用于欠平衡鉆井的抗高溫高強(qiáng)度凍膠閥及應(yīng)用

李志勇,馬 攀,陶 冶,薛連云,楊 超,陳 帥,韋火云,李鴻飛

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京 102249; 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249; 3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 4.中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院,新疆克拉瑪依 834000)

用于欠平衡鉆井的抗高溫高強(qiáng)度凍膠閥及應(yīng)用

李志勇1,2,馬 攀1,2,陶 冶3,薛連云4,楊 超1,2,陳 帥1,2,韋火云1,2,李鴻飛1,2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京 102249; 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249; 3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 4.中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院,新疆克拉瑪依 834000)

常用凍膠閥技術(shù)很難滿足深井高溫作業(yè)需求.為充分發(fā)揮欠平衡鉆井優(yōu)勢(shì),研制一種新型凍膠液,在高溫下通過(guò)交聯(lián)反應(yīng),形成作用力極強(qiáng)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及與井壁的黏結(jié)力,達(dá)到封隔壓力的要求;評(píng)價(jià)抗溫性、密封性、耐壓性及破膠性等凍膠封隔壓力所需的性能.結(jié)果表明,該凍膠抗溫達(dá)160℃,與管壁具有很好的黏壁性,能有效密封井下壓力,耐壓強(qiáng)度高,并且破膠徹底,破膠液利于返排,不影響后續(xù)正常的鉆完井作業(yè).該技術(shù)可在高溫井中有效封隔井下欠平衡作業(yè)引起的氣體涌入,應(yīng)用效果良好.

欠平衡鉆井;凍膠閥;抗溫性;耐壓性;破膠性;可穿透性

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.009

0　引言

欠平衡鉆井技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)30年代,興起于20世紀(jì)80年代.欠平衡鉆井可使地層流體有控制地進(jìn)入井筒,避免井漏與儲(chǔ)層傷害等問(wèn)題[1].隨著欠平衡鉆井技術(shù)的深入研究和推廣應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外石油公司對(duì)欠平衡鉆井技術(shù)的要求越來(lái)越高,須尋求一種能夠?qū)崿F(xiàn)全過(guò)程欠平衡鉆井的作業(yè)方式和方法.凍膠閥作為一種新型的控壓手段,可有效代替套管閥,實(shí)現(xiàn)全過(guò)程欠平衡鉆井.在欠平衡鉆井及完井過(guò)程中,凍膠閥利用自身的強(qiáng)度及與井壁的黏結(jié)力封隔井下壓力,消除由井底壓力過(guò)大引起的儲(chǔ)層傷害,保護(hù)儲(chǔ)層并避免由套管閥失效引起的鉆井事故;同時(shí),降低欠平衡鉆井的作業(yè)成本,實(shí)現(xiàn)全過(guò)程欠平衡鉆井作業(yè)[2].2006年,在我國(guó)西北地區(qū)首次成功進(jìn)行凍膠閥現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),其技術(shù)思想和工藝得到廣泛認(rèn)同[3].目前,凍膠閥技術(shù)在多個(gè)油田進(jìn)行推廣應(yīng)用,最大應(yīng)用井深為3 km左右,凍膠閥工作溫度最高可達(dá)120℃左右[4].

隨著石油資源勘探開發(fā)領(lǐng)域的進(jìn)一步延伸,深井鉆探技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣.我國(guó)未探明石油儲(chǔ)量約為85×108t,其中有73%儲(chǔ)藏在深層;我國(guó)常規(guī)天然氣資源預(yù)測(cè)產(chǎn)量為38×1012m3,其中埋藏深度大于3 500 m的天然氣資源占57%[5-6].因此,深部?jī)?chǔ)層具有巨大的開發(fā)潛力,深層的高溫環(huán)境成為欠平衡鉆井凍膠閥作業(yè)不可回避的問(wèn)題,現(xiàn)有凍膠閥技術(shù)需要進(jìn)一步提高抗溫性及強(qiáng)度.筆者研發(fā)抗高溫、高強(qiáng)度凍膠閥技術(shù),可拓展凍膠閥應(yīng)用領(lǐng)域,有助于實(shí)現(xiàn)深井全過(guò)程欠平衡鉆井作業(yè),從而提高全過(guò)程欠平衡鉆井綜合服務(wù)水平.

