適合海上某氣田高溫高壓低滲儲(chǔ)層的修井液體系

梁玉凱，羅剛，周玉霞，宋吉鋒，鄭華安，任坤峰，林科雄

（1.中海石油(中國(guó))有限公司海南分公司,?？?570311；2.湖北油田化學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司,湖北荊州 434000）

0 引言

我國(guó)南海鶯歌海盆地深層天然氣儲(chǔ)量十分豐富，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外各大石油公司先后開(kāi)展了十余口高溫高壓井的勘探施工作業(yè)[1–9]，從90年代開(kāi)始，中國(guó)海油對(duì)高溫高壓天然氣儲(chǔ)層的勘探開(kāi)發(fā)研究力度逐漸加大，并取得了較多重大理論突破和技術(shù)進(jìn)步，南海地區(qū)已探明多個(gè)大型的高溫高壓氣藏，針對(duì)海上高溫高壓氣田的勘探及開(kāi)發(fā)工作已逐漸進(jìn)入規(guī)?；瘜?shí)施階段[10–12]。

高溫高壓氣田儲(chǔ)層通常伴隨有低孔、低滲的特點(diǎn)，儲(chǔ)層物性較差，敏感性較強(qiáng)，鉆完井、壓裂、解堵增產(chǎn)以及修井等作業(yè)過(guò)程中外來(lái)流體的侵入極易對(duì)地層產(chǎn)生二次傷害，影響作業(yè)效果[13–15]。海上某高溫高壓氣田（溫度為150 ℃左右，地層壓力系數(shù)大于1.8）大部分氣井后期將面臨更換管柱以及調(diào)整挖潛等修井作業(yè)的需求，為保障修井作業(yè)的施工安全以及氣田儲(chǔ)層不受外來(lái)流體的侵入傷害，需要針對(duì)性的研究適合海上高溫高壓低滲氣田的高效修井液技術(shù)。目前針對(duì)海上高溫高壓低滲氣藏修井液體系的研究及報(bào)道則相對(duì)較少[16–18]。因此，本文以海上某高溫高壓低滲氣田為研究對(duì)象，在分析了氣田基本概況以及修井所面臨的難題的基礎(chǔ)之上，通過(guò)對(duì)加重材料、抗高溫緩蝕劑、耐溫抗鹽防水鎖劑以及抗高溫鍵合劑等主要處理的研究及優(yōu)選，研制出了一套適合海上高溫高壓低滲氣田的雙保型（保證修井工程安全以及保護(hù)儲(chǔ)層）高溫高密度修井液體系，室內(nèi)對(duì)其綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，以期為海上高溫高壓氣田的高效合理開(kāi)發(fā)提供一定的技術(shù)支持和借鑒。

1 目標(biāo)氣田基本概況

目標(biāo)研究區(qū)塊位于我國(guó)南海海域，氣田儲(chǔ)層段埋深普遍在2 900～3 200 m左右，主要含氣層位H1Ⅰa、H1Ⅱb、H1Ⅱc砂體，儲(chǔ)層滲透率分布在3.0～15.9 mD之間，孔隙度分布在16.0%～18.0%之間，屬于典型的中低孔、低滲儲(chǔ)層；另外，目標(biāo)氣田儲(chǔ)層段溫度最高可接近150 ℃，壓力系數(shù)最高可達(dá)1.8，屬于典型的高溫高壓儲(chǔ)層；儲(chǔ)層黏土礦物含量較高（20%以上），黏土礦物中伊蒙混層含量較高（20%～30%），而且蒙脫石混層比在20%～30%。儲(chǔ)層存在潛在的水敏損害。天然氣組分主要為CHn（含量達(dá)到88%左右），CO2含量小于4%，N2含量小于9%，不含H2S。

2 高溫高壓低滲氣田修井所面臨的難題及對(duì)策

由于目標(biāo)氣田屬于典型的高溫、高壓、低滲儲(chǔ)層，修井時(shí)所面臨的難題主要包括：①儲(chǔ)層高溫對(duì)修井液的耐高溫性能提出了更大的挑戰(zhàn)，需要研究高溫穩(wěn)定性較好、耐高溫腐蝕性優(yōu)良的修井液體系。②高壓地層對(duì)修井液的密度要求較高，需要針對(duì)性的研究高密度修井液體系。③低孔、低滲儲(chǔ)層可能存在水鎖等儲(chǔ)層傷害的風(fēng)險(xiǎn)，需要研究?jī)?chǔ)層保護(hù)性能較好的修井液體系。④儲(chǔ)層存在水敏損害的風(fēng)險(xiǎn)，需要研究抑制性較好的修井液體系。

