硕士论文：甲酸盐钻井液的研究与应用.pdf

甲酸盐钻井液的研究与应用 摘 要 钻井液是钻井的血液，是关系一口井钻井成败及质量好坏的决定性因素。目 前储层结构越来越复杂，钻井工艺难度越来越大，而且还要考虑到环保的要求， 因此对钻井液提出了更高的要求。 甲酸盐无固相钻完井液体系是一种无毒的水基 钻井液，不仅符合环保要求，而且抗温性能好、流变特性好、有良好的抑制性和 抗污染能力，特别是与油层有良好的配伍性，有良好的油气层保护效果。本文首 先对其作用机理进行了详细的研究；然后优选了降失水剂 tj-1、油层保护剂 jyw-3 和增粘剂 txz-2， 得出了该钻井液体系的最终配方， 并对其各方面性能进 行了实验评价，包括加重性能、抗温性能、流变性能、抗污染能力、抑制性能、 润滑性能和配伍性能等； 最后对其在辽河油田欢 633 区块井的应用效果做出了评 价，全井钻井液流变性能合理，携屑效果好，井壁稳定，起下钻正常，满足井下 要求，取得了较好的应用效果，中途测试表明井眼规则，井径曲线近似直线，试 油表明，该井产量明显高于临井。由此我们不难得出结论，甲酸盐钻井液体系具 有很大的发展潜力和推广应用价值。 关键词：无固相；甲酸盐钻井液；油气层保护 research and applicatiaon of formate drilling fluid abstract drilling fluid, the blood of well drilling, is the decisive factor to a successful well drilling of high quality. now with the increasingly complex reservoir structure, difficult drilling technology and more attention payed on environment, it puts forward higher request to drilling fluid. formate drilling fluid without solid-phase which is a kind of water-based drilling fluid, non-toxic, meets the environmental protection requirements, but also has good temperature resistant properties and hydraulic characteristics, nice rejection capability and the ability to fight pollutions, especially has favorable compatibility with the reservoir, all this make it has a good effect of reservoir protection. in this paper, we firstly conducted a detailed study of the mechanism of formate; then we optimized tj-1 as filtration educing additive, jyw-3 as treating agent for protecting oil layer, txz-2 as adhesion promoter, and finally we got the formula of the drilling fluid system. through lots of experiments, we evaluate the drilling fluids performance in all aspects, including the weighting up performance, the temperature resistant property, the hydraulic characteristic, the ability to fight pollution, the rejection capability, the oiliness and the