唐勝藍(lán),王 茜,張宏強(qiáng),劉 舉,朱元強(qiáng)

（1塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000；2塔里木油田分公司克拉油氣開發(fā)部，新疆 庫爾勒 841000；3西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500）

完井液技術(shù)是油氣井完井中的重大工程技術(shù)難題,也是國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)[1]。近年來,雖然在完井液體系的研究方面取得了豐碩的成果,但該問題仍然是當(dāng)前油氣開發(fā)工程中普遍存在的井下復(fù)雜問題之一[2]。由于對(duì)地層特性和壓力剖面認(rèn)識(shí)不準(zhǔn)和儲(chǔ)集層特性改變,新油田、老油田常常發(fā)生井噴、井泳導(dǎo)致不能順利采油,尤其是深井鉆遇復(fù)雜地層構(gòu)造和大段泥頁巖時(shí),此類問題尤為突出。隨著鉆井深度的增加,高溫、高壓等復(fù)雜地層不斷增多,開發(fā)難度越來越高,為了開發(fā)深部的油氣藏,對(duì)完井液的性能提出了新的要求。完井液不但要能夠平衡地層壓力、凈化井眼、穩(wěn)定井壁、控制濾失和漏失,還要能夠維持井內(nèi)各種性能的穩(wěn)定,具有良好的抗溫、抗鹽、防腐、環(huán)境友好、成本低廉等特殊性能。傳統(tǒng)完井液一般都含有固相和黏土,而固體顆粒和黏土對(duì)于儲(chǔ)層的傷害很大。為了減小儲(chǔ)層傷害,無固相完井液受到了普遍關(guān)注。無固相完井液主要以可溶性鹽為加重劑,密度可調(diào)范圍寬,具有抗溫、抗鹽等優(yōu)點(diǎn),由于不含顆粒物質(zhì)和黏土,滿足苛刻的儲(chǔ)層保護(hù)要求。本文就近年來國內(nèi)外無固相完井液的部分工作進(jìn)行回顧和總結(jié),以期對(duì)無固相完井液的開發(fā)和優(yōu)化提供幫助。

1 無固相完井液

無固相完井液一般以水為連續(xù)相,常用處理劑有加重劑、增黏劑、降濾失劑、抑制劑、殺菌劑、防腐劑等。根據(jù)加重劑的不同,無固相完井液可分為:清潔鹽水完井液、甲酸鹽完井液、有機(jī)聚合物完井液、弱凝膠完井液等。

1.1 清潔鹽水完井液

清潔復(fù)合鹽水完井液具有固相含量低、礦化度高、抑制能力強(qiáng)、抗鹽性能良好、防水鎖效果好等特點(diǎn)[3]。但是價(jià)格低廉的鹽配置的清潔鹽水完井液密度一般不高,達(dá)不到深井完井要求。要使清潔鹽水完井液的密度能夠達(dá)到1.80 g·cm-3以上,一般要用溴化鋅和溴化鈣等價(jià)格昂貴的鹽,這導(dǎo)致成本快速增加[4]。目前,各油田常用的清潔鹽水加重劑主要為氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、溴化鈉、溴化鈣、溴化鋅以及它們的混合物。氯化鉀、氯化鈣、氯化鈉組成的鹽水密度最高為1.39 g·cm-3。溴化鈣、溴化鋅及其與其它鹽的混合鹽水密度能夠達(dá)到2.60 g·cm-3,但是價(jià)格昂貴、腐蝕嚴(yán)重,對(duì)環(huán)境和人有毒,不宜廣泛使用。

羅宇峰等[5]在鉆井液中引入抗溫抗鹽降濾失劑、高溫穩(wěn)定劑、除氧劑,研制了抗高溫高密度飽和鹽水完井液,成功解決了川西鄧井關(guān)構(gòu)造DT1井井底高溫200℃、密度達(dá)2.22 g·cm-3、礦化度達(dá)210000 mg·dm-3的特殊地質(zhì)構(gòu)造的鉆完進(jìn)作業(yè)。

雷志永等[6]研發(fā)了低成本抗低溫?zé)o固相加重劑PF-W130,研制的完井液密度達(dá)1.35 g·cm-3,能夠抗-25℃的低溫,成功應(yīng)用于渤海油田,效果顯著。

胡文軍等[7]研發(fā)了性能好而僅含4種處理劑的抗高溫、高密度鹽水鉆井完井液,解決了處理劑種類多、加量大、成本居高不下的難題,為解決高溫高密度鉆井液完井液的技術(shù)難題提供了指導(dǎo)。

