張文彬,王洪偉,王雪松
(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部湛江作業(yè)公司,廣東湛江 524057)
BD區(qū)塊在1987年和1989年分別鉆過(guò)兩口勘探井,當(dāng)時(shí)的鉆井液體系以簡(jiǎn)單的KCl聚合物為主,在打鉆期間遇到了各種井下問(wèn)題,包括鉆頭泥包、抽吸、環(huán)空憋壓、漏失、溢流等復(fù)雜情況,側(cè)鉆井眼三次,情況異常復(fù)雜,無(wú)法滿足開發(fā)要求。進(jìn)入新世紀(jì),隨著天然氣需求的增加,該氣田迎來(lái)了商業(yè)開發(fā)窗口,HCML公司決定啟動(dòng)該氣田的開發(fā)計(jì)劃,首批四口水平井鉆井計(jì)劃。隨著石油勘探技術(shù)的發(fā)展,鉆井液工藝技術(shù)也迎來(lái)了高速發(fā)展[1-3],新的高溫高壓鉆井液、高性能鉆井液、合成基鉆井液等可以有針對(duì)性地解決井下復(fù)雜情況。其中高性能鉆井液技術(shù)以其較強(qiáng)的抑制性和環(huán)保性得到廣泛的認(rèn)可,并逐漸替換高污染的油基鉆井液作業(yè)[4],為解決底層復(fù)雜的井提供了更好的解決方案。目前國(guó)內(nèi)的中海油羅健生等研究的HEM高性能鉆井液[5-6],其密度不超過(guò)1.6 g/cm3,具有較強(qiáng)的抑制性和優(yōu)良的防泥包性能,一般使用在南海深水區(qū)塊,沒(méi)有在高溫高壓井的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。本文以高密度[7](1.85 g/cm3)HEM高性能鉆井液為基礎(chǔ),通過(guò)室內(nèi)評(píng)價(jià)對(duì)比和現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用,系統(tǒng)研究高密度HEM 鉆井液與常規(guī)鉆井液相比的優(yōu)異之處,為高溫高壓區(qū)塊[8-11]繼續(xù)開發(fā)應(yīng)用該鉆井液體系提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。
通過(guò)系列室內(nèi)試驗(yàn)最終確定,鉆井液流變性適中、可以滿足攜砂需求的高密度HEM鉆井液體系的基本配方如下:
海水+1.4 kg/m3純堿+5.7 kg/m3PF-PAC LV(聚陰離子纖維素)+14.25 kg/m3PF-FLO(土豆淀粉)+1.42 kg/m3PF-XC(提黏劑)+28.5 kg/m3KCl(氯化鉀)+2% PF-UHIB(聚胺抑制劑)+ 重晶石(加重到1.85 g/cm3)。
對(duì)應(yīng)的鉆井液性能見(jiàn)表1(老化條件為120 ℃,16 h):
表1 HEM鉆井液基礎(chǔ)配方老化前后性能Table 1 Drilling fluid properties of basic HEM formula before and after aging
高性能HEM體系以聚胺作為抑制劑,在水溶液中游離出氨基陽(yáng)離子,吸附在帶負(fù)電荷的黏土晶層間,壓縮雙電層,起到抑制泥巖膨脹水化、保持井壁穩(wěn)定的效果。其抑制性的強(qiáng)弱為體系的關(guān)鍵,通過(guò)試驗(yàn)評(píng)價(jià)合適的聚胺加量,試驗(yàn)基礎(chǔ)配方見(jiàn)表2,不同濃度聚胺配方的線性膨脹率變化如圖1所示。
表2 基本試驗(yàn)配方表Table 2 Basic testing formula
圖1 不同濃度聚胺配方的線性膨脹率Fig.1 Liner welling fate of formulations with different polyamine concentrations
由圖1可以看出,體系中聚胺的濃度在2%時(shí),線性膨脹率即已達(dá)到最小值,線性膨脹率約20%,遠(yuǎn)優(yōu)于僅使用KCl作為抑制劑的58%膨脹率,可以大幅增強(qiáng)泥漿的抑制性;繼續(xù)提高聚胺濃度到3%,抑制性沒(méi)有明顯變化,最終確定現(xiàn)場(chǎng)以表2中配方3的2% PF-UHIB作為基準(zhǔn)濃度。
現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中,鉆具泥包往往會(huì)影響巖屑在環(huán)空中的傳輸,降低機(jī)械鉆速,耽誤工期,因此對(duì)鉆井液體系的設(shè)計(jì)要求考慮鉆井液流體具有減少或避免鉆具泥包的特性,這就要求鉆井液可以改變鉆具和巖屑的界面張力,減少巖屑和鉆具之間的交接和吸附力,避免泥包的發(fā)生。HEM鉆井液體系由于使用了PF-HLUB的防泥包潤(rùn)滑劑,有效改善了接觸介質(zhì)的界面張力,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有良好的防泥包特性。室內(nèi)通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M對(duì)比常規(guī)鉆井液和HEM鉆井液的防泥包性能如圖2所示。
圖2 防泥包能力試驗(yàn)評(píng)價(jià)Fig.2 Anti balling performance evaluation
