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解卡剂作用机理及解卡性能研究


解卡剂作用机理及解卡性能研究
房炎伟 1,刘志华 2,刘禧元 2,杨荣奎 2,付伟明 2,杨嘉伟 1
(1.西部钻探有限公司 2.吐哈油田公司,新疆,鄯善,838200)

摘要:泡解卡剂是解除粘附卡钻的有效方法,解卡剂通过破坏钻具-泥饼之间的粘附力,提高界面的润滑性,和破坏泥饼内 部的粘滞力,破坏泥饼结构发挥作用。提高解卡剂的解卡效果需要按照正确的配制方法制备出性能合格的解卡液,在现场严 格按操作程序施工,以达到快速解卡,避免引起其它复杂情况的目的。用国内常用的几种解卡剂进行滤饼破裂实验,实验后 滤饼都产生了裂纹,使用油基解卡液在滤饼中产生的裂纹较深、较多。 关键词:解卡剂;钻井;机理 中图分类号:TE242 文献标示码:A

卡钻是钻井施工中的常见事故,在卡钻类型中 粘附卡钻所占的比例最大,给钻井工程带来严重的 经济损失。在处理粘附卡钻的方法上,常用的机械 方法有振击、套铣、连续液压解卡等,常用的化学 处理方法有泡油、泡酸、泡解卡剂等,使用机械方 法存在耗时长,作业费用高的缺点,因此绝大多数 情况下,还是采用化学处理方法。泡酸解卡基本限 于在碳酸盐地层,而且酸液在储运、施工中存在诸 多限制条件,使其不能广泛应用。泡油解卡和泡解 卡剂解卡法常常联合使用,是钻井施工中使用最多 的一种解卡方法。 泡解卡剂是解决粘附卡钻的有效方法之一,但 是由于解卡剂的应用范围窄,现场施工人员对解卡 剂的配制方法掌握不足,以及受现场施工设备的限 制,常常使解卡液的性能不完备,可能导致解卡效 率不高,甚至造成更加严重的事故。要及时有效地 解除粘附卡钻,需要提高对解卡剂机理、配方和施 工方法的认识, 避免卡钻后引起其它井下复杂情况, 达到缩短钻井周期,节省钻井费用的目的。

粘土与钻具金属表面的作用,添加剂与钻具金属表 面的作用,吸附水与钻具金属表面的作用,还有添 加剂之间的作用,添加剂与吸附水之间的作用和吸 附水与吸附水之间的作用;此外还有电荷之间的作 用力和范德华力。 这些作用力可以统称为电-化学结 合力,这些力作用的结果是钻具被泥饼牢牢地粘在 井壁上。 电 -化学结合力在宏观上的表现是泥饼对钻具 表面的粘附力和粘滞力。粘附力是钻具与泥饼界面 或钻屑与泥饼界面吸附管柱或岩屑的力。粘滞力是 使泥饼中同类或不同类的原子、离子和分子结合在 一起的力。解卡可能是一种力失效或两种力同时失 效的结果,因此解卡剂的一个必要性能是能够削弱 泥饼的粘附性能,使其对钻具的吸附力减少;另一 个必要性能是破坏泥饼的内部结构,削弱泥饼的粘 滞性能[1]。

2.解卡机理
解卡的基本原理是提高泥饼润滑能力和破坏泥 饼结构实现压力向粘卡界面的传递, 减小泥饼-钻具 界面的粘附力和粘滞力。 提高泥饼润滑能力,就是要破坏钻具金属表面 与粘土、添加剂和吸附水三方面的作用,可以通过 表面活性剂的乳化、润湿反转作用,使油相填充于 钻具-泥饼界面,减小界面的摩擦系数。 泥饼结构的破坏与泥饼的去水化作用有密切的 关系[1],由于泥饼结构中,各种添加剂吸附水的程 度不同,以及添加剂分布的不均匀性,使泥饼中的

