新型無(wú)固相鉆井液體系研究新進(jìn)展

摘 要

摘要：甲酸鹽鉆井液是一種新型無(wú)固相鉆完井液體系，具有密度易調(diào)且范圍寬(1.0～2.3g/cm3)、高溫穩(wěn)定性好(225℃)、抑制性強(qiáng)、可增強(qiáng)頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的特性，高密度下具有優(yōu)良的流動(dòng)性。
摘要：甲酸鹽鉆井液是一種新型無(wú)固相鉆完井液體系，具有密度易調(diào)且范圍寬(1.0～2.3g/cm3)、高溫穩(wěn)定性好(225℃)、抑制性強(qiáng)、可增強(qiáng)頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的特性，高密度下具有優(yōu)良的流動(dòng)性。為解決我國(guó)西部地區(qū)山前構(gòu)造帶復(fù)雜深井高密度鉆井液使用成本高的難題，調(diào)研了國(guó)內(nèi)外甲酸鹽鉆井液技術(shù)。提出采用密閉循環(huán)或經(jīng)凈化后回收再利用的方法來(lái)降低甲酸鹽鉆井液的使用成本，并加入少量適合的加重劑以形成濾餅來(lái)保護(hù)井壁的穩(wěn)定，降低了深井、超深井鉆井液的使用成本。該研究成果為我國(guó)西部地區(qū)山前構(gòu)造帶復(fù)雜深井、超深井鉆井液體系的選擇提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：深井；超深井；甲酸銫；甲酸鹽；高溫；高壓；甲酸鹽鉆井液；無(wú)固相鉆井液
    甲酸鹽鉆井液是一種新型的環(huán)保型鉆井液，在環(huán)保、儲(chǔ)層保護(hù)、抑制地層流變性以及抗高溫、抗污染方面都有顯著優(yōu)點(diǎn)，較之常用的鹵鹽無(wú)固相鉆完井液具有更優(yōu)越的特性[1]，是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前，甲酸鹽鉆完井液主要用于高溫、高壓井、水平井、長(zhǎng)延伸鉆井等復(fù)雜條件下的鉆井，工程上采用密閉循環(huán)或經(jīng)凈化后回收再利用的方法降低甲酸鹽的成本，并加入少量適合的加重劑以形成濾餅來(lái)保護(hù)井壁的穩(wěn)定。筆者介紹了國(guó)內(nèi)外的研究應(yīng)用情況，特別是Cabot公司在甲酸鹽鉆完井液的研究進(jìn)展。
1 甲酸鹽水溶液的物理性質(zhì)
1.1 NaCOOH、KCOOH、CsCOOH的基本物性
目前，用于鉆井和完井的3種甲酸鹽水溶液的基本物性如表1所示。
表1 甲酸鹽水的基本物性表(20℃)
種類
飽和濃度(%)
最高密度(g/cm3)
黏度(mPa·s)
結(jié)晶點(diǎn)(℃)
pH值
NaCOOH
45
1.34
7.1
-23
9.4
KCOOH
76
1.60
10.9
-40
10.6
CsCOOH
83
2.37
2.8
-57
9.0
1.2 甲酸鹽水密度
甲酸鹽水的密度為1.00～2.37g/cm3，包括了鉆井和完井過程中的密度要求，甲酸鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)與密度的關(guān)系[2]如圖1所示。
 
1.3 甲酸鹽水密度控制
    目前，鉆井工程使用1.57g/cm3的甲酸鉀鹽水和2.20g/cm3的甲酸銫鹽水混合來(lái)達(dá)到鉆井工程所要求的密度[2～5]。為了得到低密度(1.57～2.0g/cm3)低結(jié)晶溫度的甲酸鹽水，現(xiàn)場(chǎng)使用清水稀釋高密度甲酸鉀和甲酸銫混合鹽水來(lái)實(shí)現(xiàn)；為了得到密度為2.0～2.2g/cm3低結(jié)晶溫度的甲酸鹽水，現(xiàn)場(chǎng)使用清水稀釋甲酸銫鹽水來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1.4 甲酸鹽水溶液的黏度
    甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫這3種鹽水的黏度隨密度的變化關(guān)系[2]如圖2所示。
 
