張家瑞,屈 勇,郝海洋,何吉標(biāo),劉俊君
(中國(guó)石化江漢石油工程有限公司頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)服務(wù)公司,湖北武漢 430206)
目前,大部分涪陵頁(yè)巖氣水平井采用油基鉆井液施工,油膜及油基泥餅對(duì)水泥環(huán)與固井界面的膠結(jié)質(zhì)量影響大[1-3],甚至出現(xiàn)環(huán)空帶壓等行業(yè)難題,嚴(yán)重影響頁(yè)巖氣井的勘探開(kāi)發(fā)效益。針對(duì)目前用于油基鉆井液的清洗液增溶能力有限、用量大、清洗和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)難以達(dá)到理想效果的難題,利用微乳增溶原理[4-7],增強(qiáng)驅(qū)油清洗液對(duì)油基鉆井液的增溶能力,降低油水界面張力,以此達(dá)到對(duì)井壁油基泥餅高效驅(qū)替清洗和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的效果,從而提高固井界面膠結(jié)質(zhì)量[8-10]。哈里伯頓公司的Ryan等[11]最早于2010年開(kāi)展了微乳液清洗油基鉆井液的研究,以對(duì)油增溶能力為主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),優(yōu)選出一套針對(duì)柴油基鉆井液的微乳液體系,并在美國(guó)洛基山區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用100 多口油氣井。2012 年貝克休斯公司的Jonathan 等[12]以界面張力、沖洗效率及潤(rùn)濕改性能力為主要標(biāo)準(zhǔn),優(yōu)選并評(píng)價(jià)了清洗油基鉆井液用微乳液體系,提出了微乳液體系所具備的超低油水界面張力及通過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)所表現(xiàn)的極高分散性。同年,斯倫貝謝公司的Juan等[13]研究了微乳液對(duì)油基鉆井液、合成基鉆井液的清洗效果,室內(nèi)配制的微乳液在5 min 內(nèi)的清洗效率達(dá)到100%。國(guó)內(nèi)王成文等[4]根據(jù)表面活性劑鹽水溶液與油接觸后表面活性劑組裝形成油水界面膜包裹油相而原位形成微乳液的原理,以微乳液增溶參數(shù)、界面張力等為主要評(píng)價(jià)指標(biāo),研制的微乳液型沖洗液對(duì)油基鉆井液的沖洗效率在7 min 內(nèi)達(dá)到95%以上。卜繼勇等[5]針對(duì)微乳液型油基鉆井液清洗液適用溫度范圍窄、高鹽情況失效等問(wèn)題,優(yōu)選表面活性劑制備的耐溫抗鹽油基鉆井液清洗液在40~120 ℃及高鹽條件下的清洗效率大于95%。
國(guó)外各大油服公司及國(guó)內(nèi)川渝、涪陵等頁(yè)巖氣區(qū)塊均開(kāi)展了微乳液清洗油基鉆井液的研究,在微乳液選擇、清洗機(jī)理和評(píng)價(jià)方面取得了一定的進(jìn)展。研究結(jié)果表明微乳液具有較好的清洗效果。然而,隨著國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣井固井技術(shù)不斷發(fā)展以及環(huán)保質(zhì)量的要求,單井前置液用量降低直接導(dǎo)致油基濾餅沖刷時(shí)間減少,這對(duì)沖洗液性能提出了更高的要求,同時(shí)為滿足固井液柱壓力設(shè)計(jì),前置液抗物體凝聚性能弱會(huì)使得加重劑的加入直接影響清洗效率。本文從微乳液的增溶效果出發(fā),研制了一種驅(qū)油清洗劑QX-1,將其與自來(lái)水、隔離劑、加重材料等混合制得高效驅(qū)油清洗液。評(píng)價(jià)了該清洗劑的沉降穩(wěn)定性、清洗效率、界面膠結(jié)強(qiáng)度及相容性等,并在涪陵頁(yè)巖氣井產(chǎn)層固井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
環(huán)氧丙烷,分析純,天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠;環(huán)氧乙烷,分析純,湖北盛天恒創(chuàng)生物科技有限公司;脂肪醇,分析純,廣東翁江化學(xué)試劑有限公司;Z-N 催化劑(有機(jī)金屬催化劑),工業(yè)級(jí),陶氏化工公司;聚山梨酯-80(TW-80),分析純,無(wú)錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司;聚氧乙烯辛基苯酚醚-10(OP-10),工業(yè)級(jí),濟(jì)南斯貝特化工有限公司;十二烷基苯磺酸鈉(LAS-60),>70%,廣州中?;す煞萦邢薰?;羧甲基纖維素(CMC),分析純,湖北鑫潤(rùn)德化工有限公司;黃原膠(XG),分析純,上海邦景實(shí)業(yè)有限公司;改性淀粉類隔離劑(GL-1),工業(yè)級(jí),中國(guó)石化江漢石油工程有限公司頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)服務(wù)公司;JY192-4HF 