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2022年  第39卷  第3期

钻井液
抗温强抑制有机硅酸盐聚合物的合成与性能评价
张帆, 都伟超, 孙金声, 吕开河, 刘敬平
2022, 39(3): 265-272. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.001
摘要(739) HTML (294) PDF (4146KB)(161)
摘要:
为解决有机硅官能团在合成过程中易水解和易缩聚交联的技术难题,以2, 2-偶氮二异丁腈(ABIN)为引发剂,采用了丙烯酸(AA)、二甲氧基甲基乙烯基硅烷(VMDS)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)为反应单体并进行了乳液聚合反应,合成了一种新型有机硅酸盐聚合物(ADMOS)。ADMOS的最优合成条件为:单体物质的量比AA∶DMC=3∶1、VMDS加量为单体总质量的5.0%、ABIN浓度为0.3%、反应温度为70 ℃,反应单体总浓度为25%,pH值为5。采用核磁共振氢谱(1H-NMR)、热重分析(TGA)、凝胶色谱法(GPC)确定了产物的分子结构,TGA表明ADMOS具有优异的热稳定性。分别通过线性膨胀实验、滚动回收实验和泥球浸泡实验评价了ADMOS的性能,结果显示,当ADMOS加量为3.0%时,人造膨润土岩心的线性膨胀率由水中的83.37%降低至16.57%、页岩岩屑的回收率由水中的11.82%增高至92.85%。泥球实验结果表明,ADMOS可有效地防止水分子侵入泥球内部,从而抑制黏土颗粒的水化分散。通过Zeta电位、X射线衍射(XRD)、元素分析(EDS)、原子力显微镜(AFM)和红外-热重联用实验,从微观角度揭示了ADMOS的抑制作用机理。
耐低温合成基钻井液的室内研究
刘刚
2022, 39(3): 273-278. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.002
摘要:
油基钻井液作为复杂地层开发的首选钻井液,零下低温环境中存在黏度、切力明显增大的问题。为解决这一问题,室内选用性能与油基钻井液相近的合成基钻井液,研发了一种耐低温乳化剂、采用低凝点的气制油作为油相和质量分数为30%的CaCl2作为水相,优选流型调节剂,研制了一套耐低温的合成基钻井液体系。该体系在2.0 g/cm3的高密度下,经过180 ℃老化16 h后,依然能在−10 ℃时保持良好的黏度、切力和电稳定性,维持较好的流动性能,高温高压滤失量小于2 mL;能有效预防因当量循环密度过高引起的井下复杂情况、低温造成的管线堵塞问题。
抗高温高性能水基钻井液及其在顺北801X井的应用
李科, 赵怀珍, 李秀灵, 周飞
2022, 39(3): 279-284. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.003
摘要(891) HTML (339) PDF (2328KB)(145)
摘要:
顺北801X井是塔里木盆地顺托果勒区块的一口重点探井,完钻井深为9145 m,最大井斜为71°,水平位移为1075.77 m,为国内陆上采用水基钻井液完钻的最深定向井。针对顺北801X井高温高压地层的特点,通过优选抗温处理剂,优化钻井液性能参数,研制出一套密度达2.0 g/cm3的高性能水基钻井液体系。室内评价结果表明,该钻井液抗温可达200 ℃,在高温下具有良好的流变性能,能较好地封堵泥页岩微裂缝,在180 ℃下的滤失量为13.8 mL,滤饼质量薄且有韧性,能抗CO32−、HCO3污染及盐水侵污染。现场应用表明,该钻井液在高温井段性能稳定,维护简单,起下钻顺利,未出现复杂情况,保证了井下安全、快速钻进,该井试油产量折算油气当量达1007.6 t。该钻井液的成功应用,为顺北区块后续施工井钻井液体系的优选提供很好的借鉴。
