高原冻土区低固相成膜剂钻井液配方优选.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目资助()中国矿业大学重大项目培育专项(重点)()作者简介:张雨晨()男河南开封人中国矿业大学在读硕士师从郝树青教授主要从事地质工程、地质勘探等方向的研究 电话:.高原冻土区低固相成膜剂钻井液配方优选张雨晨郝树青杜欣齐(.中国矿业大学 资源与地球科学学院江苏 徐州.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室江苏 徐州)摘 要:为解决在高原冻土层实施钻井勘探中出现井壁失稳坍塌及钻井液对储层侵害等问题以氯化钠为抗冻剂、硅酸钠为成膜剂采用正交实验法进行室内实验最终在多组钻井液配方中优选出两组抗低温成膜剂钻井液配方在 下使用的配方(清水 .膨润土 .硅酸钠)在 下使用的配方(清水 .膨润土.硅酸钠)其主要性能指标是:值.值.值.值././经对两组钻井液的流变参数测定及滤饼质量观测两组配方均具有较好的流变性能并能形成致密有韧性的半透膜故两组钻井液配方都满足在高原冻土层钻井勘探的使用要求关键词:高原冻土低温钻井液正交实验流变性能滤饼质量中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.(.)(.).:././.:祁连山冻土区域存在着丰富的矿产资源 但往往在冻土层进行勘探钻孔时由于在低温条件下钻井液的流变性能会受到严重影响并且冻土层随着外部温压条件改变及钻井液侵入导致其物理性质发生改变使地层融化及融化后导致卡钻、井壁掉块、甚至井坍塌等事故影响工程的进度 故许多学第 期张雨晨等:高原冻土区低固相成膜剂钻井液配方优选者会在钻井液体系中添加盐类或醇类作为抗冻剂使得钻井液能够在低温条件下具有优良的流变性能 为能提高在冻土区钻探的速度及质量配制出低温成膜剂钻井液体系不仅能够适用于低温条件下的冻土区域还能够形成一层质量优良的泥皮半透膜阻止钻井液侵入地层 实验部分.材料与仪器分析纯钠基膨润土、水解聚丙烯腈钠盐()、黄原胶、硅酸钠(模数在.为最优故本试验选择模数为 的硅酸钠)均为工业级 数 显 变 频 高 速 搅 拌 机(转 速 /)型泥浆失水量测定仪型黏度计 低温恒温槽 电子秤(.).实验方法采用 因素 水平正交实验的方法开展室内实验各试剂如下(各个试剂材料含量根据水的百分比进行添加):防冻剂选择 溶液其含量为由于在实验过程中发现所配制的钻井液在 下放置 以上时其内会存在极少量冰屑故在考虑到钻井液性能与各试剂材料含量的关系及结合 的抗盐性能在 条件下 的含量设置为 膨润土含量()为.降滤失剂 的含量()为.黄原胶的含量()为.成膜剂硅酸钠的含量()为.考虑到祁连山冻土层地表温度常年在.低温梯度./确定低温钻井液的冰点为 测量在 下钻井液体系的表观黏度()、塑性黏度()、动切力()及滤失量()得到 组的实验数据.钻井液配制在配制钻井液时按照严格计量、分开溶解、依次加入、充分溶解的原则完成钻井液的配制 在试验杯中加入 基膨润土在数显变频高速搅拌机下充分搅拌 后放置 加入 搅拌 配制钻井液基浆 由于硅酸钠的加入顺序对钻井液性能有着显著影响后加入硅酸钠的钻井液其滤失量、黏度、动切力等性能指标数值相对较小故本实验最后加入硅酸钠最后按照增稠、增黏的原则依次加入、硅酸钠充分搅拌后得到钻井液 结果与讨论.正交实验应用正交实验法得到的室内实验数据见表、表 用极差()表示某一因素对测定结果的影响大小(式)值越大表示某一因素对实验结果影响越大再结合钻井液的黏度、滤失量等关键指标选择出适合不同温度下的钻井液配方 大 小()式中 极差值 某一因数在 水平下的的平均值表 钻井液性能测试 配方旋转计读数/.表 钻井液体系各因素 值 因素 膨润土.成膜剂.由表、表 可知各试剂对钻井液 影响大小的顺序依次为 成膜剂 膨润土试 剂 对 影 响 大 小 的 顺 序 依 次 为 成膜剂 膨润土试剂对 影响大小的顺序依次为 成膜剂 膨润土 试剂对 影响大小的顺序依次为 膨润土 成膜剂根据以上各因素对实验结果的影响大小得到:低表观黏度的钻井液配方为 低塑性黏度的钻井液配方可为 和 高动切力的钻井液配方为 和 低滤失量的钻井液配方为 根据、较小适中、较大的原则及钻井液性能与试剂加量的关系 故 在 时 可 选 择 的 钻 井 液 配 方 为 即清水 .膨润土.