江 華,楊 洋,由福昌,杜佳琪,鄧 聰
(1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司,廣東深圳 518067;2.荊州嘉華科技有限公司,湖北荊州 434000)
大位移井一般是指水平位移與垂直深度之比大于2 的定向井和水平井。目前為了開(kāi)發(fā)邊際油田、減少海上鉆井平臺(tái)和提高投資效益,大位移水平井作業(yè)需求不斷增長(zhǎng),水平位移不斷延長(zhǎng),目前水平位移已突破10 000 m,水平位移與垂直深度之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2。與直井相比,大位移井完井作業(yè)中最大的難點(diǎn)是生產(chǎn)管柱下入過(guò)程中,由于重力影響,管柱貼近井眼低邊一側(cè),完井管柱與井壁接觸面積增大,摩阻增加,導(dǎo)致完井管柱下入困難,完井管柱也會(huì)因此產(chǎn)生摩擦損傷,嚴(yán)重影響完井作業(yè)的進(jìn)行[1-2]。
含固相完井液存在以下問(wèn)題:(1)含固相完井液靜止時(shí)凝膠強(qiáng)度高,開(kāi)泵時(shí)易引起壓力波動(dòng),停泵時(shí)固相易沉降,增加了井下復(fù)雜事故發(fā)生的可能性[3-5];(2)黏度大,固相含量高,增加井下工具摩阻,引起井筒中高摩擦壓力損失[6-8];(3)固相會(huì)增加作業(yè)過(guò)程中的鉆井液當(dāng)量密度[9-10];(4)容易對(duì)儲(chǔ)層帶來(lái)固相傷害[11-12]。而無(wú)固相完井液或清潔鹽水完井液具有以下優(yōu)點(diǎn)[13-14]:(1)固相含量低,對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)效果好;(2)礦化度高,抑制能力強(qiáng);(3)黏度低,摩阻壓力損失小,完井管柱下入過(guò)程中的摩阻要小于含固相完井液,降低完井管柱及工具的磨損破壞。因此,無(wú)固相完井液或清潔鹽水完井液更適合大位移井的完井作業(yè)。
無(wú)固相完井液或清潔鹽水完井液本身的潤(rùn)滑性較好,但在現(xiàn)場(chǎng)完井作業(yè)中,僅僅依靠完井液自身的潤(rùn)滑性并不能滿足完井作業(yè)中的降摩減阻要求,需要加入一定量的潤(rùn)滑劑。但是目前常用潤(rùn)滑劑多為油溶性潤(rùn)滑劑,含油量較多,在無(wú)固相完井液或者清潔鹽水完井液中容易產(chǎn)生浮油或者油珠,給儲(chǔ)層帶來(lái)傷害。針對(duì)這一情況,本文以潤(rùn)滑劑主劑、植物油脂酸乙酯、二烷基二硫代氨基甲酸鉬、脂肪醇醚磷酸酯鉀鹽、單丁醚為主要原料研發(fā)了一種完井液水溶性潤(rùn)滑劑CR301,研究了加有該潤(rùn)滑劑的KCl鹽水完井液體系降摩減阻性、抗磨能力、配伍性、對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)效果及水鎖效應(yīng)。
甘油脂肪酸酯GMS、丙二醇單月桂酸酯BPML、油酸二乙醇酰胺ODEA、椰油酸二乙醇酰胺6501(1∶2)、磷酸酯TXP-4、脂肪醇醚磷酸酯鉀鹽MOA3PK、表面活性劑OP-10,江蘇省海安石油化工廠;納米石墨001,青島東凱石墨有限公司;乙醇,工業(yè)級(jí),濟(jì)南雙盈化工有限公司;植物油脂酸乙酯,廣州鎂洛迪生物化工科技有限公司;二烷基二硫代氨基甲酸鉬F1510,杭州施特安化工有限公司;單丁醚,濟(jì)南麥豐化工有限公司;消泡劑DEL,荊州嘉華科技有限公司;KCl,工業(yè)級(jí);緩蝕劑ZJ,河南森瑞化工有限公司;潤(rùn)滑劑JX-108,毅嘉新材料(山東)有限公司;潤(rùn)滑劑-1(鉆井液用水基潤(rùn)滑劑),濮陽(yáng)市豪然化工有限公司;潤(rùn)滑劑-2(鉆井液用潤(rùn)滑劑),天津雄冠科技發(fā)展有限公司;潤(rùn)滑劑lube,荊州嘉華科技有限公司;潤(rùn)滑劑DX621,德旭新材料(廣州)股份有限公司。去離子水;模擬海水,礦化度35000 mg/L、pH值7.6;實(shí)驗(yàn)采用人造模擬巖心(荊州嘉華科技有限公司),巖心滲透率為10×10-3~20×10-3μm2。
