編譯:陳永紅 (西南石油大學(xué))

審校:楊遠(yuǎn)光 (西南石油大學(xué))

有效的高密度井眼沖洗液:鹽基無固相沖洗液

編譯:陳永紅 (西南石油大學(xué))

審校:楊遠(yuǎn)光 (西南石油大學(xué))

介紹了新的鹽基高密度無固相沖洗液在深水及近海陸架井驅(qū)替中的現(xiàn)場應(yīng)用。新的高密度沖洗液是在新的表面活性劑的基礎(chǔ)上開發(fā)的,以確保有效的井眼沖洗、井眼設(shè)計(jì)參數(shù)和頂替模擬。此外,加重隔離液有利于減少高泵壓和井筒壓差。在實(shí)例中,用常規(guī)水基沖洗液頂替,預(yù)計(jì)最大泵壓9000 psi,但新設(shè)計(jì)的略小于3000 psi。密度大于或等于17.5 ppg的高密度沖洗液在沒有降低清潔效率的同時(shí),顯著減小了壓差。

鹽基高密度無固相沖洗液 表面活性劑 驅(qū)替模擬程序 油田實(shí)例

1 前言

對于許多深水井和高溫高壓井,影響成功頂替的主要因素是頂替隔離液的密度。常規(guī)的化學(xué)沖洗隔離液是用淡水或低密度鹽水,加入可溶和有效的化學(xué)表面活性劑。然而,使用這種低密度隔離液在頂替過程中可能產(chǎn)生大量的操作問題,包括井筒壓差、高泵壓和潛在的需要補(bǔ)充鉆機(jī)泵的馬力 (HP)(1 hp=0.746 kW)。

常規(guī)的化學(xué)表面活性劑在高密度鹽水中不可溶或沒有效果,因此不能用于配制鹽基高密度、低黏度的無固相沖洗液。

隨著化學(xué)表面活性劑的發(fā)展,“平衡驅(qū)替”問題已經(jīng)解決,化學(xué)表面活性劑可有效地溶解在高密度鹽水完井液中。

2 鹽基高密度的無固相井筒沖洗液

高效可溶性表面活性劑已在高密度鹽水完井液中使用。這些表面活性劑與所有鹽水的配伍性都很好,包括鋅基鹽水完井液,并是配制密度為18.5 ppg(1 ppg=120 kg/m3)的高效化學(xué)沖洗隔離液的主要成分。應(yīng)用最近 (Saasen等,2004年;Berry,2005年)提出的流變儀測試程序和室內(nèi)(Baccigalopi等,2005年)測試方法來研發(fā)高密度沖洗隔離液。由于在深水井項(xiàng)目中泥線溫度低,驅(qū)替試驗(yàn)在40℉進(jìn)行。各種泥漿體系,特別是新的、更難以沖洗的合成油基鉆井液 (SOBM)體系常作為基準(zhǔn)來測試新開發(fā)體系的有效性。已經(jīng)開發(fā)的無固相沖洗隔離液在現(xiàn)場使用非常好。

在現(xiàn)場,利用這些隔離液來測試特殊泥漿頂替時(shí)采用的驅(qū)替系統(tǒng)。實(shí)際上,頂替作業(yè)之前泥漿從現(xiàn)場獲得,并按照先前的程序測試。若結(jié)果令人不滿意,那么化學(xué)沖洗隔離液需要改進(jìn),包括它的化學(xué)成分和濃度,以及接觸時(shí)間和用量,直到獲得一個(gè)合適的隔離液體系為止。雖然新的表面活性劑體系通常是有效的,但是建議將該過程用于每個(gè)驅(qū)替方案。

隔離液體系是專門為每口井設(shè)計(jì)的,主要基于被驅(qū)替的鉆進(jìn)或鉆井泥漿以及驅(qū)替泥漿的鹽水。井筒因素能夠顯著地影響驅(qū)替系統(tǒng)的設(shè)計(jì),包括特殊的井身和立管配置;井筒壓力、溫度和容量特性;驅(qū)替方法;可能得到的泵送 HP。與頂替模擬程序相結(jié)合,擇優(yōu)隔離液體系確定適當(dāng)?shù)拿芏?在頂替過程中實(shí)現(xiàn)良好的壓力分布。

