鉆井液文獻綜述-

1、甲酸鹽鉆井液和完井液體系研究進展張新明(2002100060工程技術學院2010級研究生1班摘要:回顧了用甲酸鹽體系進行油氣田鉆井和完井開發(fā)的歷史,綜述了甲酸鹽水的理化性能,重點介紹了甲酸鹽液鉆井完井液優(yōu)異特性的研究進展和趨勢。關鍵詞:鉆井液;甲酸鹽;儲層損害;測井1 動機與意義隨著鉆井新技術的發(fā)展,大斜度井、水平井、多支測鉆井尤其是小眼井深井的鉆井需求越來越高。在降低小眼井深井和裸眼完井中的摩阻、保護油氣層以及高溫穩(wěn)定性能等方面,對鉆井液和完井液提出了更高的要求。同時由于環(huán)境保護的日益加強,需要開發(fā)一種具有優(yōu)良特性的環(huán)境友好型鉆井液體系,而甲酸鹽體系在這些方面表現(xiàn)突出。我國于90年代初期引入

2、此項技術,并得到迅猛發(fā)展。90年代后期以來,甲酸鹽鉆井液和完井液在實際應用中獲得巨大成功,相繼開發(fā)出了不同類型、性能優(yōu)良的甲酸鹽流體13。用甲酸鹽水作為新型低固相鉆井液和完井液主要成分具有以下優(yōu)點45:(1可以隨意調(diào)節(jié)密度,一般不需添加重晶石,從而避免了重晶石沉降問題;(2在高溫下可保持添加劑的性能,具有很好的高溫穩(wěn)定性和極強的抑制性;(3可配制無固相鉆井液和完井液,潤滑性能好,降低扭矩和摩阻,從而提高鉆速、縮短鉆井周期、節(jié)約鉆探成本;(4對地層損害小,保護儲層效果好,并具有提高采收率、延長生產(chǎn)期的良好作用;(5腐蝕速率低,不產(chǎn)生應力腐蝕裂縫,并且可被生物降解,對生物的影響小;(6其中甲酸銫鹽

3、水可提高高溫高壓(HTHP氣藏的清晰度解釋51。2 歷史與現(xiàn)狀20世紀80年代中期,甲酸鹽鉆井液和完井液體系由殼牌公司研制開發(fā),相繼在世界各國和地區(qū)用于小眼井和連續(xù)管鉆井。1999年9月1,甲酸銫鉆井液首次在高溫高壓井中應用,殼牌公司在井底溫度高達185的Shearwater油田使用了密度為1.80g/cm3的甲酸鹽水作射孔液。同年,英國道達爾公司在Dunbar油田使用密度為1.90g/cm3的甲酸銫鹽水作完井液,并在隨后的一年中7次應用密度為2.19 g/cm3的鹽水作完井液和修井液。在2004-2007年間,北海挪威國家石油公司油田所鉆探的9個油區(qū)中有7個使用甲酸銫/鉀鹽水進行完井810。

4、現(xiàn)階段組成體系的甲酸鹽有甲酸鈉、甲酸鉀及甲酸銫,其鉆井液密度可分別達到1.34 g/cm3、1.60g/cm3和2.30 g/cm3。我國大港、大慶、青海等油田20余口井試驗應用了甲酸鹽鉆井完井液,井深為19003200m,提高了機械鉆速,縮短了鉆井周期,井陘規(guī)則,起下鉆無阻卡,固井質量優(yōu)質14,46。甲酸鹽成本較高,但其在復雜井眼和高溫高壓井中的實際應用證明從全井總成本看該體系是完全可行的。因此,能否推廣應用尚需進行全面效益評估后決定。3 甲酸鹽的理化性質3.1基本性質67甲酸鹽水是以堿金屬為陽離子的甲酸鹽水溶液,即甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫的水溶液。這些鹽分易溶于水,形成具有低結晶溫度的高密度

