國內(nèi)外鉆井液技術(shù)新進(jìn)展

張艷娜 孫金聲 王倩 劉德勛 楊澤星

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 3.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

國內(nèi)外鉆井液技術(shù)新進(jìn)展

張艷娜1,2孫金聲2王倩1劉德勛3楊澤星2

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 3.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

為全面了解國內(nèi)外鉆井液技術(shù)研究現(xiàn)狀、明確鉆井液技術(shù)的發(fā)展趨勢與方向,在調(diào)研大量相關(guān)文獻(xiàn)及報(bào)道的基礎(chǔ)上,對近年來國內(nèi)外出現(xiàn)的鉆井液新技術(shù)進(jìn)行了分類歸納總結(jié),從新型鉆井液體系、儲層保護(hù)技術(shù)、防漏堵漏技術(shù)、新型鉆井液處理劑、鉆井液泥餅清除技術(shù)等5個方面對其進(jìn)行了介紹。其中,新型鉆井液體系涉及各種水基鉆井液體系、油基鉆井液體系、合成基鉆井液體系和成膜鉆井液體系等;介紹了裂縫性碳酸鹽巖儲層保護(hù)技術(shù);防漏堵漏技術(shù)主要介紹了可溶粒子降濾失劑、超低滲透添加劑、微凝膠聚合物降濾失劑等;新型鉆井液處理劑包括快鉆進(jìn) KSAJ、M n3O4加重劑、季銨鹽表面活性劑、頁巖抑制劑(乙基葡萄糖苷和SIA T)和高溫保護(hù)劑 GHB等;還對鉆井液泥餅清除技術(shù)作了簡要介紹。

國內(nèi)外鉆井液技術(shù) 進(jìn)展 鉆井液體系 儲集層保護(hù) 防漏堵漏技術(shù) 鉆井液處理劑 泥餅清除

鉆井液技術(shù)作為鉆進(jìn)復(fù)雜地層的關(guān)鍵技術(shù)之一,在大量資金的支持和鉆井作業(yè)難題的驅(qū)使下,在短短的幾年里取得了較大的發(fā)展,也取得了一系列成果。本文在調(diào)研近幾年國內(nèi)外鉆井液新技術(shù)的基礎(chǔ)上,從鉆井液體系、儲層保護(hù)技術(shù)、防漏堵漏技術(shù)、新型鉆井液處理劑以及鉆井液泥餅的清除技術(shù)等5個方面來闡述其發(fā)展概況。

1 新型鉆井液體系

1.1 高性能水基鉆井液體系

BHDF公司研制了適用于Lake Maracaibo地區(qū)的新型高性能水基鉆井液體系(HPWBM)[1]。HPWBM通過減少鉆頭泥包來提高鉆進(jìn)速度,同時(shí)可以減小鉆具的扭矩和摩阻,轉(zhuǎn)移鉆頭重量。與傳統(tǒng)的鉆井液相比,更能增強(qiáng)井筒的穩(wěn)定性,減少漏失量。此外,體系由低鹽分物質(zhì)組成——減少了廢物處理的難度和費(fèi)用,滿足了環(huán)境的要求。

現(xiàn)場使用的鉆井液配方是:3.0 lb/bbl膨潤土(1 lb=0.453 592 37 kg,1 bbl=115.627 1 L,下同) +0.75 lb/bbl氫氧化鈉+6.8 lb/bbl氯化鈉+0.5 lb/bbl聚丙烯酰胺+0.5 lb/bbl羧甲基纖維素+1.0 lb/bbl改性淀粉+5.0 lb/bbl鋁酸鹽絡(luò)合物+3.0%可變形聚合物封堵劑+7.0 lb/bbl聚銨鹽+2.0%快鉆劑。

HPWBM鉆井液體系與傳統(tǒng)的鉆井液相比,能更好地抑制黏土和鉆屑分散,減少鉆頭泥包,目前 HPWBM體系已在墨西哥灣、美國大陸、巴西、澳大利亞及沙特阿拉伯等國家和地區(qū)得到了應(yīng)用。其中在墨西哥灣地區(qū)深水鉆井,順利鉆達(dá)目的層,井壁穩(wěn)定,無復(fù)雜事故發(fā)生且機(jī)械鉆速高,如圖1所示。

圖1 使用不同鉆井液在墨西哥灣深水鉆井作業(yè)中的鉆速對比圖[2]

1.2 新型油基鉆井液體系

1.2.1 低固相礦物油基鉆井液(LSOBM)

針對挪威中部Aasgard油田鉆分支井和長井段時(shí)遇到的鉆速低、鉆井液黏度大、侵入儲層深度大、卡鉆等嚴(yán)重問題,研發(fā)出一種新型低固相礦物油基鉆井液(LSOBM)[2]。LSOBM使用比重較大的溴化鈣鹽水作為分散相,用標(biāo)準(zhǔn)礦物油作為連續(xù)相,用液態(tài)樹脂有機(jī)物替代天然瀝青作為降濾失劑。

LS OBM的實(shí)驗(yàn)配方:423 kg/m3低芳香族礦物油+30 kg/m3乳化劑+10 kg/m3液態(tài)降濾失劑+10 kg/m3優(yōu)質(zhì)有機(jī)土+161 kg/m3清水+364 kg/m3密度為1.7 kg/m3的溴化鈣鹽水+10 kg/m3石灰+120 kg/m3白云石+20 kg/m3石墨。