井現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液;固井水泥漿,室內(nèi)配制,原材料取自JY192-4HF 井生產(chǎn)套管固井用領(lǐng)漿大樣灰;重晶石,東營(yíng)泰和石油助劑有限公司;鐵礦粉、驅(qū)油清洗液(WH-7),衛(wèi)輝市化工有限公司;驅(qū)油清洗液(VER),荊州嘉華科技有限公司;仿地井筒,將砂粒、水、水泥按比例混合,用磨具制作而成,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)。
RE-1005 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,上海鷹迪儀器設(shè)備有限公司;恒速攪拌器,沈陽(yáng)市石油儀器研究所;K100全自動(dòng)表界面張力儀,德國(guó)Krüss公司;YJ-3液體密度計(jì)、電動(dòng)六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),青島同春石油儀器有限公司;勻加載壓力測(cè)試儀,遼寧貝斯瑞德石油裝備制造有限公司;TG-1220C 常壓稠化儀,沈陽(yáng)泰格石油儀器設(shè)備制造有限公司。
為有效評(píng)價(jià)高效驅(qū)油清洗液體系對(duì)頁(yè)巖氣水平井固井條件的適應(yīng)性,從清洗效率、加重懸浮穩(wěn)定性、界面膠結(jié)強(qiáng)度和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)等幾個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)。
(1)清洗效率的評(píng)價(jià)
①轉(zhuǎn)筒清洗效率的測(cè)定。采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),用儀器轉(zhuǎn)筒固定轉(zhuǎn)速模擬井壁以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際清洗液泵注排量的方法測(cè)定清洗液的清洗效率。該方法以轉(zhuǎn)筒模擬套管,評(píng)價(jià)清洗液對(duì)套管內(nèi)外面上的油基泥漿的清洗效率。具體實(shí)驗(yàn)步驟為:測(cè)定黏度計(jì)外轉(zhuǎn)筒質(zhì)量(m0);將黏度計(jì)外轉(zhuǎn)筒置于冷油基泥漿中浸泡15 min后取出,測(cè)得此時(shí)外轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量為m1;將配好的清洗液置于70 ℃常壓恒溫養(yǎng)護(hù)20 min;將浸泡了油基泥漿的黏度計(jì)外轉(zhuǎn)筒安裝好并置于裝有清洗液的漿杯中,以300 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)外轉(zhuǎn)筒清洗10 min,然后停止旋轉(zhuǎn)外轉(zhuǎn)筒,將漿杯中的清洗液倒出并倒入自來(lái)水,將外轉(zhuǎn)筒再置于裝有自來(lái)水的漿杯中以300 r/min 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)外轉(zhuǎn)筒清洗1 min,取下轉(zhuǎn)筒靜置于吸水紙上3 min,測(cè)得此時(shí)外轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量為m2;按(m1-m2)/(m1-m0)×100%計(jì)算清洗效率η。
②泥餅去除效率的測(cè)定。以粗糙的砂紙模擬井壁,將均勻涂抹油基鉆井液的砂紙用鐵絲固定在黏度計(jì)外轉(zhuǎn)筒上,將外轉(zhuǎn)筒安裝好并置于裝有清洗液的漿杯中,后續(xù)操作與①相同,測(cè)定砂紙清洗前后的質(zhì)量,計(jì)算清洗液對(duì)井壁上油基泥漿的清洗效率。計(jì)算公式與①相同。
(2)沉降穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)
將清洗液置于量筒中,放于常壓稠化儀的水浴中養(yǎng)護(hù)2 h,然后測(cè)定不同層位清洗液的密度,根據(jù)上部、中部、下部水泥漿的密度差,評(píng)價(jià)水泥漿體系的沉降穩(wěn)定性。
