泥页岩地层井壁失稳问题研究

由于泥页岩中含有水敏性黏土矿物,当与钻井液接触时,泥页岩与钻井液相互作用,产生水化膨胀,不仅改变了井眼周围的应力分布,而且由于吸水使得泥页岩的强度降低,导致泥页岩地层的井壁失稳问题非常严重。对泥页岩地层的井壁失稳的实验和理论研究进行了概述,并指出了相关研究所存在的问题,对国内进行相关研究有一定指导和借鉴意义。     

泥页岩地层井壁失稳问题研究

由于泥页岩中含有水敏性黏土矿物,当与钻井液接触时,泥页岩与钻井液相互作用,产生水化膨胀,不仅改变了井眼周围的应力分布,而且由于吸水使得泥页岩的强度降低,导致泥页岩地层的井壁失稳问题非常严重。对泥页岩地层的井壁失稳的实验和理论研究进行了概述,并指出了相关研究所存在的问题,对国内进行相关研究有一定指导和借鉴意义。     

水基钻井液用聚胺抑制剂研究与性能评价

解决井壁失稳的关键在于减弱页岩水化分散,而减弱水化分散与抑制剂的抑制性能是分不开的。通过红外光谱仪和凝胶色谱仪分析手段来对水基钻井液用页岩抑制剂HGI进行结构表征和分子量测定,结果表明HGI为低分子量聚合物抑制剂。借助粒度分布实验和三轴应力实验方法评价HGI抑制特性,研究表明HGI抑制性效果要优于传统无机盐抑制剂KCl和胺类抑制剂UHIB-1、UHIB-2,能有效抑制泥页岩水化和分散,表现出更加突出的抑制性能。以X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)手段来对HGI抑制机理进行研究与分析,抑制剂HGI在溶液中解离出的铵正离子通过静电作用中和黏土负电荷,降低黏土层间水化斥力,同时在氢键和静电吸引双重作用下将黏土晶层间距压缩,排挤出层间吸附水,减弱黏土水化作用。同时HGI分子中所具有的疏水基团会紧密地覆盖在黏土晶层表面,形成一道疏水屏障,阻止水分子的进入与吸附,从而进一步抑制黏土水化作用。现场试验结果表明,聚胺抑制剂可明显提高现场钻井液抑制性能,解决了页岩水平段的井壁失稳和摩阻较大的难题,为页岩气高效钻探提供新思路和方法。     

用于水基钻井液的页岩抑制剂研究进展

钻井过程中使用的水基钻井液费用低且对环境友好,但水基钻井液是以水作为连续相,页岩地层遇水极易水化膨胀,水基钻井液中的页岩抑制剂对井壁稳定起着重要的作用。本文主要分无机页岩抑制剂和有机页岩抑制剂两大类介绍国内的水基钻井液抑制剂种类并分析其作用机理,分别介绍了胺类、沥青类、聚合醇类、腐殖酸类、无机盐类、无机正电胶类页岩抑制剂。未来的水基钻井液页岩抑制剂向着无毒、无荧光、抗盐和抗高温等方向发展。     

长宁地区页岩气水平井防塌钻井液体系设计

长宁地区页岩气膨胀性好、层理发育、胶结性差,易引起井壁失稳问题,针对上述问题本文提出页岩气水平井钻井液防塌技术。对长宁地区岩石的矿物组分和微观结构迚行分析,结果表明矿物组分以石英、长石等脆性矿物为主,含量主要分布在36.85%～49.42%,压实程度高,结构紧密,微裂缝发育。脆性矿物含量高及微裂缝发育是引起井壁失稳问题的原因所在,故从抑制页岩黏土矿物水化和封堵微裂缝两个角度出发来解决该地区井壁失稳问题。本文将上述两种关键处理剂与其他处理剂迚行合理复配,形成了一套防塌钻井液体系。实验结果表明,该体系可有效抑制黏土表面水化,滚动回收率高达97%,并对该地区微裂缝迚行有效封堵,防止钻井液固相颗粒和滤液侵入地层,降低钻井液动滤矢量,体系抗温能力可达120℃,满足长宁地区安全、高效、经济钻井的需求。     

