Wy-气润湿性岩石吸附甲烷的实验和量子化学研究-李颖颖，宣扬，蒋官澄，王大喜，刘冰

为解决凝析气藏开采中反凝析液堵塞损害和低渗特低渗储层液相圈闭损害,气润湿方法近年来成为研究热点,然而岩石的润湿性改变后,其表面对 CH4的吸附能力变化不容忽视。为此,对气润湿反转前后固体对 CH4的吸附能力变化进行了实验和量子化学研究。采用 AST系列煤层气吸附/解吸实验装置对气润湿反转前后石英砂对 CH4的吸附能力进行测试,并依据所提出的液湿和气润湿岩石表面原子簇模型,利用量子化学从头计算法（HF-3-21G）计算了两种润湿性表面与 CH4分子的相互作用关系,包括吸附势阱和吸附距离。在同等平衡压力条件下,气润湿石英砂对 CH4 的吸附量约比液湿石英砂低 1 个数量级;量子化学研究结果表明,气润湿反转后的固体表面对 CH4分子的吸附能力减弱,吸附距离增加约 1nm,CH4分子在液湿岩石和气润湿岩石表面均为单分子层物理吸附。     

气润湿性岩石吸附甲烷的实验和量子化学研究

为解决凝析气藏开采中反凝析液堵塞损害和低渗特低渗储层液相圈闭损害,气润湿方法近年来成为研究热点,然而岩石的润湿性改变后,其表面对CH₄的吸附能力变化不容忽视。为此,对气润湿反转前后固体对CH₄的吸附能力变化进行了实验和量子化学研究。采用AST系列煤层气吸附/解吸实验装置对气润湿反转前后石英砂对CH₄的吸附能力进行测试,并依据所提出的液湿和气润湿岩石表面原子簇模型,利用量子化学从头计算法（HF-3-21G）计算了两种润湿性表面与CH₄分子的相互作用关系,包括吸附势阱和吸附距离。在同等平衡压力条件下,气润湿石英砂对CH₄的吸附量约比液湿石英砂低1个数量级;量子化学研究结果表明,气润湿反转后的固体表面对CH4分子的吸附能力减弱,吸附距离增加约1nm,CH₄分子在液湿岩石和气润湿岩石表面均为单分子层物理吸附。     

快钻剂KZ-1在钻井液中应用的实验室评价

对自行研制的新型快钻剂KZ-1进行了实验室评价.KZ-1具有较低的表面张力和润湿接触角,当加量在其临界胶束浓度0.53%附近,KZ-1可以将固体表面由弱亲水、亲水反转为强亲水状态,其较好的润湿性可有效减小钻具的摩擦.快钻剂KZ-1在钻井液中应用性能表明,KZ-1具有较好的耐温性,对泥页岩地层中粘土有很好的抑制水化、分散及膨胀的作用.快钻剂KZ-1通过改变井底岩石表面亲水性、增加滤失量,而有效减小水力压力造成的压持效应,达到进一步提高钻速的目的.     

改变低渗透砂岩亲水性油气层润湿性对其相渗透率的影响

为了研究改变低渗透砂岩亲水性油气层润湿性对其气水相有效渗透率的影响，用自主研发的一种能改变亲水岩石表面性质（由亲水改为中性弱亲油）的润湿反转剂LW-1进行了实验研究。实验结果表明，用LW-1处理低渗透亲水气层岩心，改变其岩石表面的润湿性后，可使气体有效渗透率平均提高1．06倍；处理低渗透亲水油层岩心，改变其岩石表面的润湿性后，可使水相有效渗透率平均提高2．6倍。认为改变低渗透亲水油气层的岩石表面润湿性，是降低其遭受侵入水伤害程度、提高增注能力和改善压裂增产过程中侵入水返排效果的有效手段之一。     

