钻井液技术现状与发展(耿晓光20080512).ppt

汇报人 耿晓光 钻探工程公司钻井工程技术研究院2008年5月 钻井液技术现状与发展 汇报内容 前言 国内外钻井液技术现状 2 大庆油田钻井液技术现状 3 大庆油田钻井液技术发展方向 4 1 前言 按照上级相关部门的要求和安排 今天将本人所收集到的国内外钻井液技术的发展以及大庆油田钻井液技术现状和发展趋势做以汇报 有不当之处 敬请各位领导 专家批评指正 国内外钻井液技术现状 作为钻井工程的 血液 钻井液在钻井施工过程中起着至关重要的作用 一直备受钻井科研工作者的关注 国内外各相关科研机构均投入了较大的精力来进行钻井液以及相关技术的研究 钻井液及其相关技术的研究都是为了满足安全 快速钻井的需求而开展的 研究主要包括钻井液流变性 井壁稳定 储层保护和环境保护等方面 国内外钻井液技术现状 新型钻井液技术保护油气层技术防漏堵漏技术井壁稳定技术钻井液的环境保护 新型钻井液 可循环微泡沫钻井液设计者钻井液 魔术 钻井液非渗透 低渗透 钻井液成膜钻井液硅基钻井液 新型钻井液 高性能水基钻井液 HPWBM 提高钻速钻井液甲基葡萄糖甙 MEG 钻井液抗高温钻井液防止重晶石沉降的INNOVERT钻井液体系使用超临界二氧化碳作为钻井液 可循环微泡沫钻井液 威德福公司研制出了可循环微泡钻井液 该钻井液克服了一次性泡沫不可循环利用的弊端 大大降低了成本 它是通过调节泡沫的pH值和使用一种特殊的消泡剂使泡沫消泡 形成基液 经过钻井泵之后再重新发泡 该钻井液在现场试验成功 该项技术研究成功 解决了一次性泡沫成本高 污染环境的问题 美国的Actisystems公司研制出了一种在近平衡钻井中使用的微泡钻井液 这种钻井液在不注入空气和天然气的情况下可产生均匀气泡 这种均匀气泡为非聚集 可再循环的微气泡 该微泡的结构和尺寸是稳定的 其直径为10 100 m 可循环微泡沫钻井液 研究表明 当压力上升时 微泡在剪切作用下破裂 从而导致微泡的减少 微泡的尺寸会随之减小 钻井液与产出原油是相容的 在低剪切速率下 微泡钻井液的粘度要比常规钻井液的粘度高 微泡钻井液对地层渗透率恢复值较高 在地层渗透率高达90mD的条件下 其渗透率恢复值可高达80 以上 可循环微泡沫钻井液 国内各油田针对低压储层的保护和井漏等问题 开展了泡沫钻井液的研究与应用 胜利油田也曾经研制了可循环泡沫钻井液 并在现场进行了推广应用 但该泡沫钻井液采用用表面活性剂处理过的膨润土配浆 充分搅拌后发泡 密度为0 74g cm3 但在一定压力条件下 其密度达到了1 0g cm3左右 可实现的密度不够低 现场应用解决了井漏和保护储层的问题 可循环微泡沫钻井液 随着气体钻井过程中地层出水问题的出现 泡沫钻井液也随着发展起来 泡沫钻井液分一次性泡沫和可循环泡沫 一次性泡沫成本较高 所以目前都在研究可循环泡沫 国外可循环泡沫主要是通过调节泡沫液的pH值来控制的 国内研究可循环泡沫钻井液主要是通过控制泡沫的半衰期来控制 大庆钻井研究院目前也正在开展可循环雾化 泡沫钻井液的研究 大庆钻井五公司在现场也应用了微泡钻井液 取得了较好的效果 设计者钻井液 BP勘探公司研制出一种多功能钻井液 designermud 使用这种钻井液钻进时 通过不断往钻井液中加入适量的颗粒材料 在井壁裂缝的开口处形成桥堵 堵塞裂缝 这种桥塞必须是低渗的 而且能提供压力封隔 井壁或井壁附近桥堵裂缝的作用可增加井壁周围的环形应力 产生应力屏蔽效应 在钻进时使钻井液连续产生这种作用 能有效地增加地层的抗压裂强度 使地层保持稳定 这种钻井液既可以用于页岩地层 也可以用于砂岩地层 设计者钻井液 产生径向裂缝所需的地层压力与裂缝尺寸与地层硬度呈函数关系 则可列出下式 P W E 8R 1 2 式中 P为裂缝内的过度压力 过度压力是指压力超过最低地应力的部分 W为裂缝宽度 R为裂缝半径 E为地层的杨氏模量 为地层的泊松比 设计者钻井液 利用上式进行了敏感性分析 观察到如下现象 当裂缝宽度小到1mm 而裂缝的半径范围为1m时 井壁强度可增加到约6 9MPa 短裂缝或短距离支撑的裂缝最好 如果支撑裂缝很长 裂缝很容易被再次打开 而且要达到同样高的井壁强度 裂缝需要拓宽一些 软岩石需要较大的裂缝宽度 上式对地层的泊松比不敏感 设计者钻井液 BP勘探公司在Arkoma盆地和北海进行了现场试验 结果表明 应力屏蔽效应在现场应用是成功的 使用多功能钻井液可以支撑和密封井壁上形成的短裂缝 现场和室内试验结果表明在低渗岩层中使用多功能钻井液也有显著的效果 设计者钻井液 设计者钻井液 多功能钻井液 designermud 的思路和国内的钻井过程中固壁技术思路基本是一致的 设计者钻井液所采用的方法是物理方法 国内目前开展研究的思路主要是以化学固壁为主 物理固壁为辅 不过 国内在这方面的研究进展也不大 魔术 钻井液 BP公司研制出一种线型烯烃钻井液并取得专利权 该钻井液是前期研究的合成基钻井液的发展 这种钻井液在环保 健康和安全方面取得很大进展 这种钻井液是一种清洁和无嗅的产品 其芳香烃的含量低于0 001 具有低毒和可在土壤中降解的特性 该钻井液在农田土壤中 28个月后的降解率为96 29个月后的降解率为99 魔术 钻井液 