1　實(shí)驗(yàn)

1.1藥品與儀器

(1)藥品.增韌劑,分析純,北京現(xiàn)代東方精細(xì)化學(xué)品有限公司生產(chǎn);耐溫聚合物、高溫穩(wěn)定劑,交聯(lián)劑,北京石大博源科技有限公司生產(chǎn);HPAM(水解聚丙烯酰胺),任丘市鑫聚化工有限公司生產(chǎn);破膠劑,北京正清然科技有限公司生產(chǎn).

(2)儀器.SF1100高速分散機(jī),常州銘普化工機(jī)械有限公司生產(chǎn);ZNN-D6B電動(dòng)六速黏度計(jì),青島同春石油儀器有限公司生產(chǎn);JHT-3新型滾子高加熱爐,現(xiàn)代石油科技發(fā)展有限公司生產(chǎn);高溫凍膠性能測(cè)試儀,北京石大博源科技有限公司生產(chǎn).

1.2原理及配方

凍膠閥的膠液成膠主要是通過(guò)成膠劑與交聯(lián)劑的交聯(lián)反應(yīng)形成的,其中交聯(lián)劑為有機(jī)交聯(lián)劑.常見(jiàn)交聯(lián)反應(yīng)中,可交聯(lián)的基團(tuán)包括:鈉羧基、酰胺基、羥基、醚鏈中的醚鍵[7].起交聯(lián)劑作用的高價(jià)金屬離子可解離成多核羥橋絡(luò)離子,與水作用生成大量羥基,如Al3+經(jīng)過(guò)解離絡(luò)合水解,生成[(H2O)5Al(OH)]2+,再通過(guò)羥橋作用和進(jìn)一步水解作用生成羥基鋁[8].HPAM是水溶性線性高分子聚合物,在水中發(fā)生水解作用而溶解分散在水中,濃度增加,自由溶劑減少,高分子基團(tuán)之間距離減小,使得基團(tuán)間相互作用增強(qiáng).同時(shí),HPAM自身帶有可交聯(lián)的基團(tuán)一COOH與一CONH2,交聯(lián)劑與成膠劑之間通過(guò)羥基、氨基發(fā)生作用(見(jiàn)圖1),分子鏈相互連結(jié),分子間填滿液體,最后成為一個(gè)整體,自由水包裹在其中,形成聚合物分子間的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),形成凍膠.

圖1　成膠原理Fig.1 The principle of forming gel

在井下溫度作用下,凍膠液在井筒合適位置處形成凍膠閥.利用凍膠液自身的交聯(lián)強(qiáng)度及與井壁的黏結(jié)性,可有效封隔井下壓力,阻止欠平衡狀態(tài)下侵入的油氣向上運(yùn)移,確保井下始終處于欠平衡狀態(tài),從而最大限度地保護(hù)儲(chǔ)層.

凍膠液主要是由HPAM高分子溶液、交聯(lián)劑及其他添加劑組成.通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù)): 1.2%HPAM+5.0%增韌劑+4.0%加重劑+1.5%耐溫聚合物+1.5%高溫穩(wěn)定劑+1.2%交聯(lián)劑+ 0.8%緩蝕劑+0.1%延遲劑.

2　性能評(píng)價(jià)

2.1砧度測(cè)量

現(xiàn)場(chǎng)所用凍膠液在泵送至設(shè)計(jì)井深之前,凍膠液黏度應(yīng)保持為100～150 mPa·s或者更低,以保證它具有良好的流動(dòng)性,能夠滿足地面泵注要求[9].按照實(shí)驗(yàn)確定配方配制凍膠液,利用ZNN-D6B型電動(dòng)六速黏度計(jì)及馬氏漏斗,在室溫20℃下測(cè)量不同攪拌時(shí)間后的凍膠液黏度,結(jié)果見(jiàn)表1.

由表1可知,該凍膠液在室溫下攪拌2.0 h后,黏度趨于穩(wěn)定,小于75.0 mPa·s,馬氏漏斗時(shí)間小于215 s.該黏度可保證凍膠液從地面泵入到井下某一位置前保持足夠的可泵性.

表1　不同攪拌時(shí)間的凍膠砧度Table 1 Gel viscosity with different time

2.2抗溫性

當(dāng)凍膠液注入到井下某一位置后,需要在地層溫度條件下成膠,評(píng)價(jià)其抗溫性,以分析凍膠液在地層溫度下的成膠情況.在室內(nèi),通過(guò)凝膠強(qiáng)度判斷其膠體成膠性質(zhì).目前,常用評(píng)價(jià)方法是Sydansk R等提出的凝膠強(qiáng)度代碼法.該方法根據(jù)目測(cè)結(jié)果,將凝膠的強(qiáng)度(Gel Strength Codes,簡(jiǎn)稱GSC)分為10個(gè)等級(jí),用字母A到J表示,強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),見(jiàn)凝膠強(qiáng)度代碼標(biāo)準(zhǔn)[10].當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到C級(jí),表明該凍膠液已開始成膠.

