一種高性能深水水基鉆井液體系研究

李懷科，羅健生，耿 鐵,李自立，王 楠 (中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北 燕郊 065201)

一種高性能深水水基鉆井液體系研究

李懷科，羅健生，耿 鐵,李自立，王 楠 (中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北 燕郊 065201)

基于研制的聚胺頁(yè)巖抑制劑PF-UHIB和低分子量包被抑制劑PF-UCAP，室內(nèi)研制出了一種適用于深水作業(yè)的強(qiáng)抑制、無(wú)土相、高性能深水水基鉆井液體系，并對(duì)其性能進(jìn)行了綜合性能評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該鉆井液體系低溫流變性優(yōu)異，抗泥頁(yè)巖水化分散能力強(qiáng)，鉆屑回收率高達(dá)96.6%，儲(chǔ)層保護(hù)效果好，滲透率恢復(fù)大于85%。

深水水基鉆井液；強(qiáng)抑制；高性能；低溫；儲(chǔ)層保護(hù)

海洋深水中蘊(yùn)藏著巨大的石油資源，已經(jīng)成為各大石油巨頭公司未來(lái)的主戰(zhàn)場(chǎng)和眾多石油服務(wù)商關(guān)注的焦點(diǎn)。由于深水作業(yè)時(shí)面臨低溫高壓、氣體水合物、淺層地質(zhì)災(zāi)害等技術(shù)難題，這給深水石油資源的開(kāi)發(fā)和利用帶了巨大的挑戰(zhàn)[1-2]。油基鉆井液以其優(yōu)良的性能成為深水鉆井的首選，但頻繁出臺(tái)的環(huán)境法規(guī)，限制了油基鉆井液的應(yīng)用，取而代之的是環(huán)境友好型的水基鉆井液[3]。值得注意的是，在油氣鉆井過(guò)程中70%～75%為泥頁(yè)巖地層，這將給作業(yè)帶來(lái)很多復(fù)雜問(wèn)題，如黏附卡鉆、井壁失穩(wěn)，扭矩增大等[4]。解決這類(lèi)問(wèn)題的最好辦法是使用高性能水基鉆井液體系(HPWBM)，該體系主要由頁(yè)巖抑制劑、包被劑、分散劑和降濾失劑組成[5]。基于研制的聚胺頁(yè)巖抑制劑PF-UHIB和低分子量包被抑制劑PF- UCAP，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究，最終構(gòu)建了一套強(qiáng)抑制、無(wú)黏土相的高性能深水水基鉆井液體系。

1 主要處理劑研究和性能評(píng)價(jià)

1.1聚胺頁(yè)巖抑制劑

1)抑制性評(píng)價(jià) 研制出一種聚胺抑制劑PF-UHIB，室內(nèi)評(píng)價(jià)了抑制頁(yè)巖水化分散能力，并與國(guó)外產(chǎn)品的性能進(jìn)行了對(duì)比。具體做法是配制3%聚胺抑制劑溶液，分別在其中加入不同量的膨潤(rùn)土，在100℃下熱滾16h，測(cè)定其流變參數(shù)，重點(diǎn)觀察體系表觀黏度AV、動(dòng)切力YP、Gel(10min)的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果如圖1～3所示。結(jié)果表明，研制的聚胺與國(guó)外產(chǎn)品相比，2種聚胺抑制劑抑制膨潤(rùn)土的水化分散能力相當(dāng)，膨潤(rùn)土的最高加量都達(dá)25%。但隨著膨潤(rùn)土加量的不斷增加，當(dāng)土的加量超過(guò)15%后，PF-UHIB的性能要稍好于國(guó)外產(chǎn)品。同時(shí)，體系的YP和Gel(10min)具有相同的變化趨勢(shì)。即在膨潤(rùn)土加量較少的情況下，動(dòng)切力YP和Gel(10min)變化不明顯，當(dāng)超過(guò)某一數(shù)值后才會(huì)有明顯的上升。

