高溫高密度完井液研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

劉喜亮，丁 朋

（中海油田服務(wù)股份有限公司 油田化學(xué)事業(yè)部湛江作業(yè)公司，廣東 湛江 524057）

隨著勘探開(kāi)發(fā)的不斷進(jìn)行，淺層油氣田大多數(shù)都處于勘探開(kāi)發(fā)的中后期，為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源越來(lái)越大的需求與依賴，深井油氣田開(kāi)發(fā)逐漸成為石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。伴隨井深增加，井底溫度、壓力逐漸升高，由此而來(lái)的高溫、高壓條件給完井液帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。高溫所帶來(lái)的最直接也是最具挑戰(zhàn)的問(wèn)題之一，就是完井液助劑材料降解引起的大幅度降粘及交聯(lián)引起的大幅度增稠甚至膠凝、固化等現(xiàn)象，進(jìn)而影響完井液的穩(wěn)定性[1]。高壓力系數(shù)則要求鉆完井液密度必須近平衡或過(guò)平衡于地層壓力，以滿足鉆完井過(guò)程中的井下作業(yè)安全，繼而推動(dòng)鉆完井液朝著高密度發(fā)展，而高密度則意味著高固相含量或高鹽含量，直接影響完井液流變性能和儲(chǔ)保性能[2,3]。如何在高溫、高密度條件下獲得優(yōu)異性能的完井液體系是未來(lái)完井液領(lǐng)域的重點(diǎn)研發(fā)方向[4]。本文對(duì)目前比較常用的高溫高壓完井液體系進(jìn)行梳理，以期為高溫高壓油氣田完井液的開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)與幫助。

1 有固相高溫高密度完井液體系

有固相高溫高密度完井液體系中固相通常指加重材料，比如石灰石粉、重晶石粉、鐵礦粉、鈦鐵礦粉、方鉛礦粉、微錳粉等[5]，根據(jù)密度不同，固相含量隨之變化，高固相完井液體系甚至超過(guò)50%。這其中由于重晶石、方鉛礦粉等為惰性固相，難以酸溶，多用于射孔完井中使用，而裸眼、篩管、礫石充填等完井方式早期多采用石灰石、鐵礦粉、微錳粉等可酸溶材料作為有固相完井液加重劑，后期為簡(jiǎn)化完井工藝，提高儲(chǔ)層保護(hù)效率，也逐漸朝無(wú)固相方向發(fā)展。

1.1 高溫高密度聚磺完井液體系

在三磺鉆完井液體系基礎(chǔ)上，添加聚合物以形成的一類抗高溫鉆完井液體系在實(shí)踐中常稱為聚磺鉆完井液體系，其既可作為鉆井液使用，也可作為完井液使用。這種鉆完井液體系通過(guò)使用聚合物（如80A-51、FA367、PAC141 和KPAM、PEG、MEG）及無(wú)機(jī)、有機(jī)鹽類抑制劑，不僅保留了聚合物完井液在穩(wěn)定泥巖井壁、抑制泥巖水化及提高機(jī)械鉆速方面的優(yōu)點(diǎn)，還通過(guò)使用分散劑（包括各種磺化類（SMP-1、SPNH 和SLSP）、褐煤類處理劑（XP-20K）以及磺化瀝青（Soltex））等對(duì)完井液高溫高壓流變性進(jìn)行了優(yōu)化，使其抗溫能力達(dá)到200～250℃[6]。舒勇等[7]在聚磺鉆井液基礎(chǔ)上引入匹配儲(chǔ)層孔喉尺寸的復(fù)配暫堵劑形成一套聚磺完井液體系，可以形成易于返排的泥餅，做到預(yù)防井筒流體長(zhǎng)期浸泡造成的損害；同時(shí)優(yōu)選助劑材料，避免高分子侵入儲(chǔ)層造成堵塞傷害；滲透率恢復(fù)值達(dá)到85.31%，儲(chǔ)保效果良好。聚磺鉆完井液體系早期廣泛應(yīng)用于新疆油氣田完井及測(cè)試過(guò)程中，后期因聚磺材料降解困難影響儲(chǔ)層滲透率而逐漸減少使用。