基于压力的马氏漏斗黏度在线检测方法
陈晖, 马少华, 黄进云, 王旱祥, 赵玉明, 宫肇阳, 杨劲松
2022, 39(3): 285-293. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.004
摘要:
针对马氏漏斗黏度手动测量方法存在的工作量大、测量精度低、监测不连续等问题,从马氏漏斗黏度检测的原理、结构、算法等方面研究钻井液的在线检测过程,基于液位高度与液柱压力的关系,提出了一种钻井液马氏漏斗黏度的在线检测方法,并研制了一套实验装置。通过仿真模拟和中原油田钻井现场试验,验证了测试系统的准确性,系统精度达到±1 s。综合分析钻井液马氏漏斗黏度的影响因素,从溢流口形状、漏斗改造工艺和液位检测精度等方面优化在线检测方法,实验装置的钻井液密度测量误差低于3%,黏度测量误差低于2%。提出的马氏漏斗黏度在线检测方法及其实验装置可较好完成对常规钻井液的密度和马氏漏斗黏度的在线检测,具有较好的适应性和较高的自动化程度。在满足检测精度的前提下,在线检测方法和实验样机可较好代替现场人工检测,提高了油田的智能化水平。
一种抗高温凝胶封堵剂
周新宇, 刘敬平, 吕开河, 孙金声, 张文超, 滕宇翔
2022, 39(3): 294-300. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.005
摘要(772) HTML (278) PDF (2676KB)(100)
摘要:
凝胶类封堵剂具有自适应强的特点,但钻井液用凝胶封堵剂普遍存在抗温性较差的问题。以聚乙烯醇(PVA)、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)为反应单体,N,N-二甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,过硫酸铵为引发剂制备了一种新型凝胶封堵剂(PPAA),该封堵剂抗温可达180 ℃。PPAA膨胀倍数低,对钻井液流变性影响小,能降低钻井液滤失量。180 ℃老化后,含2%PPAA的钻井液对80~100目砂床的侵入深度为2.6 cm,较常规封堵剂封堵率提高60.6%,在6%NaCl条件下封堵率提高48.6%,且高温高压砂盘滤失量降低69.7%。
环保型改性生物多肽水基钻井液抑制剂的合成与应用
徐毅, 许桂莉, 蒋官澄
2022, 39(3): 301-306. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.006
摘要:
随着国家对环境保护的日益重视,传统的聚磺钻井液处理剂将慢慢被环保型钻井液处理剂取代。从分子结构设计出发,基于生物多肽明胶进行改性合成了环保型改性生物多肽抑制剂WNGT。明胶改性后在核磁共振图谱的化学位移3.19 ppm和4.12 ppm处出现2个明显的新的特征峰,表明成功制备得到目标产物。线性膨胀实验表明:对比KCl、聚醚胺PEA抑制剂,在相同加量下,WNGT溶液中膨润土的膨胀高度最小,抑制效果最好;WNGT具有优良的抑制黏土水化膨胀性能,2%加量的WNGT,膨润土24 h的膨胀量仅为1.60 mm;与改性前的明胶相比,页岩岩屑滚动回收率达95%以上,相比改性前提高46.05%;膨润土浆中加入2%WNGT后,Zeta电位降至−11.7 mV,WNGT可有效中和黏土负电荷,压缩双电层,降低黏土Zeta电位。在川渝地区开发井沙溪庙砂泥岩井段进行了现场应用,在井浆中加入WNGT后,井浆黏度和切力均有所下降,且能长时间稳住钻井液流变性,保证了在砂泥岩段的顺利钻进,降低了钻井成本。
一种强吸附疏水改性纳米SiO2封堵剂
滕春鸣, 甄剑武, 罗会义, 蒋思臣
