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正电性钻井液技术介绍(1)2002.11CIC:目录一、前言二、粘土矿物和地层岩心的电性研究1.几个概念2.电位滴定法测定零电荷点（ZPC）3.阳离子交换容量的测定4.电动电位（）的的测定5.0H-的吸附三、粘土矿物或岩心吸水膨胀与电性的关系1.吸水量2.水化膨胀性四、稳定井壁措施探讨1.绘制地区地层电性剖面图2.降低负电位的作用3.正电胶和聚合醇的应用五、油层保护作用的探讨一、前言◆21世纪钻井液科研工作新理念☆钻井效率与保护油气层同等重要；经济技术效益与环境效益同等重要。☆动用最先进的仪器设备，采用科学的研究方法，从理论到实践得出科学的结论◆当前钻井液研究的热门话题：对页岩的抑制作用☆页岩抑制——井壁稳定☆页岩抑制——钻井效率☆页岩抑制——保护油气层☆页岩抑制——环境友好R．L．Reid:改善抑制作用是近期发展钻井液的主要目标（1993）◆抑制性——抑制粘土矿物与水的相互作用——氢键作用，静电极化作用，离子水化作用（渗透压）——电性质是本质二、粘土矿物和地层岩心的电性研究◆基本概念☆永久电荷：指矿物晶体结构缺陷所造成的剩余电荷。☆可变电荷：受环境pH值大小或电解质种类与浓度影响而产生的电荷。☆零电荷点（ZPC）：通过pH值变化时，粒子吸附H+或OH-使粒子电荷为零时的pH值。☆颗粒电荷密度（σp）：单位表面积所带电荷，可用mmol/cm2表示，在测出颗粒平均大小之后，可换算成mmol/100g，以使与离子交换容量相对应。计算方法按下式：σp=F(ΓOH-－ΓH+)zpc/s式中F是法拉弟常数，ΓOH-和ΓH+分别是OH—和H+的吸附量，S是表面积。当颗粒带负电时，ΓOH-－ΓH+小于零，当颗粒带正荷时，ΓOH-－ΓH+为正值。☆阳离子交换容量（CEC）：应与负电荷密度相对应，测定方法不同，数值有差别，本文采用亚甲蓝吸附，并用BaSO4-MgSO4滴定法测定。☆电动电位：也称Zeta电位，是指颗粒在一定环境下的实际电位，是永久电荷减去紧密吸附层中反离子的电荷后，产生的电场的电位。◆电位滴定法测定零电荷点（ZPC）图1氢质高岭土的电位滴定曲线图2钠质蒙脱土的电位滴定曲线表1高岭土和蒙脱土的零静电荷点和永久电荷密度土样pHZPNCσP（mmol/100g）氢质高岭土3.204.6钠质高岭土7.341.7氢质蒙脱土1.94124.8钠质蒙脱土4.3335.5◆阳离子交换容量的测定表2几种岩样的阳离子交换容量岩样CEC（mmol/100g）钠质高岭土2.7钠质蒙脱土87.0馆陶34.7东营43.6沙一段23.1沙二段20.6沙三段16.1沙四段14.8◆电动电位的测定图3pH对岩样电位的影响斜日平原；馆陶；△东营；□沙一段；⊕沙二段；▲沙三段（郝科井）；*沙四段（郝科井）；○沙四段（丰8井）；◇钠质蒙脱土◆OH-的吸附岩样取样井深KCl浓度（mol/L）（m）0.0010.0100.100馆陶13680.2450.3000.367东营18600.2900.3600.460沙一段27000.1540.2600.285沙二段28100.1800.1900.227沙四段40080.0260.0500.065表3岩样对OH－的吸附量（mmol/g，pH7）图4东营组岩样对OH-的吸附量与pH的关系1–0.001mol/LKCl;2–0.01mol/LKCl;3–0.1mol/LKCl三、粘土矿物或岩心吸水膨胀与电性的关系◆不同电性样品的配制表4人工岩样的组成和阳离子交换容量编号组成（重量比）CEC高岭土：蒙脱土（mmol/100g）A10：02.7B8：219.6C6：436.4D4：653.3E2：870.1F0：1087.0图6人工岩样的吸水动力学曲线（介质：1%CaCl2水溶液）图5人工岩样的吸水动力学曲线（介质：3%KCl水溶液）◆吸水量表5人工岩样在不同介质中的饱和吸水量（ml/g）人工岩样ABCDEFH2O1.301.611.771.832.052.231%KCl1.541.661.902.002.252.403%KCl1.281.441.681.731.821.975%KCl1.421.611.741.781.842.077%KCl1.211.301.411.541.771.871%CaCl21.451.751.841.992.212.371%MMH1.011.19表6人工岩样在不同介质中的瞬间（1min）吸水量(ml/g）人工岩样ABCDEFH2O0.570.770.890.971.041.061%KCl0.560.690.800.911.171.193%KCl0.540.700.840.981.081.315%KCl0.540.640.901.021.071.217%KCl0.480.610.811.001.131.261%CaCl20.540.760.891.001.201.321%MMH0.230.16图7人工岩样在不同介质中瞬间吸水量与阳离子交换容量的关系图8人工岩样在不同介质中饱和吸水量与阳离子交换容量的关系◆水膨胀性图9人工岩样在不同介质中吸水膨胀高度与阳离子交换容量的关系图10临盘油田岩样吸水膨胀高度与阳离子交换容量的关系图11胜利油田岩样在不同介质中吸水膨胀高度与阳离子