有机盐钻井液使用调研.docx
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有机盐钻井液使用调研
有机盐钻井液技术调研情况
通过调阅资料分析,初步认识到有机盐钻井液的基本特性。
一、基本概念
有机盐即有机酸盐，也就是有机酸根阴离子与金属阳离子、其它类型的阳离子所形成的盐。
本报告所说有机盐，是带杂原子取代基的有机酸根阴离子与一价金属离子（钾离子、钠离子、铵离子、叔铵离子、季铵离子等）所形成的盐。
该类有机盐可用一通式XmRn（COO）lMq表示，其中X为杂原子及杂原子基团，R为C0-C10的饱和烃基，COO为羧基，M为一价阳离子。
有机盐钻井液跟普通钻井液相比有以下特点：
1、流变型好
2、抑制性强
3、滤失造壁好
4、抗温能力强
5、保护油气层效果好
6、对金属无腐蚀
7、对环境无污染
二、有机盐钻井液的作用机理
1、有机盐钻井液的流变性
有机盐钻井液各组分能充分溶解于水，是由溶解理论决定的。
电解质溶解理论指出：
电解质溶液中存在几个组分时，其组分的化学势随组分的活度的变化而变化；化学势越高，组分的活度越高，与相关物质作用越强。
在有机盐钻井液中，存在着水、有机盐加重剂、其它添加剂。
有机盐加重剂溶于水后形成较高密度的溶液，这种溶液中配入各种流变性调节剂可配成流变性优良的钻井液。
2、有机盐钻井液的抑制性
使用有机盐钻井液，井壁稳定、钻屑、粘土不分散、不膨胀。
另外由于钻井液中水的活度远比岩石中水的活度少得多，岩石中的水将渗流入钻井液，钻井液中的水不会渗流入岩石，这有利于井壁稳定及钻屑、粘土的不分散。
有机盐溶液可以电离出大量的离子。
能较强地抑制粘土分散，使得侵入其中的盐、钙物质难于溶解，其抗盐钙污染能力很强。
3、有机盐钻井液的抗温性
钻井液的抗温性是由其处理剂的抗温能力决定的。
常规水基钻井液处理剂中，生物聚合物XC类最高使用温度，只能达到110度，纤维素类、淀粉类最高使用温度多数为120度（少数达到140度），聚合物类也大多数只能在150度以下时使用；磺化类处理剂最高温度为180度。
所以必须选择新的体系解决此问题。
有机盐钻井液在抗温方面有其独特的优点。
钻井液处理剂的高温失效主要是由于处理剂在高温下降解所致。
该降解反应主要是有机处理剂分子在高温下氧化断链所致。
有机盐钻井液中，有机酸根离子可以除去钻井液中的溶解氧，从而变成分子量稍小的有机酸根，对钻井液性能没影响。
使处理剂的抗温能力达到200以上。
4、有机盐钻井液的滤失造壁性
有机盐钻井液体系选择合适的降滤失剂（如沥青类），有效降低滤失量、改善泥饼质量，可形成薄而韧的泥饼，油溶组分可在压力温梯下发生塑性形变，进入地层微裂缝，起到封堵、防塌的作用。
5、有机盐钻井液抗盐钙膏污染的性能
科研单位通过实验结果表明：
有机盐钻井液抗盐、钙、膏污染的能力比较强，在受到污染后，有机盐钻井液流变性及滤失造壁性仍保持良好且稳定。
6、有机盐钻井液保护油气层及对金属腐蚀性效果
有机盐钻井液可对油气层实现较好的保护，对金属基本无腐蚀，对环境的污染为无毒。
7、有机盐钻井液性能室内试验
（一）有机盐钻井液的基本性能
有机盐钻井液由有机盐水溶性加重剂Weigh2、Weigh3，降滤失剂Redu1、Redu2、提切剂Visco1、Visco2、无萤光白沥青NFA-25、包被剂IND10配制而成。
其中，IND10是专门用于含低浓度有机盐（<15%）钻井液的处理剂。
提切剂Visco1是硅酸盐矿物的改性产品，可用通式M1aM2bM3c（OH）dOe表示，M1、M2、为2、3价金属元素、M3为4价非金属元素。
提切剂Visco2是含磺酸基的聚合物经微交联合成的高分子化合物。
降滤失剂Redu1是含磺酸基的乙烯基单体、乙烯基单体与纤维素等接枝共聚而成的中小分子量聚合物。
