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钻井液技术的现状、挑战、需求与发展趋势

文 / 孙金声, 张希文

(中国石油集团钻井工程技术研究院,北京)

摘要:介绍了国外钻井液技术的新进展,包括井壁稳定、防漏堵漏、抗高温钻井液、提高机械钻速的钻井液、低密度钻井流体、大位移井钻井液、储层保护、绿色钻井液等技术,以及“十一五”期间中国钻井液技术的主要成果,分析了当前钻井液技术面临的主要挑战及“十二五”发展需求,并讨论了钻井液技术的发展趋势。

近年来,钻井液在保障钻井井下安全、稳定井壁、提高钻速、保护储层等方面的作用日益突出,但随着当前复杂地层深井、超深井及特殊工艺井越来越多,人们对钻井液技术提出了更高的要求。为此,国外开展了大量的应用基础理论和新技术研究,取得了一系列的研究成果和应用技术,而“十一五”期间中国钻井液技术也取得了较大进展,但与国外相比仍有差距。因此,为了更好地为钻井作业提供优质高效的钻井液技术,同时也为中国“十二五”钻井液技术发展方向提供科学依据,概述了钻井液技术现状、挑战、需求与发展趋势。

1 国外钻井液技术新进展

1.1 井壁稳定技术

1.1.1高性能水基钻井液技术

国外各大钻井液公司均研发了一种在性能、费用及环境保护方面能替代油基与合成基钻井液的高性能水基钻井液(HPWM),其典型配方如下。

2%4%)聚胺化合物+1%2%)铝酸盐络合+2%4%)钻速提高剂+2%3%)聚合物(可变形封堵剂)+0.2%0.4%)改性淀粉+0.15%0.3%XC+0.1%0.2%PAC

代表性技术有M-I 公司的 ULTRADRIL 体系、哈利伯顿白劳德公司的HYDRO-GUADR体系。

该钻井液体系中,聚胺盐的胺基易被黏土优先吸附,促使黏土晶层间脱水,减小水化膨胀;铝酸盐络合物进入泥页岩内部后能形成沉淀,与地层矿物基质结合,增强井壁稳定性;钻速提高剂能覆盖在钻屑和金属表面,防止钻头泥包;可变形聚合物封堵剂能与泥页岩微孔隙相匹配,形成紧密填充。

贝克休斯钻井液公司则把聚胺化合物与聚合醇的浊点和铝的化合作用相结合,形成了一种PERFORMAX高性能水基钻井液体系,该体系利用封堵聚合物MAX-SHIELD、铝化合物MAX-PLEX、水化抑制剂MAX-GUARD及聚合物包被剂NEW-DRILL的共同作用来封堵泥岩孔隙和微裂缝,阻止钻井液滤液的侵入,减小孔隙压力的传递作用,极大地提高了水基钻井液的抑制性。

在墨西哥湾、美国大陆、巴西、澳大利亚及中国的冀东、南海等地的现场应用效果表明,高性能水基钻井液具备抑制性强、能提高机械钻速、高温稳定、保护储层及保护环境的特点。

1.1.2成膜水基钻井液技术

通过在水基钻井液中加入成膜剂,使钻井液在泥页岩井壁表面形成较高质量的膜,以阻止钻井液滤液进入地层,从而在保护储层和稳定井壁方面发挥类似油基钻井液的作用。据CSIROCommonwealth Scientific and Industrial Research Organization)和Baroid 的报道,他们研制了具有成膜效能的3种新型化合物,它们的膜效率在55%85%之间,在此基础上形成了具有高膜效率的新型水基钻井液,并在现场取得了良好的应用效果。目前已肯定几种钻井液体系具有成膜作用,分别为:聚合醇钻井液体系;甲基葡萄糖甙钻井液体系;硅酸盐钻井液体系,其中膜效率最好的为硅酸盐钻井液体系。

1.1.3壁“贴膜”技术或称井壁“镶衬”技术

斯伦贝谢剑桥研究中心提出了一种井壁“贴膜”(或称井壁“镶衬”)技术,即利用树脂的光固化反应性能在井壁上生成井筒衬即井壁“贴膜”,是一种集稳定井壁、防漏堵漏、提高地层承压与保护储层一体化的新技术。该技术首先通过一种可不断旋转、含有导光管、带有孔眼的工具将光敏感性树脂材料输送到井下,喷射出来的树脂材料可清除井壁上的虚泥饼,同时利用树脂的光固化反应迅速固化形成一层类似壁纸的“贴膜”,称之为可遥控的井筒衬技术,根据实际需要可调整树脂在井壁上的聚合情况,且通过实时的图像传输可以看到井壁上形成的“贴膜”,该贴膜具有较好的弹性,承压能力强,可达到稳定井壁、提高承压能力和保护储层的目的。