1.钻具-泥饼体系作用力分析
发生粘附卡钻时,钻具嵌入泥饼并停靠在井壁 上。在压差作用下,泥饼中的粘土颗粒水化程度降 低,水化膜变薄,粘土颗粒间相互连接趋于紧密, 孔隙度变小;随时间延长,泥饼中的粘土颗粒、添 加剂与钻具表面进一步发生吸附作用,使泥饼与钻 具之间的粘附力更强,泥饼内部结构更加致密。此 时钻具-泥饼体系内部存在着复杂的作用关系, 既有

去水化作用进行的不均匀,导致部分颗粒聚集,产 生裂缝。 在裂缝产生的瞬间, 原来作用在钻具-泥饼 体系上的压差向地层的传递受到破坏,此时形成卡 钻的压差本身就成为解卡的动力。另外,泥饼中裂 缝的产生,也有利于解卡液向泥饼的渗入,如果裂 缝能够伸入到钻具-泥饼的界面, 对界面摩擦系数的 减小也有一定的贡献。 钻具在井下所处液体环境的物理、化学和电化 学性质的改变以及泥饼沉淀时起主导作用的相互作 用力的性质变化,都可以改变泥饼的性质,实现解 卡。 2.1 泡油解卡机理 解卡油一般由混合油组成,具有很强的渗透性 和润滑性能,当解卡油泵入钻具和泥饼之间时,油 能够快速渗透到泥饼与管柱界面,减小钻具两侧因 压差而产生的摩擦力,减小泥饼粘滞系数,达到解 卡的目的。 2.2 泡解卡剂解卡机理 解卡剂分为水基型和油基型,一般由渗透剂、 润湿反转剂、润滑剂、乳化剂、具有去水化作用的 盐类或带有大量极性基团的物质等组成,其解卡机 理包括渗透作用、润湿作用、润滑作用、去水化作 用和泥饼脱落作用等。 在由解卡剂配制成的解卡液中,油类或渗透剂 能够显著降低表面张力,润湿反转剂则使亲水表面 转变为亲油表面,在渗透剂和润湿反转剂的共同作 用下,泥饼中毛细管阻力减弱,使解卡液能够通过 毛细管进入井壁地层和管柱-泥饼界面, 将钻井液柱 的压力传递到地层中,降低界面压差。 在解卡液进入管柱-泥饼界面, 完成界面的表面 改性后,润滑剂分子中的亲水基团吸附在钻具和泥 饼表面上或泥饼颗粒间形成定向紧密排列,另一端 非极性基团形成一层“油”膜,降低界面和泥饼颗 粒间的摩擦系数。 去水化作用的物质可以使水化膨润土收缩[1], 促使粘土颗粒聚集,这种反应在钻具和泥饼界面发 生,会使泥饼脱水产生裂缝,为解卡液的渗入提供 通道,也可使原泥饼变薄,降低被粘钻具与泥饼的 接触角,减小界面面积;在泥饼其它结构上发生, 会在泥饼结构中产生许多小的通道, 供解卡液通过, 并可使井壁岩层与泥饼间的粘结力减弱,促使泥饼 从井壁上脱落。