1.2 高溫高密度海泡石完井液體系

海泡石是一種纖維狀富鎂粘土礦物，通俗講就是一種纖維狀含水硅酸鎂，宏觀外觀像土塊，又似皮殼狀或條狀，微觀上觀察則由無(wú)數(shù)細(xì)絲聚在一起排成片狀，所以在升高溫度后會(huì)發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)由條形狀轉(zhuǎn)變?yōu)楸∑瑺?，這一特點(diǎn)使其能更好地控制流變性和濾失量，非常適合用于高溫鉆完井液體系中[8]。王松等[9]根據(jù)海泡石這一特性，構(gòu)建了一套抗高溫高密度完井液體系：4.0%海泡石+2.0%褐煤樹(shù)脂SPNH+1.0%～2.0%抗高溫聚合物L(fēng)W+1.0%抗高溫聚合物JHW+2.0%聚合醇JLX-II +1.0%儲(chǔ)保劑JBD-II+重晶石調(diào)節(jié)密度，該體系耐溫達(dá)180℃，抗鹽達(dá)到20%，抗鈣達(dá)到3%，對(duì)儲(chǔ)層損害較小，基本滿足深井及超深井完井需求。

1.3 高溫高密度超微重晶石完井液體系

超微重晶石測(cè)試/完井液是針對(duì)深井測(cè)試與完井而開(kāi)發(fā)研制出的體系。常規(guī)水基完井液在高溫高密度下容易發(fā)生沉淀、固化、交聯(lián)、降解等物理化學(xué)反應(yīng)，造成完井液性能惡化，易沉淀在井下形成段塞，致使測(cè)試管柱下不到位，卡死封隔器等問(wèn)題。有機(jī)鹽測(cè)試完井液由于受到溶解度限制，只能在超飽和條件下配制，在低溫狀態(tài)下會(huì)結(jié)晶析出，且價(jià)格昂貴，成本高，由此，超微重晶石完井液體系應(yīng)運(yùn)而生。超微重晶石粒徑在0.1～1.0μm 之間，相比常規(guī)重晶石顆粒粒徑（40～60μm）小得多。為防止因小粒徑、高表面能引發(fā)團(tuán)聚現(xiàn)象形成二次粒子導(dǎo)致下沉，需對(duì)超微重晶石顆粒表面改性[10]。經(jīng)改性處理后，顆粒的zeta 電位增高，靜電排斥力增加，下沉趨勢(shì)大幅減弱[11]。由于粒徑細(xì)小，超微重晶石顆粒在液體中基本以膠體形式存在，在靜電斥力和布朗運(yùn)動(dòng)的雙重作用下，形成一個(gè)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定體系[12]。塔里木油田山前構(gòu)造井多為高溫高壓深井，井下溫度為150～180℃，完井液密度1.80～2.20g·cm-3，測(cè)試完井液多采用超微重晶石水基/柴油基完井液體系。

