钻井液论文发表单位

我国加入“WTO”后，石油钻采和石油化工设备制造业的市场发生了变化，在市场全球化大背景下，如何融入国际大市场参与世界同行业的竞争，是各企业面临的生死存亡问题。为提高竞争力，行业中各企业纷纷在产品的技术水平、产品质量、企业结构调整、基本建设、技术改造、采用国际通用标准、开拓国际市场上下功夫，成果十分显著。一、石油钻采设备技术水平取得突破 近年来，我国许多企业的产品技术水平取得突破。一批列入国家重大技术装备创新项目的石油设备研制获得成果：宝鸡石油机械厂研制的ZJ70DB钻机，采用全数字控制交流变频等多项新技术，进入国际先进钻机行列；宏华公司研制的ZJ40DBS钻机，填补了国内空白，达到国际先进水平；江汉石油四机厂研制的2000型成套压裂设备通过鉴定，填补了国内空白，达到国际先进水平。此外，山西永济电机厂研制的YZ08、YZ08A石油钻井直流电动机由国家科技部授《国家重点新产品证书》；江钻股份有限公司积极开展技术创新，与国内大专院校、科研机构以及国际间的技术合作，获得“单牙轮钻头”等国家专利21项。该公司现共拥有国家专利56项，美国、伊朗专利5项。极大地提高了核心竞争力。荣盛机械制造有限公司研制成功F35-105防喷器，能满足深井、超深井钻探的井控工艺要求，填补了国内空白，达到国外同类产品先进水平。至此，经过多年的努力，我国已有能力实现对防喷器生产的全系列覆盖。该公司研制成功高压注水井带压作业装置，有效地解决了油田中后期开发过程中高压注水井带压作业的重大技术难题；宝鸡机械厂下属公司研制成功的BSJ5080TSJ60油田专用试井车体积小、用途广、适应性强；华北油田第一机械厂研制的新一代节能抽油机获得中国、印尼、和加拿大三国专利；胜岛石油机械厂成功推出液压反馈式抽稠油泵、长柱塞防砂泵、高效旋流泵三种抽油泵；华北油田大卡热能技术开发公司研制的ZXCY系列直线电机抽油机通过河北省产品鉴定。该机达到国际先进水平，重量和占地面积仅为常规抽油机的50%，且节能效果很好；在海洋石油方面，胜利油田自行建成我国国内最大吨位的海上石油钻井平台——赵东一号、生产平台——赵东二号主体结构，胜利油田钢结构承造能力达到国际水平；兰石国民油井公司承包建造的重达1700吨的南海油田自升式井架钻井模块于3月23日完成陆地建造。该钻井模块用于香港正南20公里海域的南海油田作业的番禹4—2和5—1项目。井架可以依托安装在井架下端的导向轮滑行分段起升，无须重型起重设备，在海洋设备安装中具有很大的优势。进来，由中石油管道局承担的“大口径弯管及装备国产化研制”、“西气东输工程用感应加热弯管技术条件”、华北石油第一机械厂承担的“大口径感应加热弯管制造工艺的研究”、吉林化建有限责任公司承担的“感应加热煨制X70钢级、直径1016大弯管工艺研究”4项课题通过中石油鉴定，技术条件达到国际同类标准的先进水平、产品达到国内先进水平。胜利油田研制成功我国第一台大口径管道全自动开孔机，满足管道、容器带压下开孔、接口、碰头等施工作业。中石油管道局为西气东输工程组织开展了125项科技攻关，其中“PAW-2000型管道全位置自动焊机”“PFM3640管道坡口整形机”“PPC3640管道气动内对口器”技术性能达到或超过国外同类产品水平。总体来说，我国石油钻采设备技术水平已达到一定水平。二、化工设备的科研新产品取得较大成果 经过多年发展，我国化工设备的科研新产品取得较大成果。由我国自行设计制造的350万吨/年重油催化裂化装置在大连石化一次投料试车成功，标志着我国拥有自主知识产权的催化裂化成套技术，具备了世界级大型催化裂化装置的工程设计、制造和建设实力。由中石化工程建设公司、一重、齐鲁石化共同设计制造的千吨级加氢反应器通过中石化技术鉴定，标志着我国迈入大型加氢反应器设计与制造商行列。由中石化和美国鲁姆斯公司合作开发的10万吨/年大型乙烯裂解炉已在中石化各乙烯装置中使用。正在共同着手开发单炉生产能力15～18万吨/年大型乙烯裂解炉，以满足建设百万吨级大型乙烯装置的需要。杭州制氧机厂设计制造的乙烯冷箱在燕化71万吨/年乙烯装置运行正常，实现了大型乙烯冷箱国产化，达到国际先进水平。沈阳鼓风机厂制造的上海石化70万吨/年乙烯装置裂解气压缩机2002年4月12日正式投料运行，达到国外机组水平。