3.解卡剂配方及配制方法

国内常用的解卡剂有 SJK-1、SJK-2、DJK-1 型 液体解卡剂, DJK-2、 JQG、 SR301 型固体解卡剂等。 3.1 SJK-1 型油基解卡剂 配方组成:以柴油和轻质原油各 50%作基液, 加入 1.5%~2.0%油酸,3%石灰粉(100 目) ,1.5%~ 2.0%快 T,1%有机土(200 目) ,5%淡水或咸水,加 重剂适量(根据所需密度而定)[2]。 配制程序:①将柴油、原油以 1:1 的比例注入 配制池,混合均匀;②在搅拌中依次加入油酸、石 灰、快 T、有机土,充分混合均匀;③加水搅拌, 形成油包水乳状液;④需要时,按密度要求加入加 重剂(重晶石等) 。 该型解卡剂稳定性强,电稳定性大于 400V,密 3 度可调至 2.0g/cm ,可用于解除深井、超深井。 3.2 SJK-2 型水基解卡剂 配方组成:淡水、咸水或两种水的混合液作基 液,加入 5%~7%聚合物,1%~2%渗透剂,1%~2% 消泡润滑剂,15%~20%阻止交联剂,5%~10%PH 值 调节剂,无机盐(根据所需密度而定)[2]。 配制程序:①在淡水混入咸水或加无机盐作为 基液时,使盐完全溶解,混合均匀,依次加入聚合 物、渗透剂、消泡润滑剂,每种组分必须充分分散, 3 混合均匀,配制出的解卡液密度 1.0~1.2g/cm 。 ②以咸水作为基液,依次加入聚合物、渗透剂、消 泡润滑剂,充分分散,混合均匀,配制出的解卡液 3 密度 1.2~1.25g/cm 。③以淡水作为基液,依次加 入阻止交联剂、聚合物、PH 值调节剂、无机盐、渗 透剂、消泡润滑剂,充分分散,混合均匀,配制出 3 的解卡液密度 1.3~1.5g/cm 。 该型解卡液在注入前需使用隔离液,用量 3 1.5~3m ,隔离液配方如下: 清水+2%CMC+0.8%FClS+0.3%Na2CO3 3.3 DJK-1 型油基解卡剂 配方组成:以柴油作为基液,12%氧化沥青,3% 石灰,1.8%油酸,1.6%有机土,1.6%快 T,5%清水, 加重剂适量[3]。 配制程序:①将柴油注入配制池;②在搅拌的 条件下,依次加入氧化沥青、石灰粉、油酸、有机 土和快 T,搅拌均匀;③加入 4%淡水,搅拌成乳状 液;④加加重剂,搅拌均匀。 3 注解卡液时,最好注入 1~2m 柴油作为前、后 隔离液。 3.4 DJK-2 型油基解卡剂

DJK-2 解卡剂是一种粉状解卡剂, 由氧化沥青、 [4] 石灰、有机土和表面活性剂组成 。 配制程序:①取 0 号柴油注入配制池;②加入 20%DJK-2 解卡剂,搅拌均匀;③再加入 4%淡水,搅 拌成乳状液; ④需要时加入加重剂, 达到密度要求。 3.5 JQG 油基解卡剂 配方组成:18%~20%10 号建筑沥青,20%~30% 有机土,油酸适量,1.5%~2.0%渗透剂,抗高温乳 化剂适量,50~60%石灰水,经混合均匀、干燥后制 成[5]。 配制程序:①将柴油注入配制池;②在搅拌的 条件下加入 40%JQG,搅拌均匀;③加入 30%淡水, 搅拌成乳状液;④加入加重剂,搅拌均匀。 3.6 SR301 型油基解卡剂 SR301 是一种粉状解卡剂, 配方组成: 10%~80% 沥青粉,10%~60%石灰粉,0.2%~20%油酸,0.2%~ 20%环烷酸,0.1%~20%OP-7,0.1%~20%JFC[6]。 配制程序:①在配液池中加入柴油作为基液; ②在搅拌中加入 30%SR301, 充分混合均匀; ③加 20% 水搅拌,形成油包水乳状液;④需要时,加入加重 剂调整到合适密度。 3 该解卡剂密度可调整至 0.95~2.0g/cm ,适用 范围宽,但在油中的溶解时间较长;对钻井液有一 定污染,使用时需先注隔离液。 3.7 快 T 解卡剂 将快 T 按 2%混合到柴油或原油中, 搅拌均匀即 [7] 可 。