1.2 甲酸鹽完井液

20世紀(jì)90年代,Shell公司研發(fā)的甲酸鹽鉆井液具有活度低、井壁穩(wěn)定能力好、無粘土、粘度低、腐蝕性和毒性小、密度在1.2～2.3 g·cm-3范圍內(nèi)可調(diào)、能夠抗180℃以上高溫等優(yōu)點(diǎn)。甲酸鹽完井液是一種無固相清潔完井液,進(jìn)入產(chǎn)層后可以改善氣層滲透率,克服水鎖和液相損害。能夠同時(shí)作鉆井液和完井液使用,現(xiàn)場應(yīng)用效果好而受到廣泛關(guān)注。甲酸鹽完井液甲酸鹽作為環(huán)保型完井液加重劑,在 “三高”井的鉆完井施工中有廣泛應(yīng)用[8]。根據(jù)甲酸鹽種類,甲酸鹽完井液可分為:甲酸鈉完井液、甲酸鉀完井液、甲酸銫完井液以及它們的復(fù)合鹽完井液。

挪威國家石油公司在Kvitebjarn等油田的15個(gè)井段用甲酸銫完井液完井均快速、無故障地完成了完井作業(yè),實(shí)現(xiàn)了零井控事故的顯著記錄。2009年挪威石油管理局(NPD）統(tǒng)計(jì)的Tune油田的生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示,該油田的天然氣開采量接近天然氣可采儲(chǔ)量的90%,累計(jì)凝析氣開采量超過可采量的95%[9]。

甲酸鹽完井液于20世紀(jì)90年代初引入國內(nèi),并得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,在吉林油田、遼河油田、大港油田、吐哈油田和內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯等地區(qū)均有應(yīng)用。為了提高甲酸鹽完井液的性能,使之能夠適應(yīng)不同地層條件的要求,工程技術(shù)人員和科技工作者開展了大量研究工作和實(shí)踐。

王西江等[10]為了解決高溫高壓下完井液穩(wěn)定性差和流變性難以控制的問題,設(shè)計(jì)了新型甲酸鹽完井液,該完井液具有密度可調(diào)、高溫穩(wěn)定性好、抑制性強(qiáng)、低毒易降解等特點(diǎn),在庫1井成功應(yīng)用。

王永生等[11]研制了抗高溫?zé)o粘土甲酸鹽完井液。在英臺(tái)氣田應(yīng)用表明,該完井液具有良好的抗溫性、流變性、井壁穩(wěn)定性和抑制性,儲(chǔ)層保護(hù)性能良好,保證了英臺(tái)氣田的正常作業(yè)及產(chǎn)量。

李基偉等[12]針對(duì)潿二段井壁失穩(wěn)及儲(chǔ)層保護(hù)問題,研制了甲酸鹽鉆井液體系實(shí)現(xiàn)鉆完井液一體化的目標(biāo)。該體系滿足潿洲油田復(fù)雜層段井壁穩(wěn)定要求和儲(chǔ)層保護(hù)要求。

時(shí)冠蘭等[13]用甲酸鈉溶液為基液、PF-VIS作增黏劑、PACHV和PAC-LV作降濾失劑,開發(fā)了無固相完井液,解決了密度范圍窄的問題。該完井液密度調(diào)節(jié)范圍為1.10～1.60 g·cm-3,在170℃的熱穩(wěn)定性和抑制性好,可滿足大多數(shù)完井作業(yè)的要求。

劉均一等[14]研制了密度高達(dá)2.20 g·cm-3,能夠抗170℃高溫的水基鉆井液和甲酸銫無固相完井液,為南海東方氣田的安全高效開發(fā)提供了技術(shù)支持。

葉艷等[15]研制了高濃度甲酸鉀為基液,磺酸鹽復(fù)合共聚物D300和磺化瀝青等為助劑的完井液。該完井液能夠抗160～180℃的高溫,密度高于2.20 g·cm-3,抗鹽至飽和、抗鈣達(dá)800～1000 mg·dm-3,適于深井、超深井、巨厚復(fù)合鹽層的鉆完井。

腐蝕問題也是完井液技術(shù)的重要問題,張智等[16]針對(duì)深井及超深井中,超級(jí)13Cr油管失效的情況,采用高溫高壓腐蝕試驗(yàn)?zāi)M了井筒環(huán)境下超級(jí)13Cr油管的表面腐蝕形貌,發(fā)現(xiàn)隨著浸泡時(shí)間的增加,陽極區(qū)與陰極區(qū)電位差值逐漸變大,局部腐蝕不斷加速。因此,該類體系也需要考慮腐蝕問題。