compatibility. at last we used the drilling fluid to the wells in huan 633 block in liaohe oilfield to evaluate the application effect: the drilling fluid can steady the sidewall and suspend the cuttings, it is completely presented regular bore hole and satisfied to the drilling requirements, formation testing shows the output of the well using it is higher than the other wells. thus, we can draw the conclusion: formate drilling fluid system has great potential of development and application value. key words: clay free , formate drilling fluid, reservoir protection 创新点摘要 1、甲酸盐钻井液体系属无膨润土体系，对储层没有固相伤害，保护油气层 效果好。 2、对甲酸盐钻井液体系的性能评价时进行了生物毒性分析和生物可降解性 分析，更有利于保护环境 目 录 摘 要 abstract 创新点摘要 前 言1 第一章 甲酸盐钻井液体系的作用机理5 1.1 无固相钻井液体系5 1.1.1 主要技术特点5 1.1.2 基本组分和作用5 1.2 甲酸盐的基本性质6 1.3 甲酸盐体系的油气层保护、防塌和抑制作用机理9 第二章 甲酸盐钻井液体系配方的优化设计11 2.1 甲酸盐的筛选11 2.2 基本优化配方试验12 2.2.1 降失水剂的优选12 2.2.2 油层保护剂的优选13 2.2.3 增粘剂的优选13 第三章 甲酸盐钻井液体系的性能评价16 3.1 加重性能和滤失性能评价16 3.2 体系的抗高温性能及流变性16 3.3 甲酸盐体系的抗污染试验18 3.3.1 抗固相污染能力18 3.3.2 抗盐污染能力19 3.3.3 抗钙污染能力19 3.4 抑制性评价20 3.4.1 滚动回收率试验20 3.4.2 膨胀性试验21 3.5 甲酸盐体系腐蚀性试验22 3.6 防漏失试验24 3.6.1 渗透性漏失的防治24 3.6.2 大型裂缝漏失的防治25 3.7 配伍性实验25 3.8 润滑性实验28 3.9 环境敏感性评价29 3.9.1 生物毒性分析29 3.9.2 生物可降解性分析29 第四章 甲酸盐钻井液在欢 633 区块的应用31 4.1 地层特征及层组划分31 4.1.1 地层特征31 4.1.2 层组划分31 4.2 构造特征32 4.3 沉积特征32 4.4 储层特征33 4.4.1 储层岩性、物性33 4.4.2 储层分布规律33 4.5 油层分布特征34 4.6 流体性质34 4.6.1 地面原油性质34 4.6.2 天然气及地层水性质35 4.6.3 地层水性质.35 4.7 钻井液性能参数设计36 4.8 使用效果评价36 4.9 结论与认识36 结论37 参考文献38 致 谢 1 前 言 1. 钻井液的发展现状 钻井液是钻井的血液，是关系一口井钻井成败及质量好坏的决定性因素。钻 井液的发展是从十九世纪末、二十世纪初才开始的，大体上经历了四个阶段。 现代钻井的萌芽时期。这时期钻井液从使用清水发展到使用钻井液。这时的 钻井液，还未认识到用专门的处理剂处理，是所谓“黄泥加水”时期。在含粘土质 的沉积层钻井，便利用井内粘土在钻进过程中自然造浆。这一时期大体为本世纪 初到 20 世纪 20 年代。 随着世界石油业的发展和矿业的开发，钻井技术也进入了一个大发展时期， 与之相适应的钻井液也有了较大的发展，不仅广泛地使用钻井液，而且钻井液的 类型从传统的细分散钠基钻井液发展到粗分散钙处理抑制性钻井液。例如，1930 年前后配制成硅酸钠钻井液，1943 年前后又研制成钙处理钻井液。钻井液处理 剂的品种日益增多。钻井液性能测试方面己有简单的测试工具。