由合肥通用机械研究所承担的国家重大技术装备国产化创新项目：1万m3天然气球罐研制成功。填补了国内空白。由茂名石化设计院设计、茂名石化建设公司施工的12.5万m3原油储罐在茂名兴建，是目前我国最大的原油储罐。南化机成功制造国内最大的年产45万吨合成氨、80万吨尿素的关健设备—二氧化碳吸收塔。抚顺机械炼化设备有限公司设计制造的螺旋折流板换热器通过专家鉴定，达到国内先进水平。辽阳石油化纤公司机械厂研制成功聚酯装置用重型压力离心机，达到国外同类产品水平。 三、产品质量不断提高 国内各企业在努力提高产品技术水平的同时也在不断提高产品质量，如华北石油一机厂为保证其专利产品异型游梁式抽油机的质量，满足批量出口美国等的需要，打破常规，配套产品由原来招标改为联合国内几家获得国际API资格的厂家进行共同攻关，发挥联合优势叫响国产品牌；山西永济电机厂的石油钻井直流电动机由中国质量协会、全国用户委员会授予《全国用户满意产品》称号。 在市场竞争中形成了一些产品质量好、受到用户欢迎、市场占有率不断上升的专业厂。如：荣盛机械制造有限公司防喷器产品占据国内市场80%销售份额，跻身于世界4大防喷器制造商行列；江苏阜宁宏达石化机械制造有限公司是一家地方小厂，公司推出的四款新采油工具QS型系列可取式桥塞、KYLM型系列液力锚、DS90-Y241型组合式油层保护封隔器和Y341型系列软卡瓦封隔器，大大提高了采油作业的成功率，降低了油田生产成本，受到油田用户的欢迎。山西永济电机厂生产的直、交流系列石油钻井电动机已达30多种，国内油田钻机所用配套电机的98%来自该厂。 四、国际通用标准和信息化受到重视 北京石油机械厂获得API 16D会标使用权（API 16D是美国石油学会关于钻井控制设备控制系统规范），北京石油机械厂是国内第一家、世界第九家拥有API 16D会标使用权的厂家。 经过近15年的努力，全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会已形成了面向陆上和海上石油勘探、钻采设备、材料标准体系。现行有效的国家标准中，等同等效采用国际标准和国外先进标准的有27项。目前，我国通过API认证的石油设备制造企业已达196家。宝鸡石油机械厂已获得API认证达8大类55项，是我国取得API认证最多的石油设备制造企业。为我国的石油机械装备进入国际市场打下了坚实的基础。 为了实现世界级制造商的目标，江钻股份公司一直把信息化建设摆在十分重要的位置。江钻股份公司信息化系统的成功开发应用，大大提高了在全球一体化市场竞争中的生存与发展能力。2002年成为湖北省制造业信息化工程重点示范企业。 五、企业结构调整取得较大进展 上海神开科技工程有限公司成功购并上海第一石油机械厂、上海第二石油机械厂、上海石油仪器厂、上海石油化工机械设备研究所等。由上海神开科技工程有限公司参股60%、上海电器集团总公司参股20%、个人参股20%，成立上海神开石油化工设备有限公司。宝鸡石油机械厂按照现代企业制度，建立规范的法人治理结构，成功改制为宝鸡石油机械有限责任公司；并全面启动耗资7000万元的钻机生产线技术改造项目。具有50年历史，生产炼油、化工设备的抚顺机械厂与一些大中型国有企业一样，在竞争激烈的市场竞争中，步履蹒跚，举步维艰。近年来，虽几经努力，但亏损不断加剧。在得到员工的支持和认可、在市委、市政府指导组的协调指导下，采取国有民营策略，顺利实现企业转制；原华北石油二机厂的产品85%以上的市场在华北石油管理局外，由于体制的束缚，经营陷入困境。2002年顺利完成了整体带资分流改制工作，新成立了河北华北石油荣盛机械制造有限公司。 六、石油钻采设备向海外进军取得成效。 江钻股份公司是世界石油钻头三强之一，石油钻头出口到美国、加拿大等19个国家和地区；宏华公司已交付中亚ZJ70D钻机5台，又新接中亚国家的10台ZJ50DBS电动钻机订单；南阳石油机械厂先后有7台3000米车装钻机随长城钻井公司和大港油田等用户赴墨西哥作业，其钻机性能给用户留下了良好印象。2002年，750马力电动拖挂式钻机在墨西哥中标；中国石油技术开发公司向土库曼出口成套钻机及其外围设备；中原油田特车修造总厂石油钻采特车出口土库曼、格鲁吉亚、哈萨克；新疆石油局采研院研制的一批固井工具、抽油泵出口哈萨克；四川射孔器材公司批量射孔器材出口哈萨克等。

