水基钻井液劣质固相控制及其现场应用

2023-10-20舒小波陈俊斌

石油地质与工程 2023年5期

舒小波,陈俊斌,欧翔

(1．中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院,四川广汉 618300;2．油气田应用化学四川省重点实验室,四川广汉 618300)

黏土矿物大量存在于泥页岩地层中,在泥页岩地层钻进时,由于黏土矿物具有极强的亲水特性,易与水发生水合作用,导致黏土矿物水化细分散于水基钻井液中,增加了钻井液低密度劣质固相含量,进而影响钻井液流变性能,特别是对于高密度钻井液,影响严重时无法调整钻井液流变性能,只能于后期进行井浆置换,不仅增加了钻井成本,同时还增加了环保压力[1-3]。如何有效控制钻井液中低密度劣质固相含量增加,一方面是从源头进行控制,另一方面则是进行后期处理[4-6]。针对上述问题,本文通过化学方法增强泥页岩中黏土矿物晶层结构连接,从而保证返出岩屑颗粒成型且具有一定的强度;同时,加强固控处理,及时清除无用固相,避免其反复参与钻井液循环,从源头上有效控制钻井液中低密度劣质固相含量增加,从而有效维护钻井液性能稳定。

1 低密度劣质固相产生与控制原理

钻井液中的固相成分包含有用固相与有害固相,有效控制或清除钻井液中的有害固相含量,对于保证钻井正常顺利进行至关重要。

1.1 低密度劣质固相产生

石油钻井过程中,井筒岩屑的不断积累以及岩屑中黏土矿物的水化细分散,是导致水基钻井液低密度劣质固相含量逐渐增加的主要原因。地层岩屑中的黏土矿物晶层结构可简化为由不同的片状结构叠加组合而成。正常情况下,黏土片状结构间连接作用力强,黏土矿物结构稳定。当黏土矿物存在于水相中时,由于水分子的侵入,导致其片状结构分离,从而使得黏土颗粒分散成越来越细小的颗粒结构,当颗粒分散达到一定尺寸以后,会转变为具有带电特性的胶体颗粒,可长期存在于钻井液中,严重影响钻井液性能[7];其次,由于该胶体的结构尺寸远小于钻井固控处理所能作用的范围,导致其不易从钻井液中清除[8]。因此,随着钻井进尺的不断增加以及井筒内钻井液的不断循环,促使钻井液中的劣质固相含量逐渐增加。

1.2 低密度劣质固相控制原理

钻井液中有害固相处理普遍采用地面沉降法、稀释法、机械分离法、化学处理法,不同处理方法其作用原理不同、应用条件也不同[9-10]。为了有效控制钻井液中低密度劣质固相含量的增加,本文采用化学方法实现对钻井液中黏土矿物水化细分散的控制。图1为黏土水化细分散控制机理图,处理剂进入黏土矿物晶层结构后,可增强岩屑中黏土矿物晶层结构间的连接力,避免水分子侵入导致黏土晶层结构不断细分散,从而保证返出岩屑颗粒成型且具有一定的强度。随后,利用固控系统及时筛除钻井液中的岩屑,避免其反复参与钻井循环,从源头上控制钻井液中低密度劣质固相含量的增加。

图1 黏土水化细分散控制机理

2 黏土矿物水化细分散控制分析

水基钻井液中泥页岩黏土矿物水化细分散是导致钻井液中低密度劣质固相含量不断增加的主要原因。为此,本文采用一种可作用于黏土晶层结构的低分子胺类处理剂CQ-ATP对泥页岩黏土矿物水化细分散进行控制,从而有效控制钻井液中低密度劣质固相含量增加[11-12]。