2 甲酸鹽鉆井液的基本性能
2.1 甲酸鹽鉆井液樣品配方及基本性能
    甲酸鹽鉆井液樣品配方[3]：甲酸鹽水+0.1%～0.25%pH緩沖溶液+0.1%～0.15%HT耐高溫淀粉+0.1%黃原膠+0.1%～0.15%超低黏聚陰離子纖維素+1%碳酸鈣。
    由樣品性能(表2)可以看出，甲酸鹽鉆井液具有優(yōu)異的性能，尤其是高溫高壓失水很小。
表2 甲酸鹽鉆井液樣品基本性能表1)
密度(g/cm3)
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
2.20
表觀黏度(mPa·s)
28
39
37
27
29
27
塑性黏度(mPa·s)
14
17
24
17
17
17
動(dòng)切力(Pa)
12
22
13
10
12
10
高溫高壓失水(mL)
8.2
9.6
10.2
10.2
10.6
10.4
注：1)150℃熱滾16h后的性能，HTHP。
2.2 甲酸鹽鉆井液抗高溫穩(wěn)定性能
    甲酸鹽鉆井液體系用于高溫(大于150℃)鉆井工程，甚至井底溫度高達(dá)225℃，并順利完成施工。
    1) 甲酸鹽鉆井液抗溫性室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。為了測(cè)試甲酸鹽鉆井液在極端溫度和壓力下的穩(wěn)定性。分別在壓力為34MPa和41MPa、溫度為270℃下，對(duì)甲酸鹽水進(jìn)行了抗高溫測(cè)試(表3)。
除高濃度甲酸鉀鹽水的黏度相對(duì)較高之外，其余2種鹽水的黏度都不高。   
表3 甲酸鹽鉆井液抗高溫分解性能表
壓力(MPa)
溫度(℃)
分解率(%)
34
270
15
41
270
13
2) 甲酸鹽鉆井液抗溫性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。使用密度為2.145g/cm3的甲酸鹽鉆井液對(duì)Kvitebjorn氣田一口高溫高壓井(井深為5000m，井底溫度為236℃，壓力超過96MPa)進(jìn)行了施工。由于井下事故，該井中斷施工39d。于是，分別提取39d后不同井深的甲酸鹽鉆井液進(jìn)行分析(表4)。
表4 不同井深甲酸鹽鉆井液在高溫作用39d后的分解率表
樣品
井深(m)
溫度(℃)
密度(g/cm3)
pH值
滴定分析
碳酸根(mol/L)
碳酸氫根(mol/L)
變化量(mol/L)
分解率(%)
 
 
 
2.150
10.88
0.24
0.04
0
0
1
288
＜130
2.144
10.62
0.23
0.05
0.00
0.0
2
3195
134
2.142
10.63
0.22
0.05
-0.01
-0.1
3
3529
148
2.144
10.63
0.23
0.06
0.10
0.1
4
3839
160
2.138
10.59
0.22
0.06
0.00
0.0
5
4496
185
2.144
10.40
0.23
0.09
0.04
0.40
6
5198
222
2.148
9.98
0.23
0.22
0.17
1.7
    從表3、4可看出，甲酸鹽鉆井液在高溫高壓下的分解率不會(huì)對(duì)甲酸鹽鉆井液性能造成大的影響。
2.3 甲酸鹽鉆井液潤(rùn)滑性研究進(jìn)展
    鉆井液的潤(rùn)滑性已成為一個(gè)日益重要的因素。從實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果(圖3)可看出，甲酸鹽鉆井液具有很好的潤(rùn)滑性。
2.4 甲酸鹽鉆井液水力學(xué)性能
甲酸鹽鉆井液最大限度地降低了開泵時(shí)的瞬時(shí)峰壓、起下鉆時(shí)的抽汲激動(dòng)壓力和循環(huán)壓力損失。Huldra A4井和A4ST井的循環(huán)當(dāng)量密度比較見表5，甲酸鹽水鉆井液與常規(guī)鉆井液典型水力學(xué)對(duì)比(圖4)。
 
