地热钻井泥浆的使用方法

 摘要:地热钻井泥浆的突出特点就是抗高温,对地热钻井中泥浆的特点、类型、使用和配制方法进行了归纳和总结。
 
关键词:地热钻井;泥浆;抗高温
 
  1 地热钻井泥浆的特点和选择规律
 
  众所周知,地热钻井最突出的特点就是高温。
 
  高温会使泥浆的很多组分分解,引起泥浆性能变坏,不能正常发挥钻井液的功能;高温会使泥浆组分化学结构破坏和膨润土的絮凝,导致失水量增高和井壁泥皮松散变厚,引起井壁坍塌、井眼超径、缩径、压差卡钻、钻头泥包,还会损害、堵塞或封闭生产层等。
 
  此外,地热储层为一般的低压或常压地层,难以承受泥浆柱的净液柱压力。因此,地热井泥浆应具有以下特点:
 
  (1)无须用高密度泥浆控制井喷。
 
  (2)由于井温较高,要求使用在150e以上能保持泥浆性能稳定的处理剂。
 
  (3)原则上应禁止使用含重金属的制剂,以防环境污染。
 
  (4)以膨润土微细固相颗粒为主体的泥浆,要保持固相含量为最低值。
 
  (5)必须配备固相控制设备。
 
  显然,依据上述特点,综合考虑经济和技术因素,欲采用一种泥浆完成全部钻井工作是不妥当的,一般应按如下规律选择确定泥浆体系。
 
  (1)钻进表层覆盖层采用常规泥浆。
 
  (2)表层底部至热储层以上采用低固相泥浆。
 
  (3)钻穿热水型热储层可采用优质泥浆,小于200e井温可采用低固相膨润土泥浆;大于200e井温用海泡石泥浆。
 
  2 地热钻井泥浆体系的使用原则和指标
 
  基本原则
 
  按照上述泥浆类型和使用要求,必须对不同井段的泥浆使用问题提出一些要求,显然,抗温性要求是地热钻井泥浆体系使用的最基本原则。
 
  (1)非生产层井段温度较低,泥浆抗温性要求可考虑小于150e。可采用钠膨润土钻井液。
 
  (2)热储层段温度较高,要求泥浆能抗150~200e的温度。由于正常钻进条件下泥浆的温度一般比热储层温度高,对于1500~2000 m以内的地热井,其差别有30~50e,根据资料介绍和试验结果,选择抗温大于170e的泥浆配方,只要在电测井和下套管固井前适当加大剂量进行抗温维护,就基本能满足200e左右的热储条件。
 
  (3)为了防止堵塞热储层,热储层井段一般不使用钠基膨润土,应尽量选择能代替钠土的海泡石作造浆材料,因海泡石堵塞裂隙后可用酸溶,使热储层的受损害程度达到最小。
 
  技术指标
 
  根据有关资料介绍和钻井的实践,地热钻井泥浆体系依据不同层位和井段其技术性能指标应有所不同,一般指标是:
 
  (1)打地热井时，非热储层高温井段,150e滚动16 h后,泥浆性能应达到下述指标要求:密度1103~114 kgPL并可调;视粘度15~30 mPa#s;API失水量<15 mL;HTHP(170e,3145 MPa)滤失量<50 mL。
 
  (2)热储层井段,200e滚动16 h,泥浆性能应达到下述指标要求:密度1103~114 kgPL并可调;视粘度15~30 mPa#s;APl失水量<15 mL;HTHP(200e,3145 MPa)滤失量<50 mL;固相酸溶率Y50%。
 
  3 正确选用地热钻井用泥浆材料
 
  地热钻井泥浆材料的使用主要包括造浆材料和相应处理剂的选配。一般说来,不同层位所选用的材料应有所不同。下面提供一些选用的原则供参考。
 
  造浆材料
 
  造浆材料对泥浆性能有很大影响,室内实验采用了2种材料,推荐非热储层选用NV-1人工钠膨润土,热储层选用海泡石。
 
  (1)NV-1人工钠土是火山岩淋滤型钙膨润土经钠化而成的,是我国唯一符合API标准的钻井用土,具有优良的抗温性能(150e以上),造浆性能好,高温下增稠不太严重,且价格低,配浆方便,维护简单。
 
  (2)海泡石,国外称为地热粘土,为铝和镁的水化硅酸盐,其晶格构造为纤维状。晶体构造中保留着一系列孔道,进入孔道内的水称为结构水,其分子式用OH2表示。结构水比表面吸附水能耐更高的温度。加热到350e,晶格结构水仍无变化。另外,海泡石在200e以上热液体条件下,开始转化为片状结构的蒙脱石,因此,它是具有最优热稳定性的增粘剂。海泡石可用于地热钻井的另一个特点是酸溶性好,钻进时海泡石进入裂隙不会形成低标号水泥,经稀盐酸浸泡并在热流体加温下可加速溶解过程,从而保护了产层。
 
  化学处理剂
 
  地热打井用泥浆处理剂,除能有效地控制粘土高温分散和由此而引起的泥浆性能变化外,其本身的性能还需保持不变。由于高温对泥浆处理剂的影响很大,要想得到水基泥浆的稳定体系,必须合理选择泥浆处理剂。地热钻井所采用的泥浆处理剂主要有2种:一是高温稀释剂,二是高温降失水剂。此外,还有能提高泥浆高温热稳定性的表面活性剂。
 