2.1 黏土粒度分析

室内选用以蒙脱石为主的膨润土为测试样品,采用LS900激光粒度分析仪测定了经不同溶液热滚处理(热滚条件为150 ℃×16 h)后的膨润土粒径分布情况(表1),以此评价黏土水化细分散的情况。由表1可以看出,经不同方式处理后,膨润土粒径尺寸分布区域范围不同。其中,膨润土经清水热滚以后,黏土颗粒D50为2.87 μm、D90为3.79 μm;经3%CQ-ATP溶液热滚以后,黏土颗粒尺寸D50为7.23 μm、D90为13.78 μm,黏土颗粒尺寸显著高于清水处理的结果,可达到有效控制黏土水化细分散。同时,将经3%CQ-ATP溶液处理后的膨润土样,经清水冲洗、抽滤后,再次放入清水中进行热滚处理,其粒径尺寸分布范围与2#配方相近,未进一步发生水化细分散,具备持久作用能力。

表1 膨润土粒径分布评价

2.2 对黏土矿物晶层结构影响分析

2.2.1 晶层间距分析

针对黏土矿物水化细分散晶层间距变化,室内采用便捷式XRD衍射分析仪测定经清水与3%CQ-ATP溶液热滚处理(热滚条件为150 ℃×16 h)后的膨润土样品的晶层间距,测试结果如表2所示。由表2可以看出,未经任何处理的膨润土干样,其晶层间距为1.0 nm左右。相反,由于采用清水热滚后测定的膨润土晶层间距超出了仪器测量范围,使得其特征峰消失,因而未能测定出该值,其晶层间距可增至2.0 nm以上直至晶层分离,特征峰向较小2θ方向移动;采用3%CQ-ATP水溶液处理后的膨润土样品,未发生晶层分离现象,且无论是干样还是湿样,两者的晶层间距均维持在1.4 nm左右,略高于膨润土干样,但显著低于清水处理后的膨润土样品。通过对比膨润土与CQ-ATP处理后的膨润土样品晶层间距数据可以看出,经CQ-ATP处理后的膨润土,其晶层间距大于膨润土干样,这是由于CQ-ATP进入黏土矿物晶层结构所致;对比CQ-ATP处理后的膨润土干/湿样晶层间距,两者晶层间距相当,这是由于CQ-ATP增强了黏土矿物晶层间的连接作用,阻碍了水分子进入黏土矿物晶层结构,从而有效保障了黏土矿物晶层结构的稳定。

表2 不同方式处理后的黏土矿物晶层间距分析

2.2.2 红外光谱分析

针对上述膨润土与经3%CQ-ATP溶液热滚处理后的膨润土样品,室内采用WQF-520傅立叶变换红外光谱仪进行分析。对于膨润土测试样品,在3 620 cm-1附近出现Al-O-H的伸缩振动吸收峰,这是膨润土晶格中含有结晶水的反映,在917 cm-1附近有一个弱的吸收谱带,认为与膨润土中的Al-O-H键的振动有关。在3 440 cm-1附近出现较宽的水分子H-O-H的伸缩振动吸收带,在中频区1 637 cm-1附近出现水分子H-O-H的弯曲振动吸收峰,均是膨润土层间吸附水的表现,说明膨润土以及经不同方式处理后的膨润土中仍存在水合物。相对于膨润土样品,经3%CQ-ATP溶液处理后的膨润土样品在3 440 cm-1附近的振动吸收峰有所减弱,说明处理剂将层间水分子排挤了出来,层间吸附水有所失去;在3 620 cm-1附近的吸收峰依然存在,说明晶格中的水分并没有完全失去;在中频区1 035 cm-1附近有一强吸收谱带,为Si-O-Si的不对称伸缩振动。790 cm-1附近为Mg-Al-OH的振动吸收峰。在低频区出现的两个强的吸收谱带分别在520 cm-1附近和466 cm-1附近可以认为与膨润土的Si-O-M(金属阳离子)和M-O的偶合振动有关。上述两种样品均出现了以上吸收峰,说明膨润土层间阳离子被有机基团置换后,层状硅酸盐的骨架没有改变;相对于膨润土样品,经3%CQ-ATP溶液处理后的膨润土样品在2 929 cm-1附近出现了C-N伸缩振动吸收峰,表明胺类处理剂已经进入了膨润土的层间结构中。

