胺基硅醇JFC鉆井液在渤海油田的應用研究

林家昱 謝 濤 王曉鵬 韓耀圖 劉永勤

1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300459;2. 海洋石油高效開發國家重點實驗室, 天津 300459

0 前言

渤海油田大部分儲層深度淺,膠結疏松,成巖性較差,泥質含量較高,具有高孔高滲特點,且不同的儲層之間滲透率差異大,造成層間及層內非均質性均較強[1-3]。在鉆進的過程中,因鉆速過快,加上儲層中明化鎮組、館陶組及東營組上的泥巖段造漿嚴重,導致鉆井液流變性控制較為困難,使得各種材料加量很難達到設計量,在后期鉆井過程中易出現流變性難控制、處理劑補加困難、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、崔應中等人[4-7]對相關鉆井液進行了研究應用,但并未給出詳細的作用機理。本文針對上述問題,基于渤海油田的實際情況,對胺基硅醇JFC鉆井液體系[8-10]的適用性進行了研究。

1 抑制性優化研究

地層容易造漿以及抑制劑帶正電性的特征,導致鉆井液在鉆井過程中出現流變性調控困難的問題,其主要原因是鉆井液體系的抑制能力達不到過快鉆速產生的鉆屑及鉆屑水化分散嚴重的控制能力,才會產生鉆井液體系增稠和流變性控制難的問題[11-14]。針對這一情況對抑制劑進行了相關的室內實驗研究。

從單劑篩選結果可以看出,處理劑胺基硅醇比JFC小陽離子及JMH-YJ有機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,有利于降低水化應力,提高井壁穩定性,減小儲層水敏傷害,保護儲層。

2 胺基硅醇作用機理

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

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吸附,由于壓縮雙電層原理而防止黏土的水化膨脹。因為胺基硅醇的硅羥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黏土顆粒的絮凝作用,因此胺基硅醇對鉆井液的流變性和濾失量均產生不了明顯影響,與小陽離子、聚胺等陽離子抑制劑相比,具有明顯的優勢[19]。

胺基硅醇為含硅羥基、胺基的有機高分子,其分子結構如下:

胺基硅醇的作用能力主要體現在以下兩個方面:

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

2)對于陽離子型鉆井液體系,胺基硅醇可以削弱陽離子對鉆井液中黏土顆粒的絮凝作用,提高體系流變穩定時間。

3 胺基硅醇的作用機理

3.1 胺基硅醇的疏水特性

a)水滴到無處理的砂巖表面

b)水滴到胺基硅醇水溶液 浸泡過的砂巖表面

a)水滴到無處理的頁巖表面

b)水滴到胺基硅醇水溶液 浸泡過的頁巖表面

從圖2～3可以看出,水滴在經過胺基硅醇溶液浸泡過的巖石表面基本不展開,說明胺基硅醇改變巖石表面親水性,具有很好的疏水能力,有利于井壁穩定和儲層保護。

3.2 胺基硅醇抑制黏土水化造漿特性

室內研究通過測定胺基硅醇對膨潤土的相對抑制率來考察其抑制黏土水化造漿的能力,實驗過程中的老化溫度為120℃,老化時間為16 h[20],具體情況見表1,實驗基本配方為400 mL蒸餾水+0.8 g Na2CO3+胺基硅醇+40 g膨潤土,相對抑制率的計算公式為:

(1)

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

表1胺基硅醇加量對膨潤土的相對抑制率

HAS加量/(%)實驗條件?600/?300?200/?100相對抑制率/(%)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 胺基硅醇水溶液對黏土的容量限

圖4 胺基硅醇對不同搬含下表觀黏度的影響

圖5 胺基硅醇對不同搬含下動切力的影響

3.4 胺基硅醇對鉆井液的影響

表2中的數據表明胺基硅醇對鉆井液流變性和濾失量均無明顯影響,應用過程中不會出現黏度上升和濾失量上漲等問題。

表2胺基硅醇對鉆井液性能的影響

胺基硅醇加量/(%)實驗條件表觀黏度/(mPa·s)塑性黏度/(mPa·s)動切力/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JFC鉆井液體系的影響

通過現場資料分析,結合室內實驗情況,JFC鉆井液體系后期維護困難的主要原因是膨潤土、小陽離子、鉆屑相互作用形成網架結構引起鉆井液增稠嚴重,導致后期材料補充不到設計加量,以至于進入惡性循環。結合胺基硅醇的作用特點,室內進行了胺基硅醇對JFC鉆井液體系的影響規律研究。

4.1 胺基硅醇-土漿-JFC的相互作用

室內實驗對胺基硅醇與JFC鉆井液在不同含量土漿中的作用情況進行了研究。

實驗結果見圖6～7。

實驗結果見圖8～9。

圖6 不同JFC/胺基硅醇加量對3土漿表觀黏度的影響曲線

圖7 不同JFC/胺基硅醇加量對3土漿動切力的影響曲線

圖8 不同JFC/胺基硅醇加量對4土漿表觀黏度的影響曲線

圖9 不同JFC/胺基硅醇加量對4土漿動切力的影響曲線

從圖6～9實驗數據可以看出,胺基硅醇在土漿中不會造成黏度上漲,基本不影響其流變性,同時對土漿的黏度有一定降低作用。而JFC鉆井液對整個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,嚴重影響其使用;當加量繼續提高時,正電離子的抑制作用為主要作用能力,黏度逐漸下降。

4.2 胺基硅醇應用實驗及效果

現場出現JFC鉆井液體系增稠的原因主要為正電離子與進入鉆井液的黏土水化產生絮凝,針對能否通過胺基硅醇進行調整,恢復體系的流變穩定性,提高體系的抑制能力這一問題,進行了以下室內研究。

圖10 胺基硅醇對JFC鉆井液體系的影響

在實驗過程中,向鉆屑污染嚴重的體系中加入JFC鉆井液及胺基硅醇,在6 r/min與3 r/min下的旋轉黏度計讀數比值都在1左右,影響很小。從圖10實驗結果數據來看,在鉆屑污染嚴重的體系中JFC的加入,鉆井液增稠的現象不但沒有得到緩解,反而有上升的趨勢,但加入胺基硅醇后,體系黏度下降很多,流變性達到正常狀態,說明胺基硅醇拆散了JFC鉆井液與土漿、鉆屑之間形成的結構,達到降黏、穩定流變性的目的。

5 結論

1)通過室內實驗對比分析,可以看出處理劑胺基硅醇比UHIB聚胺、JFC小陽離子及JMH-YJ有機正電膠有更好的抑制黏土水化膨脹的效果。

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

3)通過兩種不同含量土漿加入胺基硅醇的實驗,說明針對陽離子型鉆井液體系,胺基硅醇可以削弱陽離子對鉆井液中黏土顆粒的絮凝作用,提高體系流變穩定時間。

4)室內對胺基硅醇優化后的JFC鉆井液體系進行評價,實驗結果顯示,優化后體系具有很好的流變穩定性,經過巖屑污染后,其流變性及其它各項性能基本不變。