水基钻井液成膜技术研究

论文摘要

采用水基钻井液钻井时，首先必须采取一切技术手段阻止水进入地层。水进入近井壁泥页岩地层是井壁失稳的主要原因之一，水的进入一方面使得近井壁地层岩石孔隙压力增高，围岩有效应力减小，引起井眼周围岩石应力分布发生严重变化与恶化，另一方面，泥页岩岩石吸水后强度降低，产生膨胀压，引起力学性质改变不利于井壁稳定，导致岩石发生失稳垮塌。 井壁岩石表面如果存在半透膜，采用活度平衡原理，可以利用膜两相流体之间渗透压差控制流体中溶剂介质朝向地层岩石或者朝向井筒内的流动方向，从而阻止或减小井壁泥页岩因吸水发生的不稳定现象，起到防塌作用效果。但是，国内外的研究表明，天然泥页岩的半透膜是非理想膜，非理想则意味着膜是渗漏的，没有完全阻止溶质透过膜。至于如何将泥页岩的非理想膜改善成理想或接近理想膜，是长期以来研究井壁不稳定问题过程中无法解决的技术难题，也是钻井液前沿基础理论研究的重要课题。 本文通过对半透膜形成理论及形成机制研究与分析，提出了将泥页岩的非理想膜改善成理想或接近理想膜的理论途径。建立了泥页岩的非理想膜改善成理想或接近理想膜的机制，并通过实验证明，泥页岩的非理想膜可以改善成接近理想膜。即加入某种特殊处理剂可以提高泥页岩的膜效率，这些特殊的处理剂应具有高电荷密度，通过吸附可以增强在泥页岩薄层的电荷密度、减小泥页岩孔隙尺寸。加入的处理剂的分子结构要小到能够进入泥页岩孔隙、强烈吸附在页岩上、通过井筒周围泥页岩骨架内的沉积形成内泥饼，内泥饼的渗透率比泥页岩的渗透率更低。如果分子链上带有疏水基团，将进一步增强泥页岩膜的理想性。 建立了半透膜效率评价方法。通过对半透膜效率原理的分析研究，研制成功具有独立知识产权，能模拟井下条件的高温高压用于泥页岩的膜效率测定装置，并通过实验证明，这套装置测定的半透膜效率是可靠的。 根据泥页岩的非理想膜改善成理想或接近理想膜的理论途径，设计出能强烈吸附在泥页岩上并显著改善泥页岩膜的理想性的处理剂分子结构，根据分子结构设计，研制成功一种有机硅酸盐半透膜处理剂BTM-2，对其结构与性能进行了物理化学表征。通过泥球浸泡试验，可以直观地观察到半透膜效率。采用自己研制的高温高压用于泥页岩的膜效率测定装置测定了半透膜剂的半透膜效能。测试结果表明，膜效率高达75％以上，显著改善泥页岩膜的理想性。 提出半透膜剂的作用机理：① 有机硅酸盐半透膜剂增强了泥页岩膜的理想性，半透膜效率较高达75％以上，在膜效率较高的情况下，通过控制钻井液电解质活度和控制井筒内压力的办法来控制膜之间的渗透压差，控制水流方向，阻止水和钻井液进入泥页岩，防止泥页岩地层井壁坍塌；②在泥页岩井壁表面形成膜及封堵孔隙。有机硅酸盐分子中含有硅酸根基团，具有硅酸根的一般性质，有机硅

