朱勝,佘運虎,楊洋,張杰,杜佳琪
(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200335;2.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部上海作業(yè)公司,上海 200335;3.荊州嘉華科技有限公司,湖北 荊州 434100)
鉆井工程中,當(dāng)水敏性頁巖暴露在水溶液中時會吸水膨脹、水化分散,而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)、鉆頭泥包、扭矩增大、鉆具受卡[1-4]。為解決上述問題所采用的方法通常有兩種:一是對水基鉆井液進行改性,增強對頁巖的抑制作用;二是采用油基鉆井液。雖然油基鉆井液體系在解決井壁穩(wěn)定方面有著獨特的優(yōu)勢,但是其成本高,環(huán)保性能差,維護困難。目前,胺基類水基鉆井液體系由于其優(yōu)異的抑制性能,在全球范圍內(nèi)得到應(yīng)用,并有多次成功取代油基鉆井液的使用案例[5-8]。本文優(yōu)選出了一種高性能新型小分子胺基抑制劑HEG,并對其抑制性能和在水基鉆井液體系中的性能進行了評價。
基于鉆遇泥頁巖地層過程中對鉆井液抑制性的需求,室內(nèi)以多乙烯多胺、氨基磺酸、環(huán)氧氯丙烷、去離子水為主要試劑,在80 ℃下合成了一種抑制劑,并將該抑制劑通過30 min的超聲分散得到新型小分子胺基抑制劑HEG[9-12]。HEG主要作用機理如下:
1)自由擴散:由于地層中沒有胺類分子,所以胺類分子也會在擴散運動中向地層運移,進入地層孔隙后,胺類分子會起到屏障作用,使擴散離子運移受阻,在一定程度上減小擴散交換量。
2)吸附作用:胺基分子吸附到井壁上,會把其結(jié)構(gòu)中的甲基和碳環(huán)中的碳暴露在外。甲基為非極性基團,因此被吸附的分子層可以近似看作是憎水性的分子膜。這層膜將會抑制鉆井液中的水向地層中運移,減小由于水運移進地層孔隙而引起井眼復(fù)雜問題發(fā)生的可能性。
3)滲透作用:隨著擴散和吸附作用的進行,黏土和各種處理劑逐漸在環(huán)井眼一定范圍的地層內(nèi)和井壁上堆集,直至最后形成泥餅。泥餅形成后,其滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地層,因而可以有效阻止鉆井液中固相顆粒繼續(xù)侵入地層。
地層膨脹是地層中所含的黏土礦物水化的結(jié)果,通常采用測定巖樣線性膨脹百分?jǐn)?shù)(俗稱膨脹率)或巖樣吸水量來表示地層的膨脹性能。室內(nèi)將HEG和其他幾種性能優(yōu)異的抑制劑進行了對比評價,評價方法參考標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5971—2016油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評價方法》中7.5防膨率測定-離心法。
從表1實驗結(jié)果可以看出,幾種抑制劑溶液的防膨率都可以達到85%以上,具有很好的防膨效果。
表1 防膨率評價結(jié)果
實驗配方:400 mL去離子水+8.0 g抑制劑+80 g普通鈉搬土,加入搬土后在6 000 r·min-1下高速攪拌5 min,然后在40 ℃下測定其流變性能。
實驗條件:100 ℃滾動老化16 h,6 000 r·min-1下高速攪拌5 min,然后在40 ℃下測定其流變性能。
從表2數(shù)據(jù),對比六速旋轉(zhuǎn)黏度計的讀值可以看出UHIB和HEG都有很好的抑制黏土水化的能力,KCl、CPI、HCS和WEIGH老化后增稠,抑制黏土水化能力差。
表2 不同抑制劑抑制黏土水化能力實驗結(jié)果
滾動回收率是通過抑制露頭土顆粒的水化分散性能來表現(xiàn)抑制性的,抑制劑的抑制能力越好,露頭土顆粒的水化分散越差,顆粒完整性保持得越好,滾動回收率越高。
本實驗中向400 mL 2.0%的去離子水抑制劑溶液中加入50 g烘干的6~10目(3 350~1 700 μm)露頭土,100 ℃熱滾16 h后過40目(380 μm)篩,烘干回收的露頭土,計算回收率。
從實驗結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出,幾種抑制劑的滾動回收率只有HEG達到了90%以上,抑制性最好。
表3 不同抑制劑的滾動回收率
通過以上三個抑制性評價實驗得出,HEG具有很好的抑制性能,可以有效抑制黏土水化分散。
胺基類抑制劑的加入可能會對聚合物鉆井液的性能產(chǎn)生較大的影響,室內(nèi)評價了HEG對聚合物鉆井液體系PLUS/KCL性能的影響。
PLUS/KCL體系基本配方: 3.0%海水般土漿+0.1%NaOH+0.5%PLUS+2%GJC+0.5%PAC-LV+0.1%XC+5%KCl+1.5%LUBE-F+2%GBL+2%CMJ+重晶石加重至密度為1.2 g·cm-3。
實驗條件:100 ℃熱滾16 h,40 ℃測試性能。