表5 ECD Huldra A4和A4ST側(cè)鉆表1)
排量(L/min)
ECD鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度(g/cm3)
油基鉆井液
甲酸鹽
600
1.99
1.95
1000
2.00
1.95
注：1)靜態(tài)當(dāng)量密度為1.90g/cm3。
2.5 頁(yè)巖穩(wěn)定性
    甲酸鹽鉆井液具有穩(wěn)定頁(yè)巖的作用：①甲酸鹽鉆井液濾液黏度高，水不易進(jìn)入頁(yè)巖；②低滲透頁(yè)巖相當(dāng)于半透膜，在高濃度的鹽水體系中，其滲透壓可使頁(yè)巖孔隙中水反向流動(dòng)，有利于井壁穩(wěn)定。頁(yè)巖回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。
表6 不同鉆井液體系滾動(dòng)回收率的對(duì)比表 %
鉆井液類型
回收率
10目
20目
40目
80目
蒸餾水
2.39
20.46
25.26
30.19
甲酸鹽鉆井液
46.83
60.08
70.12
73.13
K2SO4鉆井液
39.36
55.17
61.19
66.27
正電膠鉆井液
17.42
—
—
94.94
油基鉆井液
86.46
—
—
93.72
甲酸鹽鉆井液的回收率相對(duì)較高，抑制性好于正電膠鉆井液，但仍低于油基鉆井液。
2.6 抗固相污染能力
    測(cè)量了用赤鐵礦加重到2.3g/cm3的甲酸鹽鉆井液的抗固相污染容限，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
    甲酸鹽鉆井液體系固相污染容限很高，比油基和假油基體系高很多，污染后性能穩(wěn)定。
2.7 儲(chǔ)層保護(hù)機(jī)理
    1) 無(wú)固相加重劑，避免了有害固相損害儲(chǔ)層。
    2) 避免了二價(jià)鹽離子與地層流體形成沉淀。
    3) 可大幅度地減少結(jié)垢和乳化液堵塞。
    4) 不含有潤(rùn)濕劑，消除了儲(chǔ)層潤(rùn)濕性變化風(fēng)險(xiǎn)。
    5) 濾餅薄且致密，可在較低的生產(chǎn)壓差下解除。
3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
    挪威北海Kvitebjorn氣井的儲(chǔ)層段采用甲酸鹽鉆井液[5]。將密度為2.20g/cm3的甲酸銫鹽水與密度為1.57g/cm3的甲酸鉀鹽水相混合達(dá)到要求的密度為2.015g/cm3。具體配方與性能見表7。
表7 Kvitegjorn氣田使用的甲酸鹽鉆井液配方與性能表
配方
加量
性能
CsFo(2.2g/cm3)
1228
密度(g/cm3)：2.015(50℃)
KFo(1.57g/cm3)
271
pH值：9～11
微纖維纖維素
54.5
塑性黏度(mPa·s)：＜20
聚丙烯酰胺
1.43
動(dòng)切力(Pa)：＜15
改性淀粉
5.7
高溫高壓失水(mL)：＜7.5
    在Kvitebjorn氣井的Ø215.9mm儲(chǔ)層段成功鉆至總井深。該儲(chǔ)層段(50%泥巖和50%砂巖)，用甲酸鹽鉆井液鉆過大段泥巖夾層時(shí)，未發(fā)生井壁沖蝕，使用甲酸鹽鉆井液僅在煤層段發(fā)生井徑擴(kuò)大。
4 結(jié)束語(yǔ)
    甲酸鹽鉆、完井液技術(shù)是一種解決我國(guó)西部地區(qū)山前構(gòu)造帶復(fù)雜深井鉆井難題的有效技術(shù)，建議開展甲酸鹽高密度無(wú)固相鉆井液體系的應(yīng)用研究和高密度無(wú)固相鉆井液體系回收、密閉循環(huán)系統(tǒng)的研究，以實(shí)現(xiàn)上述地區(qū)高溫、高壓井的安全高效鉆井。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：劉程1 李銳2 張光華1 黃楨3 1.西南石油大學(xué)；2.四川大學(xué)；3.中國(guó)石油西南油氣田公司)