無(wú)黏土相鹽水儲(chǔ)層鉆開(kāi)液體系構(gòu)建及其抗污染性能評(píng)價(jià)

田 進(jìn)，張易航，許明標(biāo),2*，由福昌，王曉亮，倪超武

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢430100；3.荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

鉆開(kāi)液作為石油生產(chǎn)開(kāi)發(fā)前期最先與油氣層相接觸的工作液，其類(lèi)型和性能直接關(guān)系到對(duì)油氣層的損害程度，因而構(gòu)建好一套能有效保護(hù)油氣層的鉆開(kāi)液體系是做好保護(hù)油氣層工作的首要技術(shù)環(huán)節(jié)[1-3]。儲(chǔ)層類(lèi)型及發(fā)育情況對(duì)鉆井液的選型及體系構(gòu)建起著至關(guān)重要的作用。碳酸鹽巖儲(chǔ)層工程地質(zhì)條件復(fù)雜，孔隙類(lèi)型多樣、裂縫不同程度發(fā)育，宏觀(guān)-微觀(guān)多尺度結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力敏感性強(qiáng)、裂縫動(dòng)態(tài)寬度變化大、易突然開(kāi)啟并伴隨大量新裂縫產(chǎn)生，引起災(zāi)變性漏失[4-5]。

伊拉克Missan油田(以下簡(jiǎn)稱(chēng)M油田)主要儲(chǔ)層為碳酸鹽巖儲(chǔ)層，應(yīng)力敏感性強(qiáng)[6],易漏失、易污染[7]，因此需要在不損傷儲(chǔ)層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)安全高效鉆進(jìn)。為迎合M油田儲(chǔ)層特性，同時(shí)考慮到水平井鉆進(jìn)及裸眼完井相應(yīng)的技術(shù)要求，本工作針對(duì)M油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)，開(kāi)展了以無(wú)黏土鹽水體系對(duì)含酸性氣體低滲碳酸鹽儲(chǔ)層保護(hù)型鉆開(kāi)液技術(shù)研究，對(duì)于以M油田為例的低滲透碳酸鹽儲(chǔ)層段的安全快速鉆進(jìn)、減少儲(chǔ)層傷害、提高油田開(kāi)發(fā)效率有著十分重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑及儀器

甲酸鈉，工業(yè)級(jí)，豐泰化工有限公司；氫氧化鈉，分析純，成都科龍有限公司；碳酸鈉，分析純，武漢天力化工股份有限公司；氯化鈉，分析純，武漢天力化工股份有限公司；氯化鉀，分析純，武漢吉業(yè)升化工有限公司；降失水劑STA、酸溶性暫堵劑Dua和Jqw、潤(rùn)滑劑Lub-1,荊州嘉華科技有限公司。

本實(shí)驗(yàn)所使用的的流型調(diào)節(jié)劑VIS-B是一類(lèi)以天然聚合物經(jīng)過(guò)化學(xué)結(jié)構(gòu)改性而得到的聚合物復(fù)合產(chǎn)品。VIS-B在水基鉆井液中分子鏈逐漸伸展，所形成的游離態(tài)改性聚合物分子，其分子鏈間相互作用，相互纏繞，增加了聚合物分子有效水化半徑，強(qiáng)化其阻止游離基降解性基團(tuán)的進(jìn)攻，提高聚合物分子的穩(wěn)定性，使分子與分子之間的鏈接交聯(lián)強(qiáng)度增大，密度增加，強(qiáng)化聚合物的增黏性構(gòu)象和側(cè)鏈繞主鏈骨架反向纏繞的結(jié)構(gòu)，建立更好的氫鍵維系的棒狀雙螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)合體。在淡水及海水鉆井液中能夠很好的維護(hù)鉆井液的膠體穩(wěn)定性，起到增黏提切的作用。該產(chǎn)品同時(shí)還具有一定的降低失水的作用。VIS-B增黏劑不同于常規(guī)的黃原膠，其主要作為非破膠鉆開(kāi)液體系增黏劑用，易降解，進(jìn)入地層后也能返排出來(lái)，具有較好的儲(chǔ)層保護(hù)作用。

XGRL-4A型高溫滾子加熱爐，青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器廠(chǎng)；SD6多聯(lián)中壓濾失儀，沈陽(yáng)泰格有限公司；MOD.ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器廠(chǎng)；JJ-1型精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器，常州榮華儀器制造有限公司；FANN型極壓潤(rùn)滑儀，美國(guó)FANN儀器廠(chǎng)；DJ-6型裂縫封堵模擬實(shí)驗(yàn)裝置，荊州塔林機(jī)電有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

