舒小波,陳俊斌,歐 翔

(1．中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院,四川廣漢 618300;2．油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實驗室,四川廣漢 618300)

黏土礦物大量存在于泥頁巖地層中,在泥頁巖地層鉆進(jìn)時,由于黏土礦物具有極強(qiáng)的親水特性,易與水發(fā)生水合作用,導(dǎo)致黏土礦物水化細(xì)分散于水基鉆井液中,增加了鉆井液低密度劣質(zhì)固相含量,進(jìn)而影響鉆井液流變性能,特別是對于高密度鉆井液,影響嚴(yán)重時無法調(diào)整鉆井液流變性能,只能于后期進(jìn)行井漿置換,不僅增加了鉆井成本,同時還增加了環(huán)保壓力[1-3]。如何有效控制鉆井液中低密度劣質(zhì)固相含量增加,一方面是從源頭進(jìn)行控制,另一方面則是進(jìn)行后期處理[4-6]。針對上述問題,本文通過化學(xué)方法增強(qiáng)泥頁巖中黏土礦物晶層結(jié)構(gòu)連接,從而保證返出巖屑顆粒成型且具有一定的強(qiáng)度;同時,加強(qiáng)固控處理,及時清除無用固相,避免其反復(fù)參與鉆井液循環(huán),從源頭上有效控制鉆井液中低密度劣質(zhì)固相含量增加,從而有效維護(hù)鉆井液性能穩(wěn)定。

1 低密度劣質(zhì)固相產(chǎn)生與控制原理

鉆井液中的固相成分包含有用固相與有害固相,有效控制或清除鉆井液中的有害固相含量,對于保證鉆井正常順利進(jìn)行至關(guān)重要。

1.1 低密度劣質(zhì)固相產(chǎn)生

石油鉆井過程中,井筒巖屑的不斷積累以及巖屑中黏土礦物的水化細(xì)分散,是導(dǎo)致水基鉆井液低密度劣質(zhì)固相含量逐漸增加的主要原因。地層巖屑中的黏土礦物晶層結(jié)構(gòu)可簡化為由不同的片狀結(jié)構(gòu)疊加組合而成。正常情況下,黏土片狀結(jié)構(gòu)間連接作用力強(qiáng),黏土礦物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。當(dāng)黏土礦物存在于水相中時,由于水分子的侵入,導(dǎo)致其片狀結(jié)構(gòu)分離,從而使得黏土顆粒分散成越來越細(xì)小的顆粒結(jié)構(gòu),當(dāng)顆粒分散達(dá)到一定尺寸以后,會轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袔щ娞匦缘哪z體顆粒,可長期存在于鉆井液中,嚴(yán)重影響鉆井液性能[7];其次,由于該膠體的結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于鉆井固控處理所能作用的范圍,導(dǎo)致其不易從鉆井液中清除[8]。因此,隨著鉆井進(jìn)尺的不斷增加以及井筒內(nèi)鉆井液的不斷循環(huán),促使鉆井液中的劣質(zhì)固相含量逐漸增加。

1.2 低密度劣質(zhì)固相控制原理

鉆井液中有害固相處理普遍采用地面沉降法、稀釋法、機(jī)械分離法、化學(xué)處理法,不同處理方法其作用原理不同、應(yīng)用條件也不同[9-10]。為了有效控制鉆井液中低密度劣質(zhì)固相含量的增加,本文采用化學(xué)方法實現(xiàn)對鉆井液中黏土礦物水化細(xì)分散的控制。圖1為黏土水化細(xì)分散控制機(jī)理圖,處理劑進(jìn)入黏土礦物晶層結(jié)構(gòu)后,可增強(qiáng)巖屑中黏土礦物晶層結(jié)構(gòu)間的連接力,避免水分子侵入導(dǎo)致黏土晶層結(jié)構(gòu)不斷細(xì)分散,從而保證返出巖屑顆粒成型且具有一定的強(qiáng)度。隨后,利用固控系統(tǒng)及時篩除鉆井液中的巖屑,避免其反復(fù)參與鉆井循環(huán),從源頭上控制鉆井液中低密度劣質(zhì)固相含量的增加。