降滤失剂Redu2是含磺酸基的乙烯基单体、乙烯基单体共聚而成的中小分子量聚合物。
包被剂IND10是乙烯基单体、含磺酸基的乙烯基单体共聚而成的较高分子量的聚合物。
浆1：
水+0.3%Na2CO3+2%Redu1+3%NFA-25+25%Weigh2+4%Visco1
浆2：
水+0.3%Na2CO3+0.1%Xc+1%Redu1+1.0%NPAN+50%Weigh2+75%Weigh3+2%NFA-25+4%Visco1
浆3：
水+0.3%Na2CO3+0.1%Xc+1%Redu1+1.5%NPAN+150%Weigh3+2%NFA-25+4%Visco1
浆4：
水+0.3%Na2CO3+1.2%Redu1+0.1%Xc+1.5%NPAN+150%Weigh3+2%NFA-25+4%Visco1+铁矿粉
浆5：
水+0.3%Na2CO3+1.0%Redu1+0.5%NPAN +0.05%Xc+150%Weigh3+2%NFA-25+1%Visco1+铁矿粉
浆6：
水+0.3%Na2CO3+10%高岭土+0.6%Visco2 +5%Redu2+100%Weigh3
以下各浆的基本性能见表一
表一
序号
γ（g/cm3）
PH
AV
（mPa·S）
PV
（mPa·S）
YP
（Pa）
G10"
（Pa）
G10'
（Pa）
FL
（ml）
HTHPFL（ml）
（150℃,3.5MPa）
浆1
1.18
9.0
45.5
31.0
13.5
2.5
3.0
3.2
15.4
浆2
1.45
9.0
32.5
25.0
7.5
1.0
3.0
1.5
14.0
浆3
1.55
9.0
40.0
31.0
9.0
1.0
1.5
0.8
12.0
浆4
2.46
9.0
118.0
109.0
9.0
2.0
6.0
1.0
18.0
浆5
2.60
9.0
124.0
109.0
15.0
2.0
5.0
1.0
16.0
浆6
1.46
9.0
50.5
36.0
14.0
1.0
2.5
0.5
13.0
可见有机盐钻井液基本性能良好，可较好地满足钻井工程的需要。
（二）有机盐钻井液的抗温性能
浆1—浆5在150℃热滚16小时后性能见表二
表二
序号
γ（g/cm3）
PH
AV
（mPa·S）
PV
（mPa·S）
YP
（Pa）
G10"
（Pa）
G10'
（Pa）
FL
（ml）
HTHPFL（ml）
（150℃,3.5MPa）
浆1
1.18
9.0
49.0
26.0
23.0
2.0
2.5
4.0
18.0
浆2
1.45
9.0
35.0
26.0
9.0
1.0
2.5
2.0
16.0
浆3
1.55
9.0
32.5
25.0
7.5
1.0
1.5
1.2
13.0
浆4
2.46
9.0
121.0
114.0
7.0
1.5
2.0
0.8
17.0
浆5
2.60
9.0
96.5
63.0
13.5
1.0
4.5
1.0
18.5
浆6在200℃热滚16小时后性能见表三
表三
序号
γ（g/cm3）
PH
AV
（mPa·S）
PV
（mPa·S）
YP
（Pa）
G10"
（Pa）
G10'
（Pa）
FL
（ml）
HTHPFL（ml）
（200℃,3.5MPa）
浆6
1.46
9.0
40.5
21.0
8.0
1.0
1.5
1.0
18.5
这些数据验证了有机盐钻井液优良的抗温性能（可抗200℃高温）。
（三）有机盐钻井液的抗搬土污染性能
表一中浆2、浆4、浆5加入5%夏子街土，150℃热滚16小时后性能见表四
表四
序号
γ（g/cm3）
PH
AV
（mPa·S）
PV
（mPa·S）
YP
（Pa）
G10"
（Pa）
G10'
（Pa）
FL
（ml）
HTHPFL（ml）
（150℃,3.5MPa）