论文的通讯单位就是通讯作者的第一单位。据了解，有多位通讯作者时有三原则：首先看，通讯地址顺序最上面的通讯作者优先原则;相同通讯作者单位时看，通讯作者标注写在前面者为第一通讯作者。第三，有些期刊论文格式中不标注的，最后一个是第一通讯作者。“通讯作者”是指课题的总负责人，承担课题的经费、设计，文章的书写和把关，对论文内容的真实性、数据的可靠性、结论的可信性、是否符合法律规范、学术规范和道德规范等方面负全责(或主要负责)。通讯作者即文章最重要的作者,在论文投稿、修改直至被接受发表的过程中的一切联络工作一般由通讯作者负责。目的是为了让文章读者和作者联络方便。

蔡记华1 谷穗2 乌效鸣1 刘浩1 陈宇1

基金项目:国家自然科学基金项目(40802031、41072111)。

作者简介:蔡记华,1978年生,男,湖北浠水人,博士、副教授,从事钻井液与储层保护方面的教学和研究工作,电话:,E-mail:。

(1.中国地质大学(武汉)工程学院 湖北武汉 4300742.中国地质大学武汉江城学院 湖北武汉 430200)

摘要:松软煤层中的钻进护孔技术是目前煤矿瓦斯抽采利用中亟待解决的技术难题之一。论文首先在理论上分析了可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理,并通过流变性测试、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等方法对其性能进行了综合研究。结果表明:可降解钻井液的降解性能人为可控,能适合煤矿井下作业环境;生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害,并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在15.47%~38.92%之间)。研究成果可以解决松软煤层瓦斯抽采孔钻进工作中护孔与储层保护的矛盾问题,也可为煤层气垂直井、水平井和分支井的钻井工艺优化与产能提高提供重要的理论和技术基础。

关键词:松软煤层 瓦斯抽采 可降解钻井液 护孔 储层保护

Experimental Research on Degradable Drilling Fluid for Drilling in Unconsolidated and Soft Coal Seam

CAI Jihua1, GU Sui2, WU Xiaoming1, LIU Hao1, CHEN Yu1

(1.Engineering Faculty, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;2.Jiangcheng College, China University of Geosciences, Wuhan 430200, China)

