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陽離子鉆井液的使用

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陽離子鉆井液的使用

發布日期:2019-01-09 作者: 點擊:

陽離子鉆井液的使用
一、 前言
陽離子鉆井液是一種比較成熟的鉆井助劑。這種鉆井液體系是以高分子量陽離子聚合物(簡稱大陽離子)作為包被絮凝劑,以小分子量有機陽離子化合物(簡稱小陽離子)作為泥頁巖抑制劑,并使用降濾失劑、增粘劑、降粘劑、封堵劑、潤滑劑等處理劑的部分或全部而組成的。大陽離子的包被絮凝作用和小陽離子的泥頁巖抑制作用的相結合,使得陽離子聚合物鉆井液具有很強的抑制性,同時具有良好的流變性、低濾失量及穩定井壁等功能,并且根據井下情況容易進行調整和維護,對保證井下安全、提高鉆速、保護油氣層等方面都有很好的效果。
二、陽離子鉆井液的優點
 1、防塌效果好。陽離子鉆井液是靠理強抑能力的大分子陽離子聚合物組成,它能有效的抑制粘土水化膨脹和分散;穩定井壁;攜帶鉆屑,防卡防阻,防泥包,防塌等功能。從上述井的實際效果看,井眼穩定,井徑規則,起下鉆及下套等暢通無阻,無垮塌和縮徑現象,是陽離子鉆井液的主要優點。
 2、鉆井液性能穩定,處理工藝易掌握,鉆井液密度易控制,基本控制在低固相鉆井液要求的范圍內,有利于保護油氣層。
 3、鉆井液成本費用較低:所用處理劑絕大多數為國產合格處理劑,相比較鹽水鉆井液、聚磺鉆井液體系及其它鉆井液,成本都相對要低。
 4、鉆井液對鉆具的腐蝕性小,可延長鉆具的壽命。
 5、陽離子鉆井液抗污染能力強,抗溫效果好,主要是對抗鈣、抗鹽、抗石膏有很好的效果。
 6、能有效地抑制泥巖的水化膨脹和造漿,防止卡鉆。
 就玉門區塊為例,上部地層為牛鉻套-鉻躺溝、弓形山、柳溝莊地層,有大段泥巖,容易水化膨脹、造漿,易造成遇阻、縮徑現象。
 7、有助于提高固控效率。
 在鉆遇大段造漿泥巖地層時,振動篩上的鉆屑清爽,地層砂樣易清洗,固相易控制,不放漿,減少了材料消耗,節約了成本。
 8、不易泥包,摩阻小,起下鉆順利。
 由于陽離子聚合物鉆井液體系有效地控制濾失,濾餅薄而韌,并因其特殊的性能使鉆具不易泥包,摩阻小,提高了起下鉆的速度,提高了效率。
 9、能有效的抗高溫,在高溫高壓下控制鉆井液的流變性。
 該鉆井液體系有很好的抗抗高溫的作用,在高溫高壓下,鉆井液的流變性較易控制,滿足鉆井要求,適應現場工作的要求,井壁穩定。
三、 轉化步驟:
 1、一般是在礫石過后,砂子變細后開始轉化,先使用 5%的稀釋劑堿液2方,將泥漿的粘度下降至40s左右,并且可以達到護膠的效果;
 2、使用2%HS-1再次護膠,緩慢的加入,不易過快,在加量達到10方后,逐步的加入0.5%的CHM膠液,在加入時速度要很慢,在加入6-10方后可以逐漸的調整加量,主要觀察泥漿是否有絮凝現象,如有絮凝現象,說明護膠效果不好,加大2%HS-1的加入量或使用5%的稀釋劑堿液護膠。
 3、Z后滴加NW-1,剛開始加入量比較的小,由于NW-1對泥漿的絮凝比較的嚴重,在加入速度也是比較的慢,在加入0.15左右后,再嘗試水沖0.05t的生石灰,水沖生石灰時也要很慢,防止泥漿絮凝。
 4、在轉化時,很據泥漿的坂含、含砂的情況,使用離心機除去有害固相,坂含越低,轉化也越容易。
