南海東部M油田低損害耐溫長(zhǎng)效型完井液分析研究

姚磊,蘇樂

(1.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部深圳作業(yè)公司,廣東 深圳 518054;2.中海油田服務(wù)股份有限公司,廣東 湛江 524007)

南海東部M油田因特殊作業(yè)需求,完井后8～20個(gè)月才能進(jìn)行投產(chǎn)作業(yè)。如果采用常規(guī)的鹽水完井液或者聚合物完井液進(jìn)行完井作業(yè),完井液在高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間靜置,會(huì)發(fā)生高溫降解,其降解后會(huì)大量漏失到地層中。在完井后不投產(chǎn)的條件下,大量外來流體長(zhǎng)時(shí)間滯留在儲(chǔ)層中會(huì)造成各種儲(chǔ)層傷害[1]。要解決上述問題一方面需要采用對(duì)儲(chǔ)層低損害的完井液體系,降低完井液體系對(duì)儲(chǔ)層的損害程度;另一方面需要提高完井液的耐溫長(zhǎng)效性能,保持完井液在長(zhǎng)時(shí)間靜置后的流變、抑制、防腐蝕等性能的穩(wěn)定。

1 低損害完井液研究現(xiàn)狀

1.1 完井液儲(chǔ)層傷害類型

1.1.1 完井液類型

水基完井液體系對(duì)儲(chǔ)層的損害主要是由毛細(xì)管力效應(yīng)和水相圈閉導(dǎo)致的各種敏感性損害,比如濾液與敏感性礦物和地層流體不配伍造成的損害[2]。

油基完井液的濾失量相對(duì)較少,黏土水化膨脹程度較低,對(duì)油氣層的損害比水基鉆井液要低[3]。油基完井液體系對(duì)儲(chǔ)層的損害主要是固相顆粒、潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)和多相流效應(yīng)導(dǎo)致的固相顆粒的沉降、親水性重晶石和黏土聚結(jié)以及體系流變性變化等[4]。

1.1.2 浸泡時(shí)間

水基完井液的濾失量較大,侵入地層濾液量、固相含量會(huì)隨浸泡時(shí)間延長(zhǎng)而增加,濾液和固相侵入儲(chǔ)層地層深度也會(huì)隨地層受到浸泡時(shí)間加長(zhǎng)而增大。而且,濾液與儲(chǔ)層敏感性礦物的反應(yīng)強(qiáng)度也隨濾液浸泡時(shí)間延長(zhǎng)而加大,加劇儲(chǔ)層損害程度。但是,濾液長(zhǎng)時(shí)間浸泡條件下,部分堵塞儲(chǔ)層的有機(jī)物類固相可能會(huì)在高溫下發(fā)生降解,恢復(fù)儲(chǔ)層滲透率[5]。

油基完井液體系對(duì)儲(chǔ)層的損害主要為固相侵入、潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)和多相流效應(yīng),這3種損害類型受浸泡時(shí)間的影響并不明顯。

1.1.3 結(jié)垢

礦化度較高的地層水中會(huì)溶解有大量的鈣、鎂、二價(jià)和三價(jià)鐵等離子,在鉆采時(shí),溫度、壓力下降以及天然氣溢出會(huì)打破原有的化學(xué)平衡,產(chǎn)生碳酸鈣等無(wú)機(jī)結(jié)垢;而且,在油田開發(fā)時(shí),含蠟量較高的原油在遇到較高pH值的流體侵入后,會(huì)導(dǎo)致瀝青從原油中析出,侵入流體的溫度遠(yuǎn)低于油層溫度,石蠟會(huì)從原油中沉淀析出,產(chǎn)生有機(jī)結(jié)垢[6]。

1.1.4 乳化堵塞

完井液濾液和儲(chǔ)層原油接觸會(huì)產(chǎn)生乳化堵塞,一方面是在剪切作用力下原油中的天然表面活性劑會(huì)形成乳化油滴,另一方面完井液濾液中的乳化劑、潤(rùn)濕劑等表面活性劑會(huì)使地層原油產(chǎn)生乳化現(xiàn)象,發(fā)生賈敏效應(yīng),堵塞油層。形成的乳狀液黏度和穩(wěn)定性會(huì)決定發(fā)生乳化堵塞的儲(chǔ)層損害程度[7]。

