正电胶钻井液性能影响因素分析

2016-09-09杨睿

长江大学学报(自科版) 2016年26期

关键词：失剂钻屑膨润土

杨睿

(长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州 434023)

李君，曹光福，申延晴张浩，杨英波

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆克拉玛依 834000)

正电胶钻井液性能影响因素分析

杨睿

(长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州 434023)

李君，曹光福，申延晴张浩，杨英波

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆克拉玛依 834000)

针对正电胶钻井液在现场应用过程中钻井液携砂、悬砂困难等问题，室内研究了降滤失剂的类型、膨润土和钻屑质量分数、pH值等对正电胶钻井液流变特性和滤失量的影响。研究结果表明，常用的阴离子降滤失剂在降低正电胶钻井液滤失量的同时导致钻井液切力急剧下降，携砂和悬砂困难；非离子型和阳离子降滤失剂能很好地维持钻井液切力不变。膨润土和钻屑质量分数过高时，不利于钻井液流变性的控制，膨润土和钻屑的质量分数都应控制在4.0%以下。pH值过高或过低也会使钻井液失去良好的流变特性，一般应控制在9～11之间。该研究对正电胶钻井液现场应用具有理论指导意义。

正电胶钻井液；触变性；滤失量；流变性；pH值

正电胶钻井液是由正电胶MMH、膨润土、其他处理剂、水组成的一种电位大于—10mV的水基钻井液体系，具有独特的流变性，即钻井液静止时呈现半固体状态，具有一定弹性，搅拌时产生极强的剪切稀释性能，体现出“固-液双重性”[1]。其原因主要是形成的MMH-水-黏土复合体结构所引起的，静止时体系的水全部被极化后可形成空间网架结构，因而结构强度大，表现为静切力较高，但这种极化水链很容易被破坏，所以搅拌时很容易变稀[2]，这种特性是正电胶钻井液的独特流变性，使正电胶钻井液体系具有很好的携砂和悬砂作用。该钻井液同时具有抑制性强、抗可溶性盐污染能力强、热稳定性好、储层保护性好等特点，常用来钻水平井或地层泥页岩含量高的井。但现场在使用该钻井液体系时往往忽略了正电胶处理剂的作用机理，在其他处理剂的使用、膨润土和钻屑含量控制、pH值调整等方面易于忽视，使正电胶钻井液体系流变性类似于一般聚合物钻井液体系，导致钻井液携砂性和悬砂性下降，严重时导致井眼净化困难并发生沉砂卡钻等事故。针对现场出现的问题进行了试验研究和理论分析，以期指导正电胶钻井液在页岩气开发中的水平井、大斜度井中的正确应用。

1　正电胶钻井液结构特征及作用机理

我国现场应用的正电胶产品主要是铝镁氢氧化物(Al-MgMMH)正电胶，其化学组成式为：Mg0.43Al(OH)3.72Cl0.140.5H2O，具有类似于水滑石层状结构，层片具有类水镁石结构，在pH值为9～11时该结构最稳定[3]。

正电胶钻井液中正电溶胶粒子带有较高的正电荷，对其周围水分子必然产生一个定向极化作用，使水分子在胶粒周围形成稳固的水化膜，这个水化膜的外沿显正电性，而黏土胶粒带负电荷也会产生类似作用，只是水化膜外沿显负电性。极化的水分子充填于正电胶粒子和黏土粒子之间，使两个粒子保持一定距离而不再靠近(包括物理阻隔和电性阻隔)。这样，在整个空间就会形成水分子稳定的体系，称这种由正负颗粒与水分子形成的稳定体系为“复合体”[4]。该“复合体”空间稳定结构是通过“静电”来实现的，与常规的聚合物钻井液中的结构体系是不同的，因此，影响该钻井液体系性能的因素与常规钻井液也是不同的。影响正电胶电性强弱和“复合体”数目等因素都会使正电胶钻井液的性能发生改变。