圖1 體系A(chǔ)V隨膨潤(rùn)土加量變化曲線 圖2 體系YP隨膨潤(rùn)土加量變化曲線

2) Zeta電位評(píng)價(jià) 室內(nèi)在膨潤(rùn)土基漿中加入不同濃度的聚胺抑制劑，利用Zeta電位儀測(cè)定黏度顆粒表面Zeta電位隨胺類(lèi)抑制劑濃度的變化情況，結(jié)果如圖4所示。從圖4結(jié)果可以看出，隨著胺類(lèi)抑制劑濃度加量的增加，黏土顆粒表面Zeta電位不斷升高，當(dāng)濃度達(dá)到一定值之后，Zeta電位基本維持穩(wěn)定，不再發(fā)生變化；研制的聚胺和國(guó)外產(chǎn)品的Zeta電位相當(dāng)，始終是負(fù)值，穩(wěn)定值維持在20mV左右。

圖3 體系Gel(10min)隨膨潤(rùn)土加量變化曲線 圖4 不同胺類(lèi)抑制劑濃度對(duì)黏土顆粒ZETA電位的影響

1.2低分子量包被抑制劑

為了解決深水作業(yè)中傳統(tǒng)包被抑制劑在體系中增稠的現(xiàn)象，利用反相懸浮聚合工藝研制出了低溫黏度低，低分子量包被抑制劑PF-UCAP，并與常用包被劑PLUS進(jìn)行了對(duì)比。

1)低溫黏度評(píng)價(jià) 室內(nèi)測(cè)定了2種包被劑溶液在不同溫度下的流變性能，結(jié)果如圖5，圖6所示。從圖5和圖6可以看出，相同溫度條件下，PF-UCAP的黏度和切力要比PF-PLUS低很多。隨著溫度的降低，2種包被劑黏度之間的差值卻越來(lái)越大；而且PF-UCAP的表觀黏度AV和動(dòng)切力YP受溫度的變化較小。

圖5 不同包被劑溶液的表觀黏度AV對(duì)比 圖6 不同包被劑溶液的動(dòng)切力YP對(duì)比

圖7 不同包被抑制劑的滾動(dòng)回收率對(duì)比圖

2)滾動(dòng)回收率評(píng)價(jià) 采用頁(yè)巖滾動(dòng)回收率方法分別評(píng)價(jià)了PF-UCAP對(duì)緬甸鉆屑和BZ鉆屑的包被效果，并與PF-PLUS進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，PF-PLUS、PF-UCAP對(duì)鉆屑具有很強(qiáng)的包被效果，能夠有效抑制其在水中破碎、分散，滾動(dòng)回收率都在80%以上。這說(shuō)明研制的低分子量包被抑制劑的包被能力可與分子量較高的PLUS效果相媲美。

2 體系構(gòu)建和性能評(píng)價(jià)

2.1體系構(gòu)建

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了一套深水水基鉆井液體系(以下簡(jiǎn)寫(xiě)為HEM)，其基本配方如下：海水+Na2CO3+NaCl+PF-UHIB+PF-PAC +PF-UCAP+ PF-FLO + PF-XC。體系中加入NaCl主要是將其作為熱力學(xué)抑制劑，在一定程度上抑制氣體水合物的生成；PF-PAC與PF-FLO復(fù)配起來(lái)能夠起到很好的降失水效果；PF-XC的加入主要是保證體系具有一定的切力，確保體系的懸浮穩(wěn)定性。

2.2體系綜合性能評(píng)價(jià)

1)低溫流變性評(píng)價(jià) 室內(nèi)配置密度為1.2g/cm3的HEM鉆井液，在120℃條件下熱滾16h，測(cè)定4、8、15、25和50℃條件下的流變特性，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，低溫條件下，鉆井液表現(xiàn)出良好的流變特性，體系的黏度變化幅度較小，特別是動(dòng)切力受溫度的影響小，有利于井下壓力控制。同時(shí)體高溫高壓濾失量低，只有8.80ml，泥餅薄而韌，保證了井壁穩(wěn)定。

表1 高性能深水水基鉆井液體系的低溫流變參數(shù)