1.1.5 降解殘?jiān)?/p>

鉆開液經(jīng)破膠后產(chǎn)生大量的殘?jiān)?易堵塞儲(chǔ)層孔喉,增加流體的流動(dòng)阻力,影響投產(chǎn)效果,對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。殘?jiān)吭酱?其傷害程度也越大,低殘?jiān)@開液更利于低滲油氣藏的開發(fā)[8]。

1.1.6 濾餅傷害

隨著鉆開液鉆開儲(chǔ)層,會(huì)在巖心表面形成一定厚度濾餅,濾餅一般比較致密,會(huì)阻礙流體進(jìn)入井筒,降低儲(chǔ)層孔喉導(dǎo)流能力,對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。而完井液在返排過程中,由于地層區(qū)域非均質(zhì)性,濾液返排速度不同,滲透性差的區(qū)域,返排很慢以及不返排,濾液會(huì)滯留在地層造成傷害[9]。

1.1.7 潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)

濾液進(jìn)入儲(chǔ)集層后,有機(jī)類表面活性劑常吸附在一些顆粒的表面,會(huì)改變儲(chǔ)集層巖石的潤(rùn)濕性。比如儲(chǔ)集層原始是親水的,潤(rùn)濕性改變后為親油性,因此當(dāng)水驅(qū)油時(shí),毛細(xì)管力就會(huì)由動(dòng)力變成阻力,影響油田的采收率[10]。

1.1.8 流—固耦合影響

井眼附近儲(chǔ)層孔隙中的流體被排出時(shí),由于低滲透儲(chǔ)層天然能量小、傳導(dǎo)能力差、短時(shí)間難以補(bǔ)足油井能量的消耗,于是壓力下降,而油層孔隙壓力下降相當(dāng)于上覆壓力增大,導(dǎo)致儲(chǔ)層骨架發(fā)生彈—塑性變形而造成孔隙度減小、滲透率降低,壓力對(duì)低滲透油層影響特別強(qiáng)烈[11]。

1.2 低損害完井液種類

1.2.1 無(wú)固相清潔鹽水完井液

無(wú)固相清潔鹽水完井液主要由無(wú)機(jī)鹽類(NaCl、CaCl2、NaBr、CaBr2、ZnBr2等)、水、緩蝕劑、pH值調(diào)節(jié)劑、表面活性劑組成?？捎脽o(wú)損害(損害低)的聚合物提黏度、降失水,改善其造壁性;用表面活性劑和防腐蝕劑改善性能。優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)水敏礦物有強(qiáng)抑制性,缺點(diǎn)是清潔鹽水黏度低、攜屑能力差、清洗炮眼效果不好[12]。

1.2.2 有機(jī)鹽完井液

有機(jī)鹽完井液主要是由堿金屬(Na、K等)的甲酸鹽、聚合物增黏劑和降濾失劑等組成。通過加入的有機(jī)鹽來調(diào)節(jié)密度,基液的最高密度可達(dá)2.3 g/cm3,可根據(jù)油氣層的壓力和完井液的設(shè)計(jì)要求予以調(diào)節(jié)。主要有毒性小、安全環(huán)保,高密度下易實(shí)現(xiàn)低固相、低黏度,高礦化度鹽水能預(yù)防黏土水化膨脹、分散運(yùn)移,鹽水不含鹵化物,不需緩蝕劑,腐蝕速率極低,儲(chǔ)層傷害小等優(yōu)點(diǎn)[13]。

1.2.3 暫堵型聚合物完井液

暫堵型聚合物完井液主要由暫堵劑、水溶性聚合物、高價(jià)鋁、鎂等金屬離子羥基化多核絡(luò)合物增黏劑等組成。暫堵劑可在后期通過酸溶等方法消除。

根據(jù)固體顆粒的溶解性,可以將完井液體系分為酸溶性體系、水溶性體系和油溶性體系。酸溶性體系主要是有機(jī)聚合物碳酸鈣完井液,水溶性體系由飽和鹽水、聚合物、鹽粒和相應(yīng)的添加劑組成,油溶性體系由油溶性樹脂、鹽水、聚合物添加劑組成[14]。

1.2.4 PRD弱凝膠完井液

PRD鉆開液利用聚合物之間的協(xié)同效應(yīng),不加交聯(lián)劑,成膠溫度和成膠時(shí)間要求低,所形成的弱凝膠在低剪切速率下具有高的黏度,井眼凈化性能較強(qiáng),可以在近井壁形成聚合物泥餅儲(chǔ)層保護(hù)效果明顯[15]。

