有機鹽鉆井液技術(shù)

1、有機鹽鉆井液技術(shù)關(guān)鍵詞 有機鹽鉆井液；加重材料；鉆井液性能；流變性；抑制性；室內(nèi)試驗；機械鉆速；保護油氣層；腐蝕；環(huán)境；現(xiàn)場應(yīng)用；新疆準噶爾盆地南緣。摘 要介紹了一種新型鉆井液有機鹽鉆井液的組成，部分處理劑的結(jié)構(gòu)、作用機理，室內(nèi)試驗及在新疆準噶爾盆地南緣的現(xiàn)場應(yīng)用情況。結(jié)果表明：該鉆井液流變性好、抑制性強、造壁性好，可提高機械鉆速、保護油氣層、對鉆具無腐蝕、對環(huán)境無污染，在現(xiàn)場應(yīng)用，有其是在新疆準噶爾盆地南緣應(yīng)用更具有廣闊的前景。一、基本概念有機鹽即有機酸鹽，也就是有機酸根陰離子與金屬陽離子、其它類型的陽離子所形成的鹽。本文所說有機鹽，是帶雜原子取代基的有機酸根陰離子與一價金屬離子（鉀離子、鈉

2、離子、銨離子、叔銨離子、季銨離子等）所形成的鹽。該類有機鹽可用一通式XmRn（COO）lMq表示，其中X為雜原子及雜原子基團，R為C0-C10的飽和烴基，COO為羧基，M為一價陽離子。其結(jié)構(gòu)式可表示如下：有機鹽鉆井液由有機鹽水溶性加重劑Weigh2、Weigh3，降濾失劑Redu 1、Redu2、提切劑Visco1、Visco2、無螢光白瀝青NFA-25 、包被劑IND10配制而成。其中，IND10是專門用于含低濃度有機鹽 (15%)鉆井液的處理劑。提切劑Visco1是硅酸鹽礦物的改性產(chǎn)品，可用通式M1aM2bM3c（OH）dOe表示，M1、M2、為2、3價金屬元素、M3為4價非金屬元素。提切

3、劑Visco2是含磺酸基的聚合物經(jīng)微交聯(lián)合成的高分子化合物。降濾失劑Redu 1是含磺酸基的乙烯基單體、乙烯基單體與纖維素等接枝共聚而成的中小分子量聚合物。降濾失劑Redu 2是含磺酸基的乙烯基單體、乙烯基單體共聚而成的中小分子量聚合物。包被劑IND10是乙烯基單體、含磺酸基的乙烯基單體共聚而成的較高分子量的聚合物。二、有機鹽鉆井液的特點有機鹽鉆井液比之普通鉆井液，有以下特點：（1）固相含量低，流變性好；（2）抑制性強；（3）濾失造壁好；（4）抗溫能力強；（5）保護油氣層效果好；（6）對金屬無腐蝕；（7）對環(huán)境無污染。三、有機鹽鉆井液的作用機理（一）有機鹽鉆井液的流變性 有機鹽水溶性加重劑的有

4、機酸根陰離子與單價陽離子親水性強，在水中電離傾向大，具有超高溶解度，Weigh2在水中溶解度可達95克/100克水，Weigh3在水中溶解度可達150克/100克水。其水溶液密度較高，最高可達1.55g/cm3,用這類加重劑可配成密度高達1.55g/cm3的無固相鉆井液及密度為2.50 g/cm3以上的低固相超高密度鉆井液。 有機鹽鉆井液各組分能充分溶解于水，是由溶解規(guī)律理論決定的。電解質(zhì)溶液理論指出：電解質(zhì)溶液中存在幾個組分時，其組分的化學勢（又稱化學位）隨組分的活度（活度與濃度或溶解度成正比）的變化而變化，即：i= i+ RT ln ai，其中i為i組分的化學勢，i為i組分在標準態(tài)下的化學