2.3 对钻井液性能影响评价

为有效评价钻井液中胺类处理剂CQ-ATP对黏土水化细分散的影响,室内针对现场不同密度水基钻井液开展了抗黏土污染评价实验,测试结果如表3所示。从表3可以看出,不同密度水基钻井液中加入10%膨润土,钻井液表观黏度、塑性黏度、动切力以及静切力均大幅提升;钻井液中预先加入2%CQ-ATP后再添加10%膨润土,钻井液流变参数上涨,但涨幅明显小于未添加CQ-ATP的钻井液试样,同时钻井液静切力相对稳定,这说明该胺类处理剂可有效降低黏土水化细分散对钻井液性能的影响。

表3 抗黏土污染评价实验

3 现场应用

3.1 基本情况

RX井是一口直井,四开φ215.9 mm井眼设计采用密度2.07～2.15 g/cm3水基钻井液钻进石牛栏组、龙马溪组、五峰组、宝塔组等地层。该井龙马溪组地层上部为灰色、绿灰色泥岩,下部为灰黑色、黑色页岩,其黏土矿物分析如表4所示。从表4中可以看出,该井龙马溪组泥岩与页岩黏土矿物含量大于50%,以伊利石为主,存在伊/蒙混层、绿泥石。其特点是:泥岩遇水极易水化分散;页岩存在裂缝、层理,遇水后黏土水化、颗粒间胶结物软化或溶解,导致页岩强度显著降低或软化。图2为邻井WX井振动筛返出龙马溪组地层岩屑情况,该井采用密度2.38 g/cm3水基钻井液钻进,从图2中可以看出,龙马溪组地层泥岩、页岩黏土矿物水化细分散严重,导致高密度水基钻井液中劣质固相含量显著增加,钻井液黏度、切力增幅较大,流变性能调控困难,其中漏斗黏度值最高达到115 s、终切值最高达到38 Pa。

3.2 应用分析

RX井完钻井深4 123 m,完钻层位宝塔组,采用密度2.11～2.14 g/cm3高密度水基钻井液,钻井过程中维持钻井液中CQ-ATP含量1%～2%,实钻进尺610 m,其中龙马溪组地层段长464.5 m。四开井段钻进过程中钻井液性能可控,钻井液漏斗黏度53～70 s、塑性黏度45～55 mPa·s、动切力7～12 Pa、静切力(初切/终切)1～2 Pa/5～12 Pa,完钻以后其低密度劣质固相含量约6%;通过对振动筛返出岩屑的分析可看出,振动筛返出泥岩、页岩岩屑成型度较好、PDC齿痕清晰可见(图3),过12目筛清洗烘干后,大于1.7 mm的岩屑颗粒占比70%以上;钻井过程无复杂情况,起下钻顺利,四开井眼扩大率5.6%,五趟电测一次性到底。

图3 RX井振动筛返出龙马溪组岩屑情况

黏土矿物水化以后,黏土晶层间距增大直至晶层相互剥离,是导致黏土水化细分散的根本原因。RX井与邻井WX井采用同一套水基钻井液体系,通过对比可以看出:WX井返出岩屑黏土矿物水化严重、细分散、黏附力强(图2);RX井维持CQ-ATP含量在1.5%左右,返出岩屑成型度好、尺寸大、PDC齿痕清晰可见(图3)。这是由于水基钻井液中CQ-ATP 能有效进入黏土晶层片状结构,增强黏土晶层片状结构连接,控制钻进过程中黏土矿物水化细分散,从而最大限度地保障返出岩屑成型,且具有一定的强度,随后通过地面固控系统及时有效分离,实现对钻井液中低密度劣质固相控制,从而有效维持钻井液性能稳定,保障钻井液循环利用。