1.2.5 UltraFLO可直接返排完井液

UltraFLO體系是在PRD鉆開液基礎(chǔ)上發(fā)展的一種不需要破膠可直接返排完井液。該體系的各種處理劑能夠被完全液化,不需要進(jìn)行單獨(dú)的破膠處理,減少了作業(yè)程序和作業(yè)周期,降低了鉆完井液漏失的井控風(fēng)險(xiǎn),最大限度保護(hù)了儲(chǔ)層。

1.2.6 高密度無(wú)黏土低固相油基完井液

M-I公司為了解決固相污染儲(chǔ)層問題,開發(fā)了兩種分別以溴化鈣鹽水和甲酸銫鹽水為分散相的高密度無(wú)黏土低固相油基完井液體系。溴化鈣鹽水完井液體系的封堵性、抗溫性和儲(chǔ)層保護(hù)性能較強(qiáng),應(yīng)用于挪威Aasgard油田;甲酸銫鹽水完井液是固相含量由22%降低到1%的低固相油基完井液,密度可達(dá)1.66 g/cm3,在Statfjord油田進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用,完井后油井產(chǎn)能提高[16]。

1.2.7 Mn3O4儲(chǔ)層專打鉆完井液

哈利伯頓公司開發(fā)了一種不含有機(jī)土,由Mn3O4、CaCO3加重和纖維類增黏劑增黏的無(wú)黏土油基鉆井液。體系的抗溫可達(dá)204 ℃,加重密度可達(dá)2.2 g/cm3,高溫高壓濾失量低,克服了油基鉆井液高溫、高壓和高密度條件固相加重材料沉降的難題[17]。

1.3 低損害完井液發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過對(duì)完井液儲(chǔ)層損害類型以及現(xiàn)有的儲(chǔ)層保護(hù)完井液技術(shù)總結(jié)和分析,可以認(rèn)識(shí)到完井液不可避免會(huì)對(duì)地層造成傷害,降低油氣開采效率。但是可以通過開發(fā)儲(chǔ)層保護(hù)性強(qiáng)的完井液技術(shù)降低儲(chǔ)層傷害程度。無(wú)固相清潔鹽水完井液、有機(jī)鹽完井液、暫堵型聚合物完井液等完井液技術(shù)均能起到良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果,但是,實(shí)際井下情況復(fù)雜、油氣層并不單一、套管程序限制無(wú)法采用專用完井液,只有采用能對(duì)付井下各種復(fù)雜情況的鉆井液加以改型,以達(dá)到既保證鉆進(jìn)的正常進(jìn)行,又能保護(hù)油氣層。

改型鉆井液作完井液,多是以如何盡量減少鉆井液對(duì)油層損害為基礎(chǔ),使它對(duì)油氣層的損害減到最小,優(yōu)點(diǎn)在于成本低、工藝簡(jiǎn)單、對(duì)井身結(jié)構(gòu)和鉆井工藝沒有特殊要求。以上部地層用的鉆井液為基礎(chǔ),結(jié)合儲(chǔ)層損害因素、儲(chǔ)層保護(hù)要點(diǎn)與措施,按保護(hù)油氣層的要求對(duì)其改性,形成儲(chǔ)層保護(hù)性強(qiáng),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果好的完井液體系。主要方法有:

1)降低鉆井液中黏土和其他固相含量、調(diào)節(jié)固相粒子級(jí)配,減少小于1 μm的亞微粒子數(shù)量,避免了高分散的黏土顆粒侵入儲(chǔ)層,有利于儲(chǔ)層保護(hù);

2)調(diào)整無(wú)機(jī)離子種類使與地層水中離子種類相似,使完井液液相與油氣層水配伍;

3)提高完井液礦化度達(dá)到臨界礦化度以上,調(diào)整完井液活度;

4)選用酸溶性或油溶性暫堵劑,加入級(jí)配碳酸鈣、Mn3O4等可酸化加重劑,樹脂、石蠟、瀝青類產(chǎn)品等油溶類處理劑,后期可通過酸溶、油溶、遇油破乳、可揮發(fā)等方法降低儲(chǔ)層傷害程度;

5)通過使用改性淀粉、殼聚糖、纖維素衍生物等多糖、植物油等可降解生物毒性低處理劑,完井液對(duì)環(huán)境無(wú)損害和污染,或污染可清除。

2 完井液高溫長(zhǎng)效性能影響分析

2.1 高溫長(zhǎng)時(shí)間靜置儲(chǔ)層潛在損傷因素

完井液需要在高溫條件下浸泡儲(chǔ)層長(zhǎng)達(dá)8～20個(gè)月,可能造成完井液性能惡化、引發(fā)井下復(fù)雜以及存在各種潛在儲(chǔ)層傷害。

