段何玉,張榮軍
(西安石油大學(xué),陜西西安 710065)
鉆井液對(duì)于鉆井的重要性好比血液對(duì)于人類的重要性,因此一口井的成功作業(yè)與否,在很大程度上取決于鉆井液的性能好壞,所以鉆進(jìn)過程的重中之重在于選擇合適的鉆井液。不含有黏土顆粒的鉆井液就是無固相鉆井液,該鉆井液以低固相鉆井液的發(fā)展為前提,與現(xiàn)代鉆井技術(shù)的發(fā)展情況和需求更相符。除此之外,當(dāng)今隨著人們的環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)、人們對(duì)于儲(chǔ)層的保護(hù)也越發(fā)重視,未來的鉆井液將向無毒害、低儲(chǔ)層污染、循環(huán)使用率高的環(huán)境友好型方向發(fā)展,而這種新型的無固相鉆井液與有固相的鉆井液相比,不僅使得鉆井效率大大提高,而且能夠大幅度的減少對(duì)油氣層的污染,在加入抑制劑后,也能起到防止井壁坍塌的功能。無固相鉆井液也具有一定的缺點(diǎn),就當(dāng)今的發(fā)展?fàn)顩r來看,由于鉆井過程中受到環(huán)境因素以及添加劑影響,無固相鉆井液形成的泥餅普遍質(zhì)量較差,今后的研究重點(diǎn)應(yīng)該傾向于泥餅形成的質(zhì)量。綜上所述,對(duì)無固相鉆井液的性質(zhì)和功能進(jìn)行更深入的探究,并推動(dòng)其不斷發(fā)展和完善,確保其更具先進(jìn)化特點(diǎn),這種選擇和舉措的落實(shí)意義十分深遠(yuǎn)。
早在20 世紀(jì)80 年代,國(guó)外的部分特定低壓低滲透的地層中就已經(jīng)開始使用無固相體系,并且在研究成果方面也獲得了一些成就。他們?cè)谔暨x無固相鉆井液時(shí)傾向于配方簡(jiǎn)單且明確的類型,最終采用的體系中只包含了聚合物和鹽類這兩種物質(zhì),密度為1~1.75 g/cm3,但其不具備較強(qiáng)的耐高溫能力,只能承受100 ℃以下的溫度環(huán)境。
Block 等在20 世紀(jì)90 年代初開展了關(guān)于無固相鉆井液的研發(fā)活動(dòng),經(jīng)過不斷的研究和努力終于實(shí)現(xiàn)了耐高溫能力的提升,該鉆井液能抵抗120 ℃左右的溫度,鉆遇地層中的金屬離子時(shí)也能保持較高的穩(wěn)定性。該新型抗高溫鉆井液的體系主要包括兩個(gè)組成部分,即聚乙烯醇劑(PVA)和氧化鋁,它們對(duì)應(yīng)的作用屬性分別為失水控制劑和凝膠增黏劑。該體系對(duì)于鉆屑具有比較強(qiáng)的攜帶能力,也能很容易對(duì)稀釋性進(jìn)行剪切。在深井鉆探過程中,選用的鉆井液通常為非水溶性耐高溫的類型,其中存在一種無固相鉆井液,其主要溶劑和增稠劑分別為N-甲基-2-吡咯烷酮和聚乙烯吡咯烷酮。而另外一種鉆井液在選擇增稠劑時(shí)不同于上一種,一般會(huì)選擇低磺化聚苯乙烯,其對(duì)于流變性的剪切和稀釋能力比較好,耐溫性也較強(qiáng),能夠抵抗超過204 ℃的高溫。
國(guó)外很早就開始研究有關(guān)深井及超深井的鉆井問題,早在20 世紀(jì),國(guó)外的部分特定低壓低滲透的地層中就已經(jīng)開始使用無固相體系,并且開發(fā)的無固相鉆井液體系還具備針對(duì)性的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),不同的地層對(duì)應(yīng)不同的體系。另外,在新型高溫?zé)o固相聚合物鉆井液體系的研究和開發(fā),國(guó)外在研究成果方面獲得了顯著成就,例如,Hal-liburton 公司經(jīng)過一系列的研發(fā)操作,成功研制出了耐高溫的無固相鉆井液體系,能夠抵抗180 ℃的溫度,在高溫穩(wěn)定性方面做出了重大突破,解決了技術(shù)難題帶來的弊端。