注：PV為塑性黏度；FLAPI為API濾失量；FLHTHP為高溫高壓濾失量。

圖8 體系過(guò)100目篩 圖9 滾后鉆屑

2)過(guò)篩能力評(píng)價(jià) 將上述HEM體系冷卻至8±0.5℃左右，用100目篩在動(dòng)態(tài)條件下評(píng)價(jià)體系的過(guò)篩能力，體系過(guò)完篩后見(jiàn)圖8。從圖8可以看出，篩布上基本沒(méi)有篩余物，說(shuō)明低溫條件下該體系的過(guò)篩能力良好，不會(huì)出現(xiàn)糊篩現(xiàn)象。

3)包被抑制性評(píng)價(jià) 取BZ明化鎮(zhèn)組易分散泥頁(yè)巖過(guò)6～10目篩，在105℃下烘干2h，冷卻至室溫后將其加入HEM體系中，在120℃條件下熱滾16h，取出烘干稱重，用滾動(dòng)回收率評(píng)價(jià)體系的抑制效果，同時(shí)還測(cè)試了體系的防膨率，滾后鉆屑如圖9所示。結(jié)果表明，研制的HEM體系能很好地抑制泥頁(yè)巖的水化分散和膨脹，滾動(dòng)回收率高達(dá)96.6%，防膨率高達(dá)93.1%。且熱滾后的鉆屑顆粒粒徑均一，基本保持原樣，沒(méi)有發(fā)生形態(tài)上的改變。

4)儲(chǔ)層保護(hù)效果 根據(jù)中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6540-2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》。試驗(yàn)采用天然露頭巖心，用JHDS-Ⅲ高溫高壓動(dòng)失水儀模擬實(shí)際井下條件，測(cè)定HEM體系污染前后巖心的油相滲透率，用滲透率恢復(fù)值來(lái)評(píng)價(jià)該鉆井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)效果，結(jié)果如表2所示。2塊巖心的滲透率恢復(fù)值均達(dá)到85%以上，說(shuō)明研制的HEM體系具有很好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

表2 HEM體系的儲(chǔ)層損害試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)研制的聚胺抑制劑PF-UHIB能夠很好的抑制泥頁(yè)巖的水化分散能力，膨潤(rùn)土的加量最高加量可以達(dá)到20%，性能基本接近國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。

(2) 研制的低分子量包被抑制劑PF-UCAP低溫黏度低，包被鉆屑能力強(qiáng)，滾動(dòng)回收率大于80%。

(3) HEM鉆井液體系低溫流變性優(yōu)異，體系的黏度變化幅度較小，特別是動(dòng)切力受溫度的影響小，有利于井下壓力控制。

(4)HEM體系低溫條件下過(guò)篩能力良好，不會(huì)出現(xiàn)糊篩現(xiàn)象。

(5)研制的HEM體系的頁(yè)巖滾動(dòng)回收率高，達(dá)96.6%，能很好地抑制泥頁(yè)巖的水化分散。

(6)儲(chǔ)層損害評(píng)價(jià)結(jié)果表明，體系的滲透率恢復(fù)大于85%，儲(chǔ)層保護(hù)效果好。

[1]李懷科,王楠,田榮劍，等. 深水條件下氣制油合成基鉆井液流變性和流變模式研究[J].中國(guó)海上油氣,2010,22(6):406-408.

[2] 田榮劍,王楠,李松，等.深水作業(yè)中鉆井液在低溫高壓條件下的流變性[J].鉆井液與完井液,2010,27(5):5-7.

[3] 張克勤,何綸,安淑芳，等.國(guó)外高性能水基鉆井液介紹[J].鉆井液與完井液,2007,24(3):68-73.

[4] Ronald P. Stelger, Peter K. Leung. Quantitative Determination of the Mechanical Properties of Shales[J]. SPE18024,1992.

[5] Nima Gholizadeh-Doonechaly,Koroush Tahmasbi, Ehsan Davani. Development of High-Performance Water-Based Mud Formulation Based on Amine Derivatives[J].SPE121228, 2009.

2013-06-18

中海油服研究項(xiàng)目(YHB11YF012)。

李懷科(1983-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事深水鉆井液方面的研究工作。

TE254.1

A

1673-1409(2013)26-0096-03

[編輯] 洪云飛