圖1 黏土水化細(xì)分散控制機(jī)理

2 黏土礦物水化細(xì)分散控制分析

水基鉆井液中泥頁巖黏土礦物水化細(xì)分散是導(dǎo)致鉆井液中低密度劣質(zhì)固相含量不斷增加的主要原因。為此,本文采用一種可作用于黏土晶層結(jié)構(gòu)的低分子胺類處理劑CQ-ATP對泥頁巖黏土礦物水化細(xì)分散進(jìn)行控制,從而有效控制鉆井液中低密度劣質(zhì)固相含量增加[11-12]。

2.1 黏土粒度分析

室內(nèi)選用以蒙脫石為主的膨潤土為測試樣品,采用LS900激光粒度分析儀測定了經(jīng)不同溶液熱滾處理(熱滾條件為150 ℃×16 h)后的膨潤土粒徑分布情況(表1),以此評價黏土水化細(xì)分散的情況。由表1可以看出,經(jīng)不同方式處理后,膨潤土粒徑尺寸分布區(qū)域范圍不同。其中,膨潤土經(jīng)清水熱滾以后,黏土顆粒D50為2.87 μm、D90為3.79 μm;經(jīng)3%CQ-ATP溶液熱滾以后,黏土顆粒尺寸D50為7.23 μm、D90為13.78 μm,黏土顆粒尺寸顯著高于清水處理的結(jié)果,可達(dá)到有效控制黏土水化細(xì)分散。同時,將經(jīng)3%CQ-ATP溶液處理后的膨潤土樣,經(jīng)清水沖洗、抽濾后,再次放入清水中進(jìn)行熱滾處理,其粒徑尺寸分布范圍與2#配方相近,未進(jìn)一步發(fā)生水化細(xì)分散,具備持久作用能力。

表1 膨潤土粒徑分布評價

2.2 對黏土礦物晶層結(jié)構(gòu)影響分析

2.2.1 晶層間距分析

針對黏土礦物水化細(xì)分散晶層間距變化,室內(nèi)采用便捷式XRD衍射分析儀測定經(jīng)清水與3%CQ-ATP溶液熱滾處理(熱滾條件為150 ℃×16 h)后的膨潤土樣品的晶層間距,測試結(jié)果如表2所示。由表2可以看出,未經(jīng)任何處理的膨潤土干樣,其晶層間距為1.0 nm左右。相反,由于采用清水熱滾后測定的膨潤土晶層間距超出了儀器測量范圍,使得其特征峰消失,因而未能測定出該值,其晶層間距可增至2.0 nm以上直至晶層分離,特征峰向較小2θ方向移動;采用3%CQ-ATP水溶液處理后的膨潤土樣品,未發(fā)生晶層分離現(xiàn)象,且無論是干樣還是濕樣,兩者的晶層間距均維持在1.4 nm左右,略高于膨潤土干樣,但顯著低于清水處理后的膨潤土樣品。通過對比膨潤土與CQ-ATP處理后的膨潤土樣品晶層間距數(shù)據(jù)可以看出,經(jīng)CQ-ATP處理后的膨潤土,其晶層間距大于膨潤土干樣,這是由于CQ-ATP進(jìn)入黏土礦物晶層結(jié)構(gòu)所致;對比CQ-ATP處理后的膨潤土干/濕樣晶層間距,兩者晶層間距相當(dāng),這是由于CQ-ATP增強(qiáng)了黏土礦物晶層間的連接作用,阻礙了水分子進(jìn)入黏土礦物晶層結(jié)構(gòu),從而有效保障了黏土礦物晶層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