針對(duì)高溫高壓低滲氣田修井采取的技術(shù)對(duì)策包括：①結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層壓力系數(shù)較高的特點(diǎn)，為保證修井工程的安全，需要修井液的密度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，為此，研究出了一種新型可溶性復(fù)合鹽加重材料，使修井液的密度可以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。②結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層溫度較高的特點(diǎn)，為減輕高溫條件下修井液對(duì)井下管柱等設(shè)備的腐蝕程度，研究了性能穩(wěn)定的抗高溫緩蝕劑。③為降低儲(chǔ)層潛在的水鎖傷害，研究了一種耐溫抗鹽防水鎖劑和抗高溫鍵合劑，確保修井液在高溫高鹽的環(huán)境下仍能具有良好的防水鎖能力和返排能力，降低修井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度，起到較好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

3 雙保型高溫高密度修井液體系構(gòu)建

3.1 加重材料

采用重晶石、鐵礦粉或者微錳礦粉等固相加重材料進(jìn)行加重時(shí)，修井液體系中會(huì)含有大量的固相粒子，在修井過(guò)程中不可避免的會(huì)對(duì)低孔、低滲儲(chǔ)層造成嚴(yán)重的傷害，并且此類固相加重材料在長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性也存在一定的問(wèn)題，因此，從保護(hù)儲(chǔ)層以及修井液高溫穩(wěn)定性方面考慮，選擇可溶性鹽作為目標(biāo)氣田修井液的加重材料。

然而常用的可溶性鹽，例如甲酸鈉、甲酸鉀、溴化鈉、溴化鉀以及溴化鈣的最大加重密度范圍均達(dá)不到目標(biāo)氣田的要求，而甲酸銫和溴化鋅雖然加重密度可以滿足要求，但甲酸銫的價(jià)格昂貴，而溴化鋅在高溫環(huán)境下對(duì)金屬的腐蝕性較強(qiáng)，均不適合作為目標(biāo)氣田修井液的加重材料。針對(duì)常規(guī)可溶性鹽存在的不同優(yōu)缺點(diǎn)，研究出了一種新型可溶性復(fù)合鹽加重材料HGBZ，其主要由無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)鹽組成，可使修井液的加重密度最高達(dá)到1.8 g/cm3左右。

3.2 抗高溫緩蝕劑

在高溫條件下，大多數(shù)的吸附成膜型緩蝕劑會(huì)產(chǎn)生熱解吸以及熱降解作用，導(dǎo)致其無(wú)法在高溫環(huán)境中起到良好的防腐蝕效果。因此，研制出了一種具有沉淀膜型抑制機(jī)理的抗高溫緩蝕劑HSJ-S。室內(nèi)參照石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5273—2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法》中的靜態(tài)掛片失重法，對(duì)HSJ-S在不同加量下的防腐蝕性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)用鋼片材質(zhì)均為13Cr-L80，腐蝕介質(zhì)為1.80 g/cm3的修井液，實(shí)驗(yàn)溫度均為150 ℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)間均為7 d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，不加緩蝕劑修井液對(duì)鋼片的腐蝕速率可以達(dá)到4.256 mm/a，腐蝕及其嚴(yán)重，而隨著HSJ-S加量的不斷增大，腐蝕速率呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)HSJ-S的加量達(dá)到1%時(shí)，腐蝕速率可以減小至0.047 mm/a，小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.076 mm/a。說(shuō)明研制的HSJ-S具有良好的防腐蝕效果，推薦其最佳加量為1%。

表1 抗高溫緩蝕劑HSJ-S加量?jī)?yōu)選

3.3 耐溫抗鹽防水鎖劑

為了滿足高溫高鹽環(huán)境下降低修井液表面張力的需求，研制了一種耐溫抗鹽防水鎖劑HAD-2，室內(nèi)采用JZ-200型表面/界面張力儀測(cè)定了其在高溫高鹽環(huán)境下降低修井液表面張力的性能，并與其他不同類型的常規(guī)防水鎖劑進(jìn)行了對(duì)比。修井液的密度為1.80 g/cm3，防水鎖劑的加量均為2%，將不同溶液在150 ℃下老化12 h后冷卻至室溫測(cè)定表面張力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同類型防水鎖劑性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖1結(jié)果可知，在修井液中加入2%的HAD-2，經(jīng)過(guò)高溫老化后溶液的表面張力仍低至26.7 mN/m，效果明顯優(yōu)于其他幾種不同類型的常規(guī)防水鎖劑，說(shuō)明HAD-2具有良好的耐溫抗鹽性能，這是由于HAD-2的首端基團(tuán)是烯氧基，而尾端基團(tuán)是耐溫抗鹽性能較好的氟碳基，使其能在高溫高鹽環(huán)境下仍能發(fā)揮較好的降低表面張力的性能，有利于修井液的返排。