5、鹽水。油田上應用的三種甲酸鹽的化學結構見表1。甲酸鹽陰離子是羧酸類陰離子中親水性最強的基團,但是與鹵化物相比它保持了重要的有機特性。這種特性從甲酸鹽在有機溶劑中的溶解度可以看出,如甲醇和乙二醇。堿金屬陽離子(Na+,K+,Cs+都是單價的,使之與高分子聚合物有著獨特的兼容性,并且有助于避免儲層傷害。20下它們的溶解度見表17。表1 甲酸鈉、甲酸鉀和甲酸銫的基本性質名稱化學式化學結構20下溶解度溶液密度(g/cm3 (moles/L (% 甲酸鈉NaCHOO 9.1 46.8 1.33 甲酸鉀KCHOO 14.5 76.8 1.59 甲酸銫CsCHOO 2.30甲酸銫水合物CsCHOO·

6、;H2O10.7 83 2.30甲酸離子CHOO-3.2水活度不同純?nèi)軇┑娜芤壕哂胁煌奈锢硇再|。盡管甲酸鈉、甲酸鉀和甲酸銫鹽水都是水基的,它們卻與清水具有完全不同的性質。兩者之間的差異程度與溶液的“水活度”相關2122。泥頁巖與鉆井液之間的理化作用是影響泥頁巖穩(wěn)定性的關鍵因素,其中濾液向泥頁巖中的滲流是泥頁巖與鉆井液相互作用的一個主要表現(xiàn)。這會引起地層孔隙壓力的增加以及水化效應,嚴重時會導致井壁不穩(wěn)定,發(fā)生井下事故1320。利用平衡相對濕度法(ERH,卡博特公司位于英國亞伯丁的運營和技術支持實驗室通過實驗分別得到了甲酸鈉、甲酸鉀和甲酸銫的濃度與水活度之間的關系。甲酸鹽的水溶液水活度隨著甲酸鹽

7、濃度增加而迅速下降,因此甲酸鹽可以大幅度降低鉆井液的活度,從而有效防止井壁的坍塌。甲酸鹽水溶液的水活度與密度之間的函數(shù)關系見圖122。 圖1 25時甲酸鹽水不同密度下的水活度Figure 1 Water activity in single salt formate brines at 253.3潤滑性隨著大位移水平井的日益增多,低扭矩需求變得越來越重要24,25,28。因此,鉆井液的潤滑性也成為優(yōu)選鉆井液越來越重要的因素。利用BP公司側向負荷潤滑儀對甲酸鹽水進行測試,結果見圖223。正如所預期的那樣,甲酸鹽水的摩擦系數(shù)取決于它的濃度。高濃度時,甲酸鉀鹽水比油基泥漿的潤滑性要好。同時此次研究還

8、得出結論,潤滑性隨著粘度的增大而增強。值得注意的一點是這種關系僅適用于甲酸鹽水本身的粘度,而非流體的體積粘度。因此,簡單的增加一種甲酸鹽水的粘度并不一定能改善它的潤滑性。 圖2 不同密度甲酸鉀溶液中低碳鋼之間的摩擦系數(shù)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獻2627以淡水和海水中的水生生物為對象研究了甲酸鹽水溶液的毒性,同時也為了評價甲酸銫是否能取代作為一般用于高毒性溴化鋅鹽水體系,測試了包括溴化鋅的生物

9、毒性測試。此外對氯化鉀和乙酸鉀溶液的生物毒性也進行了實驗(見表2。從表中可以看出,甲酸鈉和甲酸鉀在大多數(shù)情況下屬于“無毒”;由氯化鉀和乙酸鉀的生物毒性可以看出,鉀離子對毒性的貢獻比甲酸根離子大;甲酸銫一般可以認作“無毒”或“幾乎無毒”,但在淡水海藻的測試中呈現(xiàn)“中等毒性”;溴化鋅溶液屬于“高毒性”或“中等毒性”。表2 敏銳水生物毒性試驗結果試驗生物NaCOOH KCH2COOH CsCOOH·H2O KCOOH ZnBr2KCl棕色河蝦6200 1800 91 1300 1000幼小比目6100 1900 260 1700 1800 魚幼體比目1400 7.6 魚彩紅色蛙>10

