甲酸盐钻井液--大纲.docx

大纲
注：黑体字为总结，白体为说明
甲酸盐中的甲酸钠盐钻井液的部分资料

一. 甲酸盐钻井液的产生背景与优点
传统的钻井液是含有粘土的水基钻井液体系或是以油为连续相的油基钻井液体系，其存在的主要问题是：般土细颗粒或加重剂颗粒会随滤液渗入地层，造成对油层的伤害，同时惰性加重颗粒的加入导致钻井液固相含量大幅度提高，削弱了各种处理剂在体系中的效用，增加了对体系性能调控的难度；油基钻井液体系在保护油气层、提高体系的抑制、防塌及热稳定性能方面优于水基钻井液，但随着世界各国对环保问题的重视，油基钻井液由于对环境的严重污染，其应用越来越受到限制。为达到保护环境和油气层的双重目的，目前研究出以人造碳氢化合物为主体的合成基钻井液，但成本很高，用户还不易于接受。因此最好的办法是使用一种无毒的水基钻井液，这种钻井液不仅符合环保要求，且抗温性能好、流变特性好、有良好的抑制性和抗污染能力，特别是与油层有良好的配伍性，有良好的油气层保护效果。
通过调研和室内研究，发现甲酸盐体系能满足以上所提到的所有技术和环保要求，此体系不仅能用于钻井液和完井液，而且可用于欠平衡钻井的压井液
甲酸盐体系不同于常用的盐水体系，属有机盐类。常用的可溶盐在使用中存在各种问题：NaCl 和 KCl 的溶解度不高，其清洁盐水的密度只能达到 1.20g/cm3； CaCl2或 CaBr2的溶解度稍大，可达到 1.60g/cm3，但由于 Ca2＋的存在，大多数处理剂在其中不相溶，且对地层产生潜在的伤害，而且 Cl－的存在会使体系产生腐蚀，在循环中产生气泡；ZnCl2和 ZnBr2的溶解度高，盐水密度可达 2.3g/cm3，但是，除了锌离子产生潜在的伤害外，还有严重的毒性。具有高溶解性的甲酸盐能克服以上各种盐类的不足：甲酸盐可以溶于淡水、海水或盐水，能有效抑制粘土水化膨胀，在密度相同的情况下，效果优于氯化钾；甲酸根无毒，与粘土不发生反应，与地层水配伍性良好，不与 Na＋、Ca2＋、Mg2＋等阳离子生成沉淀；甲酸盐对钻具的腐蚀性小，K＋含量达 10000ppm 的甲酸钾钻井液，对管材的腐蚀速3度仅为 3.6 密尔/年（而相同钾离子浓度的氯化钾钻井液却达 13 密尔/年）。
国外已应用甲酸盐体系成功地打成了多口大难度井，结果证明效果良好。
甲酸盐钻井完井液是适应钻井新技术的发展,于 20 世纪 80 年代末 90 年代初由Shell 公司开发研制的一种新型钻井完井液体系。甲酸盐钻井液和常规钻井液相比的显著特点是不用膨润土配浆，这是甲酸盐钻井液能够实现强抑制性的理论基础，也是优于常规水基钻井液的关键所在。从研究和试验结果看，甲酸盐无固相钻/完井液体系体系达到了深井防塌钻井液的功能，实现了有效保护油气层的目的。解决了其他无固相体系抗温差、对井壁稳定性要求高、密度受到限制或加重困难等难题，密度<1.15 g/cm3成本与普通无固相基本相当，密度<1.25 g/cm3高于普通无固相 30～50%，其成本完全可以接受。总结甲酸盐钻完井液具有如下优异性能：
(1)甲酸盐溶液与地层水接触时不会形成任何沉淀物,对储层损害程度低；
(2)可生物降解,不污染环境；
(3)浓的甲酸盐溶液可使近井筒地带发生脱水和孔隙压力降低,增加地层强度和近井筒有效应力而稳定泥页岩；
(4)pH 值易于调节,不易引起金属腐蚀；
(5)凝固点与结晶温度均较低；
(6)循环压降小,易于配置,维护简单；
(7)黏度低,摩阻压力损失小,可用于小井眼和易漏失地层钻进；
(8)能提高聚合物的热稳定性,如 XC 在淡水中的临界温度为 123℃ , 在甲酸盐水溶液中的临界温度超过 200℃；
(9)容易处理、运输、回收和再利用。

二．在实际中应用效果评价