國(guó)外公司對(duì)此關(guān)鍵技術(shù)的保護(hù)十分嚴(yán)密,國(guó)內(nèi)購買抗高溫增黏劑和引進(jìn)技術(shù)服務(wù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高昂的成本費(fèi)用,導(dǎo)致鉆井成本直線上升。在國(guó)內(nèi),關(guān)于抗高溫?zé)o固相鉆井液體系的研究也有成功的案例,例如勝利油田就成功研制出了無固相抗高溫體系,不僅能夠抵抗高溫環(huán)境,同時(shí)還能確保其處于穩(wěn)定的狀態(tài)。珠江口盆地文昌9-2 氣田、9-3 氣田和10-3 氣田所使用的新型無固相鉆井液體系,抗溫可達(dá)170 ℃。石油大學(xué)(北京)和長(zhǎng)江大學(xué)聯(lián)手研制出了能夠抗溫150 ℃的無固相鉆井液體系。但是,國(guó)內(nèi)對(duì)于同時(shí)能夠具有抗高溫性、強(qiáng)抑制性、防漏效果良好的無固相鉆井液體系卻沒有系統(tǒng)的研究過。
我國(guó)應(yīng)用較為普遍的一種有機(jī)鹽無固相鉆井液體系是甲酸鹽鉆井液,這種體系也將高分子聚合物作為主要的增黏劑,加重劑選用有機(jī)鹽來調(diào)整鉆井液體系的密度,其增稠劑、油層保護(hù)劑和降濾失劑的選用分別為CXV、CXG 和CXF,并且可以結(jié)合具體情況來選擇是否加入其他鉆井液處理劑。該體系優(yōu)點(diǎn)眾多,缺點(diǎn)在于其成本太高。
無固相弱凝膠鉆井液借助分子之間的相互纏繞建立起空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu),該體系不僅在流變性方面展現(xiàn)出非常獨(dú)特的特征,并且在懸浮攜砂能力、潤(rùn)滑性和抑制性方面的性能也十分良好,抗溫可達(dá)到140 ℃,主要適用的范圍為特低滲透儲(chǔ)層,能夠防止固、液相的侵入,避免儲(chǔ)層受到破壞。將無固相保護(hù)油氣儲(chǔ)層鉆井液體系應(yīng)用于塔里木油田呀哈區(qū)塊,針對(duì)其使用過程中存在的問題和不足,塔里木油田自主進(jìn)行研發(fā),得到了一種新型無固相弱凝膠鉆井液體系。能夠?qū)崿F(xiàn)150 ℃高溫環(huán)境的使用,并且在流變性和懸浮鉆屑能力等方面也具備良好的水準(zhǔn),針對(duì)水平井和大斜度井段這類特殊情況,其同樣能夠按滿足其對(duì)鉆井液提出的要求,經(jīng)過輪南H8C 井的試用后發(fā)現(xiàn),相較于PRD 弱凝膠鉆井液,其展現(xiàn)出更優(yōu)質(zhì)的屬性和功能。
無固相微泡沫鉆井液的密度比較低,并且擁有良好的攜巖性能,在濾失量方面也能進(jìn)行合理的控制,而對(duì)于儲(chǔ)層而言,該類鉆井液還能夠?qū)⑵渎┦Ш蛽p害的程度降到最低,盡可能的將固相侵入控制在合理范圍內(nèi),真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)低密度鉆井液體系的完善和優(yōu)化。對(duì)于普通微泡沫鉆井液固相侵入及其發(fā)泡過多導(dǎo)致鉆井液泵上水效果較差的問題,無固相微泡沫鉆井液體系對(duì)此都進(jìn)行了優(yōu)化,并克服了這方面的問題,同時(shí)還將其應(yīng)用于邵4-平1 井,在150 ℃的環(huán)境中對(duì)油層保護(hù)實(shí)現(xiàn)了不錯(cuò)的效果。