10、000 5100 2100 3500 4100用封閉瓶實驗(OECD 301D或的封閉瓶實驗(OECD 301D對甲酸鹽溶液進行生物降解特性實驗,結果見表3。實驗結果表明:甲酸鹽是可以生物降解的。表3 甲酸鹽的需氧生物降解實驗試驗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 甲酸鹽鉆完井液體系的應用4.1配伍性甲酸鹽是為油田的需要而開發(fā)的。它與油田常用的聚合物配伍性好,并能

11、減緩許多增粘劑和降濾失劑在高溫高壓下的水解和氧化降解速度26,29,30。常用的增粘劑黃原膠是一種典型有轉變溫度的聚合物。甲酸根離子導致轉變溫度升高,主要原因是甲酸根離子中可以和黃原膠中眾多的羥基在黃原膠的多糖鏈之間形成橋結,致使黃原膠抗溫性提高。在溫度穩(wěn)定的鉆井和完井液設計中,聚合物長期穩(wěn)定存在的溫度比轉變溫度或聚合物粘度下降的溫度點更為重要。無論是黃原膠轉變溫度的測量還是PAC 或淀粉的粘度持續(xù)下降的溫度點在確定鉆井液和完井液的穩(wěn)定性時并不合適。這些測量在溫度掃描1h后進行,而在一般鉆井液中,聚合物處于高溫的時間往往是一個更長的時間段。為了試驗鉆井液的抗溫能力,通常要求聚合物穩(wěn)定16h。老

12、化16h前后,聚合物的粘度或降濾失能力降低50%的溫度,就定義為16h的穩(wěn)定溫度。有試驗研究了3種聚合物在不同鹽基鉆井液中,經(jīng)歷16h后粘度和濾失能力降低較小的溫度(見圖314。從圖中可以看出,各種鹽液對黃原膠、聚陰離子纖維素及改性淀粉的高溫穩(wěn)定性的影響很相似,16h穩(wěn)定溫度大約比黃原膠的轉變溫度低25。 圖3 XC、PAC和淀粉的16h穩(wěn)定溫度4.2熱穩(wěn)定性甲酸鹽水設計的初衷是研發(fā)高性能高溫高壓鉆井和完井液38,并且自1996年以來已經(jīng)在超過150口高溫高壓井中使用3135。在巴基斯坦的Sindh地區(qū)的Miano和Sawan高溫氣田,為了應對177的井底溫度,采用了低固相甲酸鉀作為鉆井液與完

13、井液,顯示了高溫穩(wěn)定性,使得該井比計劃提前九天完成3637。利用甲酸鹽體系,北海的一口井的完井時間記錄為12.7天,根據(jù)Rushmore數(shù)據(jù)庫,這是在北海作業(yè)中迄今為止最快的高溫高壓井完井記錄4344。Jeff Seewald 博士把測試流體放在一個浸泡在充滿水的高溫高壓容器中的金質巖心試驗夾持器里,得到了甲酸鹽在兩種不同溫度和壓力下的分解量(見表445,并且從在伍茲霍爾進行的測試中得到了幾個非常有趣的結論3940:在實際水熱作用條件下甲酸鹽水的分解會比較快地達到平衡。甲酸鹽分解的主要產(chǎn)物是碳酸氫鹽,碳酸氫鹽已經(jīng)作為pH緩沖液的組成部分存在于甲酸鹽水中通過向鹽水中添加額外的碳酸鹽/碳酸氫鹽緩沖

14、液,可能會形成一種“熱穩(wěn)定”的甲酸鹽流體,這種流體只需要很小的分解度就會達到平衡。表格4 平衡時甲酸鹽水緩沖液的分解率Table 4 Amount of formate decomposition taking place in a buffered cesium formate brine before equilibrium is established溫度(壓力(MPa甲酸鹽分解率(%220 35.2 8.2270 41.4 134.3儲層損害甲酸鹽體系相比于其它鉆井液和完井液體系,最大的優(yōu)點在于它能夠有效地保護儲層,降低儲層傷害,提高產(chǎn)能,從而增加經(jīng)濟效益。巴西國家石油公司的Manat