注:以上CHM、HA-1、HS-2在配置膠液時Z好是使用剪切泵,水化的越是充分,效果就越好。
5、轉化好后鉆井液性能:密度1.05-1.10mg/m3,粘度42s左右,API失水20ml以下,坂含40-50g/l。
處理劑的性能和使用
1、CHM
CHM,包被絮凝劑,主要用來控制坂含、粘度、和鉆屑成形度。配制濃度一般為:0.5%、1%、1.25%、1.5%、2%、2.5%、。濃度調節的標準為,地層對抑制性和粘度的要求,濃度過低,若加量過少會導致坂含上升而引起粘度上升或不好控制,濃度過高會造成液相粘度升高,使鉆井液粘度升高,若抑制性不足(巖屑不成形、不好洗、洗過之后不粘手、糊篩子、糊鉆桿)且粘度又偏高,可把濃度配低些,量加大,但若粘度不是太高,則以考慮抑制性為主,地層粘土含量高,造漿性強的情況下,不要輕易降低CHM的濃度,而是通過調節HS-1、HS-2膠液的濃度來控制粘度。
加入鉆井液時,尤其是轉換鉆井液過程中,加大陽離子之前,必須對鉆井液進行護膠,目前Z理想的護膠劑是使用稀釋劑堿液。加大陽離子的過程中應注意陽離子與分散劑分開加入,且在流動性較好的地方加入,剛開始的加入量不要大,防止局部絮凝。加入時觀察槽面絮凝情況,若絮凝太強,則可能是陽離子濃度太高或護膠不足,需降低陽離子濃度或加大稀釋劑的加量,轉換時大陽離子濃度一般為0.5%(低濃度)。陽離子類的處理劑必須不斷補充,因為不管是打鉆還是靜止,泥漿都會消耗掉一部分。在打鉆過程中隨鉆屑帶走量也比較大,鉆屑越細,帶走量越大,更需及時根據情況及時補充。
2、NW-1
泥頁巖抑制劑,"吃土"能力相當強,但加量過高或護膠不好會引起失水上升或坂含過低導致失水難以控制。所以NW-1加入前必須用稀釋劑護膠,且先用低濃度的大陽離子提高體系的抑制性。避免突然抑制過猛,導致局部絮凝。和大陽離子一樣,所有絮凝性的處理劑都應該在粘度較低的時候、在護膠充分的情況下,在流動性比較好的地方,均勻加入。Z好是細水長流。加量的依據是鉆屑、起鉆情況、粘度、失水和坂含。粘度降不下來,鉆屑不成形,甚至糊篩子,鉆桿刮不干凈,接箍上有泥巴等現象,說明抑制性不夠,需補充NW-1,失水高也要補充,在泥巖段鉆進,必須先考慮抑制性再考慮失水。如果抑制性足夠,則應該考慮失水,若坂含高,則不是NW-1過量,可能是加得過猛,或護膠不充分,又或HS-1等降失水劑加量不夠。這里坂含很重要,不要等失水上升了才去控制,而是要看坂含,泥巖段鉆進,坂含控制在30-40g/l左右比較合適。井深了坂含可適當放高40g/l左右。
3、稀釋劑
主要作護膠劑使用,所以即使粘度合適也必須加入,同時調節pH值。剛開始加入坂土漿中降粘效果比較明顯,但一旦體系轉換過來,只要抑制性足夠,粘度控制比較容易,一般不需要降粘。稀釋劑濃度過高,分散過火,反而升粘。泥巖段若粘度不好控制可加大稀釋劑的沖入量,控制粘度之后要加大大、小陽離子,否則粘度還是穩不住。深井段溫度高需要降粘,稀釋劑的效果又不明顯時,此時控制固相很重要。實在沒有辦法了可進行置換,通過清池子放掉一部分泥漿,降低有害固相。
4、HS-1
配制濃度一二開一般在2-5%,三開可適當放低(3-0.5%),隨溫度影響比較大,在淺井段降失水效果比較好。在失水合適的情況下,也不要停止加入,Z好的低濃度或是少量的加入。有一定的抑制性,護膠不好時加入處泥漿有輕微絮凝現象。作用:降失水,提供一定的抑制性和濾液粘度,改善泥餅質量。
5、HS-2