2.1.1 聚合物處理劑性能影響

完井液體系常用的,如聚胺抑制劑PF-UHIB、聚丙烯酰胺類包被劑PF-PLH、聚陰離子纖維素降失水劑PF-PAC等處理劑都是高分子聚合物。在長(zhǎng)期高溫靜置條件下,高分子聚合物的主鏈和支鏈易斷裂,發(fā)生高溫水解,導(dǎo)致處理劑相對(duì)分子質(zhì)量降低。完井液的抑制、包被、降濾失等性能和抗污染能力也發(fā)生破壞惡化,引發(fā)井下復(fù)雜事故[18]。

2.1.2 油套管腐蝕產(chǎn)物影響

隨著溫度的升高油套管材料的抗腐蝕性下降,緩蝕劑也可能會(huì)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間失效。所以,長(zhǎng)時(shí)間高溫條件下完井液對(duì)油套管的腐蝕性更大。而且,腐蝕產(chǎn)物(如硫化亞鐵和氫氧化亞鐵)易與地層水中成垢離子(如鈣、鎂)反應(yīng)生成污垢,造成管道堵塞和儲(chǔ)層傷害[19]。

2.1.3 低滲儲(chǔ)層水鎖損害

部分低滲透儲(chǔ)層的完井液長(zhǎng)時(shí)間高溫條件下,完井液濾液會(huì)在毛管力自吸作用下侵入地層。隨著浸泡時(shí)間加長(zhǎng),滯留在地層的液體,也會(huì)在毛管力自吸作用下侵入更深儲(chǔ)層,使得儲(chǔ)層滲透率大幅下降,造成嚴(yán)重的儲(chǔ)層水鎖損害。

2.1.4 儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度影響

長(zhǎng)時(shí)間浸泡過程中完井液固、濾液相會(huì)持續(xù)侵入地層,侵入油氣層中的數(shù)量隨完井液浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,完井液液相浸泡會(huì)使儲(chǔ)層巖石膠結(jié)物破壞、強(qiáng)度降低、引起出砂等事故,固相細(xì)顆?；虺?xì)顆粒會(huì)侵入儲(chǔ)層造成損害。

2.1.5 完井液降解產(chǎn)物影響

完井液中添加大量的高分子聚合物處理劑在長(zhǎng)時(shí)間高溫靜置后會(huì)發(fā)生降解,產(chǎn)生的降解殘余物不僅會(huì)破壞完井液的性能,還可能會(huì)對(duì)油層產(chǎn)生損害。

2.2 提高完井液耐溫長(zhǎng)效性能方法

提高完井液聚合物處理劑、黏土的高溫穩(wěn)定性以及使用除氧劑、過氧自由基去除劑、殺菌劑、表面活性劑、金屬離子絡(luò)合劑等處理劑,均能夠提高水基鉆井液的耐溫長(zhǎng)效性能。

2.2.1 提高聚合物處理劑高溫穩(wěn)定性

完井液聚合物處理劑在長(zhǎng)時(shí)間高溫條件下易發(fā)生熱分解、熱水解以及氧化降解作用,提高處理劑的高溫穩(wěn)定性的方式主要包括化學(xué)合成優(yōu)化聚合物分子結(jié)構(gòu)以及物理復(fù)合改變分子間作用力。

聚合物的分子結(jié)構(gòu)決定著它的性能,可以通過選用熱穩(wěn)定性強(qiáng)的主鏈結(jié)構(gòu)(碳-碳主鏈等)、引入某些剛性側(cè)基(多環(huán)等)和抗水解能力強(qiáng)的單體單元(磺酸基、羧基等)來提高聚合物的高溫穩(wěn)定性;也可以通過某些外加劑協(xié)同,通過氫鍵、疏水基團(tuán)締合、靜電作用以及共價(jià)鍵微交聯(lián)等方式改變聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu),提高高溫穩(wěn)定性[20]。