气润湿岩石表面气体吸附作用的量子化学研究

为解决凝析气藏开采中反凝析液堵塞损害和低渗特低渗储层液相圈闭损害,"气润湿"方法近年来成为研究热点,然而岩石的润湿性改变后,其表面对甲烷吸附能力的变化不容忽视。为此,依据所提出的液湿和气润湿岩石表面原子簇模型,利用量子化学从头计算法(HF-3-21G)对气润湿反转前后固体对CH4、CO2、H2O和N2的吸附能力变化进行了研究。结果表明,气润湿反转处理后,岩石表面对所测试的4种流体的吸附能力均减弱;在气润湿岩石表面,吸附能力由强到弱的顺序为:CO2H2OCH4N2,且CH4、H2O、CO2和N2分子在液湿岩石和气润湿岩石表面均为单分子层物理吸附。     

无机正电胶双聚钻井完井液技术研究

表面润湿性和电性是油藏岩石的两个重要表面特性。润湿性通过控制油藏岩石孔隙中流体的分布和非混相流体的流动、决定岩石孔道中毛细管力的大小和方向、控制油气层微粒的运移三个方面，影响油气采收率。地层微粒保持中性润湿可以避免地层微粒运移导致的油气层损害；地层表面保持中性润湿，有利于提高水驱的波及系数，有利于提高原油采收率。油藏岩石表面带电性影响原油在岩石孔隙中的渗流，电中性的岩石表面不仅使原油易于通过岩石多孔介质，而且使原油不产生电性润湿现象，因而有利于提高采收率。在综合分析钻井完井液性能与井壁稳定、油气层保护和提高油气采收率关系的基础上，提出了钻井完井液不仅应该满足钻井正常作业和保护油气层的要求、还应该有利于提高油气井产能的观点，并以无机正电胶、聚合醇和聚合物为主剂，开发了无机正电胶双聚钻井液体系。试验表明，该体系兼有正电胶钻井液和聚合醇钻井液的优点，具有独特的流变性、优良的润滑性、稳定井壁作用，以及显著的保护储层和提高油气采收率的功能。     

KCl-有机盐聚合物钻井液在川西双鱼石区块的应用

川西地区双鱼石区块目的层埋藏深,完钻井深在7 000 m以深,上部φ444.5 mm、φ333.4 mm井眼主要采用“空气钻”提速,空气钻井转钻井液如何保证井壁稳定至关重要,在“高效PDC+螺杆”提速方式下优质的钻井液性能也尤其重要。为此,KCl-有机盐聚合物钻井液在KCl、有机盐的共同作用下抑制能力强,能够抑制岩石组分水化分散、膨胀,封堵防塌剂可以快速形成致密泥饼,减少滤液侵入井壁地层,防止“空气钻”后干燥井壁“吸水”引起的井塌;抑制钻屑水化分散,钻井液流变性能稳定、波动小、易调控、现场维护处理简单;钻井液强抑制性、低黏度和切力可提高钻头水马力,减少钻屑在钻头上的吸附,防止钻头泥包现象,减少钻井液中微米、亚微米粒子,有助于提高机械钻速。双探8井等现场应用表明,KCl-有机盐聚合物钻井液确保了“空气钻”井段井壁稳定,顺利钻过沙溪庙组下部（沙一段）、凉高山组、自流井组及须家河组易垮塌地层,井眼畅通、井壁稳定、井径规则、电测顺利、井下安全、钻速较高,满足工程、地质录井需要。      

钻井液防黏附剂的合成与性能评价

在钻井液中加入防黏附剂,防止钻头泥包或局部被钻屑黏附是提高钻速有效手段之一。通过腐植酸磺化－酰氯化－酰胺化一系列反应合成了钻井液防黏附剂,筛选出最佳合成条件为：腐植酸与浓硫酸在质量体积比3:5、温度160℃的条件下反应8 h,生成磺化腐植酸;然后与过量二氯亚砜在70℃下反应6 h,生成腐植酰氯;最后按腐植酰氯与脂肪胺质量比25:4加入脂肪胺,在0～10℃下反应 4 h。对防黏附剂性能的评价结果表明,防黏附剂可将钻头和岩屑表面由强亲水性转变为弱亲水性,并能大幅降低钻井液表面张力。防黏附剂质量分数由0增至1.5%时,水溶液润湿接触角由33°增至68.3°,表面张力由74.4 mN/m降为42.0 mN/m。4%膨润土浆中加入2%防黏附剂,润滑系数由0.43降至0.27;膨润土岩心在1.5%防黏附剂水溶液中的膨胀率为1.6%（2 h）和3.5%（16 h）,润滑性和抑制性较好。     