2　影响正电胶钻井液性能的因素

2.1降滤失剂

正电胶钻井液体系尽管具有很好的流变性、抑制性、储层保护性，但其最大的弱点是滤失量不易控制，泥饼厚而且韧性不好。这主要是该钻井液平均粒径较大，正电胶粒子具有与高分子化合物相类似的“敏化”和“保护”作用，MMH自身的粒度分布也不是很均匀，再加上其强吸附性，很容易协同其他处理剂形成大颗粒分子，使钻井液表现出粗分散体系特点，也就是结构强、滤失量大、泥饼厚且韧性差。因此，现场应用时，控制钻井液滤失量是最重要的工作。室内选择了3种常用类型的降滤失剂，评价其对钻井液流变性和滤失性的影响，结果如表1所示。正电胶钻井液基本配方：3.5%膨润土+0.1%NaOH+0.40%MMH+1.2%非离子型降滤失剂DF-1 +降滤失剂(配方中的百分数为质量分数，即每100mL钻井液中所加处理剂的质量，下同)。阴离子型降滤失剂LV-CMC、LV-PAC、SMP、SMC加入到正电胶钻井液中，钻井液滤失量下降，泥饼质量变好，但钻井液的动切力及静切力大幅下降，钻井液体系失去了独特流变性，悬砂性和携砂性下降；非离子型降滤失剂YDF-1、TRDT能降低钻井液滤失量，动切力和静切力基本不变，对钻井液悬砂性和携砂性无影响；阳离子降滤失剂YLQ、RHLQ有很好的降滤失性，泥饼质量好，但黏度和切力增加明显。因此，现场应用正电胶钻井液体系时一定要注意处理剂的类型，尽量选择非离子或阳离子型的处理剂，保证钻井液体系的电性，以确保钻井液体系具有独特的流变性。

表1　降滤失剂类型对正电胶钻井液性能影响

注：μa为表观黏度；μp为塑性黏度；τd为动切力；Rdp为动塑比；τi为初切力；τf为终切力；VAPI为API滤失量。下同。

2.2膨润土

正电胶作为正电胶钻井液体系中的增黏剂和抑制剂，主要是利用其电性特点形成的MMH-水-黏土“复合体”来提高钻井液的“结构”。当钻井液体系中的膨润土质量分数过高时，体系中的“复合体”结构也会过高，使钻井液体系的黏度、动切力过大，导致钻井液循环不畅，滤失量也不好控制。因此，使用正电胶钻井液体系时一定要控制好钻井液体系中膨润土质量分数[5]。室内评价了膨润土对正电胶钻井液性能的影响，结果如表2所示。膨润土质量分数越高，钻井液表观黏度、动切力、静切力和动塑比越来越高，表明钻井液中的“复合体”结构也越多和越强。膨润土质量分数超过4.0%后，钻井液表观黏度、动切力、静切力及动塑比过大，影响钻井液的循环。因此，配制正电胶钻井液时膨润土的质量分数应控制在4.0%以下。

表2　膨润土质量分数对正电胶钻井液性能影响

2.3钻屑

钻井液中的钻屑与膨润土具有相同的特点，也能形成MMH-水-黏土“复合体”，不同的是钻屑会明显导致钻井液黏度增加，钻井液泥饼质量变差，摩擦系数提高[6]。室内评价了钻屑对正电胶钻井液性能的影响，结果如表3所示。钻屑质量分数增加时，钻井液表观黏度、塑性黏度大幅增加，动切力缓慢增加，动塑比下降，静切力上升，滤失量增大，泥饼厚度增加。表明钻屑质量分数对钻井液流变性有明显的影响。固相质量分数超过4.0%时，影响程度大。因此，现场要加强固控设备的应用，钻井液中钻屑质量分数应控制在4.0%以下。

表3　钻屑质量分数对正电胶钻井液性能影响

2.4pH值

现场上常用的正电胶一般是用AlCl3和MgCl2混合盐溶液与NH4OH、KOH、NaOH共沉淀剂，在pH值为8～11的条件下制备而得的。制备时发现，pH值低于8.1时不能形成溶胶而形成了凝胶，pH值高于11时不形成溶胶，也不能形成凝胶，而生成了偏铝酸盐，可见pH值的大小直接影响到制备产品的形态及性质[7]。为此，室内评价了pH值对正电胶钻井液性能的影响，结果如表4所示。

表4　pH值对正电胶钻井液性能的影响

pH值对钻井液性能的影响与制备正电胶时pH值范围有对应关系。pH值低于8时，钻井液表现出的性能类似于一般的聚合物钻井液体系，且滤失量略增大；pH值高于11时，钻井液表现出的性能也类似于一般的聚合物钻井液体系，且滤失量增大明显；pH值在8～11之间时性能稳定。造成该现象的主要原因是pH值低于8时，正电胶MMH以AlCl3和MgCl2无机盐的形式存在，导致钻井液性能失去独特流变性、滤失量增大；pH值大于11时，正电胶MMH以偏铝酸盐的形式存在，导致钻井液性能失去独特流变性、滤失量增大。因此，现场在使用正电胶钻井液体系时，一定要控制好pH值，否则就失去了应用正电胶钻井液体系的意义。