15、i-6井應用了甲酸鈉和甲酸鉀鹽水作為無損傷性鉆井液和完井液來應對除砂的挑戰(zhàn),并且有報告稱該海上氣田為“巴西最高產(chǎn)的氣田,日產(chǎn)可達19.7MMm3/d的產(chǎn)能”50。有文章51總結歸納得出結論,甲酸鹽體系在油藏段鉆井可以降低表皮損傷,是增加產(chǎn)出保證的油田最佳的鉆井液體系。挪威國家石油公司報道稱Huldra油田有6口使用甲酸鹽水鉆井和完井的油井,每口的平均產(chǎn)油指數(shù)大約為1.9百萬立方英尺/天/磅。實際上,6口井中的三口井的產(chǎn)率就已經(jīng)達到穩(wěn)產(chǎn)要求,該公司的首席鉆井工程師稱由測試數(shù)據(jù)可以看出,甲酸鹽體系對于油井產(chǎn)率的貢獻最大,通過分別采用水基泥漿和油基泥漿進行地層傷害測試,證實甲酸鹽對地層傷害是最小。通

16、常的儲層損害機理在于兩個方面:一是固相侵入引起的地層損害;其二是由于形成沉淀而引起的地層傷害。甲酸鹽體系的高密度鉆井液和完井液不需要使用重晶石等固相加重材料,從而可以完全避免固相損害有的地層流體中含有硫酸鹽或碳酸鹽等二價鹽離子,當鉆井液濾液與地層流體接觸時就會形成沉淀物,而甲酸鹽體系中的堿金屬單價離子就可以避免這種地層傷害。對于甲酸鹽液的儲層損害機理進行系統(tǒng)的研究,但是已經(jīng)有大量實驗數(shù)據(jù)表明甲酸鹽體系相比于其它體系能夠更好地起到保護儲層的作用。2001年大慶油田用甲酸鹽鉆井液所鉆的13口井已進行7口井測試。甲酸鹽鉆井液與水基鉆井液保護儲層效果對比見表546。表5 甲酸鹽鉆井液與常規(guī)水基鉆井液保

17、護儲層效果對比井號鉆井液井段(mH(m油(t/dK×10(m2S肇10-62 常規(guī)1589.11597.0 2.1 2.09 24.6 -0.071 肇13-60 常規(guī)1571.41589.0 5.5 8.55 32.9 -0.22肇24-50 常規(guī)1534.61550.7 2.3 9.90 78.4 0.24肇24-43 常規(guī)1508.51520.3 3.4 5.70 34.6 0.15肇22-49 常規(guī)1534.81547.4 1.2 0.12 0.2 2.25肇9-39 甲酸鹽1559.11572.4 3.5 4.67 15.6 -1.58肇9-37 甲酸鹽1548.31565

18、.6 1.7 2.98 11.0 -0.48肇8-39 甲酸鹽1558.31567.3 1.6 6.95 72.6 0.93肇8-37 甲酸鹽1553.31569.9 4.7 13.4 194.0 1.79肇10-37 甲酸鹽1537.91557.6 5.3 9.02 49.5 -0.12肇11-39 甲酸鹽1553.81556.9 0.8 1.71 29.5 0.10肇11-40 甲酸鹽1558.41574.9 1.6 6.40 40.7 0.09 從表中可以看出,用甲酸鹽鉆井液鉆的井的產(chǎn)量高于水基鉆井液的井,表明甲酸鹽鉆井液是利于保護儲層的體系。4.4抗污染4649研究表明固相污染對甲酸鹽