高分子聚合物在無固相鉆井液體系中的作用非常關(guān)鍵[5-7],但是當(dāng)今聚合物增黏劑的耐溫性能都有限,遇到較高溫度時(shí),不能保持很好的穩(wěn)定性,這也是一直以來無固相鉆井液體系研究的重點(diǎn),也是一直制約無固相鉆井液普遍應(yīng)用的難題。
針對(duì)無固相鉆井液在鉆井提速的效果方面,我國(guó)也對(duì)其進(jìn)行過深入探究,并且研制出了能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井提速的處理劑,大慶油田作為初步試驗(yàn)場(chǎng)所,但最終的試驗(yàn)結(jié)果并未令人滿意。無固相或低固相鉆井液體系是鉆井提速主要采用的鉆井液體系,有關(guān)資料表明,這兩種井液體系具有低流動(dòng)阻力的優(yōu)點(diǎn),能夠提高鉆速,充分發(fā)揮鉆頭的功率。且這兩種鉆井液體系的黏度較小,便于攜帶巖屑顆粒,十分有利于井眼的凈化。
雖然早在20 世紀(jì)80 年代國(guó)內(nèi)外就已經(jīng)開始關(guān)于無固相鉆井液體系方面的研究與應(yīng)用,并且取得了一定的應(yīng)用成果,但是這種應(yīng)用十分有限,只能在一些特定的井段實(shí)施,如低溫井段和較淺井段。且雖然當(dāng)今我國(guó)的鉆井液技術(shù)已經(jīng)取得了一定的成就,但是理論體系依舊不夠完善,與國(guó)外相比有一定差距,所以鉆井技術(shù)與設(shè)備條件依然有待進(jìn)步;在鉆井液處理方面,與國(guó)外的技術(shù)相比,鉆井液的質(zhì)量與應(yīng)用性稍微遜色;在油氣層的開采方面,還需開發(fā)設(shè)計(jì)出具有良好性能的固控設(shè)備;在油氣層保護(hù)方面也需要進(jìn)一步的提高。
國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段關(guān)于無固相鉆井的研究方向主要為以下幾種:
(1)無固相鹽水聚合物鉆井液[8-11]。該鉆井液體系在變形和流動(dòng)性方面都具備良好的性質(zhì),其黏度也可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)、制備過程也十分方便、能夠節(jié)省成本,且性能較穩(wěn)定不易受外界影響,攜帶巖屑的功能也非常突出。
(2)無固相正電性鉆井液。在配制該鉆井液體系時(shí),選用的是陽離子的處理劑,當(dāng)處于正電環(huán)境中時(shí),其呈現(xiàn)出的狀態(tài)為分散型的膠體,對(duì)于黏土分散的情況具備十分有效的抑制作用,因此,對(duì)油氣層能夠呈現(xiàn)出很好的保護(hù)效果。無固相正電性鉆井液在選擇處理劑時(shí),全部都選用了陽離子處理劑,正電性鉆井液通過形成一層聚合物以抑制黏土顆粒的分散,這層聚合物就是陽離子黏附在黏土表面形成的,從而降低固相顆粒對(duì)鉆具的損害。因此,該鉆井液體系比較適用于強(qiáng)水敏的油氣儲(chǔ)層[12]。
(3)甲酸鹽無固相鉆井液。以甲酸鹽作為基液組成的甲酸鹽基鉆井液、完井液能夠達(dá)到較高密度且密度容易調(diào)節(jié);在高溫下能保持較好的穩(wěn)定性,且具有較好的抑制性;由于鉀鹽不產(chǎn)生沉淀,因此能保護(hù)儲(chǔ)層不受污染;甲酸鹽無固相鉆井液與其他鉆井液處理劑和儲(chǔ)層流體都保持良好的配伍性;對(duì)鉆具基本上沒有腐蝕作用;不具有毒害作用且可降解[13,14],不會(huì)污染環(huán)境。甲酸鹽類無固相鉆完井液已經(jīng)普遍應(yīng)用在鉆井現(xiàn)場(chǎng),其中在水平井和軟管鉆井中應(yīng)用效果較好。缺點(diǎn)是成分中甲酸鹽的價(jià)格較昂貴,增加了鉆井成本,應(yīng)重點(diǎn)研究其重復(fù)使用的技術(shù)[15]。且該體系不容易形成濾餅,可能會(huì)損害油氣層。
