钻井液技术现状与发展(耿晓光20080512)

LOGO汇报人：耿晓光钻探工程公司钻井工程技术研究院2008年5月钻井液技术现状与发展汇报内容前言国内外钻井液技术现状2大庆油田钻井液技术现状3大庆油田钻井液技术发展方向41前言按照上级相关部门的要求和安排，今天将本人所收集到的国内外钻井液技术的发展以及大庆油田钻井液技术现状和发展趋势做以汇报，有不当之处，敬请各位领导、专家批评指正。国内外钻井液技术现状作为钻井工程的“血液”，钻井液在钻井施工过程中起着至关重要的作用，一直备受钻井科研工作者的关注，国内外各相关科研机构均投入了较大的精力来进行钻井液以及相关技术的研究。钻井液及其相关技术的研究都是为了满足安全、快速钻井的需求而开展的，研究主要包括钻井液流变性、井壁稳定、储层保护和环境保护等方面。国内外钻井液技术现状新型钻井液技术保护油气层技术防漏堵漏技术井壁稳定技术钻井液的环境保护新型钻井液可循环微泡沫钻井液设计者钻井液“魔术”钻井液非渗透（低渗透）钻井液成膜钻井液硅基钻井液新型钻井液高性能水基钻井液（HPWBM）提高钻速钻井液甲基葡萄糖甙（MEG）钻井液抗高温钻井液防止重晶石沉降的INNOVERT钻井液体系使用超临界二氧化碳作为钻井液可循环微泡沫钻井液研究表明：当压力上升时，微泡在剪切作用下破裂，从而导致微泡的减少，微泡的尺寸会随之减小。钻井液与产出原油是相容的。在低剪切速率下，微泡钻井液的粘度要比常规钻井液的粘度高。微泡钻井液对地层渗透率恢复值较高。在地层渗透率高达90mD的条件下，其渗透率恢复值可高达80%以上。可循环微泡沫钻井液国内各油田针对低压储层的保护和井漏等问题，开展了泡沫钻井液的研究与应用。胜利油田也曾经研制了可循环泡沫钻井液，并在现场进行了推广应用，但该泡沫钻井液采用用表面活性剂处理过的膨润土配浆，充分搅拌后发泡，密度为0.74g/cm3,但在一定压力条件下，其密度达到了1.0g/cm3左右，可实现的密度不够低，现场应用解决了井漏和保护储层的问题。可循环微泡沫钻井液随着气体钻井过程中地层出水问题的出现，泡沫钻井液也随着发展起来。泡沫钻井液分一次性泡沫和可循环泡沫，一次性泡沫成本较高，所以目前都在研究可循环泡沫。国外可循环泡沫主要是通过调节泡沫液的pH值来控制的；国内研究可循环泡沫钻井液主要是通过控制泡沫的半衰期来控制，大庆钻井研究院目前也正在开展可循环雾化/泡沫钻井液的研究,大庆钻井五公司在现场也应用了微泡钻井液，取得了较好的效果。设计者钻井液产生径向裂缝所需的地层压力与裂缝尺寸与地层硬度呈函数关系，则可列出下式：ΔP=π×W×E/8R（1-υ2)式中:ΔP为裂缝内的过度压力（过度压力是指压力超过最低地应力的部分）；W为裂缝宽度；R为裂缝半径；E为地层的杨氏模量；υ为地层的泊松比。设计者钻井液利用上式进行了敏感性分析，观察到如下现象：①当裂缝宽度小到1mm，而裂缝的半径范围为1m时，井壁强度可增加到约6.9MPa；②短裂缝或短距离支撑的裂缝最好；如果支撑裂缝很长，裂缝很容易被再次打开，而且要达到同样高的井壁强度，裂缝需要拓宽一些；③软岩石需要较大的裂缝宽度；④上式对地层的泊松比不敏感。设计者钻井液BP勘探公司在Arkoma盆地和北海进行了现场试验。结果表明:应力屏蔽效应在现场应用是成功的,使用多功能钻井液可以支撑和密封井壁上形成的短裂缝。现场和室内试验结果表明在低渗岩层中使用多功能钻井液也有显著的效果。设计者钻井液设计者钻井液—多功能钻井液（designermud）的思路和国内的钻井过程中固壁技术思路基本是一致的。设计者钻井液所采用的方法是物理方法；国内目前开展研究的思路主要是以化学固壁为主，物理固壁为辅，不过，国内在这方面的研究进展也不大。“魔术”钻井液这种钻井液在陆上钻硬岩层和深井时具有较高的钻井效率。在同样情况下，机械钻速要比使用柴油基钻井液的机械钻速高50%。然而，这种钻井液的价格较高。烯烃钻井液的价格约是柴油基钻井液的2倍。该钻井液由于成本高，在现场应用的很少。