【钻井液滤失性】静滤失性的特点

摘要 在水基钻井液中加入一定量的零滤失井眼稳定剂可以形成超低渗透钻井液。介绍了超低渗透钻井液提高地层承压能力及防漏堵漏的机理。超低渗透钻井液对不同孔隙的砂岩、岩心和裂缝性地层具有很好的封堵能力, 可以实现近零滤失; 零滤失井眼稳定剂通过在井壁表面形成超低渗透膜及增强内泥饼封堵强度大幅度提高岩心承压能力。在大港油田和辽河油田多口井的现场应用中, 超低渗透钻井液在长裸眼多压力层系或压力衰竭地层防止了漏失、卡钻和坍塌的发生, 表明超低渗透钻井液能自适应封堵岩石表面较大范围的孔喉, 在井壁岩石表面形 成致密超低渗透封堵薄层, 可有效封堵不同孔喉地层和微裂缝泥页岩地层。超低渗透钻井液封堵隔层承压能力强, 能提高漏失压力和破裂压力梯度, 相当于扩大了安全密度窗口

关键词 超低渗透钻井液 封堵 地层承压能力 岩心滤失量 安全密度窗口 随着世界石油工业的迅速发展, 钻井的数量、速度和深度均显著增加, 所钻穿的地层更加复杂多样, 裸眼也越来越长, 因此对钻井液性能提出了更高的要求[ 1-3 ]。钻井过程中遇到的地层越来越复杂, 在钻遇压力衰竭地层、裂缝发育地层、破碎或弱胶结性地层、低渗储层以及深井长裸眼大段复杂泥页岩和多套压力层系等地层时, 压差卡钻、钻井液漏失和井壁垮塌等复杂问题以及地层损害问题非常突出。石油工业油井建设的最终目标是实现无损害钻井。长期实践表明, 利用传统的钻井液体系, 往往顾此失彼, 难以同时解决以上复杂问题。为此, 近年来国外学者提出并开发出了超低渗透钻井液体系。

1 超低渗透钻井液的性能特点

1. 1 独特的表面化学原理

超低渗透钻井液利用独特的表面化学原理, 在渗入到井壁岩石表面微裂缝或孔喉处时, 形成很薄的滤饼, 增大地层破裂压力, 如升至27. 58 MPa 。

1. 2 很低的动滤失

超低渗透钻井液限制滤液渗入岩石的深度, 不是依赖钻井液形成的固相滤饼, 而是通过封堵地层的裂缝和孔隙来控制。超低渗透钻井液不仅具有传统钻井液的优良性能, 而且具有传统钻井液所不具备的优异性能: ①很低的动滤失性能, 可防止钻井液进入页岩; ②可封闭页岩裂隙, 防止钻井液向地层的渗透; ③钻井液的滤失量不是时间的平方根的函数。

1. 3 有封堵膜

超低渗透钻井液中的小颗粒在渗透性或微裂缝地层形成封闭膜, 并在压差的作用下附着于井壁上。

1. 4 渗透率恢复值高

酸溶测试结果表明, 超低渗透钻井液形成的滤饼有98 %～99 %可以被清除掉, 在压力反转的情况下可自动脱落; 岩心渗透率恢复值大于95 % ,有利于提高产能。

1. 5 利于环境保护

超低渗透钻井液所有产品都通过了美国环保署的L C 50测试, 其毒性数据大于1000000 mg/ L ;在北海也通过了环保鉴定。在环境保护要求高的地区, 该钻井液可以代替油基钻井液使用。

2 评价方法

用渗透率为250 ×10 - 3 ～300 ×10 - 3μm2 的砂岩岩心和1 # 配方钻井液(配方如下) 进行评价。1 # 5 %膨润土+ 0. 2 %NW21 + 0. 1 %大阳离子CHM + 0. 2 %阳离子降滤失剂HS21 + 1. 5 %超低渗透剂

2. 1 侵入时间

侵入时间是超低渗透剂形成有效屏蔽层所需的时间。评价方法为:在可视式中压砂床滤失试验中, 先用蒸馏水将石英砂饱和, 然后倒入钻井液, 加压至0. 7 MPa 并记录时间至不再有液滴流出, 此时间为侵入时间。侵入时间越短, 表明形成有效封堵层的时间越短, 井壁越稳定, 储层保护效果越好。根据储层保护的需要和常规钻井液情况, 如侵入时间大于15min ,处理剂应不属于超低渗透剂范畴。在现场施工 中, 超低渗透剂的加量一般为1 %～2 %。不同超低渗透剂的侵入时间试验结果见图1。由图1 看出, 随超低渗透剂加量的增加, 侵入时间逐步下降, 当加量大于5 %后, 各种超低渗透剂的侵入时间趋于稳定。

