CN101319136A - 一种用于气液转换钻井的前置液及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻井施工中循环介质由气体转换为液体时的前置液及其使用方法。该前置液中含有有机硅酸盐，在气液转换施工时，首先注入前置液对井壁进行涂覆处理，使井壁表面呈疏水性，然后再注入钻井液，井壁在与钻井液接触时，不会很快吸水，随着钻井液在环空中返高增加，液柱产生的压力使钻井液中的抑制剂、封堵剂等处理剂充分发挥作用。该方法为钻井液与井壁间建立力学平衡赢得了时间，提高了气液转换施工时井壁的稳定性。

Description

一种用于气液转换钻井的前置液及其使用方法

技术领域

本发明涉及钻井工程中的井壁处理液，特别是涉及一种用于气液转换钻井的前置液及其使用方法。

背景技术

气体钻井是目前世界上最先进的钻井技术之一，该技术首先在美国实现工业应用，进而发展到全世界范围，取得了巨大的经济效益。气体钻井以其延长钻头使用寿命、提高机械钻速、降低钻井综合成本、保护环境等优点获得了行业专家的青睐。

在气体钻井中，当钻遇不稳定地层、出水等复杂情况或钻进高压油气层时，需要把气体钻井转换为雾化钻井或泡沫钻井，必要时需要转换为钻井液(泥浆)钻井。气体钻井形成的干燥井壁在遇到钻井液时，由于钻井液滤液的浸入，井壁岩石会强烈吸水膨胀，井壁稳定性降低，经常导致井壁掉块、井塌等井下复杂事故发生。由于这类事故的处理时间长、处理成本高，直接影响了气液转换过程的顺利进行。

目前，在钻井循环介质由气体转换为液体时，为了稳定井壁，通常采用提高钻井液的抑制性、降低钻井液滤失量等技术措施，即采用无渗透钻井液体系或其他具有封堵、抑制性钻井液体系，防止由于井壁吸水膨胀导致的井下复杂事故。

在施工中，只有在一定的压力下建立力学平衡，钻井液才能充分发挥作用，即钻井液形成的液柱需要达到一定的高度，液柱的压力才能将钻井液中的封堵材料推入井壁，阻止滤液的进一步渗透。但由于气体钻井形成的干燥井壁吸水性很强，井壁在与钻井液接触的瞬间即迅速吸水，仍会导致井壁的膨胀、失稳。

现有技术中，“空气钻井过程中的钻井液转换”(《石油钻探技术》2006.7)介绍了在空气钻井结束、循环介质由空气转换为钻井液时，钻井液体系的选择方法、钻井液的配制方法，从钻井液的密度、抑制性、流变性、封堵能力、抗污染能力等方面分析了气液转换过程对钻井液体系的要求，优选了加入了大量封堵剂如低渗透抗压处理剂KSY的聚硅醇低渗透钻井液体系，防止由于大量钻井液滤液沿泥页岩微裂缝进入地层导致的井壁失稳现象发生。

现有技术中，“空气钻井替换过程中防止地层损害对策”(《西南石油学院学报》1996.2)介绍了在空气钻井替换为钻井液钻井时，采用屏蔽暂堵技术防止地层受到损害的方法。该方法采用屏蔽暂堵的技术思路，研究了暂堵效果与液柱压力、工作液中暂堵剂颗粒浓度的关系，提出了适用于空气钻井替换施工时的环空回压控制技术，能够在较短的时间内把地层暂堵上，阻止工作液中的液相和固相颗粒侵入地层。

上述现有技术，提出了循环介质由气体转换为液体时稳定井壁的技术方法，但是仍然没有解决：干燥井壁在与钻井液接触瞬间强烈吸水导致的井壁失稳。气液转换过程中的井壁吸水膨胀、井壁稳定性降低等问题一直是困扰钻井工作者的难题。

发明内容

为了解决在循环介质由气体转换为液体时、井壁与钻井液接触瞬间强烈吸水导致的井壁吸水膨胀、井壁失稳，本发明提供了一种用于气液转换钻井的前置液及其使用方法。

本发明的一种用于气液转换钻井的前置液是这样实现的：

一种用于气液转换钻井的前置液，该前置液含有有机硅酸盐，所述有机硅酸盐的结构式为：(MO)₃SiR，

其中：R为单价烃基，其碳原子数选自1～6，

M为Na或K。

在具体实施时，所述有机硅酸盐在前置液中的浓度为1～10wt％(以RSiO_1.5计)；所述有机硅酸盐是甲基硅酸钠或/和乙基硅酸钠。

在具体实施时，该前置液中还可以含有表面活性剂，所述表面活性剂选自：阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂中的一种或几种；所述表面活性剂在前置液中的总浓度为0.1～10wt％。