2.2.2 提高黏土高溫穩(wěn)定性

完井液長(zhǎng)時(shí)間高溫靜置黏土和處理劑容易發(fā)生高溫解吸附和高溫去水化作用,導(dǎo)致完井液的流變性能和濾失性能發(fā)生惡化。目前常通過使用黏土穩(wěn)定劑來提高黏土的高溫穩(wěn)定性能。黏土穩(wěn)定劑分子中應(yīng)有陽(yáng)離子,聚合物的陽(yáng)離子基團(tuán)吸附能力強(qiáng),能抑制黏土顆粒的高溫分散能,與有機(jī)處理劑形成絡(luò)合物,還能與帶負(fù)電荷的黏土表面發(fā)生牢固且受溫度影響較小的靜電吸附;同時(shí),穩(wěn)定劑分子中的主要水化基團(tuán)應(yīng)選用親水性強(qiáng)的離子基(磺酸基、磺甲基等),陰離子基團(tuán)有利于處理劑吸附在黏土顆粒表面后能形成較厚的水化膜,使完井液具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性[21]。

2.2.3 除氧劑、過氧自由基去除劑、殺菌劑

完井液中添加除氧劑、過氧自由基去除劑可以去除完井液中的溶解氧和過氧自由基,緩解氧化降解作用對(duì)高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物的破壞作用以及完井液對(duì)油套管的腐蝕作用。殺菌劑主要滅殺石油鉆完井產(chǎn)生的腐生菌和硫酸鹽還原菌。腐生菌能夠生物降解淀粉類、纖維素類、生物聚合物類有機(jī)處理劑,使完井液處理劑失效;硫酸鹽還原菌能將硫酸鹽還原成硫化氫,產(chǎn)生有毒臭味,腐蝕井下工具[22]。

2.2.4 表面活性劑、金屬離子絡(luò)合劑

在完井液中加入表面活性劑可以增加黏土顆粒的分散度,增強(qiáng)黏土護(hù)膠聚合物在黏土顆粒上吸附能力,表面活性劑還可與聚合物處理劑形成絡(luò)合物,抑制長(zhǎng)時(shí)間高溫條件下聚合物分子鏈的卷曲。金屬離子絡(luò)合也能有效絡(luò)合高階金屬離子,消除金屬離子引起的聚合物卷曲,使完井液體系黏度保持穩(wěn)定[23]。

3 結(jié)論與建議

1)完井液對(duì)儲(chǔ)層損害除了常見的水鎖、水敏、固相堵塞損害,還主要存在以下?lián)p害因素:(1)完井液類型的影響;(2)浸泡時(shí)間;(3)有機(jī)垢、無(wú)機(jī)垢;(4)乳化堵塞;(5)降解后殘?jiān)?(6)濾餅傷害;(7)潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)。

2)無(wú)固相清潔鹽水完井液、有機(jī)鹽完井液、暫堵型聚合物完井液等完井液技術(shù)均能起到良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果,但是現(xiàn)場(chǎng)完井液體系一般是以上部地層用的鉆井液為基礎(chǔ),結(jié)合儲(chǔ)層損害因素、儲(chǔ)層保護(hù)要點(diǎn)與措施,按保護(hù)油氣層的要求對(duì)其改性,形成儲(chǔ)層保護(hù)性強(qiáng),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果好的完井液體系。

3)完井液在高溫長(zhǎng)時(shí)間靜置條件下主要存在以下儲(chǔ)層潛在損傷因素:(1)處理劑高溫降解,引發(fā)井下復(fù)雜;(2)完井液腐蝕油套管,腐蝕產(chǎn)物堵塞儲(chǔ)層;(3)長(zhǎng)時(shí)間浸泡低滲儲(chǔ)層水鎖傷害;(4)完井液固、濾液相持續(xù)侵入地層,降低儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度,堵塞地層空隙;(5)完井液降解后產(chǎn)物堵塞傷害儲(chǔ)層。

4)M油田長(zhǎng)效耐高溫完井液體系構(gòu)建可以以上部地層用的鉆井液為基礎(chǔ),結(jié)合儲(chǔ)層損害因素、儲(chǔ)層保護(hù)要點(diǎn)與措施,按保護(hù)油氣層的要求進(jìn)行改性。再根據(jù)M油田儲(chǔ)層資料和油田現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,油田潛在的儲(chǔ)層損害因素,提高聚合物處理劑熱穩(wěn)定性,添加黏土穩(wěn)定劑、除氧劑、過氧自由基去除劑、殺菌劑、表面活性劑、金屬離子絡(luò)合劑等處理劑,形成儲(chǔ)層保護(hù)性強(qiáng),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果好的低損害耐溫長(zhǎng)效型完井液體系。