这种钻井液在陆上钻硬岩层和深井时具有较高的钻井效率 在同样情况下 机械钻速要比使用柴油基钻井液的机械钻速高50 然而 这种钻井液的价格较高 烯烃钻井液的价格约是柴油基钻井液的2倍 该钻井液由于成本高 在现场应用的很少 非渗透 低渗透 钻井液 近年来国外学者提出并开发出超低渗透钻井液体系 超低渗透钻井液主要工作原理为 利用特殊聚合物处理剂 在井壁岩石表面浓集形成胶束 依靠聚合物胶束或胶粒界面吸力及其可变形性 能封堵岩石表面较大范围的孔喉 在井壁岩石表面形成致密超低渗透封堵薄层 膜 有效封堵不同渗透性地层和微裂缝泥页岩地层 在井壁的外围形成保护层 钻井液及其滤液完全隔离 不会渗透到地层中 可以实现零滤失钻井 非渗透 低渗透 钻井液 通过研究和分析 认为非渗透钻井液的机理作用方式如下 1 理想充填 多点吸附 快速封堵粒度分析表明 聚合物胶束的粒径分布在1 1000 m范围之间 这些材料通过快速形成富含胶聚合物胶束的非渗透屏蔽层提供优良的滤失控制能力 从而很大程度的减少固相或流体的进一步侵入 能够起到快速封堵作用 非渗透 低渗透 钻井液 2 聚合物膜易于变形 多层封闭非渗透钻井液处理剂由植物衍生物形成的混合物 部分水溶和全水溶的合成有机聚合物等组成 当达到临界浓度时 聚合物在岩石表面发生缔合 形成疏水微区 形成空间网络结构 从而达到稳定 随着聚合物浓度的增加 聚合物由链内缔合发展到链间缔合 从而在岩石表面形成封闭膜 阻止了流体的侵入 3 纤维的封堵作用非渗透 低渗透 钻井液处理剂中含有植物纤维 该纤维在渗透性砂岩或裂缝形地层可以形成架桥和封堵作用 起到降低封堵层的渗透率的效果 非渗透 低渗透 钻井液 非渗透 低渗透 钻井液 非渗透钻井液目前还没有一种科学的评价方法 目前对非渗透处理剂的评价是采用砂床实验法 但这种方法有很大的局限性 国外该类处理剂和钻井液都称为 低渗透 而在国内则绝大多数都将其称为 非渗透 非渗透 是一种不科学的叫法 目前国内多个钻井液处理剂生产商都蜂拥而上生产该类产品 质量也是参差不齐 成膜钻井液 水基钻井液能够在井壁岩石上形成非理想半透膜已经为许多文献所阐明 半透膜的孔径在纳米级 是一种允许溶剂通过而选择性允许溶质分子通过的连续状物质 其选择性机理在于尺寸阻挡和电性阻挡作用 由此可以认为凡是能够使井壁岩石表面平均孔径处于纳米级 则相当于改造井壁多孔性岩石达西渗透特性成为达西 半透膜组合特性 半透膜的形成可以是人工的 如表面活性剂在相界面的定向排列 不溶性聚合物的压制 固体粒子在多孔介质内外的沉积封堵 也可以是物理化学反应和吸附形成的膜 根据这个原理国内外相继开展了成膜剂和成膜钻井液的研究 成膜钻井液 成膜钻井液 通过对页岩的研究发现泥页岩在与钻井液作用的情况下有 半透膜 的性质 存在一定的膜效率 它是一种非理想的半透膜 其效率不是100 可以加入特种处理剂来提高泥页岩的膜效率 利用 半透膜 的机理对现有的钻井液体系研究得出水基钻井液在一定条件下可达到近油基钻井液体系的性能 使用水基钻井液替代油基钻井液成为可能 水溶性聚合物 无机硅酸盐等都有形成半透膜的作用 成膜钻井液 国外正在研究一种在线成膜技术 在钻遇不稳定地层如 页岩 泥岩 粉砂岩和粘土岩时稳定井壁 其成膜的方法与传统的加入成膜剂或成膜材料不一样 而是将成膜单体在地面配浆时加入 在地下发生化学聚合成膜 成膜单体为水溶性物质 在高pH 10 12 条件下可溶于水 在地面的聚合可以忽略 在线成膜机理为 通过缩聚反应 缩合 解缩平衡 形成膜 在页岩地层水pH介于5 7时 当成膜单体进入页岩地层和地层水接触 钻井液的 值降低 成膜单体之间发生缩聚成膜 另外 沉淀和絮凝作用同时发生 使空隙空间被固体充填 进一步增强了膜效率 成膜钻井液 硅基钻井液 硅基钻井液是一种抑制性能优良 环境相容性好 成本较低的水基钻井液体系 特别是无机硅酸盐钻井液 国外在三十年代就开始研究 近年研究应用较多 通过抑制性实验 针入度实验及凝胶生成等实验研究 基本清楚了硅基钻井液稳定井壁的机理 硅基钻井液稳定井壁机理是 堵塞泥页岩孔隙和微裂缝 阻止滤液进入地层 抑制页岩中粘土矿物水化膨胀和分散 硅酸盐与地层粘土矿物发生化学反应生成利于井壁稳定的新矿物 配合使用的高浓度氯化钠或氯化钾的协同稳定作用 硅基钻井液 硅基钻井液 无机硅酸盐钻井液进入地层中的硅酸根遇到PH值小于9的地层水 立即变成凝胶封堵地层孔喉和裂缝 硅酸盐这种低膨胀率能加速硅酸盐与粘土的相互作用的全过程 从而有利于降低水化应力 凝胶对裂缝等地层的封堵作用为井壁稳定创造了条件 硅基钻井液 在温度低于80 时 稀硅酸盐钻井液稳定泥页岩的机理是以通过多个氢键 静电力和范德华力叠加 与泥页岩中的粘土矿物形成超分子化学力结合为主 缩和反应为辅 而当温度超过80 在105 以上更明显 时 硅酸盐的硅醇基与粘土矿物的铝醇基发生缩和反应 产生胶结性物质 把粘土等矿物颗粒结合成牢固的整体 封固井壁 硅基钻井液 近几年 国内外应用较好的有机硅钻井液也是硅基钻井液的一种 该钻井液具有较好的抑制性和抗温性能 无机硅酸盐钻井液中应用了无机盐 所以在缓蚀问题处理不好的情况下 会发生对钻具的腐蚀作用 硅基钻井液 硅酸盐钻井液配方 硅基钻井液 M I钻井液公司用硅基钻井液在现场应用取得良好的结果 