通過室內(nèi)評價(jià)實(shí)驗(yàn),得出LSOBM鉆井液體系要達(dá)到最佳性能,還應(yīng)滿足以下要求:①油水比為60∶40;②添加140 kg/m3橋堵劑;③堵漏顆粒的大小略大于最佳理論值;④使用石墨和白云母片作為堵漏材料。

與傳統(tǒng)的鉆井液相比,LSOBM鉆井液體系具有更好的封堵性、熱穩(wěn)定性和更高的滲透率恢復(fù)值。

1.2.2 高密度低固相油基鉆井液體系

M -I鉆井液公司使用甲酸銫鹽水配制了密度為1.66 g/cm3的低固相油基鉆井液體系[3],該體系與常規(guī)的加重鉆井液體系相比,由于不含任何固體加重劑且為單離子,故而最大限度地消除了由重晶石引起的井控問題,減少對地層的損害和篩管堵塞。與溴化鋅鉆井液相比,對環(huán)境影響小,更安全,容易回流,故對儲層損害也小。該鉆井液體系已經(jīng)在Statfjord油田進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)配方和性能如表1所示。

過去5年的鉆井完井實(shí)踐證明,甲酸銫鹽水油基鉆井液的使用不僅可以簡化操作過程、減少鉆井液的浪費(fèi),而且還可以消除流體不兼容的問題。鉆井液性能很好,表現(xiàn)出很低的當(dāng)量循環(huán)密度,能達(dá)到中或高的機(jī)械鉆速,具有很好的水力特性,好的井眼凈化能力,鉆井扭矩和摩阻很低,采用電測井時(shí)表現(xiàn)出良好的井壁穩(wěn)定性。完井作業(yè)快速穩(wěn)定。鉆出的井顯示了較高的生產(chǎn)效率和較低的表皮系數(shù),創(chuàng)下了北海地區(qū)最快的高溫高壓完井記錄,是一種能將高溫高壓井控問題最小化、井產(chǎn)量最大化的有效鉆井液體系。

1.3 Aphrons鉆井液新發(fā)展

Aphrons鉆井液正在全球范圍內(nèi)被用于鉆進(jìn)衰竭儲層和低壓地區(qū)[4]。Aphrons鉆井液具有獨(dú)特的低剪切流變性和抗壓力的空氣微泡,改進(jìn)后的新配方中添加了一種聚合物混合物——由生物聚合物黃原膠和表面活性劑BLUE STREA K混合而成,該混合物被稱為“Aphrons穩(wěn)定劑”。研究發(fā)現(xiàn),Aphrons穩(wěn)定劑能承受至少4 000 bl/ft2(1 ft2=929.030 4 cm2,下同)的壓力,能夠比周圍液體更快進(jìn)入漏失區(qū),并在液體進(jìn)入前形成氣泡層;同時(shí),流體的剪切速率不斷下降,黏度不斷升高。另一個重要發(fā)現(xiàn)是:Aphrons之間以及Aphrons與巖石礦物表面的孔隙或者裂縫之間的親和力小,因此形成的封堵柔軟且缺乏黏附力,使得其在采油時(shí)易被排出。

表1 高密度低固相油基鉆井液與傳統(tǒng)油基鉆井液配方和性能對比表

1.4 抗高溫鉆井液體系

1.4.1 合成基聚合物鉆井液體系

新型環(huán)?？垢邷厮@井液是M-I鉆井液公司研制成的一種耐高溫(232℃)高壓水基鉆井液[5]。該鉆井液體系使用一種不含鉻、對環(huán)境無害的新型合成基聚合物且體系簡單——只需要兩種聚合物、p H控制劑、加重材料和少量用于控制濾餅質(zhì)量的黏土。這種新型合成基聚合物是一種新型交聯(lián)聚合物,用丙烯酰胺(單體A)、一種磺酸鹽單體(單體S)和一種交聯(lián)單體(單體X)配制的新的交聯(lián)共聚物。與非交聯(lián)直鏈聚合物相比,它在含水溶液中保留了較為致密的球形結(jié)構(gòu)。分子重量相同時(shí),交聯(lián)聚合物在水溶液中的水動力體積比相同分子質(zhì)量的直鏈分子小得多。交聯(lián)聚合物的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其在空間上受到限制,從而增大了其內(nèi)在水解穩(wěn)定性。同時(shí),交聯(lián)使其對固體不大敏感,抗剪切能力強(qiáng),從而改進(jìn)了水基鉆井液的流動特性和降濾失特性。

1.4.2 SIV鉆井液體系

SIV鉆井液體系是一種獨(dú)特的鉆井液體系[6]。這種鉆井液體系的主要成分SIV,它是一種由鈉、鋰、鎂和氧組成的合成多層硅。SIV是一種白色粉末,其結(jié)構(gòu)類似于天然的膨脹性微晶高嶺石黏土,熱穩(wěn)定性高達(dá)370℃。其特點(diǎn)是雜質(zhì)含量低、剪切后黏度恢復(fù)快、包被能力強(qiáng)、抗高溫能力強(qiáng)、水溶液透明度高、對鉆屑和巖心的損害小。常用的典型配方如表2所示。