这一时期大致为 二十年代末到二次世界大战结束。 随着高分子聚合物的出现，配制成了低固相聚合物钻井液，以及抑制能力很 强的油包水反相乳化钻井液。处理剂已发展成包括无机、有机和高分子化合物的 多种类型的商业产品。钻井液性能的测试，己经使用包括旋转粘度计在内的整套 仪器。钻井液的固相控制设备已较完善。这一时期大致为二十世纪 50 年代到 60 年代。 近几十年来，随着科学技术的发展，特别是电子计算机的出现，推动了钻井 技术向科学化和自动化方向发展。随着深井和地热钻井的发展，出现了一批抗污 染抗高温的处理剂;钻井液的类型从粗分散抑制性钻井液到不分散低固相钻井液 和无固相钻井液，并已有用于井温 200以上的高温地热井钻井液和钻井深度达 l0000m 以上的超深井钻井液;研制了可检测 55 个参数、 可自动连续地检测和记录 钻井液在循环过程中的各种性能参数的自动检测系统， 电子计算机已开始用于钻 井和钻井液的控制1-2。 从钻进速度与钻井液性能指标的关系(见图 1-1)，归纳出现代钻井对钻井液 的要求，综合如下: l)钻井液中固相含量要少，特别粘土含量要少，以减少重复破碎。钻井液应 具有尽量小的粘度和界面张力(与岩石间的)，以提高孔底的清洗能力和对岩石的 2 冲击力。钻井液在保证孔壁稳定的情 况下应尽可能放大失水量，特别是初 失水要大，以减少孔底的岩粉垫； 2)钻井液的组分要尽量少， 并且应 是添加某一处理剂以调节钻井液某一 性能时，其它性能应尽量保持不变化； 3)钻井液应有一定润滑性， 钻井液 的性能在高温作用下的变化要； 4)钻井液对被钻岩石的井壁应是 化学中性的，即不引起岩层的分散和 膨胀。钻井液应不损害生产层，不污染环境3-4。 传统的钻井液是含有粘土的水基钻井液体系或是以油为连续相的油基钻井 液体系，其存在的主要问题是：般土细颗粒或加重剂颗粒会随滤液渗入地层，造 成对油层的伤害，同时惰性加重颗粒的加入导致钻井液固相含量大幅度提高，削 弱了各种处理剂在体系中的效用，增加了对体系性能调控的难度；油基钻井液体 系在保护油气层、提高体系的抑制、防塌及热稳定性能方面优于水基钻井液，但 随着世界各国对环保问题的重视，油基钻井液由于对环境的严重污染，其应用越 来越受到限制。为达到保护环境和油气层的双重目的，目前研究出以人造碳氢化 合物为主体的合成基钻井液，但成本很高，用户还不易于接受。因此最好的办法 是使用一种无毒的水基钻井液，这种钻井液不仅符合环保要求，且抗温性能好、 流变特性好、有良好的抑制性和抗污染能力，特别是与油层有良好的配伍性，有 良好的油气层保护效果。 通过调研和室内研究， 发现甲酸盐体系能满足以上所提到的所有技术和环保 要求，此体系不仅能用于钻井液和完井液，而且可用于欠平衡钻井的压井液。 甲酸盐体系不同于常用的盐水体系，属有机盐类。常用的可溶盐在使用中存 在各种问题： nacl 和 kcl 的溶解度不高， 其清洁盐水的密度只能达到 1.20g/cm3； cacl2或 cabr2的溶解度稍大，可达到 1.60g/cm3，但由于 ca2 的存在，大多数处 理剂在其中不相溶，且对地层产生潜在的伤害，而且 cl 的存在会使体系产生腐 蚀，在循环中产生气泡；zncl2和 znbr2的溶解度高，盐水密度可达 2.3g/cm3 ， 但是，除了锌离子产生潜在的伤害外，还有严重的毒性。具有高溶解性的甲酸盐 能克服以上各种盐类的不足：甲酸盐可以溶于淡水、海水或盐水，能有效抑制粘 土水化膨胀，在密度相同的情况下，效果优于氯化钾；甲酸根无毒，与粘土不发 生反应，与地层水配伍性良好，不与 na 、ca2、mg2等阳离子生成沉淀；甲酸 盐对钻具的腐蚀性小，k 含量达 10000ppm 的甲酸钾钻井液，对管材的腐蚀速 图 1 钻进速度与钻井液性能指标的关系 3 度仅为 3.6 密尔/年（而相同钾离子浓度的氯化钾钻井液却达 13 密尔/年） 。 国外已应用甲酸盐体系成功地打成了多口大难度井，结果证明效果良好。 2. 本文的研究目的与意义 钻井是以打开油气层和最大限度保护油气层提高采收率为最终目的， 近年来 水平井、大位移井、小井眼井、连续软管钻进、多分支水平井及欠平衡井等多种 钻井技术的开发和应用为打开油气层提供了广泛的思路， 但能否达到勘探开发预 期的效果及良好的经济效益，关键在于钻井液能否具有保护油气层的优良性能。 