將配制好的凍膠液裝入熱滾爐高溫老化罐中,然后在160℃溫度下進(jìn)行加熱,測(cè)試凍膠液在高溫下的成膠性能.該凍膠液在160℃溫度下加熱1.0～2.0 h開始成膠,3.0 h后凍膠液已完全成膠(見(jiàn)圖2(a)),成膠強(qiáng)度達(dá)到F級(jí),成膠性能良好,緊緊黏附在老化罐壁(見(jiàn)圖2(b)).凍膠液在160℃溫度下連續(xù)加熱120.0 h后,凍膠性能幾乎沒(méi)變化(見(jiàn)圖2(c)),表明它有助于長(zhǎng)時(shí)間封隔井下壓力處于欠平衡狀態(tài),以完成起下鉆、換鉆頭等作業(yè).

圖2　160℃溫度加熱不同時(shí)間后凍膠成膠性能Fig.2 The gelling performance at different times with 160℃heating

2.3可穿透性

凍膠液成膠后成為一個(gè)整體,可有效密封井下油氣壓力,以確保井下處于欠平衡狀態(tài).在后續(xù)欠平衡鉆完井作業(yè)時(shí),作業(yè)管柱需要穿過(guò)凍膠閥,并且在保證井下壓力密封的情況下,順利實(shí)施后續(xù)作業(yè).因此,需要凍膠閥具有一定的管柱可穿透性.

利用北京石大博源科技有限公司制造的高溫凍膠承壓強(qiáng)度測(cè)試儀[11],進(jìn)行凍膠可穿透性評(píng)價(jià).將凍膠液倒入儀器7英寸(17.78 cm)控溫成膠管體中,在160℃溫度下加熱3.0 h后,凍膠完全成膠.然后,將質(zhì)量為10 kg的油管從上部插入凍膠,油管穿透凍膠效果見(jiàn)圖3.由圖3可知,油管能夠在自身重力作用下自行穿透凍膠,阻力較小,并且油管穿過(guò)凍膠后,凍膠密閉性沒(méi)有受到破壞;當(dāng)油管拔出后,凍膠可自動(dòng)愈合,仍能對(duì)管柱進(jìn)行有效密封.

圖3　凍膠閥油管穿透性Fig.3 Tubing penetrating ability of gel valve

2.4封隔壓力測(cè)試

利用高溫凍膠承壓強(qiáng)度測(cè)試儀,測(cè)試凍膠封隔壓力.主要原理是通過(guò)控溫成膠管體下部注氣孔,對(duì)管體內(nèi)已成膠的凍膠進(jìn)行緩慢加壓,通過(guò)壓力表讀數(shù)確定凍膠可封隔的最大壓力.凍膠在160℃溫度下加熱不同時(shí)間后,形成凍膠所能封隔的壓力,結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4　凍膠在管柱內(nèi)成膠強(qiáng)度測(cè)定Fig.4 Gelling strength determination of gel within the string

由圖4可知:凍膠成膠強(qiáng)度隨著加熱時(shí)間增加而增強(qiáng),成膠120.0 h內(nèi)沒(méi)有下降趨勢(shì).凍膠在管內(nèi)加熱7.0 h后,耐壓強(qiáng)度為0.047 MPa/m;當(dāng)加熱24.0 h后,耐壓強(qiáng)度可達(dá)0.090 MPa/m.這表明該凍膠封隔壓力強(qiáng)度大,可根據(jù)井下所需封隔壓力設(shè)計(jì)凍膠液長(zhǎng)度.

2.5破膠性

凍膠閥完成封隔壓力測(cè)試后,需要進(jìn)行破膠,以避免影響后續(xù)正常鉆完井作業(yè).通過(guò)實(shí)驗(yàn),篩選一種可有效清除所研制凍膠的破膠劑.在160℃溫度下、成膠時(shí)間為24.0 h后的凍膠中,分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～12%的破膠劑后,在160℃溫度下對(duì)其破膠效果進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)表2.

表2　破膠程度效果評(píng)價(jià)Table 2 Gel breaking degree evaluation of gel breaker

由表2可知:當(dāng)破膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%以上,只要破膠劑能夠和凍膠充分接觸,45 min后即可實(shí)現(xiàn)完全破膠.現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),建議破膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%,破膠時(shí)間超過(guò)60 min,以保證其破膠效果.

