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2021年  第38卷  第1期

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2021, 38(1).
摘要:
专论
页岩抑制剂的抑制机理及研究进展
张卫东, 韩磊, 王富华, 蓝强, 朱海涛, 杨海荣, 赵清源
2021, 38(1): 1-8. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.001
摘要:
从胺类页岩抑制剂、离子液体页岩抑制剂、纳米复合材料以及其他新型页岩抑制剂(生物大分子类、多糖类、聚合醇类等)概述了页岩抑制剂的研究进展,分析了各种抑制剂的作用机理,总结了目前抑制效果评价方法。在此基础上展望了页岩抑制剂未来的发展趋势。
离子液体及其在钻井液领域中的应用
焦小光, 李树皎, 左京杰, 张鑫, 姚如钢, 冯彦林
2021, 38(1): 9-13. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.002
摘要:
离子液体作为一类全新的绿色介质和软功能材料,近年来在钻井液领域引起了广泛关注。概述了离子液体的基本概念、独特物性和多领域工业应用,详细综述了离子液体在上游石油工业,特别是钻井液领域的应用研究现状和进展。对离子液体作为钻井液用页岩抑制剂进行了可行性分析,并提出了其它潜在应用。离子液体可通过阳离子交换和静电吸附与黏土颗粒相互作用,呈现出良好抑制性能,同时离子液体也可改善高温环境下钻井液体系的流变携岩能力。
钻井液
适用于深水水基钻井液的温敏聚合物流型调节剂
吕开河, 王中义, 黄贤斌, 王金堂, 杨峥, 王韧, 邵子桦
2021, 38(1): 14-20. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.003
摘要:
针对深水水基钻井液低温流变调控的要求,利用温敏聚合物在对温度响应的过程中有显著的流体力学体积和分子构象变化的性质,以N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酰胺(AM)为单体,合成了一种流型调节剂PNAAM。通过傅里叶红外光谱(FT-IR)表征了产物的官能团。热重分析显示产物初始热分解温度在300℃。浊度分析显示,单体配比和盐浓度均是通过影响分子链中亲水基团与水分子氢键的强度来影响产物的LCST(低临界溶解温度)。PNAAM在钻井液中4、25和65℃流变参数比值为AV4℃AV25℃AV65℃=1.75∶1.22∶1、PV4℃PV25℃PV65℃=1.8∶1.4∶1、YP4℃YP25℃YP65℃=1.8∶1∶1.09。机理分析认为,温度小于LCST时,分子链中亲水基酰胺基团做主导,PNAAM分子溶于水,无可测量的流体力学半径;温度大于LCST时,分子链中疏水基做主导,PNAAM分子链之间疏水缔合作用增强,形成三维网状结构,黏度增大,聚合物粒度增大,泥饼膨润土颗粒更加致密有序。
钻井液用β-环糊精聚合物微球降滤失剂的制备
高鑫, 钟汉毅, 邱正松, 金军斌, 李大奇, 李佳
2021, 38(1): 21-26. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.004
摘要:
针对现有环保型降滤失剂高温下易失效的问题,以β-环糊精为原料,ECH为交联剂,采用反相乳液聚合法合成一种环保型高温降滤失剂β-环糊精聚合物微球。分别采用红外光谱、扫描电镜、热重分析、粒度分布等测试方法对产物进行结构表征,并对高温降滤失性能进行评价。研究表明,β-环糊精聚合物微球粒径较为均匀,圆球度较好,平均粒径为42.88 μm,热稳定性较β-环糊精显著提高。180、200℃热滚后,有效降低膨润土基浆的滤失量,优于典型的抗高温降滤失剂;200℃热滚后高温高压降滤失效果突出。此外,β-环糊精聚合物微球对钻井液的流变性能影响很小。β-环糊精聚合物微球可以吸附大量水分子形成可变形的弹性微球,降低体系自由水含量,提高泥饼的压缩性。更重要的是,β-环糊精聚合物微球在高温下发生一定程度的降解,生成纳米颗粒,封堵泥饼孔隙,有效降低滤失量。β-环糊精聚合物微球高温降滤失性能优良,作用机理独特,显示出良好的应用前景。
反相乳液聚合法制备改性淀粉降滤失剂及其性能
朱文茜, 郑秀华
2021, 38(1): 27-34. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.005
摘要:
为克服水溶液自由基聚合制备改性淀粉降滤失剂存在的凝胶化问题,遵循钻井液抗高温处理剂的设计思路,采用反相乳液聚合法将淀粉与含有酰胺基/磺酸基/苯环的3种单体AM、AMPS、NVP进行接枝共聚,合成了一种新型高温抗盐抗钙降滤失剂ESt-g-NAA。首先,采用正交实验确定了反相乳液聚合的最优合成条件为:反应温度为60℃,单体物质的量比为nNVPnAMnAMPS=1∶2∶3,亲水亲油平衡值为5。其次,对ESt-g-NAA在3%膨润土基浆中的抗高温、抗盐和抗钙降滤失效果进行了评价,结果显示:100~180℃老化16 h后,含3% ESt-g-NAA钻井液的滤失量可控制在7.6~15.2mL之间,且ESt-g-NAA钻井液的高温滤失量始终低于相同加量的水溶液聚合产物WSt-g-NAA。ESt-g-NAA显示了极强的抗盐和抗钙能力,在150℃老化16 h的饱和盐水钻井液中,滤失量仅为5 mL;含(0.5%~20%)CaCl2的钻井液在150℃老化后滤失量控制在5.0~15.5 mL,170℃老化后可抗钙10%,但180℃老化后抗钙性能大大降低。最后,通过分析ESt-g-NAA对基浆中黏土粒度分布的影响,以及泥饼的显微观察,揭示了ESt-g-NAA的控制滤失机理。
顺北油气田却尔却克组井壁失稳机理及应对措施
陈修平, 高雷雨, 刘景涛, 胡云磊, 李家学, 石祥超
2021, 38(1): 35-41. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.006
摘要:
塔里木盆地顺北油气田却尔却克组钻井过程中井壁失稳事故频发,严重影响了施工进度。针对顺北油气田X井却尔却克组地层井壁失稳的机理,开展了岩石崩解实验、点载荷实验、X衍射、扫描电镜实验研究。结果显示,岩石矿物组分中黏土含量大(15%~35%),其中伊利石含量在60%左右,伊蒙混层主要在10%~30%,吸水率小(2%),崩解率大(5%),岩石属于典型的硬脆性灰质泥岩。室内实验表明,在清水和水基钻井液条件下,岩石强度表现出较强的非均质性和强度弱化(岩石单轴强度降低在10~40 MPa之间),但在油基钻井液下,岩石强度几乎无弱化影响,并且油基钻井液对微裂缝起到较好地封堵作用。此地层水基钻井液下井壁失稳机理一方面是硬脆性泥页岩中的膨胀性黏土矿物吸水膨胀,强度弱化,失去有效支撑;另一方面微裂缝在水力尖劈作用下,井壁岩石崩落垮塌失稳。油基钻井液中乳化剂、润湿剂等表面活性剂特殊结构可以对泥页岩中裂缝微裂缝进行有效封堵,减少水化和水力尖劈作用,实现井壁稳定。现场在第三侧钻井眼水基钻井液井壁严重失稳条件下,改用油基钻井液,顺利钻完计划进尺,大幅度减少井壁失稳损失。
适用于大位移井新型水基钻井液室内研究
陈斌, 周姗姗, 赵远远, 覃建宇, 饶志华, 狄明利, 左坤