非渗透（低渗透）钻井液通过研究和分析，认为非渗透钻井液的机理作用方式如下：1.理想充填，多点吸附，快速封堵粒度分析表明，聚合物胶束的粒径分布在1～1000μm范围之间，这些材料通过快速形成富含胶聚合物胶束的非渗透屏蔽层提供优良的滤失控制能力，从而很大程度的减少固相或流体的进一步侵入，能够起到快速封堵作用。非渗透（低渗透）钻井液2.聚合物膜易于变形，多层封闭非渗透钻井液处理剂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等组成，当达到临界浓度时，聚合物在岩石表面发生缔合，形成疏水微区，形成空间网络结构，从而达到稳定。随着聚合物浓度的增加，聚合物由链内缔合发展到链间缔合，从而在岩石表面形成封闭膜，阻止了流体的侵入。3.纤维的封堵作用非渗透（低渗透）钻井液处理剂中含有植物纤维，该纤维在渗透性砂岩或裂缝形地层可以形成架桥和封堵作用，起到降低封堵层的渗透率的效果。非渗透（低渗透）钻井液非渗透（低渗透）钻井液非渗透钻井液目前还没有一种科学的评价方法。目前对非渗透处理剂的评价是采用砂床实验法，但这种方法有很大的局限性。国外该类处理剂和钻井液都称为“低渗透”，而在国内则绝大多数都将其称为“非渗透”，“非渗透”是一种不科学的叫法。目前国内多个钻井液处理剂生产商都蜂拥而上生产该类产品，质量也是参差不齐。成膜钻井液水基钻井液能够在井壁岩石上形成非理想半透膜已经为许多文献所阐明。半透膜的孔径在纳米级，是一种允许溶剂通过而选择性允许溶质分子通过的连续状物质，其选择性机理在于尺寸阻挡和电性阻挡作用。由此可以认为凡是能够使井壁岩石表面平均孔径处于纳米级，则相当于改造井壁多孔性岩石达西渗透特性成为达西-半透膜组合特性。半透膜的形成可以是人工的，如表面活性剂在相界面的定向排列、不溶性聚合物的压制、固体粒子在多孔介质内外的沉积封堵；也可以是物理化学反应和吸附形成的膜，根据这个原理国内外相继开展了成膜剂和成膜钻井液的研究。成膜钻井液成膜钻井液通过对页岩的研究发现泥页岩在与钻井液作用的情况下有“半透膜”的性质，存在一定的膜效率，它是一种非理想的半透膜，其效率不是100%，可以加入特种处理剂来提高泥页岩的膜效率。利用“半透膜”的机理对现有的钻井液体系研究得出水基钻井液在一定条件下可达到近油基钻井液体系的性能，使用水基钻井液替代油基钻井液成为可能。水溶性聚合物、无机硅酸盐等都有形成半透膜的作用。在线成膜机理为：通过缩聚反应(缩合—解缩平衡)形成膜，在页岩地层水pH介于5～7时，当成膜单体进入页岩地层和地层水接触，钻井液的ｐＨ值降低，成膜单体之间发生缩聚成膜。另外，沉淀和絮凝作用同时发生，使空隙空间被固体充填，进一步增强了膜效率。成膜钻井液硅基钻井液稳定井壁机理是：堵塞泥页岩孔隙和微裂缝，阻止滤液进入地层;抑制页岩中粘土矿物水化膨胀和分散，硅酸盐与地层粘土矿物发生化学反应生成利于井壁稳定的新矿物，配合使用的高浓度氯化钠或氯化钾的协同稳定作用。硅基钻井液硅基钻井液无机硅酸盐钻井液进入地层中的硅酸根遇到PH值小于9的地层水，立即变成凝胶封堵地层孔喉和裂缝。硅酸盐这种低膨胀率能加速硅酸盐与粘土的相互作用的全过程，从而有利于降低水化应力，凝胶对裂缝等地层的封堵作用为井壁稳定创造了条件。硅基钻井液在温度低于80℃时，稀硅酸盐钻井液稳定泥页岩的机理是以通过多个氢键、静电力和范德华力叠加，与泥页岩中的粘土矿物形成超分子化学力结合为主，缩和反应为辅；而当温度超过80℃(在105℃以上更明显)时，硅酸盐的硅醇基与粘土矿物的铝醇基发生缩和反应，产生胶结性物质，把粘土等矿物颗粒结合成牢固的整体，封固井壁。硅基钻井液近几年，国内外应用较好的有机硅钻井液也是硅基钻井液的一种，该钻井液具有较好的抑制性和抗温性能。无机硅酸盐钻井液中应用了无机盐，所以在缓蚀问题处理不好的情况下，会发生对钻具的腐蚀作用。