钻井液文献综述-

1、甲酸盐钻井液和完井液体系研究进展张新明(2002100060工程技术学院2010级研究生1班摘要:回顾了用甲酸盐体系进行油气田钻井和完井开发的历史,综述了甲酸盐水的理化性能,重点介绍了甲酸盐液钻井完井液优异特性的研究进展和趋势。关键词:钻井液;甲酸盐;储层损害;测井1 动机与意义随着钻井新技术的发展,大斜度井、水平井、多支测钻井尤其是小眼井深井的钻井需求越来越高。在降低小眼井深井和裸眼完井中的摩阻、保护油气层以及高温稳定性能等方面,对钻井液和完井液提出了更高的要求。同时由于环境保护的日益加强,需要开发一种具有优良特性的环境友好型钻井液体系,而甲酸盐体系在这些方面表现突出。我国于90年代初期引入

2、此项技术,并得到迅猛发展。90年代后期以来,甲酸盐钻井液和完井液在实际应用中获得巨大成功,相继开发出了不同类型、性能优良的甲酸盐流体13。用甲酸盐水作为新型低固相钻井液和完井液主要成分具有以下优点45:(1可以随意调节密度,一般不需添加重晶石,从而避免了重晶石沉降问题;(2在高温下可保持添加剂的性能,具有很好的高温稳定性和极强的抑制性;(3可配制无固相钻井液和完井液,润滑性能好,降低扭矩和摩阻,从而提高钻速、缩短钻井周期、节约钻探成本;(4对地层损害小,保护储层效果好,并具有提高采收率、延长生产期的良好作用;(5腐蚀速率低,不产生应力腐蚀裂缝,并且可被生物降解,对生物的影响小;(6其中甲酸铯盐

3、水可提高高温高压(HTHP气藏的清晰度解释51。2 历史与现状20世纪80年代中期,甲酸盐钻井液和完井液体系由壳牌公司研制开发,相继在世界各国和地区用于小眼井和连续管钻井。1999年9月1,甲酸铯钻井液首次在高温高压井中应用,壳牌公司在井底温度高达185的Shearwater油田使用了密度为1.80g/cm3的甲酸盐水作射孔液。同年,英国道达尔公司在Dunbar油田使用密度为1.90g/cm3的甲酸铯盐水作完井液,并在随后的一年中7次应用密度为2.19 g/cm3的盐水作完井液和修井液。在2004-2007年间,北海挪威国家石油公司油田所钻探的9个油区中有7个使用甲酸铯/钾盐水进行完井810。

4、现阶段组成体系的甲酸盐有甲酸钠、甲酸钾及甲酸铯,其钻井液密度可分别达到1.34 g/cm3、1.60g/cm3和2.30 g/cm3。我国大港、大庆、青海等油田20余口井试验应用了甲酸盐钻井完井液,井深为19003200m,提高了机械钻速,缩短了钻井周期,井陉规则,起下钻无阻卡,固井质量优质14,46。甲酸盐成本较高,但其在复杂井眼和高温高压井中的实际应用证明从全井总成本看该体系是完全可行的。因此,能否推广应用尚需进行全面效益评估后决定。3 甲酸盐的理化性质3.1基本性质67甲酸盐水是以碱金属为阳离子的甲酸盐水溶液,即甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯的水溶液。这些盐分易溶于水,形成具有低结晶温度的高密度

5、盐水。油田上应用的三种甲酸盐的化学结构见表1。甲酸盐阴离子是羧酸类阴离子中亲水性最强的基团,但是与卤化物相比它保持了重要的有机特性。这种特性从甲酸盐在有机溶剂中的溶解度可以看出,如甲醇和乙二醇。碱金属阳离子(Na+,K+,Cs+都是单价的,使之与高分子聚合物有着独特的兼容性,并且有助于避免储层伤害。20下它们的溶解度见表17。表1 甲酸钠、甲酸钾和甲酸铯的基本性质名称化学式化学结构20下溶解度溶液密度(g/cm3 (moles/L (% 甲酸钠NaCHOO 9.1 46.8 1.33 甲酸钾KCHOO 14.5 76.8 1.59 甲酸铯CsCHOO 2.30甲酸铯水合物CsCHOO·

