超低滲透鉆井液作用機(jī)理研究

隨著世界石油工業(yè)的快速發(fā)展，鉆井的數(shù)量、速度和深度顯著增加。鉆頭的層更為復(fù)雜多樣，裸眼也越來越長(zhǎng)。因此，有必要提高鉆孔溶液的性能。針對(duì)壓力衰竭的地層的實(shí)際情況,往往采用欠平衡鉆井技術(shù),但欠平衡鉆井技術(shù)有其自身局限性,在很多情況下不能應(yīng)用。而傳統(tǒng)鉆井技術(shù)可能引起壓差卡鉆、嚴(yán)重井漏以及油層損害等突出問題。超低滲透鉆井液是一種在過平衡或近平衡條件下使用,又能提高地層承壓能力和油層保護(hù)性能的鉆井液體系。該體系具有防止易碎地層壓力傳遞及破裂的能力,拓寬了安全鉆井密度窗口范圍,不僅適用于微裂縫地層鉆井,而且改善了枯竭帶、疏松砂巖等地層的鉆井性能。筆者利用微觀和宏觀性能相結(jié)合的方法,揭示了超低滲透鉆井液的微觀作用機(jī)理。1超滲透性鉆頭的微觀作用機(jī)制1.1膠束聚合物的吸附首先合成了起關(guān)鍵作用的膠束聚合物YHS-1,然后測(cè)定不同濃度膠束聚合物在粒徑為0.1～5mm頁(yè)巖顆粒(取自梁112-46井沙三上到沙三中2400～2600m處)上的吸附情況。研究了不同時(shí)間對(duì)吸附量的影響:取一定質(zhì)量的0.1～5mm頁(yè)巖樣品,分別配成6份顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的懸浮體樣品,在這些樣品中加入0.5%的YHS-1,在150℃下密閉熱滾不同的時(shí)間。熱滾完畢后,冷卻至室溫,在25000r/min下超離心20min,確保所有巖屑顆粒沉淀下來,然后用針式取樣器取一定體積的上部清液,采用TOC(有機(jī)總碳,型號(hào)為TOC-VCSN)方法測(cè)定其濃度,通過吸附前后體相內(nèi)的膠束聚合物的濃度差,計(jì)算其吸附量。從結(jié)果可以看出,當(dāng)作用時(shí)間超過5min后,其吸附量基本保持不變,這充分說明膠束聚合物在井壁上的吸附是非常迅速的。改變聚合物濃度,重復(fù)上面步驟,研究其吸附特性(圖1)。對(duì)等溫線數(shù)據(jù)的分析對(duì)于研究吸附的形式有著重要的意義。通常吸附等溫線都可以通過Langmuir和Freundlich兩個(gè)方程來研究。Freundlich等溫線方程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合程度很好,說明YHS-1在頁(yè)巖顆粒上的吸附屬于多層吸附。通過Freundlich等溫線方程計(jì)算出YHS-1吸附強(qiáng)度高達(dá)2.30,說明膠束聚合物在頁(yè)巖井壁上具有很強(qiáng)的吸附能力。這充分說明,由于膠束聚合物在井壁上的吸附能力較強(qiáng),因此它能迅速在井壁上形成薄而致密的膠束聚合物膜,從而發(fā)揮其成膜、承壓、防塌和保護(hù)油氣層等作用。1.2用水基鉆井液水相運(yùn)移裝置成膜護(hù)壁維持井壁穩(wěn)定的思路是依據(jù)井眼與地層系統(tǒng)傳質(zhì)、傳能的基本原理[5,8,9,10,11,12,13],從穩(wěn)定井壁的化學(xué)、物理固壁的新觀念出發(fā),通過人工控制水基鉆井液特殊組分,在井筒流體與井壁界面形成一種完全隔離、封閉水相運(yùn)移的膜,以達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外研究主要集中在討論泥頁(yè)巖本身是否存在半透膜性質(zhì),對(duì)鉆井液體系本身是否能在泥頁(yè)巖表面形成隔離膜及其成膜條件研究較少,而且多以形成半透膜為基礎(chǔ)進(jìn)行研究,對(duì)其他膜研究更少。1.2.1基漿中泥餅的滲透率將做過API失水的泥餅在室溫下自然干燥后切割成小塊,再用掃描電鏡觀察泥餅表面,結(jié)果如圖2所示[除圖2(d)外,放大倍數(shù)均為500倍。