2022, 39(3): 307-312. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.007
摘要:
钻井过程中钻遇稳定性较差的地层和承压能力较弱的地层时,经常出现井壁失稳和井下漏失等问题,为此开展了新型纳米封堵剂的研究与评价。合成了强吸附疏水纳米封堵剂,对其粒度分布、吸附性、润湿性和砂床封堵性能进行了测试。测试结果表明,该封堵剂粒度分布在100~150 nm,吸附性强,高温下能够将页岩表面水的润湿接触角增大到80.7°;加量为2.5%时,实验浆的砂床滤失量降低到5.0 mL;对钻井液流变性影响较小,API滤失量从4.4 mL降低到1.0 mL,高温高压滤失量从16.2 mL降低到6.2 mL;加量超过3.0 %时,渗透率降低到2.81 μD;PPA封堵率测试表明,该封堵剂能在陶瓷过滤盘内部形成封堵,钻井液的滤失速率降低到0.45 mL/min1/2,瞬时滤失量降低到2.58 mL。研究表明,强吸附疏水纳米封堵剂能够提高钻井液的封堵能力,降低钻井液对地层的侵入量,对保护井壁稳定有较好的作用。
超低摩阻水基钻井液在页岩气水平井的应用
周姗姗, 钟成兵, 刘杰, 代一钦, 许明标, 韩银府, 宋建建
2022, 39(3): 313-318. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.008
摘要(703) HTML (358) PDF (2386KB)(116)
摘要:
油基钻井液具有优异的抑制性、封堵性、润滑性,是目前页岩气井作业的主要钻井液类型,但其对生态环境造成严重影响、过高的成本及废弃钻井液和钻屑处理压力限制了其在钻井中的应用。涪陵焦石部署4口水平井,钻探目的层为龙马溪组-五峰组,目的层含大段泥页岩,裂缝发育,易水化分散、垮塌漏失风险大。针对涪陵水平井要求低摩阻及地层泥页岩易发生井壁失稳的特点,研究了一套超低摩阻水基钻井液体系。该体系具有较好的流变和抑制性能,同时具有和油基钻井液相当的润滑性能。现场应用表明,超低摩阻水基钻井液实现了页岩气井水平段全流程高效安全作业,与同区块油基钻井液相比机械钻速提高了24.7%,每米钻时降低了6.2%,水平段起下钻1~2次,而油基钻井液需要2~3次,其中涪陵X4井水平段长2235 m,创完钻时国内页岩气水平井水基作业记录。该超低摩阻水基钻井液在涪陵页岩气的成功应用有望实现页岩气水基钻井液替代油基钻井液作业。
塔河南岸跃满区块三叠系防塌钻井液研究与应用
朱金智, 杨学文, 刘洪涛, 杨成新, 张绍俊, 罗春芝
2022, 39(3): 319-326. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.009
摘要(680) HTML (279) PDF (9284KB)(109)
摘要:
针对塔河南岸跃满区块三叠系井段井壁垮塌严重的问题,对井壁失稳机理及防塌钻井液体系研究。三叠系地层岩性为泥岩和砂泥岩,黏土矿物含量为28.6%,黏土矿物中伊蒙混层含量45%,岩石吸水后抗压强度下降,现场钻井液密度低于井壁坍塌压力当量密度,这些是井壁坍塌的主要内因。现场钻井液滤失量大、泥饼厚而韧性差,岩屑滚动回收率和线性防膨率低,封堵性差,固相颗粒粒径分布不合理,这些是井壁坍塌的主要外因。通过优选降滤失剂、复合防塌抑制剂,引入防塌封堵剂FTDA等研究出防塌钻井液体系。该体系API滤失量和高温高压滤失量低,泥饼薄而且韧性好;岩屑滚动回收率比现用体系提高15.7%,对砂盘的封堵性提高50%以上。现场应用时钻井液流变性稳定,滤失量低,无卡钻、无掉块现象,平均井径扩大率为10.35%,比该区块平均井径扩大率下降50.24%。该体系的应用为跃满区块三叠系井壁稳定提供一种新的技术思路。
响应面优化深层废弃水基钻井液无害化处理工艺
孙露露, 耿晓光, 宋涛, 张洋