交换容量的关系CEC/(mmol/100g)表7岩样在不同水介质中的吸水膨胀高度（mm）岩样水KCl溶液浓度（％）PTA溶液浓度（％）13571357馆陶2.92.72.32.22.12.62.32.12.0东营3.53.43.22.92.73.42.92.62.3沙一段1.81.71.41.41.3沙二段2.52.32.11.91.92.41.91.91.8沙四段0.60.50.40.40.4四、稳定井壁措施的探讨◆绘制地区地层剖面图◆降低负电位作用☆加入电解质——DLVO理论缺点：破坏钻井液的稳定性☆加阳离子表面活性剂和阳离子聚合物缺点：严重破坏钻井液稳定性环境伤害pH对岩样电位的影响斜日平原；馆陶；△东营；□沙一段；⊕沙二段；▲沙三段（郝科井）；•沙四段（郝科井）；○沙四段（丰8井）；◇钠质蒙脱土◆正电胶的作用☆降低ξ电位图13电泳淌度随MMH/土重量比R的变化，pH9.51:MMH–高岭土2:MMH–蒙脱土图14BPS正电胶对沙二段岩芯吸水膨胀的影响表85％蒙脱土浆中MMH正电胶对电位和页岩回收率的影响MMH浓度（％）00.51.01.52.02.5电位（mV）-30-28-26-22-18+3回收率（％）29.337.349.348.956.066表9MMH正电胶对岩芯回收率的影响介质水5％KCl10%KCl0.5%MMH0.7%MMH回收率（％）3680818189☆形成空间稳定的钻井液图12带正负电的小颗粒与水分子的作用力（上图为极化过程，下图为氢键联接）五、油层保护作用探讨◆抑制性重盐的完井液KCl,CaCI2,CaBr,ZnBr2,密度~2缺点：腐蚀性，粘度控制困难，成本高◆甲酸盐完井液◆正电溶胶钻井完井液——生产实践中发现的事实☆1994：临盘油田统计发现钻井液类型井号日产原油，t钻井液类型井号日产原油，t正电胶钻井液L13-9016.8聚合物钻井液L13-371.8L13-X9024.6L13-X252.7L2-X20124.7L2-X3710.5L2-X60314.2L2-X259.8L2-X6047.3L2-X314.6L17-X236.4L17-213.6L36-2412.4L36-236.6S13-4467.4S13-4448.2T4-X4628.7T4-X427.1P2-746.3P2-X754.3T6-521.5T6-38.0L95-24.0L95-17.6L95-510.7L95-61.4单井平均日产原油,t11.17单井平均日产原油,t6.23☆1994:Fraser报道：MMH钻水平井，产量提高一倍☆1996：黄河北某区块开发第一批13口试油井发现正电胶钻井液：3口出油井4口聚合物钻井液：1口13口正电胶钻井液：1口不出油，出沙井9口聚合物钻井液：8口◆正电胶钻井液保护油层研究（1）Fraser试验☆聚合物现场钻井液渗透率恢复值：68%☆MMH现场钻井液渗透率恢复值：70%☆再加入石灰石和降滤失剂渗透率恢复值：94%☆再加大MMH含量渗透率恢复值：100%（2）胜利油田地质院的试验（泥浆公司送样）☆聚合物—FcLs渗透率恢复值：52.4%☆聚合物一水解聚丙烯腈铵盐渗透率恢复值：54.3%☆MMH正电溶胶渗透率恢复值：75.2%（3）北京石油勘探科研院的试验☆处理剂：MMH正电溶胶渗透率恢复值：81%☆大阳离子SP-II渗透率恢复值：71.6%☆其它（KPAM、FA-367、SPC、CHSP、磺化沥青等）渗透率恢复值均不超过60%。☆泥浆体系：MMH体系恢复值85.7%。☆聚合物体系：恢复值68.5%。（4）塔里木油田在射孔、压井、修井液试验及吐哈油田的试验也都得出了相同的结论。（5）1999年AliS在评价清除泥饼的方法时，对聚合物—颗粒盐体系、聚合物—碳酸盐体系及MMH—膨润土一碳酸盐体系进行研究时发现，酸化后的残液与聚合物对地层伤害比较大。对比盐酸、α-淀粉酶、次氯酸钠、过硫酸铵、硫酸亚铁、柠檬酸对泥饼渗透率的影响发现，次氯酸对聚合物泥饼渗透率提高有一定效果，而盐酸对MMH泥饼的效果最佳。◆黑色有机树脂正电胶BPS——MMH正电胶的改进产品：☆使用时在水中分散，形成泥饼后变成油溶性☆正电水平更高，≥50mV,(pH=7~10)☆有效物含量≥50%☆润滑性更好☆油层保护效果更好表10.pH对BPS正电胶和一个沙二段岩芯电位（mV）的影响pH6.587.979.3410.0910.5811.0012.15BPS+85+75+69+560-20-47岩芯-14/-17//-33/表11.BPS钻井液初采产油情况表井号钻井液类型生产日期总液（t）油（t）水（t）永921-斜7井大阳离子+铵盐+BPS98.9.2624.402498.9.2728.5198.898.9.2825.5222.698.9.2918.8180.4永921-15井太阳离子+铵盐98.9.229.67.22.498.9.2310.28.91.398.9.249.88.51.3结束语◆抑制性是钻井液研究的最重要课题；◆电性研究是解决抑制性的关键性质；◆正电溶胶是解决电抑制性的重要而可行的手段；◆钻井液稳定性——井壁稳定性——油层保护可以在使用正电溶胶过程中得到统一；◆正电溶胶的发展；水分散——油分散——无荧光，逐步形成系列产品；◆聚合醇是按另一种机理发展起来的抑制性钻井液，将在另文讨论。