(3)界面潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)評(píng)價(jià)
清洗液的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)特性反映了清洗液對(duì)井壁和套管外壁的改性效果,即將親油的壁面改性為親水泥漿的特性,從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)套管-水泥環(huán)界面和水泥環(huán)-地層界面膠結(jié)強(qiáng)度的效果。將自來(lái)水滴在模擬井壁的砂紙上、含有油基泥漿的砂紙上和經(jīng)清洗液清洗后的砂紙上,通過(guò)觀察液滴在3 種砂紙表面的鋪開(kāi)程度,評(píng)價(jià)清洗液對(duì)界面的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)效果。
(4)界面膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)定
將仿地井筒底部用玻璃板密封,在仿地井筒內(nèi)倒入油基鉆井液,待浸泡20 min形成油基泥餅后拆除底部玻璃板將油基鉆井液倒出,分別用自來(lái)水、由QX-1 配制的高效驅(qū)油清洗液以及由同類產(chǎn)品(WH-7、VER)配制的高效驅(qū)油清洗液清洗仿地井筒內(nèi)的油基泥餅10 min,再用自來(lái)水清洗1 min,然后將仿地井筒底部用玻璃板密封并倒入配好的水泥漿,待水泥漿靜膠凝后放入90 ℃水浴養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)2 d,測(cè)定水泥石抗剪切強(qiáng)度,以此表明不同介質(zhì)處理后樣品的界面膠結(jié)強(qiáng)度。按式(1)計(jì)算抗剪切強(qiáng)度。
其中,p—界面膠結(jié)強(qiáng)度,Pa;F—膠結(jié)破壞最大力值,N;h—仿地井筒的高度,m;D—仿地井筒內(nèi)徑,m。
(5)相容性測(cè)試
為保證固井施工的安全進(jìn)行,要求前置液與油基鉆井液和水泥漿的配伍性良好,即不同混合比例下的混合漿在井底溫度條件下要有良好的流變性。室內(nèi)將高效驅(qū)油清洗液、油基鉆井液和水泥漿按照不同比例進(jìn)行兩兩以及三項(xiàng)混合,在常溫常壓條件下采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試混合相的流變數(shù)據(jù);將混合相倒入常壓稠化儀漿杯中,在90 ℃下養(yǎng)護(hù)20 min 后用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試90 ℃條件下的流變數(shù)據(jù)。
利用微乳增溶原理,以環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷為原料,合成了一種改性聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物,并與助表面活性劑復(fù)配形成驅(qū)油清洗劑QX-1,同時(shí)優(yōu)選隔離劑和加重劑,完成高效驅(qū)油清洗液的構(gòu)建。其清洗作用機(jī)理主要通過(guò)QX-1降低油相界面張力,將油基濾餅從井筒壁面剝離、包裹,并溶解于清洗液中。QX-1可以增溶油基鉆井液,降低油水界面張力,對(duì)井壁油基泥餅有高效驅(qū)替清洗和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的效果,有助于提高固井一、二界面的膠結(jié)質(zhì)量。
2.1.1 共聚表面活性劑的性能
選擇碳原子數(shù)在12~20 的脂肪醇作為親油基團(tuán),通過(guò)改變脂肪醇、環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷的配比及反應(yīng)條件,控制碳鏈長(zhǎng)度,兼顧潤(rùn)濕性和乳化性,合成了密度為1.03 g/cm3、親水親油平衡值(HLB)為13.4、表面張力為29.5 mN/m 的改性聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物。該表面活性劑屬于非離子表面活性材料,具有優(yōu)良的水溶性、乳化增溶、潤(rùn)濕滲透和抑泡能力,防止地層基質(zhì)及套管表面再污染的能力強(qiáng),有利于清洗固井界面油膜和膠凝鉆井液,且與陰離子和其他非離子表面活性劑配合使用后具有更加優(yōu)異的清洗和潤(rùn)濕作用。
2.1.2 助表面活性劑優(yōu)選
