实用参考甲酸盐钻井液的研究与应用.docx

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实用参考甲酸盐钻井液的研究与应用

甲酸盐钻井液的研究与应用

摘要：

无固相甲酸盐钻井液是近年来发展应用起来的一种新型钻井液体系，具有盐水密度范围宽、结晶温度和腐蚀电位较低、对页岩抑制性强固相污染容限很高、不损害产层、无毒等优点，本文通过对甲酸盐及甲酸盐钻井液的室内研究和现场应用，总结了甲酸盐钻井液的特点及使用规律，分析了该体系的不足及改进的方向。

甲酸盐（包括甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯）钻井液体系，是国外80年代末提出来的新型无毒环保型钻井液和完井液，该体系主要有以下优点：

清洁盐水密度范围宽：

1.0-2.3g/cm3；

结晶温度和腐蚀电位较低；

固相含量低，流变性优良；

性能稳定，维护成本低，能抗高温；

无毒，可生物降解，易于为环境所接受；

与油田常用处理剂配伍性好；

对页岩抑制性强，固相污染容限很高；

不损害产层。

能提高高分子高温稳定性

正是由于甲酸盐体系的上述特点，在国外有了越来越广泛的应用。

甚至国外有人预言，甲酸盐钻井液、完井液将会成为21世纪钻井液完井液的发展主流。

国外已应用甲酸盐体系成功的钻进了小井眼、大斜度井、大位移井及水敏性很强的高难度井，取得了很好的效果。

国内许多研究单位对甲酸盐体系也进行了研究，取得了较好的室内研究效果，并进行了现场试验。

从目前情况看，甲酸盐体系不需加任何固体加重材料就能获得高密度，其体系中无悬浮颗粒，故达到较高密度时仍保持低粘、低活度的性能。

钻井液、完井液中不含固相材料和保持较低的粘度及低活度，非常有利于保护油气层和优化钻头水动力参数，降低摩阻和压力损失，提高钻井速度。

因此低密度无固相甲酸盐体系作为钻井液完井液具有很好的应用前景。

我们对目前甲酸盐钻井液研究现状调研的基础上，分析了甲酸盐的特点，对甲酸盐的抑制能力进行了评价，并配制出密度为（1.15-1.25）g/cm3无固相甲酸盐钻井液和完井液。