使用效果:具有很好的降低高溫高壓失水的效果,主要是在井深后才會使用,一般是在3000m后,泥漿要求高溫高壓失水,保證井壁的穩定,使用時與HS-1復配成膠液加入,一般在剛開始加入時使用2%左右的濃度,在泥漿適應后使用5%的粘濃度加入,降低高溫高壓失水效果會很好。
6、瀝青
封堵防塌效果比較好,也有一定的降高溫高壓失水的作用,泥餅質量僅次于HS-1,加入時應注意pH值不可過低,維持在9-10為宜。在加入時可以和HS-1、HS-2復配膠液加入,也可以少量的干加,不會增粘。
7、RH
防泥包效果明顯,不粘鉆桿,提速也有一定效果,下PDC鉆頭不可缺少的處理劑,深井段下牙輪則可不加。加入時加量過多或加入過快會起泡,加入量根據進尺快慢每班1-4桶。
8、NaOH
  用來調節PH值,PH值很重要,若PH值不夠,將直接影響粘度和泥餅質量。井越深溫度越高越耗堿,所以深井段必須每天注意高溫高壓失水的pH值,及時補堿。
9、CaO
①石灰的溶解性及注意事項:
生石灰(CaO)吸水后變成熟石灰(Ca(OH)2),在水中的溶解度不大(常溫下約為0.16%)且隨溫度升高而降低。因此石灰在鉆井液中作用緩慢,使用時要注意后效,不要一下子加得太多,但量要加足,確保性能穩定。
②石灰的加入時機及與其他處理劑配合使用時的加入順序:
我們知道,石灰可提供Ca2+,控制粘土的水化分散,使之保持適度絮凝的粗分散狀態,配合分散劑和降失水劑進行鈣化處理,可得性能比較穩定,對可溶鹽侵污不敏感,對泥頁巖防塌性能較好的鈣處理鉆井液。加入分散劑有兩個作用。一是拆散因局部濃度過高的鈣離子作用所形成的較大、較強的粘土絮凝結構(這也是為什么石灰在陽離子體系中能降低鉆井液粘度,但粘度過大時——特別是在鉆進鉆速快、造漿率高的軟泥鹽段——卻"加不進去"的原因),二是護膠。即保護粘土顆粒,使他保持適度的尺寸,不至于因聚結合并而變得過大,影響鉆井液的多級分散度,減少橋堵顆粒的數量,近而引起失水大幅上升。這也是為什么要配合加入適量降失水劑的原因。另外,介于分散劑在鈣處理鉆井液中的以上兩個主要作用,石灰的加入時間、地點和順序很重要。先說加入時機,為了避免局部濃集,Z好根據地質預報提前預知鉆井液性能變化,在粘度上升之前或將鉆井液粘度適當降低后沖石灰,便于均勻擴散到鉆井液中;再說加入地點,Z好在泥漿流動性好的地方加入;Z后加入順序,為了確保粘度不至于太高,同時還不影響鉆井液的多級分散度,加入石灰前應先加入適量分散劑,使分散性強的粘土顆粒進一步充分分散,形成厚的水化膜,減少與Ca2+接觸的機會,從而使選擇性絮凝那些未被分散或分散不好的粘土顆粒;為了拆散過大的聚結顆粒和對適度的聚結顆粒進行護膠,在加入石灰一個循環周后還應繼續沖入一定的分散劑。所以,加入順序應該是分散劑(護膠劑)→石灰→分散劑。另外,因為大多數處理劑都會和Ca2+起反應,所以沖石灰的同時,Z好避開其他處理劑。
③石灰的高溫固化效應:
X光分析證明,高溫下,鉆井液中的粘土與石灰、燒堿起反應,生成水化硅酸鈣等類似水泥凝固后的物質,所以鈣處理鉆井液在高溫(130度以上)條件下會發生固化,急劇增稠。因此,深井段要降低石灰的用量,超深井段更應慎用。營1井5650m,出口溫度72℃,每般沖入80-100kg石灰,高溫固化現象不明顯,但應均勻沖入。
④:Ca2+濃度的調節:
正因為石灰的高溫固化效應,所以隨著井深的增加,Ca2+濃度需要調節。大致可分為三個階段:
A:淺井段。因為淺井段在鉆井液轉化為陽離子體系后,大多為泥巖,鉆速快,地層造漿率高,粘度不易控制,泥巖段PH值不高,對失水的要求也不像深井那樣高,此階段應加足石灰的量,使Ca2+含量保持在600mg/l左右。
B:中深井段。中深井段開始慢慢控制失水,泥巖造漿率逐漸降低,Ca2+的濃度要求有所降低,一般保持在500mg/l左右較為理想。但降失水的過程中,加入磺化類處理劑時為了提高所加處理劑在鉆井液中的溶解性,要配合加入適量的燒堿。利用化學平衡+2OH-≒Ca(OH)2,燒堿的加入勢必提高鉆井液的PH值,所以Ca2+濃度自然降低。另外,鈣離子和腐質酸根生成半溶解態的腐質酸鈣2Hm-+Ca2+≒Ca(Hm)2也能自然降低Ca2+濃度,同時由于反應的可逆性,還為體系提供了強大的Ca2+后備庫。當濾液中Ca2+濃度降低時,反應平衡左移,補充Ca2+。所以此階段Ca2+濃度要有所降低,但維護上不用刻意減少石灰的加量。
C:深井段。此階段,對失水的要求進一步提高,PH值升至10,再加上高溫的影響,Ca2+的含量應控制在300-400mg/l,此階段靠Ca2+濃度自然降低已不能滿足井下高溫和"上不分散下分散"的需要,應適當減少石灰的加量,或根據井下情況和鉆井液性能適當停加一段時間。
⑤Ca2+Z佳濃度的直觀表現和應對措施:
如前所述,陽離子體系中Ca2+濃度控制在500-800mg/l較為理想,但很多時候還是應該根據實際情況便宜行事,保證鉆井液不沾鉆桿,不糊篩,流動性好,性能穩定,泥餅薄而致密、滑而有光澤、韌性和可壓縮性強。
若濾液中Ca2+濃度偏低,粘度切力降得不多,性能不穩定,處理周期短,說明鈣處理不徹底,石灰加量太少。若粘度切力大,則是分散劑加的不夠,應及時補充。若鉆井液顏色發黑,PH值較高,濾液顏色深,性能不穩定,則是分散劑加過量了,要多加石灰,少加分散劑。
⑥石灰的加入對泥漿性能的影響及注意事項:
A:對粘度的影響
石灰,分散劑加入鉆井液充分反應后,粘度有一個先升高后降到比原來還低的變化過程低(如圖1),固相和坂土含量越高,這種變化越明顯。
B:對失水、屈服值、塑性粘度及動塑比的影響
石灰的加入會使粘土顆粒的分散度降低,水化膜變薄,自由水增加,所以失水會增大。同時由于對粘土粒子的絮凝使鉆井液中固相顆粒的濃度減小,所以塑性粘度降低;而流動狀態下由于黏土顆粒水化膜變薄,ζ電位降低,顆粒間更容易互相接觸形成結構,所以屈服值升高,觸變性增強。從而動塑比升高。
所以加入石灰前應適當降低失水,為加入石灰后失水提供上升的緩沖空間,而加入石灰后應注意根據井下情況調整好鉆井液流變性,避免觸變性過高,開泵困難。動塑比過高,對井壁的沖刷力減弱,井壁動態泥餅增厚。
四、陽離子鉆井液的配制與維護處理
 1)若在套管內轉化,先將稠漿除砂凈化,使用膠液稀釋成低般土漿,控制總土量為4-5%。
 2)鉆井液PH值控制在9.5-10.0較好,PH值太高易造成部分陽離子處理劑不穩定。對于水泥塞段較長的井(水泥塞四十米左右),鉆水泥塞時可使PH值高達12,并使粘切顯著下降。因此,在預知有大段水泥塞時,要提前加入大、小陽子,并注意及時控制泥漿的粘切。
 3)深井階段及對付易垮泥頁巖地層,需要使用瀝青防塌劑,禁止用焦油類磺化瀝青和褐煤、腐植酸類磺化瀝青。
 4)潤滑劑用量是根據井下的情況來定,或是定期的補充
 2、配漿與維護
  1)陽離子鉆井液對鉆井液固控、循環系統及日常維護的基本要求:
?。?)振動篩應采用80至120目的篩布,可根據所配備的振動篩類型、篩布壽命和實際工種情況進行調整,但篩布目數不能低于60目。