2022, 39(3): 327-333. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.010
摘要:
针对大庆油田深层致密气废弃水基钻井液固液分离难、泥饼含水率高(>80%)、存在二次污染的问题,开展了废弃水基钻井液无害化处理技术研究,在分析废弃水基钻井液特性与处理难点基础上,应用Box-Behnken中心组合实验和响应面分析法,通过考察破胶剂、助凝剂与絮凝剂的最佳配比对废弃钻井液固液分离效果的影响,创新建立了固液分离泥饼含水率与处理配方参数间的数学模型,研发出了以脱稳絮凝为核心的废弃水基钻井液无害化处理技术,形成了脱稳-絮凝-固液分离处理工艺。现场实验结果表明,废弃水基钻井液经该项技术处理后,泥饼含水率为47%,泥饼浸出液悬浮物含量为63 mg/L,泥饼浸出液中石油类、COD等9项主要污染指标符合GB 8978—1998《污水综合排放标准》、DB23/T 693—2000《黑龙江省废弃钻井液处理规范》相关要求,该技术成果解决了大庆油田深层水基钻井液破胶脱稳效果差等难题,具有较好的推广应用价值。
固井液
治理环空带压的密封剂的研制与评价
刘浩亚
2022, 39(3): 334-338. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.011
摘要:
针对传统水泥基材料含有固体颗粒,难以挤入并封堵,导致环空带压的水泥环微裂缝问题。以复合树脂为主要成分,通过调节固化引发剂加量控制凝固时间,优选降黏剂提高其流动性和渗透性,研制出一种无固相可室温固化的密封剂,并开展了水泥环-套管系统模拟密封剂封堵实验。由此可知,根据环境温度及固化引发剂不同,密封剂凝结时间可在1.25~20 h内调节;流动性好,黏度低至60 mPa·s;密度可由1.02 g/cm3调至1.25 g/cm3;机械性能良好,24 h抗压强度不小于18 MPa,最高可达53 MPa;水泥环-套管系统模拟密封剂封堵实验表明,密封剂治理环空带压效果良好,干燥环境下候凝24 h后可消除6 MPa以内的环空带压,潮湿环境下候凝24 h后可治理3 MPa以内的环空带压,在多种条件下提高了水泥环-套管环空密封性,可有效治理环空带压问题。
地聚物基油气井固泥材料
孙刚, 王有伟, 刘鑫军, 于斌, 张国梁, 马春风, 李屹, 汤栋霖
2022, 39(3): 339-345. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.012
摘要:
地聚物是一类由碱激发剂和胶凝材料制备而成的、由SiO4和AlO4四面体单元组成的具有三维立体网状结构的无机聚合物材料。该类材料具有力学性能优异、与无机基材黏结强度高和流动性良好等特点。针对油气井中残余的泥饼导致水泥浆无法有效黏结“固井二界面”的问题,通过添加偏高岭土MK与油井钻井液中的黏土同构地聚物达成油井固泥效果。通过水玻璃和偏高岭土制备了低黏度、高渗透率的地聚物基固泥材料。该地聚物基固泥材料的玻璃模数为1.5,MK添加量为2.5%,其在常压和高压环境下均能渗入泥饼;经90 ℃固化10 h后泥饼的抗压强度分别为3.0 MPa和1.0 MPa;同时,固化后的泥饼能提高固井二界面的胶结性能,“地层-水泥”界面和“套管-水泥”界面的胶结强度分别为0.6和1.0 MPa。X射线衍射分析结果表明,MK的加入虽然无法改变最终固化后泥饼的结晶性能,但适量加入MK能提高胶凝材料的含量,从而进一步提高固化后泥饼的抗压强度和胶结强度。
高温高密度防腐水泥浆加重剂研究
武中涛, 宋建建, 刘卫红, 赵军, 许明标, 王晓亮
2022, 39(3): 346-351. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.013
摘要:
