无固相弱凝胶钻井液的研究与应用

2022-10-18

聚合物弱凝胶在石油工业上的应用主要在堵水调剖、压裂方面, 新近发展起来的胶态分散凝胶也用于聚合物驱领域, 常规凝胶的形成条件主要是依赖于交联剂, 聚合物通过与交联剂的作用在一定的温度和一定的时间下成胶。不同于常规凝胶的成胶方式, PRD (无固相保护油气层钻井液) 钻井液是一种快速成胶体系, 无需添加交联剂, 主要通过特殊聚合物之间的相互作用成胶, 其且成胶条件要求低的所形成的弱凝胶具有独特的流变性。这一独特的流变性能有效的悬浮和携带钻屑。高的低剪切速率粘度, 能防止钻开液对井壁的冲刷, 有效的控制固液相对储层的侵入深度, 最大限度的减少对储层的损害[1]。

为了解决上述问题研制出一种生物聚合物弱凝胶增粘剂GEL-30。该由GEL-30配制成的钻井液体系有不同于传统钻井液的优良特殊性能:切力与时间无依赖性能, 能有效阻止大斜度段和水平段岩屑床的形成;良好的润滑性和抑制性, 能在水平井钻进过程中, 保持井壁稳定, 有效的减少卡钻划眼等井下故障, 保证顺利钻进;滤失少、滤饼薄且韧且容易破胶;由于GEL-30由可降解的生物聚合物和天然大分子制作而成, 因此具有易降解、无生物毒性的特征, 能满足环保要求。

1 GEL-30弱凝胶钻井液

弱凝胶增粘剂GEL-30由可生物降解的生物聚合物和天然大分子经活化、复配等工艺制备得到, 外观为白色或灰白色可流动粉末。经过大量室内优选试验, 得出最终的弱凝胶钻井液配方为:400m L自来水+0.1%Na OH+0.2%CX-216+1.2%JMP-1+2.0%PEG+1.0%DRH+6.0%KCl+2%GEL-30+5%yx-1+26%石灰石粉。室内通过测定其流变性参数、滤失量、低剪切速率下的粘度、泥岩回收率、渗透率恢复值, 从而对该钻井液配方进行综合评价。

1.1 流变性评价

在120℃下滚动16小时后测量其低剪切速率下的粘度, 测量结果见表1。

表1可看出GEL-30弱凝胶钻井液表观粘度低, 具有比较高的动塑比, 随时间变化静切力改变小, 触变性好, 剪切稀释后能够快速重新成胶, 能够满足水平井钻井对钻井液的要求。热滚后, 各流变性参数基本稳定, 这对于实际钻井中是非常有利的。

1.2 滤失性评价和低剪切速率下的粘度实验

测量其在120℃下滚动16小时前后常温下流变性、中压 (0.69MPa) 静失水APIFL、PH、泥饼粘滞系数Kf、滚后高温高压 (120℃、3.5 MPa) 静失水HTHPFL, 测量结果见表2。

表2可看出该弱凝胶钻井液的API和HTHP滤失量都比较小, 钻井液体系中加入yx-1超细碳酸钙后, 形成滤饼粘滞系数为0.0875, 表明该钻井液形成的泥饼对钻具的阻力小, 钻井过程中不会对钻具产生大的粘滞作用。

测量其在120℃下滚动16小时后低剪切速率下的粘度, 测量结果见表3。

在水平井钻进中, 悬浮钻屑和净化井眼是比较突出的问题, 要有效提高水平井钻井液钻屑悬浮能力并及时防止钻屑床的形成, 这就要求钻井液在静态或者低剪切速率下维持较高的粘度。从表3可以看出, GEL-30弱凝胶钻井液热滚后在低剪切速率下仍具有较高的粘度 (在0.3r/min转速下, 粘度可达8800m Pa.s) , 这种独特的流变性对水平井和大位移井的钻进非常有利的, 不仅保证钻井液具有良好的悬浮携砂能力, 并且能够避免钻井液对井壁的冲刷, 阻止钻井液中的液体进入地层抑制泥页岩的水化膨胀, 起到维持井壁稳定的作用, 另外还能防止钻井液固相侵入地层, 降低钻井污染带的深度, 起到保护储层的作用。

1.3 抗温性试验

在400m LGEL-30弱凝胶钻井液中加入30g钻屑, 分别在60℃、80℃、100℃、120℃、140℃下滚动16h, 过40目筛筛出钻屑, 分别收集钻井液及钻屑, 测试不同温度下的钻屑回收率, 并将收集的钻井液冷却至室温, 分别测试其流变性和静失水量。

试验结果表明:该钻井液体系分别在的60℃、80℃、100℃、120℃、140℃的温度下热滚后, 钻井液流变性比较稳定, 维持较高的动塑比, 而且钻屑回收率高于86.4%, 表明该钻井液体系具有较强的抑制性;静失水量小且滤液清晰, 泥饼平整, 薄而韧。GEL-30弱凝胶钻井液体系中引入了温度稳定剂, 可以阻止大分子在高温下被氧化分解, 保证钻井液在较大的温度范围了维持性能的稳定。