1.4 高溫高密度無(wú)黏土相完井液體系

高溫高壓完井液應(yīng)最大限度降低固相含量以降低封隔器坐封失效風(fēng)險(xiǎn)，通常使用可溶解性鹽配合可酸溶的加重材料配制完井液，降低其固相含量。張忠亮[13]采用多種鹽復(fù)合并復(fù)配可酸溶鐵礦粉作為加重材料，構(gòu)建了一套密度為2.40g·cm-3，耐溫達(dá)180℃的無(wú)土低固相完井液體系：海水+0.2% NaOH+1.0%～1.2%增粘劑HZN-T+1.0%還原劑HST+1.0%防水鎖劑HAR-D+2.0%～2.5%高效緩蝕劑（HSL+HLN）+復(fù)合鹽（提密度至1.70g·cm-3）+鐵礦粉（提密度至2.40g·cm-3）。其主要特點(diǎn)是，無(wú)黏土、無(wú)惰性加重劑（如重晶石），酸溶性、熱穩(wěn)定性好，抑制性、抗污染能力強(qiáng)，油氣層保護(hù)效果好，密度調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單且范圍廣。由于重晶石在甲酸鹽中會(huì)產(chǎn)生生物毒性大的游離鋇，且不酸溶，在特殊完井方式下逐漸被可酸溶的微錳粉替代。微錳加重劑有效成分為Mn3O4，是一種無(wú)磁、高硬、比表面積大的規(guī)則球形顆粒[14,15]。Abdullah Saleh Al-Yami 等[16]研究開(kāi)發(fā)了一套Mn3O4/KCl 水基鉆完井液體系，其表現(xiàn)出比普通鉆井完井液更好的熱穩(wěn)定性，主要用于高溫高壓深井鉆完井作業(yè)。M. J. Al-Saeedi 等[17]研制的四氧化錳/飽和甲酸鉀鹽水鉆完井液體系在科威特北部Raudhatain 油田的侏羅系地層中應(yīng)用成功，井深16530 英尺，井底溫度在280°F，最大鉆井液密度為16.2ppg。該體系具有優(yōu)良的抗溫性、極低的HPHT 濾失量和高度穩(wěn)定的流變特性，即使在靜態(tài)條件下三天后，也沒(méi)有加重材料沉降的跡象。目前，甲酸鹽/四氧化三錳完井液體系已在南海西部多口高溫高壓氣井完井過(guò)程中應(yīng)用[18]，流變性能好，沉降穩(wěn)定性強(qiáng)、返排壓力低。

2 無(wú)固相高溫高密度完井液體系

無(wú)固相完井液一般以水（淡水、海水、油田水）為連續(xù)相，常用助劑有可溶鹽加重劑、緩蝕劑、黏土穩(wěn)定劑、防水鎖劑等。與有固相完井液不同，無(wú)固相完井液固相含量極低，一般惰性固相不超過(guò)1.0%，避免了因固相堵塞造成的儲(chǔ)層損害。根據(jù)可溶鹽加重劑類型的不同，常用的無(wú)固相高溫高密度完井液分為：甲酸鹽高溫高密度完井液、溴鹽高溫高密度完井液及有機(jī)磷酸鹽高溫高密度完井液等。

2.1 高溫高密度甲酸鹽完井液

甲酸鹽高溫高密度完井液主要采用HCOONa、HCOOK、HCOOCs 作為加重劑，配合加入緩蝕劑、黏土穩(wěn)定劑等配制而成，是近年來(lái)應(yīng)用較多的環(huán)保型完井液體系之一。甲酸鹽具有高溶解度、一價(jià)鹽、低粘度、低結(jié)晶點(diǎn)、提高聚合物抗溫性等優(yōu)點(diǎn)，且屬于強(qiáng)堿弱酸鹽，水溶液顯弱堿性，對(duì)鉆具、套管等鋼制品腐蝕小。作為一種無(wú)固相清潔完井液，甲酸鹽加重范圍廣，在1.00～2.30g·cm-3范圍內(nèi)可調(diào)，抗溫能達(dá)到180℃以上，對(duì)儲(chǔ)層損害小，能夠克服水鎖和液相損害[19]。

表1 常用甲酸鹽水飽和濃度、密度及pH 值Tab.1 Commonly used formic acid brine saturation concentration, density and pH value