针对富含CO2的高温高压油气井中水泥环的腐蚀问题,进行了高温高密度防腐水泥浆体系加重剂的研究,并对比了相同粒度的锰矿粉、赤铁矿和重晶石3种加重剂对水泥浆性能的影响,在150 ℃、CO2分压20 MPa的环境下进行了腐蚀实验。研究结果表明,锰矿粉水泥浆需水量最少,相同条件下具有较好的流变性和较低的失水量;锰矿粉水泥石腐蚀后渗透率最小,抗压强度较高;腐蚀30 d后,锰矿粉水泥石腐蚀深度最低,重晶石水泥石的腐蚀深度约为锰矿粉水泥石的1.5倍;腐蚀后锰矿粉水泥石结构最致密,腐蚀后生成物的特征峰最低;锰矿粉加量为25%、50%和75%的3种水泥石腐蚀27 d后,加量为50% 的水泥石腐蚀深度最小。与赤铁矿和重晶石相比,锰矿粉为较好的选择,但加量过多时会对水泥浆防腐蚀性能产生不利影响。
超高温固井水泥浆降失水剂的合成与性能
于永金, 张航, 夏修建, 李鹏鹏, 靳建洲, 胡苗苗, 郭锦棠
2022, 39(3): 352-358. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.014
摘要:
为实现超深井与复杂井超高温固井水泥浆体系的构建目标,突破常规固井水泥浆降失水剂的超高温控失水瓶颈,研制开发了超高温水泥浆降失水剂F-SHT,并对其进行了结构表征与性能评价。结果表明,F-SHT的数均分子量为21 475 Da,表观黏度低,不影响水泥浆的配制;在温度达到294 ℃时开始发生明显热失重,表明其分子链热稳定性良好;有效控失水温度可达240 ℃且可抗饱和盐水,采用水泥浆静态失水量评价方法,测得240 ℃/6.9 MPa下饱和盐水水泥浆API失水量为38 mL。测试了F-SHT在水泥浆体系中的综合性能,停开机、稳定性与API失水评价结果均合格。F-SHT在河探1井Φ177.8 mm尾管固井中成功应用,结果表明F-SHT现场适应性良好,固井质量良好,同时为超深层油气资源的勘探开发提供了有力支撑。
钻井液用包被剂对固井水泥浆体系的影响
赵殊勋, 左天鹏, 陈绪, 郑怡杰, 程小伟
2022, 39(3): 359-364. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.015
摘要:
针对钻井液与固井水泥浆相互接触时会使混浆流动性能变差的问题,实验研究了包被剂对固井水泥浆稠化时间、流变性能和抗压强度的影响。采用红外光谱、X射线衍射仪以及扫描电镜探究了包被剂对固井水泥浆的污染机理。同时利用电导率评价方法,比较了掺入包被剂前后固井水泥浆电导率的变化。研究结果表明,包被剂的掺入会降低水泥浆的流动度,当加量为0.6%时,水泥浆的流动度与纯水泥相比降低了52%;电导率实验分析表明,掺入包被剂后的水泥浆水化进行到12 h时,才进入加速期;包被剂的掺入降低了固井水泥浆水化的反应速率,延缓了其水化进程,从而导致固井水泥浆的抗压强度发展缓慢,在90 ℃养护条件下,掺量为0.2%时,其3 d强度与纯水泥相比降低了12.8%。包被剂中—OH、—CONH2、—COO-等具有吸附性能的官能团会吸附于水泥颗粒上,且包被剂中的亲水基团与固井水泥浆中的 Si—O 形成氢键,在水泥颗粒表面形成一层溶剂膜,阻碍了水与水泥颗粒的接触。
压裂液与酸化液
强渗透缓速酸液体系研究与评价
刘芳慧, 张世昆, 曹耐
2022, 39(3): 365-372. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.016
摘要:
在碳酸盐岩储层的酸化压裂改造过程中,酸液质量的优劣直接影响着最终的改造效果。目前,常用的酸液体系存在渗透性差、腐蚀高、缓速效果不佳等问题。通过室内实验,研选出了适宜的复合有机缓速酸主体酸液以及酸用降阻剂、缓蚀剂和铁离子稳定剂等助剂,开发出了一套适合碳酸盐岩储层的新型强渗透缓速酸液体系。实验室综合评价结果表明,该强渗透缓速酸液体系具有良好的缓速性能、较低的腐蚀速率以及更优的渗透性能。此项研究对碳酸盐岩油藏储量的充分动用及高效开发具有重要的理论指导意义和实际应用价值。