在钻遇硬石膏和盐层时需要用苛性钠和硅酸钠对钻井液进行适当的处理 用苛性钠处理有助于减缓硅酸盐的聚合和降低钻井液的失水量 现场应用证明 钻进时要把钻井液的pH值控制在11 12 5 使用硅基钻井液时 固控设备对维持钻井液特性和降低钻井液成本起决定性作用 因此要选择处理量大的固控设备 高性能水基钻井液 HPWBM 在过去的十几年 已研制出数种水基钻井液 比较成功的包括 1 钾 部分水解聚丙烯酰胺钻井液 2 盐 乙二醇钻井液 3 硅酸盐钻井液 4 氯化钙 聚合物钻井液 5 阳离子钻井液 上述钻井液对抑制高水敏性页岩水化并不是完全成功的 而且还有各种其他限制条件 高性能水基钻井液 HPWBM 国外目前应用比较热门的一种新的水基钻井液体系 称为高性能水基泥浆 HPWBM 该体系的特点是加入了一种不水解 完全水溶 低毒并与其他常用水基添加剂配伍的胺基抑制剂 据称其抑制机理与聚醇类不同 它可使膨润土的层间距下降 并具有成膜作用 该体系仅由五种处理剂组成 即 水化抑制剂 防沉降剂 流变性控制剂和降滤失剂 高性能水基钻井液 HPWBM 水化抑制剂是一种多功能的胺分子复合物 具有水溶性而且对海洋生物的毒性低 与其他水基钻井液添加剂相比 这种化合物具有pH值缓冲剂的作用 而且不会发生水解 分散抑制剂是一种低分子量 水溶性共聚物 这种共聚物的分子量和电荷密度通过限制水穿透粘土颗粒而产生了包被作用 共聚物的分子量允许这种共聚物在不同密度和配方的钻井液中使用 电荷密度改善了聚合物与粘土间的键合能力 高性能水基钻井液 HPWBM 防沉降剂是一种可包被钻屑和金属表面的表面活性剂和润滑剂的复合物 它可减少钻屑在金属表面的粘结和水化钻屑的凝聚 流变性控制剂黄原胶降滤失剂低粘 改性的多醣聚合物 这种聚合物在低至高含盐量的情况下 甚至在钻屑含量很高的情况下都可保持稳定 高性能水基钻井液 HPWBM 高性能水基钻井液的抑制性非常好 该钻井液在受到膨润土污染后 粘度几乎不变 Fann氏粘度计3r min读数与膨润土加量之间的关系曲线近似一条水平的直线 南海麦克巴泥浆公司在冀东油田试验的无固相钻井液就是该钻井液体系 目前 国内各油田相继在研究与之相似的高性能无固相钻井液 主要用于水平井储层段 最大限度地保护储层 华北油田应用麦克巴钻井液公司研制的高性能无固相钻井液专打水平段 获得了较好的效果 大港等油田也开展了这方面的研究和应用工作 并取得了较大的进展 大庆钻井院也开展了这方面研究 高性能水基钻井液 HPWBM 提高钻速钻井液 提高钻井速度是钻井科研工作者一直研究的一个课题 以前大多是从优选钻井参数 优选钻头 改变钻井方式等方面来开展研究 近几年 国外从钻井液的角度开展了提高钻井速度的钻井液处理剂及钻井液研究 并取得了一定的效果 提高钻速钻井液 提高钻速钻井液处理剂是一种在钻井液中能够在粘土矿物 钻具 井壁上强烈吸附并改变其润湿性能 有效降低能其表面张力的化学处理剂 使钻屑 钻具及井壁表面的润湿性能从亲水向亲油方向转变 润湿性能转变可以减弱单个岩屑之间的相互吸附结合 限制带状物的尺寸 阻止裂缝的复原和带状物的附聚 提高钻速钻井液 该处理剂具有强渗透性 能够渗透到吸附在钻头上的泥团的表面改变表面吸附性 改变岩石及其孔隙内部的润湿性 微裂缝面相互间不再吸附 把已经吸附粘土的钻具表面润湿 降低表面对粘土颗粒吸附性 使粘土从钻头表面解吸 提高钻速钻井液 通过处理剂在岩石表面吸附及向岩石孔隙内部渗透 改变岩石表面及孔隙内部的润湿性 降低岩石的毛细管力 使钻井液更容易渗入钻头冲击井底岩层时所形成的微裂缝中 减小或消除压持效应 提高钻速 提高钻速钻井液 2006年 中石油北京钻井研究院开展了快速钻井液的研究 在室内合成出了钻井液快钻剂 在此基础上研制出了快速钻井液 2007年在塔里木油田的轮南635井和塔中723井进行了现场试验 试验结果表明 该钻井液提高钻速很明显 提高钻速钻井液 轮南地区几口井二开井段机械钻速对比情况 提高钻速钻井液 塔中地区几口井机械钻速对比 甲基葡萄糖甙 MEG 钻井液 国内外相关研究表明 MEG钻井液具有良好的抑制性和油气层保护特性 主要原因是MEG独特的分子结构及由此产生的半透膜效应 MEG分子结构上有4个亲水的羟基 它可以吸附在井壁岩石和钻屑上 如果钻井液中MEG加量较大 则在井壁岩石和钻屑上形成一层吸附膜 可将岩石和水隔开 甲基葡萄糖甙 MEG 钻井液 这一层吸附膜称作半渗透膜 可通过调节活度实现活度平衡钻井 控制钻井液与地层内水的运移 有效阻止泥页岩水化膨胀 以保持井壁稳定 另外MEG环状分子上含有4个氢氧根 可与水分子形成牢固的氢键结合 因此 MEG钻井完井液的滤液进人地层后有脱水作用 可防止泥页岩水化分散及微粒的产生 因而可以大大减少对油气层的损害 甲基葡萄糖甙钻井液由于甲基葡萄糖甙的加量较大 所以其成本较高 在国外一般在特殊工艺井使用 国内许多油田也开展了甲基葡萄糖甙钻井液的研究与试验 多数都是用在水平井上 取得了较好的效果 但成本也较高 同时 甲基葡萄糖甙钻井液在应用过程中易产生发酵问题 甲基葡萄糖甙 MEG 钻井液 抗高温钻井液 随着油气勘探区域的不断扩展和勘探程度的加大 油气钻井的深度越来越深 随着井深的增加 井底温度越来越高 对钻井液的抗温要求也越来越高 