图1 不同超低渗透剂的侵入时间

2. 2 侵入深度

侵入深度分为初始侵入深度和最终侵入深度, 初始侵入深度指在可视中压砂床滤失的前7 min 钻井液的侵入深度; 最终侵入深度指不再有液相浸出时的超低渗透钻井液侵入深度。测定方法为:在可视式中压砂床滤失试验中, 评价液(基准钻井液) 中加入惰性有色颜料(便于观察) , 观察、测量液相、固相侵入的深度, 评价其对储层的伤害程度。测定液相时, 将液相染色; 测定固相时, 将固相微粒染色。侵入深度越小, 表明对储层的伤害越小, 井壁稳定性越好。不同渗透剂在不同加量下的侵入深度试验结果见图2 。由图2 可以看出, 随超低渗透剂加量的增加, 侵入深度降低, 但当在超低渗透剂加量大于3 %后, 侵入深度不再明显降低。钻井液密度小于

1. 20g/ cm3 时, 侵入深度随密度的升高而减小; 密度大于1. 20 g/ cm3 时, 侵入深度无明显变化。

2. 3 侵入量

侵入量是指钻井液形成有效封堵层时, 钻井液中的液相、固相的侵入量。钻井液的侵入量越低, 其封堵效果越好, 具有更好的井壁稳定和储层保护效果。测量方法: ①称取石英人工岩心的重量( G1 ) ;

②在形成有效封堵层时读出液相和固相侵入

深度, 然后取出岩心称重( G2 ) ,将岩心在烘干炉中烘干, 称岩心重量( G3 ) , G2 - G1 为总侵入量, G2 - G3 为侵入的液相量,G3 - G1 为侵入的固相量。用1 # 配方评价不同渗透剂的侵入量, 结果见表1 。由表1 看出, 超低渗透钻井液的渗透量不为零, 但比没有加超低渗透剂钻井液的侵入量降低90 %以上。

2. 4 承压能力

将岩心装入高温高压岩心降滤失仪中的岩心夹持器中, 加热至需要温度, 将配好的钻井液加入杯中, 用手压泵加压至0. 7 MPa ,平流泵加压至4. 2MPa ,计时, 并接取滤液30 min 后读取接液杯中的滤失量。如没有滤失量, 待岩心夹持器冷却后, 取下岩心, 量取滤液进入岩心的深度。将测定滤失量后的岩心取下, 刮去岩心表面的滤饼, 重新装入岩心夹持器中, 将杯中换成清水, 加压, 用平流泵逐渐加压直至滤液接收杯中有液滴流出时, 此时平流泵压力即为岩心的承压能力。承压能力越高, 封堵能力越强, 井壁稳定性越好。不同超低渗透剂加量下滤饼的承压能力见表2 。由表2 可以看出, 当超低渗透剂加量大于2 %后, 承压能力趋于稳定, 一般为9～10MPa ,表明适宜的超低渗透剂加量为2 %。 [ 6]

2. 5 膜密封强度

在可视式砂床中压滤失仪中装入标准人工石英砂岩岩心, 慢慢加入250 mL 钻井液, 按测定滤失量的方法加压至0. 75 MPa 后, 测量滤失量或滤液侵入砂床的深度。然后倒出钻井液, 缓慢倒入清水, 测定加入超低渗透井眼稳定剂后形成的泥饼对清水的封堵能力。在相同时间内, 承压越高, 封堵性越强; 在相同压力条件下, 形成零渗透封堵层时间越短, 封堵能力越强。用1 # 配方测量出DLS206 、FCL2000 、BST21 、LXJ21 、FL G、GNP21 、CMF 和J YW21 的膜密封强度分别为0. 82 、0. 92 、1. 07 、1. 08 、1. 32 、1. 33 、1. 49 和1. 62 MPa 。目前使用的各种超低渗透剂的膜密封强度在1 MPa 左右, 具有较强的成膜封堵能力。

3 超低渗透剂作用机理探讨

通过以上对超低渗透剂的评价试验及影响因素的分析, 得出超低渗透剂的作用机理主要有以下几方面。

1) 渗透膜及膜成长机理。在一定的温度、压力下, 超低渗透钻井液能在孔隙介质表面形成一定厚度的致密超低渗透封堵薄层, 有效封堵不同渗透性地层和微裂缝泥页岩地层; 在井壁的外围形成保护层, 使钻井液及其滤液不会渗入地层中, 实现了近零滤失钻井, 防止地层内黏土颗粒的运移和钻井液滤液与地层中黏土矿物发生作用引起的井眼缩径、垮塌等井壁失稳问题。为了更好地模拟井下情况, 进行了岩心动态成膜实验。试验表明: ①在一定压力下, 超低渗透剂浓度越大, 形成膜的速度越快, 膜也越厚, 其封堵能力越强, 当超低渗透剂加量达5 %时, 能见清晰的隔离膜; ②膜的形成是一个动态过程, 随循环时间的延长, 膜增厚, 强度增大, 当胶束粒径达5. 6μm 后, 膜厚度不再增加; 当循环排量增大时, 膜厚度减小, 渗透深度和渗透量明显增大。

