钻井液渗滤性能评价方法目前评价无渗透钻井液渗滤性能的方法主要有4种，即API滤失仪测试法，FA型无渗透钻井液滤失仪测试法，注射器测试法及试管测试法。3.1API滤失仪测试法3.1.1API滤失仪（滤纸）测试法API滤失试验产生于20世纪30年代，用于评价泥饼质量，后来用来评价怀俄明膨润土质量，并扩展为评价0.69MPa压力下特定流体在30min内的滤失特性。这一评价方法早已实现标准化。3.1.2API滤失仪（砂床）测试法API滤失仪试验用滤纸作为渗滤介质，而滤纸不能完全代表井壁表面及地层情况。1952年Beeson和Wight比较了分别用疏松砂岩（或胶结砂岩）和滤纸作渗滤介质的滤失试验。结果表明，一种API（滤纸）滤失量为零的油基钻井液，在用疏松砂岩作渗滤介质的滤失试验中的滤失量很大。显然用不同的渗滤介质评价同一种钻井液的滤失造壁性，其结果是完全不同的。近年来有人提出用砂岩作渗滤介质，因为钻井液接触的许多重要储层均为砂砾岩或砂岩，所以用砂岩作渗滤介质可以更好地模拟井下情况。国外许多研究者在这方面开展了大量的试验工作，推荐了一些接近API滤失仪测试法的砂床滤失试验评价方法。不同研究者推荐的评价方法的主要试验步骤是一致的:①组装一个不装滤纸的标准API压滤装置；②称取一定质量具有一定粒径的砂粒倒入压滤装置中；③摇动压滤装置直到砂面平整规则；④倒入一定体积的待测流体；⑤将压滤装置放在支架上并盖紧杯盖；⑥在压滤装置下放一个带刻度的量筒；⑦打开气阀给流体施加0.69MPa的压力；⑧流体在砂层中滤失30min；⑨30min后关闭气源卸掉压力，读出并记录量筒中滤液的体系；⑩如果30min内有气体渗出，记下开始渗出的时间并停止试验这种情况即为30min以内全滤失。分别用膨润土浆和钻井液体系进行了API滤失（滤纸）试验和API滤失（砂床）试验，砂床用200g粒径为0.45-0.9mm的砂粒构成，结果见表3-1。表3-1不同体系不同渗滤介质的API滤失试验结果从表1可以看出，膨润土浆和钻井液体系中加入无渗透钻井液处理剂后，砂床滤失量降低，可以用砂床滤失量的大小评价体系的渗滤性，API滤失（砂床）试验具有定量评价体系渗滤性的能力；在API滤失（滤纸）试验中滤失性较好的硅氟钻井液体系和聚磺钻井液体系在砂床滤失试验中却有较大的滤失量，说明同一种钻井液体系的渗滤性用不同试验方法进行评价，得到的结果完全不同。使用不同尺寸和质量的砂子作渗滤介质，得到的试验结果也不同。推荐砂子的使用粒径主要有0.66～0.90mm，0.45～0.66mm，0.45～0.90mm，0.18～0.28mm，0.154～0.18mm等，推荐砂子的用量有200g、300g等。用不同粒径和不同质量的砂子进行试验，结果表明，砂子粒径越小、质量越大，则滤失量越小。从表3还可以看出，聚磺和聚硅氟体系通过加入无渗透钻井液处理剂OCL-BST转化为无渗透钻井液体系后，体系的API（砂床）试验滤失量都为零，无法再进一步比较两者的渗滤能力，这也是API（砂床）试验的局限性。3.2FA型无渗透钻井液滤失仪测试法用砂床代替滤纸的API滤失试验对滤液在砂床中的渗透速度及渗滤程度的评价不够清晰直观，如果滤液侵入量很少，没有流体流出，就无法测定侵入深度，也就无法进一步评价钻井液体系的渗滤性能。为此，通过借鉴国外同类产品的设计，中国也研制出了FA型无渗透钻井液滤失仪，这种仪器采用有机玻璃筒作为可透视的钻井液杯，可以在试验过程中清晰地观察到滤液的渗滤情况，见图3-2。图3-2FA型无渗透钻井液滤失仪试验步骤为:①安装好FA型无渗透钻井液滤失仪支架及试验管线；②根据实验要求，将一定量、不同粒径的砂子（0.66～0.90mm，0.45～0.66mm，0.355～0.45mm，0.280～0.355mm，0.224～0.280mm，0.180～0.224mm等，也可按地层渗透性情况确定砂子粒径）装入钻井液杯至350ml刻度线上（或按实验要求选定砂量），倒入待测流体；③将压滤装置放在支架上并盖紧筒盖；④将一个带刻度的量筒置于压滤装置下；⑤打开气阀给流体施加0.69MPa的压力；⑥流体在砂层中滤失30min，观察渗透滤失情况；⑦30min后关闭气源卸掉压力；⑧读出并记下量筒中的滤液体积，或读出并记录滤液侵入砂床的深度；⑨如果30min内有气体渗出压滤装置，记下开始渗出的时间并停止实验，这种情况为30min以内全滤失。表3-1为不同浓度膨润土浆的试验结果。从表3-1可以看出：随着膨润土浆浓度的增大，滤失量减小，4%以上膨润土浆的滤失量为零。对于膨润土含量较高的体系，试验砂床所用砂子的粒径与质量应根据实验要求或模拟地层情况进行调整，并进一步标准化FA型无渗透钻井液滤失仪的测试方法。表3-1FA型无渗透钻井液滤失仪试验结果注：将350ml粒径为0.45～0.90mm的砂粒倒入滤筒，形成砂床，倒入试样500ml3.3注射器测试法用砂岩作渗滤介质的一个较为直观的试验是在注射器中进行的。在注射器中放入一定体积具有一定粒径的砂子，并倒入试验液，然后推进活塞直到试验人员不能推动或活塞碰到砂层，观察钻井液的渗滤情况[2]。这个试验可以快速、方便地观察钻井液的渗滤情况，如果滤液侵入量很少，就没有流体从注射器流出并且可以测定侵入深度。这种方法虽简单易行，但只能作定性的评价。用注射器