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1概況

將研發(fā)的凍膠閥技術(shù)在遼河油田某井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn).該井的鉆井設(shè)計(jì)井型是水平井,經(jīng)過(guò)三開鉆井到達(dá)目的層段,其井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3.

欠平衡鉆井過(guò)程中,油氣顯示較好,地溫梯度為3.46×10-2℃·m-1,泥漿密度為1.04 g/cm3,儲(chǔ)層壓力因子為1.08,凍膠設(shè)計(jì)井深為3 400～3 700 m.

表3　井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Table 3 Well design profile

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,凍膠設(shè)計(jì)性能為:(1)凍膠閥長(zhǎng)度,300 m;(2)氣密強(qiáng)度,15～25 MPa;(3)凍膠下入深度,3 400～3 700 m;(4)抗溫,150℃;(5)凍膠高溫穩(wěn)定時(shí)間,72 h.

3.2施工

(1)配制凍膠液6 m3,保持性能穩(wěn)定,滿足泵送要求.

(2)用備用立管向環(huán)空注入泥漿,節(jié)流控制回壓為1.5～2.0 MPa,帶壓起鉆至注膠位置3 700 m.

(3)先用地面專用泵將1 m3清水泵入管線作為前置液,再用泵車注入6 m3凍膠液,帶壓起鉆至3 355 m(凍膠閥頂部?jī)闪⒅?.

(4)凍膠成膠5 h后,敞開井口起鉆,換鉆頭.

(5)下鉆至3 400 m,準(zhǔn)備破膠.

(6)破膠、循環(huán)液體.鉆頭提至3 408.00 m,通過(guò)泵車向立管注入破膠劑1.2 m3,分6次將破膠劑擠入凍膠閥,2.0 h后下鉆至4 725.60 m循環(huán),共排放破膠液及混合液約15 m3,膠體破膠徹底,隨著破膠液排出,泵壓由14.5 MPa緩慢降至12.0 MPa.

3.3效果分析

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,在凍膠閥未破膠之前綜合監(jiān)測(cè),氣測(cè)全烴峰值為0,破膠后下鉆到底循環(huán),測(cè)得全烴最高峰值為66.6%,并點(diǎn)火成功.證明凍膠閥具有良好的封閉井筒的作用,封堵油氣上竄效果顯著,全過(guò)程沒(méi)有發(fā)生油氣上竄.

另外,凍膠閥破膠后破膠液返排至地面順利,沒(méi)有對(duì)地層和完井工具造成封堵.破膠效果良好,循環(huán)洗井返排徹底,實(shí)際施工與設(shè)計(jì)完全吻合.

4　結(jié)論

(1)研制凍膠液配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):1.2%HPAM+5.0%增韌劑+4.0%加重劑+1.5%耐溫聚合物+ 1.5%高溫穩(wěn)定劑+1.2%交聯(lián)劑+0.8%緩蝕劑+0.1%延遲劑,凍膠在常溫下攪拌2.0 h后黏度保持穩(wěn)定,可滿足泵送要求.在160℃高溫下,加熱3.0 h后可完全成膠,凍膠穩(wěn)定時(shí)間可達(dá)120.0 h以上,有助于現(xiàn)場(chǎng)開展凍膠閥施工作業(yè).

(2)凍膠具有良好抗溫性、黏壁性、可穿透性及高耐壓強(qiáng)度,并且可實(shí)現(xiàn)完全破膠.

(3)抗高溫、高強(qiáng)度凍膠閥技術(shù)在高溫井中可有效密封井下油氣,且破膠液反排徹底,不影響后續(xù)作業(yè),有助于實(shí)現(xiàn)全過(guò)程欠平衡鉆井作業(yè).

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TE249.1

A

2095-4107(2015)05-0080-06

2014-11-10;編輯:關(guān)開澄

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(51221003);國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05044);國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51374225);北京市高等學(xué)校青年英才計(jì)劃項(xiàng)目(YETP0671);國(guó)家留學(xué)基金項(xiàng)目(201506445008);中國(guó)石油大學(xué)(北京)優(yōu)秀青年教師基金項(xiàng)目(2462015YQ0211)

李志勇(1978-),男,博士,副教授,主要從事儲(chǔ)層保護(hù)、鉆井液優(yōu)化設(shè)計(jì)、油田化學(xué)、鉆井廢棄物處理等方面的研究.