清洗助表面活性材料可以與高價(jià)陽(yáng)離子起螯合作用,并且對(duì)固體污垢有抗凝聚作用或分散作用,防止污垢再沉積。共聚表面活性劑與助表面活性劑復(fù)配制得驅(qū)油清洗劑QX-1。由于微乳增溶能力,沖洗液清洗效果增強(qiáng)。用100 g 自來(lái)水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的共聚表面活性劑溶液,分別加入不同比例、類別的助表面活性劑。助表面活性劑加量對(duì)QX-1清洗效率的影響如表1所示。由表可見(jiàn),與助表面活性劑LAS-60 復(fù)配可大幅提高QX-1 的清洗效率,有效增強(qiáng)QX-1對(duì)油基鉆井液的滲透能力,提高破乳、沖洗和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)效果,清洗效率可達(dá)90%。通過(guò)對(duì)比不同助表面活性劑以及加量對(duì)QX-1 清洗效率的影響,優(yōu)選4% LAS-60 作為助表面活性劑,后續(xù)實(shí)驗(yàn)中QX-1的配方為2%共聚表面活性劑、4%助表面活性劑。
表1 助表面活性劑對(duì)QX-1清洗效率的影響
2.1.3 隔離劑優(yōu)選
為保證固井施工平衡壓力注替,需對(duì)驅(qū)油清洗液進(jìn)行加重處理,以保證對(duì)地層的壓穩(wěn)防竄。在500 g 水中加入不同量的隔離劑和20%的QX-1,用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定溶液在常溫和90 ℃下的流變參數(shù),結(jié)果如表2 所示。CMC、XG 和GL-1 均具有增黏效果。CMC的增黏效果較弱;XG加量小,增黏效果明顯,但常溫水化分散能力較弱,不利于現(xiàn)場(chǎng)水化施工;GL-1增黏效果明顯,常溫水化速率快,可作為前置液隔離劑的增黏材料。
表2 隔離劑對(duì)驅(qū)油清洗液流變性的影響
2.1.4 加重劑優(yōu)選
常用的加重材料主要有重晶石和鐵礦粉,不同廠家生產(chǎn)的加重材料粒徑存在差異。為兼顧加重驅(qū)油清洗液的流變性與沉降穩(wěn)定性,通過(guò)測(cè)試相同密度(1.65 g/cm3)條件下加重驅(qū)油清洗液的常溫流變性能與90 ℃沉降穩(wěn)定性優(yōu)選加重材料,結(jié)果見(jiàn)表3。重晶石和鐵礦粉加重驅(qū)油清洗液的配方分別為:水+125%重晶石+2% GL-1+20% QX-1;水+115%鐵礦粉+2.5%GL-1+20%QX-1。由表可見(jiàn),含不同粒徑加重劑的驅(qū)油清洗液的常溫流變性均較好,利于現(xiàn)場(chǎng)施工泵注。其中,23 μm(600 目)重晶石與58 μm(250目)鐵礦粉配制的高效驅(qū)油清洗液的沉降穩(wěn)定性相對(duì)較好。兼顧考慮材料成本,優(yōu)選600 目重晶石作為加重劑。將隔離劑、加重劑與QX-1 復(fù)配,制得密度為1.65 g/cm3的高效驅(qū)油清洗液配方為:500 g 水+2.0% GL-1+125% 600 目重晶石+20%QX-1。
表3 加重劑對(duì)高效驅(qū)油清洗液流變性與沉降穩(wěn)定性的影響
通過(guò)密度差和量筒底部沉降情況評(píng)價(jià)隔離劑GL-1 對(duì)驅(qū)油清洗液體系沉降穩(wěn)定性的影響。由表4、表5 可知,不同GL-1 加量以及不同溫度條件下,高效驅(qū)油清洗液的上下測(cè)試密度差均≤0.02 g/cm3,量筒底部均無(wú)沉降,同時(shí)不同溫度下的沉降穩(wěn)定性并未出現(xiàn)較大波動(dòng),沉降穩(wěn)定性良好。同時(shí),該體系具有低黏高切的特點(diǎn),有利于降低固井施工循環(huán)壓耗和安全風(fēng)險(xiǎn),提高驅(qū)替效率。
表4 90 ℃下GL-1加量對(duì)高效驅(qū)油清洗液沉降穩(wěn)定性的影響
表5 不同溫度下高效驅(qū)油清洗液的沉降穩(wěn)定性
2.3.1 轉(zhuǎn)筒清洗效率
以轉(zhuǎn)筒外壁模擬套管外壁,用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)考察QX-1 加量對(duì)高效驅(qū)油清洗液清洗效率的影響,評(píng)價(jià)高效驅(qū)油清洗液對(duì)固井一界面的清洗效果。高效驅(qū)油清洗液可以很好地清除附著在轉(zhuǎn)筒外面的油基鉆井液。清水與QX-1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%的高效驅(qū)油清洗液對(duì)油基濾餅的清洗效率分別為22.44%、87.44%、93.94%。QX-1可大幅提高高效驅(qū)油清洗液對(duì)油基鉆井液的清洗效率,并且清洗效率隨QX-1加量增大而增加。由此說(shuō)明高效驅(qū)油清洗液能清除頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)層套管外壁的油基鉆井液,有利于界面膠結(jié)質(zhì)量的提高。
2.3.2 泥餅去除效率
