時間:2020年08月29日 分類:科學技術論文 次數:
摘 要:常壓頁巖氣儲層頁理層理、微裂隙發育,水平井鉆井井壁穩定難度大、鉆井液漏失風險高,商業開發降本提效需求迫切。為 此文章研發了一套黏度低、濾失量低、加量低、油水比低和破乳電壓高、切力高、動塑比高、穩定性高的“四低四高”油基鉆井液體系,室 內結果表明其整體性能指標達到或優于國外同類技術水平。該油基鉆井液在武隆和梨樹等常壓氣區塊多口井成功應用,現場油水比可 降至 60/40,較以往技術單井平均減少基礎油用量約 50t,取得了良好的應用效果和經濟效益。本研究對于常壓頁巖氣水平井鉆井液成 本控制具有重要意義和參考價值。
關鍵詞:常壓頁巖氣;水平井;油基鉆井液;性能控制
1 概述
2008 年以來,由于頁巖油氣勘探開發和復雜深層鉆探 需求的大幅增多,我國油基鉆井液技術發展迅速[1-2],技術 水平快速提高。截止 2018 年底,我國已經實現了頁巖氣水 平井用油基鉆井液技術的完全自主化,打破了早期國外技 術在該領域的壟斷,充分保障了中國石化涪陵、中國石油 長寧-威遠兩大國家級頁巖氣田的建設與開發。 隨著國內頁巖氣資源勘探開發的深入,以重慶武隆、 彭水五峰組-龍馬溪組地層和吉林梨樹斷陷營城組營地層 為代表的常壓(壓力系數 1.0~1.2)頁巖氣資源成為關注的 熱點[3]。
區別于涪陵與威遠-長寧,上述常壓儲層頁理層理 和微裂隙更加發育,水平井鉆井井壁穩定難度更大、鉆井 液漏失風險更高,如何在充分保障水平井鉆井安全的前提 下、充分降低鉆井成本成為常壓頁巖氣水平井鉆井液技術 的最大挑戰。 針對上述問題和商業開發需求,本文聚焦常壓頁巖儲 層的地質特征、長水平井鉆井安全、優質、高效施工的綜合 要求,研制了一套黏度低、濾失量低、加量低、油水比低和 破乳電壓高、切力高、動塑比高、穩定性高的“四低四高”油 基鉆井液體系,在重慶武隆和吉林梨樹等常壓氣區塊多口井成功應用,取得了良好的應用效果和經濟效益。
2 體系構建
常壓頁巖儲層不僅頁理、層理發育,而且由于地質演 變過程中歷經了多期構造運動[4],其裂隙更加發育。頁巖氣 商業開發為了獲得更高產能,儲層水平段通常長達 800~ 2000m,這給常壓頁巖氣水平井施工帶來了巨大的挑戰,施 工中井壁失穩風險更高、井眼凈化難度更大、頁巖漏失問 題愈加突出。
為此,常壓頁巖氣水平井用油基鉆井液必須 具有良好的乳化穩定性能、突出的微裂隙封堵效果和出眾 的井眼清潔功能。為了達到上述鉆井液性能要求,本文對 常壓頁巖水平井用油基鉆井液體系組成進行了構建[5]:
(1)乳化穩定性是體系穩定的基礎。高效的乳化劑可 以保障油基鉆井液中水相的充分乳化,最大程度降低頁巖 的水化,這對于常壓頁巖井筒的穩定尤為重要。根據 Hy- dropHile-LipopHile Balance 原理[6],選用高效乳化劑,以保 障低油水比下的乳化穩定。
(2)頁巖有效封堵是井下安全的保障。利用掃描電鏡 SEM 等分析手段,對武隆、梨樹等地區的頁巖巖心進行了 微觀分析,獲得了頁巖的微裂縫和孔隙的尺度范圍,進而 選擇合理粒徑范圍隨鉆封堵材料[7],強化井筒,降低消耗、減少漏失。
(3)合理流變性能是水平井井眼清潔的關鍵。基于提 高頁巖長水平井攜巖能力、凈化井筒的目的,需使用可提 升油基鉆井液結構力的流型調節劑,并盡可能降低漏斗黏 度與塑性黏度,維持較高的動塑比,有效地控制合理的流 變性能,確保井眼清潔、保障施工安全。
(4)低油水比是降低油基鉆井液成本的核心。武隆、梨 樹區塊常壓頁巖儲層鉆探采用的鉆井液密度范圍為 1.10~ 1.40g/cm3 ,基于現有油水乳化穩定和流變性能控制水平, 油水比宜控制在 60/40~70/30,施工中應結合實鉆安全盡可 能維持在上述范圍的下限。這有利于減少基礎油用量、降 低鉆井液的總體成本。
3 體系配方與性能
3.1 配方組成
依據上述的構建思路與設計原則,在新型乳化劑、強 力封堵劑和提切劑等關鍵處理劑優選的基礎上,通過大量 室內實驗,獲得了常壓頁巖水平井用“四低四高”油基鉆井 液的配方組成:基礎油+1.5%主乳化劑+0.5%輔乳化劑+鹽水(CaCl2 質 量分數為 20%~35%)+2.0%CaO+1.0%有機土+2.0%降濾失 劑+0.3%提切劑+3.0%~5.0%封堵劑+加重劑,油水比 60/ 40~70/30。