要求钻井液在高温条件下要具有良好的流变性能 以满足安全钻井的需求 近几年 国内外的研究机构都致力于抗高温钻井液处理剂和抗高温钻井液体系研究 并取得了较大进展 抗高温钻井液 国外抗高温钻井液研究的情况是 麦克巴钻井液公司使用油基钻井液在得克萨斯州南部成功地钻成了Benevides井 7266m 实际井底温度265 钻井液流变性能稳定 贝壳休斯使用油基钻井液在北海施工现场井底温度达到260 钻井液流变性能稳定 白劳德使用油基钻井液在国外实现了井底温度260 钻井液流变性能稳定 抗高温钻井液 国内石油大学 北京 与中海石油南海西部公司合作进行国家863计划研究高温高压油基钻井液研究 室内实验钻井液抗温能力达到230 时高温稳定性和流变性均能满足钻井要求 成果通过国家验收 没有进行现场应用 现场使用最高纪录是大庆油田 与石油大学 北京 合作使用抗220 高温油基钻井液成功地完成了葡深1井 设计5410m 完钻5500m 实际井底温度220 钻井液性能较为稳定 施工顺利 井下安全 今年刚刚完成的莺深2井 完钻井深5520m 使用的是钻井院研制的水包油钻井液 这是目前大庆最深的一口井 抗高温钻井液 石油大学 华东 邱正松教授开展了抗高温水及钻井液处理剂及钻井液体系研究研制的抗高温处理剂在胜科1井 235 7026米 和泌深1井 245 6000米 两口深井上应用 取得了较好的效果 这是水基钻井液应用温度最高的两口井 抗高温钻井液 从国内外抗高温钻井液现场应用的情况来看 抗高温钻井液体系主要是油基钻井液和油包水钻井液 因为油基钻井液具有抗温高 抑制性好 润滑性好等优点 能够很好地满足高温钻井的要求 同时 油基钻井液也存在着其固有的缺点 如成本高 污染环境 影响电法测井等 所以 近几年国内外开展了抗高温水基钻井液的研究 而且取得了较大的进展 抗高温钻井液 MI钻井液公司研制成一种新型耐高温水基钻井液 据介绍 该钻井液抗温可达到250 260 C 该钻井液使用的是一种新型抗高温交联聚合物 该聚合物是用丙烯酰胺单体和磺化单体和交联单体制备而成 它对电解质具有很高的容限而且能提高钻井液的流变性 该聚合物是一种分子量为50万 100万道尔顿的共聚物 抗高温钻井液 在该聚合物结构中大量的交联物对其溶解度起着重要作用 同时与钻井液的滤失特性有很大的关系 太多的交联物将导致聚合物的物理结构有较高的刚性 且在水中难以溶解和水化 而交联太少的聚合物其特性与普通聚合物的物理性能相差不大 限制了其剪切容限 控制合适的磺化度也是制备该聚合物的关键 抗高温钻井液 国内近几年也开展了抗高温水及钻井液的研究 中石油钻井院开展了抗240 水基钻井液的研究 在吉林油田长深5井 5321m 进行了现场应用 现场钻井液流变性能稳定 满足了钻井施工的要求 中石化完成的亚洲第一深井 塔深1井 完钻井深8408m 应用了抗温220 的钻井液 莫深1井 完钻井深7500m 应用了高温高密度钻井液取得成功 大庆钻井一公司同大庆石油学院合作 共同开展了抗高温有机硅钻井液体系研究 研制出了抗220 高温有机硅钻井液在井深5320米徐深22井应用 大庆钻井院也开展了抗220 高温水基钻井液研究 并在古深1井进行了现场试验 这两套体系研制成功 形成了大庆深井抗高温水基钻井液应用技术 使大庆深井水基钻井液在抗高温方面的研究取得了重大突破 抗高温钻井液 防止重晶石沉降的INNOVERT钻井液体系 白劳德钻井液公司应用烷烃 矿物油为基油配制出一种新型INNOVERT钻井液体系 INNOVERT钻井液体系通过其他方法解决了重晶石沉降问题 INNOVERT终止了对细颗粒的依赖 为钻井提供了一种低固相 无地层损害的钻井液 胶体结构的INNOVERT钻井液体系克服了对钻井液稠度的过分要求 而包括添加增稠剂在内其方法会导致诸如当量循环密度上升等新问题 这种钻井液还可以降低因漏失而造成的成本上升 使用超临界二氧化碳作为钻井液 为了使枯竭气田重新投产 国外许多油田在现有的老井中侧钻多分支井 在钻井过程中过平衡压力易造成漏失和压差卡钻 为了克服这些问题 把套管下到目的层上方 用氮作为钻井液钻枯竭层 选择连续管钻井方法以便在钻进和起下钻时维持欠平衡 但是因纯氮的密度低而不能产生足够的扭矩去驱动井下马达和钻头 为了克服这一问题决定用氮和水形成的泡沫来解决扭矩问题 虽然泡沫解决了扭矩问题 但是不能维持理想的欠平衡条件 使用超临界二氧化碳作为钻井液 超临界流体 当温度超过物质本身的临界温度和临界压力时 就认为这种物质就是超临界流体 临界点代表了物质的气相和液相在共存平衡状态时的最高温度和压力 二氧化碳在温度高于88oF 31 1 和压力高于1074psi 7 38 pa 的情况下为超临界流体 二氧化碳在井下压力和温度下处于超临界状态 其密度小于水而粘度与天然气类似 钻井使用了连续管和CO2 通过连续管以高压方式注CO2 注入压力达1074psi 高于CO2的临界压力 当CO2进入连续管后压力继续上升达到了超临界压力 CO2仍然可以驱动马达和钻头 使用超临界二氧化碳作为钻井液 根据模拟研究的结果 使用CO2作为钻井液具有下列优点 1 液态超临界CO2在连续管中的高密度可以产生驱动钻井液马达的扭矩 2 环空中的CO2气相使环空中的压力较低 