环保型页岩抑制剂SGI-1的合成与性能研究

针对页岩地层钻井作业过程中井壁失稳的难题,以自然界资源丰富的木质素为原料,利用(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵对其进行季铵化改性制备了一种抑制性和环保性兼顾的水基钻井液页岩抑制剂SGI-1。通过线性膨胀实验、页岩滚动回收实验评价了抑制剂SGI-1的抑制性;通过接触角实验、水活化度实验及Zeta电位实验对SGI-1抑制机理进行分析;对SGI-1生物毒性及对钻井液性能的影响进行评价。结果表明:抑制剂SGI-1加量为2.0%时,16h后页岩滚动回收率为94.10%、线性膨胀率5.81%,优于2.0%聚胺;SGI-1可以改变岩石润湿性,页岩接触角由20.4°增大至69.9°;SGI-1可以降低水活度,增强抑制剂对自由水的束缚程度;SGI-1表面所带的阳离子基团可以与黏土颗粒吸附,并在其表面形成疏水膜减少钻井液滤液侵入。此外,SGI-1与钻井液具有较好的配伍性、较低的生物毒性,对钻井液流变性及失水造壁性影响较小。     

疏水纳米SiO_2在泥页岩水基钻井液中的应用

在水基钻井液钻井过程中泥页岩易发生水化膨胀、掉块等井壁失稳问题,在泥页岩水基钻井液引入疏水性纳米SiO_2TSP-L20,TSP-L20可以提升水基钻井液对泥页岩的降滤失性、封堵性以及抑制性。介绍了疏水纳米SiO_2的抑制防塌机理,通过测试TSP-L20浆及加有TSP-L20的水基钻井液的失水量、压力传递、泥岩钻屑的滚动回收率和线性膨胀率,评价了TSP-L20的降滤失性、封堵性及抑制性。结果表明:疏水性纳米SiO_2TSP-L20具有较好的降滤失性能、封堵性及抑制性,可以提高水基钻井液对泥页岩的抑制防塌性能。     

新型防塌水基钻井液技术研究

利用新型聚胺抑制剂的化学抑制泥页岩水化作用和铝基封堵剂的封堵泥页岩裂缝作用,研制了可有效提高泥页岩井壁稳定性的新型防塌水基钻井液体系。评价实验表明,钻井液泥页岩岩屑回收率高达90%以上,并且具有良好的流变性和滤失性。该钻井液在新疆准格尔盆地一口探井成功开展了现场试验,有效抑制了泥页岩的水化分散,避免了井壁坍塌及卡钻等事故,提高了机械钻速。     

钾基聚合物防塌钻井液在页岩气勘探中的应用

国21井是中联-国昊黄埔页岩气勘探区块施工的第一口探井,地层复杂,含大段泥页岩地层,钻进过程中易水化膨胀,常发生井壁缩径、垮塌等井壁失稳现象,严重威胁井下安全。经过理论分析,提出了页岩气勘探钻井液技术难点,并结合国21井地层岩性,进一步提出了具体的钻井液技术措施,研制了钾基聚合物防塌钻井液体系。实际应用表明:该钻井液体系有效抑制了泥页岩地层水化膨胀,增强了井壁稳定性,实现了高效快速钻进,为该区块后续勘探开发钻井钻井液技术提供了有益参考。     

适用于页岩气水平井新型水基钻井液室内研究

为了解决水基钻井液在页岩气水平井钻探过程中出现的摩阻扭矩大、井壁失稳问题，以超支化聚乙烯亚胺、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、氯乙酸钾为原料制备了环保型多功能基液AS。该基液表现出优异的润滑性能和抑制性能，且具有良好的环境友好性能。当AS加量为20%时，其润滑系数仅为0.032，且使钠基膨润土压片线性膨胀率小于10%以及黏土层间距始终保持较低。由该基液AS配制的水基钻井液具有稳定性强，以及优异的润滑性能和抑制性能，适用于页岩气水平井，可提高井壁的稳定性钻井安全。     

陆丰古近系复杂地层防塌钻井液技术研究

针对陆丰古近系复杂地层钻井过程中存在的井壁稳定技术难题,采用X射线衍射、扫描电镜、页岩滚动分散和膨胀实验等,测试分析复杂地层的矿物组构和理化性能,探讨其井壁失稳机理.基于"强化封固井壁-抑制泥页岩水化-合理密度支撑"的多元协同井壁稳定技术对策,优选了降滤失剂、聚胺、封堵防塌剂等关键处理剂,构建陆丰古近系复杂地层防塌钻井液配方.评价结果表明,该钻井液黏度较低,切力适中,流变性能良好;滤失量低,泥饼薄而致密,具有较好的滤失造壁性能;随钻封堵性能较好;抑制泥页岩水化能力较强,可以满足陆丰古近系复杂地层安全高效钻井工程需要.     