表2 SIV鉆井液配方表

這種鉆井液體系在233℃的溫度下仍然保持良好的黏度,不發(fā)生高溫絮凝等問題?，F(xiàn)場和地?zé)峋畬?shí)驗(yàn)表明,SIV鉆井液效果良好,特別是用于對結(jié)晶巖的鉆進(jìn),其應(yīng)用溫度范圍廣、對巖心和巖屑損害小。在德國KTB-HB工程中使用了這種鉆井液,應(yīng)用表明,SIV體系具有較好的懸浮性、抗污染性、高溫高壓流變性。

1.5 流變性恒定的合成基鉆井液體系

1.5.1 CR-SBM鉆井液體系

合成基鉆井液CR-SBM體系[7]在深水作業(yè)時(shí)具有“恒定的流變性”,從而減小激動壓力和當(dāng)量循環(huán)密度,降低頻繁發(fā)生的井漏事故,故克服了使用傳統(tǒng)鉆井液時(shí)產(chǎn)生的與壓力有關(guān)的問題?？傮w上,CR-SBM與傳統(tǒng)合成基鉆井液的組分基本相同。CR-SBM獨(dú)特流變性的獲得關(guān)鍵在于使用有機(jī)黏土替代特殊乳化劑作為鉆井液增黏劑。這樣可以讓CR-SBM獲得比傳統(tǒng)合成基鉆井液更好的降濾失性。它在實(shí)驗(yàn)室測定和現(xiàn)場運(yùn)用中都表現(xiàn)出穩(wěn)定的流變性。

通過實(shí)驗(yàn)測試,CR-SBM主要特點(diǎn)是凝膠強(qiáng)度、屈服值在3～6 r/min時(shí)都不會明顯受到溫度和壓力的影響。現(xiàn)場實(shí)踐表明,CR-SBM具有穩(wěn)定的流變性,尤其是與聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭配合時(shí),能避免深水環(huán)境下溫度和壓力的影響,從而提高了機(jī)械鉆速、保證了井眼的穩(wěn)定性、減少了井下鉆井液漏失,明顯地提高了鉆井作業(yè)效率。

1.5.2 EHT鉆井液體系

EH T是EXXON公司等研制的流變性穩(wěn)定的無毒高溫水基鉆井液體系[8],成功地應(yīng)用于井底溫度最高達(dá)215.5℃的陸地和海上鉆井中,鉆井液密度達(dá)1.86 g/cm3。其典型配方如表3所示。

EH T體系的室內(nèi)研究是根據(jù)這樣的假設(shè)進(jìn)行的:高溫誘發(fā)的黏土顆粒的分散是造成鉆井液體系不穩(wěn)定的根本原因。為此,采取了以下3種解決辦法:①選擇適合于井底溫度的黏土濃度,即在起下鉆期間的井底溫度下,老化后仍能提供足夠的懸浮和攜屑能力;②加入一種輔助增黏劑,以便在地面提供懸浮和攜巖能力,并在整個溫度變化過程中保證恒定的鉆井液流變性,輔助增黏劑的黏度隨溫度的升高而降低;③有目的地加入電解質(zhì)以減緩高溫誘發(fā)的鉆屑分散。

1.5.3 流變性可控的聚合物鉆井液體系

控制鉆井液流變性的傳統(tǒng)方法是使用生物聚合物和高分子電解質(zhì)(低剪切稀釋性和高塑性)。這里所說的新方法,是指所選的聚合物和加重劑都是用來生成和控制高剪切稀釋性和熱穩(wěn)定流變性的[9]。

表3 EHT鉆井液體系各種處理劑用量表

改良的丙烯酸類聚合物、乙烯基磺酸鹽共聚物與非離子聚合物之間表現(xiàn)出良好的協(xié)同作用。而非離子型聚合物聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)能產(chǎn)生需要的流變性和穩(wěn)定性。對加重劑的要求是細(xì)粒徑和高表面電荷濃度。新配方中采用了可以替換的重晶石和四氧化錳加重劑,通過實(shí)驗(yàn)證明,四氧化錳的加重效果優(yōu)于重晶石。商品等級是4.8 SG,粒徑0.47～1.0μm,比表面積為2～4 m2/g。新配方的有效性在室內(nèi)通過以下水基鉆井液配方來檢驗(yàn):

251.9 lb/bbl水+350.0 lb/bbl四氧化錳+0～5.6 lb/bbl離子型聚合物+0～6.2 lb/bbl非離子型聚合物+18.7 lb/bbl頁巖抑制劑+2.0 lb/bbl降濾失劑(聚陰離子纖維素聚合物)。

該水基鉆井液配方已經(jīng)用在溫度高于180℃的油氣田開采過程中。鉆井液體系通過加重劑和聚合物的協(xié)同作用保持了穩(wěn)定可控的流變性,同時(shí)還具有良好的抑制性和潤滑性。