1.3 有機(jī)鹽及高分子完井液

水溶性有機(jī)鹽加重劑是近年來發(fā)展的堿金屬低碳有機(jī)酸鹽、銨鹽、季銨鹽及其復(fù)合物。因其水溶液具有低活度、強(qiáng)抑制性、密度可調(diào)范圍大、腐蝕性小等特點(diǎn),在易水化膨脹、易坍塌、鹽巖等復(fù)雜地層試油作業(yè)中廣泛應(yīng)用。研究工作隨著有機(jī)鹽加重劑推廣應(yīng)用不斷擴(kuò)大,應(yīng)用研究也逐漸深入。

鄭力會(huì)等[17]測定了有機(jī)鹽Weigh2、Weigh3不同加量下的水溶液密度、粘度以及其水溶液上方密閉空間的相對(duì)濕度,建立了其加量與水溶液密度、粘度、活度間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

趙利等[18]開發(fā)了無固相有機(jī)鹽完井液體系:水+0.2%黃原膠XC+0.03%NaOH+1.5%抗鹽降失水劑Reduc1+3%無熒光白瀝青NFA-25+2%聚合醇干粉PGCS-1+80%有機(jī)鹽Weigh2+60%有機(jī)鹽OS-100+2%改性纖維TP-2+2%輕鈣QCX-1+2%包被劑IND1O+2%潤滑劑RH1O2。該完井液具有較強(qiáng)的抑制性能和抗污染性能,有利于防漏堵漏。在克拉美麗氣田DX1708、DX1418井的施工中成功應(yīng)用。

周文等[19]根據(jù)密度為1.65 g·cm-3的全有機(jī)低固相抗高溫完井液,以YH-YB01為抗高溫儲(chǔ)層保護(hù)劑優(yōu)化了甲酸鹽、有機(jī)復(fù)合鹽、鹽結(jié)晶抑制和水的質(zhì)量比為286∶44∶40∶100的完井液體系,該體系適用范圍廣是一種良好的抗高溫、低固相、高密度完井液。

李軍龍等[20]針對(duì)有機(jī)鹽溶液的腐蝕問題,研制了緩蝕配方:0.2%硫氰酸鈉+0.3%Vc+0.4%鋅鹽+0.4%嗎啉+0.2%丙炔醇+0.2%氯化亞錫。經(jīng)85℃和180℃不同密度有機(jī)鹽溶液浸泡20天后,13Cr鋼基本無腐蝕,但高溫時(shí)腐蝕速率迅速增大,隨著有機(jī)鹽溶液密度的增大而減小。

賀倫俊[21]研制了有機(jī)鹽強(qiáng)抑制可降解完井液,并在勝利油田多個(gè)區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用,取得了較好效果,提高了油氣產(chǎn)量。

王衛(wèi)國等[22]針對(duì)無固相保護(hù)儲(chǔ)層完井液的基本組成,從聚合物增黏提切劑、抑制劑、降濾失劑和對(duì)儲(chǔ)層孔喉具有暫堵作用的特殊粒子入手,以生物聚合物、Redu1等為主處理劑研制了一種無固相鉆井完井液。該鉆井完井液在玉門油田平1井水平段進(jìn)行應(yīng)用,取得了良好的應(yīng)用效果。

李公讓等[23]研制了無固相有機(jī)鹽甲甙完井液和生物完井液。甲酸鹽甲甙完井液具有較強(qiáng)的抑制性能,相對(duì)膨脹率可降至10%,且對(duì)篩管不會(huì)產(chǎn)生堵塞。生物完井液具有優(yōu)良的儲(chǔ)層保護(hù)性能。通過18口水平井的現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果證實(shí),無固相有機(jī)鹽甲甙完井液和生物完井液不僅能滿足不同地層在井壁穩(wěn)定、防止地層水化膨脹和環(huán)境保護(hù)的要求,還可有效清除濾餅,應(yīng)用后單井產(chǎn)量顯著提高。

邵平等[24]研制了水溶性加重劑(Weigh2）、有機(jī)鹽(OS-100）、無固相加重劑(WGXJ1）為主,輔以黃原膠(XC）、降濾失劑(Redu1）、金屬兩性離子聚合物包被劑(PMHA-2）、提切劑(Visco1）、聚合醇(PGCS-1）等復(fù)配而成的完井液,具有流變性好、抑制性強(qiáng)、造壁性好、環(huán)境污染小等特點(diǎn)。

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增加,生物酶無固相完井液進(jìn)入研究者的視線。楊倩云等[25]使用生物酶作為降濾失劑和增粘劑研制的一種生物酶無固相完井液體系,具有生物降解性,對(duì)地層低污染、低傷害,完井后不需要采用常規(guī)壓力、酸化解堵、油溶和破膠解堵等技術(shù),簡化了增產(chǎn)措施。

