林家昱 謝 濤 王曉鵬 韓耀圖 劉永勤

1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司, 天津 300459;2. 海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300459

0 前言

渤海油田大部分儲(chǔ)層深度淺,膠結(jié)疏松,成巖性較差,泥質(zhì)含量較高,具有高孔高滲特點(diǎn),且不同的儲(chǔ)層之間滲透率差異大,造成層間及層內(nèi)非均質(zhì)性均較強(qiáng)[1-3]。在鉆進(jìn)的過(guò)程中,因鉆速過(guò)快,加上儲(chǔ)層中明化鎮(zhèn)組、館陶組及東營(yíng)組上的泥巖段造漿嚴(yán)重,導(dǎo)致鉆井液流變性控制較為困難,使得各種材料加量很難達(dá)到設(shè)計(jì)量,在后期鉆井過(guò)程中易出現(xiàn)流變性難控制、處理劑補(bǔ)加困難、抑制能力降低、封堵能力下降、濾失量變大等一系列問(wèn)題。

胺基硅醇分子是一種有效地抑制劑,何振奎、王洪偉、邱春陽(yáng)、崔應(yīng)中等人[4-7]對(duì)相關(guān)鉆井液進(jìn)行了研究應(yīng)用,但并未給出詳細(xì)的作用機(jī)理。本文針對(duì)上述問(wèn)題,基于渤海油田的實(shí)際情況,對(duì)胺基硅醇JFC鉆井液體系[8-10]的適用性進(jìn)行了研究。

1 抑制性優(yōu)化研究

地層容易造漿以及抑制劑帶正電性的特征,導(dǎo)致鉆井液在鉆井過(guò)程中出現(xiàn)流變性調(diào)控困難的問(wèn)題,其主要原因是鉆井液體系的抑制能力達(dá)不到過(guò)快鉆速產(chǎn)生的鉆屑及鉆屑水化分散嚴(yán)重的控制能力,才會(huì)產(chǎn)生鉆井液體系增稠和流變性控制難的問(wèn)題[11-14]。針對(duì)這一情況對(duì)抑制劑進(jìn)行了相關(guān)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。

從單劑篩選結(jié)果可以看出,處理劑胺基硅醇比JFC小陽(yáng)離子及JMH-YJ有機(jī)正電膠有更好的抑制黏土水化膨脹的效果,能夠有效地抑制地層黏土礦物的水化膨脹和水化分散,有利于降低水化應(yīng)力,提高井壁穩(wěn)定性,減小儲(chǔ)層水敏傷害,保護(hù)儲(chǔ)層。

2 胺基硅醇作用機(jī)理

聚胺及季銨鹽是目前常用的鉆井液抑制劑處理劑,聚胺水解產(chǎn)生的陽(yáng)離子及季銨鹽含有的陽(yáng)離子能夠吸附在黏土表面抑制水化作用[15-18]。但胺基對(duì)黏土顆粒絮凝作用強(qiáng),易導(dǎo)致鉆井液中亞微粒子含量過(guò)高,引起鉆井液黏切上升,泥餅虛厚,濾失量增加,嚴(yán)重制約了有機(jī)胺類處理劑的應(yīng)用。

胺基硅醇是聚胺抑制劑分子中的Si—OH鍵與黏土上的Si—OH鍵進(jìn)行縮聚形成Si—O—Si鍵,從而在黏土的表面能形成有效的疏水層,保證了黏土表面具有一定的水化膜,減緩和阻止黏土表面水化作用的發(fā)生;此外胺基在電荷作用下吸附于黏土顆粒的表面,從而形成牢固的化學(xué)吸附,由于壓縮雙電層原理而防止黏土的水化膨脹。因?yàn)榘坊璐嫉墓枇u基先與鉆井液中的黏土作用,在黏土顆粒表面形成疏水層,從而可大大削弱胺基對(duì)黏土顆粒的絮凝作用,因此胺基硅醇對(duì)鉆井液的流變性和濾失量均產(chǎn)生不了明顯影響,與小陽(yáng)離子、聚胺等陽(yáng)離子抑制劑相比,具有明顯的優(yōu)勢(shì)[19]。