1.6 MMO基鉆井液體系

MMO是由氧化錳和氧化鋁類氧化物混合而成的金屬氧化物處理劑[10],通過添加少量MMO晶體到膨潤土中預(yù)水化制得的鉆井液。該鉆井液體系表現(xiàn)出突出的非牛頓流體的流變性特點(diǎn),其塑性黏度為5 cP (1 cP=1 m Pa·s,下同),屈服值為 55 lb/100 ft2; MMO鉆井液體系獨(dú)特的流變性還表現(xiàn)在其隨溫度的變化上,大多數(shù)鉆井液是隨著溫度升高系統(tǒng)的黏度升高,但是MMO卻具有相反的性質(zhì)。在40υ(1υ= 9/5℃+32,下同)時(shí),塑性黏度和屈服值分別為35 cP和40 lb/100 ft2,而在180υ下,分別為6 cP和103 lb/100 ft2。同MM H系統(tǒng)相比,MMO鉆井液體系的成本較高,但它能抗離子污染(如Ca2+、M g2+等)而且穩(wěn)定性高。

1.7 成膜水基鉆井液體系

王平全、孫金聲[11]等人將有機(jī)胺天然纖維聚合物CMJ-2和降失水劑XNJ-1復(fù)配形成復(fù)合膜。CMJ-2側(cè)鏈羥基、胺基對黏土礦物既有吸附作用,又能與黏土顆粒形成氫鍵,加之分子鏈的非離子特性,容易在濾餅上形成一層保護(hù)膜。而XNJ-1是一種惰性的變形軟粒子,具有很好的封堵能力,能堵塞、填補(bǔ)泥餅上CMJ-2膜結(jié)構(gòu)中的孔隙部位,與CMJ-2產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),組成了薄而致密、韌性好的復(fù)合膜結(jié)構(gòu),從而有效地阻止了濾液及鉆井液(包括固相)向地層滲透,達(dá)到穩(wěn)定井壁,保護(hù)儲層的目的。

成膜水基鉆井液體系配方為:5%鈉膨潤土+3% XNJ-1+0.2%JH-1+3%CMJ-2+0.5%JN-1。此鉆井液對塔中地區(qū)和輪古地區(qū)石炭系垮塌層泥頁巖均具有很強(qiáng)的抑制水化分散能力(100℃下熱滾16 h后回收率均高于98%,最高接近100%)。同時(shí)發(fā)現(xiàn),滾動后的巖樣顆粒大小、形狀與滾動前幾乎無異樣,且?guī)r樣顆粒上有一層薄薄的“面膜”,正是因?yàn)檫@種“面膜”的存在,保護(hù)了巖樣,才阻止了水(濾液)滲入巖樣內(nèi)部,從而防止巖樣水化分散,穩(wěn)定井壁。成膜(隔離膜)水基鉆井液體系具有強(qiáng)的抗溫(180℃)、抗鹽(20% NaCl)、抗鉆屑污染能力,在低密度和高密度條件下均具有良好的封堵能力。

2 儲層保護(hù)技術(shù)——裂縫性碳酸鹽巖儲層保護(hù)鉆井液

裂縫性儲層指油氣滲流通道主要為裂縫的儲層,這些儲層大多為碳酸鹽巖,是極為重要的儲集巖,對石油工業(yè)具有重大價(jià)值[12]。國內(nèi)針對這種儲層主要采用優(yōu)化鉆井液體系復(fù)配暫堵組合的方法,如張軍等優(yōu)選的暫堵型兩性離子聚合物鉆井液[13]、盧虎等通過聚多元醇配合一定固相暫堵劑[14]、葉艷等研制的復(fù)合鹽弱凝膠無固相鉆井液加入優(yōu)選暫堵組合[15]等,均對保護(hù)裂縫性儲層取得了一定的效果。

王永恒等評價(jià)了孫金聲等新研制的超低滲透鉆井完井液[16]對裂縫的暫堵能力、濾餅質(zhì)量和返排滲透率情況。研究結(jié)果表明:3.5 M Pa正壓差下,超低滲透鉆井完井液對400 mm以內(nèi)的不同寬度級別的裂縫均有很好的封堵效果[17]。但是,這些具有保護(hù)裂縫性儲層作用的鉆井液大多針對裂縫性油藏,基本上沿用的是孔隙性儲層保護(hù)技術(shù),僅僅停留在室內(nèi)評價(jià)和研究階段,現(xiàn)場使用效果如何以及對裂縫性碳酸鹽巖油氣藏能否適用尚需進(jìn)一步研究。

3 防漏堵漏技術(shù)

3.1 應(yīng)用于枯竭裂縫油藏的特殊堵塞材料

在開采枯竭、裂縫性儲層和易受深層鉆井液固相侵害的油藏時(shí),鉆井液必須快速形成泥餅,且濾液對地層的損害要盡量小。為此研制了石墨粉、碳酸鈣和磺化瀝青的混合物堵漏材料[18]。石墨、碳酸鈣和磺化瀝青的混合物堵漏材料能顯著減少濾液漏失,并明顯減少孔隙壓力傳輸。如果過平衡壓力減小,石墨將很容易從孔喉和裂縫中回流出來[19]。該堵漏材料具有以下特點(diǎn):①石墨的濃度對鉆井液濾失量有很大的影響,濃度越大,濾失量越小;②磺化瀝青的存在是為了使油藏的滲透率恢復(fù)值達(dá)到最大;③滲透率測試的結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)可以很容易應(yīng)用到現(xiàn)場,可重復(fù)性強(qiáng)。