Fann21200 型極壓潤(rùn)滑儀,F(xiàn)ann 儀器公司;KMY201-1A 抗磨試驗(yàn)機(jī),成都浩宇馳儀器儀表有限公司;WZT-2 型光電濁度計(jì),上海平軒科學(xué)儀器有限公司;HKY-1 型多功能巖心驅(qū)替裝置,荊州塔林儀器設(shè)備公司;QBZY系列全自動(dòng)表界面張力儀,上海方瑞儀器有限公司。
1.2.1 潤(rùn)滑劑CR301研制
室溫下,將75 份脂肪酸酯(甘油脂肪酸酯和丙二醇單月桂酸酯的質(zhì)量比1∶1)加入反應(yīng)釜中,然后在攪拌的條件下加入10份表面活性劑(油酸二乙醇酰胺和椰油酸二乙醇酰胺的質(zhì)量比1∶1)和210份去離子水,攪拌升溫至180 ℃后,負(fù)壓到0.1~0.2 MPa的條件下充分反應(yīng)3 h,冷卻并恒溫至60 ℃后加入混合均勻的5份磷酸酯和10份納米石墨,在溫度為60~80 ℃時(shí),負(fù)壓到0.1~0.2 MPa,反應(yīng)2 h,然后用10 份乙醇洗滌,分離出過(guò)濾層;降溫后得到黃色液體即為鉆井液潤(rùn)滑劑CR301的主劑。
將潤(rùn)滑劑主劑、植物油脂酸乙酯、二烷基二硫代氨基甲酸鉬、脂肪醇醚磷酸酯鉀鹽、單丁醚、OP-10和消泡劑按一定比例在一定條件下混合得到潤(rùn)滑劑CR301。
1.2.2 完井液體系的配制
取一定量的配方為模擬海水+25%KCl+2%緩蝕劑ZJ的KCl基礎(chǔ)完井液,加入一定量的潤(rùn)滑劑,用磁力攪拌器以1000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌10 min,備用。
1.2.3 評(píng)價(jià)方法
(1)CR301降摩減阻效果評(píng)價(jià)
按照Q/SH 1025 0512—2007《鉆井液用潤(rùn)滑劑通用技術(shù)條件》,用Fann21200極壓潤(rùn)滑儀在150 ln.lb 的扭矩下測(cè)定了加入潤(rùn)滑劑前后完井液的摩阻系數(shù)。
使用KMY201-1A 抗磨試驗(yàn)機(jī),主要工作部件由一個(gè)隨主軸旋轉(zhuǎn)的磨環(huán)以及壓在磨環(huán)上的固定磨柱構(gòu)成,試驗(yàn)時(shí)在不同壓力條件下,磨環(huán)磨柱之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦,試驗(yàn)機(jī)通過(guò)砝碼及杠桿構(gòu)成的加力系統(tǒng),可以測(cè)試出潤(rùn)滑劑的油膜強(qiáng)度以及由潤(rùn)滑劑在金屬摩擦接觸表面所形成的抗磨保護(hù)層的強(qiáng)度,在不斷加砝碼的過(guò)程中,磨環(huán)與磨柱抱死卡停,通過(guò)加壓砝碼(砝碼一塊重約837 g)的塊數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑抗磨減阻能力,可以很好地模擬完井液存在的情況時(shí)下管柱過(guò)程中金屬管材之間的磨損情況。
(2)與完井液的配伍性
將加有一定量潤(rùn)滑劑CR301 的KCl 完井液體系在90 ℃的水浴鍋或150 ℃恒溫加熱箱中加熱養(yǎng)護(hù),然后使用光電濁度計(jì)測(cè)定不同溫度下養(yǎng)護(hù)2 h后的加入潤(rùn)滑劑前后的完井液體系的濁度,以判斷潤(rùn)滑劑與完井液的配伍性。
