高密度硅酸盐钻井液体系的研究和应用

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1、高密度硅酸盐钻井液体系的研究和应用高密度硅酸盐钻井液体系的研究和应用何兴华 马慧 朱成君 成效华 （胜利石油管理局钻井泥浆公司）摘要摘要：研究了无机硅酸盐在高密度、高固相、高矿化度钻井液体系中应用，着重对钻 井液体系的配方和性能的控制，以及体系的抑制性、抗固相污染及盐膏污染能力进行了评 价。通过实验证明，硅酸盐钻井液体系具有良好的抑制泥页岩的水化膨胀能力，并具有一 定的抗盐抗钙抗固相染污能力。分别在河坝 1 井和牛斜 114 井进行了应用，现场应用表明， 硅酸盐钻井液体系在高 PH 值环境下防止地层的垮塌起到防塌和保护井壁的作用，具有良 好的抑制防塌能力，悬浮携岩能力，保护油气层能力，有着良好

2、的经济价值和极为广阔的 应用前景。 关键词关键词：机理 体系 抗污染 现场应用 硅酸盐作用机理硅酸盐作用机理 硅酸盐钻井液体系的防塌机理，硅酸盐具有良好的抑制性，稳定井壁能力强。 （1）含 有硅酸根离子的钻井液滤液在井壁表面和进入泥页岩地层裂隙以后，可以迅速与地层流体 中的 P H 值小于 9 的高硬度孔隙水中的高价重金属离子（Ca2+、AI3+ Fe3+ Mg2+）接触 生成凝胶状物质和新盐沉淀物，而覆盖于岩石表面并堵塞孔隙；从而封堵泥页岩孔隙和微 裂缝1。 （2）当井温低于 80时，硅酸盐可通过氢键力、静电力和范德华力的叠加与地层 粘土矿物牢固结合；而井温高于 80（特别在高于 105）时

3、，其分子中的硅醇基与粘土 矿物的铝醇基发生缩合反应，产生胶结性物质，将粘土等矿物颗粒结合成牢固的整体，封 固井壁。 （3）硅酸盐稳定含盐膏地层的机理，主要是 SiO32-与地层岩石表面的 Ca2+、Mg2+发 生作用，生成沉淀，从而在地层表面形成坚韧、致密的封固壳以加固井壁。硅酸盐是以封 堵作用为主的防塌剂2。(4)硅酸酸性比碳酸弱,在受到 CO2污染后,硅酸盐与 CO2发生反应 降低钻井液体系的 PH 值,从而将具有防塌作用的硅酸根转化成硅酸,使硅酸盐作用失效。通 过化学作用（包括自身的化学胶凝反应及其与粘土矿物、钙镁离子等的化学反应）封堵微 裂缝和孔喉，稳定井壁。具有物理/化学固壁特性3。

4、 硅酸盐与各种钻井液体系配伍实验硅酸盐与各种钻井液体系配伍实验 1 1、普通淡水聚磺钻井液体系：、普通淡水聚磺钻井液体系：4%般土浆+0.3-0.5%包被剂+3%护胶剂+1-3%降失水剂+2-5%硅酸盐，该体系一般适用于 深井超深井的钻探工作，但在许多复杂井，特别是山前构造区域地层倾角较大、易吸水膨 胀跨塌缩径的探井施工过程中，受到钻井液材料荧光级别和地质录井的影响，防塌工作只 有靠提高钻井液的密度来实现，但收到的效果不理想，不利于发现和解放油气层。实验证 明，硅酸盐钻井液体系的钻井液具有较强的抑制性和特殊的防塌机理，较高的岩屑回收率， 且对于不同密度的钻井液，具有非常稳定的性能,钻井液性能见

5、表 1。 表 1 钻井液性能配 方D/g/cm3FL/mlPV/mpa.sYP/paPH 聚磺体系1.031225512 +3%硅酸盐1.031027611 加重至 2.01.862.293711 加重至 2.302.275.6911211 加重至 2.352.3410.4952411130/16h2.3414.66010102.2.饱和欠饱和盐水钻井液体系：饱和欠饱和盐水钻井液体系：4%般土浆 + 0.3-0.5%包被剂+3%护胶剂+1-3%降失水剂 + 35%盐+2-5%硅酸盐。复合 盐:10%KCI+25%NaCI） ，该体系为饱和欠饱和盐水钻井液体系，具有较强的抗高温抗盐抗 污染能力，

