耿嬌嬌 鄢捷年 李懷科 趙勝英 李紅梅 李學(xué)彬

(1.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)石油大學(xué)),北京昌平 102249;2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部,河北燕郊065201;3.中國(guó)石化國(guó)際石油勘探開發(fā)有限公司,北京 100083;4.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司,北京 100101)

深水鉆井一般指鉆井水域水深超過900 m,水深大于1 500 m時(shí)為超深水鉆井。近年來,隨著海洋石油工業(yè)的不斷發(fā)展和開采量的逐年增加,海洋石油勘探已逐漸向深水進(jìn)軍。然而深水鉆井時(shí)溫度變化明顯,鉆井液的流變性受溫度的影響很大,特別是動(dòng)切力和低剪切速率下的黏度難以控制,由此引發(fā)的井漏、當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)高,壓力控制難等一系列問題正在成為深水鉆井所面臨的挑戰(zhàn)[1]。合成基鉆井液(SBM)以其機(jī)械鉆速高、井壁穩(wěn)定性好等特點(diǎn)已成為海上油氣鉆探的常用鉆井液體系,但該鉆井液的黏度、切力受溫度的影響較明顯,因而容易發(fā)生井漏,特別在鉆井液長(zhǎng)時(shí)間靜置的情況下更嚴(yán)重。具有恒流變特性的合成基鉆井液(CR-SBM,又名平流變特性合成基鉆井液,FR-SBM)是在傳統(tǒng)合成基鉆井液的基礎(chǔ)上通過處理劑的優(yōu)化和改性發(fā)展起來的一種適合深水鉆井的新型鉆井液體系[2]。筆者闡述了該新型鉆井液的典型組成及性能特點(diǎn),對(duì)比總結(jié)了CR-SBM較傳統(tǒng)SBM在流變性、抗污染能力等方面的提高與發(fā)展,同時(shí)介紹了CR-SBM在美國(guó)墨西哥灣海域的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

1 CR-SBM的組成

CR-SBM主要由基漿、增黏劑和流變調(diào)節(jié)劑組成。

1)基漿 目前在應(yīng)用深水合成基鉆井液的過程中,面臨的主要技術(shù)難題是如何降低鉆井液在低溫高壓條件下的黏度。試驗(yàn)表明,相同條件下不同基漿的黏度相差較大,且基漿的黏度往往影響整個(gè)鉆井液體系的黏度。因此,研制CR-SBM的第一步是選用適宜的基漿。國(guó)外鉆井實(shí)踐表明,內(nèi)烯烴鉆井液的流變性能受溫度影響較小,作為CR-SBM的基漿較為合適[3]。

2)增黏劑 有機(jī)土是合成基鉆井液最常用的增黏劑,它在控制重晶石沉降方面作用顯著;但隨有機(jī)土加量的增加,鉆井液的流變性受溫度的影響變大。若鉆井液中不加有機(jī)土,鉆井過程中會(huì)經(jīng)常發(fā)生重晶石沉降現(xiàn)象;若鉆井液主要以有機(jī)土作為增黏劑,則鉆井液黏度將隨溫度變化發(fā)生明顯變化。因此,CR-SBM中應(yīng)加入少量?jī)?yōu)質(zhì)的有機(jī)土(較之傳統(tǒng)SBM,有機(jī)土加量減少50%較為合適),以防止重晶石沉降;同時(shí)需配合使用聚合物類和/或表面活性劑類流變調(diào)節(jié)劑來實(shí)現(xiàn)鉆井液的恒流變特性。

3)流變調(diào)節(jié)劑 試驗(yàn)表明,隨溫度變化,聚合物類和/或表面活性劑類流變調(diào)節(jié)劑將具有積極的變化。當(dāng)與有機(jī)土復(fù)配使用時(shí),可以使鉆井液的流變性基本上不隨溫度、壓力變化而變化。這種性質(zhì)主要取決于流型調(diào)節(jié)劑的濃度和鹽水相的堿度[4]。

2 CR-SBM恒流變特性實(shí)現(xiàn)機(jī)理

CR-SBM的流變性受溫度的影響較小,特別是動(dòng)切力、靜切力和低剪切速率下的黏度等參數(shù)不隨著溫度的變化而改變,表現(xiàn)出穩(wěn)定優(yōu)良的流變特性。該特性主要通過兩種方式實(shí)現(xiàn):

一是使用少量的有機(jī)土,并配合使用聚合物類增黏劑,聚合物類增黏劑隨溫度的升高而伸展變長(zhǎng),在低溫條件下則呈卷曲狀態(tài)且對(duì)黏度無影響。在具有恒流變特性的鉆井液體系中,隨著溫度升高,有機(jī)土的增黏效果會(huì)有所減弱,此時(shí)聚合物增黏劑將發(fā)揮主要的增黏作用;而隨著溫度降低,聚合物增黏劑逐漸緊縮,此時(shí)有機(jī)土主要起增黏作用。