(4)無固相有機(jī)鹽鉆井液。有機(jī)鹽的組成部分主要包括兩方面,即帶雜原子的有機(jī)酸根銀離子和一價(jià)金屬離子,比如鉀離子和鈉離子形成的鹽。有機(jī)鹽鉆井液和完井液的濾液擁有比較高的礦化程度,并且不會(huì)呈現(xiàn)出較高的表面張力,因此,水鎖反應(yīng)不會(huì)對(duì)低滲儲(chǔ)層造成過高的傷害;在該體系鉆井液的濾液中,一價(jià)金屬離子比二價(jià)金屬離子的含量要高,所以不容易導(dǎo)致地層出現(xiàn)堵塞的問題,一般都會(huì)比較順暢,所以對(duì)地層的保護(hù)效果更好;另外,有機(jī)鹽鉆井液在抵抗高溫環(huán)境方面擁有較好的性能,所以能夠更好的保護(hù)鉆具,避免其受到嚴(yán)重的腐蝕,同時(shí)也防止出現(xiàn)環(huán)境污染嚴(yán)重的情況[16]。
(5)FA367/KCl 無固相鉆井液。在該鉆井液體系中出現(xiàn)的鉀離子,其具備比較強(qiáng)的抑制作用,所以這種鉆井液穩(wěn)定井壁的效果較好,對(duì)于鉆屑分散情況也能有效抑制,這對(duì)于鉆進(jìn)效率而言十分有利,同時(shí)還避免了耗費(fèi)過多的鉆井成本,對(duì)于很多復(fù)雜的地下情況都能進(jìn)行良好的處理,例如卡鉆和滲漏等問題都得到了有效避免;該無固相鉆井液不具備過高的黏度,濾失量也較小,所以能與高壓噴射鉆井提出的要求相匹配[17]。
(6)PRD 體系。該鉆井液體系屬于弱凝膠類型,所以擁有良好的耐溫和耐鹽的性能,另外對(duì)于抵抗剪切和污染的能力也比較強(qiáng)。該鉆井液體系能夠很好的攜帶泥砂,主要是因?yàn)檫M(jìn)行鉆井時(shí)其擁有的黏度較低,而動(dòng)塑比又相對(duì)較高,所以形成了這種優(yōu)勢(shì)。對(duì)于鉆井過程中液固相侵入的問題能夠有效避免,對(duì)井壁提供了良好的保護(hù)作用。且該鉆井液體系濾失量較小,容易降解,也無毒性。
(7)HRD 體系。HRD 鉆井液將聚合物之間的協(xié)同效應(yīng)充分利用,從而提高流變性以達(dá)到自身的需求。當(dāng)面對(duì)剪切作用比較低的情況時(shí),聚合物之間會(huì)建立起網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使體系具備更高的黏度,如果面對(duì)的是較高剪切速率的情況,那么分子結(jié)構(gòu)就不需要改變自身的形態(tài),只會(huì)出現(xiàn)降低表觀黏度的變化,當(dāng)不再受到外力作用后,表觀黏度又會(huì)逐漸恢復(fù)到正常的狀態(tài)[18]。凝膠所具備的這種性能使得該鉆井液體系能夠更好的展現(xiàn)出攜砂效果,并且固相顆粒也不會(huì)出現(xiàn),從而在很大程度上保護(hù)了油氣儲(chǔ)層。在鉆井現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用表明,該鉆井液不僅性能較好、維護(hù)簡(jiǎn)便、節(jié)省成本且不會(huì)污染環(huán)境[19]。
(8)生物聚合物類無固相鉆井完井液。通常情況下,生物聚合物類無固相鉆井液和完井液的使用區(qū)域?yàn)橹袞|地區(qū),該鉆井液體系具有良好的攜帶巖屑的功能,潤(rùn)滑性能較好且能夠很好的維持井壁的穩(wěn)定性,由于生物聚合物能很好的分解和清除,所以很好的保護(hù)了油氣層和環(huán)境[20]。