考慮到本次目標(biāo)層段儲(chǔ)層敏感性強(qiáng)、井壁容易失穩(wěn)，且還存在受污染的可能性。因此，文章通過(guò)采用復(fù)配欠飽和鹽水(甲酸鈉、氯化鈉以及氯化鉀)以抑制黏土水化，提高對(duì)鈣、鎂離子抗性。此外，還通過(guò)采用改性淀粉降失水劑STA作為本次實(shí)驗(yàn)的增黏型降失水劑、VIS-B作為流型調(diào)節(jié)劑，Lub-1作為潤(rùn)滑劑，以及使用了Dua和Jqw酸溶性暫堵劑用于對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)，通過(guò)室內(nèi)研究確定了適合直井射孔完井的無(wú)黏土相鹽水儲(chǔ)層鉆井液體系，該體系的基本配方如下：

淡水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+16%NaCl+3%KCl+1.0%流型調(diào)節(jié)劑VIS-B+3%降失水劑STA+0.5%暫堵劑Dua+5%暫堵劑Jqw+1.5%潤(rùn)滑劑Lub-1+40%HCOONa(1.28 g/cm3)

為了考察該套配方體系的具體性能，通過(guò)對(duì)主劑用量的篩查評(píng)測(cè)優(yōu)選出了最佳配方組成，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了針對(duì)低滲、高敏感性碳酸鹽巖儲(chǔ)層的鉆開(kāi)液抗性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)鉆開(kāi)液統(tǒng)一養(yǎng)護(hù)條件為120 ℃×16 h，性能測(cè)試溫度均為60 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 流型調(diào)節(jié)劑加量變化影響評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)大量的篩選實(shí)驗(yàn)和研究，本體系采用VIS-B作為流型調(diào)節(jié)劑，VIS-B是一種改性的生物聚合物，具有很好的增黏效果，能有效地調(diào)節(jié)體系的流變性能，在低剪切速率下，分子鏈之間能夠相互纏結(jié)，形成弱凝膠狀態(tài)，在水平井的鉆井作業(yè)中，能夠有效地?cái)y砂。VIS-B加量對(duì)體系性能的影響如表1所示。

表1 VIS-B加量變化影響

從表1可以看出，隨著VIS-B加量的增加，體系的黏度逐漸增加，當(dāng)加量達(dá)到1%時(shí)，體系熱滾后的低剪切速率黏度達(dá)到29 863 mPa·s，滿(mǎn)足水平井?dāng)y砂要求，因此選擇VIS-B的加量為1%。

2.2 降濾失劑加量變化影響評(píng)價(jià)

本體系選用的降濾失劑為可酸溶改性淀粉STA，該淀粉降濾失效果好，具有一定的抗溫性能，且可酸溶自然降解，符合環(huán)保要求。表2為STA加量變化對(duì)體系性能的影響。

表2 STA加量變化影響

從表2可以看出隨著降濾失劑的增加，體系的黏度雖然有所增加，但總體變化不大，體系的API失水隨著降濾失劑的增加而降低，綜合考慮，選擇降濾失劑的加量為3.0%。

2.3 潤(rùn)滑劑加量對(duì)體系性能影響評(píng)價(jià)

在水平井鉆井過(guò)程中，從降低摩阻和扭矩等方面考慮，必須在鉆開(kāi)液體系中對(duì)相應(yīng)的潤(rùn)滑劑以及整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，以保證正常鉆進(jìn)。在室內(nèi)研究過(guò)程中，選擇Lub-1作為體系潤(rùn)滑劑，并對(duì)潤(rùn)滑劑加量對(duì)鉆開(kāi)液性能影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，隨著Lub-1加量的增加，體系的潤(rùn)滑系數(shù)呈較大幅度的下降，體系表現(xiàn)出優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，推薦Lube的加量為1%～2%。

表3 Lub-1加量變化對(duì)體系性能的影響

2.4 體系的抗溫性能評(píng)價(jià)

M油田目前主要的開(kāi)發(fā)層位為Asmari和Mishrif儲(chǔ)層，由于儲(chǔ)層的埋藏深度不一，因此儲(chǔ)層溫度有一定的差異。室內(nèi)選取了不同的熱滾溫度，對(duì)鉆開(kāi)液體系的耐溫性能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 體系的抗溫性能評(píng)價(jià)

