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        高溫高壓油基鉆井液技術(shù)研究及應(yīng)用

        2022-09-30 03:30:58宋曉偉彭三兵林科雄
        化學(xué)與生物工程 2022年9期
        關(guān)鍵詞:失劑乳化劑鉆井液

        宋曉偉,劉 剛,張 鵬,彭三兵,林科雄

        (1.中海油服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部,天津 300452;2.荊州市漢科新技術(shù)研究所,湖北 荊州 434000)

        油基鉆井液因具有抑制性強(qiáng)、耐溫性強(qiáng)、抗污染能力強(qiáng)、潤滑性能好、儲(chǔ)層傷害小等特點(diǎn),已逐漸成為鉆探高難度的高溫高壓深井、海上鉆井、大斜度定向井及保護(hù)儲(chǔ)層的重要手段[1-2]。但在鉆遇高溫高壓深井、大斜度大位移井、窄密度窗口井段時(shí),極易誘發(fā)井壁失穩(wěn)、惡性漏失、鉆具粘卡、井涌井噴等事故。根據(jù)Falcaon能源公司數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),高溫高壓井較常規(guī)井的鉆井時(shí)效降低30%以上,粘卡發(fā)生率提高30%以上,井涌或井噴發(fā)生頻率提高20%以上,非生產(chǎn)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本均增加3倍以上。因此,高溫高壓環(huán)境對(duì)油基鉆井液的性能提出了更高要求。作者針對(duì)高溫高壓油基鉆井液的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn),構(gòu)建高溫高壓油基鉆井液體系,并進(jìn)行室內(nèi)性能評(píng)價(jià),為高溫高壓油基鉆井液技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供前期技術(shù)支持。

        1 高溫高壓油基鉆井液體系的關(guān)鍵技術(shù)

        高溫高壓油基鉆井液的關(guān)鍵技術(shù)主要有4個(gè)方面:(1)處理劑高溫下穩(wěn)定;(2)固相含量增加,具有抗劣質(zhì)固相污染能力;(3)當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)控制;(4)重晶石沉降穩(wěn)定。

        構(gòu)建的高溫高壓油基鉆井液體系需滿足以下性能要求:(1)100轉(zhuǎn)讀數(shù)盡可能低;(2)高溫高壓濾失量≤5 mL;(3)沉降因子≤0.52。

        2 高溫高壓油基鉆井液的性能評(píng)價(jià)

        2.1 試劑與儀器

        基礎(chǔ)油(3#白油、Saraline 185V)、重晶石、氯化鈣、氫氧化鈣(工業(yè)級(jí))、主乳化劑、輔乳化劑、傳統(tǒng)有機(jī)土、抗高溫有機(jī)土、降濾失劑、REV DUST(模擬鉆屑),天津中海油服化學(xué)有限公司。

        六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),青島海通達(dá);破乳電壓測(cè)試儀、高溫高壓濾失量測(cè)定儀,美國Fann公司;高溫滾子爐,美國OFITE公司。

        2.2 油基鉆井液的配制

        在基礎(chǔ)油中加入主、輔乳化劑,高速攪拌5 min;加入氫氧化鈣,高速攪拌2 min;加入有機(jī)土,高速攪拌3 min;在高速攪拌下加入25%氯化鈣溶液,高速攪拌10~15 min;加入降濾失劑,高速攪拌5 min;加入重晶石至所需密度,高速攪拌20 min;繼續(xù)加入模擬鉆屑,高速攪拌5 min,裝入老化罐后,置于高溫滾子爐中恒溫老化。

        2.3 評(píng)價(jià)方法

        (1)乳化效率測(cè)試:取240 mL 基礎(chǔ)油于高攪杯中,加入6.0 g乳化劑,在10 000 r·min-1下高速攪拌5 min,加入25%氯化鈣溶液60 mL,高速攪拌20 min;裝入老化罐后,置于高溫滾子爐中,150 ℃恒溫滾動(dòng)16 h;取出,冷卻至室溫,再高速攪拌20 min,倒入500 mL量筒中,靜置觀察,讀取不同時(shí)間分離出的油層體積(V,mL)。按式(1)計(jì)算乳化效率(W):

        (1)

        (2)潤濕效率測(cè)試:稱取50.00 g重晶石放入烘箱中,在(105.0±0.1)℃下干燥120 min,取出后放入干燥器中冷卻,待用。用移液管量取4份10 mL的3#白油分別倒入4個(gè)50 mL燒杯中;分別稱取0.10 g、0.15 g、0.20 g樣品,加入到其中3份3#白油中,用保鮮膜密封好,用磁力攪拌器于500 r·min-1下攪拌10 min,配制成均勻的油溶液。稱取2.00 g烘干后的重晶石4份,分別加入上述4個(gè)燒杯中,用保鮮膜密封好,用磁力攪拌器于500 r·min-1下攪拌60 min;然后分別迅速轉(zhuǎn)移到4個(gè)10 mL具塞試管中,于25 ℃水浴中靜置,并同時(shí)計(jì)時(shí)。分別記錄上層分離出5 mL澄清油相所需的時(shí)間。

        (3)油基鉆井液的性能測(cè)試:參照GB/T 16783.2-2012測(cè)試油基鉆井液的流變性、濾失量和電穩(wěn)定性等。

        (4)靜態(tài)沉降穩(wěn)定性測(cè)試:將鉆井液加入不銹鋼罐中,在特定溫度下靜置一段時(shí)間后,分別測(cè)量鉆井液液柱上部(游離體下層)密度(ρtop)和底部密度(ρbottom)。按式(2)計(jì)算靜態(tài)沉降因子(SF):