陆相页岩气储层裂缝支撑剂铺置规律研究
马春晓, 邢云, 罗攀, 高志亮, 张锋三, 程鑫, 吴金桥
2022, 39(3): 373-382. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.017
摘要:
为了认识陆相页岩气储层裂缝中支撑剂的铺置规律,采用可视裂缝模拟系统开展支撑剂沉降铺置实验,模拟了不同压裂液黏度、排量、砂比、支撑剂粒径和支撑剂密度条件下支撑剂运移沉降的过程,同时采用PIV粒子测速技术绘制了砂堤入口处与前缘处的速度场,进一步分析了支撑剂铺置过程中颗粒的运动特征。研究结果表明,支撑剂在人工裂缝中的铺置分为四个阶段:早期阶段、中前期阶段、中后期阶段和平衡状态阶段。裂缝入口处:悬浮颗粒的速度方向近似水平向前,砂堤表面颗粒速度沿着坡面向上,支撑剂的推进主要依靠液体黏滞力的携带作用;排量增大,流场出现明显的扰动现象,排量越大,扰动程度越大。砂堤前缘处:坡顶处流场存在明显的涡流现象;液体黏度增加,涡流强度减弱,黏滞力增加,颗粒在液体冲击和携带作用下,铺置更远的距离;排量增加,整个前缘区域出现更大的旋涡,涡流作用更加强烈,此时液体的冲击作用使得支撑剂铺置效果更好;砂比增加,旋涡数量增加,强度增强,波及范围增大,支撑剂运移到裂缝更远端。滑溜水中支撑剂粒径越小、密度越大,砂堤越均匀,但要达到铺置效果,需要携砂液的作用。
一体化多功能抗盐稠化剂的研制与应用
罗磊, 王渊, 屈刚, 杨育恒, 贾飞
2022, 39(3): 383-389. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.018
摘要:
为满足高矿化度水配液区块压裂作业对液体速溶性、耐盐性、降阻、耐温耐剪切和助排一体化的需求,以丙烯酰胺和丙烯酸钠为聚合物主体结构,添加抗盐单体,通过反相乳液聚合制备出一体化多功能抗盐稠化剂。通过将该稠化剂配制成压裂液并开展室内性能评价实验。结果表明,该稠化剂在50 000~60 000 mg/L矿化度水中30 s黏度释放率达到85%以上,配制的压裂液在模拟现场施工排量10 m3/min条件下降阻率大于75%,在90 ℃、170 s−1条件下剪切90 min后黏度保持在30 mPa·s以上;在不添加助排剂情况下,压裂液彻底破胶后,表面张力最低24.65 mN/m,界面张力最低1.06 mN/m,残渣含量低于30 mg/L。在新疆油田MH区块某井采用稀释的盐湖水配液进行稠化剂的现场应用,施工过程中切换方便,无需额外添加助排剂,液体性能稳定,满足施工要求。
缓速交联超高温合成聚合物压裂液稠化剂研究
王超, 崔明月, 张旭, 赵众从, 张希文
2022, 39(3): 390-396. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.03.019
摘要:
针对水基压裂液体系中植物胶稠化剂及其衍生物存在残渣含量高、耐温差和易腐败变质等问题,基于水溶性高分子自由基合成理论,经室内高分子合成实验,研究了各种合成条件(引发剂浓度、聚合温度、反应pH值、聚合浓度、链转移剂含量、水解度)对稠化剂性能的影响规律。以丙烯酰胺(AM)、功能性单体(SP)、耐温单体(AMPS)作为共聚单体,采用控制变量法,通过合成条件优化,形成了一套性能优异的合成聚合物稠化剂基础配方,聚合浓度25%,单体配比(AMPS∶SP∶AM)30%∶25%∶45%,聚合温度20 ℃,引发剂浓度0.3%,聚合反应pH值为7,甲酸钠质量分数为0.2%,反应时间4 h。该稠化剂具备耐温、速溶、水不溶物含量低、增稠能力强,且与有机锆交联剂交联性能好,满足200 ℃地层的应用需要。