于 雷,張敬輝,王莉萍,李 斌,李海斌

(中國石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)

漂珠破碎影響因素試驗(yàn)及低密度漂珠鉆井液的應(yīng)用

于 雷,張敬輝,王莉萍,李 斌,李海斌

(中國石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)

針對(duì)用于鉆井作業(yè)的漂珠破碎率較高的問題,室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選3M公司HGS8000X型漂珠,研究泵本身、碰撞、噴射速度和噴嘴尺寸對(duì)漂珠破碎率的影響,室內(nèi)評(píng)價(jià)漂珠加量對(duì)鉆井液性能的影響,考察低密度漂珠鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)效果。研究表明噴射速度和噴嘴直徑是影響漂珠破碎率的主要因素。HGS8000X型漂珠在昌171-斜6井進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),保持了較低的破碎率,取得了較好的應(yīng)用效果。

漂珠;破碎;低密度;鉆井液;儲(chǔ)層保護(hù)

隨著油田開發(fā)的深入,國內(nèi)外諸多的大油田大多進(jìn)入了開發(fā)后期階段,油藏壓力系數(shù)低,為了防止鉆井液漏失以及更好地保護(hù)低壓油氣藏,鉆井過程中通常采用空氣鉆井液、泡沫(微泡)鉆井液、油基鉆井液等低密度流體或控壓鉆井來實(shí)現(xiàn)[1]。但空氣鉆井、泡沫鉆井等需要額外的設(shè)備,成本高,有時(shí)還受地形的限制[2-8],而油基鉆井液同樣存在成本高、環(huán)保壓力大等問題。近年來,低密度漂珠水基鉆井液在國內(nèi)外多口低壓油氣井中進(jìn)行了成功應(yīng)用,取得了不錯(cuò)的效果[9-11]。但同時(shí)在現(xiàn)場應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),隨著鉆井工況的不同,不同型號(hào)漂珠的破碎率也表現(xiàn)的不同[12]。因此,筆者優(yōu)選一種抗壓性能較好的漂珠,進(jìn)行漂珠破碎率影響因素的室內(nèi)試驗(yàn),并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)步驟

該試驗(yàn)是在中國石油大學(xué)(華東)射流研究中心完成,所用儀器設(shè)備主要有高壓泥漿泵(額定壓力50 MPa,額定流量189 L/min,江蘇省無錫市煤礦機(jī)械廠)、高壓流量計(jì)(工作壓力42 MPa,流量1.6～16 m3/h,精度0.1%,淄博沃森測控科技有限公司)、高壓釜及高圍壓無碰撞實(shí)驗(yàn)管(額定壓力50 MPa,中國石油大學(xué)(華東)高壓水射流研究中心實(shí)驗(yàn)室)、加熱罐(容積0.7 m3,0～100 ℃)、高壓高耐磨噴嘴(硬度HRA91)等[13]。

試驗(yàn)步驟:①試驗(yàn)前,首先在鉆井液攪拌罐中配好鉆井液,使其達(dá)到要求的黏度和pH值;②向鉆井液攪拌罐中加入規(guī)定濃度的漂珠,攪拌均勻;③將一定量攪拌好的鉆井液加入加熱罐中,需要一定實(shí)驗(yàn)溫度時(shí),預(yù)加熱到設(shè)計(jì)溫度;④啟動(dòng)高壓泵;⑤調(diào)節(jié)噴嘴壓力和流量達(dá)到設(shè)計(jì)值;⑥調(diào)節(jié)井筒內(nèi)圍壓達(dá)到設(shè)計(jì)值;⑦記錄壓力、流量;⑧按照設(shè)計(jì)要求取樣,測量鉆井液的密度,計(jì)算漂珠破碎率;⑨試驗(yàn)結(jié)束,進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

鉆井液儲(chǔ)層保護(hù)評(píng)價(jià)試驗(yàn)所用儀器為低滲油氣層傷害評(píng)價(jià)裝置(額定污染壓力25 MPa,額定驅(qū)替壓力60 MPa,額定驅(qū)替排量為10 mL/min,額定溫度180 ℃,湖北省荊州市創(chuàng)聯(lián)科技有限公司)。試驗(yàn)程序參照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6540-2002進(jìn)行。

2 漂珠的選擇及破碎影響因素分析

2.1 實(shí)驗(yàn)用漂珠的選擇

3M公司的漂珠(HGS)為單胞堿石灰硅酸硼類,中空圓球形,外觀為白色粉末,呈化學(xué)惰性,抗高溫高壓[14]。以前鉆井現(xiàn)場使用的主要是HGS4000和HGS6000型漂珠,破碎率較高,造成鉆井液成本大幅增加。HGS8000X型漂珠是3M公司近來新開發(fā)的一種新型漂珠,其粒度更細(xì),平均粒徑25 μm,抗壓強(qiáng)度達(dá)56 MPa。在相同試驗(yàn)條件下,室內(nèi)對(duì)3種型號(hào)的漂珠進(jìn)行破碎對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同型號(hào)漂珠破碎率對(duì)比