且随着我国对环境立法的健全和油田市场的对外开放，对环境的要求日益严格， 这就要求目前的钻井液技术不仅在钻开和保护油气层方面有突出的性能， 而且能 满足对环境的保护。 基于以上原因，开展进行了甲酸盐无固相钻/完井液体系体系研究。甲酸盐 钻井完井液是适应钻井新技术的发展,于 20 世纪 80 年代末 90 年代初由 shell 公 司开发研制的一种新型钻井完井液体系。 甲酸盐钻井液和常规钻井液相比的显著 特点是不用膨润土配浆，这是甲酸盐钻井液能够实现强抑制性的理论基础，也是 优于常规水基钻井液的关键所在。从研究和试验结果看，甲酸盐无固相钻/完井 液体系体系达到了深井防塌钻井液的功能，实现了有效保护油气层的目的。解决 了其他无固相体系抗温差、对井壁稳定性要求高、密度受到限制或加重困难等难 题， 密度105 无毒 提粘剂 5.0 105 无毒 降失水剂 10.0 105 无毒 泥饼形成剂 10.0 105 无毒 辅助抑制剂 0.3 104 实际无毒 消泡剂 0.2 104 实际无毒 降粘剂 1 104 实际无毒 防渗漏剂 5 105 无毒 水基润滑剂 104 实际无毒 甲酸盐无固相钻/完井液体系 104 实际无毒 钻屑 104 实际无毒 3.9.2 生物可降解性分析 根据国家环保局水和废水监测分析方法 ，测定了甲酸盐无固相钻/完井液 体系的 bodr 和 codcr 值,并根据 bodr/codcr 比值，结合文献报道钻井液化学 剂可生物降解性的分级标准，分析表明：甲酸盐、提粘剂、降失水剂、泥饼形成 剂、辅助抑制剂、消泡剂、降粘剂、防渗漏剂、水基润滑剂及甲酸盐无固相钻/ 完井液体系均较易生物降解。具体数据见表 3-17。 表 3-17 甲酸盐无固相钻/完井液体系生物降解性 样品 bodr/codcr（%） 生物可降解性 甲酸盐 39.6 容易 提粘剂 36.2 容易 降失水剂 36.5 容易 泥饼形成剂 34.1 容易 30 续表 3-17 样品 bodr/codcr（%） 生物可降解性 辅助抑制剂 37.2 容易 消泡剂 32.6 容易 降粘剂 29.2 较易 防渗漏剂 26.5 较易 水基润滑剂 25.6 较易 甲酸盐无固相钻/完井液体系 26.8 较易 31 第四章 甲酸盐钻井液在欢 633 区块的应用 4.1 地层特征及层组划分 4.1.1 地层特征 欢 633 块钻井揭露的地层自下而上依次为： 新生界下第三系沙河街组三段、 二段、一段，东营组，上第三系馆陶组、明化镇组及第四系。其中沙河街组二段 为主要目的层段。 沙二段：主要为灰色粉砂岩、细砂岩、砂砾岩与深灰色泥岩呈不等厚互层， 厚度为 500m 左右。 4.1.2 层组划分 该块主要对比标志有顶部泥岩段、油组顶部泥岩段、油组顶部泥岩段， 块内对比标志清晰，分布稳定，分层可靠。根据沉积的旋回性、岩性、电性、含 油性特征， 把沙二段地层自上而下分为 3 个油层组， 16 个砂岩组， 32 个小层 （表 4-1） 。 表 4-1 欢 633 块层组划分结果表 区块 油层组 砂岩组 小层 油层组 砂岩组 小层 1 1，2 3 1，2 2 1，2 4 1，2 1 1，2 5 1，2 2 1，2 6 1，2 3 1，2 7 1，2 4 1，2 8 1，2 1 1，2 9 1，2 欢 633 2 1，2 10 1，2 总计 3 16 32 32 4.2 构造特征 该区三维地震满覆盖，资料品质较好，层位标定、时深转换和井斜校正精度 较高,构造落实程度较高。 区内主要发育近东西向和北东向两组断层， 位于该块北部的弧弯形态断层为 主干断层，控制基本构造格局和油气的分布，近东西向的断层与该断层呈斜列相 交，起到分割断块的作用（表 4-2） 。 表 4-2 欢 633 块断层要素表 断距 延伸 长度 断层 编号 断层名称 走向 倾向倾角 m km 通过井点 断层 性质 1 欢 129 西 ne nw 4050150 4.5 地震断层 正 2 欢 117 近 ew n 6050100 5.1 欢 100、117、 117-1 正 3 欢 101 近 ew s 5050100 6.6 地震断层 正 4 欢 100 北 近 ew s 6065.5s/ft 20.m 平面上油层大面积分布，在欢 633 井附近油层较厚，油层厚度大于 30m，而 在欢 633-20-30 井东部油层较薄，油层厚度一般小于 10m。