国外保护油气层钻井液技术新进展

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国外保护油气层钻井液技术新进展

吴诗平　鄢捷年

(石油大学　北京　102200)

在油气钻探过程中,钻井液作为第一种入井流体,在对储层实施保护的过程中起着至关重要的作用。在长期的钻井实践中,我国已总结出三大类、共11种保护油气层的钻井液体系[1],但随着时间的推移和钻井难度的增加,保护油气层钻井液技术正面临着进一步发展和更新。近年来,液技术的研究,并已取得了较大进展和成功应用。

1　暂堵型钻井液、完井液体系的对比评价

由于储层具有高渗、天然裂缝发育等特性以及储层衰竭等原因,许多井在钻井、完井和修井过程中都会出现非常大的滤液漏失。J.Dorman 等人[2]分别对通过调整钻井液组分来控制滤失量的方法进行了研究。实验所用的主要仪器为颗粒堵塞测试仪(简称PPA )。该仪器在选择钻井液组分来降低滤失、评价颗粒堵塞情况方面十分有效。

用于室内评价的暂堵型钻井液、完井液体系有:①含有超细盐粒的聚合物体系(SSPF );②含有超细盐粒并加入合成聚合物的抗高温改性钻井液体系(SSPT ΟHT );③含有超细CaCO 3颗粒的聚合物体系(SCPF );④含有微细纤维素固相的聚合物体系(MCPF );⑤含有微细纤维素固相和抑制膨胀的天然聚合物的聚合物体系(MCPF ΟNDSP );⑥增效型聚合物凝胶体系(P GP );⑦增效型交联聚合物凝胶体系(XP GP );⑧抑制膨胀的稳定聚合物凝胶体系(DSP GP )。其对比评价内容包括高温热滚后钻井液滤失量的变化、用PPA 装置评价钻井液的滤失特性(包括瞬时滤失量以及时间与滤失量的变化关系)、正压差与滤失量的关系、动态滤失量等。

对于MCPF 体系,其组分包括黄原胶生物聚合物、PAC ΟHV 、改性淀粉(降滤失剂)、p H 缓冲剂以及微细纤维素。实验表明,该体系的瞬时失水量相对较高,但当泥饼形成后其滤失量能够有效地得以控制。不同的实验压力对SSPF 和SCPF 体系的动滤失量有很大影响,但泥饼厚度均很小。P GP 、XP GP 以及DSP GP 体系也能在不同压力下表现出良好的控制滤失和储层损害的能力,并且聚合物凝胶几乎可以完全阻止钻井液固相和滤液进入储层而造成损害。

在考虑对钻井液体系进行滤失量控制的同时,还必须考虑其流变性,尤其是高温下的流变性是否满足要求。使用Fan Ο50C 高温高压流变仪对SSPF 、SCPF 以及MCPF 体系在不同温度下的流变特性进行了评价。结果表明,随着温度升高,SSPF 和SCPF 体系比MCPF 体系具有更好的假塑性流体特征和低剪切流变特性。

通过实验研究结果的对比分析,得出以下几点认识:

(1)对于高渗储层,使用含有超细盐粒(作为架桥粒子)的聚合物钻井液以及含有超细CaCO 3颗粒的聚合物钻井液,在静态和动态条件下均能有效地控制滤失;

(2)在上述各种钻井液、完井液体系中,SSPF 和SCPF 体系的动滤失量相对较低;

(3)在135℃(275υ)以上的高温下,建议使用具有良好抗高温性的SSPF ΟHT 体系;

(4)MCPF 体系有较高的瞬时滤失量,但在泥饼形成之后滤失性可得到有效控制,而MCPF ΟNDSP 体系能有效地控制瞬时滤失量和高温高压滤失量;

(5)SSPF 和SCPF 体系对于孔隙性储层能有效地控制滤失量,但对于滤失量很高的裂缝性储层,建议在体系中添加微细纤维素(MC )固相粒子进行改进。

2003年 中国海上油气(地质)

CHINA OFFSHORE OIL AND G AS (GEOLO GY ) 第17卷　第4期

2　盐水钻井液设计及其在油气层保护中的应用

Swartwout 和Pearcy [3]论述了盐水钻井液的设计原理及其在油气层保护中的应用。清洁盐水主要用作完井液、修井液以及封隔液,这主要是因为这类流体不需通过悬浮固相来控制静液压力,其优点在于能够有效抑制粘土膨胀和微粒运移,与储层有很好的配伍性。目前,尽管它直接用作钻井液的情况相对较少,但仍然是保护储层工作液的一种重要体系。