2021, 38(1): 42-46. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.007
摘要:
为了满足大位移井对水基钻井液的需要,针对水基钻井液润滑性、摩阻扭矩以及当量循环密度控制等问题,通过在水基钻井液中引入一种多功能基液MBF,得到一种新型水基钻井液,其可有效改善水基钻井液的润滑性能,使其接近油基钻井液。结果表明,在水基钻井液中,MBF含量为30%时,其润滑系数为0.064,优于常规氯化钾聚合物钻井液的0.123,接近油基钻井液的0.056;同时该新型水基钻井液可有效抑制黏土水化造浆,且具有更好的降滤失性能,高温高压滤失量低,接近于油基钻井液。构建的新型水基钻井液能够满足大位移井钻探的需要。
钻井液用聚合物分子结构与环保性能的关系研究
翟科军, 高伟, 李文霞, 吕开河, 徐哲
2021, 38(1): 47-53. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.008
摘要:
为了探究聚合物的分子结构与环保性能的关系,合成了一系列聚合物类钻井液处理剂,采用发光细菌法(EC50)和BOD5/CODCr比值评定法,研究了官能团种类、分子骨架结构及分子量等对其生物毒性和生物降解性能的影响。实验结果表明:官能团和分子骨架结构对生物毒性和生物降解性的影响较大;而分子量对生物毒性的影响较小,对生物降解性的影响较大。
马氏漏斗黏度计测定钻井流体流变参数新方法的建立
李照川, 郑力会, 吴通, 黄维安
2021, 38(1): 54-61,67. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.009
摘要:
目前使用马氏漏斗黏度计作为流变仪使用,所得到的数学模型计算过程繁琐、精度不足,无法满足现场测定钻井流体流变参数的需求。笔者针对牛顿型与非牛顿型钻井流体,优化了流量系数、壁面剪切速率、壁面剪切应力及流变曲线的数学模型,得到了测定牛顿黏度、表观黏度、塑性黏度以及动切力的新数学模型。结果表明,模型下矿物油、合成油、燃料油、绒囊冲洗液及甲酸盐钻井液的流变曲线与HAAKE MARS Ⅲ流变仪所测得的流变曲线之间存在很强的正相关性,相似度很高;模型下5种钻井流体的牛顿黏度、表观黏度、塑性黏度以及动切力的测量值与ZNN-6旋转黏度计的测量值之间的误差分别为1.40%、4.29%、2.78%与10.13%;说明了,建立的新方法可准确、简便地求得钻井流体的流变参数,计算准确度与ZNN-6旋转黏度计相符,可满足现场钻井流体流变学设计的需求。
适用于页岩气水平井的低摩阻硅酸钾钻井液体系
雷正勇, 许明标, 由福昌, 郭远曜, 周文
2021, 38(1): 62-67. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.010
摘要:
当前环保形势日趋严峻,亟待广大钻井液从业者开发出一套可替代油基的水基钻井液体系,来解决页岩气水平钻进过程中存在的摩阻、井壁稳定以及井眼清洁等一系列难题。本次研究在硅酸钾钻井液强抑制、强封堵、易成膜的基础上,开发引入了一种具备协同封堵能力的强效水基润滑剂,并通过系列筛选和评价实验,构建了一套低摩阻硅酸钾钻井液体系。其润滑系数在0.08左右,抗磨砝码质量达到10 kg,具备媲美油基钻井液的润滑和抗磨性能;同时具有较低滤失量(FLHTHP小于6 mL);此外该体系还有较强的抑制和抗污染能力,流变易于控制,完全能满足页岩油气藏的开发需要。
浅层疏松砂岩气层损害评价方法研究及应用
马勇新, 张立权, 杨仲涵, 许发宾, 向雄, 杨洪烈, 刘喜亮
2021, 38(1): 68-73. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.011
