基于疏水改性的纳米二氧化硅页岩稳定剂的制备及性能评价

钻井过程中泥页岩井壁失稳问题频发，严重制约了油气田的钻探开发进程，亟需研制新型纳米页岩稳定剂。将疏水基团接枝到纳米二氧化硅表面制备了新型页岩稳定剂(SNL)，采用红外光谱、粒度分布测试表征了其微观结构，利用泥页岩膨胀、分散及压力穿透测试评价了其页岩稳定效果，并探讨了新型页岩稳定剂的作用机理。结果表明，新型页岩稳定剂能有效抑制黏土的水化膨胀和分散，其水化抑制效果优于常用水化抑制剂。新型页岩稳定剂通过在泥页岩裂隙中填充、弱化黏土的静电斥力，包被黏土粒子，并将其表面变得疏水，来弱化泥页岩水化作用，改善泥页岩井壁稳定性。SNL在JYHF-2井进行了现场应用,相比邻井,该井的井下复杂率明显降低,现场钻井作业周期显著缩短。SNL的现场应用结果为开发新一代基于润湿性改善的纳米页岩稳定剂提供了思路。     

新型环烷胺页岩抑制性评价及分析

通过分子结构设计,研制了新型环烷胺作为泥页岩抑制剂。采用抑制膨润土造浆实验、页岩滚动分散实验和絮凝实验评价了其抑制性能。结果表明,新型环烷胺的抑制性优于国外聚胺Ultrahib和传统的无机盐类抑制剂KCl;180℃下仍能抑制泥页岩水化分散,具有优良的抗温性能。表面张力测试和X-射线衍射分析干态层间距表明,新型环烷胺具有较强的表面活性,能显著降低水溶液表面张力,且能够进入黏土晶层间,形成单层吸附。X-射线衍射分析湿态层间距和吸水实验表明,环烷胺通过质子化胺基吸附在黏土晶层间,置换出层间水化阳离子,大幅度降低黏土层间距,同时增加黏土表面的疏水性,实现泥页岩稳定。     

泥页岩地层水化后井眼周围应力的计算模型

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,这就使得泥页岩地层的井壁失稳问题非常严重。水化作用后的围岩,在假定泥页岩为线弹性的条件下,建立了均匀地应力作用下泥页岩水化后井眼周围应力分布的计算模型。对该模型利用差分方法进行了求解,可以编制程序,该程序可以计算出泥页岩水化后井眼周围岩石的含水量分布、井眼周围的应力分布及保持井壁稳定所需的坍塌压力。     

新型聚胺水基钻井液研究及应用

研制出一种聚胺抑制剂XJA-1,以XJA-1、优选出的包被抑制剂SDE(相对低分子量阳离子聚丙烯酰胺)和封堵防塌剂(铝基聚合物HA-1)为主剂构建了聚胺水基钻井液.室内实验对3种主剂和钻井液的性能进行了评价,结果表明,XJA-1抑制泥页岩水化膨胀和分散的能力与国外同类产品Ultrahib接近,且在高温下的作用效果良好;SDE和HA-1能从不同方面抑制泥页岩的水化分散,综合增强钻井液的井壁稳定效果;该钻井液的抑制性和润滑性与油基钻井液接近,并具有较好的流变和滤失性能 该钻井液在TH10410CH2井成功进行了应用,有效解决了泥页岩水化导致的井壁失稳问题,提高了钻井效率,为复杂泥页岩钻井提供了新的技术对策.     

大港油田埕海二区钻井液技术研究

针对大港油田埕海二区沙一段大位移钻进过程中常出现的倒划眼、卡钻和井塌等复杂钻井问题,对该地层进行了黏土矿物分析和泥页岩理化性能实验,得出该井段中硬泥页岩地层微裂缝发育和易发生水化膨胀是导致井壁失稳问题的主要原因。根据井壁失稳机理,研制出一套高性能水基钻井液。评价实验结果表明,该体系抑制性强,能抑制岩屑分散及中硬泥页岩的水化膨胀,并能显著降低由钻井液侵入导致的对泥页岩强度的影响;具有较强的抗温(120℃)和抗污染能力。该体系总体性能与目前现场使用的国外一种高性能钻井液体系性能相当,能满足大位移钻井的需要。     

胺基硅醇强抑制封堵防塌钻井液体系研究与应用

济阳坳陷沾化凹陷桩西古潜山披覆构造带南部桩64-平1井的斜井段、水平段位于上第三系东营组底部和下第三系渐新统沙河街组一段,该地层为泥页岩、油泥岩、灰色泥岩夹层,极易发生坍塌掉块、井壁失稳等井下复杂情况。针对这一难点,结合室内实验研究,选择了胺基硅醇强抑制封堵防塌钻井液体系,利用胺基硅醇的强抑制性抑制泥页岩、油泥岩水化膨胀,利用强抑制钻井液体系的高膨润土容量限,提高体系的优质黏土含量,并复配封堵防塌材料对地层微裂缝进行封堵,有效地避免了钻进易坍塌地层出现掉块、井壁失稳等井下复杂情况。     