(3)儲(chǔ)層保護(hù)效果評(píng)價(jià)
采用HKY-1 型多功能巖心驅(qū)替裝置對(duì)巖心進(jìn)行滲透率的測(cè)定,并根據(jù)滲透率恢復(fù)值來(lái)判定儲(chǔ)層保護(hù)效果。實(shí)驗(yàn)正向氣驅(qū)測(cè)定傷害前滲透率,利用完井液反向污染60 min后,正向氣驅(qū)測(cè)定傷害后巖心的滲透率,計(jì)算滲透率恢復(fù)率。
(4)水鎖效應(yīng)評(píng)價(jià)
采用QBZY 系列全自動(dòng)表界面張力儀在60 ℃下測(cè)定加入潤(rùn)滑劑前后完井液體系的表面張力,以判定完井液體系發(fā)生水鎖效應(yīng)的概率。
2.1.1 潤(rùn)滑劑CR301加量對(duì)KCl完井液摩阻系數(shù)的影響
不同潤(rùn)滑劑CR301 加量的KCl 完井液體系的摩阻系數(shù)見(jiàn)表1。隨著CR301 加量的增大,完井液的摩阻系數(shù)減小,當(dāng)CR301加量為3%時(shí),摩阻系數(shù)為0.032,摩阻系數(shù)降低率達(dá)58%。摩阻系數(shù)越小,潤(rùn)滑性越好,金屬間的摩擦阻力越小,在完井作業(yè)中管柱下入過(guò)程中的阻力越小,管柱的摩擦損傷越小。由此可見(jiàn),CR301 可明顯改善KCl 完井液體系的潤(rùn)滑性。
表1 CR301加量對(duì)KCl完井液體系摩阻系數(shù)的影響
2.1.2 潤(rùn)滑劑CR301加量對(duì)KCl完井液抗磨能力的影響
抗磨試驗(yàn)機(jī)主要模擬的是在完井液存在的情況下,金屬與金屬之間的摩擦,砝碼加重的外力可以很好地模擬摩擦阻力。如果完井液的抗磨能力差,則在砝碼加重的外力很小的情況下,試驗(yàn)機(jī)就會(huì)卡停。不同CR301 加量的完井液體系的抗磨能力見(jiàn)表2。從表2可以看出,KCl完井液不加潤(rùn)滑劑時(shí),在4塊砝碼的外力下即會(huì)卡停;潤(rùn)滑劑CR301為2%時(shí),完井液體系的抗磨能力明顯增強(qiáng),在10塊砝碼的外力下才會(huì)卡停;潤(rùn)滑劑CR301 加量大于2%時(shí),在10 塊砝碼的外力下也不會(huì)卡停。此外,還可以從磨柱磨痕的狀態(tài)來(lái)推斷完井液體系的抗磨能力。在未加CR301 的完井液中的磨柱磨痕的表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在CR301加量為2%的完井液中鋼球的磨痕。加入CR301 后完井液體系的抗磨能力大大提高,CR301 可明顯改善完井管柱下入過(guò)程中的磨損傷害。
表2 不同CR301加量下完井液體系的抗磨能力
2.1.3 不同潤(rùn)滑劑對(duì)KCl完井液潤(rùn)滑性能的對(duì)比
室內(nèi)評(píng)價(jià)了潤(rùn)滑劑CR301 與其他幾種潤(rùn)滑劑對(duì)KCl 完井液體系潤(rùn)滑性能的改善效果,結(jié)果見(jiàn)表3,潤(rùn)滑劑加量為2%。在相同加量下,加入潤(rùn)滑劑CR301和潤(rùn)滑劑-2的KCl完井液體系體系的抗磨能力相當(dāng),均為10塊砝碼卡停。加入潤(rùn)滑劑-2的KCl完井液體系的摩阻系數(shù)降低率為43.59%,略高于加入潤(rùn)滑劑CR301的KCl完井液體系的(41.03%),但潤(rùn)滑劑-2在完井液體系中以油珠的形式均勻分散,在儲(chǔ)層中容易附著在地層巖石上而封堵巖石孔隙,給儲(chǔ)層帶來(lái)傷害。加入潤(rùn)滑劑Lube 的KCl 完井液體系的摩阻系數(shù)降低率也在40%左右,但抗磨能力比加入CR301的KCl完井液體系的差,且完井液表面有油花,在儲(chǔ)層中容易附著在地層巖石上而封堵巖石孔隙,給儲(chǔ)層帶來(lái)傷害。