1.1.4油基钻井液技术

1)具有平坦流变性能的油基钻井液。M-I公司研发了一种用于深水钻井、大位移井并具有平坦流变性能的油基钻井液,该体系由少量有机土、适量增黏剂、乳化剂、流型调节剂等组成,其流变性不受温度压力影响,滤失量小、井眼净化能力强,可有效保护储层,能解决随温度和其他环境改变而引起的井底清洁能力下降、环空当量循环密度过大、重晶石沉降和井漏等问题,并满足环境保护的要求。

2)低固相矿物油基钻井液。该钻井液用溴化钙盐水作分散相,标准矿物油作连续相,液态树脂有机物替代天然沥青作降滤失剂,基本配方如下。

423 kg/m3低芳香族矿物油+30kg/m3乳化剂+ 10 kg/m3+10 kg/m3+ 161 kg/m3清水+364 kg/m3溴化钙盐水(密度为1.7 kg/m3+10kg/m3石灰在挪威中部Aasgard 油田的现场应用效果表明,与传统钻井液相比,该钻井液具有更好的封堵性及热稳定性,井眼净化时间短、保护储层效果好

3)高密度低固相油基钻井液。M-I公司用甲酸铯盐水配制了密度为1.66 g/cm3的低固相油基钻井液,其基本配方如下。

360 L/m3基油+590 L/m3甲酸铯盐水+35 L/m3乳化剂+2 kg/m3石灰+ 重晶石在Statfjord 油田的现场应用效果表明,该钻井液与常规油基钻井液的差别在于固相含量由22%降低到了1%,不会发生井眼失稳、对地层损害小且能提高油井产能。

4)不含有机土的油基钻井液。哈利伯顿白劳德公司报道了一种不含有机土的油基钻井液,其基本配方如下。

0.075 m3线性石蜡+34.2 kg/m3乳化剂+8.55 kg/m3石灰+28.5 kg/m3聚合物降滤失剂+1.425kg/m3改性脂肪酸+0.02 m3 +43.6 kg/m3氯化钙+22.8 kg/m3纤维类增黏剂+1 484.85 kg/m3四氧化三锰。

现场应用效果表明,该钻井液可解决高压、高温(204)和高密度(2.2 g/cm3)条件下重晶石的沉降问题,能降低大位移井中的当量循环密度。

5)无固相钻/完井液。贝克休斯钻井液公司研发了一种由石蜡、乳化剂、润湿剂、油、氯化钙及溴化钙盐水组成的无固相钻/完井液,该体系可用于活性页岩中钻井和水平井中的砾石充填液,其密度可通过改变油水比、CaCl2CaBr2水相密度来调节。

1.2 防漏堵漏技术

1.2.1用于严重漏失的堵漏塞

M-I 公司研发了一种FORM-A-SQUEEZE 堵漏塞,可用于解决各种裂缝、孔洞地层漏失及井喷事故,其配制的高滤失/高固相钻井液经过漏层时,液相挤压钻井液而快速形成泥饼封堵漏层,抗温可达232 且环境友好,封堵效果不受速凝剂、缓凝剂、温度及时间的影响。

哈利伯顿白劳德公司研发了一种能够制止严重或完全钻井液漏失、层间窜流及井喷的堵漏剂FlexPlug,其封堵作用通过堵漏剂与钻井液之间的化学反应而实现,该反应迅速且节省钻进时间,不需要起下钻,在钻头下与钻井液混合后能够很快形成堵漏塞,产生封堵效果。

贝克休斯钻井液公司研发了一种由交联聚合物和桥堵剂混合成的刚性凝胶桥塞X-LINK,其在泵入漏层后可形成非常结实的刚性胶质塞,可适用于胶结性差的砂砾岩及裂缝发育的灰岩等地层发生的严重漏失。该产品无毒环保,能依据温度用缓凝剂和速凝剂控制交联速率和时间,不需起钻换钻具组合,且形成的胶质塞很容易被钻穿后由振动筛分离。

1.2.2弹性石墨类材料

弹性石墨为具有弹性、菱角、双组分碳结构的材料,在孔隙和微裂缝的压缩状态下,能够先收缩继而又膨胀,具有较好的弹性、可变形性、韧性和化学稳定性,在扩张填充和内部挤紧压实双重作用下,可自适应封堵不同形状和尺寸的孔隙或裂缝。代表产品有哈里伯顿白劳德公司的STEELSEAL、贝克休斯钻井液公司的LC-LUBE和菲利普斯公司的Rebound

1.2.3井眼加固技术

国外提出了通过增大井壁强度并有效提高地层抗破裂能力的方法,用来加固渗透性地层和非渗透性地层,以达到加大井眼稳定窗口,并以较高钻井液密度钻进时不会发生漏失的目的,该方法为解决钻井过程中的漏失问题提供了新的思路。