s2油组油层分布范 围较大，构造高部位油层较厚，在构造低部位，油层厚度较薄，一般小于 5m， 在欢 633-26-38 井附近，油层最厚，为 24.8m。s2油组油层分布范围较小，仅 欢 633 井一口井发育，油层厚度 18.9m。s2油组油层也只在欢 633 井一口井发 育，油层厚度较薄，只有 9.6m。 纵向上油组油层最发育，ii 油组次之，i 油组最薄。欢 633 块油层分布主要 受构造控制，局部受岩性控制。该块油藏埋深 33903705m，单层厚度 25m， 最厚 10.8m。 s2油组油藏埋深 35703705m，油水界面为 3705m，为构造油 藏； s2油组油藏埋深 34903545m， 油水界面为 3545m， 为构造岩性油藏； s2 油组油藏埋深 33903460m，未见水层，为岩性油藏(表 4-4)。 表 4-4 欢 633 块油藏类型情况表 油水界面 m 区块 层位 油藏类型 油藏埋深 m 测井解释 二次解释 取值 s2 岩性 34203460 s2 构造岩性35153545 3545 3545 3545欢 633 s2 构造岩性35703705 3705 3705 3705 4.6 流体性质 4.6.1 地面原油性质 欢 633 块原油性质为稀油(表 4-5)。该块地面原油密度 0.84750.8518g/cm3， 35 平均 0.8490g/cm3， 原油粘度 4.845.84mpas， 平均 5.31mpas， 含腊 9.1811.50 ， 平均 10.23， 胶质沥青 12.0513.34， 平均 12.87， 凝固点平均为 23。 表 4-5 地面原油性质统计表 密度 粘度 凝固点 含蜡 胶质+沥青质 层位 g/cm3 mpa.s % % s2 0.849 5.31 23 10.23 12.87 4.6.2 天然气及地层水性质 欢 633 块天然气为溶解气(表 4-6)，天然气成分中甲烷 80.22%，溶解气相对 密度为 0.655。 表 4-6 天然气性质统计表 层位 相对密度 甲烷% 乙烷% 丙烷% 丁烷% 其它% s2 0.655 80.22 8.24 3.94 4.35 3.25 4.6.3 地层水性质 该区地层水为 nahco3型，地层水矿化度平均为 6200mg/l，氯根一般为 372.33649.38mg/l。 4.7 钻井液性能参数 钻井液的性能参数见表 4-7 表 4-7 欢 633-26-28井钻井液性能参数表 钻井液常规性能 层位 井段 钻井 液类 型 密度 g/cm3 漏斗 粘度s api 失水 ml 泥饼 mm ph值 含砂 量% hth p 失 水 ml 摩阻 系数 静切 力 pa s2 3420- 3460 甲酸 盐钻 井液 1.16- 1.20 50-705 1 8-100.4 15 0.15 1-2/ 3-6 s2 s2 3515- 3705 同上 1.10- 1.20 50-704 1 8-100.4 15 0.15 1-2/ 4-6 36 续表 4-7 钻井液流变性能 层位 井段 钻井液 塑性粘 度 mpas 动切力 pa n 值 k 值 mpasn 固相含 量% 总矿化度 mg/l s2 3420-3460 甲酸盐 钻井液 15-25 10-15 0.4- 0.65 0.20- 0.35 0.2 20000 s2 s2 3515- 3705 同上 15-25 10-15 0.45- 0.60 0.25- 0.40 0.2 20000 4.8 使用效果评价 欢 633 区块欢 633-26-28 井地质设计要求密度为 1.25g/cm3,失水不超过 5ml。 由于甲酸盐钻井液体系抑制能力强，实际施工中钻井液密度控制在 1.20g/cm3以 内，失水控制在 4ml 以下。 全井钻井液流变性合理，性能稳定，携屑效果好，井壁稳定，起下钻正常， 满足井下要求，各项指标达到设计要求，取得了较好的应用效果。中途测试表明 井眼规则，井径曲线近似直线。完井电测显示，井径扩大率小，井径规则。而临 井使用的聚合物钻井液密度在 1.35g/cm3以上才能保证钻井施工正常。 试油表明， 该井产量明显高于临井。 