水基鉆井液配方分析

1.背景近年來，隨著石油勘探開發技術的不斷發展，深井、超深井、特殊工藝井，以及海上深水鉆探越來越多，對鉆井液的要求越來越高。為滿足環保要求和降低鉆井液成本，相關專家在新型鉆井液方面開展了大量的工作，取得了一系列研究成果和應用技術，成功開發出具有油基鉆井液性能的高性能水基鉆井液；高性能水基鉆井液,又稱胺基鉆井液，主要由頁巖抑制劑、包被劑、分散劑和降濾失劑組成,其實質是應用了一種新的陽離子胺基聚合物。該胺鹽有更高的抑制能力和防泥包能力,符合環保要求,并具有成膜作用,其效果與油基鉆井液相當,該體系可以認為是替代油基鉆井液且又能安全鉆進的一類性能更高的水基鉆井液。水基鉆井液具有廣闊的應用前景，特別適合于海上鉆井；水基鉆井液的發展正朝著更高要求的發展，包括:提高胺的衍生物和低聚物的抗高溫性;優選價廉物美的低聚物,以改善濾失量和可形成膜的胺產品,并且協調其分子量和分子結構;用較少的昂貴胺類可達到預期的效果;廣泛地對有機和無機滲透驅動劑進行研究,改善形成的膜。禾川化學專業從事鉆井液配方分析，配方開發，為鉆井液相關企業提供一站式技術服務。2.水基鉆井液2.1新型水基鉆井液特點1）新型水基鉆井液體系中采用一種特定分子結構的胺類頁巖抑制劑,當與絡合鋁配合使用時,其抑制性與OBM當；2)新型水基鉆井液是一種環保型的多功能水基鉆井液,完全能滿足復雜井鉆井作業的需要,可以替代OBM;3)新型水基鉆井液可以滿足鉆軟泥頁巖、硬脆性泥頁巖、枯竭地層的要求,防塌性能類似于OBM;4)新型水基鉆井液具有非水基鉆井液的許多優良性能，如：頁巖穩定性、黏土和鉆屑抑制性、提高了機械鉆速、減小了鉆頭泥包、減少扭矩和摩阻、高溫穩定性、抑制天然氣水合物的生成等；2.2水基鉆井液機理新型水基鉆井液用新胺鹽作抑制劑。該胺鹽完全水溶,低毒,可與其它添加劑一起使用,不水解,具有成膜作用。新胺鹽有獨特的分子結構,可充填在黏土層間,并把它們束縛在一起,有效地減少黏土的吸水傾向;胺分子通過金屬陽離子吸附在黏土表面,或者是在離子交換中取代了金屬陽離子形成了對黏土的束縛;其抑制頁巖膨脹的機理不同于聚合醇的作用機理,是由于胺基獨特的束縛作用,而不是把水從層間排除;相關研究表明,隨著其濃度的增加,蒙脫土的層間距在下降,這與在聚合醇溶液中觀察到的現象相反,同時這也支持了一種新抑制機理的假設;2.3水基鉆井液常見組分新型水基鉆井液,一般由頁巖抑制劑、包被劑、分散劑和降濾失劑等成分組成；1)頁巖抑制劑新型水基鉆井液中的頁巖抑制劑是一種胺基多官能分子,完全溶于水并且低毒。頁巖抑制劑獨特的分子結構使其分子能很好地鑲嵌在黏土層間,并使黏土層緊密結合在一起,促使黏土晶層間脫水，減小水化膨脹；這種作用機理是中性的胺類化合物分子通過金屬離子吸附在黏土上,或者是質子態的胺分子通過離子交換作用替代金屬離子。2)鋁酸鹽絡合物鋁的化學多變性由該元素的固有特性所決定。與鉆井作業相關的鋁元素的化學特性可歸納如下。1）鋁的化合物可能溶于水,也可能不溶于水,這主要取決于反離子和溶液的pH值。2）可溶性鋁鹽溶解時產生的鋁離子在一個八面體構象中以六角形的水化離子存在。鋁離子所帶的高電荷使水化層失去質子,因而會產生一系列水解產物。鋁水解得到的酸性溶液實際上都是水溶性的鋁鹽。3)在水溶液中鋁鹽會經歷各種復雜的與pH值相關的化學過程。4)在適當的條件下,鋁元素會生成一種兩性氫氧化物。在pH值較高時,它會生成水溶性的四羥基鋁陰離子。5)鋁的氫氧化物以幾種晶形或無定形的形式存在。6)利用鋁的氫氧化物在頁巖孔喉內或微裂縫內的沉積作用,可增強井壁穩定性.