5、勢（為定值）（簡稱標準化學勢），R為常數(shù)，T為絕對溫度；ai為i組分的活度，ai與i組分的濃度、溫度、壓力有關(guān)?；瘜W勢越高，組分的活度越高，與相關(guān)物質(zhì)作用的能力越強。在有機鹽鉆井液中，存在著水、有機鹽加重劑、其它添加劑。1、水與各組分的相互影響：由于各組分在水中的濃度較高，活度也較高，使得水濃度大大降低，活度也大大降低，即a水大大降低，使水= 水+ RT ln a水大大降低。2、各組分之間的相互影響：再提高。Max（ai）比單溶質(zhì)的ai要大，這就是各組分相互增溶，并能充分溶解，充分發(fā)揮作用的原因。這種原理決定了各組分溶解過程是協(xié)同過程，而不是反協(xié)同過程。結(jié)果是：各組分最大限度地溶解成溶液，形成

6、無固相高密度溶液。由i= i+ RT ln ai還可知溫度升高，有利于i的提高， ai的提高有更大的余地，在溫度高時，其濃度與溶解度可提高。 有機鹽加重劑溶于水后形成的較高密度溶液，為無固相、低固相、高密度且具有優(yōu)良流變性鉆井液的配制打下了良好的基礎(chǔ)，這種溶液中配入各種流變性調(diào)節(jié)劑可配成流變性優(yōu)良的鉆井液。 通過往有機鹽加重劑溶液中加入提切劑Visco1、Visco2來調(diào)整流變性。 Visco1在水中溶解后可形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高鉆井液的懸浮攜砂能力。Visco1溶于水后所成膠體顆粒不帶電，因此其在高濃度有機鹽溶液中仍能保持較高切力。 Visco2為抗鹽聚合物的微交聯(lián)產(chǎn)品，在有機鹽溶液中可形成

7、空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善有機鹽溶液的懸浮能力。（二）有機鹽鉆井液的抑制性1、井壁、鉆屑、粘土顆粒在有機鹽鉆井液中浸泡時的水化應(yīng)力為：水化= 4.61T ln（a水/a巖）T為絕對溫度，a水為鉆井液中水的活度，a巖為巖石（鉆屑、井壁、粘土顆粒）的活度。由上式可見a水越小，水化越小。試驗測定不同種類鹽（或處理劑）的飽和溶液中的a水值如下： 溶液純水飽和Nacl溶液 飽和Kcl溶液 飽和Cacl2溶液 20%甘油溶液 1%FA367溶液 a水值 1.00 0.80 0.70 0.35 0.90 0.85 溶液飽和甲酸鈉溶液飽和甲酸鉀溶液 飽和Weigh2溶液飽和Weigh3溶液 a水值0.300.200.

8、150.09由上表可知Weigh2、Weigh3飽和溶液的a水值極小。因此在有機鹽鉆井液中，井壁、鉆屑、粘土顆粒的水化應(yīng)力水化比在其它鉆井液中小得多，其結(jié)果是在有機鹽鉆井液中，井壁穩(wěn)定、鉆屑、粘土不分散、不膨脹。另外由于鉆井液中水的活度遠比巖石中水的活度小得多，巖石中的水將滲流入鉆井液，鉆井液中的水不會滲流入巖石，這有利于井壁穩(wěn)定及鉆屑、粘土的不分散。2、有機鹽溶液中電離出的大量的陽離子K+、NH4+、NHxR4-x +（x=1 4）可通過靜電引力吸附進入粘土晶格（尤其是蒙脫石晶格中），抑制黏土表面水化及滲透水化膨脹；3、有機酸根陰離子XmRn（COO）lq-可吸附在帶負電的粘土邊面上，抑制其