为了达到井眼加固的目的,需要通过像楔子一样来挤压井眼周围岩石而形成小裂缝,钻井液中的合适固相封堵材料迅速进入裂缝并在裂缝开口附近形成桥塞,桥塞渗透率必须足够低,以便阻隔液柱压力的传递,产生能够封堵裂缝、阻止裂缝进一步扩大、防止压力传递到裂缝末端、提高井眼周应力的应力笼效应,达到防漏堵漏的效果。

代表性的井眼加固技术有,M-I公司的一体化井眼加固技术I-BOSS、哈里伯顿白劳德公司的WellboreStress Management 技术等。

1.3 抗高温钻井液技术

1.3.1抗高温处理剂

M-I 公司研制了一种聚乙烯基吡咯烷酮PVP,该聚合物可使钻井液具有良好的剪切稀释性和携带能力,抗温达180M-I公司还研制了一种分子量为 50万~100万的共聚物Hosta-drill4706,其能改善钻井液的流变性,抗温达230M.Samuel等研制了一种两性离子表面活性剂VIS-PILL,其既可作增黏剂,又可作降滤失剂,抗温达190Md.Amanullah等从天然材料中提取了GSP作高温保护剂,其可阻止膨润土钻井液在150 以上的高温下热降解;Luigi F. 等研发了一种柠檬酸锆抗高温降黏剂ZRC,其能在204 以上控制膨润土的高温胶凝,提高其它处理剂的热稳定性;美国报道了由AMPSSMP AM 共聚合成的处理剂COP-1COP-2,抗温达262;德国报道了由钠、锂、镁和氧组成的合成多层硅SIV,热稳定性达370 ,其结构类似于天然膨胀性微晶高岭石,用其配制的钻井液体系抗温达233

1.3.2抗高温钻井液体系

1)甲酸盐无固相钻井液。常用处理剂在甲酸盐钻井液中配伍性好,且甲酸盐能提高聚合物的高温稳定性和热稳定性。Mobil公司首次成功应用了甲酸盐钻井液钻高温高压井,在德国Walsrode 地区和印度尼西亚Belanak 油田,高温高压井温度分别达到 162.8  157 ,应用甲酸盐无固相钻井液作基浆钻井,取得了较好的应用效果。

2)无膨润土抗高温钻井液。M-I公司开发了一种在180220下能保持稳定的无膨润土抗高温钻井液体系,其由乙烯酰胺- 磺化乙烯共聚物、改性黏土、不同粒径碳酸钙、氧化镁等组成,该钻井液在Kalinovache Molve 气田的 5 口高温高压井中取得了较好的应用效果。

3)抗高温硅酸盐钻井液。斯伦贝谢公司研制了一种抗高温硅酸盐钻井液体系,其选用了在163和高pH值下仍能保持稳定的共聚物作抗高温聚合物,基本配方如下。

1.4%KCl+0.07%Na2CO3+0.285%常规PAC+0.3%Ulpac+4.2% 抗高温聚合物+0.2%XC+2.282% 硅酸钠 + 改性沥青+1.14% 胺基高温稀释剂该钻井液性能重复性好,160 下高温高压滤失量仅为5 mL,且抑制性强。

4)抗高温聚合醇钻井液。M-I公司研制了一种抗高温聚合醇钻井液,其由聚合醇、反絮凝剂、降滤失剂、聚合物高温稳定剂及低分子量聚合物降黏剂等组成,该钻井液性能稳定、静切力低、抗污染能力强,在中国海南亚成21-1-4井取得了较好的应用效果,井底温度达212 

5)抗高温SIV 钻井液。SIV 钻井液中添加了一种热稳定性高达370 的合成多层硅SIV,其配方如下。

150 kg/m3淡水+1.35kg/m3SIV+1.35 kg/m3聚合物抗絮凝剂+9.45 kg/m3 KCl+0.45 kg/m3 Na2CO3 +0.95 kg/m3Na2SO3+4.5 kg/m3碳酸钙。

该钻井液在233的温度下仍能保持良好的黏度,不会发生高温絮凝等问题。在德国的KTB-HB工程中使用了这种钻井液,结果表明SIV 钻井液具有较好的悬浮性、抗污染性及高温高压流变性。

1.4 提高机械钻速的钻井液技术

近年来国外相继开发了多种增速剂产品,形成了能提高机械钻速的钻井液技术,并取得了良好的应用效果,其主要原理是清洗钻头,防止钻屑吸附,减小扭矩而提高钻速。Baroid M-I 公司开发出的快速钻井液技术在德克萨斯州的Karnescountry 地区应用了19口井,机械钻速比应用常规水基钻井液提高了46% Hasley 等人开发了一种添加特殊处理剂的水基钻井液,成功应用于南德克萨斯Wilcox地层的一些井,平均机械钻速提高了30%Friedheim等人研制了一种含有 ROP 增速剂的新型水基钻井液,应用于墨西哥湾的深水及大陆架地区钻井,机械钻速比采用传统水基钻井液高出60%70%