Abstract: Technologies needed to stabilize the wellbore are among the most urgent problems that require be- ing resolved in the drainage and exploitation of coalmine methane (CMM) from unconsolidated and soft coal seams.In the first, the paper theoretically analyzed the borehole maintaining and biodegradation mechanisms of degradable drilling fluid.Then systematical study on its performance were carried out by utilizing rheology tests, mud cake remove tests and coal rock gas permeability tests.Results show that the degradation properties of degrad- able drilling fluid were controllable and it was fit for the coalmine operation environment.Furthermore, complex unplugging technologies employing enzymatic degradation plus acidification by HCl was effective in removing the damage caused by mud cakes of degradable drilling fluid and resuming the gas permeability of coal rock or even en- hance it by a ratio between 15.47% and 38.92%.Technological achievements of this paper can help to resolve the contradiction between borehole maintaining and reservoir protection, and also offer powerful theoretical and techni- cal foundation for drilling technology optimization and production capacity enhancement in vertical, horizontal and multi-lateral drilling for coalbed methane exploration.

Keywords: unconsolidated and soft coal sea; coalmine methane drainage and exploitation; degradable drill-ing fluid; borehole maintain; reservoir protection.

1 可降解钻井液的提出

根据抽采对象的不同,可将煤矿瓦斯抽采分为本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采[1]。由于我国地质构造条件复杂,成煤时代多,煤矿区分布广,煤储层特征差异大。简单起见,可划分为正常煤体结构的硬煤层和构造发育的松软煤层两种典型类型。对于松软煤层,由于煤与瓦斯突出、煤层松软、机械强度低等原因,采用清水或空气等常规排粉钻进方式时易出现塌孔、卡钻或喷孔等问题,打钻成孔困难,瓦斯抽采效率低。松软煤层的煤层气开发是我国煤层气产业化面临的最严峻的挑战之一[2~4],在此类煤层中钻进护孔技术是目前亟待解决的技术难题之一[5~6]。

为达到较好的护孔效果,通常在钻井液中添加纤维素、胍尔胶和生物聚合物等聚合物。纤维素和胍尔胶等起到增粘、降低摩阻和润滑作用以保持井壁稳定,而生物聚合物可以增强钻井液在水平井段内的岩屑悬浮能力。尽管这类钻井液对储层的伤害比传统泥浆要小,但还是会在井壁上形成了低渗透的滤饼。滤饼的不充分降解会极大地影响井壁的流动能力,结果是显著降低生产井的产量。因此,特别是在松散地层和高渗透性地层中,必须清除渗滤到地层中的钻井液以及沉积在井壁上的滤饼,以实现产量最大化。

近年来,针对松散地(储)层钻进中护孔和储层保护的矛盾,我们提出了一种环境友好的可降解钻井液的研究思路[7~11]:在钻进时能保持孔壁稳定,而在钻进工作结束后,钻井液能在生物酶和无机酸作用下实现降解、粘度下降,先前形成的滤饼破除、产层流体的流动性增强、恢复地下流体资源解吸扩散通道,达到提高地下流体资源产量效果的目的。

本文在上述研究基础上,在理论上分析了松散煤层钻进用可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理,并通过流变性测试、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等方法对可降解钻井液的性能进行了综合研究。

2 可降解钻井液的作用机理

2.1 可降解钻井液的护孔作用机理

可降解钻井液主剂由粘土稳定剂(如KCl)、水溶型或酸溶型架桥粒子/加重剂(一般为细粒CaCO3或无机盐)、降滤失剂(主要是天然植物胶如淀粉或纤维素或胍尔胶)、流型调节剂(如生物聚合物XC)等组成,这些处理剂共同起到增粘和降低摩阻作用;当钻进结束后,加入能降解各种聚合物的生物酶破胶剂[12~15]和能溶解细粒CaCO3无机酸(通常是15%的HCl[12,14])或有机酸[13,16]来清除聚合物滤饼(主要由聚合物和CaCO3组成)对储层渗透性的伤害。下面分别阐述各种处理剂的作用机理。