由圖1可知,循環(huán)20周以后HGS4000和HGS6000兩種型號(hào)漂珠的破碎率已經(jīng)超過40%,破碎相當(dāng)嚴(yán)重,而HGS8000X型漂珠循環(huán)60周后的破碎率仍小于30%。在相同條件下HGS4000和HGS6000兩種型號(hào)漂珠的破碎率遠(yuǎn)高于HGS8000X型號(hào)漂珠,而且時(shí)間越長差別越大。因此,本研究中選用HGS8000X型漂珠進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 漂珠破碎影響因素

通過對(duì)鉆進(jìn)過程的分析,影響漂珠破碎的因素主要包括漂珠本身的質(zhì)量強(qiáng)度、泵本身的影響、漂珠與井底巖石的碰撞、高壓水射流下的噴射速度、噴嘴的直徑等。本文中主要是針對(duì)外界因素對(duì)漂珠破碎率的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 泵本身造成的漂珠破碎

為了單純考察泵本身對(duì)漂珠破碎率的影響,直接將通過高壓泵的鉆井液返排到鉆井液加熱罐中,而不通過高壓噴嘴。試驗(yàn)鉆井液排量為2 L/s,漂珠體積分?jǐn)?shù)20%，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可知,循環(huán)初期漂珠破碎率迅速增加至4%左右,循環(huán)周期達(dá)到40 周后破碎率達(dá)到8.2%并基本保持恒定;在60個(gè)循環(huán)周期內(nèi),漂珠破碎率總體保持在較低的水平。分析認(rèn)為,前期破碎率迅速增加的主要原因是存在一些畸形的漂珠,隨著少數(shù)畸形漂珠的破碎,漂珠的破碎率不再增加,這表明占少數(shù)的畸形漂珠發(fā)生破碎后,高壓泵的循環(huán)不會(huì)造成占絕大多數(shù)的正常漂珠的破碎。

圖2 泵本身對(duì)破碎率的影響

3.2 碰撞造成的破碎

采用砂巖巖心,模擬油田常用PDC 鉆頭噴嘴距井底的距離確定了高壓噴嘴距離巖面的距離(50 mm),進(jìn)行有碰撞條件下的漂珠破碎試驗(yàn),試驗(yàn)鉆井液排量1.6 L/s,噴嘴直徑8.5 mm,試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 井底碰撞對(duì)破碎率的影響

由圖3可知,有碰撞和無碰撞兩種試驗(yàn)條件下的漂珠破碎率均隨著循環(huán)周素的增加而增大,有碰撞條件下的破碎率稍高于無碰撞條件下的破碎率,但差別不大,說明漂珠與巖石的碰撞并不是造成漂珠破碎的主要原因。

3.3 噴射速度造成的漂珠破碎

試驗(yàn)采用砂巖巖心,模擬有碰撞條件下的破碎實(shí)驗(yàn),考察不同噴射速度下漂珠的破碎情況,模擬噴距50 mm。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出,隨噴射速度增加,HGS8000X的破碎率均不同程度增大。當(dāng)噴射速度為53.5 m/s時(shí),HGS8000X的破碎并不嚴(yán)重,循環(huán)60周后破碎率只有10.3%;而噴射速度達(dá)到96 m/s時(shí),循環(huán)60周后破碎率超過60%,表明噴射速度對(duì)漂珠破碎的影響很大。

圖4 噴射速度對(duì)HGS8000X破碎的影響

3.4 噴嘴尺寸對(duì)破碎率的影響

試驗(yàn)采用砂巖巖心,選取7.4 mm和10 mm兩種尺寸的噴嘴進(jìn)行試驗(yàn),考察噴嘴尺寸對(duì)漂珠破碎率的影響,試驗(yàn)鉆井液排量1.3 L/s,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同噴嘴破碎率變化

從圖5可以知,其它條件相同的條件下,僅改變噴嘴直徑對(duì)漂珠的破碎率有很大的影響,10 mm噴嘴循環(huán)60周后漂珠破碎率只有10%左右,而采用7.4 mm噴嘴循環(huán)40周后漂珠破碎率就達(dá)到了60%。分析是因?yàn)閲娮熘睆皆叫?相同排量的鉆井液通過噴嘴時(shí)的壓降越高,從而導(dǎo)致漂珠破碎率越高。

4 低密度漂珠鉆井液實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)及在昌171-斜6井的應(yīng)用