1.5 低密度钻井流体技术

1.5.1新型微泡钻井液技术

微泡钻井液(Aphrons)以其独特的低剪切流变性而广泛应用于钻衰竭储层和低压地层,M-I公司最新研制了一种改进的微泡钻井液体系,改进后的配方中添加了一种由生物聚合物黄原胶和表面活性剂BLUE STREAK混合而成的微泡稳定剂。研究发现,形成的微泡抗压强度达28.75 MPa,能快速形成气泡膜,减轻钻井液的侵入,且在孔隙介质表面吸引力小,因而形成的密封无黏结力,采油中易排出。

1.5.2可循环泡沫

威德福公司研制的可循环泡沫具有以下性能特点:提高机械钻速;可处理地层出水问题;可生物降解;携岩能力强;不受无水石膏和盐水的影响;与MWD工具兼容;对井下马达轴承的磨损最小;对储层伤害小、漏失量小。该技术已成功应用于美国德克萨斯州Panhandle 深井高温作业,应用井段垂深为6706 m,储层压力为 7.58 MPa,井底温度为193,泡沫洗井液成功清除了管壁铁锈,并将金属铁屑带至地面,避免了洗井液漏失,产气量从800Mcf/d 增加至5000 Mcf/d

1.5.3油基泡沫

由共聚物、表面活性剂及柴油组成的油基泡沫流体适用于水敏性地层、易坍塌泥页岩地层、低压地层、衰竭储层和漏失地层钻井。美国在墨西哥湾首次使用油基泡沫流体进行了欠平衡钻井,该处井深为5568 m,井底温度为232 ,现场应用效果表明,油基泡沫流体抗高温、抗污染能力强,能提高钻头寿命和机械钻速,具有良好的防漏堵漏及井眼净化能力,且可循环使用,降低了钻井成本。

1.6 大位移井钻井液技术

大位移井主要应用于海上油田的开发和海油陆采,国外已钻成了数百口大位移井,水平位移超过10000m 的井有 3 口,主要采用的是高效润滑水基钻井液和油基钻井液。哈利伯顿白劳德公司研制了一种适用于大位移井的逆乳化钻井液,该钻井液含有数种植物酯和内烯烃化合物,具有良好的悬浮性和井眼清洁能力,在墨西哥湾深水和大陆架现场应用效果表明,该钻井液能持续防止重晶石沉降。

1.7 储层保护技术

1.7.1理想充填技术

理想充填技术也称作颗粒紧密堆积理论,即实现钻井液中暂堵颗粒的理想充填。其中,孔喉直径根据测井、压汞和气测渗透率可以计算出来,当暂堵剂颗粒累计体积分数与粒径平方根(即d1/2)之间呈直线关系时,颗粒堆积效率最高,可达到理想充填,在此基础上优选出的暂堵剂能形成致密的泥饼,从而有效阻止固相颗粒和滤液侵入,达到保护储层的效果。

1.7.2成膜保护储层技术

成膜保护储层技术以井壁岩石作为支撑体,通过聚合物吸附在表面、浓集、覆盖形成致密无孔膜,其属于非选择性化学封堵,可适用于不均质程度较高的高、中、低孔喉储层。该技术实现了储层保护技术从单纯有选择性的物理封堵方法向非选择性的物理化学方法的转变,为实现储层无损害奠定了理论与技术基础。

1.8废弃钻井液处理技术

日本提出了采用蒸发浓缩法用于废弃钻井液的固液分离,该技术首先进行初步的过滤分离,废液经蒸馏浓缩后待进一步处理,再应用卧式旋流压缩机进行固液分离再处理,最后将絮凝剂、污水处理剂等加入废液中,处理后的液体可回收再利用。此外,国外在钻屑回注技术、微生物处理技术(主要用于处理油基钻屑)等方面也在开展相关研究工作。

1.9 绿色钻井液技术

目前,国外正在研制保护环境、可排放的绿色钻井液技术,如M-I 公司研制了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,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就可直接撒到田地里。

1.10 新型加重材料

1.10.1微米化重晶石加重剂

M-I 公司研发了一种微米级颗粒加重剂,将重晶石研磨到尺寸介于0.110 μm,大多数为1μm,其不会改变钻井液流变性,加重后的钻井液当量循环密度易控制,井眼净化能力强,可适用于钻水平井和大位移井,并能有效保护储层。