浆2
1.46
9.0
34.0
26.0
8.0
1.0
3.0
1.0
15.0
浆4
2.46
9.0
122.0
110.0
12.0
2.0
6.0
0.6
17.0
浆5
2.60
9.0
130.0
116.0
14.0
1.5
2.5
0.5
15.0
由上表可见有机盐钻井液抗搬土污染能力较强。
（四）有机盐钻井液的抗盐污染性能
表一中浆2、浆4、浆5各加入4%NaCL后150℃热滚16小时后性能见表五
表五
序号
γ（g/cm3）
PH
AV
（mPa·S）
PV
（mPa·S）
YP
（Pa）
G10"
（Pa）
G10'
（Pa）
FL
（ml）
HTHPFL（ml）
（150℃,3.5MPa）
浆2
1.46
9.0
32.0
25.0
7.0
1.0
2.0
1.5
16.0
浆4
2.46
9.0
120.0
111.0
9.0
2.0
5.0
1.0
16.5
浆5
2.60
9.0
128.0
112.0
16.0
1.0
2.0
0.5
15.0
由上表可见，有机盐钻井液抗盐污染能力较强。
（五）有机盐钻井液的抗石膏污染性能
表一中浆2、浆4、浆5各加入1%CaSO4后150℃热滚16小时后性能见表六
表六
序号
γ（g/cm3）
PH
AV
（mPa·S）
PV
（mPa·S）
YP
（Pa）
G10"
（Pa）
G10'
（Pa）
FL
（ml）
HTHPFL（ml）
（150℃,3.5MPa）
浆2
1.45
9.0
31.0
25.0
6.0
1.0
2.5
1.0
14.0
浆4
2.46
9.0
120.0
109.0
11.0
2.0
3.0
1.0
17.0
浆5
2.60
9.0
121.0
111.0
10.0
2.0
4.0
0.6
14.5
由上表可见在较高浓度石膏污染后，有机盐钻井液流变性及滤失造壁性仍保持良好且稳定。
（六）有机盐钻井液的钻屑回收率试验结果
表一中浆2、浆4、浆5各加入准噶尔盆地南缘西四井安集海河组钻屑（此钻屑蒙脱石含量在40%以上，极易水化分散）。
钻屑回收率数据如下：
序号 钻屑回收率
浆2 93.6%
浆4 96.0%
浆5 95.3%
由此可见，有机盐钻井液抑制钻屑分散性能很强。
（七）有机盐钻井液的储层保护数见有机盐钻井液油层保护实验数据总结
有机盐钻井液油层保护实验数据总结
配方号
层位
井深
岩芯号
岩芯
长度
岩芯
直径
污染前压力
污染后压力
污染前渗透率
污染后渗透率
渗透率恢复值
有机盐泥浆
三叠系
4796.25
LN2-4-J2-72
2.958
2.500
0.096
0.113
18.84
16.01
84.98
侏罗系
4514.80
LN2-4-J2-29
2.864
2.488
0.055
0.056
32.15
31.58
98.23
桑塔系
JF134-7
3.678
2.516
0.11
0.118
20.19
18.82
93.21
聚磺泥浆
三叠系
4796.06
LN2-4-J2-70
3.000
2.508
0.08
0.094
22.78
19.39
85.12
侏罗系
4513.76
LN2-4-J2-12
2.938
2.484
0.9
1.10
2.03
1.66
81.79
配方1#
C
DH4-17
3.214
2.502
0.49
0.55
4.00
3.57
89.09
配方2#
C
DH4-6
3.148
2.488
0.21
0.26
9.25
7.47
80.77
聚磺泥浆滤液
三叠系
4748.49
LN2-4-J2-37
3.038
2.488
0.043
0.096
43.62
19.54
44.80
有机盐泥浆滤液
三叠系
4795.44
LN2-4-J2-64
3.154
2.500
0.53
0.85