表3 相同加量下不同潤(rùn)滑劑對(duì)KCl完井液潤(rùn)滑性能的影響
綜上,在KCl 完井液中加入潤(rùn)滑劑CR301 后可以大大降低完井液的摩阻,提高完井液的抗磨性能,減小金屬之間的磨損,從而在完井液作業(yè)中降低管柱下入的摩擦阻力,減小管柱摩擦損傷。此外,加入潤(rùn)滑劑CR301的完井液體系清澈透明無(wú)油花,不會(huì)給儲(chǔ)層帶來(lái)傷害。
2.2.1 潤(rùn)滑劑CR301與KCl完井液的配伍性
加有不同量潤(rùn)滑劑CR301 的KCl 完井液體系分別在室溫、90 ℃、150 ℃下放置2 h后的濁度見(jiàn)表4。潤(rùn)滑劑CR301 對(duì)KCl 完井液體系的濁度影響不大,不管是在室溫還是在150℃高溫下均沒(méi)有不溶物產(chǎn)生,外觀清澈透明。這說(shuō)明潤(rùn)滑劑CR301 與KCl 完井液體系具有良好的配伍性,不會(huì)在完井液作業(yè)中給儲(chǔ)層帶來(lái)傷害。
表4 CR301加量對(duì)完井液濁度的影響
2.2.2 對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)性能
采用HKY-1 型多功能巖心驅(qū)替裝置對(duì)完井液體系進(jìn)行儲(chǔ)層保護(hù)性能評(píng)價(jià),結(jié)果如表5 所示。從表5 可以看出,KCl 完井液體系對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度較小,巖心滲透率恢復(fù)值為75.4%;加入2%的潤(rùn)滑劑CR301 后,巖心滲透率恢復(fù)值由75.4%提高至85.4%。這說(shuō)明潤(rùn)滑劑CR301對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)效果很好,可一定程度上減小完井液體系對(duì)儲(chǔ)層的傷害。
2.2.3 水鎖效應(yīng)評(píng)價(jià)
表面張力越大,越容易產(chǎn)生水鎖效應(yīng),越容易帶來(lái)儲(chǔ)層傷害。從儲(chǔ)層保護(hù)效果考慮,完井液的表面張力越小越好。加有不同量潤(rùn)滑劑CR301的KCl完井液體系的表面張力見(jiàn)表6。加入CR301后,KCl完井液體系的表面張力明顯降低,加量為2%和3%時(shí)表面張力可降至30 mN/m 以下。加入潤(rùn)滑劑CR301 可以減小KCl 完井液體系水鎖效應(yīng)的發(fā)生,降低儲(chǔ)層傷害,這與儲(chǔ)層保護(hù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
表6 不同加量CR301下KCl完井液體系的表面張力
水溶性潤(rùn)滑劑CR301 可大大改善KCl 完井液的潤(rùn)滑性能,降低完井液的摩阻,減小完井管柱下入阻力,降低完井管柱的摩擦損傷。與空白KCl 完井液相比,加入2% CR301 的KCl 完井液體系的摩阻系數(shù)降低率可達(dá)41.03%,抗磨能力可以承受10塊砝碼的重量,且磨痕明顯變小。
CR301 與KCl 完井液具有很好的配伍性,外觀清澈透明,表面無(wú)油花。CR301 可改善完井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)性能,減小水鎖效應(yīng),減低對(duì)儲(chǔ)層傷害。CR301 可作為完井液的潤(rùn)滑劑用在大位移井完井作業(yè)中。