3 計(jì)算和操作的考慮

其他因素可能非常有助于泥漿的成功頂替。首先考慮改善泥漿性能,通過使用固相控制設(shè)備和適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理使它達(dá)到最佳流變性 (如,所需的最低黏度和凝膠結(jié)構(gòu))。改善泥漿性能有利于有效和高效率地清除泥漿,尤其是在接近油管-套管接觸的區(qū)域,這時(shí)套管不可能往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。必要時(shí),運(yùn)行循環(huán)接頭、鉆頭、電刷和刮刀,或者在泥漿調(diào)整過程中油管旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

鉆井液或鹽水完井液的總用量在一些深海油井中可達(dá) 3000 bbl(1 bbl=0.159 m3),立管中1500 bbl,井眼中1500 bbl。在高溫高壓深井中必須控制大用量。人工井底深度達(dá) 25000 ft(1 ft=30.48 cm)的井身并不罕見。在這些井中,砂眼的儲(chǔ)存能力、利用率和管理成為重要的考慮因素,尤其是在它自身的頂替作業(yè)中。同樣,要求頂替隔離液的混合和儲(chǔ)存有利于復(fù)雜的存儲(chǔ)管理和使用。為了減少在鉆井現(xiàn)場的混合和存儲(chǔ)問題,高密度鹽基無固相沖洗隔離液先在陸上預(yù)先混合,然后再運(yùn)到鉆井作業(yè)現(xiàn)場。

驅(qū)替過程很復(fù)雜,可以直接 (泥漿-隔離液-鹽水一個(gè)步驟)或間接 (第一步是泥漿-隔離液-海水,其次是海水循環(huán)清洗,最后一步是海水-隔離液-鹽水),向前或反向循環(huán)。對于深水井,沖洗大直徑立管特別困難。立管清洗可以在總的頂替方案中考慮或用直接或間接的驅(qū)替作業(yè)單獨(dú)頂替。循環(huán)閥和專用的立管頂替工具有助于泥漿頂替。

4 頂替模擬程序

在頂替泥漿的隔離液體系設(shè)計(jì)中限制性因素必須考慮,它與井身和泵送 HP允許的最大循環(huán)壓力有關(guān)。出于后勤成本的考慮,另外泵送 HP無法實(shí)現(xiàn),頂替過程只能使用鉆井泥漿泵HP來運(yùn)行。泵壓范圍為3000～4000 psi(1 psi=6.895 kPa)通常是可以接受的。

在隔離液體系設(shè)計(jì)中的另一個(gè)限制因素必須避免,即頂替期間高壓差的形成。因此,當(dāng)量循環(huán)密度 (ECD)的控制是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。從頂替模擬程序的使用到合格特殊隔離液的設(shè)計(jì),泵送HP、壓力和ECD是輸出參數(shù)。

程序輸入?yún)?shù)的選定以頂替方案類型 (即直接、間接、立管處理與循環(huán)方向)為基礎(chǔ)。輸入?yún)?shù)包括以下內(nèi)容:

◇立管構(gòu)型和深度

◇套管構(gòu)型和深度

◇井底溫度和壓力

◇管柱構(gòu)型、底部鉆具組合和深度

◇循環(huán)閥的數(shù)量、類型和位置

◇鉆井液性能,包括流變性/密度

◇鹽水完井液性能,包括流變性/密度

◇隔離液種類、體積和順序

◇隔離液性能,包括流變性/密度

◇泵率

這些參數(shù),如循環(huán)閥數(shù)量和位置;隔離液種類、順序、體積和性能;還有泵率,都可以控制,且滿足油田中頂替的需求。

因此,選擇所需的最佳頂替程序,用頂替模擬程序來模擬運(yùn)行。選定的參數(shù),如數(shù)量、密度、黏度和/或隔離液體積和/或泵率是不同的,同時(shí)監(jiān)測輸出參數(shù)。在正向和反向循環(huán)方向上模擬運(yùn)行直接或間接的頂替過程,對于頂替深水井立管有著不同的選擇。對于循環(huán)閥和專用的立管清洗工具模擬運(yùn)行也有不同的選擇。要求最優(yōu)頂替方案的流量與預(yù)期流量相符合。

5 結(jié)果與討論

在所有實(shí)例中,都設(shè)計(jì)了頂替方案,使用允許的最大流量和優(yōu)選的高密度鹽基無固相井筒沖洗液(HD-WCF)。由于其密度,HD-WCF隔離液減小了所需的泵壓,從而允許紊流具有更大的泵壓。因此,HD-WCF隔離液在紊流狀態(tài)下循環(huán)能有效清洗井眼。此外,HD-WCF隔離液體系使井眼處于水潤濕狀態(tài)。