活性泥页岩快速钻井钻井液技术

为解决活性泥页岩水化分散而导致井眼缩径、井壁垮塌、钻头泥包、起下钻不畅、卡钻等井下复杂问题,以聚胺抑制剂和防泥包快钻剂为主要处理剂,研制出一套适宜于活性泥页岩钻井的快速钻井液体系。钻井液抗高温流变性能实验表明,钻井液能抗温150 ℃以上,通过钠膨润土造浆试验、岩心耐崩塌试验、钻屑滚动回收和泥岩黏附聚集试验,表明其抑制性能和润滑性能接近于油基钻井液,可解决强造浆活性泥岩钻井出现的钻井液黏切升高、流变性能恶化,能有效防止泥岩井壁失稳、钻屑分散、钻头泥包、泥岩黏附和聚结。钻井液体系抗污染性能好,且生物无毒,满足排放标准。在南堡17-×1511井的成功应用表明,该钻井液体系一定程度上有效解决了水敏性活性泥页岩安全快速钻进问题,可进一步推广。     

油藏微生物润湿改性机理研究进展

微生物采油机理包括嗜烃降黏、乳化、润湿、产气等,其中微生物润湿机理为微生物及代谢产物通过对储层界面改性实现提高洗油效率和改善原油渗流能力的目的。总结了现阶段中外对微生物及代谢产物在润湿改性中的作用及微观机理研究进展,提出了微生物采油技术在润湿改性方面需要深化研究的问题及发展方向。目前研究证实微生物菌体、代谢产物都具备不同程度的改变岩石表面润湿性的能力,而引起该现象的原因可能是：①微生物代谢产生的生物类表面活性剂通过清洗机理或覆盖机理吸附在岩石表面,从而改变岩石表面的润湿性;②微生物菌体通过生长繁殖在油水或油固界面上形成一层黏弹性的生物膜,进而完成润湿性改变。由于微生物采油机理具有多机理协同作用的复杂性,微生物润湿改性机理在提高采收率中的贡献及油藏适应性等问题尚未明确。因此需要进一步深化微生物及代谢产物润湿改性机理研究,明确其作用范围、稳定性及油藏适应性,为提高微生物采油现场应用效果提供理论支撑。     

硅酸盐钻井液泥包形成的趋势研究

硅酸盐钻井液因其优异的防塌抑制性常应用于泥页岩地层,但其在钻进过程中极易发生钻具泥包现象。笔者通过分析硅酸盐钻井液极易产生泥包的原因,选取用膨润土制成2.0 mm～3.2 mm的泥球来模拟钻屑用于实验研究,利用自制直径为25 mm的钢球,老化罐的滚动模拟井下钻进情况,通过硅酸盐加量、硅酸盐模数、膨润土含量、KCl加量及不同防泥包剂对硅酸盐钻井液体系产生泥包的实验研究,探讨了不同因素对硅酸盐钻井液产生泥包的程度及趋势的影响。结果表明,硅酸盐模数对泥包影响不大;随着硅酸盐含量的增加,泥包程度呈上升趋势,但加量超过9%后泥包程度相差不大,建议加量在3%～5%之间;随着膨润土加量的增加,泥球的直径呈先减小后增大的趋势,膨润土加量为1%时,泥球直径最小;KCl在一定浓度内降低泥包的产生,过量的KCl反而会促进泥包生成,最佳浓度为3%～6%;加入3%防泥包快钻剂WETMINE能有效防止钢球泥包的产生。通过与钻井液体系流变性相结合,优选出能最大程度减少钻具泥包的硅酸盐钻井液体系关键外加剂的加量,为选择合适的外加剂提供参考依据。     