3.4 抗高溫鍵合劑

為了更好地降低修井液對(duì)低滲氣田儲(chǔ)層的水鎖傷害程度，不僅需要修井液體系具有良好的表面活性，使其易于返排，還需要修井液自身具有良好的結(jié)合水能力，使水相不易進(jìn)入儲(chǔ)層。因此，研制了一種抗高溫鍵合劑HJH-2，并通過(guò)毛細(xì)管吸收時(shí)間（CST）測(cè)定儀測(cè)定了其對(duì)修井液中自由水的鍵合能力。在1.80 g/cm3的修井液中加入不同加量的HJH-2，然后將其在150 ℃下老化12 h后，再測(cè)定其CST值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 鍵合劑HJH-2加量對(duì)CST值的影響

由圖2可知，隨著HJH-2加量的不斷增大，修井液的CST值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)HJH-2的加量達(dá)到1%時(shí)，CST值就可以延長(zhǎng)至5456 s，起到了良好的鍵合水效果，能夠有效延緩修井液中自由水向低滲氣田儲(chǔ)層擴(kuò)散的速度。這是由于HJH-2分子結(jié)構(gòu)中含有大量能與水分子相鍵合的官能團(tuán)，其能通過(guò)鍵合劑分子與水分子的化學(xué)鍵合作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使修井液中的自由水不能隨意運(yùn)動(dòng)，達(dá)到降低自由水?dāng)U散的效果。

3.5 雙保型高溫高密度修井液體系配方

通過(guò)對(duì)加重材料、抗高溫緩蝕劑、耐溫抗鹽防水劑以及抗高溫鍵合劑的性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，確定了雙保型高溫高密度修井液體系的最終配方為：淡水+1%抗高溫緩蝕劑HSJ-S+2%耐溫抗鹽防水鎖劑HAD-2+1%抗高溫鍵合劑HJH-2+可溶性復(fù)合鹽加重材料HGBZ至密度為1.8 g/cm3。

4 性能評(píng)價(jià)

4.1 基本性能

雙保型高溫高密度修井液體系具有良好的密度調(diào)節(jié)能力，密度范圍可控制在1.03～1.80 g/cm3之間，修井液外觀清潔，為無(wú)色透明液體，表觀黏度最高可達(dá)55 mPa·s，結(jié)晶點(diǎn)低于0 ℃。

4.2 腐蝕性能

室內(nèi)進(jìn)一步評(píng)價(jià)了雙保型高溫高密度修井液體系在不同時(shí)間下對(duì)金屬鋼材的腐蝕性能，實(shí)驗(yàn)用鋼片材質(zhì)均為13Cr-L80，實(shí)驗(yàn)溫度均為150 ℃，修井液密度均為1.80 g/cm3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 修井液體系的腐蝕性能

由圖3結(jié)果可知，隨著腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，雙保型高溫高密度修井液體系對(duì)13Cr-L80鋼材的腐蝕速率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)間處在1～15 d時(shí)的腐蝕速率均明顯小于0.076 mm/a，這說(shuō)明雙保型高溫高密度修井液體系具有良好的防腐蝕效果，能夠確保長(zhǎng)時(shí)間修井作業(yè)施工時(shí)，修井液不對(duì)井下設(shè)備造成嚴(yán)重的腐蝕損害。

4.3 防膨性能

室內(nèi)參照石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5971—2016《油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》中的離心法，評(píng)價(jià)了雙保型高溫高密度修井液體系對(duì)目標(biāo)氣田儲(chǔ)層段黏土礦物的防膨性能，修井液密度均為1.80 g/cm3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，雙保型高溫高密度修井液體系在不同實(shí)驗(yàn)時(shí)間條件下對(duì)目標(biāo)氣田儲(chǔ)層段黏土礦物的防膨率均能達(dá)到95%以上，說(shuō)明修井液體系具有良好的防膨性能。

圖4 修井液體系的防膨性能

4.4 與地層水的配伍性

表2為雙保型高溫高密度修井液體系與目標(biāo)氣田儲(chǔ)層段模擬地層水按不同比例混合加熱前后的濁度值實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中地層水的礦化度為18 783 mg/L，水型為NaHCO3，加熱條件為150 ℃、12 h，濁度測(cè)定實(shí)驗(yàn)儀器為散熱光濁度儀。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，修井液體系與地層水按不同比例混合加熱前后的濁度值均低于5NTU，均是澄清透明的狀態(tài)，這說(shuō)明研制的雙保型高溫高密度修井液體系與目標(biāo)氣田儲(chǔ)層段地層水具有良好的配伍性，能夠有效避免修井作業(yè)過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)層造成的二次傷害。