5.1 實(shí)例1

此實(shí)例中的立管部分采用間接頂替方式,首先從13.5 ppg合成油基鉆井液 (SOBM)到海水,然后,在井眼直接頂替后,海水被10.6 ppg鹽水完井液頂替。當(dāng) HD-WCF代替了常規(guī)的隔離液時(shí),觀察到這口深水油井的泵壓顯著降低。最高泵壓從5860 psi降低到3771 psi,在用戶限定的鉆機(jī)極限約4000 psi范圍內(nèi)。同樣,泵送 HP指示了類似的趨勢,最高值從574 hp減小至547 hp。隨著驅(qū)替模擬的運(yùn)行和隔離液被泵送到井筒,頂替模擬程序跟蹤的流量和壓力是頂替用量的一個(gè)函數(shù)。對于HD-WCF的頂替如圖1所示。泵壓保持在用戶要求的4000 psi的極限以下,與常規(guī)隔離液體系相反,加入約1000 bbl后其泵壓上升到5860 psi(圖 2)。

圖1 實(shí)例1中的 HD-WCF體系

ECD也作為頂替用量的一個(gè)函數(shù)被跟蹤。對于實(shí)例1,在整個(gè)頂替過程中,HD-WCF頂替的ECD均顯著高于常規(guī)隔離液的頂替。比較用量為1250 bbl和1500 bbl(13.5 ppg和12.5 ppg) 的HD-WCF隔離液體系 ECD的值 (圖3)和常規(guī)隔離液體系在相同體積 (12.0 ppg和11.3 ppg)下的ECD值 (圖4)。在每個(gè)實(shí)例中,HD-WCF隔離液體系提供更高的ECD值和相對較低的壓差。

圖2 實(shí)例1中的常規(guī)體系

此外,高密度重晶石加重的隔離液 (約17.5 ppg)通常用作一級或二級隔離液,二級重晶石加重的隔離液密度要達(dá)到12.0 ppg以改善井內(nèi)水力因素。

實(shí)例1的現(xiàn)場數(shù)據(jù)證實(shí),在這口井中 HDWCF隔離液成功頂替了SOBM。頂替完成后短程起下鉆,對井中返出的鹽水完井液測定表明,只存在7個(gè)傳熱單元數(shù) (NTU)。短程起下鉆后7NTU說明它是一個(gè)非常有效的頂替過程。事實(shí)上,從井中循環(huán)后返出的鹽水完井液很干凈,沒必要對鹽水完井液進(jìn)行40多小時(shí)的循環(huán)和過濾,這大大節(jié)省了時(shí)間。

圖3 實(shí)例1中的 HD-WCF體系,25652 ft深

5.2 實(shí)例2

此實(shí)例描述了另一口深水油井的頂替。立管部分間接頂替,首先是13.5 ppg的 SOBM,其次是海水;然后,井眼直接頂替,海水被11.6 ppg的CaBr2鹽水完井液頂替。類似實(shí)例1,當(dāng)使用 HDWCF隔離液時(shí),泵壓保持在規(guī)定的范圍內(nèi) (圖5和圖6)。在26213 ft深處,當(dāng) ECD值保持在12 ppg以上時(shí),井筒壓差也保持在較低值。比較圖7中用量為1000 bbl和1500 bbl(13.3 ppg和12.5 ppg)的HD-WCF隔離液體系和圖8中以同樣用量 (11.9 ppg和11.7 ppg)的常規(guī)隔離液體系的ECD值。在每個(gè)實(shí)例中,HD-WCF隔離液提供了更高的ECD值和相對較低的壓差。

圖4 實(shí)例1中的常規(guī)體系,25652 ft深

圖5 實(shí)例2中的 HD-WCF體系

圖6 實(shí)例2中的常規(guī)體系

實(shí)例2的現(xiàn)場數(shù)據(jù)證實(shí),在這口井中 HDWCF隔離液成功頂替了13.5 ppg的SOBM。頂替完成后短程起下鉆,對井中返出的鹽水完井液測定表明,只有18NTU。

