空气钻井地层出水处理技术

张炜筠， 邓明毅， 向朝纲， 陈俊斌， 欧阳伟

空气钻井地层出水处理技术

张炜筠1， 邓明毅2， 向朝纲3， 陈俊斌3， 欧阳伟3

（1．江汉石油工程有限公司钻井一公司，湖北潜江433100；2．西南石油大学·油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；3．川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川广汉618300）

张炜筠，邓明毅，向朝纲，等.空气钻井地层出水处理技术[J].钻井液与完井液，2017，34（2）：83-86.

ZHANG Weijun, DENG Mingyi, XIANG Chaogang, et al.Treatment of Formation Water Invasion in Air Drilling[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（2）：83-86.

利用空气钻含水地层，地层水会流入井眼，干燥的岩屑吸水很容易黏糊成团并附着在井壁和钻具上形成泥环，从而造成卡钻现象。基于低表面张力快速渗透分散破坏泥团原理，采用静态表面张力测定、润湿角测定、定时面积法、圆片帆布法、滚动回收率测定以及粒度分布测定等评价方法对9种表面活性剂的渗透性、分散性进行评价。可以看出，它们都有一定的润湿效果；结构中含有带支链的疏水基且亲水基小的表面活性剂渗透性强；阴离子表面活性剂的分散原理是双电层理论，非离子表面活性剂的分散原理是空间位阻效应，高分子分散剂比普通表面活性剂分散效果好。实验结果表明，加入CJY后的柴油溶液具有强渗透性和强分散性，碎解、破坏黏土泥团效率比油基解卡剂JKZ高，且温度越高，破坏程度越高，碎解效果越明显，对于解决空气钻井地层出水问题提供了依据。

空气钻井；表面活性剂；渗透性；分散性；泥团碎解

空气钻井出水后，由于细碎岩屑液固比的改变形成黏塑性泥团，易于造成卡钻等复杂事故，目前常规的解决办法是采用改变循环介质如雾化、泡沫流体或者采用一种强渗透分散溶液，间断注入循环清除泥团的方法[1-3]。强渗透分散溶液是在溶液中添加一种或几种能在黏土矿物强烈吸附并有效降低其表面张力的化学处理剂，此外，处理剂还应具有强渗透性和强分散性，能够渗透到泥团产生的裂缝表面改变表面吸附性，改变岩石及其孔隙内部的润湿性，能够把已经聚结成团的黏土碎解分散[4]。基于低表面张力快速渗透分散破坏泥团原理，采用新型研究方法展开表面活性剂对泥团破碎影响的研究，对完善空气钻井技术具有一定的意义。

1 室内实验

1.1 表面张力和润湿角

将9种表面活性剂分别加入柴油，配制成浓度为3%的柴油溶液，分别使用DT-102全自动界面张力仪和DSA30界面参数一体化测量仪在室温（25℃）下测其表面张力和接触角，结果见表1[5-6]。由表1可知，柴油中分别加入3%的9种表面活性剂，表面张力和接触角值均不同程度地减小。

表1 表面张力和接触角的测量

1.2 渗透性评价

1）定时面积法。用吸管分别吸取上述0#～9#溶液，滴定一滴（约0.05 mL）至钻井液API滤纸。120 s后观察滤纸上的渗透面积，结果见图1。

图1 定时渗透面积

从图1可以看出，加有自制的CJY的2#溶液渗透面积最大，约为0#柴油的4倍，说明CJY是9种表面活性剂中渗透速度最快的一个。

2）圆片帆布法。采用圆片帆布法测定润湿渗透性，分别量取0#～9#溶液500 mL，盛入500 mL烧杯中，用直径为20 mm的硬帆布进行实验，把帆布片平放在杯口，松手，从帆布片接触到液面时用秒表开始记时，帆布片润湿后下沉，直到帆布片接触到杯底为止，记录所需时间。重复实验3次，取其平均值，作为该处理剂渗透性能评价的标准。帆布从液面沉入杯底用时越短，表明处理剂的润湿渗透性能越好，实验结果见表2。由表2可知，9种处理剂加入后与柴油相比，帆布从液面到接触烧杯底的时间均有不同程度地减少，说明选取的9种表面活性剂加入柴油后均能改变溶液的渗透性。其中，帆布在加有CJY的柴油中从液面沉入杯底用时最短，所以CYJ的润湿渗透性最好。