1.819
1.134
62.34
C
DH4-3
3.168
2.472
0.029
0.039
68.32
50.80
74.36
有机盐泥浆：
3%土浆+0.15%NaOH+1%Visco1+1.5%Redu1+2%NFA-25+3%JHG+30%Weigh2
配方1：
3%搬土浆+0.15%NaOH+1%Visco1+0.3%IND10+1.5%Redu1+2%NFA-25+30%Weigh2
配方2：
3%搬土浆+0.15%NaOH+1%Visco1+0.3%IND10+1.5%Redu1+3%NFA-25+30%Weigh2
可见有机盐钻井液可对油气储层实现较好的保护。
（八）有机盐钻井液对金属的腐蚀性
经中国石油天然气集团公司管材研究所检测密度为1.55g/cm3
的Weigh3溶液对P110油管材料及NK140套管材料的腐蚀率均≈0.01mm/a（毫米/年），基本无腐蚀。
（九）有机盐钻井液对环境的影响
2001年5月—7月在塔里木东河油田DH1-8-6井使用有机盐钻井液的井浆经中油集团环境检测总站检测为无毒。
三、有机盐钻井液在现场的应用实例
Ⅰ、新疆克拉玛依油田五三东井区乌尔禾油藏开发井57031井使用实例。
我们调阅了2000年8月在新疆克拉玛依油田五三东井区乌尔禾油藏开发井57031井进行现场试验的资料，该井取得安全优质钻进、提高钻速、井径规则的良好效果。
井眼尺寸：
Φ444.5mmx105m+Φ241.3mmx1265m+215.9mmx2365m
井身结构：
Φ339.7mmx104.12m+Φ140mmx2364.92m
钻井液技术难点：
该地区除目的层井底100—200米为短段砂泥岩外，其余为强水敏易缩径泥岩、煤层、易垮塌长段泥岩（含伊蒙混层50%以上）。
该井使用有机盐钻井液主控配方为：
水+0.3%Na2CO3+0.1%KOH+0.7~1.0%Redu1+0.1~0.2%IND10+10~15%Weigh2+2%KT-100
该井二开转化为有机盐钻井液后，钻井液性能稳定，流变性好，粘切低，滤失造壁性好（FV：
35～55S，ρ：
1.10～1.31g/cm3，G10"/G10’=0.5～1.0/1.0～6.0，APIFL：
4～9ml，AV：
14～31mPa·S；PV：
10～26mPa·S；YP：
2-8Pa）。
机械钻速快（比同井队同期平均机械钻速提高了48%），井壁稳定，井径规则（井径平均扩大在1%以下），完井电测一次成功。
Ⅱ、例二：
有机盐钻井液在新疆准噶尔盆地南缘西五井的应用：
西五井是位于新疆准噶尔盆地南缘西湖背斜山前构造上的一口重点预探井，钻探难度极大，以前在此地区钻的数口井皆因安集海河组、紫泥泉子组地层地质情况复杂而报废，安集海河组、紫泥泉子组特殊地质情况为：
受山前构造影响存在较大水平地应力，地层压力系数较高（高达2.0以上），属超高压力系统。
地层为伊蒙混层（蒙脱石含量高达40%以上）（厚度大于600米），属极易水化分散地层。
该井三开采用81/2"钻头在3925米进入安集海河组地层，钻穿紫泥泉子组地层最后钻达目的层东沟组地层（5200米，未穿）。
该井三开采用高密度有机盐钻井液。
该钻井液基本配方为：
水+0.3%Na2CO3+3%夏子街土+0.1%KOH+2%Vico1+0.1%XC+1.5%Redu1+1%NPAN+2%NFA-25+3%JLX+2%SMPⅡ+2%SPC+50%Weigh2+70%Weigh3+活化铁矿粉
三开转化为有机盐钻井液后，钻井液性能稳定（ρ：
1.80～2.15g/cm3，FV：
50～180S，PV：
55～123mPa·S；YP：
4～33Pa；G：
1-9/2-26；API·FL：
1.0～1.4；HTHP·FL：