硅酸盐钻井液泥包形成的趋势研究

硅酸盐钻井液因其优异的防塌抑制性常应用于泥页岩地层,但其在钻进过程中极易发生钻具泥包现象。笔者通过分析硅酸盐钻井液极易产生泥包的原因,选取用膨润土制成2.0 mm～3.2 mm的泥球来模拟钻屑用于实验研究,利用自制直径为25 mm的钢球,老化罐的滚动模拟井下钻进情况,通过硅酸盐加量、硅酸盐模数、膨润土含量、KCl加量及不同防泥包剂对硅酸盐钻井液体系产生泥包的实验研究,探讨了不同因素对硅酸盐钻井液产生泥包的程度及趋势的影响。结果表明,硅酸盐模数对泥包影响不大;随着硅酸盐含量的增加,泥包程度呈上升趋势,但加量超过9%后泥包程度相差不大,建议加量在3%～5%之间;随着膨润土加量的增加,泥球的直径呈先减小后增大的趋势,膨润土加量为1%时,泥球直径最小;KCl在一定浓度内降低泥包的产生,过量的KCl反而会促进泥包生成,最佳浓度为3%～6%;加入3%防泥包快钻剂WETMINE能有效防止钢球泥包的产生。通过与钻井液体系流变性相结合,优选出能最大程度减少钻具泥包的硅酸盐钻井液体系关键外加剂的加量,为选择合适的外加剂提供参考依据。      

从井底岩石受力分析研究气体钻井对机械钻速的影响

采用气体钻井时机械钻速较高,目前已被钻井界普遍认可;但对气体钻井是如何提高机械钻速的研究还不多。为此,通过有限元软件对井底岩石所受应力及其垂向应力积分曲线进行分析,结果发现,气体钻井过程中井底岩石上凸,表现为类似"张力"的外张趋势,其垂直于井底平面向下应力影响范围也比常规钻井液的大,由于没有钻井液静液柱压力的压持效应,岩石开始从塑性向脆性转变,这和所预期的结果一致;这一转变更利于钻头切削面与岩石接触,提高岩石破碎效率;也就是说,如果在使用相同的钻头、钻具组合以及机械参数等作用下,岩石破碎的区域更大,钻进速度也更快。     

随钻扩眼钻具组合与钻井参数优化研究

鉴于国内现有随钻扩眼系统钻具组合与钻井参数优化研究缺乏,同时考虑领眼钻头及扩眼器几何结构、地层岩石强度及钻井参数等3种影响因素的计算模型少有报道,以及扩眼系统扭矩分配比计算方法缺失等现状,通过建立模型分析了领眼钻头钻压和扭矩分配比随钻具组合、钻柱转速及地层强度的变化规律,进行了钻前不同扩眼钻具组合对比与优选以及随转扩眼...     

PDC钻头泥页岩地层钻进泥包机理及对策研究进展

PDC钻头发生泥包时,切削齿和钻头体上会黏附大量的泥页岩切屑,影响破岩效率,弄清泥包机理是了解泥包影响因素、预防和清除泥包的前提。为此,通过调研、分析近年来国内外PDC钻头泥页岩地层钻进泥包发生机理、防止和清除泥包等方面的大量文献,从钻井液类型及性能、钻头结构、钻头水力学参数和PDC钻头其他处理等4项技术方面,总结论述了预防和减少PDC钻头泥包的新成果、新方法和新动态。进而认识到:①从微观层面研究泥页岩岩屑与钻头表面的黏附机理是研究泥包机理的未来方向;②通过向水基钻井液中添加化学添加剂以使其具有油基钻井液的性能的方法具有可取性;③预测泥包的钻头结构参数和水力学参数的确定需要大量的实验研究;④建立井底流场特点与钻头泥包的量化关系是今后数值模拟的研究方向。     

PDC钻头泥包原因分析及对策

为满足快速钻进的需要，钻井工程现场越来越多地使用PDC钻头，提高钻井速度，减少起下钻次数，避免掉牙轮等复杂事故．但在应用中经常有PDC钻头泥包的现象。在分析泥包原因的基础上，从改善钻井液性能、改变钻井参数、精心操作等方面，提出了预防PDC钻头泥包的技术措施，有助于解决PDC钻头泥包的问题。     