1.有利于发现和保护油气层
甲酸盐钻井液采用可溶的甲酸盐加重,体系组钻井液与光井液·2003年第20卷第2期·29·成中无膨润土,惰性固体含量低,抑制防塌能力强,可用较低的钻井液密度解决井壁稳定问题,甲酸根的二价盐无沉淀,与油气层流体配伍性好,因此有利于发现油气层,对油气层保护效果好。试验井港508一6井在馆陶组和东一段发现良好油气显示,而其邻井港508一4井和港508一7井在此层位均未发现油气显示。该井完钻对东三段试油,使用沪6mm喷嘴求产,日产油47.4t/d、天然气26194m3/d,邻井在东三段试油,甲6mm喷嘴产油50.gt/d,气9649
m丫d。庄海IXI井在沙三段发现良好油气显示,完井后试油日产油20.st,邻井庄28井、庄71井、庄70井和庄26井在该段没有发现油气显示。庄海4xl井和庄海4x2井均获得高产工业油流,庄海4XZ井日产油82m3,庄海4XI井日产油184m,。
2.抑制防塌能力强
应用甲酸盐钻井液的14口试验井中,除王44区块外,其余10口井所用钻井液密度都低于邻井,
井径扩大率也比邻井低,表明甲酸盐钻井液的抑制防塌能力比其它体系强。对于王44区块,由于存在玄武岩,微裂缝发育,硬而脆,因此仅依靠提高抑制性不能满足防塌的需要,还要求钻井液具有良好的造壁性,尽量减少滤液进人地层,而甲酸盐钻井液在这方面有所欠缺,因此在本区块出现异常现象。
3,有利于提商钻井速度
甲酸盐钻井液属无膨润土体系,瞬时滤失量较高,这对提高钻速非常有利。它属于聚合物钻井液范畴,惰性固体含量低,粘度低,有利于降低环空压耗,提高水马力,增加破岩效率;钻井液密度低,减少压持效应,从而有利于提高钻井钻速。
4.井径规则、泥饼薄,有利于提商固并质,14口井中除庄海IXI井和庄海4X2井的平均井径扩大率大于10%以外,其余井井径扩大率均小于10%14口井平均井径扩大率为6.04%,表明试验井井径非常规则。尽管甲酸盐钻井液体系的滤失量较常规钻井液稍大,但由于属无膨润土体系,在井壁形成的泥饼薄,没有虚泥饼,这非常有利于固井质量的提高。在14口井中,除港508一6井和官96一10井固井质量为合格外,其它井固井质量皆为优质。
5.性能稳定.抗污染能力强
在5个区块14口井上的应用表明,该钻井液具有性能稳定、维护简单、井壁稳定性强、井眼清洁畅通、抑制泥岩水化分散效果好等优点。在钻进中漏斗粘度波动值在25以内,特别在起下钻和电测时30.钻井液与完井液·2003年第20卷第2期静止10一30h后,粘度增加值仅为2~35,切力几乎无变化,下钻到底开泵第一循环周返出的钻井液漏斗粘度与起钻时基本相同。在钻水泥塞和石膏层时,不需要对钻井液进行防钙侵处理,而钻井液性能几乎无任何变化,这说明体系抗钙污染能力强。
6.润滑性好
甲酸盐钻井液是低固相体系,用可溶的甲酸盐加重,其它处理剂为聚合物类,体系本身的摩阻系数较小,钻进中即使有岩屑侵人,固相含量仍然较低,因此体系摩阻较小。在实际测量摩阻时需要注意:该钻井液的固相含量低,瞬时滤失量较大,形成泥饼非常薄,因此将测量30mni滤失量形成的泥饼用于测量摩阻,能更真实地反映甲酸盐钻井液的润滑性。实践表明,在固相含量为2%一8%时,使用甲酸盐钻井液井的滤饼摩阻系数均小于0.10在钻进中未出现转盘扭矩增加、起下钻具附加阻力大的现象。
根据以上实际应有情况总结得到的认识与建议
1.甲酸盐钻井液抗污染能力强,性能稳定,维护简单,抑制防塌能力强,能较好地解决油层保护与井壁稳定的矛盾。
2.甲酸盐钻井液惰性固体含量低,滤液与地层流体的配伍性强,有利于发现和保护油气层。
3.甲酸盐钻井液体系摩阻和固相含量低,剪切稀释性强,有利于降低循环压耗,充分发挥水马力,增强水力破岩作用,提高钻井速度.
