地热钻井液近年来的最新发展

 涉及到地热钻井的高温和恶劣的化学环境使得普通含水钻井液大为力所不逮。地热打井过程中所遇到的高温常常引起泥浆的过度变稠和胶凝。而这又造成循环困难,或者因为必要的高泵压而甚至发生循环液漏失。除此之外,其它的地热钻井液问题还包括:腐蚀速度增加、由于钻井液而造成地层破坏,以及测井困难。
 
  近些年来,对于热胶凝问题已经进行了大量的研究,并以良好的粘土固相控制和应用稳定的煤碱剂(StableLignite)与木质素磺酸盐衍生物为标志,取得了重大的改进。在150“C到175℃的温度下,这些产品都是非常好的缓胶凝剂。然而,在超过200“C时,它们却对热降解敏感。随着这种性能的降解的加大,泥浆成份必须不断地更换,或者使用更多的稳定材料。
 
  高温稳定性
 
  作为高温钻井液研究课题的一部分,我们正在研究温度一稳定型的反絮凝剂。最初的筛选研究使用了范氏稠度计和范氏50B旋转粘度计。结果得到了一种新的实验用聚合反絮凝剂。这表明研究结果大有前途。
 
  所示为在范氏稠度计和范氏50B粘度计中进行研究的钻井液的组合成份。泥浆比重9.3磅/加伦。新的聚合反絮凝剂(入PD)加水成为浓度50%的溶液。
 
  一、用于稳定在高温下使用
 
  这一部分的内容涉及到作为高温稳定剂的新型合成聚合反絮凝剂的研究课题。我们这里所提出的XPD合成聚合反絮凝剂是一种低分子量的丙烯酸醋共聚物。它显示很强的阴离子与更多的氢键结合的特性。对于粘土,它具有很强的亲和力。对于XPD的高温特性,曾在范氏稠度计、范氏SOB旋转粘度计和高温老化槽中进行过研究。同时也对高沮电解质的作用进行了研究。
 
  在研究中使用的55一TDL型范氏稠度计配有一台HoneywellBrown电子记录器。稠度计的工作原理和结构已由Weintritt和Hugh。s等人作了阐述。稠度计允许监测泥浆在加热到500“F,压力达Z000oPsi时的稠度变化。稠度计以磁力方法使一软铁悬锤上下运动。同时,声波检测器为悬锤的往复运动记时。时间随泥浆稠度而变化,并以“粘度,度数的%”从0到100%记录下来。为了进行这些实验,泥浆样品在150OF(65“C)的温度下被左右倾摇16小时进行老化。pH值调到11。在把泥浆样品放置到稠度计槽内之后,温度以尽可能快的速度上升至400OF(200”C),然后维持大约8小时。压力始终保持l000opsi。
 
  范氏SOB旋转粘度计研究
 
  地热打井时当泥浆样品在受压的情况下加热时,范氏50B粘度计使用一个旋转的悬锤来测量其粘度。作用在悬锤上的泥浆剪切力由电子方式传送到记录器上,并由记录器直接显示出粘度读数。在这些实验中,粘度计的速度被定为100转/分。温度控制以一个小时为单元,每个阶段分别为400OF、450“F和500“F(200”C、230“C和260“C)。压力保持在SO0psi(磅/平方英寸)。
 
  稠度计在10000Psi压力下操作含有铁铬木质素磺酸盐(FCL)为基础的泥浆系统很快变稠,在大约2小时以后,其粘度即达到使稠度计悬锤不能再运动的程度。而含有XPD的悬浮液在400“F的温度下7个多小时,将近8个小时保持其稳定的有效的粘度。
 
  当加入聚合反絮凝剂时,出现了一种有趣的现象。在温度为40℃F时大约1小时以后,泥浆系统即开始变稠。在大约1小时15分后,达到最稠。随即,它又开始变稀,其相对粘度几乎回到原来的水平上。在8小时实验的其余时间里,它一直保持稳定。
 
  看来,这一现象提示我们:在混合的反絮凝剂系统中,在低温时,分散现象首先是FCL作用的结果。但随着温度的上升,FCL开始沸腾。在XPD作用于泥浆系统并稳定泥浆系统之前,有一个短暂的、明显的2范氏50粘度计以10ORFM,8。。Ps:的压力情况下运转当与稠度计数据相比较时,范氏50B数据显示出某些有趣的差别。温度达到400“F(Z000C)之后不久,FCL钻井液的粘度稳定上升。最初,XPD系统表现出同样的特点,但是粘度增大得更快些。这之后,就开始变稀,并在500F(260℃）的温度下保持稳定,在从环境温度上升到500”F(2600C)的整个过程中,FCL十XPD泥浆系统比其它两种单一反絮凝剂的泥浆系统显示出更好的流变学稳定性。这一点向我们显示了FCL和XPD之间相辅相成的增效作用。
 