1.4 悬浮性试验

将塔里木油田相关区块的岩屑磨碎, 然后过筛制成悬砂, 测试GEL-30弱凝胶钻井液在热滚前后的悬浮悬砂的能力。将GEL-30弱凝胶钻井液装入量筒, 并将悬砂均匀地悬浮于钻井液中, 在90℃恒温下静置后, 记录悬砂悬浮直到下沉的时间。然后将GEL-30弱凝胶钻井液在120℃下滚动16h, 均匀悬浮悬砂与其中, 静置到90℃恒温下记录悬砂悬浮直到下沉的时间, 实验结果表明在24小时内, 该体系滚动前可以悬浮11g砂粒, 在120℃热滚16h后, 在90℃下还能悬浮4g砂粒, 该结果表明该钻井液具有较好的携砂能力, 能够满足水平井和大斜度井对钻井液的悬浮携砂的要求。

1.5 储层保护试验

根据SY 5336-88《常规岩心分析推荐方法》[2]和SY/T 5358-94《砂岩储层敏感性评价实验的推荐实验方法》[3], 在塔里木油田牙哈、轮南、哈德三区块分别选取不同井的岩心进行渗透率恢复实验, 结果见表3

表3可得出实验岩心的渗透率恢复值在85%以上, 部分岩心渗透率恢复值高达92.73%, 表明GEL-30弱凝胶钻井液具有良好的储层保护性能, 在打开油气层的过程中, 能减少钻井液对产层的伤害。

2 现场应用

该钻井液体系在塔里木油田牙哈、轮南、哈德区块多口井应用, 在钻进长水平井段和钻进油气层的过程中, 成功的解决了井壁失稳、井眼难净化以及储层污染等方面的问题。以轮南地区H8C井为例, 由该井设计分层数据可知该井将钻遇侏罗系、三叠系地层, 均有油层发育。侏罗系JⅢ油组6+7小层地层压力44.05MPa, 压力系数0.994;侏罗系JⅣ油组1+2小层地层压力49.0MPa, 压力系数1.095;三叠系TⅠ油组地层压力46.06MPa, 压力系数0.988。侏罗系地层易跨蹋, 注意防斜、防跨;该井在古近系、白垩系、侏罗系JⅠ、JⅡ油组也可能钻遇油气层, 压力系数在1.06-1.11左右, 注意防喷。

通过在轮南H8C井现场应用表明:在侏罗系、三叠系见到良好油气显示, 钻遇地层无漏失情况, 无井喷情况发生。此外, 通过邻井对比还有以下优势:

2.1 钻井速度快。

表4是轮南H8C与轮南H1井的钻井速度的对比情况, 轮南H8C与轮南H1相距较近, 施工条件及施工参数基本相同。

表4可看出该钻井液体系在提高钻井速度效果明显, TⅠ在条件相近情况下机械钻速提高近99%

2.2 钻井液性能稳定。

在钻进过程中, 钻井液粘度一直稳定, 没有出现因固相的侵入而出现的增粘、井壁坍塌、拔活塞和卡钻等现象。

2.3 岩心渗透率恢复值高, 能有效保护储层。

轮南H8C钻进时在侏罗系、三叠系见到良好油气显示。同时, 取进入油层的钻井液, 在该地层的岩心上做渗透率恢复实验, 实验测得污染后的岩心渗透率恢复值为98%, 大大高出一般钻井液, 该井经试油后稳产50t/d。

2.4 井眼稳定。

有利于工程施工和井下安全。该钻井液中固相含量较低, 动切力小, 静切力随时间变化小, 因此开泵容易, 开泵时不会出现憋泵的状况, 起下钻时压力波动小, 有利于维持井眼稳定、防止憋漏地层。悬砂能力良好。

3 结语

3.1 经过活化复配得到的GEL-30弱凝胶钻井液在流变性评价、滤失性评价和低剪切速率下的粘度实验中表现出明显的优越性能, 在室内评价中表现出较好的抗温性、润滑性和储层保护性能。

3.2 在现场应用中, 使用GEL-30弱凝胶钻井液钻井具有钻井速度快、钻井液稳定、岩心渗透率恢复值高、井眼稳定等优点, 能够满钻塔里木油田牙哈、轮南、哈德等区块的钻井液要求。

摘要：本文通过室内试验配制一种由弱凝胶增粘剂GEL-30所优化配制的钻井液体系, 室内性能评价实验结果表明, 该钻井液体系具有良好的流变性、抗温性、悬浮钻屑的能力等, 能够满足水平井、大斜度井段对钻井液的要求, 在轮南H8C井的试用表明该钻井液体系具有优于PRD弱凝胶钻井液的性能, 在塔里木油田多口井的使用中取得了良好的效果。

关键词：无固相钻井液,弱凝胶,储层保护