9、水化分散；4、有機鹽陰、陽離子對粘土顆粒的吸附擴散雙電層具有較強的壓縮作用，從而較強地抑制粘土分散。5、由于有機鹽鉆井液中含有較高濃度的電解質(zhì)，使得侵入其中的鹽、鈣物質(zhì)難于溶解，其抗鹽鈣污染能力很強。（三）有機鹽鉆井液的抗溫性能 鉆井液的抗溫性能是由其處理劑的抗溫能力決定的。常規(guī)水基鉆井液處理劑中，生物聚合物Xc類最高使用溫度，只能達到110，纖維素類、淀粉類最高使用溫度多數(shù)為120（少數(shù)達140），聚合物類也大多數(shù)只能在150以下使用；磺化類處理劑（磺化瀝青、SMP、SPNH等）最高使用溫度為180。所以現(xiàn)有水基鉆井液難于在200使用，必須選擇新的體系解決此問題。 有機鹽鉆井液在抗溫方面有其

10、獨特的優(yōu)點。鉆井液處理劑的高溫失效主要是由于處理劑在高溫下降解所致。該降解反應(yīng)主要是有機處理劑分子鏈在高溫下氧化斷鏈所致。在常規(guī)水基鉆井液中，水中溶解氧在高溫下活性異常高，氧化能力較強，可使有機處理劑氧化降解。這就是大多數(shù)處理劑難以抗180以上高溫的原因。有機鹽鉆井液中，情況就迥然不同。兩種水溶性加重劑皆含有大量的有機酸根XmRn(COO)lq-陰離子，該陰離子含有較多的還原性基團，可除掉鉆井液中的溶解氧，使其它常規(guī)水中可降解的處理劑不發(fā)生降解反應(yīng)，有效地保護了各種處理劑，使其可在超高溫度（200）下穩(wěn)定發(fā)揮作用。有機鹽鉆井液抗高溫機理分析如下：在普通水基聚磺鉆井液中，在高溫下其中的溶解氧變得

11、氧化性更強，使有機高分子鏈斷鏈、降解、失去效能。反應(yīng)如下：反應(yīng)（1）但在有機鹽鉆井液中，情況就大不相同。有機鹽鉆井液中含有高濃度的XmRn(COO)lq-基團，XmRn(COO) lq-具有較強的還原性，可除掉鉆井液中的溶解氧。這是由下述反應(yīng)的電位決定的：反應(yīng)（2）反應(yīng)（3） 4_q E2、E3為氧化還原電位 。E越高，氧化性越強，E越低，還原性越強。由于E3 E2,所以有機鹽陰離子可很快除掉鉆井液中的溶解氧，使得反應(yīng)（1）不能進行，使得高分子處理劑不斷鏈、不降解。有效地保護了這些處理劑，使其效能即使在高溫下（200的情況）也能長時間充分發(fā)揮。 有機鹽鉆井液處理劑中，有機酸根陰離子只有少量用于

12、除去溶解氧外，其它在高溫下分子結(jié)構(gòu)不發(fā)生任何變化，就是用于除去溶解氧的這極小量的有機酸根，也變成分子量稍小的有機酸根，對鉆井液性能無影響。 有機鹽鉆井液中，其它處理劑的抗溫情況如下：提切劑Visco 1為硅酸鹽礦物的改性產(chǎn)品（可用通式M1aM2bM3c(OH)dOe表示，M1、M2、M3為2、3、4價元素），在水中抗溫可達200以上； 提切劑Visco2為抗鹽聚合物的微交聯(lián)產(chǎn)品，在水中溶解后可形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在水中可抗溫至140，在有機鹽溶液中可抗溫至200。 降濾失劑Redu1、Redu2為線性中小分子量抗鹽聚合物，Redu1分子主鏈中以C-C鍵為主，但也有少量C-O鍵，Redu1可抗溫至

13、130，但在有機鹽溶液中可抗溫至200。Redu2分子主鏈上全為C-C鍵，其在水中抗溫可達180，在有機鹽溶液中可抗溫至200以上。Redu1、Redu2的主要區(qū)別為Redu1用量少，Redu2用量多。 無螢光白瀝青NFA-25為采用無螢光具有軟化點的油溶性物質(zhì)水溶化工藝生產(chǎn)的防塌劑，也可作油層保護劑。其主要由碳碳鍵組成，也有少量C-N、C-O鍵。其在水中可抗溫至150，在有機鹽溶液中可抗溫至200以上。 包被劑IND10為抗鹽單體聚合而成的高分子量聚合物，其主鏈由C-C鍵組成，在水中可抗溫至150，在有機鹽溶液中可抗溫至200以上。（四）有機鹽鉆井液的濾失造壁性 有機鹽鉆井液體系中的降濾失劑