3.2 可熔粒子降濾失材料

易熔顆粒降濾失材料包括熔融粒子、加重劑、降濾失劑和抑制劑[20]。它的熔融性取決于脫水率,而脫水率則隨著巖石的性質(zhì)和裂縫的幾何形狀發(fā)生變化。易熔顆粒降濾失材料在裂縫中分別向軸向和徑向兩個方向脫水,從而隔離了裂縫,增加近井筒的環(huán)向應(yīng)力。在裂縫產(chǎn)生或擴(kuò)大時(shí)能產(chǎn)生最好的降濾失效果。實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)表明,易熔顆粒降濾失材料可以同時(shí)通過小鉆頭噴嘴進(jìn)入各種不同幾何構(gòu)型的裂縫,在模擬井下溫度的條件下仍然長時(shí)間穩(wěn)定不會產(chǎn)生凝膠[21]。易熔顆粒降濾失材料也可與改性的纖維材料一起運(yùn)用,達(dá)到更好的降濾失效果。

目前,已經(jīng)將易熔顆粒降濾失材料[22]用在美國加利福尼亞貝克斯菲爾德的Elk Hills油田,并產(chǎn)生明顯的堵漏效果。而且易熔顆粒降濾失材料加入井內(nèi)后立即促使泥漿返回80%～90%,而未加入該降濾失材料時(shí)泥漿返回率在0～70%。

3.3 超低滲透率添加劑

通過改變聚合物與固體顆粒的表面性質(zhì),使不同的組分在不同的鉆井液體系(油基和水基)中有不同的溶解度和潤濕性,再按一定的比例混合這些組分即可得到超低滲透率添加劑[23]。如果將超低滲透率添加劑加入水基鉆井液中,親油物質(zhì)被潤濕或溶解;如果加到油基鉆井液中則更多的親油物質(zhì)被溶解,并形成聚合體附在滲透性巖石表面,形成超低滲透率的屏障,從而進(jìn)一步避免流體入侵和壓力傳遞。通常情況下,如果不形成這種聚合體,那么在巖石表面將發(fā)生持續(xù)的漏失。

將含有超低滲透率添加劑的鉆井液用于以下幾個現(xiàn)場進(jìn)行測試:在拉丁美洲的哥倫比亞地區(qū)[24],使用含有這種添加劑的鉆井液后井壁穩(wěn)定性明顯提高,在砂巖中濾液侵入深度減小,同時(shí)油氣井產(chǎn)量提高20%～25%;在墨西哥灣地區(qū)將其運(yùn)用于水基鉆井液中,有效防止了地層被壓裂、減少井漏和井眼堵塞等常見問題;在北美洲的一口煤層氣井內(nèi)采用了超低滲透率鉆井液,不僅對煤層沒有造成損害,而且還避免了在使用其他鉆井液時(shí)發(fā)生的嚴(yán)重井壁失穩(wěn)和井漏事故。

超低滲透率添加劑使用范圍很廣泛[25],不僅可以用在水基、油基、合成基的鉆井液中,同時(shí)可以添加在完井液、修井液中。根據(jù)超低滲透率添加劑作用原理和現(xiàn)場實(shí)例證明,可以將超低滲透率鉆井液廣泛用于裂縫性和層狀易斷泥頁巖地層的開采。

3.4 微凝膠聚合物降濾失劑

一種具有獨(dú)特微凝膠結(jié)構(gòu)的聚合物,通過優(yōu)化聚合物形態(tài)、溶解度以及交聯(lián)密度,達(dá)到最佳聚合物形態(tài)和溶解性,提高降濾失性能[26]。

地層損害主要發(fā)生在過濾期間的固體入侵,通過對多孔介質(zhì)滲透率產(chǎn)生不利影響,從而損害儲層。鉆井液的濾失性以及產(chǎn)生的濾餅屬性可直接影響井壁穩(wěn)定性,發(fā)生不同程度的卡鉆事故。獨(dú)特的微凝膠聚合物顆粒通過吸收基液,體積略微膨脹并堆疊起來,膨脹的聚合物在剪切力下變形,從而更有效地與其他細(xì)小固體顆粒重疊在一起形成一個薄而高效的濾餅,減少了濾餅在靜態(tài)和動態(tài)下的滲透性[27]。此外,這種微凝膠顆粒的變形能力使它們比普通添加劑更容易從地層中回流出來,從而減少對儲層的傷害。甚至在極端的鉆井環(huán)境下仍具有低剪切黏度,有助于提高鉆井液體系的流變性。

4 新型鉆井液處理劑

4.1 快速鉆井液處理劑

快速鉆井液處理劑應(yīng)該具有以下兩個特點(diǎn):①能夠吸附到巖石及鉆屑表面,使巖石和鉆屑的潤濕性由親水轉(zhuǎn)向親油;②對金屬表面有較強(qiáng)的定向吸附作用,在金屬表面形成潤滑油膜,降低黏土在其表面上的吸附率。