從表4可以看出，體系在130 ℃內(nèi)熱滾后，仍能保持較好的流變性能和濾失性能。

2.5 密度對(duì)體系性能的影響

儲(chǔ)層中由于存在著不同的壓力體系，因此鉆開(kāi)液必須有不同密度的設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足地層不同壓力系數(shù)的要求。本鉆開(kāi)液體系采用復(fù)合鹽水加重，通過(guò)調(diào)節(jié)鹽的加量來(lái)調(diào)節(jié)體系的密度。表5是不同密度下體系的性能。

由表5可知，通過(guò)對(duì)復(fù)配鹽水濃度的條件，可使得該鉆開(kāi)液體系在1.10～1.28 g/cm3保持穩(wěn)定的綜合性能。

表5 不同密度體系性能

2.6 體系抗CaCl2污染能力評(píng)價(jià)

在鉆井過(guò)程中，鉆開(kāi)液體系可能遭受CaCl2的侵污，為了考察體系抗CaCl2侵污能力，在體系中加入一定量的CaCl2，測(cè)定體系熱滾前后的性能變化。測(cè)試結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出，隨著CaCl2用量的增加，體系的流變性能基本保持穩(wěn)定，在CaCl2加量在2.5%以?xún)?nèi)時(shí)，體系具有較低的失水和較高的低剪切速率黏度，說(shuō)明體系具有一定的抗CaCl2侵污能力。

2.7 體系抗MgCl2污染能力評(píng)價(jià)

為了考察體系抗MgCl2侵污能力，在體系中加入一定量的MgCl2，測(cè)定體系熱滾前后的性能變化。測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表6 體系抗CaCl2污染能力評(píng)價(jià)

表7 體系抗MgCl2污染能力評(píng)價(jià)

從表7可以看出，體系中隨著MgCl2加量的增加，表現(xiàn)出一定的增稠現(xiàn)象，但總體流變性可控，說(shuō)明體系具有較好的抗MgCl2侵污能力。

2.8 體系抗CaSO4污染能力評(píng)價(jià)

為了考察石膏的侵入對(duì)體系性能造成的影響，向體系中加入一定量的CaSO4，測(cè)定鉆開(kāi)液在熱滾前和熱滾后性能的變化,結(jié)果如表8所示。

表8 體系抗CaSO4污染能力評(píng)價(jià)

從表8可以看出，隨著體系中CaSO4加量的增加，體系的失水呈下降趨勢(shì)，低剪切速率增加，體系總的黏度呈上升趨勢(shì)，但總的流變性參數(shù)變化不大，說(shuō)明體系具有較好的抗石膏侵污能力。

2.9 體系抗鉆屑侵污能力評(píng)價(jià)

為同現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更為緊密地結(jié)合，通過(guò)獲取目標(biāo)層段鉆屑并進(jìn)行加量變化實(shí)驗(yàn)，用以判定本實(shí)驗(yàn)鉆開(kāi)液體系抗巖屑污染能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 不同鉆屑加量下對(duì)鉆開(kāi)液體系性能的影響

由表9可知，該體系具有較好的抗鉆屑侵污能力，能有效低于15%加量下的鉆屑污染。

2.10 鉆井液的封堵性能

通常情況下，碳酸鹽巖儲(chǔ)層都含有一定的裂縫，為了有效封堵裂縫，將3%不同粒徑的碳酸鈣粉末加入到鉆井液體系中，然后測(cè)試其封堵性能。

測(cè)試結(jié)果如表10所示。從表10可見(jiàn)，對(duì)0.5 mm和1 mm寬度的裂縫，采用不同粒徑的CaCO3或者不同粒徑的CaCO3復(fù)配可以起到封堵的作用。

3 結(jié) 論

a.采用氯化鈉+甲酸鈉+氯化鉀復(fù)合結(jié)合使用，可使得該配方體系在密度1.10～1.28 g/cm3間穩(wěn)定可調(diào)，抗溫可達(dá)130 ℃，充分滿(mǎn)足M油田不同儲(chǔ)層段的需求。

b.VIS-B結(jié)合潤(rùn)滑劑Lub-1協(xié)同使用時(shí)，體系具有較高的低剪切速率黏度和較好的潤(rùn)滑性能，有效滿(mǎn)足水平井鉆進(jìn)需求。

c.該體系具有較好的抗CaCl2、MgCl2、CaSO4及地層水污染的能力，且具有一定的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

表10 鉆開(kāi)液封堵性能測(cè)試