论文目录

• 1 引言
• 1.1 本文研究的背景及目的意义
• 1.2 国内外半透膜、隔离膜钻井液技术研究现状
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 1.4 创新点
• 2 水基钻井液形成半透膜机制及膜质量控制研究
• 2.1 半透膜的基础理论
• 2.1.1 半透膜的基本概念
• 2.1.2 膜的基本特征
• 2.2 水基钻井液形成半透膜机制研究
• 2.2.1 水基钻井液形成半透膜机制
• 2.2.2 改善泥页岩膜的理想性理论途径
• 2.3 膜质量控制研究
• 2.3.1 半透膜评价方法
• 2.3.2 半透膜效率测试原理
• 2.3.3 半透膜膜效率测试装置
• 2.4 小结
• 3 水基钻井液半透膜剂研制、表征
• 3.1 合成半透膜剂的基本思路
• 3.2 有机硅酸盐半透膜剂BTM-2的研制
• 3.2.1 有机硅酸盐的分子设计
• 3.2.2 有机硅酸盐的合成实验
• 3.2.3 有机硅酸盐半透膜剂的结构分析
• 3.2.4 有机硅酸盐半透膜剂BTM-2的生产工艺
• 3.3 水基钻井液有机硅酸盐半透膜剂BTM-2的性质
• 3.3.1 有机硅酸盐半透膜膜效率
• 3.3.2 有机硅酸盐半透膜剂BTM抑制性实验
• 3.3.3 有机硅酸盐半透膜剂的配伍性能
• 3.3.4 有机硅酸盐半透膜膜剂BTM在钻井液中性能评价
• 3.4 小结
• 4 有机硅酸盐半透膜剂的作用机理探讨
• 4.1 粘土矿物的水化作用
• 4.1.1 粘土矿物的电性
• 4.1.2 粘土矿物与水作用的机制
• 4.2 半透膜剂在岩石上作用特征
• 4.3 有机硅酸盐半透膜剂的作用机理
• 4.3.1 有机硅酸盐显著改善膜的理想性
• 4.3.2 在泥页岩井壁表面形成膜及封堵孔隙
• 4.4 小结
• 5 隔离膜形成机制及膜质量控制研究
• 5.1 隔离膜概念
• 5.2 隔离膜成膜剂研制及其性能
• 5.2.1 隔离膜剂CMJ-1的合成及其在钻井液中的性能
• 5.2.2 隔离膜剂CMJ-2的合成及其性能评价
• 5.3 隔离膜实验评价方法研究
• 5.3.1 膜的承压能力实验
• 5.3.2 膜的外观形状
• 5.3.3 膜的透水实验
• 5.3.4 成膜钻井液动滤失实验
• 5.4 隔离膜剂CMJ-1和CMJ-2作用机理探讨
• 5.5 隔离膜剂对钻井液性能的影响
• 5.5.1 钻井液的基本配方
• 5.5.2 钻井液中加入隔离膜剂后抗污染性能
• 5.5.3 水基钻井液中加入隔离膜剂后渗透率恢复值试验
• 5.5.4 成膜钻井液沉降稳定性实验研究
• 5.6 膜清除方法与清除剂研究
• 5.6.1 膜清除方法研究
• 5.6.2 滤饼清除剂的实验筛选
• 5.7 小结
• 6 水基钻井液成膜技术研究
• 6.1 水基成膜钻井液基本配方与性能
• 6.2 水基成膜钻井液膜效率测定
• 6.3 水基成膜钻井液抑制性评价
• 6.4 水基成膜钻井液抗温性能评价
• 6.5 水基成膜钻井液抗盐性能评价
• 6.6 水基成膜钻井液抗污染性能
• 6.7 水基成膜钻井液动滤失量性能试验
• 6.8 水基成膜钻井液渗透率恢复值试验
• 6.9 水基成膜钻井液毒性及荧光性能研究
• 6.10 小结
• 7 水基钻井液成膜技术现场应用
• 7.1 吐哈油田应用
• 7.1.1 钾钙醇钻井液转换成水基成膜钻井液配伍试验
• 7.1.2 现场应用及效果
• 7.2 青海油田的应用
• 7.3 水基成膜钻井液在新疆油田的应用
• 7.3.1 新疆油田T85388井
• 7.3.2 新疆油田T85242井
• 7.4 中原油田的应用
• 7.5 冀东油田的应用
• 7.6 小结
• 8 结论及建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的部分论文
• 参考文献
• 答辩委员会