根據(jù)快速鉆井液處理劑的特征要求,孫金聲[28]等人通過對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,如接枝磷酸基增強(qiáng)其定向吸附性、磺化改性增強(qiáng)其抗溫性、與多烯多胺縮聚增強(qiáng)其疏水性等,最終在實(shí)驗(yàn)室合成了快速鉆井液處理劑(KSAJ)。

快速鉆井液技術(shù)在吐哈、塔里木、青海、華北、新疆、吉林及遼河等油田的37口井進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)表明:在不改變鉆井參數(shù)和鉆井井身結(jié)構(gòu)的條件下,泥頁巖、砂泥巖井段能夠提高機(jī)械鉆速18%以上,并有效地提高了井壁穩(wěn)定,減少起下鉆過程中的阻卡情況。

4.2 加重劑Mn3O4

四氧化錳密度大(4.8 g/cm3)、粒徑小、顆粒呈球形[29]。由于球形顆粒的粒間摩擦很小,塑性黏度大幅度降低。雖然四氧化錳的密度比重晶石大得多,但其顆粒的尺寸卻比重晶石小得多,這意味著這些顆?？梢员蝗踅Y(jié)構(gòu)的鉆井液所支撐,同時(shí)在較低的屈服值下不會發(fā)生沉降。采用四氧化錳作為加重劑配制了四氧化錳鉆井液。將新研發(fā)的鉆井液與傳統(tǒng)鉆井液(即氯化鉀、碳酸鈣、重晶石鉆井液,甲酸鉀、酸鈣鉆井液)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行性能比較測試。鉆井液的現(xiàn)場配方如下:

1)碳酸鈣/重晶石鉆井液的配方:0.8桶水+0.01 gal消泡劑(1 bbl=42.02 gal=115.627 1 L)+1.0黃原膠+6 gal淀粉+0.75 bl聚陰離子纖維素聚合物+ 41.0 bl氯化鉀+0.5 bl氫氧化鉀+0.25 bl石灰+ 205 bl重晶石+15.0 bl碳酸鈣(細(xì))+5.0 bl碳酸鈣(中)+0.75 bl亞硫酸鈉。

2)碳酸鈣/甲酸鉀鉆井液的配方:0.14桶水+ 0.86桶甲酸鉀+0.01gal消泡劑+0.5黃原膠+6 gal淀粉+5.0 bl聚陰離子纖維素聚合物+1.0 bl純堿+ 0.5 bl碳酸鈉+7.0 bl碳酸鈣(細(xì))+3.0 bl碳酸鈣(中)+0.75 bl亞硫酸鈉。

3)四氧化錳鉆井液的配方:0.822桶水+0.01 gal消泡劑+1.5黃原膠+6 gal淀粉+1.25 bl聚陰離子纖維素聚合物+41.0 bl氯化鉀+0.5 bl氫氧化鉀+ 0.25 bl石灰+205 bl四氧化錳。

現(xiàn)場測試顯示,當(dāng)四氧化錳鉆井液在300υ下老化16 h后,其塑性黏度、屈服值以及降濾失性均沒有發(fā)生改變。尤其是加入陰離子纖維素聚合物后,四氧化錳鉆井液體系具有更加穩(wěn)定的流變性和降濾失性。四氧化錳鉆井液的降濾失性與碳酸鈣/重晶石鉆井液相當(dāng),均高于甲酸鉀鉆井液。但流變性更好,可使井筒內(nèi)部環(huán)境更加穩(wěn)定,加快了鉆速節(jié)省了深井鉆探的時(shí)間和開支。四氧化錳鉆井液達(dá)到了Unayzah-B氣藏所需密度要求同時(shí)保護(hù)了儲層,是在傳統(tǒng)鉆井液基礎(chǔ)上改進(jìn)后更適合于Unayzah-B氣藏的鉆井液體系。

4.3 生物可降解的表面活性添加劑

在過去的50年里,工業(yè)上主要依靠改性的有機(jī)黏土在非水基鉆井液中提供黏度和懸浮性,然而,隨著環(huán)境法規(guī)的限制,用作黏土添加劑的傳統(tǒng)的季銨鹽由于對環(huán)境污染較大,因此被禁止使用。通過實(shí)驗(yàn)測試,雖然許多化合物都可以用作黏土添加劑,但只有少數(shù)生物可降解的季銨鹽滿足環(huán)境要求[30]。這類季銨鹽與傳統(tǒng)的季銨鹽特性相似,但這種季銨鹽表面活性劑具有酰胺鍵,可以作用于黏土表面與鉆井液形成絡(luò)合物,從而提供黏度和懸浮性。其結(jié)構(gòu)式如圖2所示。

圖2 季銨鹽表面活性劑結(jié)構(gòu)式圖

這里M-是一種負(fù)離子,比如氯離子、硫酸甲酯基、溴離子、醋酸根離子、碘離子;R1是一種具有10個或更多碳的飽和烴基;R2、R3和R4是相同或不同的烴基,比如甲基、乙基或苯基,x大于或等于1。這種陽離子表面活性劑在有氧條件下被微生物分解為更小的化合物,通常是二氧化碳和水。因此使用這種有機(jī)物不會對周圍環(huán)境造成危害。用可降解的季銨鹽替代傳統(tǒng)的脂肪族表面活性劑,同時(shí)也減少了對不分解黏土的使用,防止了它們對環(huán)境的污染。