1.10.2四氧化三锰加重剂

与重晶石相比,Mn3O4的密度高,达4.8g/cm3,但其颗粒尺寸小得多,且能被弱结构的钻井液所支撑,重晶石加重的钻井液动切力一般为9.6Pa,而Mn3O4加重的钻井液动切力为3.844.80Pa 时就能防止沉降。Mn3O4颗粒呈球形,粒间摩擦小,具备低摩阻特性,可使钻井液的塑性黏度降低50% 60%,且可酸溶、适合储层段加重。现场应用效果表明,Mn3O4能改善钻井液的流变性、储层保护效果好,适合在高温高压井和小眼井中应用。

1.11 纳米技术在钻井液中的应用

贝克休斯钻井液公司研制了一种可变形纳米级封堵聚合物MAX-SHIELD,该材料可起到降低压差卡钻和稳定井壁的效果;Sensory等通过扫描电镜观察发现,纳米颗粒能够堵塞页岩的孔隙及喉道,减小页岩中的渗透性,提高井眼的稳定性;Bicetano等制备了一类热固性纳米复合物颗粒(密度为0.751.75g/cm3),含有该颗粒的钻井液能减小储层漏失和对地层的伤害Sayyadnejad等合成了一类颗粒大小为1425nm、比表面积为4456m2/g的纳米级氧化锌,该材料在 15 min 内就可迅速除掉水基钻井液中的所有硫化氢。

1.12 模拟井下条件的钻井液性能及储层保护评价技术

近年来,国外在模拟井下条件的钻井液及储层保护评价技术方面取得了较大进展,如高温高压流变仪,温度可达450;高温高压动态损害评价系统,温度可达 220 LEM 润滑评价仪,温度可达220 ;美国能源部实验室研发的超深钻井仿真器,可完全模拟井下实际情况,压力为207 MPa,温度可达 250 ,并可使用现场钻井液,利用 X 射线影像记录井底环境下切割的实时图像,用于优选处理剂、评价钻井液及优选钻头;斯伦贝谢剑桥研究中心建立了一套大型模拟井下条件的化学流体三相流性能评价装置,可评价模拟井下温度、压力条件下钻井液、采油过程中油水气三相流体的性能,为处理剂材料研发、体系优选创造了基础条件。

2十一五”中国钻井液主要技术成果

2.1 水基钻井液成膜理论与技术

为了将泥页岩非理想膜改善成接近理想的半透膜,需要加入能减小孔隙尺寸、增加泥页岩薄层电荷密度的特种化学材料,从而有效减小水推动力大小或改变水推动力方向,达到稳定井壁的效果。因此,研制了一种膜效率高达75% 以上的有机硅酸盐半透膜剂和具有一定承压能力及隔离膜性能的隔离膜剂,并形成了具有半透膜、隔离膜性能的水基钻井液成膜技术。该技术在吐哈、青海、中原等油田100 余口井进行了现场试验,结果表明,钻井液体系抑制性强、防塌效果好、储层保护效果好,是防止井壁坍塌与保护储层协调一致的新技术。

2.2 超高温水基钻井液技术

揭示了超高温对钻井液中黏土粒子的作用机理,提出了除抗热氧降解外,钻井液处理剂应增强超高温条件下黏土粒子去水化能力的技术思路,关键是在钻井液中加入在超高温(大于180 )条件下有利于防止黏土高温去水化及聚结的抗高温处理剂。因此,研制了一种钻井液抗高温保护剂GBH,并筛选出了高温降滤失剂、高温防塌封堵剂和高温流型调节剂,形成了超高温(240)钻井液体系配方。该技术在吉林、大港、冀东等油田14余口井进现场试验,最高温度达 210 ,钻井液体系在高温下保持良好的流变性,易于调整和维护。

2.3 快速钻井液技术

中国石油集团钻井工程技术研究院研制了一种能降低钻井液环空摩阻和井底压持效应、提高机械钻速的快速钻井液技术,该技术对上部井段可改变润湿、防止黏土吸附、提高机械钻速并减少起下钻阻卡;对可钻性差的中下部地层可降低岩石的瞬间强度,提高破岩效率和机械钻速,并稳定井壁,同时。该技术在吐哈、塔里木、青海、新疆、吉林、辽河及冀东等油田的100 余口井进行了现场应用。现场应用效果表明,平均提高机械钻速达18%以上,能有效降低钻井液摩阻,并解决了井壁失稳及起下钻过程中阻卡的情况,井径规则,同时提高了固井质量。

2.4 成膜保护储层理论与技术

隔离膜剂通过吸附、浓集、覆盖在井壁表面形成致密的不透水膜,封堵层理裂隙、防止黏土颗粒运移、减少压力传递,从而有效保护储层。该技术在冀东、大港等油田进行了现场试验,结果表明,表皮系数小于或接近于零,渗透率恢复值大于95%,保护储层效果显著。