  高温稀释剂
 
  高温稀释剂与一般稀释剂不同之处在于:首先是能有效地抑制粘土的高温分散;二是具有更强的水化基团以克服高温去水化;三是参与络合的高价金属正离子与粘土离子易形成正电吸附,以克服高温解吸附作用。从机理上看,抗高温稀释剂除了能拆散网架结构外,还强调要能抑制粘土的高温分散,只有做到这点才能谈得上高温稀释。然而,需要强调指出的是,任何抗高温稀释剂的稀释能力都是对泥浆中的粘土含量低于/土的最大限量0而言的,若粘土含量过大稀释剂是无能为力的。这时只有把粘土含量降下来,泥浆体系才能稳定,泥浆的流变性质才可能合乎要求。常用抗高温稀释剂有铁络盐、磺甲基褐煤等。
 
  高温降失水剂
 
  其作用机理从本质上讲仍然是有机胶保护作用,能保证粘土粒子有较高的分散度和较合理的级配,以实现在压差作用下形成致密泥饼来控制失水。
 
  与一般降失水剂不同的是具有更多、更强的亲水基和高温下不降解。常用的高温降失水剂有:钠羧甲基纤维素(CMC)、磺化褐煤(SMC)、磺化酚醛树脂(SMP)、水解聚丙烯腈(HPAN)及其衍生物等。
 
  表面活性剂
 
  实践表明,虽然并非所有的超深井都需要使用表面活性剂,但是配合使用表面活性剂可以提高地热井泥浆的热稳定性和改善高温性能却是公认的事实。
 
  使用表面活性剂至少有以下好处:非离子型表面活性剂(如SP80、OP10)能降低泥浆高温失水量;烷基芳基磺酸盐等可以降低泥浆摩擦系数,防止卡钻;在盐水泥浆中使用AS可以稳定泥浆的pH值等。然而,目前由于对表面活性剂处理泥浆的规律和机理尚未弄清楚,在使用上还没有充分发挥它的效能。
 
  常用泥浆材料的热稳定性
 
  前面已经多次强调地热钻井泥浆所需考虑的重要问题就是其温度的稳定性。大多数普通的有机和合成的钻井泥浆中使用的普通聚合物的热降解发生在120~150e之间。当泥浆被置于井底温度超过150e时,就要确定有关泥浆和成分的热稳定性所需考虑的措施。表1为普通泥浆添加剂平常能接受的温度范围,可作为设计地热钻井泥浆体系时参考。
 
  SMC-土般土低固相泥浆这是我国使用较为成熟的一种抗温型泥浆体系,组成简单、性能良好、维护方便,抗温可达250e。土般土是体系中的分散相,体积百分含量为4%~5%,最高不得超过7%。SMC用来控制土般土的分散度,从而保证泥浆有良好的高温流变性能、造壁性能和热稳定性能。这里,土般土含量、SMC含量以及Cr3+含量是维护井浆性能的关键指标。用OP、SP、AS等表面活性剂复合处理,将进一步提高泥浆的热稳定性。但此泥浆体系抗盐、钙污染能力很弱,只适用于淡水体系。
 
  铬泥浆体系
 
  主要组分为铁铬盐、铬腐植酸、重铬酸盐、表面活性剂(多为聚氧乙烯苯酚醚类)。这是国外最常采用的抗温型水基泥浆体系。由于各组分的协合互效作用,泥浆抗温能力较铁铬盐泥浆大大提高,曾成功地使用于井底温度高达235e的高温井中。泥浆防塌效果好。抗盐、抗钙污染能力比SMC土般土泥浆高,可使用于海水泥浆中。
 
  低固相不分散泥浆体系
 
  由于聚丙烯腈及其衍生物抗温能力强,故在无盐、钙污染的情况下,PAM不分散低固相泥浆完全可以应用于地热钻井,这种体系对泥浆中的土般土含量及劣土的清除有更高的要求。但由于抗盐钙能力很弱(NaCl 1%,Ca2+200~300 mgPL),使其应用受到较大限制。
 
  高矿化度盐水泥浆
 
  铁铬盐-CMC体系
 
  在泥浆体系中,铁铬盐作为稀释剂控制流变性能,CMC用来控制失水。为提高抗温能力可加入重铬酸盐及表面活性剂,它的优点是抗盐、钙能力强,甚至可用作饱和盐水泥浆,但抗温能力较弱(一般Z150e),井深则需频繁处理。如采用抗氧剂来提高处理剂(特别是CMC)的抗温能力,则可提高体系的热稳定性。
 
  FCLS-SMC盐水泥浆体系
 
  该体系由SMC、FCLS、重铬酸盐、表面活性剂组成,这种体系的特点是抗盐能力较好。利用FCLS和SMC、表面活性剂的互效作用,可提高体系的抗温抗盐能力。此泥浆体系曾在总矿化度130~150 gPL(其中:C2+50~60 gPL,Ca2+018~112 gPL,SO4-30~40 gPL)、温度180e的条件下顺利地使用过。适当的粘土含量,合理的SMC与FCLS加量以及Cr3+的含量是此类泥浆体系维护的关键。
 
  SMC-SMP盐水泥浆体系
 
  由SMP、SMC、重铬酸盐和表面活性剂构成,仍属抗温泥浆体系。以SMC、SMP控制流变性,以SMP及SMP与SMC的互效作用控制失水造壁性。这种泥浆体系具有抗温、抗盐能力强,适应性广,浆液流变性能好,失水量低,护壁性能好等特点。
 
  4 结语
 
  针对煤系及破碎地层特点,并结合具体的工程实例和实践,有以下体会:
 
  (1)煤系地层深井施工,首先选择好施工设备,应采用/大马拉小车0。
 
  (2)施工前针对地层情况,作好钻井口径的系列设计,应一次成孔。
 
  (3)采用适当的工艺克服钻井与成井之间的矛盾所在,使二者统一起来。
 
  (4)最好采用冲击回转工艺,重量级塔式钻具保证岩石的体积破碎及井孔垂直以提高效率。
 
  (5)应该加强对基岩地热井泥浆及成井技术的研究。