表2 帆布沉入杯底时间 （s）

通过渗透性评价实验可以看出，阳离子表面活性剂的渗透性能最差，阴离子表面活性剂的渗透性能最好。其中，渗透性最强的是阴离子渗透剂CJY。渗透剂CYJ是一种磺化琥珀酸双酯型表面活性剂，它的分子中，疏水基具有2个支链（碳氢链），在支链的根部（或者说在疏水基的中间）有亲水基—SO3Na（磺酸基），所以它的渗透性能极好。根据表面活性剂渗透剂理论[7]，分析3种类型表面活性剂结构特征可以得出：带支链的疏水基比不带支链的渗透性好；亲水基在中间的比在末端的渗透性好；亲水基小的渗透性好；相对分子质量小的渗透性好，对于非离子表面活性剂，非离子结构中的环氧乙烷加成数在5～15之间的渗透性好。

1.3 分散性评价

1）岩屑滚动回收率。岩屑回收率实验能很好地体现处理剂对岩屑的分散性能，岩屑滚动回收率越高，处理剂抑制性越好，相对的分散性越差；反之，处理剂对岩屑的分散能力越强。如表2所示，9种表面活性剂加入后，相比0#柴油岩屑滚动回收率均变小，说明这几种表面活性剂都能促进岩屑分散。分散性能从弱到强：十二烷基三甲基氯化铵

图2 岩屑在不同溶液中的滚动回收率

2）粒度分析。在膨润土浆中分别加入3%的9种表面活性剂，使用激光粒度分析仪测定各处理剂加入前后的粒径分布情况，并记录D50的参数值，结果见表3。从表3可知，4%膨润土浆的粒度中值是14.38 μm，加入3%SP-80后是19.35 μm，加入3%十二烷基三甲基氯化铵后是21.22 μm，D50的值变大，说明SP-80和十二烷基三甲基氯化铵加入后使得溶液中的大颗粒数目增多；其他7种表面活性剂加入后，粒度中值变小，说明溶液中小颗粒数增多，并且它们的D50参数值和岩屑滚动回收率的大小顺序基本一致。

表面活性剂吸附于固体颗粒的表面，降低液-液或固-液之间的界面张力，使凝聚的固体颗粒表面易于湿润。根据双电层原理，加入阴离子表面活性剂，它们在水中电离形成阴离子，并具有一定的表面活性，被颗粒表面吸附。颗粒表面吸附分散剂后形成双电层，吸附于粒子表面的负电荷互相排斥，以阻止颗粒与颗粒之间的吸附和聚集，电动电位的大小决定阴离子表面活性剂分散性的强弱。非离子表面活性剂的分散原理是空间位阻效应，即在已吸附负电荷的粒子互相接近时，使它们互相滑动错开。高分子吸附层有一定的厚度，可以阻挡粒子的相互吸附，主要是依靠高分子的溶剂化层，当粉体表面吸附层达8～9 nm时，它们之间的排斥力可以保护粒子不致絮凝。所以高分子分散剂比普通表面活性剂好[8]。

表3 在4%膨润土浆中加入不同处理剂后颗粒的粒度分析

1.4 黏土泥团碎解效果评价

根据渗透性和分散性评价实验结果可知，表面活性剂CJY具有强渗透性，分散性也比其他8种处理剂好。以表面活性剂CJY为主要处理剂，再加入适量润湿反转剂，最后确定用来浸泡黏土泥团的溶液配方为：柴油+5%CJY+2%润湿反转剂RF。