另外 气体喷射作用也提高了钻速和井眼清洁效率 使用超临界二氧化碳作为钻井液 但是使用CO2作为钻井液也可能诱发下列问题 1 CO2溶解在水中具有严重的腐蚀性 如果地层水与CO2在环空中混合 可以导致腐蚀速率大幅度上升 2 由于CO2的粘度低 携屑能力可能成为问题 需要使用CO2增粘剂和增稠剂来增加CO2的粘度 3 需要特制的钻井液马达和密封件 利用CO2作为钻井液是解决枯竭层钻井的一种方法 钻井成本的降低和产出的天然气可以补偿购置设备和购买CO2的费用 超临界二氧化碳钻井液循环模拟实验装置石油大学 华东 使用超临界二氧化碳作为钻井液 使用超临界二氧化碳作为钻井液 直井携岩最容易36 井斜携岩开始变得困难72 井斜携岩最困难水平井携岩不是最困难的井斜较小时实验值比理论值偏小 井斜较大时实验值比理论值偏大 40 C 8 5MPa条件下 不同井斜时超临界二氧化碳钻井液携岩最低返速 全油钻井液 当遇到页岩稳定 润滑等问题时使用逆乳化钻井液 该钻井液具有稳定井壁能力强 润滑性好等优点 在现场应用会取得令人满意的效果 但逆乳化钻井液中含有大量的表面活性剂 若该表面活性剂侵入地层 会把水润湿的储层岩石转变成油润湿 而是储层对油的渗透率大幅度下降 使用全油钻井液可以避免润湿型转化问题 因为全油钻井液无水相 因此 不需要加入油润湿表面活性剂 为了应付水进入钻井液 可使用惰性乳化体系 在有水的情况下 乳化剂可自动活跃 但只能乳化侵入的水 这些表面活性剂属弱表面活性剂 在水润湿条件下 活性剂不会与岩石发生作用 全油钻井液 全油钻井液其他优点 1 在页岩地层中应用 不存在水基钻井液所存在的风险 2 由于油相所固有的润滑性能 可把摩擦降到最低 3 全油体系可以实现低密度 最低密度取决于基础油的密度 4 全油钻井液抗温能力强 可抗温250 以上 5 全油钻井液基本不含水 所以 不怕水泥污染 全油钻井液 保护油气层技术 保护油气层历来是钻井液研究的一项重要研究内容 国内外的研究机构 先后对各种类型的油气藏的损害机理开展了研究 对各种钻井液体系保护油气层的效果也进行了研究和评价 但近些年该项研究在新理论和新方法上发展不大 主要侧重于保护储层应用技术的研究 地层损害存在于许多油井生产的始终 微粒运移 粘土矿物水化 膨胀分散 无机垢 沥青质和其它有机沉淀物等都对地层产生损害 为了消除各种作业过程中对油气层的损害 采用化学解堵 如吸附型垢的挤压处理 用磷酸类的除垢剂 在致密的碳酸盐地层用互溶剂处理水锁 在砂岩地层用土酸清除滤饼等 这些处理原本是用来解除地层损害的 但若在解堵过程中实施措施不当 又会对地层造成新的损害 导致许多井在生产中产量下降 保护油气层技术 地层损害的新机理 除垢时造成 砂岩地层中用土酸处理滤饼造成 清除水锁时产生 地层伤害 储层敏感性快速评价方法研究 针对原来所建立的用岩心进行储层敏感性评价 要花费很长时间 而且对新的探区不能及时采取有针对性的措施的弊端 石油勘探开发研究院 石油大学等先后开发出快速预测储层敏感性的软件 利用测井资料和常规油气层所进行的岩心分析结果可快速预测油气层的敏感性 该方法在现场已应用 评价钻井液造成地层损害的新方法 在评价钻井液造成地层损害的新方法方面 认为滤饼的稳定性和滤饼对冲蚀的敏感性对确定滤饼如何与钻井液液流作用是十分有用的 钻井液体系中所用的添加剂对滤饼的抗冲蚀特性有影响 试验得出下列结论 1 由于钻井液在造壁前连续失水而且滤失量很高 所以钻井液水动力作用造成的滤饼冲蚀能对地层造成损害 2 钻井液体系中存在重晶石和盐类时会降低膨润土滤饼的抗冲蚀能力 3 滤饼的性能 其物理性质及其对地层的潜在损害程度取决于钻井液添加剂的物理 化学和电学性质 活化滤饼技术 为了降低地层损害和减少完井后的滤饼清除作业 M I钻井液公司开发了新一代打开油层钻井液 这种打开油层钻井液体系是为了使用砾石充填完井或膨胀防砂网完井而开发的 新型打开油层钻井液能产生一种对水基钻井液无渗透性活化滤饼 从而减低了钻井液滤失到产层的可能性 活化滤饼技术 这种滤饼对储层中的烃类具有渗透性 这种打开油层钻井液体系的配方中使用了亲有机物质的组份 这种组份能使残余滤饼产生原油通道 而不需要使用化学破饼剂 与常规打开油层钻井液体系相比 新型打开油层钻井液体系具有以下特点 岩心渗透率恢复值高 初始流动压力低 活化滤饼技术 活化滤饼打开油层钻井液配方 打开油层钻井液体系的性能 油基钻井液滤液对气井的损害 为了确定油基钻井液滤液对气层的影响 国外研究机构进行了实验 得出以下认识 钻井液滤液侵入地层的深度超过了射孔深度 在枯竭储层 首先用油基钻井液钻井 而后用盐水完井 钻井液滤液与地层盐水接触 形成了高粘度的乳化物 对地层造成严重的损害 通过调整完井盐水的配方 使用是憎水 亲水亲脂平衡指数可以更合适的乳化剂 可以防止油基钻井液组成的地层损害 油基钻井液滤液对气井的损害 当油基钻井液滤液为低憎水 亲水亲脂平衡指数时 应在低剪切速率下配制完井盐水 在水油比为25 75 50 50和75 25的情况下 配制钻井液的乳化剂是稳定的 为了避免形成油包水乳化 要添加高憎水 亲水亲脂平衡指数的添加剂 油基钻井液滤液对气井的损害 大庆钻井院开展的油包水钻井液对于砾岩储气层岩心的模拟损害和综合损害表明 