摘要:
疏松砂岩油气层胶结性较差,很难钻取到柱状岩心,且常规油气层损害评价方法已不再适合于该类油气层的损害评价。从疏松砂岩气藏储层岩心组构特点出发,提出了一种适合疏松砂岩气层损害评价方法,通过对国内南海西部A、B气田现场使用的钻开液进行损害评价,室内评价结果与现场井油气试井结果一致,说明该方法评价结果模拟现场较为真实。
ZYSD高失水固结堵漏技术在顺北5-9井中的应用
方俊伟, 贾晓斌, 刘文堂, 乐明
2021, 38(1): 74-78. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.012
摘要:
顺北5-9井是位于顺托果勒低隆北缘构造重点区域的一口评价井,该井志留系地层承压能力低,诱导性裂缝发育,受激动压力极易开启、扩展致漏,而桥塞堵漏粒径级配困难大,承压能力不足,此外志留系有发育高压盐水层,也增加了堵漏难度。邻井多口井发生严重复杂漏失、井壁失稳卡钻甚至弃井。针对志留系堵漏一次成功率低、地层承压能力低、井漏时效高等问题,采用ZYSD高失水固结堵漏技术,封堵时间小于30 s,承压能力大于18 MPa。现场应用表明,ZYSD高失水固结堵漏7次,堵漏一次成功率100%,井漏处理时间较邻井减少81%;现场试压8.5 MPa,志留系当量密度达到1.51g/cm3,成功解决了顺北5-9井的井漏、出水等复杂问题。
一种用于煤矿采空区钻井的固化堵漏液
李称心
2021, 38(1): 79-84. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.013
摘要:
针对煤矿采空区钻井时出现的钻井液严重漏失问题,研究了一种新型固化堵漏液,以满足钻井过程中的堵漏要求,保障钻井安全。该工作液以矿渣为固化剂,辅以激活剂、悬浮剂等外加剂形成配方,性能可以满足煤矿采空区钻井低密度低温的封堵、固化要求。同时,通过室内性能评价及微观结构测试,验证了固化堵漏液的水化机理,固化剂在激活剂作用下,玻璃体结构被破坏,生成水化产物填充于空间中,部分富钙相脱离原结构,充填在水化产物的空隙中。随着富硅相的继续水化,其水化产物填充于富钙相水化产物间隙,使得水化产物结构愈来愈致密,水化产物主要是C—S—H、C—A—S—H凝胶,使得固化体形成了较高的抗压强度。并且根据模拟试验与现场试验,证实了固化堵漏液能够满足采空区堵漏要求,达到了研究目的。
钻井液用聚丙烯酰胺钾盐检测方法优化
陈蕾旭, 侯勇, 赵菲, 刘翠微, 史野
2021, 38(1): 85-88. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.014
摘要:
聚丙烯酰胺钾盐是钻井液行业广泛应用的一种阴离子型聚合物。按照SY/T 5946—2002推荐方法进行检测过程中,存在无机盐对纯度的检测影响、特性黏数测定使用的易制爆化学品硝酸钠管理要求高、氯离子测定偏差较高等问题。在纯度检测的基础上采用乙醇加盐酸洗溶液,优化灼烧残渣的温度和时间,特性黏数测定使用氯化钠代替硝酸钠,氯离子含量测试优化样品处理和滴定pH值等方法和措施,提高聚丙烯酰胺钾盐技术指标检测的准确性。结果表明,纯洗溶液中加入1.5%盐酸,增加了含量无机盐的溶解,样品纯度甑别率提高40%;800℃灼烧3 h残渣含量能够较真实地体现样品的有效含量;采用氯化钠代替硝酸钠进行特性黏数测试,结果偏差范围为(0~0.40)/100 mL/g;氯离子测试过程中,高温灼烧处理样品,并增加了调整滴定溶液pH值,平行样间偏差由1.02%~1.73%降至0~0.18%之间。通过上述测试方法的优化,提高了聚丙烯酰胺钾盐技术指标检测结果的准确性和精确度,为该产品的质量控制提供了行之有效的检测依据。