MEG在泥页岩地层的井壁稳定机理研究

为了探索甲基葡萄糖苷(MEG)在泥页岩地层的井壁稳定作用机理,对MEG降低水活度、在黏土表面的吸附性、半透膜效率以及抑制性变化规律进行了研究。结果表明,MEG在黏土表面吸附达到一定浓度后形成半透膜,MEG浓度越高半透膜越致密,可抑制黏土的水化分散,岩心回收率最高可达99%;MEG同时可显著降低水活度,最高可降低至0.85以下。对MEG的成膜规律进行了探索,MEG在泥页岩表面的膜效率同MEG浓度、浸泡时间有关系,MEG浓度越大、膜效率越高,随着浸泡时间延长,膜效率降低。MEG通过在黏土表面吸附成膜抑制黏土水化和提高膜效率维持了井壁的稳定。     

长垣东部深井井壁失稳及技术对策

大庆油田在长垣东部深层油气田勘探开发过程中存在井眼不稳定问题。在对深层失稳井段资料调研的基础上，开展了易塌地层泥页岩水化膨胀及分散特性评价以及比亲水量研究。通过泥页岩--试液模拟作用的化学位差反渗透实验以及压力传递实验等，探讨了不同条件下泥页岩水化应力变化规律。利用井壁稳定性模拟实验装置（SHM仪），评价了不同钻井液防塌效果。理论分析和实验表明，当使用水基钻井液在复杂泥页岩地层钻进时，如何控制泥页岩压力传递和流体侵入是解决泥页岩井壁不稳的技术关键。使用长垣东部深层泥页岩与硅酸盐钻井液作用的实验表明，硅酸盐钻井液能显著降低泥岩渗透率，阻止钻井液滤液与孔隙压力的传递，改善膜效率，有助于充分发挥化学位差诱导的反渗透防塌作用效果。     

泥页岩水化作用对岩石强度的影响

在常规水基钻井过程中,泥页岩地层一旦与水基钻井液接触,岩石便发生水化膨胀作用,岩石强度降低,井壁稳定性下降。因此,评价水化作用对泥页岩岩石强度的影响是开展泥页岩地层井壁稳定性研究的关键内容之一。大量的室内实验和现场实践证实,水化作用对泥页岩地层井壁稳定性的影响程度与泥页岩黏土矿物组分分布、钻井液体系离子类型和摩尔浓度密切相关。文章深入研究了泥页岩水化作用的微观机理,基于扩散双电层理论和范德华理论,理论模拟了水化作用对泥页岩岩石强度的影响,并与室内实验结果进行了对比分析,理论模拟结果与室内实验结果较为吻合。     

鄂尔多斯盆地富县区块强抑制强封堵防塌钻井液技术

针对鄂尔多斯盆地富县区块井壁失稳技术难题,从复杂地层的矿物组成、微观结构和理化性能角度,揭示了富县区块刘家沟组、石千峰组和石盒子组井壁失稳机理。泥岩中黏土含量较高,地层孔隙、裂缝发育,为泥页岩水化提供了空间。结合“多元协同”井壁稳定理论,提出“物化封堵/固结井壁阻缓压力传递—加强抑制黏土水化性能—合理密度支撑井壁”的防塌钻井液技术对策。通过单剂优选和配方优化,构建了适用于富县区块的强抑制强封堵防塌钻井液体系,该钻井液体系流变性良好,高温高压滤失量仅为8.4 mL,抑制防塌、封堵能力强,滚动回收率大于90%,400 μm裂缝承压能力达到6 MPa,储层保护性能良好。现场应用表明,新研制的强抑制强封堵钻井液体系能有效控制刘家沟组、石千峰组和石盒子组等地层的缩径、坍塌,显著降低了井径扩大率,提高了机械钻速,无井下复杂事故发生,为保证富县区块“安全、高效”的钻井施工提供了钻井液技术保障。      

“多元协同”稳定井壁新理论

全面总结了井壁稳定技术研究发展历程,深入分析了井壁失稳机理及防塌技术措施。在此基础上,提出了“物化封固井壁阻缓压力传递—加强抑制水化—化学位活度平衡—合理密度有效应力支撑”的“多元协同”钻井液稳定井壁新理论。通过对胜利、塔河、吐哈等油田复杂泥页岩地层井壁失稳机理的系统研究,依据“多元协同”井壁稳定新理论,研制出了相应的防塌钻井液配方。现场验证结果表明,该理论方法大大减少了井下复杂事故,缩短了钻井周期,节约了钻井成本。     