一、甲酸盐盐水的性质

①甲酸盐盐水的物理性能

甲酸盐在水中极易溶解，其清洁盐水的密度范围：

1.00-2.37g/cm3。

常用的三种甲酸盐盐水的性能见表21。

表21甲酸盐盐水的性能

盐

最高密度（g/cm3）

粘度（cp）

PH

甲酸钠

1.38

7.1

9.4

甲酸钾

1.60

10.9

10.6

甲酸铯

2.37

2.8

9.0

由表中数据可以看出，在三种甲酸盐中，甲酸铯的溶解度最大，但甲酸钾的摩尔浓度最高。

甲酸盐体系不需加任何固体加重材料就能获得高密度，其体系中无悬浮颗粒，故达到较高密度时仍保持低粘。

且甲酸盐的凝固点和结晶温度也都很低。

甲酸盐溶液浓度与密度的关系及甲酸盐的实际结晶温度与密度的关系分别见表22、图6、图7和图8。

表22甲酸盐溶液浓度与密度的关系

甲酸钠

甲酸钾

浓度/g/100ml

密度/g/cm3

浓度/g/100ml

密度/g/cm3

8

1.05

8

1.04

10

1.06

10

1.05

15

1.09

15

1.08

20

1.12

20

1.10

30

1.16

40

1.18

40

1.20

45

1.20

60

1.27

80

1.295

80

1.325

100

1.34

90

1.35

150

1.42

100

1.37

200

1.48

250

1.525

300

1.555

350

1.58

400

1.60

图6

图7

图8甲酸盐的实际结晶温度与密度的关系

②甲酸盐环境适应性

甲酸盐环境适应性见表23。

表23甲酸盐环境适应性评价

盐类

家鼠毒性LD50（mg/Kg）

甲酸钠

11200

甲酸钾

5500

甲酸铯

200-20GG

氯化钠

4000

氯化钾

1500

溴化钙

1920

在Paroln推荐的试验中，所有甲酸盐都归入无毒或实际无毒。

所有的甲酸盐能很快生物降解，在水中只能短期存在，属于易生物降解类，也就是28d生物降解大于70%。

③甲酸盐与聚合物的配伍性

我们对油田常用的增粘剂黄原胶、常用的降滤失剂PAC（聚阴离子纤维素）和交联淀粉衍生物与油田常用盐水配伍后的耐温性能进行了研究。

聚合物经受高温时有不同的表现。

有的聚合物，如黄原胶有一个转换温度。

转换温度是聚合物构形从有序到无序变化的温度。

构型的变化伴随着粘度急剧降低和水解速度急剧增大。

不同的盐对黄原胶的转换温度有不同的影响，有的降低转换温度，有的升高转换温度。

甲酸盐可以增加黄原胶溶液的热稳定性，尤其是甲酸钾，可大幅度提高黄原胶的热稳定性。

溴化物，尤其是溴化钙会降低黄原胶的转换温度，使黄原胶在较低的温度下发生降解。

PAC和交联淀粉衍生物虽然没有转换温度，但是，它们的粘度随温度的增加而降低。

当温度上升到一定高度后，它们的粘度就不能再恢复了。

可能是发生了降解反应。

在钻井液和完井液设计中，聚合物在各种盐水中的长期稳定性比转换温度或降解温度更具有实际意义。

为了给钻井液或完井液设计提供可靠的依据，测定各种盐类对上述聚合物的16h稳定温度是需要的。

实验是用5g/L的黄原胶、10g/L的PAC（最低分子量）和20g/L淀粉衍生物，用各种饱和盐水在各种温度下老化16h，然后再测定粘度或控制失水的能力。

16h稳定温度是指经过老化16h后，聚合物粘度损失50％或降滤失能力降低50％的温度。

图6给出了各种盐水对聚合物16h稳定温度的影响。

图6各种盐水对聚合物16h稳定温度的影响

从图6可以看出，甲酸盐能将常用聚合物的16h稳定温度大幅度提高。

④材料相容性

作业液与材料的相容性是很重要的。

在常用的盐水中，氯化物和溴化物都会引起严重的腐蚀问题。

氯化物对不锈钢可引起坑蚀和应力剥蚀。

坑蚀在酸性溶液中会加大。

溴化锌溶液的pH值很低，坑蚀很难避免。

甲酸盐不是卤化物，其pH值易调，所以腐蚀性小。

用4145钢材对甲酸盐的电化性腐蚀试验表明，在80℃或120℃的情况下，一般腐蚀率都在0.1-1.0mm/年的范围内。

在80℃或150℃上下进行的应力剥蚀（SCC）试验表明，无SCC或只有可忽略的SCC。

以饱和甲酸钾对弹性材料（O形圈）在120℃和175℃下的试验表明，在pH大于10的条件下不推荐使用的弹性体外，一般橡胶类产品都和甲酸盐有好的相容性。

有些ZnBr2或CaCl2会使之变硬的橡胶，与甲酸钾有好的相容性。

⑤微生物生长性能

甲酸盐易降解，是否甲酸盐易繁殖微生物呢?

低浓度下，甲酸盐易生长微生物。

实验表明，当甲酸盐密度在1.04g/cm3以上，细菌不会增长。

低浓度甲酸盐的情况在钻井液、完井液中是很难遇到的。

⑥页岩抑制性强，固相污染容限很高；

甲酸盐的抑制机理有以下三点：

A、电荷中和

甲酸盐钻井液完井液中离子浓度高，压缩粘土胶体颗粒双电层能力强，使粘土负电性大大减弱，水化膨胀能力降低。

B、低活度

甲酸盐钻井液完井液中离子浓度高，自由水较小，水的活度低。

根据活度平衡理论，其渗透压可使页岩孔隙中的水反向流动，这种反渗透作用使钻井液完井液中水流向页岩的净流量减小，结果导致页岩水化降低及毛细管压力上升缓慢，有利于井壁稳定。

C、甲酸盐钻井液完井液的滤液粘度高，使水不易进入地层。

⑦甲酸盐具有保护储层作用

甲酸盐完井液保护储层机理为:

◆固相含量低，可避免固相侵入对储层造成的损害。

◆低活度，强抑制性，可减小液相对储层造成的损害。

◆避免两价阳离子沉淀。

当两价阳离子盐与地层水中的硫酸根离子或碳酸根离子相接触时就产生沉淀。

由于甲酸盐仅有一价离子，故可避免这种损害。

◆减小水锁效应：

由于甲酸盐有一定的表面活性，可降低油/水界面张力，减小水锁效应，有利于提高油气采收率。

从以上介绍可以看出甲酸盐的许多性能正是钻井液与完井液所需要的。

二、甲酸盐钻井液的研究

低固相甲酸盐钻井液配方的研究

通过对室内配制的甲酸盐钻井液的性能评价，优选出甲酸盐钻井液得体系配方。

体系中LP-1为抗盐降失水剂、DFD为改性淀粉、LPFF为改性沥青类防塌剂、SPP-1为聚合醇防塌剂、LPDF为褐煤树脂类防塌剂、ZG-2低莹光沥青防塌剂。

实验结果见表24。

表24无固相甲酸盐钻井液配方性能

序号

配方

钻井液性能

备注

ρ

g/cm3

μAV

mPa.s

μPV

mPa.s

τ0

Pa

APIB

ml

HTHPB

ml

1

水+0.3%HV-PAC+1%

DFD-140+2%LP-1+3%QS-2+

2%LPFF+12%甲酸盐

1.10

45

51

36

46

9

5

1.0

2.3

11

室温

120℃

2

水+0.2%HV-PAC+0.5%CMC

+2.0%LP-1+5%QS-2+10%

甲酸盐

1.10

34

35

27

29

7

6

8.8

9

12

室温

120℃

3

水+0.3%HV-PAC+0.5%CMC

+2.0%LP-1+5%QS-2+40%

甲酸盐

1.20

36

35.5

25

26

11

9.5

8

10.4

29

室温

120℃

4

水+0.3%HV-PAC+0.5%CMC

+2.0%LP-1+2%LPFF+3%QS-2+40%甲酸盐

1.20

36

33

25

26

11

7

3.5

10

12

室温

120℃

5

水+0.3%HV-PAC+0.5%CMC

+2.0%LP-1+5%QS-2+60%

甲酸盐

1.27

29.5

51.5

28

44

1.5

7.5

1.8

7

15

室温

120℃

6

水+0.3%HV-PAC+0.5%

CMC+1%LP-1+3%S-2+2%

2.LPFF+60%甲酸盐

1.27

32.5

53.5

29

47

3.5

6.5

4

3.4

18

室温

120℃

7

水+0.2%HV-PAC+0.5%CMC

+2.0%LP-1+3%QS-2+2%LPFF+60%甲酸盐+1.5%SPP-1

1.27

35.5

47

32

41

15.5

6

3.6

3

14

室温

120℃

8

水+0.5%乳液+0.5%CMC+

2.0%LP-1+3%S-2+2%

LPFF+60%甲酸盐

1.27

31

51

28

48

3

3

3.8

5.2

13

室温

120℃

9

水+0.1%HV-PAC+1%

DFD-140+2.0%LP-1+3%QS-2+2%LPFF+60%甲酸盐+1.5%

SPP-1

1.27

42.5

47.5

37

39

5.5

8.5

1.4

2.4

12

室温

120℃

10

水+0.2%HV-PAC+2%

DFD-140+1%LP-1+3%QS-2

+2%LPFF+60%甲酸盐+1.5%

SPP-1

1.27

56

83

50

71

6

12

2.8

3.0

14

室温

120℃

11

水+0.2%HV-PAC+1%

DFD-140+2%LP-1+3%QS-2+

2%LPFF+1.5%SPP-1+0.2%Sa+300%甲酸盐

1.55

44

33

38

28

6

5

2

3

10

室温

120℃

12

水+0.3%HV-PAC+1%DFD-140

+2.0%LP-1+3%QS-2+2%LPFF+300%甲酸盐

1.55

86.5

68.5

81

59

5.6

9.7

2.0

3.0

11

室温

120℃

经过对以上试验结果进行处理，优选的甲酸盐钻井液配方及性能见表25。