硅基钻井液添加剂加量（kg/m3）作用黄原胶3悬浮聚阴离子纤维素8控制失水淀粉10控制失水硅酸钠溶液100抑制性杀菌剂1杀菌碳酸钾40增加抑制性盐（NaCl）300氯含量、密度纯碱0.2～0.4控制硬度硅酸盐钻井液配方硅基钻井液M-I钻井液公司用硅基钻井液在现场应用取得良好的结果。在钻遇硬石膏和盐层时需要用苛性钠和硅酸钠对钻井液进行适当的处理。用苛性钠处理有助于减缓硅酸盐的聚合和降低钻井液的失水量。现场应用证明，钻进时要把钻井液的pH值控制在11～12.5。使用硅基钻井液时，固控设备对维持钻井液特性和降低钻井液成本起决定性作用，因此要选择处理量大的固控设备。高性能水基钻井液（HPWBM）在过去的十几年，已研制出数种水基钻井液。比较成功的包括：（1）钾/部分水解聚丙烯酰胺钻井液；（2）盐/乙二醇钻井液；（3）硅酸盐钻井液；（4）氯化钙/聚合物钻井液；（5）阳离子钻井液。上述钻井液对抑制高水敏性页岩水化并不是完全成功的，而且还有各种其他限制条件。高性能水基钻井液（HPWBM）水化抑制剂是一种多功能的胺分子复合物，具有水溶性而且对海洋生物的毒性低。与其他水基钻井液添加剂相比，这种化合物具有pH值缓冲剂的作用，而且不会发生水解。分散抑制剂是一种低分子量、水溶性共聚物。这种共聚物的分子量和电荷密度通过限制水穿透粘土颗粒而产生了包被作用。共聚物的分子量允许这种共聚物在不同密度和配方的钻井液中使用。电荷密度改善了聚合物与粘土间的键合能力。高性能水基钻井液（HPWBM）防沉降剂是一种可包被钻屑和金属表面的表面活性剂和润滑剂的复合物，它可减少钻屑在金属表面的粘结和水化钻屑的凝聚。流变性控制剂黄原胶降滤失剂低粘、改性的多醣聚合物，这种聚合物在低至高含盐量的情况下，甚至在钻屑含量很高的情况下都可保持稳定。高性能水基钻井液（HPWBM）高性能水基钻井液的抑制性非常好，该钻井液在受到膨润土污染后，粘度几乎不变，Fann氏粘度计3r/min读数与膨润土加量之间的关系曲线近似一条水平的直线。南海麦克巴泥浆公司在冀东油田试验的无固相钻井液就是该钻井液体系。目前，国内各油田相继在研究与之相似的高性能无固相钻井液，主要用于水平井储层段，最大限度地保护储层。华北油田应用麦克巴钻井液公司研制的高性能无固相钻井液专打水平段，获得了较好的效果；大港等油田也开展了这方面的研究和应用工作，并取得了较大的进展，大庆钻井院也开展了这方面研究。高性能水基钻井液（HPWBM）提高钻速钻井液提高钻井速度是钻井科研工作者一直研究的一个课题，以前大多是从优选钻井参数、优选钻头、改变钻井方式等方面来开展研究。近几年，国外从钻井液的角度开展了提高钻井速度的钻井液处理剂及钻井液研究，并取得了一定的效果。提高钻速钻井液该处理剂具有强渗透性，能够渗透到吸附在钻头上的泥团的表面改变表面吸附性，改变岩石及其孔隙内部的润湿性，微裂缝面相互间不再吸附，把已经吸附粘土的钻具表面润湿，降低表面对粘土颗粒吸附性，使粘土从钻头表面解吸。提高钻速钻井液通过处理剂在岩石表面吸附及向岩石孔隙内部渗透，改变岩石表面及孔隙内部的润湿性，降低岩石的毛细管力，使钻井液更容易渗入钻头冲击井底岩层时所形成的微裂缝中，减小或消除压持效应，提高钻速。提高钻速钻井液2006年，中石油北京钻井研究院开展了快速钻井液的研究，在室内合成出了钻井液快钻剂，在此基础上研制出了快速钻井液。2007年在塔里木油田的轮南635井和塔中723井进行了现场试验，试验结果表明，该钻井液提高钻速很明显。提高钻速钻井液轮南地区几口井二开井段机械钻速对比情况井号钻头井段(m)进尺(m)纯钻时(h)机械钻速(m/h)钻压(t)转速(rpm)排量(l/s)平均机械钻速(m/h)轮南633ST127204~70750329.6716.9561104011.56707~171910125717.751680461719~23336144314.28188048FS25632333~3302969138.337812048轮南634HAT127204.5~13721167.44426.53121004317.22ST1171372~174237033.2511.13121