4.9 结论与认识 （1）甲酸盐无固相钻完井液在不加入任何加重剂的情况下密度达到要求,最 高可达 2.30 g/cm3,并可调节,避免或减轻了固相侵入引起的地层损害， 甲酸根离子 与地层流体接触时,不会产生有害沉淀,避免了二价阳离子沉淀，能有效预防和抑 制储集层水敏性损害，且甲酸根无毒，能完全满足环保的要求。 （2）通过对该甲酸盐钻完井液体系各项性能的评价可以看出：其抗温性能 及流变性能好，抗污染能力强，抑制性好，对钻具腐蚀小，而且成本上也完全可 以接受，该钻井液体系具有很大的发展潜力和推广应用价值 。 37 结 论 整篇论文到此已接近了尾声， 通过前面几章对甲酸盐钻完井液各方面的分析 讨论，我们可以得到以下结论： （1）甲酸盐钻井液体系具有很好的油气层保护、防塌和抑制作用，其机理 主要体现在三个方面：首先甲酸盐钻井液是一种无固相体系，对油气层没有固相 损害；其次在甲酸盐钻井液中浸泡过的岩屑表面的 电位很低，水化膜很薄，因 此岩屑不易水化分散；最后甲酸盐钻井液体系有利于泥岩膜效率的提高，从而促 进了井壁稳定。 （2）通过优选降失水剂 tj-1、油层保护剂 jyw-3 和增粘剂 txz-2，我们得 到了甲酸盐钻井液体系的最终配方水+80%甲酸钠+0.5%txz-2+3%jyw-3+3%tj-1。 （3）通过做各项实验，我们可以对甲酸盐钻井液体系的性能做出如下评价： 用甲酸盐加重钻井液时，会使钻井液的液相粘度略有升高，不会影响现场施工； 甲酸盐钻井液的抗温性能及流变性能很好，并且其抗污染能力很强，包括抗固相 污染能力、抗盐能力以及抗钙能力；甲酸盐抑制性能很好，能够稳定页岩，有效 防止页岩的水化膨胀；该体系对金属的腐蚀速度很低，对钻具的腐蚀很小，并且 它与储层岩石、地层水以及聚合物都有很好的配伍性，润滑性能很好，这为降低 钻具的摩阻扭矩提供了有力的保证；最后该体系没有生物毒性，易降解，完全能 满足对环保的要求。 （4）甲酸盐钻井液在欢 633 区块进行了应用，全井钻井液流变性合理，性 能稳定，携屑效果好，井壁稳定，起下钻正常，满足井下要求，各项指标达到设 计要求，取得了较好的应用效果。中途测试表明井眼规则，井径曲线近似直线。 完井电测显示，井径扩大率小，井径规则。因此该钻井液具有很大的发展潜力和 推广应用价值。 38 参考文献 1 杨贤友保护油气层钻井完井液现状与发展趋势j钻井液与完井液，2000， 17(1)：2530 2 崔迎春， 王贵和 钻井液技术发展趋势浅析j 钻井液与完井液， 2005,22(1)： 6062 3 鄢捷年钻井液工艺学m北京：石油工业出版社，2000：124169 4 徐同台，赵忠举21 世纪国外钻井液和完井液技术m第 1 版北京：石 油工业出版社，2004 年：79143 5 徐同台，等国外钻井液和完井液技术的新进展j钻井液与完井液， 2004,21(2)：l10 6 赵忠举，徐同台.国外钻井液新技术j.钻井液与完井液，2000,17(2):3236 7 张克勤，陈乐亮.钻井液m.石油工业出版社，1988：6586 8 黄汉仁，杨坤鹏，罗平亚，泥浆工艺原理m. 石油工业出版社.1981：79113 9 赵福麟 油田化学m 第 1 版 山东东营： 石油大学出版社， 2000 年： 2434 10 程军等. 莫深 1 井钻井液技术j钻井液与完井液2009, 02(13) ：2223 11 downs j d. formate brines : novel drilling and completion fluids for demanding environment s a . spe oilfield chem symp c . new orleans : shell research bv , 1993 :267 279. 12 downs j d , killie s , w hale g f , et al . development of environmentally benign formate based drilling and completion fluids a . 2nd spe et al health safety & environment in oil & gas produce intelligence conference p roc v1 c . j akarta indon : 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