圖2(a)顯示基漿形成泥餅的黏土顆粒堆積不明顯,且顆粒表面包上了一層厚薄不均的高聚物薄膜,黏土顆粒之間形成的多孔結(jié)構(gòu)清晰可見,說明該泥餅具有較大的滲透率。圖2(b)和圖2(c)顯示,在基漿中分別加入1%的YHS-1和FLC2000以后形成的泥餅結(jié)構(gòu)基本是一致的,它們的大小顆粒緊密堆積,其表面也包上了一層高聚合物薄膜。但與基漿不同,該聚合物均勻且有較強(qiáng)的附著力。從圖2中聚合物拉絲形態(tài)可以看出,泥餅中的固體顆粒形成的多孔結(jié)構(gòu)不明顯,說明泥餅的滲透性極差,并具有較大的抗壓強(qiáng)度。從放大到5000倍的圖片[圖2(d)可以更清楚地看到,在基漿中分別加入1%的YHS-1和FLC2000以后形成的泥餅具有明顯的層狀結(jié)構(gòu),說明泥餅堅(jiān)實(shí)而緊密,具有超低滲透性。1.2.2巖心結(jié)構(gòu)組成在高溫高壓條件下,對(duì)加入超低滲透鉆井液處理劑YHS-1前后的鉆井液體系進(jìn)行了動(dòng)態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)。濾失30min后,泄壓降溫并取出巖心,在刮去巖心端面泥餅后,采用掃描電鏡觀測(cè)其端面形貌;隨后切去長(zhǎng)為0.5cm巖心,進(jìn)一步考察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。表面形態(tài)采用二次電子圖像進(jìn)行觀察研究,配合能譜和波譜研究巖心切面的結(jié)構(gòu)組成(圖3)。對(duì)比加入超低滲透劑前后的巖心[圖3(a)和圖3(b)發(fā)現(xiàn),超低滲透鉆井液在井壁巖石表面濃集形成膠束,依靠聚合物膠束或膠粒界面吸力及其可變形性,能封堵巖石表面的孔喉,在井壁巖石表面形成致密超低滲透封堵膜,有效封堵不同滲透性地層。在進(jìn)入地層淺層的孔吼通道中迅速形成凝膠狀的復(fù)合封閉膜薄層[圖3(c),形成滲透率為零的封堵層。1.3鉆井液侵入的概念油層損害最基本的機(jī)理包括孔喉的物理堵塞[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16](即固體顆粒侵入、聚合物侵入、黏土膨脹和結(jié)垢等)和相對(duì)滲透率的改變(即流體阻塞、乳化和潤(rùn)濕性改變等)。因此,必須把鉆井液侵入降到盡可能低的水平。在過平衡壓力下總會(huì)發(fā)生侵入,所以鉆井液還應(yīng)盡可能減少損害。超低滲透處理劑能與所有普通的鉆井液添加劑配伍使用,這表明在不損害低濾失性的條件下,超低滲透鉆井液能夠?qū)崿F(xiàn)減少對(duì)油層的損害。1.3.1實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果所用的基漿是4%的鈉土漿,其API失水為25mL,在120℃、3.5MPa條件下的失水為36mL。從結(jié)果可以看出,加入超低滲透鉆井液后,其失水并沒有得到多大改善。因此不能用傳統(tǒng)的濾紙來評(píng)價(jià)超低滲透鉆井液體系。筆者在參考國(guó)外相關(guān)工作基礎(chǔ)上,研制出GA型可視承壓砂床,進(jìn)行超低滲透鉆井液的滲濾實(shí)驗(yàn)。該裝置可以直觀地驗(yàn)證超低滲透鉆井液形成超低滲透封閉膜層及其承壓能力。為了研究在高溫高壓情況下鉆井液在砂床中的滲濾情況,改進(jìn)了高溫高壓濾失儀,把常規(guī)高溫高壓濾失實(shí)驗(yàn)的濾紙換成砂層,其實(shí)驗(yàn)步驟與高溫高壓濾失步驟相同。因目前還沒有關(guān)于砂床實(shí)驗(yàn)的API標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)國(guó)外相關(guān)工作,制訂出《鉆井液用超低滲透處理劑通用技術(shù)條件》的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)研制的超低滲透鉆井液處理劑YHS-1以及國(guó)外產(chǎn)品FLC2000分別進(jìn)行了砂床實(shí)驗(yàn)分析。