新型聚合物钾盐抑制泥页岩水化的性能与机理

泥页岩水化膨胀是井壁失稳的重要原因。本文通过膨润土压片浸泡与线性膨胀实验、页岩钻屑滚动回收实验以及流变性、滤失性测试,评价了一种新型聚合物钾盐抑制剂聚阴离子纤维素钾（K-PAC）的抑制性能及其对水基钻井液流变性和滤失性的影响。评价结果表明,0.5% K-PAC的抑制泥页岩水化膨胀的性能明显优于5% KCl、2%聚醚胺-D230（PEA-D230）,与0.5%聚丙烯酰胺钾盐（K-PAM）相近;0.5% K-PAC的增黏提切、降滤失性能要优于0.5% K-PAM。通过扫描电镜和X射线衍射分析了K-PAC的抑制机理,结果表明,K-PAC的阳离子部分（K⁺）能够进入膨润土晶层中并置换出水化钠离子,从而起到抑制黏土晶层膨胀的作用;K-PAC的阴离子部分吸附在黏土颗粒上起到护胶、降滤失的作用,二者协同增效,从而起到强抑制作用。由于K-PAC由聚阴离子纤维素和K⁺构成,对环境友好、成本低廉。因此,K-PAC具有成为低成本、环保型、强抑制性的水基钻井液抑制剂的巨大潜力。     

胺类强抑制泡沫钻井液的研究

针对泡沫钻井过程中井壁失稳问题,采用Waring-Blender法、滚动回收实验以及硬度测试,通过对发泡剂、稳泡剂以及胺类泥页岩抑制剂的优选,筛选出发泡性能优越,抗温、抗污染能力强,且具有强效持久抑制性能的胺类强抑制泡沫钻井液。同时,借助红外光谱与XRD分析手段,分析胺类泥页岩抑制剂抑制作用机理。结果表明,低分子胺类聚合物能进入黏土晶层,阻止水分子进入并水化黏土。高分子胺类聚合物由于相对分子质量大,不能有效地进入黏土晶层,因此主要吸附于黏土表面,形成分子保护膜,防止周围流体中水分子的进一步侵入。由于胺类聚合物通过提供多重阳离子吸附于黏土矿物上,因此能保持长久性黏土稳定且不易于逆转吸附,从而具备持久抑制性能。     

具有缓蚀性能的页岩抑制剂在盐水钻井液性能研究

为了解决钻井过程中出现的井壁失稳和钻井设备出现的腐蚀问题，以4-羟基苯丙醛、超支化聚乙烯亚胺为原料制备了一种具有缓蚀性能的页岩抑制剂，应用于盐水钻井液来提高钻井效率以及保护金属。通过线性膨胀实验、膨润土造浆实验以及静态失重法评价其抑制、缓蚀性能。实验结果表明，膨润土压片在海水中的膨胀率超过100%，而在含有1%抑制剂HPEI-A的水溶液中，其膨胀率低于30%，且HPEI-A分子可通过分子间作用力以及静电作用下吸附在页岩表面，形成疏水膜，阻止水分子侵入，起到抑制黏土水化膨胀的作用，另外应用于盐水钻井液中，使N80钢的腐蚀速率低于0.015mm·a^-1，使盐水钻井液可抗20%侵污土，表明该抑制剂与盐水钻井液具有良好的配伍性，满足现场工程要求。     