國(guó)外甲酸鹽水完井液研發(fā)及應(yīng)用較早，1995年Cobot 公司在貝克休斯公司的幫助下研制了甲酸銫鹽水完井液，實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的研究都取得了令人振奮的成果。挪威國(guó)家石油公司[20]采用甲酸銫鹽水鉆完井液在高溫高壓Kvitebj rn 油田進(jìn)行鉆井開(kāi)發(fā)，成功在Valemon 構(gòu)造作業(yè)了一口探井大位移井，該井井深7380m、井斜角69°、產(chǎn)層段長(zhǎng)705m。在鉆井過(guò)程中，甲酸銫鹽水鉆完井液體系性能優(yōu)異，全程維持極低的循環(huán)當(dāng)量密度（ECD）、高機(jī)械鉆速（ROP）、良好的井眼清潔以及測(cè)井時(shí)良好的井筒穩(wěn)定性。同時(shí)，使用甲酸銫完井液安全高效地完成了完井作業(yè)，已投產(chǎn)的油井顯示出較高的生產(chǎn)率和較低的表皮系數(shù)。其后5年內(nèi)在克維特比約恩、克里斯汀和Huldra油田的15 次高壓/高溫鉆井作業(yè)和20 次高壓/高溫完井作業(yè)中實(shí)現(xiàn)了零井控事件記錄[21]。

甲酸鹽完井液在國(guó)外取得廣泛應(yīng)用后逐步引入國(guó)內(nèi)，并得到飛速發(fā)展。王西江等[22]為解決傳統(tǒng)高密度完井液因高固相含量及抗溫穩(wěn)定性問(wèn)題造成的流變性難以調(diào)控的難題以及儲(chǔ)層損害大的問(wèn)題，專門設(shè)計(jì)了甲酸鹽完井液：水+甲酸鉀+增粘劑，并評(píng)價(jià)了其綜合性能，結(jié)果表明，該體系具有抗高溫、密度范圍廣、強(qiáng)抑制性、耐污染、環(huán)?？山到?、儲(chǔ)保效果好等優(yōu)點(diǎn)，在庫(kù)1 井應(yīng)用大獲成功。張偉等[23]針對(duì)塔里木高溫深井研制了一套抗180℃高溫?zé)o黏土相甲酸鹽完井液，密度最高達(dá)到2.20g·cm-3，輔以常規(guī)粘度聚陰離子纖維素、超低黏聚陰離子纖維素、抗溫淀粉、合成聚合物等材料調(diào)節(jié)粘度和控制濾失量，滿足180℃靜置7d 不降解的要求，可保障現(xiàn)場(chǎng)完井液作業(yè)順利進(jìn)行。周文等[24]采用有機(jī)復(fù)合鹽+甲酸鉀為加重材料，輔以鹽結(jié)晶抑制劑、抗高溫儲(chǔ)層保護(hù)劑和高溫耐鹽緩蝕劑構(gòu)建了一套密度最高達(dá)1.65g·cm-3，抗溫最高達(dá)190℃的全有機(jī)低固相抗高溫完井液體系，該體系惰性固相比例低于0.5%，且具有強(qiáng)抑制性、高滲透率恢復(fù)值、低腐蝕速率等特點(diǎn)，滿足高溫高壓井完井作業(yè)需求。甲酸鹽完井液在南海西部潿洲油田多口高壓井（壓力系數(shù)1.50）成功應(yīng)用，儲(chǔ)層保護(hù)效果優(yōu)異，防腐蝕效果好。雖然甲酸銫完井液在國(guó)外高溫高壓井鉆完井工程中得到了廣泛的應(yīng)用，但由于其成本高，國(guó)內(nèi)對(duì)甲酸銫完井液研究較少，更無(wú)現(xiàn)場(chǎng)使用案例。

2.2 高溫高密度溴鹽完井液

溴鹽完井液是以溴鹽為加重劑的無(wú)固相完井液體系，常用的加重鹽有CaCl2、NaBr、KBr、CaBr2、ZnBr2等。溴鹽完井液具有密度可調(diào)范圍廣、礦化度高、抑制性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是腐蝕性強(qiáng)、成本較高，使用過(guò)程中需加強(qiáng)工作防護(hù)。溴鹽鹽水密度見(jiàn)表2。