14、Redu1、無螢光白瀝青NFA-25可有效降低濾失量、改善泥餅質(zhì)量，可形成薄而韌的泥餅，NFA-25中油溶組分可在壓力溫梯下發(fā)生塑性形變，進入地層微裂縫，起到封堵、防塌的作用。四、有機鹽鉆井液性能室內(nèi)試驗（一）有機鹽鉆井液的基本性能漿1：水 + 0.3%Na2CO3 + 2%Redu1 + 3%NFA-25 + 25%Weigh2 + 4%Visco1漿2：水 + 0.3%Na2CO3 +0.1%Xc + 1%Redu1 + 1.0%NPAN + 50%Weigh2 + 75%Weigh3 + 2%NFA-25 + 4%Visco1漿3：水 + 0.3%Na2CO3 +0.1%Xc + 1%R

15、edu1 + 1.5%NPAN + 150%Weigh3 + 2%NFA-25 + 4%Visco1漿4：水 + 0.3%Na2CO3 + 1.2%Redu1 + 0.1%Xc + 1.5%NPAN + 150%Weigh3 + 2%NFA-25 + 4%Visco1 + 鐵礦粉漿5：水 + 0.3%Na2CO3 + 1.0%Redu1 + 0.5%NPAN + 0.05%Xc + 150%Weigh3 + 2%NFA-25 + 1%Visco1 + 鐵礦粉漿6：水 + 0.3%Na2CO3 + 10%高嶺土 + 0.6% Visco2 + 5%Redu2 + 100%Weigh3以下各漿的基

16、本性能見表一表一序號(g/cm3)PHAV(mPaS)PV(mPaS)YP(Pa)G10( Pa)G10( Pa)FL(ml)HTHPFL(ml)(150,3.5MPa)漿11.189.045.531.013.52.53.03.215.4漿21.459.032.525.07.51.03.01.514.0漿31.559.040.031.09.01.01.50.812.0漿42.469.0118.0109.09.02.06.01.018.0漿52.609.0124.0109.015.02.05.01.016.0漿61.469.050.536.014.01.02.50.513.0可見有機鹽鉆井液基本

17、性能良好，可較好地滿足鉆井工程的需要。（二）有機鹽鉆井液的抗溫性能漿1漿5在150熱滾16小時后性能見表二表二序號(g/cm3)PHAV(mPaS)PV(mPaS)YP(Pa)G10( Pa)G10( Pa)FL(ml)HTHPFL(ml)(150,3.5MPa)漿11.189.049.026.023.02.02.54.018.0漿21.459.035.026.09.01.02.52.016.0漿31.559.032.525.07.51.01.51.213.0漿42.469.0121.0114.07.01.52.00.817.0漿52.609.096.563.013.51.04.51.018.

18、5漿6在200熱滾16小時后性能見表三表三序號(g/cm3)PHAV(mPaS)PV(mPaS)YP(Pa)G10( Pa)G10( Pa)FL(ml)HTHPFL(ml)(200,3.5MPa)漿61.469.040.521.08.01.01.51.018.5這些數(shù)據(jù)驗證了有機鹽鉆井液優(yōu)良的抗溫性能（可抗200高溫）。（三）有機鹽鉆井液的抗搬土污染性能 表一中漿2、漿4、漿5加入5%夏子街土，150熱滾16小時后性能見表四表四序號(g/cm3)PHAV(mPaS)PV(mPaS)YP(Pa)G10( Pa)G10( Pa)FL(ml)HTHPFL(ml)(150,3.5MPa)漿21.469