  污染物的影响
 
  在许多情况下,污染物对于流动性能起主要作用。当我们试图改善钻井液的高温稳定性时,必须把污染物的种类和数量考虑在包含XFD的泥浆的有机稀释作用进行丁研究。研究的污染物是石灰、石膏和不同浓度的氯化钠和氯化钙。污染物处理的泥浆(钙侵与盐侵)在150OF(65“C)的温度下老化16小时。然后在不锈钢槽中(800Psj,NZ压头),在4500F(230℃)的温度下作26小时的静态老化。在静态老化之前和其后,对API流变学、静切力和滤失性能进行测定。列于表2上的结果表明:在所有的情况下,包含xPD组合成份的泥浆性能较好。特别是静切力,明显地低于只包含FCL的泥浆系统。
 
  我们对典型电解质对于只包含FCL和地热钻井液的现场实验。
 
  美国能源部通过桑迪亚国家实验室资助进行了如下的工作:对市场上销售的泥浆的热稳定性进行评价,并研制出一种改进的地热泥浆。1976年的工作表明,市场上现有的清水泥浆在超过175“C的温度条件下粘度高,失水性能和腐蚀特性都不好。1977年,一种改进的地热泥浆问世,其组成成份是水、海泡石、搬土、褐煤、聚丙烯酸钠和苛性钠。这种代号为HTM一1的地热泥浆被MeC:LLoughGeothermaL公司选用,在加利福尼亚州莫皮里尔县境内该公司的M。-rcerZ一28号地热井中,从泥封深度(7600英尺)打到套管深度(10920英尺)。石Iereer2一28号井是作为注水并来打的。在井中下13号英寸的套管,直到4147英尺。
 
  现场实验操作。
 
  在23o.e(450F)静态高温老化时泥浆受盐侵后的屈服点(动切力)McCuLLough公司在其McrcerZ一28号井中4147英尺下13音英寸套管处使用一种盐水粘土泥浆向下钻12士英寸的孔。这种盐水粘土泥浆一直用来钻进,直至7600英尺深。
 
  当在7600英尺处使用新钻头进行钻进时,用HTM一1泥浆取代了盐水粘土泥浆。HTM-1泥浆用体积为30%的清水稀释,然后用忍磅/俑的揭煤、1磅/桶的聚丙烯酸钠以及0.5磅/桶的苛性钠处理。HTM一1泥浆较稀,含搬土较少,失水性能要比盐水粘土泥浆好。每天用渴煤1一2磅/桶,聚丙烯酸铭寺一仓磅/桶处理泥浆,以保持低于15ml的API泳准泥浆失水量,及低于soml的HT一HP失水量(275“C一soopsi)。此外,每天还需要加l一3磅/桶的海泡石,以保证必须的钻孔清洁。表3所示为玉I飞’M一1泥浆表现出的典型特性。
 
  当使用高温泥浆钻进时,钻速平均为每小时7一9英尺。在每次起下钻或测井作业之后,泥浆循环都没有遇到问题。
 
  从7600英尺到7916英尺这一段钻进操作中没有发生任何问题。而在7916英尺处发生钻杆脱扣事故。掉落的钻杆部分很快被打扮上来,又继续钻进。泥浆在井底滞留12小时之后重新循环。这时的泥浆和正常钻进操作中正在连续循环的泥浆没有区别。
 
  在8604英尺处因换钻头而起下钻时,由于一些钻诞上出现了细如发丝的裂纹,所以卸下了钻逛。当新钻头到达孔底时,出现了大约Go英尺的淤塞段。所以,在加入2磅/桶的海泡石之后,漏斗粘度稍有增力口。
 
  在8866英尺处进行测井时没有遇到困难。新钻头到达孔底时,大约28英尺的淤塞被探测出米。孔底循环的泥浆显示出优良的流变学和失水控制特性‘钻进操作继.续进行,到生。053英尺时钻杆断裂脱落。钻.杆被打捞上来,继续钻进至上0463英尺时一直没有发生任何其它故障。在并深达10463英尺时,发生一个钻笼被冲蚀的事故,只好又进行打捞工作。这之后一直没有出现其它间题,安全钻至最终井深10920英尺。钻完后又进行了一次测井,也没有发生事故。
 
  与过去的地热钻井进行比较2978年6月至8月,MeCullough公司在距MeroerZ一28井北大约去英里处钻了一口8一矛英寸的井一Mercerl一28井。这两口井都是由同一钻井承包商使用同一钻机来完成的。Merc。:1一28井钻井时使用的泥浆是海泡石,正规的钻井泥浆处理剂是煤碱剂和聚丙稀酸钠。尽管这日井早钻两年,而且井孔中的泥浆体积又小,然而我们可以把它的泥浆费用、钻井时间等与McrcerZ一28井作一比较。表4即是这两口并的比较。
 