优选的阳离子表面活性剂为：季铵盐型表面活性剂、胺盐型表面活性剂、氧化胺型表面活性剂；更优选的阳离子表面活性剂为：月桂基三甲基氯化铵、硬脂基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵、椰油酰胺基丙基二甲基胺丙酸盐、月桂基二甲基氧化胺。优选的非离子表面活性剂为：脂肪醇醚、烷基酚醚、多元醇酯、聚醚；更优选的非离子表面活性剂为：月桂基聚氧乙烯醚、OP-10、tween-60、tween-80、聚醚L35。

空气钻井的循环介质为干燥气体，在替换钻井液时，原来干燥的井壁岩石会吸水(钻井液滤液)膨胀、造成井壁失稳。本发明首先用前置液涂覆处理井壁，然后再泵入钻井液，有效阻止井壁岩石在与钻井液接触瞬间的强烈吸水，为钻井液充分发挥作用赢得时间，保障气液转换过程顺利进行。

前置液中含有一种或多种具有表面活性的物质，能够改变井壁的润湿性，使井壁表现为疏水性。在泵入钻井液时，由于其疏水性，井壁对钻井液滤液具有排斥作用，不会很快吸水，可以阻止井壁岩石吸水膨胀、井壁失稳。前置液为钻井液与井壁间建立力学平衡赢得充足的时间。随着钻井液的环空返高增加，钻井液液柱产生的压力使钻井液中的抑制剂、封堵剂等钻井液处理剂发挥作用，进一步阻止钻井液滤液侵入井壁，保持井壁的稳定。

本发明前置液中的有效成分是有机硅酸盐、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂等物质，该类物质由疏水基团和亲水基团组成，可在物体表面定向排布，导致物体表面润湿性改变。

井壁岩石的主要成分为硅酸盐、碳酸盐等，表现为亲水性。前置液中含有具有表面活性的物质，其亲水基团与井壁亲和(电性相吸)，分子排布在井壁岩层的表面，其疏水基团向外，使井壁由亲水性转变为疏水性。

有机硅酸盐，如甲基硅酸钠、乙基硅酸钠，能够与水和二氧化碳反应，生成烷基硅醇；由于硅醇基(→Si-OH)很活泼，一方面能进一步反应，缩合成高分子化合物，形成网状有机硅树脂膜(体型结构具有憎水性)，另一方面由于硅酸盐类井壁岩石中也含有很多硅醇基，这些硅醇基能够与前置液的硅醇基反应脱水交联，使井壁岩石表面键合上烃基，其结构完全同于有机硅树脂，导致岩石表面张力降低、与水的接触角增大，形成憎水层。对于非硅酸盐岩石(如石灰石)，有机硅酸盐具有的碱性和离子特征，使其能从石灰石中浸出少量碳酸盐离子，然后再发生取代反应生成化学键，有机硅酸盐中的疏水基团键合到石灰石表面，使石灰石表面转变为憎水性。

本发明的前置液中含有有机硅酸盐类物质，该类物质也经常用作钻井液的有效成分之一，但是有机硅酸盐类物质在本发明前置液中的作用与在现有钻井液中的作用不同。在钻井液中，有机硅酸盐浓度较低，一般少于0.05wt％(以RSiO_1.5计)；有机硅酸盐吸附于粘土表面，起到改变粘土的润湿性、减少粘土的分散、抑制地层造浆、保护粘土的作用。在本发明的前置液中，有机硅酸盐的浓度较高，占前置液重量的1～10wt％(以RSiO_1.5计)，有机硅酸盐可以在井壁定向排布，起到改变井壁润湿性的作用，为钻井液充分发挥作用赢得时间。

在前置液中还可以含有阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂。例如，季铵盐型、胺盐型、氧化胺型阳离子表面活性剂和脂肪醇醚、烷基酚醚、多元醇酯、聚醚类非离子表面活性剂。由于该类物质具有亲水基团和疏水基团，能够改变井壁的润湿性，可以作为前置液的有效成分之一。

本发明的一种前置液在气液转换钻井中的使用方法是这样实现的：

在停止气体钻井并下钻杆至井底后，首先通过钻杆注入所述前置液，然后再通过钻杆注入钻井液，钻井液推动前置液在井筒环空中向上移动；或者在停止气体钻井并下钻杆至井底后，首先通过钻杆注入钻井液，然后将钻杆上提出所述钻井液液面，通过钻杆注入前置液，然后再下钻杆至井底，通过钻杆注入钻井液，钻井液推动前置液在井筒环空中向上移动，直到气液转换过程完成；

前置液首先接触井壁，对井壁进行涂敷处理，然后钻井液再接触井壁，直到气液转换过程完成。

在具体实施时，首先注入的钻井液在井下形成的液柱高度为40～100m；所述前置液在井下形成的液柱高度为20～500m，优选的液柱高度为70～200m；所述涂敷处理时间为2～60min，优选的涂敷处理时间为8～20min。