19、.034.026.08.01.03.01.015.0漿42.469.0122.0110.012.02.06.00.617.0漿52.609.0130.0116.014.01.52.50.515.0由上表可見有機鹽鉆井液抗搬土污染能力較強。（四）有機鹽鉆井液的抗鹽污染性能表一中漿2、漿4、漿5各加入4%NaCL后150熱滾16小時后性能見表五表五序號(g/cm3)PHAV(mPaS)PV(mPaS)YP(Pa)G10( Pa)G10( Pa)FL(ml)HTHPFL(ml)(150,3.5MPa)漿21.469.032.025.07.01.02.01.516.0漿42.469.0120.0111

20、.09.02.05.01.016.5漿52.609.0128.0112.016.01.02.00.515.0由上表可見，有機鹽鉆井液抗鹽污染能力較強。（五）有機鹽鉆井液的抗石膏污染性能表一中漿2、漿4、漿5各加入1%CaSO4后150熱滾16小時后性能見表六表六序號(g/cm3)PHAV(mPaS)PV(mPaS)YP(Pa)G10( Pa)G10( Pa)FL(ml)HTHPFL(ml)(150,3.5MPa)漿21.459.031.025.06.01.02.51.014.0漿42.469.0120.0109.011.02.03.01.017.0漿52.609.0121.0111.010.0

21、2.04.00.614.5由上表可見在較高濃度石膏污染后，有機鹽鉆井液流變性及濾失造壁性仍保持良好且穩(wěn)定。（六）有機鹽鉆井液的鉆屑回收率試驗結(jié)果表一中漿2、漿4、漿5各加入準噶爾盆地南緣西四井安集海河組鉆屑（此鉆屑蒙脫石含量在40%以上，極易水化分散）。鉆屑回收率數(shù)據(jù)如下：序號 鉆屑回收率漿2 93.6%漿4 96.0%漿5 95.3%由此可見，有機鹽鉆井液抑制鉆屑分散性能很強。（七）有機鹽鉆井液的儲層保護數(shù)見有機鹽鉆井液油層保護實驗數(shù)據(jù)總結(jié)有機鹽鉆井液油層保護實驗數(shù)據(jù)總結(jié)配方號層位井深巖芯號巖芯長度巖芯直徑污染前壓力污染后壓力污染前滲透率污染后滲透率滲透率恢復(fù)值有機鹽泥漿三疊系4796.25

22、LN2-4-J2-722.9582.5000.0960.11318.8416.0184.98侏羅系4514.80LN2-4-J2-292.8642.4880.0550.05632.1531.5898.23桑塔系JF134-73.6782.5160.110.11820.1918.8293.21聚磺泥漿三疊系4796.06LN2-4-J2-703.0002.5080.080.09422.7819.3985.12侏羅系4513.76LN2-4-J2-122.9382.4840.91.102.031.6681.79配方1#CDH4-173.2142.5020.490.554.003.5789.09配方

23、2#CDH4-63.1482.4880.210.269.257.4780.77聚磺泥漿濾液三疊系4748.49LN2-4-J2-373.0382.4880.0430.09643.6219.5444.80有機鹽泥漿濾液三疊系4795.44LN2-4-J2-643.1542.5000.530.851.8191.13462.34CDH4-33.1682.4720.0290.03968.3250.8074.36有機鹽泥漿：3%土漿 + 0.15%NaOH + 1%Visco1 + 1.5%Redu1 + 2%NFA-25 + 3%JHG + 30%Weigh2配方1：3%搬土漿 + 0.15%NaOH

24、 + 1%Visco1 + 0.3%IND10 + 1.5%Redu1 + 2%NFA-25 + 30%Weigh2配方2：3%搬土漿 + 0.15%NaOH + 1%Visco1 + 0.3%IND10 + 1.5%Redu1 + 3%NFA-25 + 30%Weigh2 可見有機鹽鉆井液可對油氣儲層實現(xiàn)較好的保護。（八）有機鹽鉆井液對金屬的腐蝕性經(jīng)中國石油天然氣集團公司管材研究所檢測密度為 1.55g/cm3的Weigh3溶液對P110油管材料及NK140套管材料的腐蝕率均0.01mm/a（毫米/年），基本無腐蝕。（九）有機鹽鉆井液對環(huán)境的影響2001年5月7月在塔里木東河油田DH1-8-