油包水钻井液对于砾岩储气层的主要损害方式为油侵和乳化损害 对渗透性损害较为严重 研究认为 采用油包水钻井液打开砾岩储气层 虽然有利于钻井安全和井眼稳定 但不利于保护储气层 生物酶解堵技术 生物酶作为破胶剂 其解堵作用具有诸多优点 1 与酸化和氧化过程不同 生物酶清除滤饼对除目标聚合物外的其它物质不起活化作用 2 中性条件下 管柱腐蚀及金属碎屑污染得以避免 3 生物酶对环境不造成污染 环保友好 对人体无不良影响 4 解堵过程是生化催化反应 使用过程中不损耗 生物酶解堵技术 5 生物酶能将原油从砂粒上快速剥离 使油砂完全分开流动 防止沉积物形成 增强地层原油流动 6 生物酶溶于水不溶于油 分离出的原油浮在生物酶溶液上面 基本不含水 7 酶分子附着在岩石表面 可改变岩石润湿性 减小油流阻力 增大水流阻力 使产出液含水降低 生物酶解堵技术 图5 11 泥饼 图5 21 泥饼清除后 图5 32 泥饼 图5 42 泥饼清除后 图5 53 b泥饼90 清水浸泡5h后 生物酶解堵效果 防漏堵漏技术 防漏堵漏技术是钻井液保证安全快速钻井的一项重要研究内容 近些年国内外在传统的桥塞堵漏的基础上进一步发展了复合堵漏等技术 微复合堵漏技术对堵漏剂的要求 1 形成高强度桥塞 2 对钻井液的性能影响不大 3 产层能恢复渗透能力 堵漏材料可以形成两种类型的桥塞 在井壁形成密封或在裂缝内形成密封 防漏堵漏技术 胶联聚合物浆通常是在聚合物中添加多价离子形成 胶联原理使之形成一种软的 可变形的胶体固相 最近研制出了一种新的桥堵产品 它的胶联反应在井下剪切时产生的 这种胶联聚合物的缺点是在高压差下可能进入裂缝 为了克服这一问题 法国石油研究院研究出一种新方法 使用含有膨胀聚合物颗粒和胶体颗粒的堵漏剂 并把这种材料命名为微复合有机 无机胶 防漏堵漏技术 微复合有机 无机胶造成地层损害的评价 为了了解微复合有机 无机胶造成地层损害 用高渗透率的岩心进行了试验 试验前岩心的渗透率为555mD 而试验后的岩心渗透率为1mD 说明这种桥堵剂具有良好的密封性 经常规的酸化处理或过氧化氢处理之后 微复合有机 无机凝胶可被清除 防漏堵漏技术 贝克休斯钻井液公司研究出一种可变形的密封剂 MAX SHIELDTM 在地层破裂前可增加地层的抗压能力 现场试验指出 在严重枯竭地层使用这种密封剂可以减少地层漏失 MAX SHIELD是一种改性的水溶性聚合物 这种聚合物在淡水和饱和盐水钻井液中可以高度分散 通过桥堵低渗砂岩地层的孔隙喉道和页岩的微裂缝来降低地层孔隙压力的传递 防漏堵漏技术 漏失的新机理 井下压力分析证明 地层冷却后可把地层的破裂压力从0 77g cm3降低到0 33g cm3 据估计地层应力至少下降了28 77Bar 据计算 地层因冷却而发生的最大应力变化为85 163Bar 比预测的应力变化小57 99Bar 井壁稳定技术 井壁失稳是钻井中重大工程技术难题 井壁稳定是实现安全 快速 优质钻井的前提 是控制钻井成本影响钻井综合效益的关键性因素之一 保持井壁稳定是钻井液设计的首要因素 钻井液的防塌和抑制能力的高低 是钻井液优劣的重要标志之一 是国内外钻井液研究者观注的热点 钻井液处理剂的开发 钻井液体系的研究大多是针对井壁稳定而开展的 井壁稳定技术 井壁稳定的问题实质是力学问题 近年来 国内外一些研究机构在这方面作了大量的研究工作 从单纯的力学稳定和化学稳定到力学与化学耦合的研究方面取得了较大的进展 我国的石油大学和西南石油学院在这方面研究比较深入 分别进行了井壁的力学稳定和化学稳定的研究 井壁稳定技术 力学稳定是从确定地应力 岩石强度 地层孔隙压力和利用测井资料求出三条压力梯度曲线 破裂压力 孔隙压力和坍塌压力 从而确定出合理的钻井液密度 化学稳定是从泥浆化学入手 主要途径是抑制页岩水化 通过研制各种防塌剂研究出抑制性钻井液配方 降低钻井液的失水 形成坚韧的泥饼 从而抑制页岩的水化膨胀与分散 井壁稳定技术 仅考虑钻开井眼以前的力学参数 求出的坍塌压力曲线 不能很好地符合实际情况 必须把钻井液中水侵入页岩后的情况考虑进去 来修正原来的模型 这就是井壁稳定性的化学 力学耦合研究 纯力学的软件在现场进行了应用 对确定合理的钻井液密度起到了一定的作用 但这些软件没能将化学问题考虑进去 所以所计算出的坍塌压力还具有一定的局限性 井壁稳定技术 近两年壳牌公司的Mody和Hale研究出一种新的井壁稳定模式 其特点是把页岩中水的化学势和钻井液中水的化学势之间的差作为水进 出页岩的一种基本驱动力 而水的运动以及溶液进出页岩的运动 影响了地层的孔隙压力 借以影响了井眼周围地层的应力状态 该模式包括了钻井液 页岩间相互作用的机械和化学原理 井壁稳定技术 经过多年的研究 钻井液与泥页岩之间相互作用的微观机理研究也不断深入 近几年 国内外专家先后采用不同的方法和仪器对钻井液进入地层的驱动力 压力传递 水 化对地层应力 应变的影响 泥页岩含水量对力学性能的影响等方面的研究 得出了以下结论 井壁稳定技术 钻井液液相进入地层 引起地层孔隙压力增高 膨胀压力增高 降低岩石强度 改变其力学性能是造成井壁不稳定的主要原因之一 泥页岩中压力传递比溶质和离子扩散快1 2个数量级 而溶质和离子的扩散又比钻井液滤液的达西流快1 