1.4 弱凝膠完井液

抗高溫?zé)o固相弱凝膠完井液具有抗高溫、黏度高、封堵好、油氣層傷害小、抗腐蝕性強(qiáng)、主劑材料易降解等優(yōu)點(diǎn)。常見的弱凝膠完井液可分為HRD和PRD兩類。

HRD完井液利用聚合物間的作用,不添加交聯(lián)劑即快速形成弱凝膠,對(duì)成膠溫度和時(shí)間要求低。該體系具有獨(dú)特的流變性,表觀黏度低、動(dòng)塑比高、剪切速率低、懸砂能力強(qiáng)、靜切力恢復(fù)快等特點(diǎn)。該體系的高黏彈性特性減少了完井液中固相和液相對(duì)儲(chǔ)層的損害。王薦等[26]研發(fā)了用于水平井油氣層井段的HRD弱凝膠鉆井完井液,該鉆完井液在冀東油田4口水平井的成功應(yīng)用。

PRD無固相鉆井完井液是一類新型鉆完井液,具有抗溫、抗鹽、抗剪切、優(yōu)異的懸浮性、潤滑性和抑制性[27]。PRD體系是依靠改性天然聚合物分子間相互協(xié)同作用形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的新型鉆井完井液體系,具有良好的潤滑性和保護(hù)油氣層效果顯著等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用水平井段儲(chǔ)層。

李必平[28]研制的PRD無固相完井液通過江漢油田工程有限公司優(yōu)化,并在SH6-P18井四開水平段施工中進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。結(jié)果表明該體系具有良好的懸浮能力、潤滑性及抗溫能力,儲(chǔ)層保護(hù)效果良好,實(shí)現(xiàn)了完井后無措施投產(chǎn)并獲得高產(chǎn)工業(yè)油流。

張立民等[29]研究的無固相弱凝膠鉆井完井液,在南堡油田21口井的應(yīng)用,巖心回收率和滲透率恢復(fù)高,平均日產(chǎn)油大于80 t,是相鄰區(qū)塊同層井的2.7倍,實(shí)現(xiàn)了南堡灘海良好勘探開發(fā)。

范白濤等[30]針對(duì)綏中36-1老油田后續(xù)鉆完井作業(yè)難題,開發(fā)了既可在射孔孔眼中形成弱凝膠封堵帶,提高低壓地層承壓能力,又可阻止完井液漏失,完井后進(jìn)行破膠和壓差返排的弱凝膠完井液?，F(xiàn)場應(yīng)用表明該體系能顯著降低復(fù)雜壓力油氣藏完井液漏,油井返排時(shí)間短。

由于PRD是聚合物體系,其分子鏈長、體積大,擠入地層后容易吸附、滯留在孔隙中造成油流受阻、油井產(chǎn)能降低。因此,使用PRD體系后須破膠[31]。常用破膠劑主要有氧化型破膠劑、酸性破膠劑和生物酶型破膠劑[32]。其中,氧化型破膠劑破膠效果好,但運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過程中存在安全隱患,選擇性差；生物酶破膠劑活性受溫度、礦化度、pH值等影響大,適用范圍受限；酸性破膠劑破膠效果好,施工簡便、安全。李蔚萍等[33]優(yōu)選了具有儲(chǔ)存時(shí)間長、儲(chǔ)存和運(yùn)輸方便的固體中溫生物酶破膠劑HSW-L。該破膠劑能以無規(guī)則的形式水解PRD弱凝膠鉆井液中的增黏劑PF-VIS和降濾失劑PF-FLO分子中的α-1,4葡萄糖苷鍵,從而起到破膠作用。

1.5 隱形酸完井液

隱形酸完井液是在堿性完井液的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的以儲(chǔ)層保護(hù)為主的弱酸性完井液。楊培龍等[34]以HTG固體酸為主劑,采用復(fù)合鹽調(diào)節(jié)密度并加入緩蝕劑制備了保護(hù)碳酸鹽儲(chǔ)層的酸化完井液,在無完井破膠處理的條件下能清除泥餅殘?jiān)?滲透率恢復(fù)率高,成功用于伊拉克Missan油田碳酸鹽儲(chǔ)層。

權(quán)寶華等[35]研制的螯合酸完井液,對(duì)渤中某油田巖心滲透率恢復(fù)值達(dá)到127.6%,增產(chǎn)效果明顯。但是隱形酸完井液密度不高,使用環(huán)境溫度低,主要用于低壓油氣藏。