25、6井使用有機鹽鉆井液的井漿經(jīng)中油集團環(huán)境檢測總站檢測為無毒。五、有機鹽鉆井液在現(xiàn)場的應(yīng)用自2000年初以來，有機鹽鉆井液已在新疆準噶爾盆地、塔里木盆地、吐哈油田十幾口井上應(yīng)用，總體來說，取得了鉆井液流變性好，抑制性強，井壁穩(wěn)定，井徑規(guī)則，機械鉆速快的良好效果?，F(xiàn)舉例如下：例一：有機鹽鉆井液在新疆準噶爾盆地57031井的應(yīng)用：井眼尺寸：444.5mm x 105m + 241.3mm x 1265m + 215.9mm x 2365m井身結(jié)構(gòu)：339.7mm x 104.12m + 140mm x 2364.92m 鉆井液技術(shù)難點：該地區(qū)除目的層井底100200米為短段砂泥巖外，其余為強水敏易縮

26、徑泥巖、煤層、易垮塌長段泥巖（含伊蒙混層50%以上）。該井使用有機鹽鉆井液主控配方為：水 + 0.3%Na2CO3 + 0.1%KOH + 0.7 1.0%Redu1 + 0.1 0.2%IND10 + 10 15%Weigh2 + 2%KT-100 該井二開轉(zhuǎn)化為有機鹽鉆井液后，鉆井液性能穩(wěn)定，流變性好，粘切低，濾失造壁性好（FV：3555S，：1.101.31 g/cm3，G10 /G10=0.51.0/1.06.0，APIFL：49ml，AV：1431mPaS；PV：1026mPaS；YP：2-8Pa）。機械鉆速快（比同井隊同期平均機械鉆速提高了48%），井壁穩(wěn)定，井徑規(guī)則（井徑平均擴大

27、在1%以下），完井電測一次成功。例二：有機鹽鉆井液在新疆準噶爾盆地南緣西五井的應(yīng)用： 西五井是位于新疆準噶爾盆地南緣西湖背斜山前構(gòu)造上的一口重點預(yù)探井，鉆探難度極大，以前在此地區(qū)鉆的數(shù)口井皆因安集海河組、紫泥泉子組地層地質(zhì)情況復(fù)雜而報廢，安集海河組、紫泥泉子組特殊地質(zhì)情況為：受山前構(gòu)造影響存在較大水平地應(yīng)力，地層壓力系數(shù)較高（高達2.0以上），屬超高壓力系統(tǒng)。地層為伊蒙混層（蒙脫石含量高達40%以上）（厚度大于600米），屬極易水化分散地層。該井三開采用81/2鉆頭在3925米進入安集海河組地層，鉆穿紫泥泉子組地層最后鉆達目的層?xùn)|溝組地層（5200米，未穿）。該井三開采用高密度有機鹽鉆井液。該

28、鉆井液基本配方為：水 + 0.3%Na2CO3 + 3%夏子街土 + 0.1%KOH + 2%Vico1 + 0.1%XC +1.5%Redu1 + 1%NPAN + 2%NFA-25 +3%JLX +2%SMP + 2%SPC + 50%Weigh2 + 70%Weigh3 + 活化鐵礦粉三開轉(zhuǎn)化為有機鹽鉆井液后，鉆井液性能穩(wěn)定（：1.802.15g/cm3，F(xiàn)V：50180S，PV：55123mPaS ；YP：433Pa ；G：1-9/2-26；APIFL：1.01.4；HTHPFL：6.07.2），鉆速較快（比設(shè)計工期提前一個多月），井壁穩(wěn)定（未出現(xiàn)掉塊、垮塌），井徑規(guī)則（三開段平均井徑擴大率為2.