按照上述“四低四高”油基鉆井液配方組成,依據 GB/T 16783.2 中所述配制程序與測定方法,室內對密度為 1.20~ 1.40g/cm3 的配方 120℃16h 老化后的各項性能進行了評 價,同時與國外 Schlumberger 公司的 MEGADRIL 油基鉆井 液的性能進行了對比,上述油基鉆井液在油水比 60/40~70/30 條件下經 120℃老化后破乳電壓均高于 550V,說明該鉆井 液乳化穩定;在 1.20~1.40g/cm3 范圍內,塑性黏度在 22~ 27mPa·s,動切力為 8~11Pa,具有高于 0.35 的動塑比和低 剪切轉速下的讀值,顯示了良好的低黏度、高切力流變特 征,說明攜巖能力出眾,可有效降低環空壓耗、保障頁巖氣 長水平段的井眼清潔和井下安全;同時數據還顯示其高溫 高壓濾失量均低于 3.0mL,這對于維持井壁穩定和降低鉆 井液消耗均具有重要的意義。
處理劑加量低和穩定性高、破乳電壓高、切力高、動 塑比高的“四低四高”突出特征。與國外先進油基鉆井液 Schlumberger 公司的 MEGADRIL 相比,常壓頁巖水平井用 “四低四高”整體性能指標達到同等技術水平,在油水比、 動塑比等指標方面同比更具優勢,這使得其更具技術競爭 力。
3.2 抗污染性能評價
基于常壓頁巖氣水平井施工工況,“四低四高”油基鉆 井液現場受到的污染主要包括替漿用水、鉆屑和固井沖洗 液三個方面,室內評價了密度為 1.20g/cm3 時三種因素對 其性能的影響,實驗模擬了油基鉆井液轉換過程中,替漿水侵入 后對其性能的影響。數據顯示,當模擬的替漿水侵入“四低 四高”油基鉆井液后,會引起黏切的升高和濾失量的略微 上升,還會導致破乳電壓的降低,這均是由于作為分散相 的水量增加所致。當模擬替漿水侵入量達到 15%時,此時 油基鉆井液的油水比已達 54/45,破乳電壓為 425V,尚高 于業界安全值 400V,表明其具有良好的抗水污染的能力, 這對于鉆井液轉換工藝過程控制,“四低四高”油基鉆井液 維持性能穩定具有重要的指導意義。
5~10 目的大顆粒頁巖鉆屑侵入“四 低四高”油基鉆井液后,其破乳電壓、切力等各項性能幾乎 無變化,展現出優良污染能力。粒徑 180~200 目的鉆屑粉 加入后對油基鉆井液破乳電壓影響很小,但塑性黏度、切 力均有一定程度的增長。當鉆屑粉加量至 12%時,塑性黏 度增幅達 36%,表明小粒徑鉆屑的持續增加將不可避免地 導致油基鉆井液中固相內摩擦加劇,此時必須需通過離心 機高速分離的方式將其去除,以保持鉆井液流變性能穩 定。
水平井固井作業時,固井油基沖洗液 的混入會導致“四低四高”油基鉆井液破乳電壓下降,當沖 洗液混入 10%時,油基鉆井液表現為黏切升高、破乳電壓 降低,整體性能保持穩定。但隨著固井液侵入量持續增加 至 15%時,乳化穩定性變差,破乳電壓降至業界安全值 400V 以下,高溫高壓濾失量也迅速增加,表明乳化穩定性 大幅下降。
由于油基沖洗液中含有大量親水性的表面活性組分,這些組分的侵入導致油基鉆井液中油水乳化液滴界 面吸附的表面活性組分的重新分布,使得乳化液滴的界面 膜強度降低甚至破乳,表現為油基鉆井液破乳電壓的大幅 降低。因此,基于回收后油基鉆井液乳化穩定與提高重復 使用的目的,水平井固井替漿過程中,應加強替漿終點的 判斷,以減少固井用油基沖洗液混入“四低四高”油基鉆井 液的數量。
3.3 封堵性能評價
電鏡掃描 SEM 測試顯示武隆和梨樹區塊常壓頁巖地 層微裂隙的尺度分布于 50nm~20um,為了有效模擬上述尺 度的頁巖微裂隙的封堵,本文采用粒徑尺度為 2um 的 PPA 陶瓷砂盤模擬頁巖地層,具體測試程序如下:在 PPA 測試 樣杯中裝入陶瓷砂盤,然后加入含有不同封堵劑加量的四 低四高”油基鉆井液,密封后開啟測定程序,測定 120℃下 3.0MPa 和 4.5MPa 不同壓差下 30min 的砂盤濾失量。