表2 修井液體系與地層水的配伍性

4.5 巖心自吸水性能

室內(nèi)進(jìn)一步評(píng)價(jià)了目標(biāo)氣田儲(chǔ)層段天然巖心在雙保型高溫高密度修井液體系中的自吸水性能，并與1.8 g/cm3可溶性復(fù)合鹽HGBZ基液進(jìn)行了對(duì)比，具體實(shí)驗(yàn)步驟為：將洗油烘干后的天然巖心放入修井液中，稱量不同時(shí)間后巖心重量的變化情況，并與巖心初始重量相比計(jì)算出吸水量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，隨著自吸水實(shí)驗(yàn)時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，巖心自吸水量呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，其中天然巖心在1.8 g/cm3HGBZ基液中的自吸水量明顯高于雙保型高溫高密度修井液體系，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到2880 min時(shí)，天然巖心在雙保型高溫高密度修井液體系中的自吸水量?jī)H為1.2620 g，而在密度為1.8 g/cm3的HGBZ基液中自吸水量則達(dá)到了2.4205 g。這是由于修井液體系中的耐溫抗鹽防水鎖劑HAD-2和抗高溫鍵合劑HJH-2能夠較好地阻止自由水的流動(dòng)，有效降低巖心中毛細(xì)管的吸水量，減弱水鎖和水侵對(duì)目標(biāo)氣田儲(chǔ)層的損害程度。

圖5 巖心自吸水實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.6 儲(chǔ)層保護(hù)性能

室內(nèi)參照石油與天然氣行業(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)方法標(biāo)準(zhǔn)》中無(wú)固相完井液損害油層實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法部分，對(duì)雙保型高溫高密度修井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，巖心被修井液體系污染后，氣測(cè)滲透率恢復(fù)值則可以達(dá)到80%，說(shuō)明在該修井液具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

表3 修井液體系儲(chǔ)層保護(hù)性能評(píng)價(jià)結(jié)果

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研制的雙保型高溫高密度修井液體系在海上X井進(jìn)行了成功應(yīng)用。X井屬于典型高溫高壓井，X井儲(chǔ)層埋深為3105.5 m，地層溫度在140 ℃左右，含氣層位為中孔低滲儲(chǔ)層，2020年4月因更換生產(chǎn)管柱需要對(duì)其進(jìn)行修井作業(yè)，根據(jù)室內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果，為保證修井施工的安全，選擇使用雙保型高溫高密度修井液體系對(duì)X井進(jìn)行壓井施工。根據(jù)X井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際壓力系數(shù)，選擇密度為1.68 g/cm3的修井液進(jìn)行正循環(huán)壓井施工，修井液的總用量為125 m3，X井修井過(guò)程順利，修井液循環(huán)正常，未發(fā)生井下復(fù)雜情況，井下工具及設(shè)備未出現(xiàn)明顯腐蝕。X井修井作業(yè)完成后，產(chǎn)能恢復(fù)率達(dá)到95%以上，說(shuō)明修井液未對(duì)儲(chǔ)層造成明顯傷害。研制的雙保型高溫高密度修井液體系既保證了修井施工的安全，又起到了良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果，達(dá)到了良好的修井效果。

6 結(jié)論

1.海上某氣田屬于典型的高溫、高壓、低滲儲(chǔ)層，后期修井過(guò)程中對(duì)修井液的耐溫性能、密度調(diào)節(jié)能力、抗高溫腐蝕性能以及儲(chǔ)層保護(hù)性能提出了較高的要求。

2.以可溶性復(fù)合鹽加重材料HGBZ為基礎(chǔ)，通過(guò)研制及優(yōu)選性能優(yōu)良的抗高溫緩蝕劑、耐溫抗鹽防水劑以及抗高溫鍵合劑等主要處理劑，研制了一套適合目標(biāo)氣田的雙保型高溫高密度修井液體系。

3.雙保型高溫高密度修井液體系具有良好的基本性能（密度可調(diào)、外觀清潔、黏度適中、結(jié)晶點(diǎn)較低），體系對(duì)13Cr-L80鋼材的腐蝕速率低于0.076 mm/a，防膨率可以達(dá)到95%以上，與地層水具有較好的配伍性，天然巖心在修井液體系中的自吸水量較小，修井液污染后巖心在長(zhǎng)時(shí)間高溫條件下滲透率恢復(fù)值較高（恒溫45 d后滲透率恢復(fù)值可達(dá)92.31%），儲(chǔ)層保護(hù)效果較好。

4.雙保型高溫高密度修井液體系在X井進(jìn)行了成功的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，X井修井過(guò)程順利，未發(fā)生安全事故，并且儲(chǔ)層保護(hù)效果較好，起到了良好的修井效果。