6.0～7.2），钻速较快（比设计工期提前一个多月），井壁稳定（未出现掉块、垮塌），井径规则（三开段平均井径扩大率为2.21%）。
测井数次均一次成功，并获得了良好的油气显示。
这主要是由于有机盐钻井液的低固相（无固相基液密度为1.42-1.45g/cm3，比常钻井液低13-14%固相含量（体积比））、强抑制性，改善了流变性，彻底抑制住了安集海河组、紫泥泉子组地层的造浆，解决了这一历史老大难问题。
西五井钻井工程的成功，为山前构造高密度乃至超高密度钻井液提供了技术储备。
Ⅲ、例三：
有机盐钻井液在塔里木盆地东河油田DH1-8-6井的应用：
该井实钻井深5950m，二开采用有机盐钻井液用216mm钻头从1500m钻至5950m。
该井钻井液主要技术难题为：
二开裸眼段长（1500-5950m）井底温度高（130-140℃），要求钻井液流变性、滤失造壁性、抗温性好；该区块上下第三系至白垩系地层埋藏深（5116m），且以强水敏性泥岩为主，易分散造浆，易发生缩径卡钻；侏罗系地层（5110-5500m）易发生垮塌、掉块。
该井有机盐钻井液主要配方为：
水+0.3%NaOH+0.3%Na2CO3+15-20%Weigh2+0.7-1.5%Redu1+0.2%IND10+1-2%NFA-25+0.5%DH-1。
二开转化为有机盐钻井液后，钻井液性能稳定（ρ：
1.08～1.20g/cm3，FV：
40～80S，AV：
14～70mPa·S；PV：
12～60mPa·S；YP：
2～17Pa；G：
0.5/～0.5/7；API·FL：
2～8ml；HTHP·FL：
8～11），井壁稳定。
提下钻畅通无阻，电测数次均一次成功。
井径规则
（平均井径扩大率为5.4%），共用58天12小时打完进尺（比同期同区块井提前一个星期多）下套管顺利，固井质量为优级。
从1892米换PDC钻头（FS2565）钻至井深5120米，进尺3228米，钻头提出完好无损，说明该钻井液有保护钻头功效。
该井钻井液经中国石油天然气集团公司环境监测总站检测其EC50值大于10000mg/l为无毒。
四、从以上三口井得到的对有机盐钻井液体系的认识：
1．有机盐钻井液体系具有抑制性强，性能稳定的特点。
2．有机盐钻井液体系对泥页地层的抑制能力非常强，钻进中井壁稳定，井眼规则，井径扩大率非常小，由测井数据可以看出，三叠系与二叠系地层平均井径扩大率小于1%。
3．钻井液体系中亚微米粒子含量非常低，即使在低浓度盐条件下，泥页岩钻屑侵入体系中时，由直接观察可知，粘土颗粒在体系中呈粗分散状态，可见明显、较大的粘土颗粒悬浮在体系中。
亚微米粒子含量低，可降低钻头的研磨效应，提高机械钻速，延长钻头寿命。
亚微米粒子含量低，体系将具有较高的固相容量限。
4．有机盐Weigh1和Weigh2浓度达到一定值时对粘土矿物的吸附扩散双电层具有较强的压缩作用，体系中侵入的粘土矿物产生面—面聚结，在重力作用下而沉降。
5．该体系在无粘土相时，由于加入的降滤失剂中具有适度的胶体粒子，能够形成较好的泥饼，同时体系中有合适的液相粘度，故失水造壁性易于控制。
体系中还原性有机阴离子的存在，可提高处理剂的抗温能力。
6．由57031井完井液性能与井壁稳定情况看，该体系的滤失量可适当放宽。
7．由现场钻井过程观察，金属在有机盐钻井液体系中不发生电化学反应，所以对钻具、设备不产生腐蚀，每次提钻，井内起出钻具都未见任何腐蚀迹象。
8．有机盐钻井液体系由于固相含量低、矿化度高，对储层保护不会产生堵塞污染；根据活度平衡理论，当钻井液矿化度大于地层水矿化度时，井眼系统不会向地层失水；体系中不含高价离子，不会与地层水中组份生成沉淀；可实现对储层的有效保护。
华北石油局西部工程公司
钻井技术服务公司
2007年12月19日
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