2.5 胺基钻井液技术

中国石油集团钻井工程技术研究院等研制了一种能有效抑制大段水敏性泥岩水化膨胀的胺基抑制剂,配制的高性能胺基钻井液在新疆、华北等油田进行了现场试验。结果表明,该钻井液具有优良的抑制性,返出钻屑成型,起下钻顺利,井径规则。

2.6 新型正电性钻井液技术

中石化工程技术研究院研制的正电性钻井液体系通过电性的改性,解决了钻井液稳定性和地层稳定性之间的矛盾,其主要由阳离子乳液聚合物、乳化石蜡和有机硅醇抑制剂等组成,电性大于0mV,渗透率恢复率大于90%。现场应用效果表明,该类钻井液抑制性强,有利井壁稳定、保护储层。

2.7 低密度钻井流体相关技术

2.7.1气液转换中的润湿反转技术

针对气体钻井气液转化过程中存在的井壁失稳问题,通过先打入前置液(润湿反转剂),使空气钻井段岩石表面由亲水变为疏水,防止气液转化时泥页岩吸水垮塌。在四川龙岗地区气液转换过程中进行了试验,下钻一次到底,循环无掉块返出,避免了井壁失稳带来的复杂

2.7.2 超高温泡沫钻井流体技术

为提高常规起泡剂形成泡沫流体的抗温性,中国石油集团钻井工程技术研究院等研制了一种抗高温泡沫稳定剂,使泡沫流体的抗温能力提高到350以上。中国石油长城钻探工程公司使用该技术在肯尼亚OLKARIA高温地热井(350 )的 28 口井中成功应用,与国外超高温泡沫流体相比,起下钻更顺利,平均完井周期缩短了3d

2.7.3油基泡沫钻井流体技术

中国石油集团钻井工程技术研究院研制了油基泡沫钻井流体技术,该泡沫流体密度低,抗高温、抗盐和油污染能力强,流变性好。在地层出水时,油基泡沫可将水携带到地面,脱水处理后可继续发泡循环使用。该技术可满足强水敏性地层、易漏地层、枯竭储层及超低压储层钻井需求。

2.8 防漏堵漏技术

2.8.1漏失压力分析与四压力安全密度窗口

无论是自然漏失还是压裂漏失,漏失压力等于克服地层孔隙压力或井壁应力及岩石强度等产生的压力与漏失工作液在漏失通道中流动时压力损耗之和。在忽略工作液压力损耗的情况下,不同成因下形成的漏失压力具有一个相应的最小值,石林等提出可以引入数学上“极小值”的概念来描述,极小漏失压力指形成漏失现象所具有的最小漏失压力。

当前,漏失压力概念被破裂压力完全替代,导致漏失压力预测失真,井漏事故不能有效预防。漏失压力作为一个相对独立的物理量,应将其加入到安全钻井液密度窗口分析中去,构成四压力安全密度窗口,以便更准确地设计合理的钻井液密度,科学指导现场钻井施工。

2.8.2特种凝胶堵漏技术

西南石油大学研制的特种凝胶进入漏层后能自动停止流动,并充满裂缝、溶洞空间,形成能隔断地层内部流体与井筒流体的凝胶段塞。该技术已成功应用于罗家2 井、双庙 1 井等的堵漏施工中,对大漏、返出量太小的裂缝性、孔洞性、破碎性地层恶性漏失有很好效果。

2.8.3平衡静胶凝溶洞堵漏技术

渤海钻探工程公司钻井院通过先注入高黏度的承托浆,再注入可固化流体,该流体与承托浆相遇后,迅速形成弱胶体,该胶体通过压力平衡保持在洞口附近,当流体固化后,即可达到封堵效果。该技术成功解决了任深2斜井和霸91井钻井过程中遇到的1.05m0.95 m 等大小的溶洞漏失问题。

2.8.4超低渗透钻井液防漏堵漏技术

中国石油集团钻井工程技术研究院研制的超低渗透钻井液形成的封堵层承压强度高,能提高地层漏失压力和破裂压力梯度。该技术在大港、冀东、胜利、青海、新疆等油田进行了现场试验,提高了堵漏一次成功率,防漏堵漏效果显著,解决了以往钻长裸眼多套压力层系时易发生的漏失问题。

2.9 煤层气井壁稳定与储层保护技术

中国石油集团钻井工程技术研究院在煤储层损害机理及评价方法研究的基础上,优选了增黏剂XC、防塌与降滤失隔离膜剂CMJ-2,形成了以隔离膜剂为主剂的煤层气钻井液技术,该技术可达到井壁稳定与储层保护一体化的效果,并在ZP01-1井中成功应用。