6、;H2O10.7 83 2.30甲酸离子CHOO-3.2水活度不同纯溶剂的溶液具有不同的物理性质。尽管甲酸钠、甲酸钾和甲酸铯盐水都是水基的,它们却与清水具有完全不同的性质。两者之间的差异程度与溶液的“水活度”相关2122。泥页岩与钻井液之间的理化作用是影响泥页岩稳定性的关键因素,其中滤液向泥页岩中的渗流是泥页岩与钻井液相互作用的一个主要表现。这会引起地层孔隙压力的增加以及水化效应,严重时会导致井壁不稳定,发生井下事故1320。利用平衡相对湿度法(ERH,卡博特公司位于英国亚伯丁的运营和技术支持实验室通过实验分别得到了甲酸钠、甲酸钾和甲酸铯的浓度与水活度之间的关系。甲酸盐的水溶液水活度随着甲酸盐

7、浓度增加而迅速下降,因此甲酸盐可以大幅度降低钻井液的活度,从而有效防止井壁的坍塌。甲酸盐水溶液的水活度与密度之间的函数关系见图122。 图1 25时甲酸盐水不同密度下的水活度Figure 1 Water activity in single salt formate brines at 253.3润滑性随着大位移水平井的日益增多,低扭矩需求变得越来越重要24,25,28。因此,钻井液的润滑性也成为优选钻井液越来越重要的因素。利用BP公司侧向负荷润滑仪对甲酸盐水进行测试,结果见图223。正如所预期的那样,甲酸盐水的摩擦系数取决于它的浓度。高浓度时,甲酸钾盐水比油基泥浆的润滑性要好。同时此次研究还

8、得出结论,润滑性随着粘度的增大而增强。值得注意的一点是这种关系仅适用于甲酸盐水本身的粘度,而非流体的体积粘度。因此,简单的增加一种甲酸盐水的粘度并不一定能改善它的润滑性。 图2 不同密度甲酸钾溶液中低碳钢之间的摩擦系数Figure2 Metal-to-metal COF for potassium formate as a function of brine concentration for mild steel3.4 生物毒性和可降解性有文献2627以淡水和海水中的水生生物为对象研究了甲酸盐水溶液的毒性,同时也为了评价甲酸铯是否能取代作为一般用于高毒性溴化锌盐水体系,测试了包括溴化锌的生物

9、毒性测试。此外对氯化钾和乙酸钾溶液的生物毒性也进行了实验(见表2。从表中可以看出,甲酸钠和甲酸钾在大多数情况下属于“无毒”;由氯化钾和乙酸钾的生物毒性可以看出,钾离子对毒性的贡献比甲酸根离子大;甲酸铯一般可以认作“无毒”或“几乎无毒”,但在淡水海藻的测试中呈现“中等毒性”;溴化锌溶液属于“高毒性”或“中等毒性”。表2 敏锐水生物毒性试验结果试验生物NaCOOH KCH2COOH CsCOOH·H2O KCOOH ZnBr2KCl棕色河虾6200 1800 91 1300 1000幼小比目6100 1900 260 1700 1800 鱼幼体比目1400 7.6 鱼彩红色蛙>10

10、000 5100 2100 3500 4100用封闭瓶实验(OECD 301D或的封闭瓶实验(OECD 301D对甲酸盐溶液进行生物降解特性实验,结果见表3。实验结果表明:甲酸盐是可以生物降解的。表3 甲酸盐的需氧生物降解实验试验NaCOOH KCOOH CsCOOH·H2OOECD 301D(28d102%(16mg/L92%(18mg/L83%(45mg/LOECD 301E(28d90%(11.8mg/L80%(11.7mg/L88%(31.2mg/L89%(30.4mg/L4 甲酸盐钻完井液体系的应用4.1配伍性甲酸盐是为油田的需要而开发的。它与油田常用的聚合物配伍性好,并能

11、减缓许多增粘剂和降滤失剂在高温高压下的水解和氧化降解速度26,29,30。常用的增粘剂黄原胶是一种典型有转变温度的聚合物。甲酸根离子导致转变温度升高,主要原因是甲酸根离子中可以和黄原胶中众多的羟基在黄原胶的多糖链之间形成桥结,致使黄原胶抗温性提高。在温度稳定的钻井和完井液设计中,聚合物长期稳定存在的温度比转变温度或聚合物粘度下降的温度点更为重要。无论是黄原胶转变温度的测量还是PAC 或淀粉的粘度持续下降的温度点在确定钻井液和完井液的稳定性时并不合适。这些测量在温度扫描1h后进行,而在一般钻井液中,聚合物处于高温的时间往往是一个更长的时间段。为了试验钻井液的抗温能力,通常要求聚合物稳定16h。老