4.该体系形成泥饼薄,有利于提高固井质量。
5.甲酸盐钻井液比无机盐水钻井液对钻具和套管等的腐蚀性小,对环境污染小。
6.甲酸盐钻井液对固控设备要求高,现场必须配备好四级固控设备。
7.甲酸盐钻井液配制成本高,维护成本低,建议研究重复利用问题。该体系的最大优越性是保护油气层效果好,建议在目的层井段使用。

三．甲酸钠的作用机理
(1)甲酸钠的抑制机理有以下三点：
A、电荷中和
甲酸盐钻井液完井液中离子浓度高，压缩粘土胶体颗粒双电层能力强，使粘土负电性大大减弱，水化膨胀能力降低。
B、低活度
甲酸盐钻井液完井液中离子浓度高，自由水较小，水的活度低。根据活度平衡理论，其渗透压可使页岩孔隙中的水反向流动，这种反渗透作用使钻井液完井液中水流向页岩的净流量减小，结果导致页岩水化降低及毛细管压力上升缓慢，有利于井壁稳定。
C、甲酸盐钻井液完井液的滤液粘度高，使水不易进入地层,具有保护储层作用
(2)甲酸钠完井液保护储层机理为:
◆固相含量低，可避免固相侵入对储层造成的损害。
◆低活度，强抑制性，可减小液相对储层造成的损害。
◆避免两价阳离子沉淀。当两价阳离子盐与地层水中的硫酸根离子或碳酸根离子相接触时就产生沉淀。由于甲酸盐仅有一价离子，故可避免这种损害。
◆减小水锁效应：由于甲酸盐有一定的表面活性，可降低油/水界面张力，减小水锁效应，有利于提高油气采收率。
从以上介绍可以看出甲酸盐的许多性能正是钻井液与完井液所需要的。

四．甲酸钠钻井液性能评价
（1）甲酸钠对基浆杭温性侧试在甲酸钠浓度小于20%时,粘切变化不是很大,但其后粘切都较大幅度下降。分析其原因主要是甲酸钠浓度过高时,高分子聚合物发生盐析现象,使聚合物部分脱水,水化程度降低,引起分子链蜷缩,从而导致粘度降低。说明浓度在20%时是聚合物处理剂粘度变化点。常温和热滚后变化趋势基本一致,且热滚后(120℃x1h6)粘切下降不大。说明甲酸钠和基浆配伍性好,对流变性能影响不大,且抗温性较好。
（2）甲酸钠对岩心的伤害实验采用甲酸钠含量为20%的钻井液体系对其进行岩心伤害评价,本实验采用江汉制造的“动态伤害评价系统”,选取山西组S2岩心,模拟地层条件进行伤害实验。地层伤害有很多机理,其中包括来自泥浆的液相和固相与来自地层的液相和固相发生反应。通过使用甲酸钠体系,最常见的两个伤害机理可以减少或者避免的。第一个伤害固相侵人引起的地层损害,在其他很多文献资料中表明,如果用不正确的方法除去地层表明的泥饼,会引起非常明显的地层伤害。以高密度盐液为基液而设计的钻井液,不需要使用固相物作加重材料,完全可以避免固相损害。但为形成所需的泥饼而必须在体系中加人合适的固相时,加人少量的碳酸钙,就能形成很薄、结实和容易溶解的泥饼若选用经粒度优选的碳酸钙会成更优的体系,也能避免固相损害。
（3）甲酸盐的抑制性实验
用现场取回来的碳质泥岩和泥岩掉块来进行岩屑回收试验,在室内根据现场泥浆配方来评价抑制性效果最佳的甲酸钠加量。一定浓度的甲酸盐钻井液可作钻进泥页岩地层的钻井液。甲酸盐稳定页岩有两种机理:甲酸盐钻井液的滤液粘度高,使水不易进人泥页岩;没有裂缝的低渗透的泥页岩地层稳定页岩的作用机理是:泥页岩相当于半透膜,在较高浓度的盐水体系中,自由水较少,水的活度低,其渗透压可使泥页岩孔隙中水反向流动。这种反渗透作用使钻井液中的水流向泥页岩的静流量减小,泥页岩脱水作用和降低近井地带的空隙压力。这些都将提高地层承压能力和近井地带的有效压力,这有利于井壁稳定。