通過(guò)砂紙涂抹油基鉆井液模擬固井井壁油基泥餅,評(píng)價(jià)高效驅(qū)油清洗液對(duì)固井二界面的清洗效果。經(jīng)高效驅(qū)油清洗液處理后,模擬井壁表面的鉆井液泥餅大部分被去除,僅殘留一層泥膜在砂紙的凹槽里,清洗液由無(wú)色變?yōu)楹谏珳啙嵋骸Mㄟ^(guò)計(jì)算,油基泥餅的清洗效率為91.16%,驅(qū)油清洗效果顯著。由此說(shuō)明,高效驅(qū)油清洗液能清除頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)層井壁上的油基鉆井液,有利于水泥環(huán)-地層界面膠結(jié)質(zhì)量的提高。
經(jīng)清水、由QX-1 配制的高效驅(qū)油清洗液以及由同類產(chǎn)品(WH-7、VER)配制的高效驅(qū)油清洗液處理的油基鉆井液污染井筒內(nèi)壁與水泥石的界面膠結(jié)強(qiáng)度分別為0.016、0.110、0.033、0.746 MPa。QX-1有效清除了油基濾餅,減少了水泥與井筒內(nèi)壁的非接觸面積,界面膠結(jié)強(qiáng)度相對(duì)于清水及VER處理提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),是WH-7處理的6.86倍,較大程度提高了膠結(jié)強(qiáng)度。
將自來(lái)水滴在模擬井壁的砂紙面上、含有油基泥餅的砂紙上和經(jīng)高效驅(qū)油清洗液清洗后的砂紙上。自來(lái)水滴在砂紙上鋪展呈半圓球體狀,在含有油基泥餅的砂紙上未發(fā)生明顯變化、呈現(xiàn)接近完整水滴狀,在經(jīng)高效驅(qū)油清洗液清洗后的砂紙上水滴已完全鋪展。經(jīng)高效驅(qū)油清洗液清洗后,油基泥餅驅(qū)除干凈,水滴完全鋪展開(kāi),說(shuō)明經(jīng)高效驅(qū)油清洗液清洗后的表面由親油性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性,清洗表面潤(rùn)濕性良好。
高效驅(qū)油清洗液、水泥漿和油基鉆井液在不同混合比例時(shí)的常溫常壓流變參數(shù)和井底溫度(90 ℃)下的熱漿流變參數(shù)如表6 所示。高效驅(qū)油清洗液與水泥漿及油基鉆井液的相容性良好,常溫常壓條件下沒(méi)有明顯提切現(xiàn)象,模擬井底溫度(90 ℃)條件下的熱漿流變值降低。高效驅(qū)油清洗液與水泥漿和油基鉆井液的配伍性良好,滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安全施工要求。
表6 高效驅(qū)油清洗液與水泥漿及油基鉆井液的相容性
JY192-4HF 井是涪陵頁(yè)巖氣田的一口生產(chǎn)井,也是進(jìn)行QX-1 試驗(yàn)的第1 口井。該井完鉆井深5825 m,水平段4230~5825 m,產(chǎn)層下139.7 mm 套管,水泥漿設(shè)計(jì)返高至地面,采用雙凝雙密度水泥漿工藝固井。油基鉆井液密度1.60 g/cm3,漏斗黏度80 s,油水比85∶15。固井施工中,泵入沖洗液3.13 m3,高效驅(qū)油清洗液31.32 m3。刮管掃塞作業(yè)完成后進(jìn)行測(cè)井作業(yè),順利完成全井測(cè)井。測(cè)井結(jié)果顯示:水泥漿返高130 m,尾漿封固井段3100~5797 m,段長(zhǎng)2697 m,產(chǎn)層水平段封固優(yōu)質(zhì)率為100%,尾漿封固段優(yōu)質(zhì)率99.74%,合格率100%;領(lǐng)漿封固井段130~3100 m,段長(zhǎng)2970 m,領(lǐng)漿封固段優(yōu)質(zhì)率86.13%,合格率100%。綜合整井封固段優(yōu)質(zhì)率92.73%,合格率100%。
利用微乳增溶原理,制備了一種改性聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物,其與LAS-60 復(fù)配形成的QX-1 的清洗效率達(dá)90.25%。將QX-1、隔離劑GL-1、加重劑重晶石粉(23 μm)和水混合制得高效驅(qū)油清洗液。在60~90 ℃條件下,高效驅(qū)油清洗液均具有較好的沉降穩(wěn)定性。QX-1加量為20%時(shí),高效驅(qū)油清洗液對(duì)模擬固井一界面的清洗效率達(dá)93.94%,對(duì)模擬固井二界面的泥餅去除效率達(dá)91.16%;且清洗后的界面膠結(jié)強(qiáng)度比清水提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),利于提高水泥環(huán)長(zhǎng)久密封完整性。由QX-1 配制的高效驅(qū)油清洗液與涪陵頁(yè)巖氣田油基鉆井液和固井水泥漿的配伍性良好,固井合格率100%,固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)92.73%。