12、化16h前后,聚合物的粘度或降滤失能力降低50%的温度,就定义为16h的稳定温度。有试验研究了3种聚合物在不同盐基钻井液中,经历16h后粘度和滤失能力降低较小的温度(见图314。从图中可以看出,各种盐液对黄原胶、聚阴离子纤维素及改性淀粉的高温稳定性的影响很相似,16h稳定温度大约比黄原胶的转变温度低25。 图3 XC、PAC和淀粉的16h稳定温度4.2热稳定性甲酸盐水设计的初衷是研发高性能高温高压钻井和完井液38,并且自1996年以来已经在超过150口高温高压井中使用3135。在巴基斯坦的Sindh地区的Miano和Sawan高温气田,为了应对177的井底温度,采用了低固相甲酸钾作为钻井液与完

13、井液,显示了高温稳定性,使得该井比计划提前九天完成3637。利用甲酸盐体系,北海的一口井的完井时间记录为12.7天,根据Rushmore数据库,这是在北海作业中迄今为止最快的高温高压井完井记录4344。Jeff Seewald 博士把测试流体放在一个浸泡在充满水的高温高压容器中的金质岩心试验夹持器里,得到了甲酸盐在两种不同温度和压力下的分解量(见表445,并且从在伍兹霍尔进行的测试中得到了几个非常有趣的结论3940:在实际水热作用条件下甲酸盐水的分解会比较快地达到平衡。甲酸盐分解的主要产物是碳酸氢盐,碳酸氢盐已经作为pH缓冲液的组成部分存在于甲酸盐水中通过向盐水中添加额外的碳酸盐/碳酸氢盐缓冲

14、液,可能会形成一种“热稳定”的甲酸盐流体,这种流体只需要很小的分解度就会达到平衡。表格4 平衡时甲酸盐水缓冲液的分解率Table 4 Amount of formate decomposition taking place in a buffered cesium formate brine before equilibrium is established温度(压力(MPa甲酸盐分解率(%220 35.2 8.2270 41.4 134.3储层损害甲酸盐体系相比于其它钻井液和完井液体系,最大的优点在于它能够有效地保护储层,降低储层伤害,提高产能,从而增加经济效益。巴西国家石油公司的Manat

15、i-6井应用了甲酸钠和甲酸钾盐水作为无损伤性钻井液和完井液来应对除砂的挑战,并且有报告称该海上气田为“巴西最高产的气田,日产可达19.7MMm3/d的产能”50。有文章51总结归纳得出结论,甲酸盐体系在油藏段钻井可以降低表皮损伤,是增加产出保证的油田最佳的钻井液体系。挪威国家石油公司报道称Huldra油田有6口使用甲酸盐水钻井和完井的油井,每口的平均产油指数大约为1.9百万立方英尺/天/磅。实际上,6口井中的三口井的产率就已经达到稳产要求,该公司的首席钻井工程师称由测试数据可以看出,甲酸盐体系对于油井产率的贡献最大,通过分别采用水基泥浆和油基泥浆进行地层伤害测试,证实甲酸盐对地层伤害是最小。通

16、常的储层损害机理在于两个方面:一是固相侵入引起的地层损害;其二是由于形成沉淀而引起的地层伤害。甲酸盐体系的高密度钻井液和完井液不需要使用重晶石等固相加重材料,从而可以完全避免固相损害有的地层流体中含有硫酸盐或碳酸盐等二价盐离子,当钻井液滤液与地层流体接触时就会形成沉淀物,而甲酸盐体系中的碱金属单价离子就可以避免这种地层伤害。对于甲酸盐液的储层损害机理进行系统的研究,但是已经有大量实验数据表明甲酸盐体系相比于其它体系能够更好地起到保护储层的作用。2001年大庆油田用甲酸盐钻井液所钻的13口井已进行7口井测试。甲酸盐钻井液与水基钻井液保护储层效果对比见表546。表5 甲酸盐钻井液与常规水基钻井液保