表2 不同方式處理后的黏土礦物晶層間距分析

2.2.2 紅外光譜分析

針對上述膨潤土與經(jīng)3%CQ-ATP溶液熱滾處理后的膨潤土樣品,室內(nèi)采用WQF-520傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行分析。對于膨潤土測試樣品,在3 620 cm-1附近出現(xiàn)Al-O-H的伸縮振動吸收峰,這是膨潤土晶格中含有結(jié)晶水的反映,在917 cm-1附近有一個弱的吸收譜帶,認(rèn)為與膨潤土中的Al-O-H鍵的振動有關(guān)。在3 440 cm-1附近出現(xiàn)較寬的水分子H-O-H的伸縮振動吸收帶,在中頻區(qū)1 637 cm-1附近出現(xiàn)水分子H-O-H的彎曲振動吸收峰,均是膨潤土層間吸附水的表現(xiàn),說明膨潤土以及經(jīng)不同方式處理后的膨潤土中仍存在水合物。相對于膨潤土樣品,經(jīng)3%CQ-ATP溶液處理后的膨潤土樣品在3 440 cm-1附近的振動吸收峰有所減弱,說明處理劑將層間水分子排擠了出來,層間吸附水有所失去;在3 620 cm-1附近的吸收峰依然存在,說明晶格中的水分并沒有完全失去;在中頻區(qū)1 035 cm-1附近有一強(qiáng)吸收譜帶,為Si-O-Si的不對稱伸縮振動。790 cm-1附近為Mg-Al-OH的振動吸收峰。在低頻區(qū)出現(xiàn)的兩個強(qiáng)的吸收譜帶分別在520 cm-1附近和466 cm-1附近可以認(rèn)為與膨潤土的Si-O-M(金屬陽離子)和M-O的偶合振動有關(guān)。上述兩種樣品均出現(xiàn)了以上吸收峰,說明膨潤土層間陽離子被有機(jī)基團(tuán)置換后,層狀硅酸鹽的骨架沒有改變;相對于膨潤土樣品,經(jīng)3%CQ-ATP溶液處理后的膨潤土樣品在2 929 cm-1附近出現(xiàn)了C-N伸縮振動吸收峰,表明胺類處理劑已經(jīng)進(jìn)入了膨潤土的層間結(jié)構(gòu)中。

2.3 對鉆井液性能影響評價

為有效評價鉆井液中胺類處理劑CQ-ATP對黏土水化細(xì)分散的影響,室內(nèi)針對現(xiàn)場不同密度水基鉆井液開展了抗黏土污染評價實驗,測試結(jié)果如表3所示。從表3可以看出,不同密度水基鉆井液中加入10%膨潤土,鉆井液表觀黏度、塑性黏度、動切力以及靜切力均大幅提升;鉆井液中預(yù)先加入2%CQ-ATP后再添加10%膨潤土,鉆井液流變參數(shù)上漲,但漲幅明顯小于未添加CQ-ATP的鉆井液試樣,同時鉆井液靜切力相對穩(wěn)定,這說明該胺類處理劑可有效降低黏土水化細(xì)分散對鉆井液性能的影響。

表3 抗黏土污染評價實驗

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 基本情況

RX井是一口直井,四開φ215.9 mm井眼設(shè)計采用密度2.07～2.15 g/cm3水基鉆井液鉆進(jìn)石牛欄組、龍馬溪組、五峰組、寶塔組等地層。該井龍馬溪組地層上部為灰色、綠灰色泥巖,下部為灰黑色、黑色頁巖,其黏土礦物分析如表4所示。從表4中可以看出,該井龍馬溪組泥巖與頁巖黏土礦物含量大于50%,以伊利石為主,存在伊/蒙混層、綠泥石。其特點(diǎn)是:泥巖遇水極易水化分散;頁巖存在裂縫、層理,遇水后黏土水化、顆粒間膠結(jié)物軟化或溶解,導(dǎo)致頁巖強(qiáng)度顯著降低或軟化。圖2為鄰井WX井振動篩返出龍馬溪組地層巖屑情況,該井采用密度2.38 g/cm3水基鉆井液鉆進(jìn),從圖2中可以看出,龍馬溪組地層泥巖、頁巖黏土礦物水化細(xì)分散嚴(yán)重,導(dǎo)致高密度水基鉆井液中劣質(zhì)固相含量顯著增加,鉆井液黏度、切力增幅較大,流變性能調(diào)控困難,其中漏斗黏度值最高達(dá)到115 s、終切值最高達(dá)到38 Pa。