  结论。
 
  在环境保护局的资助下,研制出的一种新型高温泥浆HfM一1,在MoC时l血么liGootherm抓公司位于加利福尼亚州英皮里尔公境内的人1。:corZ一28并中成功地得到应用。在整个钻井、打捞和侧并操作过程中,1泥浆用体积为30%的清水稀释,然后用忍磅/俑的揭煤、1磅/桶的聚丙烯酸钠以及0.5磅/桶的苛性钠处理。HTM一1泥浆较稀,含搬土较少,失水性能要比盐水粘土泥浆好。每天用渴煤1一2磅/桶,聚丙烯酸铭寺一仓磅/桶处理泥浆,以保持低于15ml的API泳准泥浆失水量,及低于soml的HT一HP失水量(275“C一soopsi)。此外,每天还需要加l一3磅/桶的海泡石,以保证必须的钻孔清洁。表3所示为玉I飞’M一1泥浆表现出的典型特性。
 
  见表2和图1。泥浆费用进行了调整,反映出从19了8年到阳8。年费用上涨20叱,而士2一冬英寸的井径与8弓一英寸的井径相比,容积却增加了6。
 
  结论
 
  在环境保护局的资助下,研制出的一种新型高温泥浆HfM一1,在MoC时l血么liGootherm抓公司位于加利福尼亚州英皮里尔公境内的人1。:corZ一28并中成功地得到应用。在整个钻井、打捞和侧并操作过程中,各种试验,溶液(0.25L)在o.SL不锈钢泥浆老化槽中进行老化。为进行各种试验而进行的老化循环包括:1)环境温度到试验温度持续2小时,2)试验温度保持2小时,3)试验温度回至环境温度经过3小时。整个老化循环过程为斜线上升至试验温度,然后再斜线回降至环境温度。
 
  我们使用一台带有计量供应气体和溶液的静态搅拌泡沫发生器来制备进行评价的泡沫。这种技术可以提供可控密度的细微气囊的泡沫。为进行各种试验,泡沫密度控制在45.G士5.。公斤/米“(0.045士o.05LVF).
 
  泡沫排放时间,一种短时间的精确测量,或含水泡沫的密度稳定性,是用来测量高温循环对表面活性剂溶液影响作用的主要的定量试验。同时也测量排放或重量损失50%的时间。对泡沫气囊结构进行外观定性检查,并以良好、尚可、差三个级别划分等级,同样是确定表面活性剂适用性的一个重要手段。
 
  等级划分如下:良好的、小的均匀的气囊,尚可的,不均匀的气囊结构,差的、不均匀的带有大气囊的气囊结构。由于表面活性剂在遇到260“C或310“C的高温时会发生降解作用,所以降解产物对泡沫的影响是一个重要的因素。很明显,泡沫稳定剂是以排放时间的增加来表示,抗泡沫剂是以表面活性剂老化后气囊结构的变化来表示的。气囊结构的定性分级为抗泡沫剂结构在老化后提供了粗略的、但是直接的测量手段。在老化前后,也要测量溶液的PH值,以提供测晕化学变化的另一手段。
 
  对一百多种市场销售的表面活性剂进行了评价,其中包括所有主要类型的代表产品。很多表面活性剂在离子水中裸露,在26。“C的高温中之后不产生泡沫。然而,其中一种新的表面活性剂在几乎所有的化学环境中,在260OC和3功。C中仍有能力产生泡沫。进行评价的阴离子表面活性剂包括烷墓硫酸盐、烷醚磺酸盐、烷基磺酸盐,烷基芳基磺酸盐、氟代烷基磺酸盐以及其它专用材料。同时也对两种类型的非离子型表面活性剂进行了评价:烷基经乙基物和烷基芳基经乙基物。进行评价的两性表面活性剂包括三甲按乙内醋(甜菜碱)和以咪哩琳为主要成份的材料。并对两种类型的阳离子表面活性剂进行了评价:经乙基三元胺和数种四元铰材料。
 
  一种表面活性剂,一种a烯烃磺酸盐在260“C的高温下,在各种化学杯境中进行评价的数据。由于它排放变化小、老化后气囊结构好、FH值变化适度,所以明显地表明具有一定前途。由于掌握了每一种表面活性剂的大量数据组,我们可以建立起它们的性能等级系统,以显示结果。
 
  一些经过选择的表面活性剂在26。“C,不同化学环境中仅仅显示其性能等级的数据。等级按如下划分:非常好(E)一一在老化前、后,具有良好的气囊结构,老化后气囊结构Pll值变化据塔斯社7月26日报道,印度在梅加拉亚帮(Meghalaya)东;!匕部的三个山区现发有铀矿床。近七年来,在该地区还发现有丰富的铁、铜、镍、锰矿产以及石油。随着这些矿产的发现,这一落后地区的社会经济将会出现增长的远景。