2个数量级 因而稳定井壁必须采用抑制剂与控制压力渗透同步进行才有效 井壁稳定技术 最好的抑制剂也不能将泥页岩的膨胀压降为零 国内外学者通过实验证实了使用水基钻井液时 低渗透泥页岩表面的确存在非理想的半透膜 但其膜效率低于1 其值高低取决于钻井液的组成与地层的渗透率和孔喉直径 室内试验也证实 采用封堵和化学固壁 可以有效地控制钻井液与地层之间的压力传递 井壁稳定技术 二十世纪末为了研究和解决地层稳定问题 开发出了力学与化学耦合模式来模拟 这在当时是一巨大的进步 因为它部分地解决了定量描述地层失稳原因 为了进一步加强描述精度和更接近实际情况 澳大利亚的CSIRO石油公司近两年开发出了力学 热学 化学耦合的井眼稳定性模式 研制出了相应的软件 井壁稳定技术 澳大利亚的CSIRO石油公司进行了多次模拟研究 研究的结果如下 当地层的膨胀量高达井眼半径的5 时可能发生井眼失稳 当钻井液的含盐量比地层流体的含盐量低15 时地层很快失稳 而当钻井液中的含盐量比地层流体的含盐量高15 时 地层的孔隙压力下降 而安全系数在0 1hr内从0 76变化到1 2 虽然地层流体流入井眼提高了地层的稳定性 但是地层过度脱水会使地层产生微裂缝从而降低地层的强度 井壁稳定技术 选择滤液粘度小和表面张力低的钻井液 可以使孔隙压力缓慢下降 而安全系数在0 1hr内从1 07上升到1 19 钻井液本身的温度过高会使地层的孔隙压力升高 加快地层失稳的速度 使地层在0 1hr后发生坍塌 使用低温钻井液能提高地层的稳定性 但是地层温度过低会导致地层应力大幅度下降 从而增加产生张力裂缝的趋势 井壁稳定技术 硅酸盐钻井液稳定井壁机理 硅酸盐进入地层孔隙形成三维凝胶结构和不溶沉淀物 快速在井壁处堵塞泥页岩孔隙和微裂缝 阻止滤液进入地层 同时减少了压力穿透作用 2 硅酸盐抑制泥页岩中粘土矿物的水化膨胀和分散 KC1聚合物硅酸盐体系各处理剂间的协同作用 使粘土产生脱水而收缩 使泥页岩的结构强度提高 井壁稳定技术 硅酸盐可能与泥页岩中的粘土矿物发生反应 生成类似氟石的非晶质的联结非常致密的新矿物 增强井壁的稳定性 氯化钠或氯化钾的协同增效作用 可溶性硅酸盐溶液还具有抗腐蚀性能 能有效地抑制非膨胀粘土矿物悬浮液pH值升高时界面上硅石的溶解 保持聚结晶体里的晶间凝结力 井壁稳定技术 近几年 在井壁稳定方面还从以下几个方面开展了研究 钻前井壁稳定预测方法的研究岩石损伤力学研究在井壁稳定中的应用微裂缝的模拟及其封堵模型红外光谱法对粘土表面结合水界限定性确定 钻井液的环境保护 随着世界石油工业的迅速发展 钻井技术对钻井液提出了更高 更新的要求 特别是在钻井液技术发展受到环保政策及法律 法规限制的情况下 研究满足钻井工程技术和环境保护需要的新型钻井液体系更显得非常必要 为了满足环境保护的需要 同时又不失去钻井液所必需的性能 国内外钻井工作者均在竞相研究开发新的环保型钻井液体系 钻井液的环境保护 合成基钻井液体系合成基钻井液体系是以人工合成化学品 如酯类 醚类 合成烃类 为基液取代柴油和矿物油作为连续相 盐水为分散相 加入乳化剂 降滤失剂和增黏剂等组成的一类油包水逆乳化钻井完井液体系 钻井液的环境保护 合成基体系的优点是 合成基液易于生物降解 对环境无污染 钻井污水 钻屑和废弃钻井液均可向海洋排放 有较强的抑制性 井眼稳定性以及较好的润滑性 特别适用于水平井 大位移井和多底井的钻进 滤液是基液而不是水 保护油气层 液相黏度高 利于携带钻屑 且热稳定性高 抗温可达200 以上 其缺点是成本较高 钻井液的环境保护 MI钻井液公司研制出一种肥田逆乳化钻井液 该钻井液不但具有普通逆乳化钻井液的性能 而且可以排放到田野里作为土壤的增肥剂 用该钻井液打井所产生的岩屑无须处理可直接撒到田地里 钻井液的环境保护 分别用100 土壤 土壤钻屑比为95 5 土壤钻屑比为75 25和土壤钻屑比为50 50的土壤和钻屑的混合物进行了3次为期6d的播种试验 结果表明 在100 土壤中种子的发芽和成活率分别为98 94 和86 而在3种不同土壤钻屑比的混合物中种子的发芽和成活率分别为94 100 和88 说明沾有肥田逆乳化钻井液的钻屑对植物 庄稼的成活和生长基本没有影响 钻井液的环境保护 2000年3月颁布的OSPAR 北大西洋和东大西洋海洋环境保护委员会 标准取代了原来的PARCOM标准 它规定向海洋排放钻屑中的残留矿物油的含量要低于1 埃克森美孚石油公司在北海所钻的4口井上使用了单转子连续混炼机来处理钻屑 挪威StatoilASA公司开发出一种再利用水基钻井液的新方法 钻井液的再利用为钻井液供应商和油公司提供了一种高效益的方法 MI钻井液公司研制出一种肥田逆乳化钻井液 该钻井液不但具有普通逆乳化钻井液的性能 而且可以排放到田野里作为土壤的增肥剂 钻井液的环境保护 国内目前对于含油钻井液的排放要求也越来越严格 对水基钻井液的排放和固化也出台了相应的标准 大庆供水公司承担了集团公司 石油天然气开采业废弃钻井液毒性监测及评价方法研究 项目 研究出了采用细菌发光法检测钻井液毒性 目前正在制定钻井液毒性监测标准 根据该方法检测 目前大庆油田所使用的水基钻井液基本达到了低毒和基本无毒的范围 随着环保意识的加强和环保法规的日趋严格 