?。?)至少具備性能可靠的除砂器和除泥器,要長使用離心機除有害固相。
?。?)循環池上Z好擺有兩個可由泥漿泵直接抽吸的2m3的小藥品池。其好處有以下兩點:
A、有專門儲存大陽離子膠液的小藥品池,用閘門控制做到"細水長流",防止與磺化類處理劑混合后產生不便于泵送的膏狀沉淀物。
B、另外一個藥品池專門配制磺化類處理劑液體?;蛘咴诖蠊迌纫淮涡詮团浜笏腿胨幤烦貍溆?。
?。?)由于許多藥品是液態的,如NW-1、潤滑劑、RH等,可以擺在循環池上控制流量加入或將液態藥品轉送到小藥品池。
?。?)加重漏斗應能分別與泥漿儲罐、泵上水罐小隔倉、膠液罐及備用罐建立循環,以便于鉆井液的配制,按循環周進行鉆井液維護和處理。
3、陽離子鉆井液的維護
?。?)陽離子在轉化時,要先使用5%的FCLS減液護膠,待粘度降至40左右后,開始加入1-2%的HS-1膠液控制粘度、護膠,并可以少量的增加抑制性,再加入濃度0.5%的CHM膠液,Z后再少量的加入NW-1和石灰,Z終粘度在42s左右,密度穩定,篩子上砂子返出清爽為好。
?。?)鉆井液的失水控制,一般在上部軟泥巖井段,使用HS-1控制泥漿的API濾失量可控制在5ml;在隨著井深的同時,還要逐步降低高溫高壓濾失量,主要使用HS-2控制不大于10ml。在使用HS-2時,HS-1不能停,可以根據粘度和流變性適當的減少加量,經過這樣處理后,泥餅質量將得到進一步改善,這對易垮井段來說是極為重要的。
?。?)鉆井液的粘度、切力過高主要由稀釋劑堿液。如果切力居高不下,可使用稀釋劑堿液。一般上部軟泥巖造漿井段,粘度控制在50s左右,若高了往往會出現鉆具泥包和縮徑現象。
?。?)NM-1和CHM加量應根據地層情況,日進尺和鉆井液性能來補充。在鉆遇泥巖之前就應及時補充大、小陽離子,尤其是在大井眼進尺比較快的泥巖井段中。并注意及時補充降濾失劑,以消除因降粘切時造成的濾失量上升。
?。?)潤滑劑、RH有助于改善泥餅的潤滑性,電測、下套管前應保證一定的加量,鉆井期間也要維護加入。
 四、幾點結論
陽離子鉆井液是以高分子量陽離子聚全物作為包被絮凝劑,以小分子量有機陽離子化合物作為粘土穩定劑的一種新型水基鉆井液體系。通過近年的鉆井總結和室內地層粘土礦物剖面的分析、理化性能研究,現場應用結果表明,這種鉆井液不但具有較強的抑制粘土礦物水化膨脹和水化分散作用,而具有良好的流變性、較低的濾失量和穩定井壁的功能,具體如下:
1、具有較強的抑制粘土礦物水化膨脹和水化分散的功能和包被絮凝能力,有利于保持低固相,穩定井壁和減少井下復雜情況。
2、鉆井液中膠體顆粒含量較低,流變性能比較穩定,濾失量易控制,現場維護簡單。
3、由于陽離子型處理劑的特殊結構和特殊性能及粘土顆粒上的較強吸附,有利于防止起下鉆遇阻遇卡,防止鉆頭和扶正器等井下鉆具泥包,電測成功率高,下套管順利。
4、振動篩上鉆屑清爽,不易發生粘泥糊篩現象,有利于提高固控設備效率。
5、具有良好的抗高溫、抗鹽、抗鈣等能力。
6、具有較強的抗坂土和鉆屑的污染能力。
7、較強的抑制粘土礦物水化膨脹和水化分散的能力和低固相含量、低濾失量,有利于減少鉆井液對油層的損害。
綜上所述,陽離子聚合物鉆井液是具有強的井壁穩定能力,并有助于提高鉆井速度,保護油氣層的鉆井液體系。

 陽離子鉆井液聚合物

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