2.10 废弃钻井液不落地达标处理技术

中国开发了一种钻井废弃物不落地达标处理技术,该技术对井场外排钻井液进行全方位收集,先进行砂石分离,得到直径大于0.5cm 的钻屑,再对浆体进行化学处理及物理脱干,使固相中的有害物质全部被析入液相污水中,得到无害化泥饼,后对污水进行氧化、气浮、过滤及反渗透处理,得到可排放清水。该技术在塔里木、中石化西北油田等进行了现场试验,处理后的水可被循利用,泥饼就地再利用,无外排废弃物,可取消废浆池,实现了钻井井场的清洁化生产。

2.11 新型油基钻井液技术

中国石油集团钻井工程技术研究院研制了高胶体率(90%以上)、具有较强增大黏度、提切力和耐高温性能的柴油、白油基钻井液用有机土,并研制了乳化率在80% 以上、耐高温的主辅乳化剂和润湿率达 90% 的润湿反转剂。形成了密度为0.92.6 g/cm3的抗220 柴油、白油基钻井液配方。

2.12 其它技术

中国钻井液技术在其它方面也取得了较大进展,如抗高温抗盐高密度钻井液、抗酸性气污染高密度水基钻井液、高温有机硅氟钻井液、可循环微泡钻井液、硬胶泡沫钻井液、深水低温钻井液、气制油钻井液、环保型全白油基钻井液及合成基钻井液等。此外,还研制开发了一批钻井液测试仪器,如高温高压动态损害评价装置、钻井液对钻速影响评价装置、低孔低渗敏感性评价装置、高温(300)高压降滤失仪及高温(300)滚子炉等。

3 目前钻井液技术面临的主要挑战

据统计,1999年至 2009 年国际上钻井液服务收入的年均增长率达11.8%2009 年中国钻井液服务收入约占3.5% 的国际市场份额,说明当前中国钻井液技术的核心竞争力还很低。而中国主要油气战略接替区(如中亚、塔里木、渤海湾等)多是深部复杂油气藏,高温高压、钻速慢、井壁失稳、井下复杂等问题频繁发生,钻井难度增大。以上所述问题都与钻井液的技术直接相关,必须主要通过钻井液技术的突破性发展才能得到有效解决,而现有的钻井液技术虽大多可勉强把井打成,但无法做到打成井、打好井、打快井、打省井的目标。具体来说,目前钻井液技术所面临的主要挑战表现在以下几个方面。

3.1 钻井液处理剂

采用优质的钻井液处理剂,对保障钻井施工安全、保护储层等方面发挥着重要作用。近年来各种性能优良的新型处理剂品种不断增多,并取得了较好应用,但也存在以下一些问题具有特殊性能的原创产品少,换名产品多没有形成研究、开发和应用的良性循环,许多产品局限在低水平的重复研究上,热衷于新名词的炒作生产规模小,产品质量难以保证,多数产品都是企业自己制定标准,难以达到钻井液性能的需要油田用户对已经形成的体系不容易放弃,新产品试验、推广和应用难度大需进一步完善处理剂产品采购价格与质量相匹配机制。

3.2 井下复杂事故

2009 年,整个中国石油集团的钻井井下复杂事故损失时间大于4 000 d,其中,井漏所占比例最大,达 50% 以上;卡钻次之,达30% 以上;测井遇阻、井涌、溢流等也比较严重。最大限度地减少井下复杂,为钻井施工提供安全保障是当前钻井液技术服务的首要任务。

3.3 提高机械钻速

据统计,中国石油集团的钻机进尺数落后于美国,平均机械钻速、完井周期等与美国也有较大的差距。而当前深井、复杂井钻速低更是制约中国油气勘探开发进程的技术瓶颈,如高陡构造的防斜快打问题、深井上部大尺寸井段的提高钻速问题、深部高密度钻井液井段提高钻速问题、油基钻井液提高钻速问题等。因此,提高机械钻速是中国钻井界必须解决的重大难题,也是钻井液技术发展的攻关方向。

3.4 深井高温高压钻井液技术

许多具有深层油气勘探开发前景的地区,如松辽盆地、塔里木及四川等地区地层温度梯度高,井底温度高达200260 ,且地层压力高。而当前中国剩余油气资源主要分布在较深地层,70%超过5 000 m,现有的抗高温钻井液技术已不能满足深井、超深井钻井工程需要,尤其是高温、高压、高盐共存条件下的钻井液技术难度更大。