3.2 應(yīng)用分析

RX井完鉆井深4 123 m,完鉆層位寶塔組,采用密度2.11～2.14 g/cm3高密度水基鉆井液,鉆井過程中維持鉆井液中CQ-ATP含量1%～2%,實鉆進(jìn)尺610 m,其中龍馬溪組地層段長464.5 m。四開井段鉆進(jìn)過程中鉆井液性能可控,鉆井液漏斗黏度53～70 s、塑性黏度45～55 mPa·s、動切力7～12 Pa、靜切力(初切/終切)1～2 Pa/5～12 Pa,完鉆以后其低密度劣質(zhì)固相含量約6%;通過對振動篩返出巖屑的分析可看出,振動篩返出泥巖、頁巖巖屑成型度較好、PDC齒痕清晰可見(圖3),過12目篩清洗烘干后,大于1.7 mm的巖屑顆粒占比70%以上;鉆井過程無復(fù)雜情況,起下鉆順利,四開井眼擴(kuò)大率5.6%,五趟電測一次性到底。

圖3 RX井振動篩返出龍馬溪組巖屑情況

黏土礦物水化以后,黏土晶層間距增大直至晶層相互剝離,是導(dǎo)致黏土水化細(xì)分散的根本原因。RX井與鄰井WX井采用同一套水基鉆井液體系,通過對比可以看出:WX井返出巖屑黏土礦物水化嚴(yán)重、細(xì)分散、黏附力強(qiáng)(圖2);RX井維持CQ-ATP含量在1.5%左右,返出巖屑成型度好、尺寸大、PDC齒痕清晰可見(圖3)。這是由于水基鉆井液中CQ-ATP 能有效進(jìn)入黏土晶層片狀結(jié)構(gòu),增強(qiáng)黏土晶層片狀結(jié)構(gòu)連接,控制鉆進(jìn)過程中黏土礦物水化細(xì)分散,從而最大限度地保障返出巖屑成型,且具有一定的強(qiáng)度,隨后通過地面固控系統(tǒng)及時有效分離,實現(xiàn)對鉆井液中低密度劣質(zhì)固相控制,從而有效維持鉆井液性能穩(wěn)定,保障鉆井液循環(huán)利用。

4 結(jié)論

1)黏土礦物水化以后,黏土晶層間距增大直至晶層相互剝離,是導(dǎo)致黏土水化細(xì)分散的根本原因。采用低分子胺類處理劑CQ-ATP,可有效進(jìn)入黏土礦物晶層結(jié)構(gòu),并通過分子中的吸附基團(tuán)作用于上下晶層片狀結(jié)構(gòu),增強(qiáng)黏土礦物晶層結(jié)構(gòu)連接,從而有效保障黏土礦物晶層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,實現(xiàn)對黏土水化細(xì)分散控制。

2)現(xiàn)場應(yīng)用表明,通過CQ-ATP對鉆井液中黏土礦物水化細(xì)分散控制,可最大限度地保障返出巖屑成型且具有一定的強(qiáng)度,利用地面固控系統(tǒng)及時有效分離,可顯著降低鉆井液低密度劣質(zhì)固相含量增加,維持鉆井液性能穩(wěn)定,實現(xiàn)鉆井液循環(huán)利用。