超高温地热井泡沫钻井流体技术

 地热资源按照介质的温度不同可分为高温(>150 ℃)、中温(90 ～ 150 ℃)和低温(<90 ℃)。

 

  对于不同地热温度井的开采, 选用的钻井流体各不相同。对于低温和中温地热井, 通常采用常规钻井液;对于高温地热资源, 特别是超高温地热资源的开采, 常选用稳定泡沫钻井流体。这是因为, 构成高温地热(蒸气型)地层的主要是裂隙发育的变质岩和火山岩, 地层压力低, 漏失严重, 而稳定泡沫流体能较好地起到防漏堵漏作用和在低压状态下建立欠平衡条件, 提高钻井速度、降低钻井成本。解决它的关键问题是钻井流体的抗温能力。

 

  1  钻井流体的技术要点

 

  地热井的地温变化极其异常, 有的井深只有几百米, 地层温度可达150 ℃以上;有的井深在1 000m 左右, 地温可达250 ℃以上, 有的井底温度甚至达到350 ℃。因而对形成泡沫流体的发泡剂而言,最关键的技术是它的抗温能力。超高温对发泡剂的影响主要是高温降解作用, 在高温下, 发泡剂的一些基团会发生变异, 而失去它的起泡作用, 从而在钻井过程中导致一系列井下事故或复杂情况的发生。

 

  表面活性剂能降低表面张力, 促进泡沫形成, 但是泡沫的稳定性取决于气泡间液膜的黏弹性和机械强度, 而液膜的黏弹性和机械强度主要取决于由表面活性剂产生的吸附膜的柔韧能力和抗冲击能力。

 

  在超高温地热井施工中, 要求形成气泡间的液膜具有抗超高温(抗蒸发)、抗压和抗剪切的能力。

 

  2  泡沫钻井流体研究

 

  发泡剂主链以—C —C — 、—C —S — 、—C —N —键或含有苯核为最佳, 这些化学键在高温条件下不易断裂, 稳定性好;其次是分子链的柔顺性影响着抗温性, 柔顺性好的分子链抗温性差, 侧链带有磺酸基等大基团的分子链, 刚性较强, 抗温性也较强。这种发泡剂较常用钻井液发泡剂价格昂贵。由于泡沫钻井用钻井流体是一次性使用, 提高了钻井成本, 因而在现有钻井用发泡剂的基础上, 通过加入抗高温保护剂, 提高泡沫流体抗温能力是一种切实可行的方法。

 

  作为目前钻井用发泡剂, 大多为阴离子型表面活性剂, 属亲水型, 形成溶液的表面张力大, 化学活性高, 表现为泡沫体积大, 气泡孔径大, 泡沫结构疏松, 因而液膜的抗温性也较差。要在原泡沫流体的基础上提高其抗温性, 可在其中加入溶解度小、分子量小的物质, 使溶液的表面活性增大, 泡沫稳定性提高, 泡沫直径减小, 排液速度慢, 强度提高, 寿命延长;同时加入这种物质对形成的液膜具有良好的抗高温作用, 随着温度升高, 在损耗一部分的情况下仍能保持表面活性剂在水溶液中的活性和形成泡沫后的良好发泡作用和稳定性, 该物质为抗高温保护剂。

 

  3  室内实验

 

  3 .1  抗温性实验

 

  3.1.1 实验材料与方法

 

  实验材料:地热井现场使用的普通发泡剂, 抗高温保护剂H T-1(自制)。

 

  测定方法:将一定量的发泡剂加入到含有抗高温保护剂H T-1 的溶液或清水中, 在指定的温度下热滚16 h , 冷却后取100 mL 置于钻井液用高速搅拌器中, 在(11 000 ± 300)r/min 下搅拌1 min , 立即取下搅拌杯, 同时开始记录消泡时间;将搅拌杯中的所有物质全部倒入1 000 mL 量筒中, 读取发泡体积, 这步操作应在10 s 内完成;读取从泡沫中析出液体达到50 mL 时的时间, 即为半衰期。

 

  3.1.2 实验结果与讨论

 

  加入抗高温保护剂H T-1 前后泡沫抗温性的对比结果见图1 。从图1 可以看出, 加入1 %HT-1 后,在温度低于150 ℃时, 发泡体积与没有加入HT-1时变化不大, 但半衰期(即泡沫稳定性)有较大增加;温度超过150 ℃后, 没有加入H T-1 的泡沫发泡体积和半衰期明显下降, 到200 ℃时发泡剂已完全损坏, 不能起泡;加入1 %HT-1 的泡沫发泡体积在温度达到240 ℃时与温度低于150 ℃时都基本一致,而半衰期在温度超过150 ℃后开始显著下降, 但是仍能使泡沫流体具有良好的泡沫性能, 保证钻井施工的完成。

 

  3 .2  抗污染实验

 

  在非油气层, 钻井流体的主要污染因素是Cl - 、Ca2 + , 特别是Cl-和Ca2 +共同存在时对钻井流体的污染更大。不同温度下泡沫流体同时抗Cl - 、Ca2 +污染的能力对比见图2 。从图2 可以看出, 加入HT-1 有助于发泡剂抗污染能力的提高。

 

  3 .3  表面张力实验

 

  将一定量的发泡剂加入到清水或抗高温保护剂溶液中, 在指定的温度下热滚16 h , 冷却, 用Sigma701 型自动表面张力测定仪测定其表面张力, 结果见图3 。从图3 可以看出, 当没有加H T-1 时, 随着温度的升高, 表面张力有增大的趋势, 发泡剂随着温度的升高在逐渐降解, 当温度超过它的临界值后, 表面张力有一个较大的下降, 这是由高分子量的物质降解成低分子量的物质导致的;加入HT-1 后, 在高温条件下通过损失HT-1 使溶液保持良好的表面活性, 溶液的表面张力逐渐下降。从而证明, HT-1 是一种良好的抗高温保护剂。

 

  4  结论

 

  1.抗高温保护剂H T-1 对于泡沫流体具有良好的抗高温保护作用, 在形成泡沫的基液中加入H T-1 , 能在一定程度上提高发泡剂的抗温能力, 能将发泡剂的抗温极限从180 ℃提高到240 ℃。

 

  2.HT-1 对Ca2 + 、Cl-的污染不敏感, 不会影响原有发泡剂的抗污染能力;适用范围广, 在增加较少成本的条件下, 就可提高泡沫流体的抗温性, 对现场工艺无特殊要求, 且维护方便。