硅酸盐钻井液体系在鄂尔多斯盆地东胜气田的应用

鄂尔多斯盆地东胜气田二叠系石千峰组、石盒子组发育大段泥页岩,在钻井施工中井壁失稳现象频发。结合东胜气田地层特征,分析井壁失稳原因,研究硅酸盐的封堵性和抑制性,优选形成硅酸盐钻井液配方,并对其抑制性及封堵性进行实验研究。研究结果表明:(1)石千峰组、石盒子组泥页岩中黏土矿物平均含量为56%,以伊蒙混层为主,伊利石次之;泥页岩原生层理及微裂缝,黏土矿物中伊利石、蒙脱石的水化膨胀性能差异是井壁失稳的主要原因。(2)自主研发的硅酸盐钻井液体系具有较强的抑制泥页岩水化膨胀的能力,较强的微小裂缝封堵能力;当该体系中硅酸盐的模数为2.8~3.0、加量3%、p H值维持在11以上时,硅酸盐钻井液的抑制效果更好;同时该体系中的硅酸盐与地层矿物反应生成絮状沉淀,可封堵地层微小裂缝和孔隙,阻止滤液深度侵入,维持了井壁稳定。(3)通过在东胜气田两口井的现场试验,达到了环境保护和井壁稳定的目的,取得了较好的应用效果。该研究成果为其他类似地质条件钻井液的应用提供了借鉴经验。     

超支化聚乙烯亚胺作为高效水基钻井液页岩抑制剂的研究

为解决钻井过程中的泥页岩井壁失稳问题,选取了重均分子量为6×104g/mol的超支化聚乙烯亚胺(HPEI)作为水基钻井液页岩抑制剂,通过膨润土造浆实验、线性膨胀实验和泥页岩热滚回收实验对其泥页岩抑制性能进行了评价,通过红外光谱表征、X-射线衍射实验以及热重分析对其抑制机理进行了分析。结果表明,HPEI对膨润土水化膨胀有良好的抑制作用,20%膨润土在1.5%HPEI溶液中造浆后的动切力仅为0.5 Pa,膨润土在3%HPEI溶液的膨胀高度较蒸馏水中减少了67%;溶液的pH值越低,HPEI的质子化程度越高,对膨润土水化分散的抑制性能越好。HPEI抑制黏土水化膨胀的机理为:HPEI分子进入黏土层间,通过静电引力和氢键的共同作用减弱黏土水化分散,其疏水结构阻止水分子进入黏土层间,抑制膨润土晶层膨胀。     

泥页岩渗透水化作用对井壁稳定的影响

钻井过程中,当存在水基钻井液化学渗透作用时,泥页岩井壁将更加不稳定.建立了力学-化学耦合作用下井壁周围应力分布模型,通过采用有限差分法对该模型求解,得出了井壁周围应力分布,通过利用破坏准则计算井壁坍塌压力,得出了合理的防塌钻井液密度,同时研究了井周应力分布和坍塌压力的时间效应.研究表明,泥页岩地层的膜效应较好时,渗透水化作用越大,膜效应不存在时则不发生渗透水化作用；维持泥页岩井壁稳定所需的防塌钻井液密度是随时间增大而增大,当使用钻井液溶质浓度低时,破坏发生在地层内部,需使用高密度钻井液防止井壁坍塌,对于过平衡钻井,当使用高浓度钻井液时破坏发生在井壁,对实际钻井有理论指导意义.     

泥页岩水化试验研究

由于泥页岩中含有水敏性黏土矿物，与钻井液接触时，泥页岩与钻井液相互作用，产生水化膨胀，其结果不仅改变了井眼周围的应力分布，而且由于吸水造成泥页岩的强度降低，这就使得泥页岩地层的井壁失稳问题非常严重，水化作用使围岩变成变含水、变模量和变强度的复杂介质。对水化后泥页岩的力学性能参数进行试验．得出了其随含水量的变化规律，并回归出泥页岩的强度参数与含水量的关系式，对于解决泥页岩地层的井壁失稳问题具有重要意义。     