二是使用一種溫度活化型表面活性劑。該表面活性劑可與低濃度的有機(jī)土相互作用形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而達(dá)到增黏的目的。該空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)隨著溫度升高而增強(qiáng),隨著溫度降低而減弱。而有機(jī)土則正好相反,是隨著溫度升高而導(dǎo)致鉆井液黏度降低,隨著溫度降低而導(dǎo)致鉆井液黏度增大。正是兩者之間此消彼長(zhǎng)的互補(bǔ)特性實(shí)現(xiàn)了CR-SBM的恒流變特性。

研究表明,以上兩種方式存在著一個(gè)過渡溫度段,即聚合物類增黏劑提供的黏度不能完全補(bǔ)償有機(jī)土降低的黏度。因此,CR-SBM的流變特性隨溫度的變化會(huì)呈現(xiàn)出“U”形曲線[5],即動(dòng)切力隨著溫度的升高先略有降低后又增大,而傳統(tǒng)SBM鉆井液的動(dòng)切力則隨著溫度的升高而逐漸降低。

3 CR-SBM的主要特點(diǎn)

3.1 降低ECD

在深水鉆井中,孔隙壓力梯度與地層破裂壓力梯度的差值很小[6],ECD的輕微變化便可能導(dǎo)致壓漏地層等復(fù)雜情況的發(fā)生。因此,確定合理的ECD有利于安全、快速鉆進(jìn)。隨鉆壓力測(cè)試數(shù)據(jù)證實(shí), CR-SBM可明顯降低當(dāng)量循環(huán)密度。圖1為某大位移井的典型水力模擬結(jié)果。從圖1可以看出,采用傳統(tǒng)SBM鉆進(jìn)時(shí),ECD為1.69 kg/L,而使用CR-S BM時(shí) ECD為 1.66 kg/L,比傳統(tǒng) SBM降低了0.03 kg/L,從而井眼穩(wěn)定性明顯提高。而兩種鉆井液的當(dāng)量靜態(tài)密度均為1.58 kg/L。

圖1 CR-SBM與傳統(tǒng)SBM的水力模擬結(jié)果

3.2 有效防止重晶石沉降

重晶石沉降通常發(fā)生在井斜角≥30°的井段中,在井斜角為60°～70°井段井中更為明顯。重晶石沉降會(huì)引起循環(huán)漏失、井壁失穩(wěn)、卡鉆、井眼清洗差等井下復(fù)雜情況或事故的出現(xiàn),甚至造成油氣井報(bào)廢。某井采用傳統(tǒng)SBM鉆進(jìn),由于重晶石沉降嚴(yán)重,井眼底部鉆井液密度由1.56 kg/L升至2.34 kg/L。而改用CR-SBM鉆進(jìn),由于消除了重晶石沉降現(xiàn)象,鉆井液密度一直保持在1.58 kg/L,從而避免了井下復(fù)雜情況的發(fā)生[7-8]。

3.3 減少鉆井液漏失總量

鉆井液漏失不僅會(huì)增加鉆井液成本,而且漏失嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致固井質(zhì)量差,并造成非生產(chǎn)時(shí)間增加。與傳統(tǒng)SBM相比,CR-SBM的優(yōu)勢(shì)在于它能將鉆井液的漏失量降至最低,甚至消除,從而大大降低由非生產(chǎn)時(shí)間所損耗的鉆井成本,提高深水鉆井效率。CR-SBM特有的恒流變特性,在沒有引起井底漏失與ECD增大的情況下,有效提高了鉆井液的懸浮能力,克服了傳統(tǒng)SBM在深水鉆井中所遇到的技術(shù)難題,是合成基鉆井液的一大進(jìn)展。

4 CR-SBM性能測(cè)試數(shù)據(jù)[9-11]

4.1 不同溫度下的流變性

為了考察恒流變合成基鉆井液體系(CR-SBM)在不同溫度下的流變性,測(cè)定了密度為1.38 kg/L的傳統(tǒng)SBM和CR-SBM在4～66℃溫度下的動(dòng)切力,黏度計(jì)6 r/min時(shí)的讀數(shù)和10 min的靜切力,結(jié)果見表1。

表1 傳統(tǒng)SBM與CR-SBM體系在不同溫度下的流變性能

由表1可看出,兩種體系表現(xiàn)出的溫度敏感性差異很大:傳統(tǒng)SBM的動(dòng)切力、黏度計(jì)6 r/min讀數(shù)和10 min靜切力隨溫度的變化幅度很大,尤其是動(dòng)切力隨著溫度升高驟然下降;而CR-SBM的流變性基本上保持穩(wěn)定,受溫度的影響很小,特別是10 min靜切力基本不受溫度的影響,始終保持在40 Pa左右。