新型改進(jìn)有機(jī)質(zhì)黏土的成分為:季銨鹽(占該有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)量的30%～50%)、幾種不同類型的黏土(膨潤土、蝕變輝石和凹凸棒石)以及不飽和二甲基脂肪銨和甲基苯基脫氫脂氯化銨。

4.4 泥頁巖抑制劑

隨著鉆井液技術(shù)進(jìn)步,瀝青類、腐殖酸類和聚合物類泥頁巖抑制劑用量逐年增加,但幾乎沒有新泥頁巖抑制劑的研發(fā)報(bào)道。直到21世紀(jì)初,才出現(xiàn)了泥頁巖抑制劑乙基葡萄糖苷和胺基抑制劑SIAT的相關(guān)報(bào)道。

趙素麗[31]等人將淀粉在酸性條件下水解成葡萄糖,加熱使葡萄糖溶解于乙醇并在催化劑作用下進(jìn)行反應(yīng),得到粉末狀乙基葡萄糖苷。在室內(nèi)考察了其作為鉆井液處理劑的應(yīng)用性能。塔河油田水敏地層巖屑在4%黏土漿中于80℃滾動16 h后,加有2%乙基葡萄糖苷的黏土漿中巖屑的回收率由之前的22.2%提高到72.9%;巖粉壓片在5%乙基葡萄糖苷水溶液中的膨脹率小于10%KCl溶液中的膨脹率;同時(shí)乙基葡萄糖苷的加入也使巖粉壓片在聚合物溶液中的膨脹率大幅度降低。乙基葡萄糖苷與水基鉆井液處理劑配伍性好,對油氣層無損害,能抗150℃高溫,可用來配制中深井防塌水基鉆井液體系。

屈沅治[32]在實(shí)驗(yàn)室合成了胺類抑制劑SIA T,合成路線如圖3所示。

圖3 胺類抑制劑SIA T的合成路線圖

考察SIA T的抑制作用、鉆屑回收率及其配伍性能,發(fā)現(xiàn)有機(jī)抑制劑SIA T分子對膨潤土有很好的抑制作用,這是因?yàn)镾IA T抑制劑分子中極性大的胺基易被優(yōu)先吸附,與水分子爭奪黏土顆粒上的聯(lián)結(jié)部位,從而減少泥頁巖的水化膨脹,而且SIA T相對分子質(zhì)量小,能嵌入黏土層間,阻止水分子的進(jìn)入;SIA T在鉆屑上有很強(qiáng)的吸附作用,熱滾后的鉆屑形狀完好,回收率高;與鉆井液配伍性好,不改變鉆井液流變性。

4.5 高溫保護(hù)劑(GHB)

楊澤星等人以苯乙烯磺酸鈉(SSS)、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AM PS)為單體,采用過硫酸銨—亞硫酸鈉氧化還原體系作引發(fā)劑,硫代乙醇酸為分子量調(diào)節(jié)劑,運(yùn)用水溶液聚合法合成出鉆井液高溫保護(hù)劑(GBH)。按照配方4%基漿+2% SF+8%SPNH+1.0%GBH配制鉆井液,在220℃下熱滾16 h后,發(fā)現(xiàn)熱滾前后鉆井液的流變性和API濾失量變化幅度不大,高溫高壓濾失量僅為14 m L。說明GBH對磺化鉆井液處理劑有協(xié)同增效的作用,提高了鉆井液整體抗溫性能。高溫保護(hù)劑研究成功后,先后在吉林油田長深5井、新疆油田莫深1井上得到成功應(yīng)用,抗溫能力超過200℃。

5 鉆井液泥餅清除技術(shù)

5.1 鉆井液泥餅清洗劑的發(fā)展現(xiàn)狀

清除水平井和多分支井的鉆井液泥餅是一項(xiàng)艱巨的工作[33]?？梢允褂脵C(jī)械(注水)和化學(xué)方法(酸、氧化劑和酶),但這些方法都存在局限。注水法將大量的水注入地層,可能導(dǎo)致出砂和水堵從而影響產(chǎn)量。氧化劑是一種很活潑的化學(xué)物質(zhì),它具有將硫化氫氧化為單質(zhì)硫的作用。酶用來去除聚合物材料已經(jīng)有10多年的歷史。由于酶不能移除碳酸鈣,故在酶處理之后有必要進(jìn)行酸洗。其中一種改進(jìn)是將酶與弱酸在處理中混合使用;另一種改進(jìn)適用于高溫條件下,使用酶和螯合劑。然而,在高漏失井中使用酶仍然是一個較大問題。為了降低漏失速度,必須增加酶溶液的黏度。這一問題可以用聚合物或黏彈性表面活性劑來解決。

通過實(shí)驗(yàn)研究表明:黏彈性表面活性劑和酶溶液是配伍的,表面活性劑的出現(xiàn)并沒有使酶分解聚合物的時(shí)間發(fā)生顯著變化,將其加入到酶溶液中能顯著減少酶溶液的表面張力。這種混合液能使濾失量降到最小,并且在清除濾餅時(shí)能保持井壁穩(wěn)定性。黏彈性表面活性劑增強(qiáng)了酶和濾餅的接觸。改善在井內(nèi)回流時(shí)提升懸浮固體的能力。但是在高溫下,黏彈性表面活性劑能減少α—淀粉酶的表面張力,該系統(tǒng)不適用于高溫(低于240υ)。