表25优选甲酸盐钻井液配方及性能

配方

ρ

g/cm3

AV

（mPa.S）

PV

（mPa.S）

PP

（Pa.）

APIB

（ml）

HTHPB

（ml）

备注

水+0.2%HV-PAC+1%DFD-140

+2.0%LP-1+3%QS-2+2%LPFF+

60%甲酸盐+1.5%SPP-1

1.27

42.5

37

5.5

1.4

12

室温

47.5

39

8.5

2.4

120℃/16h

水+0.2%HV-PAC+1%DFD-140

+2%LP-1+3%QS-2+2%LPFF+1.5%SPP-1+0.2%Sa+300%甲酸盐

1.55

44

38

6

2

10

室温

33

28

5

3

120℃/16h

由表25可以看出，优选的甲酸盐钻井液具有良好的流变性能和滤失性能。

优选配方抗污染实验结果及抑制性评价实验结果见表26和表27。

表26优选甲酸盐钻井液抗污染性能

配方

试验温度（℃）

AV

（mPa.S）

PV

（mPa.S）

PP

（Pa.）

APIB

（ml）

ρ

g/cm3

甲酸盐配方+3%土粉

室温

35

21

14

8

1.27

120℃/16h

50

20

30

6.8

甲酸盐配方+6%土粉

室温

34

18

16

8.4

1.27

120℃/16h

53

9

44

6.4

甲酸盐配方+0.5%CaSO4

室温

27.5

18

9.5

9

1.28

120℃/16h

48

15

33

6.4

甲酸盐配方+1%CaSO4

室温

27.5

15

12.5

10

1.26

120℃/16h

50

13

37

6.4

有机盐W配方+3%土粉

室温

40

11

29

6.8

1.25

120℃/16h

47.5

30

17.5

5.6

有机盐W配方+0.5%CaSO4

室温

30

20

10

3.6

1.25

120℃/16h

44

26

18

5.2

表27优选甲酸盐钻井液抑制性能评价

实验液

水

优选配方

回收率，%

33

96.4

线膨胀量（8h）,mm

2.80

0.621

由表26和表27可以看出，优选甲酸盐钻井液污染前后性能稳定，回收率高，说明其具有良好的抗污染性能和抑制性能

三、现场应用情况

20GG年以来，胜利油田先后在丰深1井、垦古斜32井、昌1井使用了甲酸盐钻井液体系，取得了不同的试验效果。

1、丰深1井使用井段为3128米至3174米，地层为十分稳定的沙四段的灰岩和致密砂岩，井温148℃左右，垦古斜32井使用井段为2816米至3646米，地层稳定的下古生届的灰岩，井温136℃左右。

在这两口井甲酸盐主要用来调整无固相钻井液的密度,利用HV-PAC提供钻井液粘、切。

该甲酸盐钻井液体系在使用中，表现出粘、切稳定时间短，易降粘、切，现场需要一种抗温能力强、增粘效率高、抗盐效果好的适用于无固相钻井液的增粘剂。

2、昌1井使用井段为2450米至3200米，地层主要为沙三段泥岩，该段泥岩具有微裂缝较发育、易坍塌的特性。

无固相甲酸盐钻井液的组成：

海水+2%LP-1+3%DFD+3%LPHF+0.3%HV-PAC+5%超细CaCO3+15%HCOONa

钻井液性能：

ρ1.15g/cm3FV65-70SPV22mPa.SPP7PaAPIB4ml

该体系在使用中，地层坍塌掉块较严重，起钻遇卡，下钻遇阻、划眼。

后改为低固相聚合物防塌钻井液体系，井下逐渐恢复正常。

四、结论

1、甲酸盐具有清洁盐水密度范围宽、结晶温度和腐蚀电位低、能提高高分子高温稳定性、无毒、抑制泥页岩水化分散能力强等优点，有利于油气层保护等优点。

2、甲酸盐钻井液有良好的页岩抑制能力、稳定易控制的失水性能、低的固相含量和流动阻力，有利于保护油气层、提高机械钻速及保护环境。

3、在井温超过140℃的深井施工中，缺少一种抗温性能好、高效抗盐的增粘剂。

4、在微裂缝发育的硬脆性泥页岩的钻井施工中，由于甲酸盐钻井液中不含细的粘土颗粒，无法实现对泥页岩微裂缝的有效封堵，钻井液及滤液易侵入地层，引起泥岩的裂解，导致地层坍塌。

因此该体系不太适用于微裂缝发育的硬脆性泥页岩的钻井施工。