圖8 實(shí)例2中的常規(guī)體系

5.3 實(shí)例3

實(shí)例3是一個(gè)極高密度陸架井,它再一次證明了使用HD-WCF隔離液的優(yōu)勢。18.2 ppg的水基泥漿直接被17.6 ppg的鋅基鹽水完井液頂替,只有刮刀器和一個(gè)循環(huán)閥用來協(xié)助頂替作業(yè)。在17.6 ppg鋅基鹽水完井液之前,頂替組由17.6 ppg重晶石加重隔離液、18.5 ppg HW-WCF隔離液、17.6 ppg黏性隔離液組成。在這個(gè)實(shí)例中,17.6 ppg重晶石加重隔離液還含有油基沖洗劑。通常情況下,化學(xué)沖洗添加劑不添加到重晶石加重隔離液中,因?yàn)楦吖滔嗪亢宛ざ却蠓冉档土颂砑觿┑男Ч?。這種重晶石隔離液對于其本身是無效的。

首先,使用 HD-WCF隔離液泵壓低于4000 psi,而使用常規(guī)隔離液泵壓為9902 psi。泵壓實(shí)現(xiàn)時(shí)最大泵送 HP也顯著減少。顯然,使用 HDWCF隔離液能明顯控制井筒壓差和保持高的ECD。在17500 ft井深中,使用 HD-WCF隔離液其最低井筒壓力和ECD分別是16229 psi和17.83 ppg,而常規(guī)隔離液其最低井筒壓力和 ECD分別是7859 psi和8.64 ppg。HD-WCF隔離液控制井眼壓力和ECD的能力使鉆井操作成本大大下降。

實(shí)例3的現(xiàn)場數(shù)據(jù)證實(shí),在這口井中 HDWCF隔離液成功頂替了水基泥漿。頂替完成后短程起下鉆,對井中返出的鹽水完井液測定表明,只有25NTU。

5.4 實(shí)例4

這個(gè)項(xiàng)目描述了超過76°的大斜度深水井對高密度泥漿的頂替過程。15.4 ppg的SOBM被15.2 ppg鋅基鹽水完井液頂替。12.0 ppg隔離液小段塞被設(shè)計(jì)為無鋅基隔離液,并配制溴化鈣鹽水完井液,以減少初始成本和處置成本。一起頂替井眼和立管允許作業(yè)管柱旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng),并在頂替期間達(dá)到湍流,同時(shí)避免在較低的井眼部位管柱靜止在套管壁上。由于預(yù)見到套管磨損,這一選擇不可取,因而兩級頂替 (立管,然后井眼)的使用被再次認(rèn)可。立管部分間接頂替,首先是15.4 ppg的SOBM,再是海水,然后井眼直接頂替,從15.4 ppg的SOBM泥漿到15.2 ppg鋅基鹽水完井液。在立管中海水被15.2 ppg鋅基鹽水完井液頂替。類似第一和第二個(gè)實(shí)例,設(shè)計(jì)泵壓為4100 psi,最大鉆機(jī)壓力為4500 psi。

隨著較高泥漿的加重,存在潛在的最高井筒壓差。然而,在17005 ft處井筒壓差保持在較低值,而ECD保持在14 ppg以上。HD-WCF隔離液預(yù)先混配、標(biāo)記,并從陸地鹽水設(shè)施運(yùn)到25 bbl船用便攜箱 (MPT)中。MPT提供安全運(yùn)輸,并確保井隊(duì)人員安全和方便操作。由于溴化鈣隔離液對頂替壓力的控制,減少了較貴溴化鋅鹽水的使用,在頂替過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)較少,從而降低了相關(guān)的安全與環(huán)境問題。

實(shí)例4的現(xiàn)場數(shù)據(jù)證實(shí),在這口井中 HDWCF隔離液成功頂替了SOBM。頂替完成后短程起下鉆,對井中返出的鹽水完井液測定表明,只有15NTU。

6 結(jié)論

◇HD-WCF可高效地頂替SOBM和WBM;

◇HD-WCF隔離液給工程師提供了必要的完井工具,以有效控制泵壓、井筒壓差和ECD;

◇HD-WCF隔離液減小泵壓,通過紊流得到最大泵率和清洗效率,最大限度地節(jié)省了時(shí)間,減少了潛在額外泵送HP的需求;

◇HD-WCF隔離液優(yōu)化了驅(qū)替方案;

◇驅(qū)替軟件與驅(qū)替模擬程序類似,是設(shè)計(jì)和優(yōu)化驅(qū)替方案的強(qiáng)大工具。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.012

資料來源于美國《SPE Drilling&Completion》2008年3月

2008-12-11)