新型聚胺页岩抑制剂性能评价

针对钻井工程中泥页岩井壁易失稳的问题,近年来开发并应用的聚胺强抑制水基钻井液,被认为是最接近油基钻井液性能的新型水基钻井液。其中,聚胺页岩水化抑制剂作为该钻井液的关键处理剂,具有独特的分子结构和优异的抑制性能。通过抑制膨润土造浆试验、三次页岩滚动分散试验、X射线衍射分析黏土层间距和Zeta电位测试等试验,对比评价了聚胺与传统阳离子钻井液抑制剂小阳离子的抑制性。同时,考察了聚胺、小阳离子与膨润土及常用钻井液处理剂的配伍性。结果表明,与小阳离子相比,聚胺更能有效抑制黏土水化膨胀和抑制泥页岩水化分散,并具有长期稳定作用。聚胺与膨润土及各种钻井液处理剂配伍性良好,克服了阳离子钻井液配伍性差的问题。      

铝胺高性能水基钻井液的研究与应用

铝胺高性能水基钻井液是近年来国内外钻井液新技术的热点。通过三次回收率和岩心浸泡实验，评价了胺基聚醇（有机胺类）AP-1和铝聚合物DLP-1的防塌能力，并优选出了铝胺高性能水基钻井液配方。营72-平2井三开后因严重井塌无法施工，被迫填井倒钻，倒钻至井深2920m时，井塌现象已非常严重，转换为铝胺高性能水基钻井液后顺利完钻。辛176-斜12井三开后钻遇大段泥页岩。地层微裂缝发育，同时泥岩中蒙皂石含量高、水敏性强，钻进中发生较严重的井壁垮塌掉块，换用铝胺高性能水基钻井液后顺利完钻。以上2口井的现场试验应用证明，铝胺高性能水基钻井液对解决因水化不均匀或微裂缝发育导致的井壁不稳定具有良好的效果。     

塔河油田深侧钻井防塌钻井液技术

塔河油田深部巴楚组和桑塔木组地层为以伊/蒙混层或伊利石为主的硬脆性泥页岩地层,水化分散性较强且发育有微裂缝,钻井过程中易因泥页岩水化而导致井壁失稳,为此,提出了"抑制表面水化-物化封堵-有效应力支撑"三元协同防塌对策,并构建了三元协同防塌钻井液。室内性能评价试验结果表明:三元协同防塌钻井液抗温达170℃、抗盐5.0%、抗钙0.5%~1.0%、抗劣土8.0%,泥页岩膨胀率和滚动回收率分别为5.05%和91.33%,能封堵宽400 μm的裂缝,承压能力达到4 MPa。三元协同防塌钻井液在塔河油田20余口井进行了应用,均未发生由于井壁失稳造成的井下故障,桑巴楚组和桑塔木组地层的井径扩大率平均降低63.4百分点,建井周期平均缩短4.3 d。这表明,三元协同钻井液防塌技术可有效解决塔河油田深侧钻井巴楚组和桑塔木组地层的井壁失稳问题。      

硫酸钾/硅酸盐钻井液在乍得Bongor盆地的应用

乍得Bongor盆地Kubla、Mimosa地层黏土矿物含量高,层理和微裂隙发育,易发生井壁水化膨胀、井眼坍塌现象.因此在对坍塌层位岩性进行综合分析的基础上.针对乍得Bongor盆地环境保护要求高的特点,研制出一种安全环保的强抑制K2SO4/硅酸盐钻井液.在Prosopis E1-1井的现场应用表明,该钻井液携岩能力强,具有良好的抑制泥页岩水化膨胀能力和防止地层垮塌能力;其抗盐膏、水泥污染能力强,性能稳定,易于维护;润滑性好,泥饼薄而韧,摩阻低;所钻井井径规则,对稳定井壁起到了显著的作用.     

临汾区块煤系地层泥页岩防塌钻井液技术研究

临汾区块煤系地层山西组泥页岩易发生井壁失稳,导致钻井非生产时效多,钻井周期长,是影响临汾区块致密气水平井钻井提速提效的主要原因之一。为解决泥页岩失稳问题,采用钻井岩心观察、扫描电镜、X射线衍射分析以及膨胀率和回收率测定等方法,分析了山西组泥页岩宏观、微观特征和理化特性,探讨了其对山西组泥页岩井壁稳定的影响。研究表明,山西组泥页岩在清水中浸泡7天后破裂,扫描电镜观察发现微裂缝宽度为0.32～7.69μm,黏土矿物中高岭石占比为37.2%、伊蒙混层占比为35.2%。为此,提出了强封堵、强抑制和低滤失量的防塌钻井液技术对策,形成了高性能防塌钻井液体系配方。评价表明,该体系老化后中压失水2.4 mL,高温高压失水8.8 mL,泥页岩膨胀率为0.73%,滚动回收率为99.3%。该体系已在临汾区块1口井进行了现场试验,应用效果良好,表明该技术能够有效解决脆性泥页岩的井壁失稳问题,具有推广应用价值。