5.2 氯化銨清洗液

注水井中的濾餅清除作業(yè)存在很大的問題,因?yàn)楸仨氁笄宄耗芑亓魅刖畞砬宄龤堄嗟哪囡灐Ｍ瑫r(shí),如果殘余的泥餅不能通過其他的方法去除的話,注水井將變得不可恢復(fù)。一般清洗液(包括酸、螯合劑、氧化劑、酶或這些物質(zhì)的混合物)的高反沖性會提前去除部分泥餅,破壞了泥餅的完整性,以致很難完全清除。為了延緩這種反沖作用,就研制了一種延遲清洗液——氯化銨溶液[34]。氧化鎂橋堵顆粒不溶于水基和鹽水基鉆井液體系,雖然用酸、氧化劑等傳統(tǒng)的清洗液能夠清除,但是同樣會出現(xiàn)高反沖問題。而氯化銨溶液能夠溶解氧化鎂和其他鉆井液組分,而且能夠在保持泥餅完整性的情況下徹底清除它。

6 結(jié)論

隨著鉆遇地層越來越復(fù)雜,鉆井液技術(shù)在穩(wěn)定井壁方面的要求也越來越高,主要呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢。

1)提高機(jī)械鉆速的鉆井液技術(shù)——快鉆劑的研發(fā)以及快速鉆井液技術(shù)。

2)提高薄弱地層的承壓能力,擴(kuò)大安全密度窗口的鉆井液技術(shù)。其中如何能夠準(zhǔn)確控制各種加重鉆井液的密度和隨時(shí)作出密度調(diào)整是今后窄密度窗口地層加重鉆井液技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

3)裂縫性地層的堵漏技術(shù)。解決裂縫性地層漏失難題最有效的辦法在于迅速封堵和加固裂縫,而這就需要各種堵漏材料的相互協(xié)同作用,這是目前堵漏劑的發(fā)展趨勢。

4)泥頁巖井壁穩(wěn)定技術(shù)。泥頁巖井壁穩(wěn)定問題是世界性難題,目前仍沒有得到實(shí)質(zhì)性的解決。泥頁巖抑制劑的研發(fā)和泥頁巖井壁穩(wěn)定評價(jià)實(shí)驗(yàn)體系的建立是泥頁巖井壁穩(wěn)定技術(shù)發(fā)展的兩大重點(diǎn)。

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New progress in drilling fluid technology at home and abroad

Zhang Yanna1,2,Sun Jinsheng2,Wang Qian1,Liu Dexun3,Yang Zexing2
(1.Petroleum Ex p loration and Development Research Institute,PetroChina,Beijing 100083,China;2.Research Institute of Petroleum D rilling Engineering Technology,CN PC,Beijing 100083,China;3.L angfang B ranch of Petroleum Exp loration and Development Research Institute,PetroChina,L angfang,Hebei 065000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 7,pp.47-54,7/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

In o rder to comp rehensively understand the current research situation and the developing trend of drilling fluid technology both at home and abroad,this paper summarizes the new techniquesof drilling fluid arisen in recent years based on investigating and surveying the relevant literature of domestic and overseas drilling fluid techniques.The new drilling fluid systems,reservoir p rotection,lost circulation p revention and p lugging,new drilling fluid additives,and mud cake removal techniques are respectively introduced herein.Various kinds of water-based drilling fluid system,oil-based system,synthetic-based system,membrane-fo rming system are listed under the topic of new drilling fluid system s.Mo reover,this paper introduces the techniques fo r p rotecting fractured carbonate reservoirs,lost circulation p revention and p lugging technologies,like the filtrate reducer of soluble grain and micro gel polymer,ultra-low permeability additives,and the new ly developed drilling fluid additives,fast drilling additive KSAJ,weighting agent M n3O4,quaternary ammonium salts surfactant,shale inhibitor(ethyl glucoside and SIA T)and high-temperature p rotective agent GHB.In the end,the mud cake removal technology is also briefly described.

drilling fluid technology,development,drilling fluid system,reservoir p ro tection,lost circulation p revention and control,drilling fluid additives,mud cake removal

張艷娜等.國內(nèi)外鉆井液技術(shù)新進(jìn)展.天然氣工業(yè),2011,31(7):47-54.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.012

國家科技重大專項(xiàng)“深井高溫泥漿及高溫高壓固井等配套工藝技術(shù)”(編號:2008ZX05021-004)。

張艷娜,女,1982年生,博士研究生;主要從事鉆井液技術(shù)研究工作。地址:(100083)北京市海淀區(qū)學(xué)院路20號。電話:18710020527。E-mail:sdzyn2009@126.com

(修改回稿日期 2011-05-07 編輯 居維清特約編輯 楊 斌)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.012

Zhang Yanna,bo rn in 1982,is studying fo r a Ph.D degree,doing research on drilling fluid technology.

Add:No.20,Xueyuan Rd.,Haidian District,Beijing 100083,P.R.China

Mobile:+86-18710020527 E-mail:sdzyn2009@126.com