南閣等[36]針對(duì)隱形酸完井液完井時(shí)出現(xiàn)CO有毒氣體的問題,研發(fā)了新型隱形酸完井液加重劑W130-S,高溫下不產(chǎn)生CO氣體,性能與甲酸鹽相當(dāng),形成的完井液緩蝕性能好、防膨性能優(yōu)異,可作為隱形酸完井液加重劑使用。

賴燕玲等[37]認(rèn)為隱形酸完井液對(duì)高價(jià)金屬離子的螯合作用能消除前期工作液引發(fā)的有機(jī)、無機(jī)沉淀及近井壁的屏蔽環(huán),有利于保護(hù)儲(chǔ)層。對(duì)儲(chǔ)層巖石中易酸溶的礦物及膠結(jié)物產(chǎn)生溶蝕反應(yīng),提高儲(chǔ)層滲流能力,達(dá)到油井投產(chǎn)增產(chǎn)的效果。

唐海雄等[38]設(shè)計(jì)了將隱形酸和甲酸鹽復(fù)配使用的新型鉆井完井液,該鉆井完井液能夠?qū)⒖缀硖幍奶妓猁}膠結(jié)物大部分溶蝕或從顆粒表面剝離,增加儲(chǔ)層有效孔喉半徑?，F(xiàn)場應(yīng)用表明含隱形酸的新型甲酸鹽鉆井完井液對(duì)陸豐13-2油田儲(chǔ)層保護(hù)效果良好,產(chǎn)液指數(shù)比早期的探井高137%。

1.6 氣基完井液

氣基完井液是指以氣相為連續(xù)相,添加加重劑、增粘劑、pH值控制劑、粘土穩(wěn)定劑、緩蝕劑、殺菌劑、除硫劑、抗高溫保護(hù)劑、防水鎖劑、暫堵劑等構(gòu)成的體系。目前應(yīng)用最多的是氣體、泡沫和充氣完井液。

在氣基完井液中,泡沫基完井液由于其獨(dú)特的屬性,其需求量呈上升趨勢。在完井作業(yè)中,泡沫可減少10～20倍的用水量,因而適用于水敏性地層。同時(shí),泡沫在多孔介質(zhì)中具有高表觀粘度,增加了它們?cè)谄屏褏^(qū)域的支撐劑承載能力。Wanniarachchi等[39]研究發(fā)現(xiàn)N2基泡沫比CO2基泡沫穩(wěn)定,且隨著泡沫量的增加,完井中裂縫寬度增大。

Faroughi等[40]測試泡沫的流變性能發(fā)現(xiàn),泡沫界面薄膜彈性及其通過滲透效應(yīng)減少損害的能力,取決于泡沫產(chǎn)生時(shí)表面活性劑和氣體的選擇。故泡沫完井液被應(yīng)用于低壓油藏Montney和Cardium油田和高壓油藏Red Fork地層,現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

徐安國等[41]通過對(duì)泡沫完井液發(fā)泡性和穩(wěn)泡劑的篩選,研制出了適用于低壓油氣儲(chǔ)層的低密度泡沫完井液配方,體系密度可控、穩(wěn)定時(shí)間長、具有很好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

由于氣基完井液的特殊性,其應(yīng)用較少,一般只用作鉆開液和在欠平衡鉆完井中使用。

2 結(jié) 語

經(jīng)過幾十年的發(fā)展,完井液技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟,基本滿足各種復(fù)雜條件下完井的需要,但無固相高密度、抗高溫的完井液和適用于環(huán)境敏感地區(qū)的綠色完井液以及用于解決頁巖氣和“三高”油氣藏的完井液仍然不能滿足要求。盡管開發(fā)了一系列的無固相完井液,但是對(duì)于高溫高壓高礦化度的深井和超深井,現(xiàn)有完井液在封堵及防塌、防漏能力,降低完井液維護(hù)處理次數(shù)、減少處理費(fèi)用等方面,也還存在許多不足。隨著油氣藏的進(jìn)一步開發(fā)和環(huán)境保護(hù)要求的提高,完井液體系將朝著高密度、耐高溫和低溫、低傷害、低成本、無毒、環(huán)境污染小和鉆完修一體化的方向發(fā)展。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐,今后完井液將圍繞安全、快速、環(huán)保完井的目標(biāo)要求,需要重點(diǎn)解決以下問題:如何實(shí)現(xiàn)無固相高密度問題；如何實(shí)現(xiàn)完井液高溫的穩(wěn)定性問題；如何滿足日益嚴(yán)苛的環(huán)境保護(hù)問題；如何實(shí)現(xiàn)鉆井完井修井液體的一體化問題；如何降低成本等問題。