17、护储层效果对比井号钻井液井段(mH(m油(t/dK×10(m2S肇10-62 常规1589.11597.0 2.1 2.09 24.6 -0.071 肇13-60 常规1571.41589.0 5.5 8.55 32.9 -0.22肇24-50 常规1534.61550.7 2.3 9.90 78.4 0.24肇24-43 常规1508.51520.3 3.4 5.70 34.6 0.15肇22-49 常规1534.81547.4 1.2 0.12 0.2 2.25肇9-39 甲酸盐1559.11572.4 3.5 4.67 15.6 -1.58肇9-37 甲酸盐1548.31565

18、.6 1.7 2.98 11.0 -0.48肇8-39 甲酸盐1558.31567.3 1.6 6.95 72.6 0.93肇8-37 甲酸盐1553.31569.9 4.7 13.4 194.0 1.79肇10-37 甲酸盐1537.91557.6 5.3 9.02 49.5 -0.12肇11-39 甲酸盐1553.81556.9 0.8 1.71 29.5 0.10肇11-40 甲酸盐1558.41574.9 1.6 6.40 40.7 0.09 从表中可以看出,用甲酸盐钻井液钻的井的产量高于水基钻井液的井,表明甲酸盐钻井液是利于保护储层的体系。4.4抗污染4649研究表明固相污染对甲酸盐

19、钻井液体系只有轻微影响,对固相污染的抵抗能力要比油基钻井液和仿油基钻井液效果好。钻井液抗固相污染的强弱不仅说明体系抑制性的强弱,而且直接关系着钻井液的抑制造浆能力和钻井液密度的控制。实验用5%氯化钠盐水来模拟泥浆受盐水侵。结果显示,盐水导致密度降低,粘度切力下降,失水上升,pH略微升高,性能恶化。在加入甲酸盐、增粘剂和降失水剂之后性能基本恢复。同时,还有实验表明甲酸钾很适合于镁灰岩地层钻进,具有一定的抗钙、镁污染的能力。4.5测井解释在气井使用甲酸铯钻井液体系可以使得电测井法以及钻进测井(LWD的解释得到加强,其重要的特点在以下两个方面:可使得那些含有移动性的油气岩层的解释更清晰;可以对岩层结

20、构以及油藏沉积相具体产生准确的模拟性等有更清晰地解释。甲酸铯盐水由于其低固相含量,理想的声学测量媒介以及高清晰度的电阻呈像测井性能使其成为传导性钻井液。甲酸铯易于得到高质量的测井图像使得其更易于得到厘米级数值,更易于对重要的地质模型模拟,对沙体的成因等提供更重要的信息(见图452。这种信息使得更高级的油藏模拟模型变为可能。甲酸铯盐水在所有高温高压钻井液体系中最具独特性,其具有的高密度性(高达 2.30 g/cm3 区间使得其具有穿过截面光照相的能力高达259 barns/elec。井眼段泥浆虑失的油藏侵入性更容易通过核子录井工具探测到,其性能要远比普通岩性和地层液的探测背景易于探测。 图4 F

21、MI由甲酸铯盐钻井液体系获得的电阻系数图,显示诱钻型压裂泥岩切片在井眼50厘米长的细微的结构。甲酸铯失水的侵入性可为光电录井提供好的效果,可为泥浆与井眼效能;泥浆虑失的侵入以及失水饱和度的预测等密度矫正曲线等发挥极为有用的作用。也可更理想的为砂岩浸透性定位。结合光电效果与高垂直显像的电阻率测量对钻通器以及扩眼器等LWD录井带来极为可靠和准确的油藏精度解释(见图552。 图5 LWD钻通器(P16_1与扩眼器(P16_2在电阻测井的反应以及光电效果5 结论1.用甲酸盐体系高密度钻井液和完井液可以避免重晶石沉降问题,有利于井眼控制。2.用甲酸盐体系作为新型无固相或低固相钻井液,能够有效降低储层伤害

22、,提高油气井产能。3.使用甲酸铯流体的随钻测井可以得到更准确的有效储层精度和更好的地质模型。甲酸铯的光电效应带来的测井解释的新方法是当前研究的热点。参考文献1徐同台, 钻井液与完井液, 2007, 24(1:61-70.2樊世中, 石油钻探技术, 2005, 33(1:1-5.3徐同台, 等. 钻井液与完井液, 2000, 17(6:30-37.4蒋国盛, 等. 西南石油大学学报(自然科学版, 2009, 31(5:125-129.5赵忠举, 等. 钻井液与完井液,2005,22(4:60-71.6Rosana F. T. Lomba, Carlos H. M. de Sa, Edimir M

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