硅酸钠由表、表 可知各试剂对钻井液 影响大小的顺序依次为 膨润土 成膜应用化工第 卷剂试 剂 对 影 响 大 小 的 顺 序 依 次 为 膨润土 成膜剂试剂对 影响大小的顺序依次为 膨润土 成膜剂试剂对 影响大小的顺序依次为 膨润土 成膜剂根据以上各因素对实验结果的影响大小得到:低表观黏度的钻井液配方为 低塑性黏度的钻井液配方为 高动切力的钻井液配方为 低滤失量的钻井液配方为 根据、较小适中、较大的原则及钻井液性能与试剂加量的关系故在 时可选择的钻井液配方为 即清水 .膨润土 .硅酸钠表 钻井液性能测试 配方旋转计读数/.表 钻井液体系各因素 值 因素 膨润土.成膜剂.配方的流变性能表 为两组钻井液的基本特性表 两组钻井液基本性能 配方/密度/()().().由表 可知两组钻井液均具有良好的黏度、密度及较小的滤失量在使用钻井液进行钻井钻探时其流变性能会直接影响钻进时的速度岩屑的携带外排、钻孔孔壁的稳定及成本 测量优选得到的两组配方分别在 下的流变性能 为了能够直观的观察两组钻井液体系的流变性将得到的结果绘制成流变性能曲线见图、图 结果分别为配方、黏度计视值图 配方 不同温度下黏度视值.图 配方 不同温度下黏度视值.由图、图 可知其黏度计视值变化曲线为平滑曲线故两组钻井液为非牛顿流体黏度计视值随着温度的降低而升高根据得到的两组黏度计视值计算两组钻井液的塑性黏度、表观黏度及动切力绘制成图 图 配方、的黏度、动切力变化曲线.由图 可知配方 的表观黏度在 时增长率最大塑性黏度在 时增长率最大动切力为非线性变化表明配方 具有良好的抗低温性能并具有较好的流变性配方 的表观黏度、塑性黏度在 时增长速率最大动切力为非线性变化表明配方 具有良好的抗低温性能并具有较好的流变性 故、配方在 均具有良好的抗低温性能可用于相对温度下的高原冻土区钻探第 期张雨晨等:高原冻土区低固相成膜剂钻井液配方优选.泥皮观测在对目的地进行钻探时钻井液会与周边地层存在压差在钻井液侵入地层的同时也会在井壁上形成一层黏土与处理剂相结合的泥皮保护膜 加入硅酸钠成膜剂的钻井液能够形成具有薄且韧的泥皮保护膜能有效地防止钻井液固体颗粒侵入岩心 一层高质量的保护膜可以防止粘附卡钻减少井壁与钻具之间的摩擦和由于钻具摩擦所产生的热量维护地层的稳定在破碎性地层韧性好的泥饼可防止岩块碎屑掉落由图 可知两组钻井液所形成的泥皮较薄均在 以下对得到的两组钻井液配方在不同温度下所形成的泥皮进行室内观察 用手指触摸形成的滤饼发现滤饼中无沙砾感证明该钻井液形成的滤饼光滑性良好 由图 可知用玻璃棒在形成的泥皮上划过划痕较浅且周围泥浆很快就会对划痕处进行填补修复说明两组钻井液配方能形成致密泥皮并具有较好的自愈能力 由图 可知对得到的钻井液泥皮在室温条件下放置 后发现风干后泥皮完整性良好其形成的泥皮可以长时间稳定存在再对泥皮进行折叠试验观察形状变化发现折叠后泥皮无破裂并且折叠后泥皮上的折痕很浅综上表明两组钻井液配方有着良好的防滤失性能并可在钻井井壁上形成能长时间稳定存在的高质量泥皮保护膜图 不同温度下形成的泥皮.图 两组配方形成泥皮划痕.图 泥皮风干折叠后形状.结论本文通过正交实验及优化选择后得到了能够抗低温的低固相成膜剂钻井液配方 并对得到的钻井液进行了性能评价两组配方性能均可满足在高原冻土区钻井要求得到两组钻井液配方分别为在 下使用配方:清水 .膨润土 .硅酸钠在 使用配方:清水 .膨润土.硅酸钠 对得到的两组钻井液进行性能测试和滤饼观测的结果显示两组钻井液都具有良好的流变性能和滤失性能其黏度一般会随着温度的降低而增大能够在钻井井壁上形成一层致密、有弹性且能够长时间稳定存在的高质量泥皮保护膜故两组钻井液配方均可运用在高原冻土钻井施工中以减少地层的水化坍塌维护井壁的稳定参考文献:陈鸵张楠杨双春等.低温钻井液研究和应用进展.应用化工():.丁付利.冻土地层低温钻井液体系研究.北京:中国地质大学(北京):.():.(/):.杨军虎赵林仝继昌等.一种深水低温复合醇钻井液实验研究.西部探矿工程():.丁彤伟鄢捷年.硅酸盐钻井液的抑制性及其影响因素的研究.石油钻探技术():.韩月.天然气水合物冻土层低温钻井液配方设计及数值模拟.徐州:中国矿业大学:.石雷雷刘豪杰李曼.大湖金矿区深厚覆盖层适配钻井液工艺研究.采矿技术():.李超.钻井液配置技术、工艺与维护探讨.新疆有色金属():.李军刚董明杨贺卫.不同因素对硅酸盐水基钻井液性能影响研究.广州化工():.():.韩月郝树青全方凯.煤层气钻井低密度水基成膜钻井液研制与性能测试.中国科技论文():.