（4）甲酸钠泥浆体系现场施工效果分析
A．钻井液维护工艺
三开水平段泥浆用一半老泥浆和一半清水配制,先将pH调节到9一10,然后加人降滤失剂和提粘剂,遇到泥岩后加人甲酸盐。在钻进过程中,调整好钻井液性能,物理防塌和化学防塌并重,做到低失水、适当密度和粘度,按循环周慢慢补充,同时不断消耗储存的老泥浆。为确保含泥岩段安全快速钻进,具体处理措施如下;钻井液密度控制和抑制性:如果是纯砂岩钻进,密度控制的越低越好。井段钻遇泥岩,最初用甲酸盐提高密度至1.139/C耐,观察下一趟起下钻的情况,如果需要提至1.15一1.19彭C耐,一方面是通过力学平衡稳定地层,另一方面甲酸盐具有一定的抑制性,特别是当密度较高时,甲酸盐浓度可达20%,能有效抑制泥岩水化分散。钻井液流变性和失水的控制:根据地层和岩性,及时调整钻井液流变性能,在含砂岩段保持中度的流变性能,6转读数为8-10,保证钻井液携砂能力,以净化井眼来降低摩阻。利用改性淀粉,聚合物和少量的石灰石失水控制在3.5一6.oml即可。控制滤液侵人地层,一方面防止地层水化膨胀和分散,另一方面降低储层的伤害。同时甲酸盐能提高滤液粘度,有助于控制滤失量,提高井壁渗透压力,保持井壁稳定性。钻井液中固相含量控制:泥岩段容易造浆,粘土含量随之增加,导致固相增加和流变性不易控制,以尽可能降低粘土含量,MBT值控制在1k0彭似下,其他低固相含量控制在5%以下。
B．CBS一3井应用分析
第一分支水平段长不到六百米时候多次钻遇泥岩和碳质泥岩,由于井下情况复杂,遇阻、憋压情况时有发生。第二分支从3510米开始侧钻后两百多米又遇上泥岩,用甲酸钠加重该体系,密度从1.04彭cm3提高到1.巧彭cm3,情况有所好转但是仍有垮塌的迹象,当水平段达到720米时,期间起下钻过程中多次遇阻、憋泵,仍无法保证安全钻进,循环发现较多的泥岩掉快。决定加人20%的甲酸钠,将密度先提高到1.19彭C时,然后用100目和325目的石灰石复配加重到1.25彭c耐,这个密度是长北有史以来三开最高密度,调整六转从10提高到16,此后掉快逐渐减少,井下情况慢慢恢复正常,第二条腿成功打到5154米,期间无明显的遇阻现象,第二分支长达1644米。成功完井和洗井后,CBS一3无阻流量超过230万方每天,成为利用甲酸钠体系成功钻穿储层长段泥岩的成功实例。
（4）结论及建议
从流变性的影响和储层保护出发,甲酸钠含量不可超过20%,如果还需提更高的密度,可以用100目和325目的石灰石补充加重。甲酸盐低伤害钻井液体系具有良好的流变性和抑制性,性能易于调节和控制,结合工程措施,以及固控设备的良好运行,基本解决了井壁稳定、井眼净化和润滑减阻等水平段突出问题。
相关图表：
甲酸盐的低毒性 ： 甲酸盐溶液密度随浓度的变化关系：

参考文献：
[1]杨永胜，甲酸盐钻井液的研究与应用[D]. 东北石油大学2010
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