水基鉆井液劣質固相控制及其現場應用

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研究院,四川廣漢 618300;2．油氣田應用化學四川省重點實驗室,四川廣漢 618300)

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

1 低密度劣質固相產生與控制原理

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行至關重要。

1.1 低密度劣質固相產生

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分散,是導致水基鉆井液低密度劣質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構可簡化為由不同的片狀結構疊加組合而成。正常情況下,黏土片狀結構間連接作用力強,黏土礦物結構穩定。當黏土礦物存在于水相中時,由于水分子的侵入,導致其片狀結構分離,從而使得黏土顆粒分散成越來越細小的顆粒結構,當顆粒分散達到一定尺寸以后,會轉變為具有帶電特性的膠體顆粒,可長期存在于鉆井液中,嚴重影響鉆井液性能[7];其次,由于該膠體的結構尺寸遠小于鉆井固控處理所能作用的范圍,導致其不易從鉆井液中清除[8]。因此,隨著鉆井進尺的不斷增加以及井筒內鉆井液的不斷循環,促使鉆井液中的劣質固相含量逐漸增加。

1.2 低密度劣質固相控制原理

鉆井液中有害固相處理普遍采用地面沉降法、稀釋法、機械分離法、化學處理法,不同處理方法其作用原理不同、應用條件也不同[9-10]。為了有效控制鉆井液中低密度劣質固相含量的增加,本文采用化學方法實現對鉆井液中黏土礦物水化細分散的控制。圖1為黏土水化細分散控制機理圖,處理劑進入黏土礦物晶層結構后,可增強巖屑中黏土礦物晶層結構間的連接力,避免水分子侵入導致黏土晶層結構不斷細分散,從而保證返出巖屑顆粒成型且具有一定的強度。隨后,利用固控系統及時篩除鉆井液中的巖屑,避免其反復參與鉆井循環,從源頭上控制鉆井液中低密度劣質固相含量的增加。

圖1 黏土水化細分散控制機理

2 黏土礦物水化細分散控制分析

水基鉆井液中泥頁巖黏土礦物水化細分散是導致鉆井液中低密度劣質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構的低分子胺類處理劑CQ-ATP對泥頁巖黏土礦物水化細分散進行控制,從而有效控制鉆井液中低密度劣質固相含量增加[11-12]。

2.1 黏土粒度分析

室內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分散的情況。由表1可以看出,經不同方式處理后,膨潤土粒徑尺寸分布區域范圍不同。其中,膨潤土經清水熱滾以后,黏土顆粒D50為2.87 μm、D90為3.79 μm;經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果,可達到有效控制黏土水化細分散。同時,將經3%CQ-ATP溶液處理后的膨潤土樣,經清水沖洗、抽濾后,再次放入清水中進行熱滾處理,其粒徑尺寸分布范圍與2#配方相近,未進一步發生水化細分散,具備持久作用能力。

表1 膨潤土粒徑分布評價

2.2 對黏土礦物晶層結構影響分析

2.2.1 晶層間距分析

針對黏土礦物水化細分散晶層間距變化,室內采用便捷式XRD衍射分析儀測定經清水與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,測試結果如表2所示。由表2可以看出,未經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,未發生晶層分離現象,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據可以看出,經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進入黏土礦物晶層結構所致;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,這是由于CQ-ATP增強了黏土礦物晶層間的連接作用,阻礙了水分子進入黏土礦物晶層結構,從而有效保障了黏土礦物晶層結構的穩定。

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3%CQ-ATP溶液熱滾處理后的膨潤土樣品,室內采用WQF-520傅立葉變換紅外光譜儀進行分析。對于膨潤土測試樣品,在3 620 cm-1附近出現Al-O-H的伸縮振動吸收峰,這是膨潤土晶格中含有結晶水的反映,在917 cm-1附近有一個弱的吸收譜帶,認為與膨潤土中的Al-O-H鍵的振動有關。在3 440 cm-1附近出現較寬的水分子H-O-H的伸縮振動吸收帶,在中頻區1 637 cm-1附近出現水分子H-O-H的彎曲振動吸收峰,均是膨潤土層間吸附水的表現,說明膨潤土以及經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1 035 cm-1附近有一強吸收譜帶,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。在低頻區出現的兩個強的吸收譜帶分別在520 cm-1附近和466 cm-1附近可以認為與膨潤土的Si-O-M(金屬陽離子)和M-O的偶合振動有關。上述兩種樣品均出現了以上吸收峰,說明膨潤土層間陽離子被有機基團置換后,層狀硅酸鹽的骨架沒有改變;相對于膨潤土樣品,經3%CQ-ATP溶液處理后的膨潤土樣品在2 929 cm-1附近出現了C-N伸縮振動吸收峰,表明胺類處理劑已經進入了膨潤土的層間結構中。

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對黏土水化細分散的影響,室內針對現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;鉆井液中預先加入2%CQ-ATP后再添加10%膨潤土,鉆井液流變參數上漲,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定,這說明該胺類處理劑可有效降低黏土水化細分散對鉆井液性能的影響。

表3 抗黏土污染評價實驗

3 現場應用

3.1 基本情況

RX井是一口直井,四開φ215.9 mm井眼設計采用密度2.07～2.15 g/cm3水基鉆井液鉆進石牛欄組、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、顆粒間膠結物軟化或溶解,導致頁巖強度顯著降低或軟化。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,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分散嚴重,導致高密度水基鉆井液中劣質固相含量顯著增加,鉆井液黏度、切力增幅較大,流變性能調控困難,其中漏斗黏度值最高達到115 s、終切值最高達到38 Pa。

3.2 應用分析

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%,實鉆進尺610 m,其中龍馬溪組地層段長464.5 m。四開井段鉆進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;鉆井過程無復雜情況,起下鉆順利,四開井眼擴大率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,是導致黏土水化細分散的根本原因。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重、細分散、黏附力強(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 能有效進入黏土晶層片狀結構,增強黏土晶層片狀結構連接,控制鉆進過程中黏土礦物水化細分散,從而最大限度地保障返出巖屑成型,且具有一定的強度,隨后通過地面固控系統及時有效分離,實現對鉆井液中低密度劣質固相控制,從而有效維持鉆井液性能穩定,保障鉆井液循環利用。

4 結論

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,是導致黏土水化細分散的根本原因。采用低分子胺類處理劑CQ-ATP,可有效進入黏土礦物晶層結構,并通過分子中的吸附基團作用于上下晶層片狀結構,增強黏土礦物晶層結構連接,從而有效保障黏土礦物晶層結構穩定,實現對黏土水化細分散控制。

2)現場應用表明,通過CQ-ATP對鉆井液中黏土礦物水化細分散控制,可最大限度地保障返出巖屑成型且具有一定的強度,利用地面固控系統及時有效分離,可顯著降低鉆井液低密度劣質固相含量增加,維持鉆井液性能穩定,實現鉆井液循環利用。