具體步驟為:先在可視管中加入100g粒徑為0.15～0.83mm的砂子,壓實(shí)后加入預(yù)先配好的鉆井液,開始加壓,觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并開始接收濾液。在高溫高壓砂床滲濾實(shí)驗(yàn)中,預(yù)設(shè)溫度要略高于所需溫度5～6℃,待體系溫度達(dá)到平衡后,才能開始加壓,其他過程與常規(guī)高溫高壓失水方法一致。實(shí)驗(yàn)時(shí)間均為30min。從實(shí)驗(yàn)可以明顯看出,在超低滲透鉆井液與砂床接觸的瞬間形成了一層比較致密的封閉層結(jié)構(gòu),在0.69MPa壓力下繼續(xù)延長(zhǎng)壓制時(shí)間,侵入深度不變化。繼續(xù)加壓至3.0MPa,侵入深度略有增加,沒有濾失量。但是,當(dāng)溫度升高到120℃時(shí),鉆井液開始濾失,YHS-1體系的失水明顯比常規(guī)高溫高壓濾失量小,而FLC2000體系則與常規(guī)高溫高壓濾失量相當(dāng),這從側(cè)面反映常規(guī)的HTHP失水并不能反映超低滲透鉆井液在砂巖井壁上的滲濾過程。從結(jié)果還可以看出,YHS-1體系的膜結(jié)構(gòu)比FLC2000具有更強(qiáng)的可壓縮性,在較高壓力下變得更加致密,因而承壓能力和阻緩壓力傳遞能力更強(qiáng)。由此可見,超低滲透鉆井液在循環(huán)過程中,都可以在一定壓力下阻止流體進(jìn)入油層,進(jìn)而達(dá)到保護(hù)儲(chǔ)層的目的。1.3.2封閉膜清除實(shí)驗(yàn)雖然形成的封閉膜致密、承壓能力強(qiáng),但是由于形成的封閉膜位于巖層表面,因而很容易清除,這一點(diǎn)也在實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。具體實(shí)驗(yàn)過程為:在基漿中添加2%的超低滲透處理劑,進(jìn)行老化前后的封閉膜清除實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟為:測(cè)定150℃、16h滾動(dòng)老化前后的可視中壓砂床(20～40目砂層)濾失實(shí)驗(yàn),作用時(shí)間為30min,壓力為0.69MPa;在倒出鉆井液后,加入清水200mL,倒掉后,再重新加入清水400mL,加壓到0.69MPa,觀察封閉膜是否清除。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1的結(jié)果可知,超低滲透鉆井液封閉膜位于砂層表面,用清水稍微浸泡就能清除。所以在鉆井施工過程中,當(dāng)接觸洗井液或完井鹽水,以及采油過程中與儲(chǔ)層流體接觸時(shí),封閉膜易于被井內(nèi)流體清除。1.3.3巖心反排實(shí)驗(yàn)考察鉆井液的油氣層保護(hù)效果的另一個(gè)重要指標(biāo)是滲透率恢復(fù)率,實(shí)驗(yàn)中采用高孔隙度和高滲透率砂巖巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn),巖心長(zhǎng)度為4.320cm,截面積為4.81cm2,孔隙體積為2.065cm3,孔隙度為5.69%。巖心的污染與反排解堵評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)步驟為:①把巖心裝入污染夾持器,把夾持器裝到污染釜上,接好管線;②通過加壓接頭的連接孔加入待測(cè)液體,然后擰緊接頭,如需做動(dòng)態(tài)濾失,則打開面板上的電源,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,如需加熱,則打開加熱開關(guān),設(shè)定溫度;③接上壓力源,緩慢加壓到預(yù)定值,然后進(jìn)行濾失實(shí)驗(yàn);④如果有濾失量,則用量筒接收測(cè)量,否則將巖心從污染夾持器中取出,測(cè)量侵入深度;⑤實(shí)驗(yàn)完畢后,將巖心倒置,反向驅(qū)替,考察其反排情況。