胺基硅醇為含硅羥基、胺基的有機(jī)高分子,其分子結(jié)構(gòu)如下:

胺基硅醇的作用能力主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

1)胺基硅醇通過(guò)提高體系抑制黏土的水化能力,可適用于水化能力強(qiáng)的地層,提高鉆井液的固相容量限,并且能增強(qiáng)濾液抑制性達(dá)到保護(hù)水敏性儲(chǔ)層的目的;

2)對(duì)于陽(yáng)離子型鉆井液體系,胺基硅醇可以削弱陽(yáng)離子對(duì)鉆井液中黏土顆粒的絮凝作用,提高體系流變穩(wěn)定時(shí)間。

3 胺基硅醇的作用機(jī)理

3.1 胺基硅醇的疏水特性

a)水滴到無(wú)處理的砂巖表面

b)水滴到胺基硅醇水溶液 浸泡過(guò)的砂巖表面

a)水滴到無(wú)處理的頁(yè)巖表面

b)水滴到胺基硅醇水溶液 浸泡過(guò)的頁(yè)巖表面

從圖2～3可以看出,水滴在經(jīng)過(guò)胺基硅醇溶液浸泡過(guò)的巖石表面基本不展開(kāi),說(shuō)明胺基硅醇改變巖石表面親水性,具有很好的疏水能力,有利于井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層保護(hù)。

3.2 胺基硅醇抑制黏土水化造漿特性

室內(nèi)研究通過(guò)測(cè)定胺基硅醇對(duì)膨潤(rùn)土的相對(duì)抑制率來(lái)考察其抑制黏土水化造漿的能力,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的老化溫度為120℃,老化時(shí)間為16 h[20],具體情況見(jiàn)表1,實(shí)驗(yàn)基本配方為400 mL蒸餾水+0.8 g Na2CO3+胺基硅醇+40 g膨潤(rùn)土,相對(duì)抑制率的計(jì)算公式為:

(1)

式中:φ1為蒸餾水漿在100 r/min時(shí)的讀數(shù);φ2為不同胺基硅醇漿在100 r/min時(shí)的讀數(shù)。

表1胺基硅醇加量對(duì)膨潤(rùn)土的相對(duì)抑制率

HAS加量/(%)實(shí)驗(yàn)條件?600/?300?200/?100相對(duì)抑制率/(%)0滾前80/6457/48-滾后79/4735/20-0.5滾前25/1815/1275滾后18/107/5751.0滾前21/1512/1079滾后10/66/4801.5滾前25/1615/1275滾后6/44/3852.0滾前25/1815/1275滾后7/43/290

3.3 胺基硅醇水溶液對(duì)黏土的容量限

圖4 胺基硅醇對(duì)不同搬含下表觀黏度的影響

圖5 胺基硅醇對(duì)不同搬含下動(dòng)切力的影響

3.4 胺基硅醇對(duì)鉆井液的影響

表2中的數(shù)據(jù)表明胺基硅醇對(duì)鉆井液流變性和濾失量均無(wú)明顯影響,應(yīng)用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)黏度上升和濾失量上漲等問(wèn)題。

表2胺基硅醇對(duì)鉆井液性能的影響

胺基硅醇加量/(%)實(shí)驗(yàn)條件表觀黏度/(mPa·s)塑性黏度/(mPa·s)動(dòng)切力/Pa?6/?3API濾失量/mL高溫高壓濾失量/mL0滾前262065/4--滾后332675/45.413.60.5滾前312475/4--滾后292275/45.012.61.0滾前282176/5--滾后282265/45.013.01.5滾前3524117/6--滾后302285/45.2142.0滾前32.5239.56/5--滾后27.5207.55/45.213.8