盐水钻井液的主要成分是无机盐。常用的无机盐有:N H 4Cl 、NaCl 、NaBr 、HCOONa 、KCl 、K Br 、HCOO K 、CaCl 2、CaBr 2和ZnBr 2等。盐水钻井液的密度可以通过盐浓度来控制,其密度范围为110～215g/cm 3,选择时应考虑对钻井液密度的要求。除无机盐外,盐水钻井液组分中还包括淀粉和(或)各类聚合物,其作用主要是增加凝胶强度和控制失水,淀粉的加入还有助于形成好的泥饼。

211　细目N aCl 颗粒作为暂堵剂的盐水钻井液体系 这类钻井液体系的组分主要有溶解的NaCl 、黄原胶生物聚合物、淀粉以及细目NaCl 盐粒。随着井下温度的升高,悬浮在钻井液中的NaCl 盐粒量会发生一定变化,但由于NaCl 溶解度随温度升高而增加的幅度很小,因此其变化幅度并不很大。

这类钻井液体系具有良好的触变性,泥饼薄而致密,能有效防止滤液和固相侵入。该钻井液体系一般不使用除NaCl 以外的其它无机盐配制盐水,这是因为NaCl 易溶于水,与其它盐类容易发生相互作用,在钻井过程中形成的泥饼也比较容易通过反排和被酸、氧化剂以及欠饱和盐水去除,但其缺点是钻井液密度范围较小,仅在1125～1156g/cm 3之间。若要求钻井液密度低于1125g/cm 3,则架桥粒子的浓度必须降低,从而可能造成储层损害;若要求钻井液密度大于1156g/cm 3,则架桥粒子的浓度应相应增加,这样泥饼厚度将增加,钻井液的流变性也会受到影响。

212　细目C aCO 3颗粒作为暂堵剂的盐水钻井液体系 与细目NaCl 颗粒作为暂堵剂的盐水钻井液体系相比,这类钻井液体系对无机盐的种类有更多的选择,因为CaCO 3不溶于水,因此不必担心作为架桥粒子的CaCO 3和盐水发生相互作用。另外,这类钻井液体系的密度范围较大,一般在1104～2152g/cm 3之间。对于密度下限,体系中已包含了足够的无机盐,足以与储层矿化度相匹配,从而可保持井壁稳定;而对于密度上限,则需使用CaBr 2或者ZnBr 2等无机盐,配制成本会相应增加。

3　保护油气层的仿油基甲基葡萄糖甙钻井液

甲基葡萄糖甙(M EG )钻井液是近年来发展起来的一类环保型的仿油基钻井液[4]。实验研究表明,M EG 钻井液对页岩具有稳定作用,并具有良好的润滑性和降滤失性,对储层的损害程度小,反排渗透率较高。

M EG 钻井液对储层粘土矿物的水化作用有很强的抑制能力,无论是否有粘土颗粒或暂堵剂存在,它都能快速形成低渗且薄的泥饼,从而能够有效地防止和控制储层损害。由于M EG 钻井液体系的油水界面张力很低,钻井液体系中的不溶物可以充当架桥颗粒,因而不仅可以减轻固相和滤液侵入所引起的损害,而且能够有效地减轻因水锁引起的损害。

4　保护油气层的新型油基钻井液

为了防止因润湿性反转而导致的油气层损害,A.D.Patel 等人[5]研制出了一种可转化为水基钻井液的油基钻井液。除了所使用的乳化剂不同以外,这种新型的油基钻井液在组成和性能方面均与常规油基钻井液十分相似。在碱性环境中(如加入石灰),该钻井液中所选用的表面活性剂会形成稳定的油包水乳化钻井液;而在中性或较弱的酸性环境中,则会形成稳定的水包油乳化钻井液。也就是说,通过控制体系的酸碱性,用这种表面活性剂作为乳化剂的钻井液可以很方便地在油包水乳化钻井液和水包油乳化钻井液之间进行互换(图1)。密度为1144g/cm 3的这种新型油基钻井液的典型组成如表1所示。

182第17卷　第4期 吴诗平等:国外保护油气层钻井液技术新进展