(1)粘土稳定剂可以用来抑制煤岩中粘土矿物遇水后膨胀;

(2)水溶型或酸溶型架桥粒子可以在煤岩表面的孔隙或裂隙孔喉处形成架桥,起到防止钻孔漏失的目的,同时CaCO3或无机盐也可以适当增加钻井液的密度,起到平衡地层压力的作用;

(3)天然植物胶大分子物质相互桥接,滤余后附在孔壁上形成隔膜。这些隔膜薄而坚韧,渗透性极低,可以阻碍自由水继续向煤层渗漏(图1)。同时,这类聚合物钻井液具有良好的包被抑制性,能有效地抑制钻屑分散。另外,这类具有强亲水基团的长链环式高分子化合物易溶于水,形成的水溶液具有较高粘度,可以增强钻孔孔壁表面松散煤粒之间的胶结力,起到加固松软煤层孔壁的效果;

图1 Na-CMC在粘土颗粒上的吸附方式

(4)生物聚合物XC是一种优良的流型调节剂,用它处理的钻井液在高剪切速率下的极限粘度很低,有利于提高机械钻速;而在环形空间的低剪切速率下又具有较高的粘度,并有利于形成平板形层流,可增强钻井液在近水平煤层钻孔中的携岩效果。

2.2 可降解钻井液的生物降解作用机理

所谓降解,是指在物理因素、化学因素或生物因素等的作用下聚合物分子量降低的过程。从实用的角度出发,聚合物降解可分为热降解、机械降解、光化学降解、辐射化学降解、生物降解及化学降解等不同的引发方式[17]。下面以胍尔胶为例,阐述生物酶降解聚合物的作用机理。

胍尔胶属于半乳甘露聚糖类,所用胍尔胶分子主链由β-1,4糖甙键将D-甘露糖单元连接而成,D-半乳糖取代基通过α-1,6糖甙键接在甘露糖主链上,沿甘露糖主链随机分布,半乳糖与甘露糖单元之比约为1:1.6。半乳甘露聚糖特异复合酶可有效地水解半乳甘露聚糖,它由两种O键水解酶组合而成,两种酶的降解机理如图2所示。

第一种O键水解酶是α-半乳糖甙酶(蜜二糖酶),专门作用于半乳糖取代基,可用来水解末端的非还原性α-D-半乳糖甙键。第二种O键水解酶过去常用来分解胍尔胶分子,在此专门作用于甘露糖主链,这种水解酶被称作β-1,4甘露聚糖环内水解酶,可随机水解β-1,4-D-甘露糖甙键[18]。

后续室内实验采用的酶制剂是几种生物酶的复配物。特种酶1号(SE-1)以纤维素甙键特异酶和半乳甘露聚糖特异复合酶为主,特种酶2号(SE-2)和特种酶4号(SE-4)以半乳甘露聚糖特异复合酶为主。

图2 胍尔胶糖甙键特异酶的降解机理

图3 胍尔胶钻井液的降粘曲线

3 可降解钻井液的室内试验

3.1 降粘效果评价

在理论分析基础上,进行了生物酶降解聚合物的室内实验,以钻井液流变参数为主要评价指标,用几种特种酶来降解单一聚合物或复配聚合物。将生物酶分别加入单一聚合物和复合聚合物中,研究生物酶对这些可降解钻井液的降粘效果,将表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)和动切力(YP)随时间的变化关系绘制成曲线如图3~图5所示。

3.1.1 单一聚合物钻井液

从图3可以看出,在特种酶SE-1的作用下,在48.5h之内,质量浓度为0.5%的胍尔胶钻井液的表观粘度从23.5mPa·s降低到5mPa·s。塑性粘度和动切力也呈现出类似的变化规律。