表2 不同溴鹽鹽水體系密度Tab.2 Density table of different bromide brine systems

為達(dá)到去鋅化以滿足更高的環(huán)保需求以及防止生成ZnS 垢，Mathieu Champeau 等[25]開(kāi)發(fā)了一種新的鹵水技術(shù)，即無(wú)鋅鹵水技術(shù)，使傳統(tǒng)溴鹵水的密度超出其理論極限，該完井液體系HDB-A 由溴化鈣鹽水與亞微米粒子復(fù)合而成，密度可達(dá)1.845g·cm-3。

2.3 高溫高密度有機(jī)磷酸鹽完井液

有機(jī)磷酸鹽、焦磷酸鹽因其具有高溶解度、高溶液密度、低結(jié)晶點(diǎn)等特點(diǎn)逐漸被應(yīng)用于高溫高密度完井液領(lǐng)域。亨德拉·布迪姆安[26]發(fā)明了一種特制磷酸鹽混合物，主要用于石油天然氣開(kāi)發(fā)。該復(fù)合鹽滿足高密度完井液和壓井液需求，具備高達(dá)1.85g·cm-3的高密度，且腐蝕性低，穩(wěn)定并能夠耐受地層水的干擾，不會(huì)產(chǎn)生沉淀，還具有pH 緩沖能力，易于野外現(xiàn)場(chǎng)配制。Hu Jia 等[27]研制了新型鉀基磷酸鹽完井液。結(jié)果表明，在室溫下，該液體的最大密度可達(dá)1.815g·cm-3，突破了普通鉀基磷酸鹽鹵水的密度極限。磷酸鹽鹽水與地層水具有良好的相容性，生物毒性-測(cè)定結(jié)果表明，它只有輕微毒性，環(huán)境可接受。此外，磷酸鹽鹽水在抑制粘土礦物性能方面非常有效。磷酸鹽鹵水的成本比傳統(tǒng)的甲酸銫、溴鹵水和鋅鹵水低約44%～66%。這項(xiàng)研究表明，磷酸鹽鹽水可以作為HT/HP 油藏鉆井和完井過(guò)程中的替代高密度甲酸銫/溴鹽無(wú)固相完井液。雖然磷酸鹽完井液成本與其他高密度完井液相比成本更加低廉，但與甲酸鹽完井液相比，其對(duì)不同鋼材腐蝕性較強(qiáng)[28-30]，需配合高效緩蝕劑使用，在高溫高壓完井作業(yè)中的應(yīng)用受到了一定的限制。

3 結(jié)語(yǔ)

推進(jìn)國(guó)內(nèi)油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)是最新經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議精神之一，而油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的完井作業(yè)是保證油氣產(chǎn)量的基石，最大限度減少井筒流體對(duì)儲(chǔ)層的傷害是未來(lái)工作中的重中之重。完井液作為完井作業(yè)過(guò)程中的井筒流體，最為關(guān)鍵的特性就是低儲(chǔ)層傷害，傳統(tǒng)高固相完井液因存在固相堵塞儲(chǔ)層的風(fēng)險(xiǎn)，即便采用屏蔽暫堵技術(shù)仍無(wú)法避免，未來(lái)趨勢(shì)必然是朝無(wú)固相發(fā)展。推薦采用甲酸鈉、甲酸鉀鹽配制密度不超過(guò)1.60g·cm-3的無(wú)固相完井液，抗溫可達(dá)到200℃；更高密度完井液可復(fù)配甲酸銫，最高可達(dá)2.30g·cm-3。由于甲酸銫價(jià)格高昂，并不適合推廣使用，而溴鹽完井液/有機(jī)磷酸鹽完井液+高效緩蝕劑的組合將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用，與之配套的緩蝕劑也將得到更加廣泛的研究與開(kāi)發(fā)。同時(shí)像季銨鹽、乙酸鹽、酒石酸鹽、檸檬酸鹽、葡萄糖酸鹽、琥珀酸鹽等及其混合物也將成為未來(lái)高溫高密度無(wú)固相完井液基液的研究方向。