4.2 深水條件下流變性能測(cè)試

模擬深水鉆井所遇的溫度和壓力條件,對(duì)合成基鉆井液SBM-1、SBM-2和CR-SBM的流變性分別進(jìn)行了測(cè)試,以評(píng)價(jià)3種鉆井液的動(dòng)切力隨溫度和壓力的變化,結(jié)果見表2。由表2可知,與兩種傳統(tǒng)SBM相比,CR-SBM動(dòng)切力受溫度和壓力的影響小,表明CR-SBM在深水環(huán)境中表現(xiàn)出穩(wěn)定優(yōu)良的流變特性。

表2 傳統(tǒng)SBM與CR-SBM在不同溫度、壓力下的動(dòng)切力 Pa

4.3 抗污染試驗(yàn)

在4、38和66℃溫度下,分別測(cè)定了傳統(tǒng)SBM和CR-SBM在加入鉆屑前后的流變性。用OCMA土模擬鉆屑,其加量為10%,結(jié)果見表3、4。從表3、4可以看出,兩種鉆井液受鉆屑污染后,其動(dòng)切力、黏度計(jì)6 r/min讀數(shù)、10 min靜切力均有所增加。對(duì)比表3和表4發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)SBM抗鉆屑污染能力較差,流變性受溫度影響變化較大,不利于高效攜巖;而CR-SBM加入鉆屑后流變性雖有所變化,但受溫度的影響較小,流變性能基本保持穩(wěn)定,表明其具有良好的抗污染性能。

表3 傳統(tǒng)SBM巖屑污染前后的流變性

表4 CR-SBM鉆井液巖屑污染前后的流變性

4.4 沉積物毒性試驗(yàn)

海上鉆井因受到海洋保護(hù)法的限制,所用鉆井液必須具有低毒及生物降解等特性。對(duì)CR-SBM進(jìn)行了沉積物毒性試驗(yàn),并與傳統(tǒng)SBM進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示,CR-SBM的毒性比傳統(tǒng)SBM更低,可滿足海上鉆井的環(huán)保要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前,CR-SBM已成功應(yīng)用于墨西哥灣海域,并逐漸應(yīng)用于亞洲某些近海海域,以及西非近海、巴西近海等地區(qū)。

墨西哥灣Green凹陷深水海域某A井在930 m深水區(qū)采用CR-SBM鉆進(jìn),當(dāng)量循環(huán)密度比采用傳統(tǒng)SBM降低0.024 kg/L,全井未發(fā)現(xiàn)重晶石沉降的現(xiàn)象,鉆井和下套管作業(yè)中鉆井液漏失量降低了60%,并且井眼穩(wěn)定性大大提高。試驗(yàn)還表明, CR-SBM便于配制和維護(hù),不同于常規(guī)合成基鉆井液需要較長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)才能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。某B井在水深超過915 m的地層鉆進(jìn),海底管線平均溫度為15.6～18.3℃,鉆井液密度范圍為1.32～1.51 kg/L。采用傳統(tǒng)SBM鉆進(jìn)時(shí),巖屑在井底的滯留時(shí)間與機(jī)械磨損時(shí)間較長(zhǎng),井眼清洗能力較差。改用CR-SBM后,從振動(dòng)篩處可觀察到巖屑顆粒的尺寸更大,井眼清洗效果明顯提高,巖屑在井底的停留時(shí)間顯著縮短。某C井在水深1 203 m的地層鉆進(jìn)時(shí),使用傳統(tǒng)SBM時(shí),由于其流變性能不穩(wěn)定,井下漏失極為嚴(yán)重。于是改用CR-SBM繼續(xù)鉆進(jìn),鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析顯示,初始?jí)毫ζ骄档?.07 MPa,當(dāng)量循環(huán)密度降低0.3 kg/L,井底漏失總量控制在9.5 m3以內(nèi)(而傳統(tǒng)SBM井底漏失總量為445 m3),從而大大縮短了非生產(chǎn)時(shí)間,節(jié)約了鉆井成本,顯著提高了鉆井效率。

6 結(jié) 論

1)CR-SBM的組成與傳統(tǒng)SBM基本相同,不同之處在于有機(jī)土的加量和乳化劑的類型;CR-SBM抗鉆屑、海水等的污染能力強(qiáng),抑制性好,能滿足海洋環(huán)境保護(hù)的要求。

2)與常規(guī)SBM相比較,CR-SBM具有良好的恒流變特性,其動(dòng)切力、靜切力以及黏度計(jì)6 r/min讀數(shù)基本上不受溫度、壓力的影響,克服了傳統(tǒng)SBM在深水鉆井中所遇到的技術(shù)難題,是合成基鉆井液的一大進(jìn)展,更適合于深水鉆井。

3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,CR-SBM能夠提供優(yōu)良的懸浮性能,從而能夠避免因重晶石沉降所導(dǎo)致的井下復(fù)雜情況,可明顯降低鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度,所需初始泵壓較小,漏失量明顯下降。因此,CR-SBM在深水鉆井作業(yè)中的應(yīng)用前景廣闊。

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