3.5 恶性井漏

井漏是钻井工程中最常见的技术难题,而针对恶性井漏问题,至今仍然没有及时有效的堵漏技术,只能依靠现有的材料、方法及工具凭经验解决。

3.6 复杂地层条件下的井壁稳定

如何设计合理的钻井液密度、钻井液抑制性和封堵能力多大才算足够等仍是复杂地层条件下的井壁稳定问题所需要考虑的因素,当前虽然得出了决定井壁稳定问题的坍塌压力是岩石力学与化学耦合的结果,但至今还没有建立起它们之间的关系,只能是经验的合理应用。

3.7 储层保护技术

目前国内外研究重点主要是通过封堵技术来保护储层,但选择暂堵剂的规则和方法均有一定局限性,仅考虑了孔喉平均尺寸和暂堵剂颗粒粒径的匹配关系,而未对储层孔喉分布与暂堵剂粒度分布的匹配关系进行充分考虑。且随着低压低渗储藏不断被发现,并成为未来油气产量的重要接替区,而相应的储层保护技术还不完善,若不采取有效保护措施,将会损害储层、降低产能,无法作到经济开发。因此,加强研究储层保护技术具有重要意义。

3.8 油基钻井液技术

国外油基钻井液所占市场份额将近50%,而我国油基钻井液所占市场份额很低。国内业界上个世纪八十年代开发出油基钻井液,单项技术也取得突破,但综合解决问题能力差,主要表现在配制和维护油基钻井液的处理剂和材料在数量和质量上都达不到国外石油专业技术服务公司的产品水平,加上缺乏油基钻井液的后续处理再利用技术,使得具有多项突出优点的油基钻井液一直没有得到真正应用。因此,研发、开发效能、质量、成本达到国际先进水平的油基类钻井液处理剂系列产品,研制适用于各种地层条件和工程要求的油基钻井液及后续处理再利用等技术系列技术是提升中国油基钻井液技术的当务之急。

4十二五”钻井液技术发展需求

针对目前钻井液技术面临的主要挑战,“十 二五”期间钻井液技术的发展需求主要涉及以下几个方面 :有助于提高机械钻速的钻井液技术;复杂地层井壁稳定技术;恶性漏失堵漏技术;提高薄弱地层承压能力及扩大安全密度窗口技术;低压低孔低渗储层特别是非常规油气藏的保护技术;抗高温高盐高密度钻井液技术;大位移井特大位移井钻井液技术;有机烃类(油基、合成基)钻井液技术;环保型钻井液及钻井液废弃物无害化处理技术;能动态模拟井下条件的钻井液性能及储层保护评价新设备。

5 发展趋势

5.1 钻井液处理剂发展趋势

低成本、天然产物改性材料:通过对天然高分子物质的氧化、活化及酶化处理等深度改性措施,制备所需性能的低成本处理剂产品抗高温抗盐处理剂:研制出抗高温(220或更高)、抗盐(Na Cl至饱和、抗钙镁)的增黏剂、降滤失剂、降黏剂及流型调节剂等,满足深井、超深井钻井工程需求合成基、油基钻井液配套系列处理剂:包括高胶体率的优质有机土、高乳化率的主辅乳化剂及高效润湿剂等;保护储层、保护环境的处理:不仅要求最大限度地减轻对储层的损害,保护储层,还要求无污染、可降解,能保护环境纳米级封堵材料:研制粒径分布在纳米范围内的材料,提高钻井液的抑制与封堵性,稳定井壁自适应性堵漏剂:增强堵漏剂与漏失通道的适应性,使其可用于处理不同程度的井漏,达到自适应封堵的效果。

5.2 钻井液技术发展趋势

低密度、超低密度钻井液,以满足枯竭地层、低压超低压地层钻井需求有助于提高机械钻速的水基、油基钻井液技术降低地层坍塌压力的稳定井壁钻井液;形成抗高温(180250)高盐高密度(2.6g/cm3)钻井液技术水平井、大位移井及特大位移井钻井液技术自适应性防漏堵漏技术,形成能自适应性封堵不同大小孔缝的防漏堵漏技术;新型合成基、油基钻井液及后续处理再利用系列技术;深水钻井液技术,形成适合海洋深水钻井的钻井液体系及配套技术;环保型钻井液及钻井液废弃物无害化处理技术;能动态模拟井下条件的钻井液性能及储层保护评价新设备,更加接近井下实际条件的实验技术,可为合理的钻井液与储层保护设计提供科学依据。

5.3 储层保护技术发展趋势

1)低选择性、非选择性封堵技术:如成膜低损害保护储层技术,实现储层保护从有选择性的物理封堵方法向非选择性物理化学封堵方法的转变。

2)非常规资源(煤层气、页岩气等)储层保护技术:针对页岩气等低孔低渗的特征,研究有效的储层保护技术,满足非常规资源的勘探开发需求。

3)抗高温储层保护评价方法:研发抗温达200 以上的储层保护评价仪器,用于优选和评价深井高温保护储层钻井液体系。

 

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