無滲透鉆井液研究與發展現狀

鉆井液儲層損害機理在傳統的開挖過程中，外部液體始終與井中的不同層和液體接觸，容易對油氣層造成損害。儲層傷害不但影響油井的初期產量,而且影響后續作業的損害程度和作業效果。通過鉆井液儲層損害機理分析可知,主要的儲層傷害機理包括孔隙喉道的物理堵塞和縮小以及相對滲透率的變化等。為了保護油氣層,避免儲層傷害,首先要考慮減少鉆井液侵入儲層。石油工作者期望研發出對儲層無侵害且保護油氣層的鉆井液,無滲透鉆井液(即NIF鉆井液)技術則實現了這個目標,“無滲透”的意思是無液相與固相侵入損害。1發生地層損害通常使用的鉆井液存在一定的局限性,會產生一定的侵入深度,即使采用碳酸鈣固相鉆井液也能發生侵入從而導致地層損害,采用空氣泡沫鉆井液同樣因為其自身局限性而無法避免地層損害的發生。無滲透鉆井液是與傳統的鉆井液區分而提出的概念,是一種可以在超低固相含量下,超低侵害所鉆地層的鉆井液體系。1.1無滲透地層體系無滲透鉆井液體系是目前國內外都熱切關注研制開發的一種新型鉆井液體系,通過在常規鉆井液中加入無滲透鉆井液處理劑轉化而成。與以往鉆井液體系相比,該體系利用表面化學原理,實現在很短時間內,鉆井液在巖石表面就形成一層具有一定強度的無滲透膜,將鉆井液和地層隔離開,不僅防止鉆井液任何組分的進入,同時阻止壓力傳遞,它不受液柱壓差和浸泡時間的影響,既能很好地保護油氣層,尤其適合對地下情況不了解的探井或野貓井,又可以保持井眼穩定、提高地層承壓能力和防止壓差黏附卡鉆。1.2儲集體或膜根據相關文獻知識,無滲透鉆井液的核心技術是利用特殊聚合物處理劑(油溶或水溶),這些處理劑具有極其廣泛的HLB值,能有效封堵儲層。當加入普通鉆井液中,該聚合物形成可變形的聚集體或膜(膜在溶液中是分子成組式的,形成球狀、棒狀和片狀),在井眼內液體的壓力下,這些膜在泥餅和井壁巖石表面濃集形成膠束,依靠聚合物膠束或膠粒界面吸力及其可變形性,能自適應封堵巖石表面較大范圍的孔喉,在泥餅和井壁巖石表面形成致密無滲透膜,在井壁的外圍形成保護層,有效封堵不同滲透性地層和微裂縫泥頁巖地層,使鉆井液及其濾液完全隔離,不會滲透到地層中,從而實現近零濾失鉆井,有效保護油氣層。其機理如圖1所示,其中1表示成膜,2表示膜在溶液中成為可變形屏障,3表示鉆井液濾失的早期階段在巖石表面形成膜。2主要特點無滲透鉆井液打破了常規鉆井液的局限性,同一配方就能有效封堵不同滲透性地層,即具有自適應廣譜防漏和保護儲層效果,其主要特性如下所述。2.1封閉膜的清除無滲透鉆井液封堵層形成速度快,泥餅薄,絕大部分固相聚集在滲透性地層表面,不會滲入儲層深處,所以只要消除過平衡壓力,封堵膜的作用就將削弱,只要有反向流動,封堵膜就會被清除。因此,在完井和生產過程中,封堵層易于清除,不會產生永久堵塞損害儲層。2.2井壁坍落井壁段在鉆井施工過程中,過平衡壓力常常引起鉆井液侵入儲層,降低儲層的滲透率,同時過平衡壓力又通過鉆桿施加于井壁造成井壁坍塌和鉆井液嚴重漏失。無滲透鉆井液封堵隔層(膜)承壓能力強,提高了地層漏失壓力和破裂壓力梯度,相當于擴大了安全密度窗口,使壓力不被傳送到地層,避免了由于過平衡壓力鉆桿對井壁的沖擊,較好地協同解決了以往鉆長裸眼多套壓力層系或壓力衰竭地層時易發生的油層損害、漏失、卡鉆、坍塌等共存的技術難題。2.3井壁下失壓重造成卡鉆壓差卡鉆是由鉆井液液柱壓力與地層孔隙壓力之差過大,鉆桿與易滲透地層接觸,鉆井液產生的過平衡壓力作用到鉆桿上,鉆桿頂靠井壁引起的卡鉆。壓差越大,越容易發生卡鉆。而鉆井液在井壁上形成厚濾餅,使井壁與鉆桿的接觸面積較之薄濾餅多,則更易發生卡鉆。無滲透鉆井液在井壁表面迅速生成一層薄封堵層,降低了濾失量,阻止了壓差傳遞到地層,因此有效避免了泥餅壓差黏附卡鉆。2.4無滲透層長井圖地層是一種單井液,無滲透膜。清地層無滲透鉆井液含有氣泡和泡沫,這些氣泡和泡沫可使過平衡壓力降到最低,并且氣泡和泡沫可橋塞各種孔徑的喉道,在很短時間內形成無滲透層,將鉆井液與地層完全隔開,阻止鉆井液的漏失,防止地層層理裂隙的擴大和井下復雜情況的發生,保持了油氣層的原始物性。