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知,體系的油層保護(hù)性能良好,靠煤油反排解堵,巖心的滲透率恢復(fù)率經(jīng)計(jì)算達(dá)98.4%,這證明了超低滲透鉆井液對(duì)地層無傷害。同樣條件下,測(cè)定FLC2000的滲透率恢復(fù)率為87.10%?？傊?超低滲透鉆井液通過在井壁表面形成致密的超低滲透封閉薄層,有效封閉滲透性地層和微裂縫泥頁(yè)巖地層,在井壁的外圍形成保護(hù)層,從而有可能實(shí)現(xiàn)接近零濾失鉆井,能有效減少地層內(nèi)黏土顆粒的運(yùn)移,且封閉層位于巖石表面,易于清除,能夠減少鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的損害,保護(hù)油氣層。2機(jī)械實(shí)驗(yàn)中對(duì)含滲鉆頭和水井的低滲透2.1防塌劑降低頁(yè)巖膨脹對(duì)超低滲透處理劑進(jìn)行頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn),其步驟為:在100mL蒸餾水中加入2g處理劑,攪拌30min,進(jìn)行頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn),記錄8h的線膨脹量。圖4為各種實(shí)驗(yàn)液體頁(yè)巖線膨脹量隨時(shí)間的變化曲線。從圖4可以看出,除蒸餾水,所有防塌劑在一定程度上都能抑制頁(yè)巖膨脹。其中以YHS-1的抑制能力最強(qiáng)。采用超低滲透鉆井液體系鉆進(jìn)時(shí),由于鉆井液中的特殊聚合物聚集形成可變型膠束。當(dāng)鉆井液開始向頁(yè)巖滲透時(shí),一方面這些膠束在頁(yè)巖上迅速鋪展開,并在孔喉處形成超低滲透封閉膜,阻止鉆井液進(jìn)一步滲透頁(yè)巖,不與鉆井流體接觸,可以避免頁(yè)巖的水化膨脹和分散,穩(wěn)定井壁;另一方面,即使有少量流體滲透進(jìn)入與頁(yè)巖接觸,由于該體系良好的頁(yè)巖抑制性,也不會(huì)引起頁(yè)巖的分散膨脹。因此,超低滲透鉆井液可以有效防止井壁坍塌。2.2封閉膜的壓縮性和致密性按可視中壓砂床濾失儀測(cè)試方法進(jìn)行不同時(shí)間的濾失實(shí)驗(yàn),隨后考察清水的漏失情況。具體實(shí)驗(yàn)過程為:首先在砂床上加上鉆井液,在壓力為0.7MPa條件下分別滲透2.5min、5min和10min后,停止加壓;將鉆井液緩慢倒入400mL清水,重新加壓到0.7MPa,考察清水的漏失情況。本實(shí)驗(yàn)所用基漿是密度為1.028g/cm3的膨潤(rùn)土漿,實(shí)驗(yàn)用砂粒徑為20～40目。從結(jié)果可以看出,分別加入2.0%的YHS-1和YHS-2的基漿,在分別濾失2.5min和5min后,清水在10min內(nèi)僅出現(xiàn)緩慢滴水,未出現(xiàn)大量漏失;在濾失10min后,YHS-1體系在20min內(nèi)未出現(xiàn)滴液,而YHS-2體系出現(xiàn)緩慢滴液,但仍未出現(xiàn)大量漏失;在濾失30min后,清水在30min內(nèi)仍然以滴水形式濾出。對(duì)于國(guó)外產(chǎn)品FLC2000體系而言,在同等加量條件下,鉆井液體系的封堵能力與國(guó)內(nèi)的YHS-1體系相當(dāng)。超低滲透鉆井液在砂層表面形成了致密的封閉膜,能夠封堵住清水漏失;封閉膜在幾分鐘時(shí)間內(nèi)就可以形成,這可以阻止大部分濾液和固相顆粒侵入地層。