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        臨興致密氣區(qū)塊降阻鉆井液研究及應用

        2021-01-21 08:12:36夏忠躍范志坤
        精細石油化工進展 2020年5期
        關鍵詞:潤滑性摩阻潤滑劑

        賈 佳,夏忠躍,馮 雷,范志坤

        中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司,天津 300452

        目前,致密氣開發(fā)由于自然產能低或基本無產能,需要采用低成本高效開發(fā)模式。在鉆井作業(yè)過程中,多口井出現(xiàn)了托壓、鉆具遇阻、遇卡等高摩阻的情況,部分井由于托壓嚴重,未能鉆至設計井深,提前完鉆,不能實現(xiàn)地質氣藏目的。對現(xiàn)場實際作業(yè)進行模擬反演,顯示正常鉆進和下套管過程中的摩阻系數(shù)均較高,為了降低摩阻,有必要開展鉆井液相關研究。

        1 鉆井液研究

        1.1 已鉆井情況

        臨興區(qū)塊已鉆井顯示,一些井摩阻過大未鉆至設計深度,見表1,部分井設計井深與設計完鉆深度相差275 m,影響了致密氣開發(fā)的效果和質量。

        表1 高摩阻未正常完鉆井統(tǒng)計表

        根據(jù)現(xiàn)場實際作業(yè)情況,對已鉆井的摩阻系數(shù)進行了反演,鉆進過程中裸眼段摩阻系數(shù)約0.40,見圖1,比正常摩阻系數(shù)0.25大;下套管過程中裸眼段摩阻系數(shù)為0.45,見圖2,比正常摩阻系數(shù)0.30偏大。為了降低摩阻,有必要開展鉆井液相關研究。

        圖1 臨興區(qū)塊鉆進過程中摩阻系數(shù)

        圖2 臨興區(qū)塊下套管過程中摩阻系數(shù)

        1.2 地質特征

        臨興鉆遇的地層依次有第四系、三疊系紙坊組、三疊系和尚溝組、劉家溝組、石千峰組、石盒子組、山西組、太原組、本溪組等[1-2],見圖3,地層非均質性強,連續(xù)性差,具有低孔、低溫、低滲的特點。

        圖3 臨興區(qū)塊地層情況統(tǒng)計

        1.3 地層敏感性分析

        為了解地層敏感性情況,對臨興區(qū)塊地層開展了堿敏、水敏、速敏、酸敏、鹽敏分析[3-4],結果見表2。臨興區(qū)塊地層表現(xiàn)為弱堿敏特征,中強水敏特征;臨界流速為0.41 mL/min,中等偏弱速敏;酸敏損害率平均為54.3%,中等偏強酸敏特征;臨界鹽度12 500 mg/L,弱鹽敏特征。

        表2 臨興地區(qū)儲層敏感性研究分析表

        1.4 降阻鉆井液體系的研制

        根據(jù)臨興地層堿敏、水敏、速敏、酸敏、鹽敏特征,將超雙疏理論及材料引進到鉆井液體系中,形成了適合臨興區(qū)塊KCl雙疏封堵鉆井液體系方案。一般情況下,固相和液相進行接觸時,存在一定的角度,稱為接觸角,接觸角的范圍是0~180°,當接觸角為0時,液體在固體表面完全鋪展開;接觸角是0~90°時,有一定的潤濕性;接觸角大于90°時,液體對固體表面已不呈現(xiàn)潤濕性;當角度增加至130°~140°時,液體呈現(xiàn)對固體表面的排斥性;當接觸角增加到150°以上時,形成“荷花效應”,可以有效排斥固體,見圖4。

        圖4 荷花效應示意圖

        荷花的自潔效應與表面的微觀結構有很大關系,其葉面上存在著許多復雜的納米和微米級的超微結構,形成了一個又一個的乳突,間距12 μm,每個乳突由直徑為200 nm的突起組成。這些乳突的存在,使得液體接觸荷葉時,只能與類似“山包”的凸起點接觸,不會浸濕葉面。

        根據(jù)“荷花效應”的原理,研制了超雙疏劑,該雙疏劑由直徑100 nm以下的納米材料組成,該種結構可以在井壁表面形成乳突,當鉆井液與之接觸時,不會浸濕井壁,降低表面張力,實現(xiàn)雙疏效果[5]。利用實驗評價超雙疏劑加量對表明張力的影響規(guī)律,結果表明,隨著加量增加,表明張力迅速下降,當質量分數(shù)超過1%以后時,表面張力的變化緩慢,當加量增加至3%時,基本趨于穩(wěn)定,不再變化,見圖5。所以,3%的加量為最優(yōu)加量[6-7]。

        圖5 巖心表面張力隨超雙疏處理劑加量的變化

        1.5 提高鉆井液潤滑性

        對不同類別潤滑劑對鉆井液潤滑性能的影響進行了實驗研究,結果如圖6所示。根據(jù)實驗結果,LUBE潤滑劑的性能比較突出。

        使用LUBE作為潤滑劑時,不同加量對潤滑性能的影響不盡相同,如圖7。隨著加量的增加,泥包黏滯系數(shù)先下降,當加至1%以后,基本保持不變;隨著加量增加,E-P極壓潤滑系數(shù)減少,當加至1%以后,基本保持不變。同時考慮到成本因素,建議后續(xù)井作業(yè)時,LUBE加量范圍為1%~2%。

        圖6 不同種類潤滑劑潤滑性能數(shù)據(jù)對比

        為了進一步降低水平井作業(yè)時的摩阻,以緩解托壓問題,研究了石墨加量對潤滑性能的影響,在添加2%LUBE潤滑劑的基礎配方中,分別添加0.5%、1%、1.5%的潤滑劑,考察不同加量對潤滑性能的影響,結果見圖8。

        圖8 不同石墨加量時潤滑性能數(shù)據(jù)對比

        隨著加量增加,潤滑性能提高,但0.5%加量以后,潤滑性能提高速率變慢,基本保持一致。所以,對于水平井作業(yè)時,建議添加0.5%的石墨來進一步降低作業(yè)摩阻。

        2 現(xiàn)場應用

        對鉆井液進行改進后,鉆井作業(yè)中的遇阻、遇卡現(xiàn)象得到了有效控制,同時,水平井的托壓現(xiàn)象也得到了明顯緩解,同時使用水力振蕩器等提效工具[9],水平井最大井深可以鉆至3 500 m,多口水平井實現(xiàn)了正常完鉆。改進前,水平井鉆井工期約50 d,改進后水平井工期約36 d,工期縮短了28%,如圖9。

        圖9 折算成3000 m當量深度水平井改進前后工期對比

        3 結論

        對影響摩阻較大的鉆井液進行了實驗研究,研制了KCl雙疏鉆井液體系,超雙疏劑的最優(yōu)加量為3%。對潤滑劑的加量進行了實驗評價,潤滑劑LUBE的最優(yōu)加量范圍為1%~2%。在此基礎上,繼續(xù)添加0.5%的石墨可進一步增強潤滑性能。現(xiàn)場應用表明,改進后的鉆井液可以有效緩解致密氣水平井高摩阻問題,鉆井工期可以縮短28%。

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