2.5處理一切問題鉆井過程中,各種情況千變萬化,使用一種或幾種鉆井液添加劑就處理所有的問題,似乎不可實現。但無滲透鉆井液的現場應用表明,采用不同添量的幾種添加劑可以配制不同條件下使用的鉆井液,大大減少了鉆井液的使用費用,且配制簡單,易于維護。3過濾失敗性能評價方法3.1無滲透鉆井液阻止流體侵入能力評價鉆井液的API濾失(濾紙)試驗與砂床濾失試驗沒有相關性,同一種體系用不同的儀器和評價方法測出的數據不同。國外采用砂床侵入試驗對無滲透鉆井液阻止流體侵入的能力進行了評價,取350mL一定目數的砂子洗凈烘干,裝入儀器,倒入鉆井液至500mL,加壓0.7MPa,30min后觀察鉆井液侵入深度。濾失量越小,間接膜效率越高。Reid等人采用砂床評價方法測得的濾失量趨近于零,顯示無滲透鉆井液具有良好的降濾失能力。3.2無滲透砂床測試砂床濾失試驗不能直觀地看出濾液的侵入情況,FA型無滲透鉆井液濾失儀則采用有機玻璃筒作為可透視的鉆井液杯,在試驗過程中清晰地觀察到濾液的滲濾情況。試驗步驟為:根據試驗要求,將一定量、不同粒徑的砂子按地層滲透性情況裝入鉆井液杯,倒入待測流體密封加壓0.69MPa,30min后觀察滲透濾失情況,記下濾液體積,或記錄濾液侵入砂床的深度,如果30min內有氣體滲出壓濾裝置,記下開始滲出的時間并停止試驗,這種情況即為30min內全濾失。國內某些科研單位采用此方法對無滲透鉆井液進行測試,結果與Reid等人的結果基本一致。API砂床試驗及FA型濾失儀試驗能夠更好地模擬地層情況,可以用于評價無滲透鉆井液體系的滲濾性。3.3巖心濾失試驗用巖心承壓能力評價儀器進行高壓(3.5MPa)巖心濾失試驗,在巖心端面形成的膜,正向驅替時測試有濾液排出時儀器顯示的壓強值,承壓能力要大;反排時承壓能力要小,濾失量、巖心滲透率恢復值高。3.4砂子滲濾試驗另一種較為直觀的試驗方法是在注射器中進行的。選取一定量一定粒徑的砂子放入注射器中,倒入試驗液,然后推進活塞,觀察鉆井液的滲濾情況。這種方法仍需進一步的探討,只能用于定性分析。3.5測試方法試管測試法是在試管中放入一定體積具有一定粒徑的砂子,并倒入試驗液體,觀察液體的滲濾情況及形成屏蔽層的情況。此方法也只能用于定性分析。4國內外研究4.1無滲透鉆井液體系美國于2000年開始研究該技術,年底開發了無滲透鉆井液的配套核心產品,形成了一套無滲透鉆井液室內評價方法,目前該技術已成功地進行于現場應用。使用的無滲透鉆井液不僅有油基鉆井液體系、合成基鉆井液體系,也有聚合物、鹽水、甲酸鹽、硅酸鹽等水基鉆井液體系。無滲透鉆井液可有效地解決探井儲層損害問題,比如,在印度孟買深海區域采用該技術,油井產能比預期高出580%。此外,該技術在防漏、防塌和防壓差黏附卡鉆方面也取得了很好的效果。目前,國外該鉆井液體系的主要處理劑包括DWC2000(增黏劑)、FLC2000(降濾失劑)、KFA2000(潤滑劑)、LCP2000(堵漏劑)。DWC2000能用于淡水、海水和鹽水,并具有良好的懸浮性,可用于各種礦化度下的地層;FLC2000在高溫下穩定,不受井內污染物影響,用于水或油基鉆井液,可將任何水或油基鉆井液轉換成無滲透鉆井液;當無法泵入常規堵漏材料或其不起作用時,可使用LCP2000,它是一種活性聚合物類物質,在漏失層內剪切稠化形成段塞漿,高濃度的段塞漿通過鉆頭噴嘴等井下工具,隨地層的變化對地層進行封堵,可在生產層段使用。4.2微裂縫地層用有機聚合物目前國內的處理劑系列產品及超低滲透的處理劑中主要是井眼穩定劑和防漏堵漏劑。井眼穩定劑主要用于中、低孔隙及微裂縫地層,由植物衍生物形成的混合物、部分水溶和全水溶的合成有機聚合物、不溶的金屬氧化物等組成,具有溫度穩定性,抗溫達204℃,可替代其他產品如部分水解聚丙烯酰胺、SPA、瀝青質、硬瀝青、乙二醇和聚合物絮凝劑;防漏堵漏劑主要用于大孔喉及裂縫地層