6、一般适用于海相沉积构造的深井、超深井，但在许多特殊复杂井，特别是易吸 水膨胀垮塌缩径的盐层，盐膏层井段和具有塑性很强的泥岩（红层，橡皮层）地层的钻探 施工过程中，仍然难度很大，一般采用提高钻井液的密度来平衡地层应力，防止盐层，盐 膏层井段和塑性很强的泥岩段蠕动变形，但对盐膏层井段的石膏和塑性很强的泥岩段抑制 能力效果并不理想。实验证明，饱和欠饱和盐水硅酸盐钻井液具有较强的抑制性，较高的 岩屑回收率和特殊的防塌机理，不同密度的饱和欠饱和盐水钻井液，其性能比较稳定,钻井 液性能见表 2。表 2 钻井液性能配 方D/g/cm3FL/mlPV/mpa.sYP/paPH盐水钻井液1.2061699+3%

7、硅酸盐1.208201310加重至 2.01.988441610加重至 2.302.3116701811加重至 2.352.3616672611130/16h2.364425810 3.3.环保钻井液体系环保钻井液体系 4%般土浆+0.3%IND30+3%护胶剂+3%降失水剂+3%聚合醇+5%无荧光白沥青+3%硅酸盐。 随着对环境保护的要求，环保型钻井液体系越来越多地应用于实际的钻井施工过程中。该 钻井液体系的使用，虽解决了有关钻井液的环保和安全问题，但是，体系的抗高温能力、 稳定性和防塌性仍存在一定的问题。由于硅酸盐钻井液体系所使用的无机盐，具有无毒， 无色，无荧光的特性。所以，硅酸盐钻井液

8、体系不会影响整个钻井液的环保要求，并具有 较强的抑制性、稳定性，解决了探井钻探中钻井液的污染和荧光问题，有利于地质录井和 环境保护，钻井液性能见表 3。表 3 钻井液性能配 方D/g/cm3FL/mlPV/mpa.sYP/paPH 环保钻井液1.0332171812 +3%硅酸盐1.0312291011 加重至 2.01.896.6691011 加重至 2.302.2715.781211 加重至 2.352.3618852411130/16h2.3620601510 硅酸盐钻井液的抗污染实验硅酸盐钻井液的抗污染实验 高密度硅酸盐钻井液体系，密度高，固相含量高，相应的金属离子含量就高，硅酸盐 的

9、加入对整个体系的流变性能能较好地控制，并具有比较好的抗盐抗钙污染能力。 1、 通过室内石膏污染实验，高密度硅酸盐钻井液体系具有较好的抗盐抗膏污染能力，随着石膏污染量的增大，体系受到污染以后，对钻井液的流变性能和综合性能影响不大， 钻井液性能见表 4。 表 4 钻井液性能钻井液体系D/g/cm3FL/mlAV/mpa.sPV/mpa.sYP/pa 基 浆2.0057860181%CaSO4.2H202.003.87666102%CaSO4.2H202.013.8736493%CaSO4.2H202.014.8686355%CaSO4.2H202.025.6403372. 通过模拟饱和复合盐水污染

10、实验表明，硅酸盐钻井液体系具有较好的抗盐水污染 能力。体系受到盐水污染以后，对钻井液的流变性能和综合性能影响不大，钻井液性能见 表 5。表 5 钻井液性能聚磺钻井液D/g/cm3FL/mlAV/mpa. sPV/mpa. sYP/pa基 浆2.005645410 +10%盐 水1.959.4947024 +5% 盐 水1.929.4866818 +10%盐 水1.8110.2806812+5% NaCI1.8010.2654916 注：（饱和复合盐水：10% Ca CI2 + 25% Na CI + 清水） 3.使用高密度钻井液，一般采用一级固控，钻井周期与岩性决定着劣质固相对钻井 液污染程度