自固结堵漏技术在冀东油田G21X3井的应用
许婧, 王在明, 张艺馨, 侯怡
2021, 38(1): 89-92. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.015
摘要:
G21X3井是高南斜坡部位高21断块构造较高部位的一口重点预探井,完钻井深为4392 m。钻至井深2670 m时出现放空,钻井液失返。在东营一段、二段共漏失4次,先后组织进行8次不同类型堵漏作业,累计漏失量为250 m3,未堵漏成功。根据G21X3井地层井漏情况,在分析常规堵漏技术缺点的基础上,提出一种新的自固结堵漏技术。对自固结堵漏材料形貌特征、不同温度下固结效果、堵漏承压效果进行了评价。自固结堵漏技术是通过在云母、纤维、核桃壳、石英砂等材料上涂覆一层树脂,将这些涂覆后的堵漏材料泵入到漏层后,在发生物理堆积的同时,在井底温度作用下树脂发生缩聚反应,堵漏材料相互固结,增加了堵漏层的强度和稳定性。自固结堵漏技术在G21X3井进行了现场应用,并堵漏成功。自固结堵漏剂沿用原来复合堵漏的施工工艺,操作简便,适用性广,具有广阔的应用前景。
固井液
地热井高导热低密度固井材料制备、性能及结构
杨雨, 徐拴海, 张浩, 韩永亮, 张卫东, 李永强
2021, 38(1): 93-101. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.016
摘要:
高导热低密度固井材料(HLC)能够有效解决中深层地热井井深易漏的固井难题,并能有效提高地热井地下换热效率。通过正交实验,基于层次分析法和矩阵分析法,综合考虑导热系数、48 h抗压强度、密度和成本4个指标,制备了可用于中深层地热井固井的HLC;通过实验测试了固井材料的各性能指标;利用SEM、XRD和MIP观测了HLC的微观结构,并分析了导热机理。结果表明,HLC配方为:55%水泥+9%石墨+25%石英粉+2%粉煤灰+2%硅灰+2%降失水剂+3%稳定剂+1.5%膨胀剂+0.5%缓凝剂,W/C=0.78;其各项性能指标均满足相关规范要求;石墨的加入改善了HLC的微观结构及孔径分布;导热机理符合导热路径理论。可为中深层地热井的固井施工和相似材料的制备研究提供借鉴。
固井水泥膨胀剂与增韧剂协同作用与应用分析
李云杰, 李黔, 徐建军
2021, 38(1): 102-108. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.017
摘要:
为探索固井水泥增韧剂与膨胀剂协同作用效果,分别选取晶格膨胀剂、发气膨胀剂2种膨胀材料,纤维、碳纳米管(CNTs)2种增韧材料,对不同材料相互协同作用后的水泥浆的膨胀性能、力学性能、孔隙结构、常规性能进行了实验研究,并对不同组合的应用工况进行了分析。研究表明,自由膨胀条件下增韧剂与发气膨胀剂协同膨胀率较高,而在高温高压下,CNTs-膨胀剂组合抑制收缩效果较好;CNTs与晶格膨胀剂联合作用后强度提升最大,基体孔隙度最低,且以微孔为主;而纤维与发气膨胀剂组合的断裂残余强度最高;膨胀剂与增韧剂混合对水泥浆失水量、沉降稳定性有一定的提升,对稠化时间有一定的延迟作用;其中,CNTs与2种膨胀剂组合的浆体动切力较大,触变性较强。研究结果可为不同工况下固井水泥浆设计提供借鉴和指导。
针对裂缝性地层的低密度高强度韧性水泥浆体系研究
陈晓华, 狄伟
2021, 38(1): 109-115. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.018
摘要:
针对鄂南区块产层段延长组由于裂缝发育而导致的固井过程中水泥浆易漏易污染问题,以低密度、防漏、增韧为指导原则,开发低密度高强度韧性水泥浆进行下部产层段的有效封固。通过研发出塑性减轻剂,优选出适合固井用的水性环氧树脂乳液、纳米液硅,提出了环氧树脂-纳米液硅协同增强水泥石性能新方法,研发了密度为1.65 g/cm3环氧树脂-纳米液硅低密度高强度韧性水泥浆。性能测试表明,浆体失水量能控制在40 mL/30 min内,稠化时间具有较合理的时间范围,水泥石具有较高抗压强度,弹性模量不大于7.0 GPa,水泥石具有较好的弹塑力学性能,对储层的污染伤害程度低,实现了低密度、高强度、增韧目标,有利于后期储层压裂改造作业,为鄂南区块古生界天然气勘探开发提供了技术支撑。
耐高温高压超高密度水泥浆体系的室内研究
宋鹤, 杨威, 唐俊峰, 刘翠微, 王敬朋, 林志伟
2021, 38(1): 116-121. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.019
摘要:
天湾1井是位于准噶尔盆地中部的一口超深预探井,井深为7500 m,井底压力为170 MPa,井底温度为160℃,针对该井高温高压的问题,以及目前超高密度水泥浆存在的流动性和沉降稳定性差、动态失水量较大、以及大温差下顶部水泥石强度出现过缓凝等问题,室内成功研制出耐高温高压超高密度水泥浆体系,水泥浆密度可达2.55 g/cm3,该体系主要由新型加重剂、微硅、高温稳定剂、600目硅石粉(粒径为0.025 mm)、新型微锰矿粉、悬浮剂、高温缓凝剂、高温降失水剂、高温减阻剂等组成。实验结果表明,该体系水泥浆流动度达到32 cm,同时具有较好的沉降稳定性能,顶部水泥石强度较高,防气窜能力强,在160℃、170 MPa下,稠化时间线性可调,动态失水量为40 mL,该水泥浆体系应用范围广泛,可通过调整外加剂掺量来满足天湾1井不同井深温度下的固井施工要求。
水泥环径向膨胀收缩实验研究
王福云, 张华礼, 郑友志, 宋文豪, 何雨, 黄娟
2021, 38(1): 122-126. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.020
摘要:
固井水泥环径向膨胀收缩特性是影响固井界面胶结质量的关键因素之一。围绕水泥环在实际工况下膨胀收缩特性测试的技术难题,通过对测试仪釜体的升级改造,使测试仪不仅具备了传统方法测试水泥石轴向膨胀收缩的能力,而且具备了水泥环径向膨胀收缩的测试能力。应用固井水泥环径向膨胀收缩评价装置和评价方法,对川渝地区在用的韧性防窜水泥浆体系和柔性自应力水泥浆体系的膨胀收缩特性进行评价,找出了水泥浆体系的体积变化特性。同时,在不同温度压力下,对水泥浆的膨胀收缩临界点测试,为不同井段的水泥浆设计时的体系选用提供了重要的实验依据,为保障川渝油气田固井质量提供参考。
压裂液与酸化液
一种降阻剂与水作用力机理研究、合成及性能评价
敬显武, 刘友权, 许园, 康志勤, 戴姗姗
2021, 38(1): 127-132. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2021.01.021
摘要:
以分子动力学方法对比了3种聚合物与水的相互作用能,由径向分布函数得到,聚合物中氧原子与水中氢原子形成的氢键是聚合物与水作用的主要来源。验证实验中以一种非离子表面活性剂型疏水单体与丙烯酰胺、丙烯酸共聚得到一种阴离子型三元疏水缔合聚丙烯酰胺作为降阻剂,核磁氢谱证明合成是成功的,光散射法测得三元聚合物分子量为2.83×106 g/mol。以清水在管道中流动的摩阻为空白组,计算降阻率。在聚合物加量0.025%条件下,PAM的降阻率最高仅达到40%,P(AM-AA-MPEG)的降阻率可达65%。与水相互作用能强的聚合物,降阻性能越好,聚合物在水中形成网状结构是降阻的直接原因,聚合物的长侧链也能提高降阻率。