4 胺基硅醇對(duì)JFC鉆井液體系的影響

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)資料分析,結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)情況,JFC鉆井液體系后期維護(hù)困難的主要原因是膨潤(rùn)土、小陽(yáng)離子、鉆屑相互作用形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)引起鉆井液增稠嚴(yán)重,導(dǎo)致后期材料補(bǔ)充不到設(shè)計(jì)加量,以至于進(jìn)入惡性循環(huán)。結(jié)合胺基硅醇的作用特點(diǎn),室內(nèi)進(jìn)行了胺基硅醇對(duì)JFC鉆井液體系的影響規(guī)律研究。

4.1 胺基硅醇-土漿-JFC的相互作用

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)胺基硅醇與JFC鉆井液在不同含量土漿中的作用情況進(jìn)行了研究。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6～7。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8～9。

圖6 不同JFC/胺基硅醇加量對(duì)3土漿表觀黏度的影響曲線

圖7 不同JFC/胺基硅醇加量對(duì)3土漿動(dòng)切力的影響曲線

圖8 不同JFC/胺基硅醇加量對(duì)4土漿表觀黏度的影響曲線

圖9 不同JFC/胺基硅醇加量對(duì)4土漿動(dòng)切力的影響曲線

從圖6～9實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,胺基硅醇在土漿中不會(huì)造成黏度上漲,基本不影響其流變性,同時(shí)對(duì)土漿的黏度有一定降低作用。而JFC鉆井液對(duì)整個(gè)土漿的黏度變化影響是隨著加量的增加先增加后降低;加量少的時(shí)候,正電離子的絮凝作用為主要作用能力,土漿黏度成倍增加,嚴(yán)重影響其使用;當(dāng)加量繼續(xù)提高時(shí),正電離子的抑制作用為主要作用能力,黏度逐漸下降。

4.2 胺基硅醇應(yīng)用實(shí)驗(yàn)及效果

現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)JFC鉆井液體系增稠的原因主要為正電離子與進(jìn)入鉆井液的黏土水化產(chǎn)生絮凝,針對(duì)能否通過(guò)胺基硅醇進(jìn)行調(diào)整,恢復(fù)體系的流變穩(wěn)定性,提高體系的抑制能力這一問(wèn)題,進(jìn)行了以下室內(nèi)研究。

圖10 胺基硅醇對(duì)JFC鉆井液體系的影響

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,向鉆屑污染嚴(yán)重的體系中加入JFC鉆井液及胺基硅醇,在6 r/min與3 r/min下的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀數(shù)比值都在1左右,影響很小。從圖10實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)看,在鉆屑污染嚴(yán)重的體系中JFC的加入,鉆井液增稠的現(xiàn)象不但沒(méi)有得到緩解,反而有上升的趨勢(shì),但加入胺基硅醇后,體系黏度下降很多,流變性達(dá)到正常狀態(tài),說(shuō)明胺基硅醇拆散了JFC鉆井液與土漿、鉆屑之間形成的結(jié)構(gòu),達(dá)到降黏、穩(wěn)定流變性的目的。

5 結(jié)論

1)通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,可以看出處理劑胺基硅醇比UHIB聚胺、JFC小陽(yáng)離子及JMH-YJ有機(jī)正電膠有更好的抑制黏土水化膨脹的效果。

2)胺基硅醇通過(guò)提高體系抑制黏土的水化能力,適用于水化能力強(qiáng)的地層,提高鉆井液的固相容量限,并且其增強(qiáng)濾液抑制性達(dá)到保護(hù)水敏性儲(chǔ)層的目的。

3)通過(guò)兩種不同含量土漿加入胺基硅醇的實(shí)驗(yàn),說(shuō)明針對(duì)陽(yáng)離子型鉆井液體系,胺基硅醇可以削弱陽(yáng)離子對(duì)鉆井液中黏土顆粒的絮凝作用,提高體系流變穩(wěn)定時(shí)間。

4)室內(nèi)對(duì)胺基硅醇優(yōu)化后的JFC鉆井液體系進(jìn)行評(píng)價(jià),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,優(yōu)化后體系具有很好的流變穩(wěn)定性,經(jīng)過(guò)巖屑污染后,其流變性及其它各項(xiàng)性能基本不變。