深井高温高密度水基钻井液性能控制原理研究

【摘要】随着世界能源需求的增加和地球浅层资源的过度开发,人们不得不把钻探目标从浅海转向深海、从浅层逐步转向深层,深井和超深井的钻探已经成为今后钻探工业发展的一个重要方向。由于井越深,技术上的困难越多,因此，世界各国都把钻井深度和速度作为钻井工艺技术水平的重要标志。深井钻探对钻井液的要求不是仅仅量的累加而是质的提高,是不同于浅井钻井液的一项新的钻井液体系和工艺技术,目前深井水基钻井液的流变性控制仍是目前钻井液技术未能很好解决的重大技术难题,当高温、高矿化度、高密度同时存在时,钻井液的流变性能、失水造壁性能更加难以控制,具体表现为低温和高温流变性很难同时兼顾,HTHP失水大且泥饼厚。因此,深入研究能“同时满足高温(>180℃)、高矿化度、高密度(>2.00g/cm3)三大要求的水基钻井液技术”的作用机理,形成新的理论认识,指导高温高密度水基钻井液技术的改进和提高,从而满足我国复杂地层深井安全、快速、优质、高效钻井的技术需要,使我国钻井液技术达到世界先进水平显得尤为重要。本文的研究内容是中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目：钻井新技术新方法研究的子课题“高温(>180℃)、高矿化度(达饱和)、高密度(2.00—2.50g/cm3)水基钻井液控制原理及应用技术研究”的后半部分,该项目的前半部分完成了抗温200℃抗盐(饱和)降失水剂的研究,高温高矿化度的低密度钻井液的性能控制采用少量的几种处理剂已经能够很好的解决,但是当钻井液密度加重到2.00g/cm3以上,钻井液体系的性能仍然很难维持,特别是流变性能严重变差,同时,其HTHP造壁性能也常常随之破坏,造成即使高温、高矿化度低密度钻井液性能过关,加重过后的高密度钻井液性能仍然难以过关的局面。成为高温水基钻井液技术致今未能很好解决的重大技术难题。过去人们把注意力主要集中在高温降黏剂等处理剂的研制上,虽然取得一些成果,但是国内外至今还未突破。本文通过理论分析结合室内实验,深入研究高密度水基钻井液的沉降稳定性、流变性、失水造壁性能的影响因素及控制原理,特别是针对高浓度重晶石颗粒的存在对钻井液流变性及HTHP造壁性的严重影响,取得以下认识和成果：1)当钻井液中重晶石颗粒浓度增加时,其颗粒间存在着相互作用(不再是“惰性”),随着颗粒浓度的增加,颗粒间相互作用及状态不断改变而使其稳定性发生复杂的变化。总体来说可以分为三个不同的阶段：自由沉降阶段、压缩沉降阶段、以及它们之间的过渡阶段。研究还发现：高密度钻井液中高浓度重晶石粒子之间的作用不仅对钻井液沉降稳定性有重要影响,而且还直接增加钻井液的静切力与动切力以及钻井液的表观黏度。2)研究发现随着钻井液密度的增大,钻井液中重晶石颗粒浓度达到一定数值后,流动时重晶石颗粒直接接触的概率大幅度增加,颗粒间紧密接触的摩擦力随之急剧增加,成为除增加非结构黏度外新的不可忽视的流动阻力。因此,高密度钻井液的表观黏度不再只是现有理论认为的“结构黏度”和“非结构黏度”两部份构成。而应该由三部分构成：即表观黏度=非结构黏度(液相黏度+固相粒子-液相界面间的摩擦…)+结构黏度(黏土粒子卡片房子结构,聚合物黏土粒子网状结构)+固相粒子(紧密)接触摩擦引起的黏度…。研究发现根据颗粒密堆集原理,体系中含同样质量的颗粒,它们表面接触程度和状态,主要不取决于颗粒的分散度,而与颗粒分散度级数分配有很大关系,可由优选颗粒级配来使之达到最小。利用“小颗粒填缝降黏原理”可以大幅度降低这种高颗粒浓度流体体系流动阻力(黏度、切力)。同时研究证实：一定尺寸的填缝小颗粒在高密度钻井液体系中存在“滚动减摩擦作用”,也可以进一步降低原有高密度钻井液的流动阻力。3)研究发现高密度钻井液难以维持优良HTHP失水造壁性的主要原因是高密度钻井液体系中参与“造壁”作用的主要是大量74μm的API标准重晶石颗粒以及极少量(1%左右)的纳—微米黏土胶体颗粒。这种级配的颗粒不可能形成致密泥饼,无法维持优良的造壁性。通过研究发现优化重晶石的级配使之与黏土胶体粒子配合形成紧密堆集,堆积密度越大,泥饼越薄越致密,HTHP失水越小,HTHP失水造壁性能越好。为此,在API标准重晶石和黏土胶体颗粒间引入一到两级中间粒子,其粒径为加重剂粒子(API标准重晶石)粒径的0.05—0.15倍(靠近下限),加量大于加重剂粒子(API标准重晶石)加量的1/4,并保持1%—-2%的黏土胶体粒子…。4)优化、集成上述研究成果,提出了同时解决高温高密度(p:2.00-2.50g/cm3)钻井液流变性及HTHP造壁性难以调控的重大技术难题的新原理和新方法：在优良的抗温、抗盐含黏土的低密度钻井液的基础上,优化加重剂(如重晶石)粒子级配,利用“小颗粒填缝降黏原理”和填缝小颗粒“滚动减摩擦作用”以及“紧密堆集”造壁原理,既有效控制了高温高密度(p:2.00-2.50g/cm3)钻井液流变性,又很好维持了其HTHP造壁性。为解决高温高密度(p:2.00-2.50g/cm3)钻井液流变性及HTHP造壁性难以很好维护、控制这个重大技术难题提供有效的理论支持和实验依据。应用该原理研究可以比较容易得到一个深井高温高密度水基饱和盐水钻井液体系并进行评价。5)因此,只要高温、高矿化度低密度水基钻井液性能过关,在其基础上,应用上述原理,优化加重剂(如重晶石)粒子级配,即使不再加入其它抗温降黏剂,降滤失剂也能建立起性能优良的高温、高密度钻井液体系,从而大大简化了钻井液体系的配方、减少了添加剂的加量,简化了应用工艺,为现场施工提供了方便、降低了成本。
【作者】白杨；
【导师】罗平亚；
【作者基本信息】西南石油大学，油气井工程，2014，博士
【关键词】高密度；高温；水基钻井液；泥饼质量；流变性；沉降稳定性；粒径分析；固相；含量；粒径级配；重晶石；

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