龙马溪页岩气钻井用高性能水基钻井液的研究

焦石坝页岩气工区的龙马溪地层极易发生坍塌掉块,采用油基钻井液能够较好地解决现场井壁失稳难题,但存在配制成本高、钻屑后处理压力大等技术瓶颈难题。以阳离子烷基糖苷(CAPG)、纳微米封堵剂等为主剂,通过钻井液体系构建及配方优化,形成了CAPG高性能水基钻井液优化配方。该钻井液具有较好流变性,高温高压滤失量仅为4.0 m L;钻井液可有效抑制黏土的水化膨胀分散,不破坏页岩的结构,保持地层的原始性和完整性,表现出优异的井壁稳定性能;当密度达2.32 g/cm3时,钻井液极压润滑系数和滑块摩阻系数仍小于0.1,表现出较好的润滑性能;钻井液连续老化30 d后,流变性能保持稳定,静置72 h均未发生沉降现象;钻井液具有较好的抗污染性能;钻井液无生物毒性。对CAPG高性能水基钻井液和油基钻井液分别从抑制、润滑、降滤失、储层保护及生物毒性等方面进行了对比,两者性能相当,且CAPG高性能水基钻井液具有油基钻井液所不具备的环保优势。     

国内外页岩水基钻井液用抑制剂研究进展

介绍了几类页岩水基钻井液抑制剂的研究进展,主要有传统抑制剂(无机盐、聚合醇、硅酸盐)、聚胺类、纳米材料、其他新型抑制剂(离子型、植物提取液环保型),及其缓蚀机理。各类抑制剂主要从化学和物理两个方面对页岩的水化膨胀及分散进行抑制,从而改善页岩稳定性。并结合各自特点展望了几种抑制剂未来的发展趋势,为页岩地层的水基钻探提供一定的参考。     

国内外页岩水基钻井液用抑制剂研究进展

介绍了几类页岩水基钻井液抑制剂的研究进展,主要有传统抑制剂(无机盐、聚合醇、硅酸盐)、聚胺类、纳米材料、其他新型抑制剂(离子型、植物提取液环保型),及其缓蚀机理。各类抑制剂主要从化学和物理两个方面对页岩的水化膨胀及分散进行抑制,从而改善页岩稳定性。并结合各自特点展望了几种抑制剂未来的发展趋势,为页岩地层的水基钻探提供一定的参考。     

聚合物及小分子类页岩抑制剂研究进展

本文概述了聚合物及小分子类页岩抑制剂研究进展,特别关注国内外近年的相关研究成果。文章系统介绍了用于表征黏土水化膨胀和评价抑制剂性能的实验方法。此外,文章分类讨论了无机盐类、聚醚胺类、天然改性材料和聚合物类抑制剂的特点,展望了水基钻井液中页岩抑制剂的应用方向和主要发展趋势。     

聚胺抑制剂与甲酸盐抑制性对比实验研究

通过抑制膨润土造浆实验、页岩滚动回收分散粒度分析测试、X射线衍射分析层间距来对比评价聚胺与甲酸盐抑制效果。通过活度测试、表面张力测试及改性钠膨润土吸水实验等研究聚胺与甲酸盐抑制机理。结果表明,聚胺抑制剂抑制性能明显优于传统甲酸盐,聚胺抑制剂可单层吸附在黏土晶层间,通过铵离子置换排挤层间水分子,使黏土层间距大大降低;铵离子可取代黏土层间水化阳离子,吸附在黏土颗粒表面,增强黏土颗粒疏水性;同时可降低钻井液表面张力,减少滤液向地层的侵入,综合作用下抑制黏土水化。而甲酸盐则主要是依靠降低溶液活度起到维持页岩井壁稳定的目的。     

聚胺抑制剂与甲酸盐抑制性对比实验研究

通过抑制膨润土造浆实验、页岩滚动回收分散粒度分析测试、X射线衍射分析层间距来对比评价聚胺与甲酸盐抑制效果。通过活度测试、表面张力测试及改性钠膨润土吸水实验等研究聚胺与甲酸盐抑制机理。结果表明,聚胺抑制剂抑制性能明显优于传统甲酸盐,聚胺抑制剂可单层吸附在黏土晶层间,通过铵离子置换排挤层间水分子,使黏土层间距大大降低;铵离子可取代黏土层间水化阳离子,吸附在黏土颗粒表面,增强黏土颗粒疏水性;同时可降低钻井液表面张力,减少滤液向地层的侵入,综合作用下抑制黏土水化。而甲酸盐则主要是依靠降低溶液活度起到维持页岩井壁稳定的目的。