由图4可以看出,在特种酶SE-1的作用下,在48.5h之内,质量浓度为0.75%的羧甲基纤维素钻井液的表观粘度从20.5mPa·s降低到6mPa·s。

由于特种生物酶SE-1同时含有纤维素甙键特异酶和半乳甘露聚糖特异复合酶,它对胍尔胶和羧甲基纤维素均有较好的降解效果。

3.1.2 复配聚合物

从图5可以看出,在特种酶SE-2的作用下,在46h之内,由质量浓度为0.3%羧甲基纤维素和0.2%胍尔胶组成的复合聚合物钻井液的表观粘度从25.5mPa·s降低到5mPa·s。随着时间的变化,塑性粘度和动切力也按类似的规律下降。

由图3~图5可以看出,在生物酶作用下,聚合物能实现有效的降解,聚合物大分子逐渐断链变成小分子,钻井液粘度降低,在煤储层中的流动性增强,从而恢复煤层气解吸释放的通道。

图4 羧甲基纤维素钻井液的降粘曲线

图5 复配聚合物钻井液的降粘曲线

3.2 滤饼清除实验

实验目的是通过观察可降解钻井液滤饼在生物酶破胶剂(和无机酸)的作用下滤饼表面的变化情况、考察滤饼的解堵效果(结果分别如图6~图7所示)。可降解钻井液的配方如下:

配方1:400ml水+2.6gCMC+4gDFD+4.8gCaCO3+NH4HCl(调节pH),先后采用0.00625%的SE-4溶液和5%HCl浸泡滤饼。

配方2:400ml水+1.6gCMC+8g膨润土,采用0.04%JBR溶液浸泡滤饼。

配方1的滤饼清除实验结果如图6所示,可以看出:单独使用生物酶SE-4只能清除该套体系中的CMC(图6-b),而对CaCO3等影响不大。当用5%HCl浸泡2h后,滤饼变得非常薄,说明CaCO3已与HCl充分反应[1]。

图6 滤饼的外观变化图

按照配方2所配制钻井液的滤饼清除实验结果如图7所示。由于这种配方中只有CMC这种聚合物,在用JBR溶液浸泡5h后,可降解钻井液的滤饼已基本降解完全。

图7 JBR作用下可降解钻井液(配方4)滤饼清除情况

3.3 煤岩气体渗透率测试

煤矿井下瓦斯抽放的最终目的就是恢复煤层的渗透率,获得较高的瓦斯抽放量。因此,渗透性的恢复对于可降解钻井液而言是一个更加直接的衡量指标。采用JHGP智能气体渗透率和JHLS智能岩心流动实验仪对可降解钻井液进行渗透性恢复实验,实验步骤详见参考文献[11]。

煤岩气体渗透率测试结果(表1)表明:晋-3煤样经过“污染—生物酶降解—酸化”三个阶段,其渗透率表现出“下降—上升—上升”的趋势,而且经过生物酶降解和酸化(也包括之前的加热处理)之后,煤岩的气体渗透率甚至超过了污染前的气体渗透率(如图8所示,推测盐酸亦与煤岩中的方解石和白云石发生反应,增大了煤岩孔隙裂隙),这也证实了“生物酶降解—酸化处理”的综合解堵工艺是有效的,有利于提高煤层气藏的采收率。

表1 煤岩气体渗透率

注:(1)下游压力(出口压力)为0.1MPa(即1个大气压);(2)△K=(K4-K1)*100/K1。

图8 不同处理阶段煤岩平均气体渗透率变化情况

4 结论

论文在理论上分析了可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理,并通过流变性评价、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等实验手段对可降解钻井液进行了综合研究,主要得出以下结论:

(1)可降解钻井液的降解性能人为可控,能适合煤矿井下作业环境;

(2)生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害,并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在15.47%~38.92%之间);

(3)研究成果可以解决松软煤层瓦斯抽采孔钻进工作中护孔与储层保护的矛盾问题,也可为煤层气垂直井、水平井和分支井的钻井工艺优化与产能提高提供重要的理论和技术基础。

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