從表4數(shù)據(jù)可以看出,隨著HEG加量的增加,PLUS/KCL體系的表觀黏度、塑性黏度略有增加,濾失性能變好,濾失量降低。總體來說,HEG對PLUS/KCL體系流變性能影響較小。
表4 HEG對PLUS/KCL體系流變性和濾失性的影響
評價方法參考標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5971—2016油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評價方法》中7.5防膨率測定-離心法。
濾液為體系熱滾后的API濾液。
從表5數(shù)據(jù)可以看出,隨著HEG加量的增加,體系濾液的防膨率增加。未加HEG時,體系濾液的防膨率為82.35%,當(dāng)HEG加量為1%時,體系濾液的防膨率為93.15%,HEG可以明顯提高PLUS/KCL體系的抑制性能。
表5 HEG對PLUS/KCL體系濾液防膨性能的影響
本實驗中向400 mL加入不同加量HEG的PLUS/KCL鉆井液體系中加入50 g烘干的6~10目(3 350~1 700 μm)露頭土,100 ℃熱滾16 h后過40目(380 μm)篩,烘干回收的露頭土,計算回收率。
從表6數(shù)據(jù)可以看出,隨著HEG加量的增加,體系的滾動回收率增加。未加HEG時,體系的滾動回收率為82.6%,當(dāng)HEG加量為1%時,體系的滾動回收率為96.5%,HEG可以明顯提高PLUS/KCL體系的抑制性能。
表6 HEG對PLUS/KCL體系抑制分散性能的影響
本實驗向400 mL HEG加量為1%的PLUS/KCL鉆井液體系中加入不同加量的納膨潤土,觀察老化前后體系流變性能以及濾失性能的變化。
實驗條件:100 ℃熱滾16 h,40 ℃測試性能。
從下表數(shù)據(jù)可以看出,HEG 具有很好的抑制黏土水化造漿的能力。當(dāng)鈉膨潤土的加量在15%以內(nèi)時,PLUS/KCL體系的表觀黏度、塑性黏度略有增加,濾失性能變好,濾失量降低??傮w來說,當(dāng)HEG的加量為1%時,PLUS/KCL體系可以承受15%加量的鈉膨潤土的污染。
表7 膨潤土污染對PLUS/KCL體系的影響
參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評價方法》, 評價HEG對PLUS/KCL鉆井液體系的儲層保護效果的影響。動態(tài)污染試驗條件: 驅(qū)替壓力為3.5 MPa , 圍壓為6 MPa , 污染溫度為100 ℃,測滲透率時泵流量0.5 mL·min-1。
從表8可以看出,在滲透率為10 mD以上儲層,PLUS/KCL鉆井液體系中加入新型小分子胺基抑制劑HEG后,能夠明顯提高巖心的滲透率恢復(fù)值,具有較好的儲層保護效果。
表8 HEG對PLUS/KCL體系儲層保護效果的影響
新型小分子胺基抑制劑HEG在渤海南部海域進行了應(yīng)用,該區(qū)塊鉆井揭示的地層巖性主要為黃褐色黏土與灰色粉砂巖互層,褐色泥巖與灰色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖互層,其中明化鎮(zhèn)組中黏土含量較高,黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主,高嶺石和綠泥石較少,混層中蒙脫石含量較高,屬于強水敏巖性,具有易水化膨脹,易分散和易粘結(jié)成塊強等特點。前期鉆井液主要技術(shù)難點:
①鉆進過程中鉆屑水化膨脹嚴(yán)重,且結(jié)塊起球,造成堵返出口等現(xiàn)象。
②泵壓上升、扭矩增大、嚴(yán)重時還會憋漏地層或卡鉆。
③鉆進過程造漿情況嚴(yán)重,黏度上升較快,現(xiàn)場鉆井液性能維護困難。
為解決上述問題,決定對現(xiàn)場的鉆井液體系進行優(yōu)化,體系中加入了新型小分子胺基抑制劑HEG,并在現(xiàn)場應(yīng)用了5口井,通過現(xiàn)場作業(yè)情況來看,原有的問題很大程度上都得到了解決,此五口平均最大井斜超過50°,但鉆進過程均比較順利,滑動、旋轉(zhuǎn)鉆進速度較快,基本沒有出現(xiàn)鉆屑結(jié)塊的現(xiàn)象,而且攜砂效果好,鉆井液性能穩(wěn)定,并且起鉆效率比前期有了大幅提高,現(xiàn)場鉆井液維護性能見表9。
表9 現(xiàn)場加入HEG后鉆井液的基本性能范圍
圖1 未加HEG返出的巖屑狀態(tài)
圖2 加入HEG后返出的巖屑狀態(tài)
1)新型小分子胺基抑制劑HEG與其他性能優(yōu)異的抑制性相比,具有更好的防膨性能、抑制黏土水化分散能力和抑制分散性能;
2)新型小分子胺基抑制劑HEG對PLUS/KCL聚合物鉆井液體系流變性沒有影響,可以改善體系的API濾失性能;
3)在PLUS/KCL體系中加入1%的新型小分子胺基抑制劑HEG就可以大大提高濾液防膨性能、體系抑制分散性能、體系抗鈉膨潤土污染性能和體系的儲層保護效果。
4)從新型小分子胺基抑制劑HEG在渤海南部海域油田的應(yīng)用情況來看,可以將該抑制劑進行現(xiàn)場推廣應(yīng)用。