采用静态溶蚀实验来评价黏土泥团的碎解效果。将膨润土和水按1︰1的比例倒入烧杯中，搅拌均匀。用模型压出直径为35 mm质量为23 g左右的泥团，将泥团置于另取的洁净烧杯中，倒入配制的溶液，密封杯口，分别放置在25、80和120 ℃的烘箱中。间隔不同时间记录泥团的质量及烧杯底部的泥团碎片数量，观察样品溶液对泥团的破坏程度，以此评价所配溶液对泥团的破坏碎解效果。

1）不同浸泡时间的碎解泥团效果如图3所示。温度越高，泥团减少的速度越快，碎解和破坏效果越好。120 ℃下CYJ柴油溶液碎解泥团的效果比加有解卡剂JKZ的柴油溶液好。

图4从左往右分别是浸泡有CYJ柴油溶液的泥团在120 ℃烘箱内放置2 h，4 h和16 h后烧杯底部的泥团碎屑。从图4可以看出，放置时间越久，泥团碎屑越多，放置16 h后杯底出现大块碎屑。

图3 不同温度下泥团质量随时间的变化

图4 120 ℃下不同浸泡时间杯底泥团碎屑

2）CYJ柴油溶液在不同温度下的破坏泥团效果，见表4和图5。由表4、图5可知，温度越高，泥团表面裂纹越多；在120 ℃下浸泡16 h泥团表面出现大量裂纹，泥团松散程度高且破坏更彻底。

表4 CYJ柴油溶液不同温度下的破泥效果

图5 CYJ柴油溶液不同温度下浸泡泥团16 h效果

2 结论

1.通过对9种表面活性剂的表面张力和接触角测定可以看出，它们都有一定的润湿效果。

2.根据表面活性剂渗透性和分散性评价实验，可以看出，结构中含有带支链的疏水基且亲水基小的表面活性剂渗透性强；阴离子表面活性剂的分散原理是双电层理论，非离子表面活性剂的分散原理是空间位阻效应，高分子分散剂比普通表面活性剂分散效果好。

3.加入CJY后的柴油溶液具有强渗透性和强分散性，碎解、破坏黏土泥团效率比油基解卡剂JKZ高。并且温度越高，碎解效果越明显，对于解决空气钻井地层出水问题有一定的意义。

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Treatment of Formation Water Invasion in Air Drilling

ZHANG Weijun1, DENG Mingyi2, XIANG Chaogang3, CHEN Junbin3, OU Yangwei3
(1.No.1 Drilling Company, Sinopec Oilfeld Serνice Jianghan Corporation, Qianjiang 433100;2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reserνoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum Uniνersity, Chengdu, Sichuan 610500;3. Drilling & Production Technology Research Institute of CCDE, Guanghan, Sichuan 618300)

A serious concern in air drilling is the invasion of formation water into the hole, viscosifying the dry cuttings into viscous lumps which are adhered at the surface of the drill string and borehole wall, resulting in pipe sticking. Based on the mechanism that fuid with low surface tension can penetrate fast into and break the lumps, 9 surfactants was selected for the evaluation of their osmosis, and dispersing performance using static measurement of surface tension, wetting angle measurement, timing-area method, area measurement in specifc time span, round fabric method, hot rolling test method and particle size distribution measurement. The 9 surfactants tested all had wetting ability. Surfactants with smaller hydrophobic groups in their molecular structures had strong osmosis. The dispersity of anionic surfactants is governed by the electric double layer theory, while the dispersity of nonionic surfactants is governed by steric effect. High molecular weight polymers have better dispersity than common surfactants. Laboratory experimental results showed that diesel oil treated with CJY had strong osmosis and dispersity, making it a better chemical in disintegrating mud lumps than oil based pipe sticking agent JKZ. Diesel oil treated with CJY performed better at elevated temperatures. This study provides a method for the solution of formation water cut during air drilling.

Air drilling; Surfactant; Osmosis; Dispersity; Mud lump disintegration

TE242.7

A

1001-5620（2017）02-0083-04

2016-12-25；HGF=1604N12；编辑 王小娜）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.02.015

张炜筠，1992年生，主要从事钻井液方面的科研工作。电话 13548152747；E-mail：leisurelyweiwei@ foxmail.com。