钻井液降粘剂的研究与应用论文

腐植酸钠主要作为水基钻井液的降粘剂,也有一定降滤失作用.一般在钻井液中添加2~3%的腐植酸钠,就可使粘度和切力降到通用标准.但是,只用腐植酸钠,还达不到高效钻井液的要求,特别是对高盐含量\高温和易坍塌地层,腐植酸钠就无能为力了.因此,目前各油田都采用改性和复合后的腐植酸产品(如腐植酸+合成树脂.腐植酸与高价金属络合等),效果都很好.国内外已有一些创新褐煤腐植酸树脂品牌,在抗高温\抗盐浸\防塌等方面都达到很高水平.

降粘剂：降低钻井液粘度和切力的流变性调整剂。 降粘剂的反应机理： (1)通过与粘土表面羟基形成氢键而吸附在粘土颗粒表面，提高粘土表面的负电性并增加水化层厚度，将粘土颗粒联结而形成的结构拆散。如：改性单宁，改性木质素磺酸盐，烯类单体低聚物。 (2)低聚物与高聚物竞争吸附，将吸附在粘土表面的高聚物解离下来，而拆散粘土与聚合物形成的结构。如：烯类单体低聚物。改性单宁主要分三种：单宁碱液、烤胶碱液、磺甲基单宁（SMT），羟基与粘土表面形成氢键而吸附极性基团-COONa, -SO3Na, -ONa在水中解离形成扩散双电层，增加粘土颗粒负电性和水化层厚度，将颗粒联结而成的结构拆散。 单宁碱液是由单宁和氢氧化钠配成，其主要成分为：双五倍子酸钠和五倍子酸钠，这两种成分可以合成为单宁酸钠（NaT）；烤胶碱液出自烤胶，但是主要成分还是单宁酸钠（NaT）。 磺甲基单宁（SMT），它是由单宁与甲醛和亚硫酸氢钠在碱性条件下反应制的，主要成分是磺甲基双五倍子酸钠和磺甲基五倍子酸钠。 木质素磺酸盐可参与三价金属离子Fe3+，Cr3+的多核羟桥络离子配位，形成铁铬木质素磺酸盐，铁铬木质素酸盐也是通过氢键吸附在粘士颗粒表面的，可提高粘土颗粒表面的负电性并增加水化层厚度，将黏土颗粒形成的结构拆散，起降低粘度和切力的作用。由于铁铬木质素磺酸盐比改性单宁有更多的极性基团，其中包括耐盐、耐温的碳酸盐基团，所以它比改性单宁有更好的降低粘度和切力的作用，而且耐盐、耐温使用时，铁铬木质素磺酸盐也存在起泡沫问题，也需要用消泡剂消泡。考虑到铁铬木质素碳酸盐中的铬对环境的污染，人们研制了一系列的无路木质素磺酸盐，如铁、钛等的木质素硫酸盐。 低聚物降粘剂作用机理：1.增加粘土颗粒表面负电和水化层厚度,拆散粘土颗粒连接所产生的结构2.低聚物通过竞争吸附使吸附在粘土颗粒表面的聚合物解吸下来，破坏聚合物和粘土颗粒形成的结构。 改性纤维素也是钻井液降滤失剂主要是钠羧甲基纤维素CMC和羟乙基纤维素HEC聚合度越高，取代度越高的越好。增粘机理：1.通过分子中极性基团的水化和分子间的互相纠缠，对钻井液中的水起稠化作用。2.通过在粘土颗粒表面吸附，增加粘土颗粒体积，提高其流动时所产生的阻力。3.通过桥接吸附，在粘士颗粒间形成结构，产生相应的结构粘度。 黄胞胶（Xanthan）分子式：C24H42O21，又称为XC生物聚合物，细菌将碳水化合物发酵制得，其机理与改性纤维素相同，长支链防蜷曲，更耐盐、耐钙，但易为细菌降解，所以需要加杀菌剂。由于黄胞胶分子中有长支链阻碍它采取蜷曲的构象，所以黄胞胶比改性纤维素有更好的提高粘度和切力的作用。相对分子质量一般在2*10**6，有的高达13*10**6~15*10**6。 正电胶是混合金属盐溶液逐步用沉淀剂将金属离子沉淀出来的带正电的混合金属氢氧化物。正电胶增粘机理在于正电胶周围的扩散双电层离子都是水化了的。水分子在水化层中按其极性定向排列，其带正电的一端朝外，即正电胶表面的水化层外侧是带正电的，通过静电作用与带负电的粘土颗粒表面联结，形成结构。 正电胶增粘特点：1.与粘土颗粒只形成结构，不产生电性中和，不会引起粘土颗粒聚沉。2.在剪切作用下，结构易破坏，使钻井液的剪切稀释性更加突出。 当用沉淀剂沉淀金属盐时，二价金属盐和三价金属盐经历不同的变化。①对于二价金属盐，当沉淀剂加至该金属氢氧化物的溶度积时，即沉淀下来。生成的沉淀按 Fajans法则优先吸附二价和其他高价金属离子，生成表面带正电的沉淀。②对于三价金属盐，沉淀剂的加入可使它与水分子络合的离子通过水解、羟桥作用和进一步的水解、羟桥作用，生成该三价金属的多核羟桥络离子。继续加入沉淀剂，多核羟桥络离子中的核数增加，络离子的价数增加，直至达到三价金属氢氧化物的溶度积，生成沉淀。沉淀表面也按 Fajans法则吸附溶液中的高价金属离子(特别是多核羟桥络离子)，使沉淀表面带正电。