气体钻井钻头泥包风险预测及影响因素研究

为深入研究气体钻井过程中地层出水后的岩屑运移情况、避免或减少钻头泥包风险、指导气体钻井的顺利实施,在分析出水量预测模型的基础上,引入工程岩土学中的稠度指标,将黏土的黏着界限作为泥包的临界条件,对地层出水后的泥包情况进行数学建模,利用编制的计算机程序对所建模型进行求解计算,并对计算结果进行分析,预测泥包风险;然后对影响钻头泥包的岩性、钻头表面性质及钻井参数等因素进行分析。结果表明:1所建模型能够预测地层出水后形成泥包的时间,并以泥包时间为指标对钻头泥包风险进行预测,进行风险评级;2岩性及钻头表面性质对钻头泥包影响很大;3钻头泥包风险随着机械钻速、井口回压、井深和井径扩大率等的增加而降低。结论认为:从钻遇水层到钻头形成泥包,时间非常短暂,基本在数十分钟之内就会发生井下事故。因此,现场操作过程中,一定要提前做好对出水层的预测和转换钻井方式的准备工作;发生水侵后也可根据数值模拟结果采取适当的措施延缓发生钻头泥包的时间。     

推靠式旋转导向工具造斜能力影响因素

旋转导向工具相比于滑动导向工具具有机械钻速快、摩阻扭矩小、水平位移延伸能力强、井眼轨迹易调控等优点。推靠式旋转导向工具引入国内市场后,总体应用情况较好,但在部分地区也出现了工具造斜能力不足的问题。根据底部钻具组合纵横弯曲梁方法,建立了推靠式旋转导向工具变截面BHA力学模型以及井斜趋势角分析模型,并在此基础上分析了BHA结构参数、钻压、钻头各向异性和岩石可钻性对工具造斜能力的影响规律。分析结果表明,偏置力、第1跨钻柱长度及外径、第2跨钻柱外径、钻头侧向切削能力对工具造斜能力的影响较大。根据分析结果对推靠式旋转导向工具的底部钻具结构进行了优化,在塔中地区取得了较好的应用效果。     

可伸缩式PDC-孕镶金刚石耦合仿生智能钻头的破岩仿真

针对钻井过程中岩性识别困难、PDC钻头磨损严重、孕镶金刚石钻头破岩效率低和钻头泥包等问题,采用BP神经网络学习算法建立了岩性识别模型,并设计了一种新型可伸缩式PDC-孕镶金刚石耦合仿生智能钻头,分别在软件Matlab和ABAQUS上进行了岩性识别仿真和破岩仿真。仿真结果表明:BP神经网络模型对岩性的识别精度非常高,有利于合理选择钻头类型、及时调整钻井参数和提高钻井效率;仿生智能钻头作用于岩石表面的应力远大于常规钻头,使岩石更易达到破碎极限,从而提高钻头钻速。本设计集智能岩性识别、高破岩效率、自再生功能、防泥包功能于一体,为我国石油钻头的设计提供了一种新思路,具有重要意义。     

页岩气井油基钻屑氟碳除油剂的研制及作用机理

页岩气开发钻井过程中会产生油基钻屑,化学热洗法是处理油基钻屑的主要技术之一,但应用过程中存在现有除油剂除油效率低、新药剂开发缺少理论指导等不足。采用接触角测量仪、X射线衍射仪等分析手段,研究了油基钻屑表面油类吸附机理,合成了新型“疏水疏油”氟碳除油剂,并对合成产物的分子结构进行了红外光谱和核磁共振光谱分析表征。研究结果表明,不同油类对油基钻屑润湿性影响不同,柴油更易于在黏土矿物含量低的油基钻屑表面铺展;不同油类在干净钻屑表面吸附量0.1~0.2 g/g,且2~3 h即可达吸附平衡;吸附的有机物主要为C₁₆~C₂₀正构和异构烷烃,占有机物总量的56.5%;油基钻屑经“疏水疏油”氟碳除油剂洗油处理后,含油率由处理前的7%~10%降低至0.15%~0.97%,低于现场含油钻屑除油剂SDS的 2.08%~2.79%。通过接触角测定和分子模拟等方法研究了氟碳除油剂改变油相接触角、降低油基钻屑的油水界面张力和改变其润湿性等作用机理,为油基钻屑除油剂的开发及应用提供理论支持。