11、，会造成钻井液性能失控，粘切很难控制是钻井液性能维护艰难的关键。模拟 固相污染实验表明，硅酸盐钻井液体系具有较好的抗固相污染能力，钻井液性能见表 6。 表 6 钻井液性能聚磺钻井液D/g/cm3FL/mlPV/mpa.sYP/pa固相基 浆2.005541032.5 +%固 相2.01656121300C/16h1048836.5+2%固 相2.01564151300C/16h10601238.5+2%固 相2.024691840.51300C/16h固化（注：固相为塔里木 LG38 井振动筛返出物研磨，过 120 目筛余物，加 50%般土混合 而得。 ） 4 4 .PH.PH 变化对钻井液性

12、能的影响变化对钻井液性能的影响：分别用取大 5-7 井、渤深 6-3 井的井浆实验。首先 将井浆性能调整好后，分别加入 3%硅酸盐，在此基础上用浓度为 2 摩尔的 HCI 滴定，观察 钻井液性能的变化情况，对应的钻井液性能变化曲线图. 见下表 7、8 和图 1、2：表 7 大 5-7 井钻井液性能变化情况 FL/mlAV/mpa.sPV/mpa.sYP/paPH 井 浆3.840271312.0 +3%硅酸盐8.030151513.07+ HCL 36ml15.62218412.02+ HCL 20ml42.024.5159.510.88+ HCL 20ml701511410.08+HCL20

13、ml7615.5132.58.83钻钻井井液液性性能能与与P PH H的的关关系系010203040506070801213.0712.0210.8810.088.83PH 值FLPVYP图 1 对应的钻井液性能变化曲线图 表 8 渤深渤深 6-36-3 井井：钻井液性能变化情况配 方FL/mlAV/mpa.sPV/mpa.sYP/paPH 井 浆3.457.5498.512.0 +3%硅酸盐4.458411712.93+HCL46ml12.24135611.78+HCL25ml32.85046410.80+HCL25ml34.4423669.67+HCL25ml50.031.53010.58

14、.28钻钻井井液液性性能能与与P PH H的的关关系系01020304050601212.9311.7810.89.678.28PH 值FLPVYP图 2 对应的钻井液性能变化曲线图 通过对大 5-7 井、渤深 6-3 井两口井的井浆实验，看出钻井液的流变参数随 PH 值的下 降的变化规律。当滴入 HCL 时， PH 下降， HCL 中的 H+和钻井液中的 OH-结合，生成水， 使钻井液中的自由水增加，钻井液的粘度和屈服值均在下降，失水成倍增加，泥饼变厚。 当 PH 下降到 9 以后，钻井液环境由碱性变为中性或酸性，硅酸盐酸根离子在固相表面吸附， 与钻井液中金属离子生成新盐沉淀物和凝胶状物质，

15、使钻井液的滤液粘度升高，钻井液的粘度和屈服值随之开始增加，而失水开始下降。 硅酸盐钻井液硅酸盐钻井液抑制性抑制性评价实验评价实验 硅酸盐钻井液体系的突出特点是抑制性比较强，具有屏蔽暂堵作用。实验结果证实， 清水，不同的钻井液体系与硅酸盐复配以后会进一步提高其抑制能力，室内岩心回收率的 实验结果如下表所示。 1、 三种硅酸盐钻井液滚动回收率对比：所用岩心为新疆庄 101 井页岩，结果见下表 9。表 9 岩心滚动回收率钻井液体系D/g/cm3FL/mlPV/mpa.sYP/pa20/30 目清 水1.0010%1.504501884.2%聚 磺+3%硅酸盐1.504431690.2%1.50436

16、1084.4%饱 和 盐 水+3%硅酸盐1.505630794.4%1.4810701682.4%环 保+3%硅酸盐1.481270595.6% 2. 三种硅酸盐钻井液，煤的(20 目/30 目筛)滚动回收率，结果见下表 10。表 10 岩心滚动回收率钻井液体系D/g/cm3FL/mlPV/mpa.sYP/pa20/30 目清 水1.0032%1.504501884.2%聚 磺+3%硅酸盐1.504431692.7%1.504361084.4%饱和盐水+3%硅酸盐1.50530794.6%1.4810701682.4环 保+3%硅酸盐1.481270595.8%从实验可以看出:实验 130/16h 三种体系岩心的回收率