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

( Faculty, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 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 the first, the paper theoretically analyzed the borehole maintaining and biodegradation mechanisms of degradable drilling systematical study on its performance were carried out by utilizing rheology tests, mud cake remove tests and coal rock gas permeability show that the degradation properties of degrad- able drilling fluid were controllable and it was fit for the coalmine operation , 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 and 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

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。

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:。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

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。

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,在之内,质量浓度为的胍尔胶钻井液的表观粘度从·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,在之内,质量浓度为的羧甲基纤维素钻井液的表观粘度从·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。

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,由质量浓度为羧甲基纤维素和胍尔胶组成的复合聚合物钻井液的表观粘度从·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

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+(调节pH),先后采用的SE-4溶液和5%HCl浸泡滤饼。

配方2:400ml水+膨润土,采用溶液浸泡滤饼。

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

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(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。

参考文献

[1]王兆丰,刘军.2005.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J].煤矿安全,36(3),29~33

[2]苏现波,王丽萍.2001.中国煤层气产业化的机遇、挑战与对策[C].瓦斯地质新进展,222

[3]饶孟余,杨陆武,冯三利等.2005.中国煤层气产业化开发的技术选择[J].特种油气藏,12(4),2

[4]袁亮.2007.淮南矿区煤矿先抽后采的瓦斯治本技术[J].中国煤炭.33(5),5~7

[5]张群.2007.关于我国煤矿区煤层气开发的战略思考[J].中国煤炭,33(11),9~11

[6]国家发展和改革委员会.2005.煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十一五”规划[R]

[7]蔡记华,乌效鸣,潘献义等.2004.暂堵型钻井液的试验研究.地质科技情报[J],23(3):97~100

[8]蔡记华,乌效鸣,刘世锋.2004.自动降解钻井液在水井钻进中的应用[J].煤田地质与勘探,32(5):52~54

[9] Jihua Cai, Xiaoming Wu, Sui on environmentally safe temporarily plugging drilling fluid in water well drilling [C] .SPE 122437

[10] 蔡记华, 乌效鸣, 谷穗等.2010. 煤层气水平井可生物降解钻井液流变性研究 [J] . 西南石油大学学报(自然科学版), 32 (5): 126～130

[11] 蔡记华,刘浩, 陈宇等.煤层气水平井可降解钻井液体系研究 [J] .煤炭学报, 已录用

[12] Beall, Brian B., Tjon-Joe-Pin, Robert, Brannon, et experience validates effectiveness of drill-in fluid cleanup system [C] .SPE 38570

[13] Frederick , Phil Rae, Juan step enzyme treatment enhances production capacity on horizontal wells [C] .SPE 52818

[14] ' Driscoll, , treatment for removal of mud-polymer damage in multilateral wells drilled using starch-based fluids [J] .SPE Drilling & Completion, 15 (3): 167～176

[15] Hylke Simonides, Gerhard Schuringa, Ali of starch in designing non-damaging completion and drilling fluids [C] .SPE 73768

[16] R. , R. , Ian Wattie, Jane Tomkinson. test of a novel drill-in fluid clean-up technique[C] .SPE 58740

[17] [德] W.施纳贝尔.1998.聚合物降解原理及应用 [M] .科学出版社, 180～187

[18]李明志,刘新全,汤志胜等.2002.聚合物降解产物伤害与糖甙键特异酶破胶技术 [J].油田化学, 19(1), 89～92

你好.楼主.钻井液的流动状态有三种。即紊流、展流和过渡流。可以用钻井液流型调节剂Ｍ３１７..以下资料:-------------------------【摘要】 针对大位移井水基钻井液体系井眼不稳定、井眼净化不良等问题，研制出一种新型的钻井液流型调节剂Ｍ３１７。通过室内性能评价表明：该流型调节剂加量为１．５％时，对渤海钻屑滚动回收率为５８．７％，高温高压防膨率为８８．５％。般含一定时，随 Ｍ３１７加量增加，钻井液动切力和静切力增加，而表现粘度、ＡＰＩ失水基本不变；般含在３．０％～４．５％，Ｍ３１７加量控制在１．５％～０．５％时，钻井液表观粘度、动切力和静切力均能很好满足大位移井钻井技术要求。Ｍ３１７单剂及钻井液体系ＥＣ５０值均大于３００００ｍｇ／Ｌ，无污染，满足环保要求。该处理剂已在渤海ＱＨＤ３２－６、ＪＺ－９－３等油田现场应用成功。 【英文摘要】 M317, a new drilling fluid flow pattern regulator, is developed to solve problems occurred when drilling extend- ed reach wells with water base drilling fluid .such as unsta- ble borehole and poor borehole cleaning. Laboratory performance evaluation shows that its additive level is , rolling recovery of Bohai all cuttings , and antiswelling rate under high temperature and high pressure . When the content of bentonite is given, as the additive level of M317 goes up, dynamic shear and static ... 【作者】 罗春芝; 滕升光; 吕建奎; 刘成贵; 【英文作者】 LUO Chun-zhi et al; 【作者单位】 江汉石油学院化学工程系; 434102; 胜利石油管理局黄河钻井五公司; 【文献出处】 河南石油 , Henan Petroleum, 编辑部邮箱 2001年 04期 期刊荣誉：ASPT来源刊 中国期刊方阵 CJFD收录刊