2) 凝胶机理。岩心动态成膜实验表明, 当超低渗透剂浓度大于5 %时, 其形成的膜逐渐增厚, 直至在岩心表面形成一层滞流层, 并呈现出较强的凝胶特性。

3) 吸附抑制机理。超低渗透剂通过胶束吸附在黏土颗粒、井壁表面, 阻止了自由水与黏土结合, 从而达到抑制黏土吸水膨胀的目的。当钻井引起页岩产生裂缝时, 超低渗透钻井液便能填塞这些裂缝, 并且在这些裂缝的空隙中或碎片的表面上产生表面张力。空隙或碎片越小, 张力越大, 由此可以阻止钻井液滤失。同时超低渗透剂浓度越大, 抑制效果越强。

4) 胶束封堵机理。超低渗透钻井液中含有聚合物聚集成的可变形的胶束。胶束进入页岩层间并在页岩表面上迅速地铺展开来, 在孔喉处形成低渗透性的封闭, 阻止了钻井液的进一步渗透, 有效封堵不同渗透性地层和微裂缝泥页岩地层。 4 现场应用

4.1 辽河油田

该油田目前常用的3 套钻井液体系使用情况为:0～2000 m 井段使用聚合物不分散钻井液,1800～3000 m 井段用聚合醇降粘剂钻井液,2400～4300m 井段用硅氟(SF) 钻井液。3 种钻井液在砂床滤失仪上试验,0. 7 MPa 下30 s 左右全部漏失。 该剂先后在欧51 井、小22 平1 井、欢612 平1井上进行了试用。

①欧51 井是一口探井, 技术套管下入火成岩裂缝油藏顶部(辽河称为粗面岩) , 该油藏压力低, 时有井漏发生。为了防止钻入井深2834 m 粗面岩发生井漏卡钻, 加入了J YW21 、J YW22 各0. 5 t (加入前测定钻井液中压砂床滤失量时30 s 全部漏失, 加入后侵入深度为7. 2 cm) , 钻穿粗面岩, 中途完钻, 电测一次成功, 下套管固井施工顺利。三开顺利钻至井深3398 m 完井。

②小22 平1 井是目前辽河油田最深的一口水平井, 目的是开发火成岩(粗面岩) 裂缝油藏, 使用SF 钻井液, 在井深2600 m 开始造斜, 至井深3067m 时井斜为88°, 中途完钻, 顺利下入技术套管。该段钻穿煤层、触变玄武岩等复杂地层。为了防止井漏划眼, 钻井液密度控制为1. 28 g/ cm3 左右, 但进入粗面岩后裂缝发育且压力低, 邻井井漏严重, 密度为1. 08 g/ cm3 时液面在179 m ,更有一口井液面在900 m ,采用泡沫等钻井液仍未能建立循环, 后来有进无出地钻了150 m 完井。本井只有300 m 表层套管, 为了防止发生井漏卡钻, 加入J YW21 、J YW22各1 t ,当钻入粗面岩后, 有轻微渗漏, 漏速为0. 5～1. 0 m3 / s ,顺利中途完钻, 下入技术套管。现在该井水平段施工钻进到井深3376 m , 正在进行完井电测, 该井试用见到了明显防漏效果。

③欢612 平1 井是一口古潜山水平井, 为了准确掌握潜山油藏, 该井设计先打领眼, 确定潜山油藏后再填井, 造斜进入水平段施工。该潜山油藏为花岗岩风化油藏, 压力低。邻井也发生过严重井漏, 钻井液密度为1. 03 g/ cm3 时液面在井深200 m 左右。进入潜山前钻井液密度为1. 20 g/ cm3 ,为防止钻井、固井工程中发生井漏, 进入潜山前30 m 加入J YW21 、J YW22 各1 t ,进入潜山面只发生渗漏, 漏速为1 m3 / h 左右, 钻入10 m 后基本不漏, 顺利打完领眼, 填井造斜中途完钻, 采用φ 311 mm 大井眼, 进入潜山前又加入J YW21 、J YW22 各1 t ,同样只是渗漏, 顺利下入φ244. 5 mm 套管到A 点(90°/ 2263m) ,钻至井深2384 m 完钻, 测井、固井施工顺利。

结论参考文献

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[3 ] 徐加放, 邱正松, 吕开河. 泥页岩水化2力学耦合模拟实验装置与压力传递实验新技术[J ] . 石油学报,2005 ,26 (6) :1152118.

[1 ] 孙金声, 林喜斌, 张斌, 等. 国外超低渗透钻井液技术综述. 钻井液与完井液,2005 ,22 (1) ,57～59

[2 ] 孙金声, 唐继平, 张斌, 等. 超低渗透钻井液完井液技术研究. 钻井液与完井液,2005 ,22 (1) ,1～5

[ 3 ] Santos H ,Villas - Boas M , Lomba R , et al. . API Fil2t rate and Drilling Fluid Invasion : Is There Any Corre2lation ?. S P E 53791

[4 ] Helio Sabtos , Pet ropas & Roberto Perei. What haveWe Been Doing Wrong in Wellbore Stability ?. S P E69493