4.1 低密度漂珠鉆井液性能實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

將漂珠加到普通水基鉆井液中配制了低密度漂珠鉆井液,室內(nèi)考察HGS8000X型漂珠加量對(duì)鉆井液性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知,隨HGS8000X漂珠加量增大,鉆井液的表觀黏度、塑性黏度以及動(dòng)切力都呈增加的趨勢,但在加量10%的范圍之內(nèi),對(duì)鉆井液流變性能影響不大。HGS8000X漂珠具有良好的降濾失效果,加量為7.5%時(shí)濾失量降到了最低值1.8 mL,分析是該類型漂珠具有良好的粒度分布,與鉆井液中的黏土顆粒配合可以實(shí)現(xiàn)有效的粒度級(jí)配封堵。

表1 HGS8000X型漂珠加量對(duì)鉆井液性能的影響

由表1可知,隨著漂珠加量的增大,極壓潤滑系數(shù)先降低后增大,分析是因?yàn)槠槌蕡A球形,具有一定的將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的能力,從而可以降低泥餅的極壓潤滑系數(shù)。當(dāng)漂珠加量過高時(shí),造成鉆井液中固相含量太高,從而導(dǎo)致潤滑性變差。

4.2 低密度無黏土漂珠鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)效果評(píng)價(jià)

鉆井過程中主要存在過平衡、近平衡和欠平衡3種形式,室內(nèi)模擬加壓、自吸、負(fù)壓3種情況考察低密度無黏土漂珠鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)效果,并與常規(guī)鉆井液、混油乳化鉆井液進(jìn)行對(duì)比,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同鉆井液在不同條件下儲(chǔ)層污染情況

從圖6可以看出,在相同條件下,無黏土漂珠鉆井液的滲透率恢復(fù)率均大大高于常規(guī)鉆井液和混油乳化鉆井液。負(fù)壓狀態(tài)下無黏土漂珠鉆井液的滲透率恢復(fù)率可以達(dá)到92.3%,表明與其他兩種鉆井液相比具有更好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

4.3 現(xiàn)場應(yīng)用

昌171-斜6井位于昌171-斜4斷塊,目的層為孔三段火成巖裂縫油藏,該區(qū)塊地層壓力系數(shù)偏低,僅為0.85。前期開發(fā)的昌73井未獲得油流,分析主要原因之一就是因?yàn)殂@井液密度(1.24 g/cm3)太大,油層受到污染。鑒于該區(qū)塊良好的成藏條件,部署了昌171-斜6井,三開儲(chǔ)層段設(shè)計(jì)采用無黏土漂珠鉆井液體系。三開掃完水泥塞后用清水頂替二開鉆井液,替完后向循環(huán)罐中加入處理劑,并調(diào)整鉆井液性能,同時(shí)加入HGS8000X型號(hào)漂珠,將鉆井液密度調(diào)至0.84 g/cm3,性能調(diào)整至設(shè)計(jì)范圍內(nèi)后開始三開鉆進(jìn),鉆進(jìn)過程中隨著部分漂珠的破碎鉆井液密度有所上升,及時(shí)補(bǔ)充漂珠來降低鉆井液密度,整個(gè)鉆進(jìn)期間鉆井液密度一直維持在0.83～0.85 g/cm3,圓滿的完成了正常鉆進(jìn)和儲(chǔ)層保護(hù)的要求。該井投產(chǎn)后日產(chǎn)油達(dá)到了18 t,相較鄰井日均2～5 t的產(chǎn)量得到了大大提高,取得了良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

5 結(jié) 論

(1)高噴射速度和噴嘴直徑是影響漂珠破碎率的主要因素,循環(huán)設(shè)備本身和碰撞對(duì)漂珠破碎影響不大。通過改變鉆井泵排量、噴嘴尺寸等參數(shù)可以降低現(xiàn)場應(yīng)用中漂珠的破碎率。

(2)漂珠加量為7.5%時(shí),低密度漂珠鉆井液流變性良好,濾失量最低。

(3)HGS8000X型漂珠在昌171-斜6井進(jìn)行了成功應(yīng)用,維持了較低的鉆井液密度,儲(chǔ)層保護(hù)效果顯著。

(4)漂珠自身的質(zhì)量好壞是影響漂珠破碎率的一個(gè)方面,工程參數(shù)的選擇對(duì)漂珠破碎率的影響也很大。應(yīng)進(jìn)一步深入研究,確定低密度漂珠鉆井液應(yīng)用的合理工程參數(shù),降低破碎率,提高儲(chǔ)層保護(hù)效果。

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[責(zé)任編輯] 印樹明

2017-01-20

國家重大科技專項(xiàng)(2016ZX05040-005)

于 雷(1982—),男,山東泰安人,中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院工程師,主要從事油田化學(xué)及油氣層保護(hù)研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2017.01.005

TE357

A

1673-5935(2017)01- 0018- 04