模擬封堵實驗結果表明,當“四低四高”油基鉆井液在 未加封堵材料時,在 3.0MPa 和 4.5MPa 的壓差下,PPA 封 堵實驗的高溫濾失量為 2.2mL 和 3.8mL。當加入微納米粒 度尺度、合理級配的封堵劑后,其在 PPA 封堵實驗中的濾 失量大幅度降低,封堵效果顯著提升。當不同規格的納微 米封堵劑加量增至 5.0%時,3.0MPa 和 4.5MPa 壓差下的高 溫濾失量均降至 0mL,表明納微米顆粒的粒徑與模擬的微 裂隙的尺度實現了良好的匹配,同時封堵材料的有效濃度 可以在陶瓷砂盤表面形成致密的封堵層,使得其承壓能力 顯著提升。
4 應用及效果
基于常壓頁巖水平井用“四低四高”油基鉆井液體系研究,結合重慶武隆和吉林梨樹等常壓氣區塊施工要求, 現場通過油水比維護、封堵防漏控制等措施實現了該技術 多口井的成功應用,取得了良好的應用效果和經濟效益。 本文以隆頁 A 井為例予以介紹。
4.1 隆頁 A 井概況
隆頁 A 井是中國石化武隆常壓頁巖氣區塊的一口開 發井,該井鉆探目的層為下志留統龍馬溪組和五峰組,地 層壓力系數為 1.10,屬典型常壓頁巖儲層。隆頁 A 井采用 三級井身結構,三開包括造斜井段與水平井段,設計完鉆 井深 4954m。基于提高鉆井速度的目的,該井采用旋轉導 向鉆井方式。為充分保障鉆井井下安全,同時降低成本,采 用“四低四高”油基鉆井液技術施工。
4.2 關鍵維護控制工藝
4.2.1 采用低油水比乳液補充消耗
鉆進中,采用油水比 60/40 乳液補充鉆井液消耗,該措 施不僅可以保障鉆井液的總量,還可以有效維持全井鉆井 液的油水比在 70/30~60/40,利于黏切的合理控制。
4.2.2 監測與控制流變性能與固相含量
(1)每班次監測流變性能與固相含量,利用固控設備 和乳液調整,將密度 1.25~1.30g/cm3 范圍的鉆井液漏斗黏 度控制在 50~65s、動切力控制在 8~14Pa。
(2)120 目及以上高頻振動篩和除砂除泥一體機 24h 運轉、間歇使用高速離心機,將低密度固相含量控制在 5.0%以下。
4.2.3 及時補充隨鉆封堵材料,強化封堵、降低消耗 使用多種納微米尺度的封堵劑,維持濃度在 4-5%的 濃度用量,將高溫高壓濾失量控制在低于 4.0mL,單位進尺 鉆井液消耗量控制在不高于 0.07m3 /m,強化井筒、節約成 本。
4.3 應用效果
現場應用表明,隆頁 A 井三開采用“四低四高”油基鉆 井液技術施工效果顯著,累計進尺 1982m。“四低四高”油基鉆井液技術整個施工過程油 水比均低于 70/30,較同區域傳統油基鉆井液技術同比降 低約 15%,累計節約基油 55t,降本顯著;低黏高切流變性能突出,攜巖返砂正常,保障了旋轉導向鉆井速度的充分 釋放,機械轉速較鄰井同比提升 30%,鉆井周期縮短 12d, 提速效果突出;隨鉆封堵效果明顯,單位進尺鉆井液消耗 降至 0.07m3 /m,較該區塊平均消耗量降幅達 24m3 ,有效節 約鉆井液成本。
5 結論與建議
(1)基于常壓頁巖儲層特征,聚焦長水平井施工安全 和降本提速的需求,研發了一套黏度低、濾失量低、加量 低、油水比低和破乳電壓高、切力高、動塑比高、穩定性高 的“四低四高”油基鉆井液體系。
(2)室內結果表明“四低四高”油基鉆井液油水比可達 60/40、破乳電壓高于 550V、動塑比大于 0.35,整體性能指 標達到或優于國外同類先進技術水平。
(3)“四低四高”油基鉆井液在武隆和梨樹等常壓氣區 塊多口井成功應用,較以往技術單井平均減少基礎油用量 約 50t,鉆井液消耗量同比減少 20%以上,經濟效益顯著。
(4)“四低四高”油基鉆井液對于常壓頁巖氣水平井鉆 井液成本控制具有重要意義,建議推廣應用。
石油論文投稿刊物:《石油鉆探技術》創刊于1973年,經國家科委批準,1979年在全國發行,1988年對國內外公開發行。主要報道國內石油鉆探工程(包括鉆井、泥漿、固井、完井、開采等專業)以及鉆探機械設備與自動化方面的科技進展和現場經驗,適當介紹國外石油鉆探技術發展的水平和動向。
參考文獻:
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[2]林永學.中國石化頁巖氣油基鉆井液技術進展與思考[J].石油鉆 探技術,2014,42(4):7-13.
[3]方志雄,何希鵬.渝東南武隆向斜常壓頁巖氣形成與演化[J].石 油與天然氣地質,2016,37(6):819-827.
作者:王顯光