(7)解卡后,一般应排掉解卡液,需要将解卡 液混入钻井液中时, 需循环均匀后再进行下步作业。

5.解卡性能研究
将解卡剂按配方配制成解卡液,按解卡剂评价 标准配制好基浆。 基浆:清水+4%膨润土+4%评价土+1%FClS 用中压失水仪做基浆滤失量,保持压力 690KPa,滤出时间为 30min,倒出基浆加入解卡液 浸泡,浸泡过程保持压力 690KPa,30min 后倒出解 卡液,取出滤饼,观察泥饼表面的裂纹状态。 滤饼破裂实验结果表明:各种解卡液均能使滤 饼表面出现裂纹,如图 1-8 所示,其中油基型解卡 液比单独使用原油的解卡效果较好,用油基型解卡 液浸泡的滤饼出现的裂纹较多,较深。

图1

原油的解卡效果

图2

SJK-1 的解卡效果

4.解卡液施工方法
(1)测准卡点,计算好解卡液用量,要求解卡 液数量应保证浸泡全部被卡管柱井段环空,管内留 足顶替量,施工用量比理论计算量附加 10%~20%。 (2)解卡液的密度应与钻井液密度相同或略 高。 (3) 注解卡液前必须调整好钻井液性能, 保持 井眼循环畅通。 (4) 一般情况下采用水泥车注解卡液 (也可以 用泥浆泵直接注入) , 注解卡液的排量与循环排量相 当。 (5) 浸泡解卡液时, 每隔 30~60min 顶替一次, 3 每次 0.2~0.3m ,直到管内留量顶完。 (6)浸泡期间应及时活动钻具,一般每 30min 活动一次。

图3

SJK-1 的解卡效果

图4

DJK-1 的解卡效果

图5

DJK-2 的解卡效果

图6

JQD 的解卡效果

图7

SR301 的解卡效果

图8

快 T 的解卡效果

6.结论
(1) 泥饼在粘附卡钻的形成过程中起着重要作 用,解卡液的解卡机理是破坏泥饼内部结构,降低 泥饼-钻具界面的摩擦系数。 (2) 解卡剂具有渗透泥饼的能力, 可在泥饼表 面形成网状裂纹,从而剥落泥饼,油基型解卡剂的 解卡能力较强。
参考文献: [1] 罗文其, 夏俭英. 去水化解卡机理的研究 [J]. 钻井液与 完井液.1996,(02):37-38. [2] 范坤 模 . 解 卡 剂在 胜 利油 田 的 应 用 [J]. 石 油 钻 探 技

术.1991,19(2):53-56. [3] 郑斯耕,刘庆湘.采用 DJK-1 解卡剂解除压差卡钻[J]. 石油钻采工艺.1982,7(2):9-13. [4] 郑斯耕.DJK-2 解卡剂解除压差卡钻[J].钻井液与完井 液.1984,2(2):56-63. [5] 段明祥, 张献丰, 边继祖,等. 用普通建筑沥青制备的粉 状解卡剂 JQG[J].油田化学.2002,(04):9-10. [6] 王文英.SR301 粉状解卡剂的研究与应用[J].钻井液与 完井液.1984,2(2):64-72. [7] 崔朝晖.快-T 解卡剂在吐哈地区的推广应用[J].西部探 矿工程.1995,(01):41-42.

Research on mechanism and property of stuck releasing agent
FANG Yan-Wei1,Liu Zhi-Hua2,Liu Xi-Yan2,Yang Rong-Kui2,Fu Wei-Ming2,Yang Jia-Wei1 (1--CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited,2--CNPC Tuha Oilfield Company,Shanshan,Sinkiang838200,China)

Abstract:Using stuck releasing agent is an efficient method in differential sticking, it is considered that the key of stuck releasing agent is to reduce the adhesive force in the pipe-cake interface, then reduce frictional coefficient of the interface in pipe-cake system, In addition, the agent should able to weaken the cohesive force in inner cake to destroy the whole cake structure. The qualified liquid made by correct procedure and constructed on rigid operation procedure will increase the releasing stuck efficiency, which also will avoid other well complex circumstance. Kinds of domestic stuck releasing agents is used in mud cake fracture test, the mud cake cracks proved the agent's function, and the oil based liquid is superior to the others by bring deeper and more mud cake cracks. Keywords: Stuck releasing agent;drilling;mechanism


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