鋁酸鹽絡合物在鉆井液中作抑制劑使用，當pH值為10~12時，這種絡合物在鉆井液中以Al(OH)4-的形式存在；當pH值為6~8時，Al(OH)4-的絡合物又轉化成白色羥化鋁沉淀。根據鋁酸鹽絡合物的這一特性，其在鉆井液中是可溶的，但當鋁酸鹽絡合物進入頁巖內部后，由于堿濃度的降低以及與多價陽離子的反應，則會生成沉淀，因此，可以用來增強其在頁巖孔喉或微裂縫內的井壁穩定性；3)鉆速提高劑它主要是由表面活性劑和潤滑劑組成的特殊混合物。該處理劑能覆蓋在鉆屑和金屬表面從而降低黏土水化及其在金屬表面黏結的趨勢，防止水化顆粒聚沉,阻止鉆頭泥包。使發生水化的黏土不易在鋼金屬表面黏附,從而有利于提高機械鉆速,可確保起下鉆順利。防聚沉劑的化學作用還可防止井底鉆屑累積,使鉆頭牙輪不斷地與新地層接觸而提高鉆速。這種特殊的表面活性劑和潤滑劑的混合物在鉆井過程中不僅可減輕鉆頭和井底鉆具的泥包,而且還通過降低摩擦系數來增強鉆井液潤滑性,降低鉆柱的扭矩和拉力。4)可變性聚合物封堵劑它是用來封堵頁巖孔隙、喉道和微裂縫的。該聚合物即使在高濃度的鹽溶液中依然能保持穩定的顆粒尺寸分布，再加上它的可變形特點，使其可以與頁巖中的微孔隙相配，并沿著裂縫架橋同時緊密充填，從而提高鉆井液的封堵效率。5)包被劑新型水基鉆井液采用一種高分子量的部分水解聚丙烯酰胺(PHPA)作為包被劑,主要用來降低黏土分散的程度,并通過對頁巖顆粒的包被作用抑制頁巖水化。此外,新研制開發的一種聚合物具有一定分子量和電荷密度,其通過限制水滲透到黏土中而起到極好的包被作用。通過調整和控制包被劑的分子量,這種聚合物可應用于不同密度范圍的鉆井液體系和鉆井液配方中。這種高電荷密度聚合物還具有較強的抗鹽性,能有效地控制水敏性黏土的膨脹和分散,同時不影響鉆井液體系的流變性。6)降濾失劑降濾失劑主要采用聚陰離子纖維素(PAC),該處理劑與其它處理劑有很好的配伍性;2.3水基鉆井液性能評估1)頁巖抑制性抑制膨潤土造漿和維持鉆井液流變性的能力是評價頁巖抑制劑最適用的方法;將28.4kg/m3膨潤土加入到一桶等量的含22.8kg/m3頁巖抑制劑的淡水中,在65℃下熱滾16h后,測流變性,然后再加入另一部分膨潤土,繼續老化測其性能,直到老化后樣品黏度太大不能測試為止。實驗結果表明,新型水基鉆井液抑制性能與KCl和季胺鹽相當。2)屈曲硬度利用屈曲硬度測試儀測量與鉆井液接觸后鉆屑的硬度；把鉆屑用鹽水洗凈后放入盛有待測鉆井液或溶液的帶孔盤中,在66℃熱滾16h后用扭力扳手逐漸增加扭力,觀察鉆屑被壓擠出時儀器轉數和扭矩的變化及壓出鉆屑的破損情況。試塊越硬,扭力讀值越大,抑制性越好；實驗表明新型水基鉆井液抑制性能較好。3)耐崩散性用耐崩實驗方法進一步評價高性能水基鉆井液的性能，利用崩散性試驗儀進行了各類鉆屑回收率數據比較。耐崩散實驗是將已知質量和尺寸的鉆屑放入有篩孔的容器中,使鉆屑和容器浸沒在待評價的鉆井液中滾動一定時間,破碎的鉆屑自然被篩除,然后再稱剩余鉆屑的質量,求回收率。實驗表明,在新型水基鉆井液中頁巖回收率為60~98%。4)黏附聚集試驗聚結試驗是評價新型水基鉆井液的抑制性和特性的最重要實驗之一，將一個鋼制金屬棒插入盛有鉆井液和鉆屑的罐中,鉆屑分布在棒的周圍。將罐密封后在室溫下滾動一定時間,取出棒子拍照。刮下棒子上的鉆屑,然后干燥稱重,計算聚結在棒上鉆屑的質量百分數；實驗表明新型水基鉆井液中幾乎沒有聚結物出現。5)泥頁巖成膜試驗用西非頁巖和Pierre頁巖試驗HPWBM(成膜劑,20%鹽)