在气液转换施工时，前置液首先与井壁接触，对井壁进行涂敷处理，使井壁表面呈疏水性，然后钻井液再与井壁接触，避免钻井液滤液快速侵入井壁导致的井壁失稳。由于前置液和钻井液先后注入，并且前置液的密度低于钻井液，前置液和钻井液分为两段，下段的钻井液推动上段的前置液在井筒环空中向上移动，随着环空返高的增加，前置液和钻井液液柱产生的压力使钻井液中的抑制剂、封堵剂等处理剂发挥作用，进一步阻止钻井液滤液侵入井壁，保持井壁的稳定。

另一种气液转换施工方法是：首先通过钻杆在井底注入少量钻井液，由于量较少，钻井液接触井壁造成的掉块较少，还不会对钻杆的活动造成影响；然后将钻杆上提出钻井液液面，通过钻杆注入前置液；然后再下钻杆至井底，钻杆出口位于底部的钻井液液柱中，通过钻杆注入钻井液，钻井液推动前置液在井筒环空中向上移动。该方法可以减少钻井液与前置液的混合，防止反混现象发生，保证前置液的涂覆处理效果。

本发明采用前置液对井壁进行涂覆处理，使井壁由亲水性转变为疏水性，在与钻井液接触时不会很快吸水，为钻井液发挥作用赢得了充足的时间。在气液转换施工中表现为：井壁掉块少，钻井液循环后，通过振动筛筛出的固体明显减少；起下钻顺利；井径扩大率小。

具体实施方式

下面结合实施例进一步详述本发明的技术方案，本发明的保护范围不局限于下述的具体实施方式。

实施例1～4的实验测定方法，采用“钻井液测试程序”(SY/T 5621-93)和“泥页岩理化性能试验方法”(SY/T 5613-2000)的方法。

实施例1

前置液为含有甲基硅酸钠的水溶液。采用甲基硅酸钠工业品配制前置液，前置液中甲基硅酸钠的含量为18wt％(以CH₃SiO_1.5计)。

实验测定上述前置液对现场岩样及现场使用的钻井液的影响。泥页岩膨胀实验结果见表1(岩样为江沙8井岩样)，与现场钻井液的混合配伍性实验结果见表2。

表1

表2

上述实验表明，该前置液能有效抑制泥页岩遇钻井液后的水化膨胀，并且与现场要转换的钻井液配伍性良好，可以入井。

实施例2

前置液为含有甲基硅酸钠的水溶液。采用甲基硅酸钠工业品配制前置液，前置液中甲基硅酸钠的含量为8wt％(以CH₃SiO_1.5计)。

实验测定上述前置液对现场岩样以及现场使用的钻井液的影响。泥页岩滚动回收实验结果见表3(岩样为江沙8井岩样)，与现场钻井液的混合配伍性实验结果见表4。

表3

滚动介质	滚动回收率(％)	滚动时间(h)
			蒸馏水	92.8	2
用前置液浸泡5min后，用蒸馏水浸泡	93.8	2

表4

上述实验表明，该前置液能抑制泥页岩遇盐化钻井液后的水化膨胀，并且与现场要转换的盐水钻井液配伍性良好。

实施例3

前置液为含有乙基硅酸钠的水溶液。采用乙基硅酸钠工业品配制前置液，前置液中乙基硅酸钠的含量为12wt％(以C₂H₅SiO_1.5计)。

测定该前置液对现场岩样的影响(岩样为丰谷3井的泥页岩样)，泥页岩膨胀实验结果见表5。

表5

实验结果表明，用该前置液浸泡处理的岩样膨胀率小，能有效抑制泥页岩遇钻井液后的水化膨胀。

实施例4

前置液为含有甲基硅酸钠和月桂基三甲基氯化铵的水溶液。采用甲基硅酸钠工业品配制前置液，前置液中甲基硅酸钠的含量为10wt％(以CH₃SiO_1.5计)，月桂基三甲基氯化铵的含量为0.5wt％

测定该前置液对现场岩样的影响(岩样为丰谷3井的泥页岩样)，泥页岩膨胀实验结果见表6。

表6

实验结果表明，用该前置液浸泡处理的岩样膨胀率小，可有效抑制泥页岩遇钻井液后的水化膨胀。

实施例5

采用实施例1所述的前置液，进行气液转换处理。

下光钻杆至离井底70m处，注入6m³钻井液(钻井液液柱高度70m)；然后上提钻杆，使钻杆出口在钻井液液柱之上，注入12m³前置液(前置液液柱高度130m)；然后下钻杆，使钻杆出口在钻井液液柱中，依一定排量注入50m³钻井液(钻井液液柱高度600m)，钻井液推动前置液向上移动，前置液涂敷处理井壁时间约12～15分钟；(随着气液转换的进行，部分前置液与钻井液混合，作为抑制剂在钻井液中起到抑制粘土分散、抑制泥页岩水化膨胀的作用。)起钻500m(少起钻100m，确保前置液不与钻井液的相混)，再次注入50m³钻井液，照此方法分次注入钻井液，完成钻井液的注入转换工作。(分段注入钻井液，当遇到情况时易于处理)