        (2)

        SF=0.5時(shí),說明未發(fā)生靜態(tài)沉降;SF>0.52時(shí),說明靜態(tài)沉降穩(wěn)定性較差。

        2.4 單劑評(píng)價(jià)

        2.4.1 乳化劑評(píng)價(jià)結(jié)果

        2.4.1.1 乳化效率評(píng)價(jià)

        主、輔乳化劑的乳化效率見表1。

        表1 主、輔乳化劑的乳化效率

        一般要求油基鉆井液乳化劑的乳化效率≥90%[3]。從表1可見,室內(nèi)研選的主、輔乳化劑在基礎(chǔ)油中的乳化效率均超過90%,乳化效果較好。

        2.4.1.2 主乳化劑加量對(duì)黏度和電穩(wěn)定性的影響(圖1)

        構(gòu)建的高溫高壓油基鉆井液體系要求主乳化劑對(duì)黏度的影響要盡可能小,并能提升電穩(wěn)定性。從圖1可見,隨著主乳化劑加量的增加,油包水乳液的黏度逐漸降低,加到一定量后黏度變化幅度較?。黄迫殡妷簞t隨著主乳化劑加量的增加逐漸升高,乳液電穩(wěn)定性增強(qiáng)。室內(nèi)研選的主乳化劑加量為2%時(shí)就能滿足高溫高壓油基鉆井液體系的構(gòu)建要求。

        圖1 主乳化劑加量對(duì)黏度(a)和電穩(wěn)定性(b)的影響

        2.4.1.3 輔乳化劑潤濕效率評(píng)價(jià)

        輔乳化劑除具有乳化性能外,還需兼有油潤濕性能,因此,對(duì)輔乳化劑進(jìn)行潤濕效率評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),室內(nèi)研選的輔乳化劑不僅具有基本的乳化性能,而且對(duì)油相中的重晶石顆粒潤濕效果較好,當(dāng)輔乳化劑加量為1.5%時(shí),上層分離出5 mL澄清油相需要148 min(空白對(duì)照需要10 min)。

        2.4.2 降濾失劑評(píng)價(jià)結(jié)果

        將降濾失劑加入到油基鉆井液體系中,評(píng)價(jià)體系的降濾失效果和電穩(wěn)定性,結(jié)果見圖2。

        圖2 降濾失劑加量對(duì)濾失量和電穩(wěn)定性的影響

        從圖2可見,室內(nèi)研選的降濾失劑對(duì)油基鉆井液體系的降濾失效果好,且不影響體系的電穩(wěn)定性,其加量宜控制在3.5%以上。

        2.4.3 有機(jī)土評(píng)價(jià)結(jié)果

        傳統(tǒng)有機(jī)土配制的鉆井液很難耐180 ℃高溫,當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)則基本失效[4-7]。室內(nèi)通過油基鉆井液體系的主要流變參數(shù)來評(píng)價(jià)抗高溫有機(jī)土(PF-MOGEL HT、PF-MOGEL 1、PF-MOGEL 2)的性能,結(jié)果見圖3。

        從圖3可見,抗高溫有機(jī)土PF-MOGEL HT(加量1.5%)配制的油基鉆井液體系隨著老化溫度的升高,對(duì)應(yīng)的6轉(zhuǎn)讀數(shù)變化不大,使得油基鉆井液體系的流變性能保持穩(wěn)定。

        圖3 抗高溫有機(jī)土對(duì)油基鉆井液體系流變參數(shù)的影響

        2.5 高溫高壓油基鉆井液性能的綜合評(píng)價(jià)

        通過單劑評(píng)價(jià)篩選出的高溫高壓油基鉆井液體系配方如下:Saraline 185V 481 L·m-3,主乳化劑20 L·m-3,輔乳化劑15 L·m-3,抗高溫有機(jī)土15 kg·m-3,石灰28 kg·m-3,降濾失劑35 kg·m-3,25%氯化鈣溶液70 L·m-3,重晶石1 628 kg·m-3,REV DUST 99.75 kg·m-3。

        高溫高壓油基鉆井液體系的性能見表2。

        表2 高溫高壓油基鉆井液體系的性能

        從表2可見,該油基鉆井液體系的流變性能良好,且破乳電壓在800 V以上,高溫高壓濾失量<5.0 mL,沉降因子<0.52,沉降穩(wěn)定性好,已達(dá)到構(gòu)建高溫高壓油基鉆井液體系的技術(shù)要求。

        3 高溫高壓油基鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        某油田DF區(qū)塊井底靜止溫度200 ℃,壓力系數(shù)1.75左右,存在安全作業(yè)窗口窄、酸性氣體含量高等作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。將室內(nèi)構(gòu)建的高溫高壓油基鉆井液體系應(yīng)用于該區(qū)塊4口井,作業(yè)情況見表3。

        表3 高溫高壓油基鉆井液體系現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況

        從表3可見,施工過程順利,沒有粘卡和憋扭矩等復(fù)雜情況發(fā)生。表明,高溫高壓油基鉆井液具有較好的儲(chǔ)層保護(hù)性能,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

        4 結(jié)論

        通過乳化效率、流變性、電穩(wěn)定性、潤濕效率等綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)室內(nèi)研選的主乳化劑、輔乳化劑、降濾失劑,通過流變參數(shù)評(píng)價(jià)室內(nèi)研選的抗高溫有機(jī)土,構(gòu)建了一套滿足高溫高壓鉆井作業(yè)要求的油基鉆井液體系,其性能完全滿足現(xiàn)場(chǎng)高溫高壓井的技術(shù)要求,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

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