為了與其他處理劑進(jìn)行對(duì)比,選擇了銨鹽、樹脂、聚合醇和纖維素類等常用處理劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn),它們?cè)谶M(jìn)行中壓砂床濾失實(shí)驗(yàn)時(shí)瞬間完全漏失,不能形成封閉膜,因此不能有效封堵清水侵入。按照超低滲透鉆井液聚合物膠束封閉膜作用理論,壓力越大,膠束被壓縮,超低滲透鉆井液濾失量或侵入深度應(yīng)越小。因此,在不同壓力下,用改型高溫高壓濾失儀測(cè)定150℃、16h靜止老化后鉆井液的高溫砂層濾失實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)溫度為120℃,砂子粒徑為40～60目,砂子用量為100g,設(shè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30min,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知,超低滲透鉆井液封閉膜具有壓縮性,壓力越大,封閉膜越致密,封閉效果越好,且新研制產(chǎn)品的封閉膜壓縮性、致密性比FLC2000好。封閉膜可壓縮性強(qiáng),致密,阻緩壓力傳遞能力強(qiáng)。同樣,其他處理劑(樹脂、瀝青、堵漏劑等)大都?jí)毫λ查g穿透,完全漏失,只有一種堵漏劑—SD-802沒有完全漏失,但濾失量隨壓力增大而增大,其效果遠(yuǎn)小于YHS-1。2.3壓力傳遞實(shí)驗(yàn)使用的巖樣為人工壓制頁(yè)巖巖心,其氣體滲透率為2.77μm2,屬于高滲透巖心。其實(shí)驗(yàn)步驟為:①地層水飽和平衡巖樣,恢復(fù)巖樣原始地層含水狀態(tài);②在地層水—巖樣—地層水作用條件下測(cè)定泥頁(yè)巖的滲透率;③分別配制超低滲透處理劑的水溶液,進(jìn)行壓力傳遞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。在孔和縫發(fā)育的泥巖巖心中,地層水的原始滲透率為0.99×10-3μm2,經(jīng)過YHS-1和FLC2000超低滲透鉆井液體系處理后,其滲透率分別降至0.277×10-3μm2和0.319×10-3μm2,而且YHS-1體系的降低幅度比相應(yīng)的FLC2000體系高很多。從圖5可以看出,在20min內(nèi),其下游壓力迅速下降至0.46MPa。這表明,剛開始時(shí),鉆井液具有誘導(dǎo)井壁內(nèi)部孔隙流體向井內(nèi)流動(dòng)的趨勢(shì),這是一種滲透誘導(dǎo)性行為。其阻止流體向地層內(nèi)滲透的作用非常明顯,滲透率降低了將近70%,因此,這種鉆井液能有效阻止濾液的滲透和地層壓力的傳遞,從而防止水敏性地層水化膨脹的發(fā)生以及裂縫性地層局部水化應(yīng)力過大的問題。3調(diào)整井壁壓力和含量井漏是鉆井過程中常見的井下復(fù)雜情況之一,提高地層承壓能力是解決井漏問題的主要手段。超低滲透鉆井液防漏技術(shù)能有效提高地層承壓能力,保證鉆井順利安全。實(shí)驗(yàn)用儀器為多功能巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀。在長(zhǎng)為7.5cm,內(nèi)徑為2.0cm,外徑為2.5cm的巖心筒中加入適量的40～60目砂粒,在6.9MPa壓力下壓制5min。在常溫下進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾失,壓差為3.5MPa,圍壓為5MPa,濾失時(shí)間為30min,轉(zhuǎn)速為500r/min。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基漿本身的承壓強(qiáng)度為3.51MPa,加入2.0%FLC2000后,其承壓強(qiáng)度提高到9