钻井完井液环保技术研究将越来越被重视 环保钻井液技术包括环保钻井液和钻井液无害化处理技术将会得到较快发展 大庆油田钻井液技术现状 十五 期间 结合大庆地质特点和钻井工艺技术 开展了抗高温油包水钻井液 甲酸盐钻井液 抗高温水包油钻井液以及裂缝性储层损害机理及评价技术等十五项攻关研究 基本上解决了深井钻井 欠平衡钻井以及钻井过程中储层保护等相关问题 在技术上满足了钻井工程的需要 也满足了勘探开发的要求 大庆油田地质特点及钻井液技术 十一五 其间 针对高温深井 水平井钻井 气体钻井以及储层保护等方面 又开展了抗高温水基钻井液 水平井水基钻井液 雾化 泡沫钻井液 无固相钻井液以及砂砾岩储层保护等科研攻关 这些项目的研究与应用 基本满足了勘探开发钻井的需求 大庆油田地质特点及钻井液技术 在调整井钻井方面 存在着多压力层系的矛盾随着对薄差油层的开发 受砂体非均质性的影响 一是在局部区域存在注采不平衡 形成异常高压 最高压力系数在1 95以上 而对于一些高渗层 压力较低 压力系数在0 8以下 平均层间压差在6MPa以上 在钻井施工过程中 不利于油气层保护 二是地层破裂压力差异较大 受构造影响 在不同区域 不同油层组 裂缝发育情况不同 大庆油田地质特点及钻井液技术 现有资料表明 最低破裂压力系数在1 6左右 而最高破裂压系数在2 5以上 导致在一些区域钻井过程中易发生井漏 三是非注采层位存在异常高压 嫩二段是以大段泥岩为主 底部发育油页岩 在该层位发现大量套损井 泥岩进水 存在高压 最高压力系数在2 0以上 预测难度较大 大庆油田地质特点及钻井液技术 调整井钻井液大庆油田调整井井深一般在1250m左右 钻井液体系近几年主要经历了从甲基硅 钾铵 乳液高分子这几个阶段的转变 甲基硅钻井液体系存在悬浮性比较差 声变遇阻问题比较突出 电阻率低 影响完井电测等缺点 钾铵钻井液抑制性不强 钻井液排放多 对环境有影响 大庆油田地质特点及钻井液技术 针对这些问题研制了乳液高分子聚合物钻井液体系 该钻井液具有很强的抑制性 较强的悬砂 携屑能力 而且维护处理简单 由于乳液高分子聚合物钻井液体系具有很强的抑制性 在环保方面 其钻井液排放量大大减少 甚至达到零排放 有利于 施工环境优良 的要求 大庆油田地质特点及钻井液技术 在开发井钻井方面 面临着低压低渗透油层保护的难点大庆外围的开发井开发的是葡萄花油层和扶杨油层 井深在1500m 2200m 葡萄花油层属于岩屑质长石粉砂岩 平均空气渗透率为75 15 567 2 10 3 m2 198 14 10 3 m2 孔隙度22 01 该区地层压力13 57MPa左右 饱和压力5 20MPa 属中孔中渗低压储层 大庆油田地质特点及钻井液技术 扶余油层以细粒岩屑质混合砂岩为主 平均空气渗透率为0 16 1 8 10 3 m2 平均为0 76 10 3 m2 孔隙度12 1 地层压力22 92MPa左右 饱和压力5 18MPa 属低孔特低渗透储层 而且储层中敏感性矿物含量较高 大庆油田地质特点及钻井液技术 外围开发井钻井液外围开发井目前应用的钻井液为两性离子聚合物钻井液 该钻井液基本能够满足开发井钻井的需要 但在保护储层方面还不尽理想 2003年 2006年 在外围油田部分区块应用了油溶性暂堵剂 经采油厂测试结果较好 但该暂堵剂对钻井液性能影响较大 该钻井液的维护造成了一定的麻烦 大庆油田地质特点及钻井液技术 针对外围开发井低压低渗透储层的特点 开展了甲酸盐钻井液体系研究 并在现场应用 采用甲酸盐钻井液井的表皮系数平均为0 10 单井平均日产原油6 44t 平均采油强度2 32t d m 而采用普通水基钻井液井的表皮系数平均为0 39 单井平均日产原油5 43t 平均采油强度1 87t d m 甲酸盐钻井液保护储层的效果好于普通水基钻井液 自2001年推广应用甲酸盐钻井液以来 在宋芳屯等油田推广应用了600多口井 在保护储层方面取得了较好的效果 大庆油田地质特点及钻井液技术 大庆油田地质特点及钻井液技术 甲酸盐钻井液保护储层效果 大庆油田地质特点及钻井液技术 深层天然气井钻井液针对长垣东西部深井以及特殊工艺井相继开展了抗高温油包水钻井液体系研究 抗高温水包油钻井液体系研究与应用和有机硅钻井液体系研究等科研攻关 抗高温油包水钻井液体系研究抗高温油包水钻井液是针对葡深1井四开高温井段而开展研究的 葡深1井是大庆油田与美国埃克森石油公司合作的一口重要探井 也是松辽盆地最深的1口井 设计井深5410m 实际完钻井深5500m 研制出了抗高温油包水钻井液体系 在葡深1井4590 5500m井段进行了应用 并取得了较好的效果 该钻井液性能优良 稳定 可以抗温220 大庆油田地质特点及钻井液技术 抗高温水包油钻井液体系研究与应用抗高温水包油钻井液是针对大庆油田实施欠平衡钻井而研究的抗温190 的钻井液体系 自2000年以来 水包油钻井液在大庆油田宋深101井等15口欠平衡井和四口近平衡井上进行了应用 同时在吉林油田长深1井 长深2井等多口井也成功应用 应用最深的井 长深17井完钻井深5630m 井底温度达到了220 大庆油田地质特点及钻井液技术 从水包油钻井液在欠平衡井的现场应用来看 水包油钻井液性能稳定 流变性合理 携屑能力强 抑制性好 能够满足大庆长垣东部深层勘探钻井