该过程起下钻顺利，无卡阻，排出的钻井液经过振动筛时，几乎筛不出井壁掉块，测井曲线表明，井眼规则、井径扩大率小于5％。

实施例6

采用实施例3所述的前置液，进行气液转换处理。

下光钻杆至井底，注入12m³前置液(前置液液柱高度130m)；然后依一定排量注入钻井液，钻井液推动前置液向上移动，前置液先接触井壁，对其进行涂敷处理，处理时间约12～15分钟；起钻，再次注入钻井液，照此方法分次注入钻井液，完成钻井液的注入转换工作。

该过程起下钻顺利，无卡阻，排出的钻井液经过振动筛时，几乎筛不出井壁掉块，测井曲线表明，井眼规则、井径扩大率小于5％。

实施例7

采用实施例4所述的前置液，进行气液转换处理。

下光钻杆至离井底50m处，注入5m³钻井液；然后上提钻杆，使钻杆出口在钻井液液柱之上，注入15m³前置液(前置液液柱高度160m)；然后下钻杆，使钻杆出口在钻井液液柱中，依一定排量注入钻井液，钻井液推动前置液向上移动，前置液涂敷处理井壁时间约15～25分钟；起钻，再次注入钻井液，照此方法分次注入钻井液，完成钻井液的注入转换工作。

结果表明，气液转换施工过程起下钻顺利，无卡阻，排出的钻井液经过振动筛时，几乎筛不出井壁掉块，测井曲线表明，井眼规则、井径扩大率小于5％。

Claims (10)

1、一种用于气液转换钻井的前置液，该前置液含有有机硅酸盐，所述有机硅酸盐的结构式为：(MO)₃SiR，

其中：R为单价烃基，其碳原子数选自1～6，

M为Na或K。

2、根据权利要求1所述的前置液，其特征在于：

所述有机硅酸盐在前置液中的浓度为：1～10wt％(以RSiO_1.5计)。

3、根据权利要求1所述的前置液，其特征在于：

所述有机硅酸盐是甲基硅酸钠或/和乙基硅酸钠。

4、根据权利要求1所述的前置液，其特征在于：

该前置液中还含有表面活性剂，所述表面活性剂选自：阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂中的一种或几种；所述表面活性剂在前置液中的总浓度为0.1～10wt％。

5、根据权利要求4所述的前置液，其特征在于：

所述阳离子表面活性剂选自：季铵盐型表面活性剂、胺盐型表面活性剂、氧化胺型表面活性剂中的一种或几种；

所述非离子表面活性剂选自：脂肪醇醚、烷基酚醚、多元醇酯、聚醚中的一种或几种。

6、根据权利要求5所述的前置液，其特征在于：

所述阳离子表面活性剂选自：月桂基三甲基氯化铵、硬脂基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵、椰油酰胺基丙基二甲基胺丙酸盐、月桂基二甲基氧化胺中的一种或几种；

所述非离子表面活性剂选自：月桂基聚氧乙烯醚、OP-10、tween-60、tween-80、聚醚L35中的一种或几种。

7、一种如权利要求1～6所述的前置液在气液转换钻井中的使用方法，该方法包括以下步骤：

在停止气体钻井并下钻杆至井底后，首先通过钻杆注入所述前置液，然后再通过钻杆注入钻井液，钻井液推动前置液在井筒环空中向上移动；或者在停止气体钻井并下钻杆至井底后，首先通过钻杆注入钻井液，然后将钻杆上提出所述钻井液液面，通过钻杆注入前置液，然后再下钻杆至井底，通过钻杆注入钻井液，钻井液推动前置液在井筒环空中向上移动，直到气液转换过程完成；

前置液首先接触井壁，对井壁进行涂敷处理，然后钻井液再接触井壁，直到气液转换过程完成。

8、根据权利要求7所述的前置液在气液转换钻井中的使用方法，其特征在于：

首先注入的钻井液形成的液柱高度为40～100m。

9、根据权利要求8所述的前置液在气液转换钻井中的使用方法，其特征在于：

所述前置液在井下形成的液柱高度为20～500m；

所述涂敷处理的时间为2～60min。

10、根据权利要求9所述的前置液在气液转换钻井中的使用方法，其特征在于：

所述前置液在井下形成的液柱高度为70～200m；

所述涂敷处理的时间为8～20min。