(9)烷基糖苷無固相鉆井完井液。20 世紀(jì)80 年代末,國(guó)外就已經(jīng)開始在鉆井液中加入甲基葡萄糖苷MEG,經(jīng)過十年后,國(guó)內(nèi)在部分油田中也開始使用。甲基葡萄糖苷MEG 具備較強(qiáng)的溶水性,并且能夠很好的抵抗無機(jī)鹽和高溫環(huán)境,對(duì)于鉆井液的黏度和切力方面,其同樣具備較為明顯的改善和優(yōu)化效果,這種溶液的濃度很高,對(duì)于鉆井液的水活度表現(xiàn)出有效降低的作用效果,所以很容易形成隔離膜,來有效抑制黏土的水化膨脹,降低了儲(chǔ)層的水鎖效應(yīng)[21,22],從而滿足鉆完井的條件。且由于該鉆井液體系易被生物降解,因此能夠很好的節(jié)省成本,保護(hù)賴以生存的生態(tài)環(huán)境。
殼牌公司并未使用固相顆粒加重劑,而是選用甲酸鹽作為加重劑,完成了具備低黏度特性的無固相鉆井液的研發(fā)和配制,其密度為2.3 g/cm3。該鉆井液具備弱堿性的特點(diǎn),所以不會(huì)加重?fù)p害管線和設(shè)備,另外,甲酸鹽這種物質(zhì)的降解比較容易,利用生物就可實(shí)現(xiàn),所以其生物毒性比較低[23]。不會(huì)污染環(huán)境,也不會(huì)對(duì)地層造成傷害。
東方1-1 氣田所處位置為中孔低滲儲(chǔ)層,并且擁有比較明顯的水敏性特征。進(jìn)行開采的過程中,借助快速弱凝膠水平井鉆井液體系,不僅能夠順利的將鉆井工作完成,同時(shí)還對(duì)儲(chǔ)層具有十分有效的保護(hù)作用。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)該鉆井液攜帶巖屑的能力較強(qiáng)且有利于起下鉆,對(duì)油氣層的保護(hù)效果十分明顯。
武學(xué)琴在勝利油田進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究,最終研發(fā)出了一種能夠抵抗高溫的增黏劑—TV-1,能夠在150 ℃的高溫環(huán)境中使用,并且成功在裂縫性潛山油藏中應(yīng)用。王棟等經(jīng)過研究后制成了能夠抵抗高溫的聚合物—WTZN,其在增黏和提切攜巖方面具備十分顯著的效果[24,25]。
以無固相鉆井液的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的效果作為參考,對(duì)比其他含有固相的鉆井液可知,無固相鉆井液存在其特殊的地方[26]:
(1)因?yàn)槿鄙兖ね令w粒,所以因固相顆粒堵塞孔隙而產(chǎn)生的影響得到了降低;
(2)在變形和流動(dòng)性以及剪切稀釋性方面擁有較強(qiáng)的性能;
(3)能夠很好的提升鉆井的效率;
(4)維持井壁穩(wěn)定的能力較強(qiáng);
(5)基本不會(huì)對(duì)油氣層造成損傷,并且在發(fā)現(xiàn)和保護(hù)產(chǎn)層方面也具備有效作用;
(6)避免出現(xiàn)井漏事故;
(7)盡可能的減少鉆井成本的消耗。
總的來說,未來在對(duì)無固相鉆井液進(jìn)行研究和開發(fā)時(shí),有以下幾個(gè)方面要提起重視:(1)要將具備明顯效果的抑制劑加入到鉆井液體系中,確保其能夠更好的對(duì)巖屑分散的情況起到抑制作用,充分展現(xiàn)出其絮凝的能力;(2)在挑選增黏劑時(shí)要確保適配性,避免無固相鉆井液無法較好的實(shí)現(xiàn)增黏提切的效果;(3)針對(duì)無固相鉆井液濾失量較大和鉆井過程無法確保穩(wěn)定性的特點(diǎn),要挑選出更好的防塌抑制劑,確保井壁處于穩(wěn)定的狀態(tài)[27]。