試驗(yàn)中,將不銹鋼管放入泥漿中的老化罐中,并放入現(xiàn)場(chǎng)巖屑,在滾動(dòng)老化期間,模擬現(xiàn)場(chǎng)鉆具在井壁與巖屑的擠壓和接觸,以黏附的鉆屑數(shù)量作為評(píng)判鉆井液防泥包性能的依據(jù)。
表3 防泥包試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Anti balling testing results
通過(guò)表3的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),添加防泥包潤(rùn)滑劑的樣本,巖屑黏附在金屬棒上的很少;而沒(méi)有添加防泥包潤(rùn)滑劑的試驗(yàn)中,金屬棒上面黏附了大量鉆屑;在防泥包潤(rùn)滑劑濃度達(dá)到2%時(shí),模擬金屬棒上沒(méi)有任何巖屑黏附在上面,其泥包概率為常規(guī)鉆井液泥包概率的4%,具有良好的防泥包效果。
該項(xiàng)目井采用批鉆模式,所有的HEM鉆井液都要回收重復(fù)利用,在這一過(guò)程中低密度固相含量必然逐漸累積;另外由于鉆井液本身密度較高,導(dǎo)致固相含量高,鉆井液的鉆屑容量降低,因此評(píng)價(jià)鉆井液體系抗鉆屑污染的能力尤為關(guān)鍵。試驗(yàn)采用向鉆井液配方中加入71.25 kg/m3評(píng)價(jià)土,測(cè)量120 ℃熱滾老化16 h后的性能變化情況,判斷鉆井液體系的抗鉆屑污染能力分強(qiáng)弱,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。
空白配方為HEM的基本配方,污染配方為空白配方+71.5 kg/m3評(píng)價(jià)土配方,測(cè)量性能為經(jīng)過(guò)120 ℃老化16 h,在120 ℃測(cè)量的性能。
通過(guò)評(píng)價(jià)土污染前后的流變性變化范圍可以控制在25%以內(nèi)(項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)書要求,經(jīng)驗(yàn)值),波動(dòng)比較平緩,污染后的鉆井液性能仍然可以滿足作業(yè)要求,說(shuō)明該鉆井液體系的模擬抗污染強(qiáng)度可以滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。
表4 鉆井液污染前后鉆井液性能變化趨勢(shì)Table 4 Drilling fluid properties before and after contamination
基本配方:海水+1.4 kg/m3Soda Ash(純堿)+5.7 kg/m3PF-PAC LV(聚陰離子纖維素)+14.25 kg/m3PF-FLO(土豆淀粉)+1.4 kg/m3PF-XC(提黏劑)+42.75 kg/m3KCl(氯化鉀)+2% PF-UHIB(聚胺抑制劑)+2% PF-HLUB(防泥包潤(rùn)滑劑)+Barite(重晶石,加重到1.85 g/cm3)。
該高密度鉆井液在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用期間,振動(dòng)篩返出巖屑清爽,無(wú)糊篩跡象,鉆具出井干凈,無(wú)任何泥包現(xiàn)象,打鉆期間振動(dòng)篩返出的干燥的巖屑和出井鉆具如圖3和圖4所示。
表5 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)典型鉆井液性能Table 5 Typical drilling fluid properties at location
圖3 振動(dòng)篩返出的干燥成型泥巖鉆屑Fig.3 The dry and shape cuttings from shaker
圖4 出井鉆具組合無(wú)任何泥包跡象Fig.4 The bit on surface without any balling indication
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆井液性能的檢測(cè),HEM鉆井液在高密度條件下,鉆井液性能穩(wěn)定,鉆井液體系抑制性強(qiáng),具有較強(qiáng)的防泥包、協(xié)助清潔井眼的優(yōu)點(diǎn),作業(yè)中直接起下鉆通暢,無(wú)須倒劃眼起鉆,4口井均順利完鉆。
(1)HEM鉆井液可以滿足BD項(xiàng)目的作業(yè)要求,在該項(xiàng)目成功應(yīng)用,有效地避免了前期井出現(xiàn)過(guò)的井眼清潔、泥包、抽吸等井下復(fù)雜問(wèn)題,保證井下作業(yè)安全。
(2)HEM鉆井液體系在高密度情況下同樣具有優(yōu)良的流變性,現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能維護(hù)簡(jiǎn)單,易于攜砂,滿足良好的井眼清潔效果。
(3)HEM抑制性強(qiáng),具有防泥包的優(yōu)點(diǎn),可以提高機(jī)械鉆速,滿足快速鉆進(jìn)需求。
(4)HEM高性能鉆井液抗污染能力強(qiáng),現(xiàn)場(chǎng)回收處理可以重復(fù)使用,節(jié)省成本,減少排放污染。