19、鉆井液體系只有輕微影響,對固相污染的抵抗能力要比油基鉆井液和仿油基鉆井液效果好。鉆井液抗固相污染的強弱不僅說明體系抑制性的強弱,而且直接關系著鉆井液的抑制造漿能力和鉆井液密度的控制。實驗用5%氯化鈉鹽水來模擬泥漿受鹽水侵。結果顯示,鹽水導致密度降低,粘度切力下降,失水上升,pH略微升高,性能惡化。在加入甲酸鹽、增粘劑和降失水劑之后性能基本恢復。同時,還有實驗表明甲酸鉀很適合于鎂灰?guī)r地層鉆進,具有一定的抗鈣、鎂污染的能力。4.5測井解釋在氣井使用甲酸銫鉆井液體系可以使得電測井法以及鉆進測井(LWD的解釋得到加強,其重要的特點在以下兩個方面:可使得那些含有移動性的油氣巖層的解釋更清晰;可以對巖層結

20、構以及油藏沉積相具體產(chǎn)生準確的模擬性等有更清晰地解釋。甲酸銫鹽水由于其低固相含量,理想的聲學測量媒介以及高清晰度的電阻呈像測井性能使其成為傳導性鉆井液。甲酸銫易于得到高質量的測井圖像使得其更易于得到厘米級數(shù)值,更易于對重要的地質模型模擬,對沙體的成因等提供更重要的信息(見圖452。這種信息使得更高級的油藏模擬模型變?yōu)榭赡堋＜姿徜C鹽水在所有高溫高壓鉆井液體系中最具獨特性,其具有的高密度性(高達 2.30 g/cm3 區(qū)間使得其具有穿過截面光照相的能力高達259 barns/elec。井眼段泥漿慮失的油藏侵入性更容易通過核子錄井工具探測到,其性能要遠比普通巖性和地層液的探測背景易于探測。 圖4 F

21、MI由甲酸銫鹽鉆井液體系獲得的電阻系數(shù)圖,顯示誘鉆型壓裂泥巖切片在井眼50厘米長的細微的結構。甲酸銫失水的侵入性可為光電錄井提供好的效果,可為泥漿與井眼效能;泥漿慮失的侵入以及失水飽和度的預測等密度矯正曲線等發(fā)揮極為有用的作用。也可更理想的為砂巖浸透性定位。結合光電效果與高垂直顯像的電阻率測量對鉆通器以及擴眼器等LWD錄井帶來極為可靠和準確的油藏精度解釋(見圖552。 圖5 LWD鉆通器(P16_1與擴眼器(P16_2在電阻測井的反應以及光電效果5 結論1.用甲酸鹽體系高密度鉆井液和完井液可以避免重晶石沉降問題,有利于井眼控制。2.用甲酸鹽體系作為新型無固相或低固相鉆井液,能夠有效降低儲層傷害

22、,提高油氣井產(chǎn)能。3.使用甲酸銫流體的隨鉆測井可以得到更準確的有效儲層精度和更好的地質模型。甲酸銫的光電效應帶來的測井解釋的新方法是當前研究的熱點。參考文獻1徐同臺, 鉆井液與完井液, 2007, 24(1:61-70.2樊世中, 石油鉆探技術, 2005, 33(1:1-5.3徐同臺, 等. 鉆井液與完井液, 2000, 17(6:30-37.4蔣國盛, 等. 西南石油大學學報(自然科學版, 2009, 31(5:125-129.5趙忠舉, 等. 鉆井液與完井液,2005,22(4:60-71.6Rosana F. T. Lomba, Carlos H. M. de Sa, Edimir M

23、. Brandao. Journal of Energy ResourcesTechnology, 2002, 124:141-144.7Lee J.D. Chemical Engineering Science, 2006, 61(5:1368-1376.8 Berg, P.C. et al. 2007, SPE105733.9Pedersen, B.K., Pedersen, E.S., Morris, S., Constable, M.V. 2006, SPE103067.10Syltøy, S., Eide, S.E., Torvund, S., Berg, P.C, Lar

24、sen, T., Fjeldberg, H., Bjørkevoll, K.S.,McCaskill, J., Prebensen, O.I., Low, E. 2008, SPE114484.11楊俊貞, 黃達全, 等. 鉆井液與完井液, 2004, 21(5:40-42.12李志勇, 鄢捷年, 王建華, 等. 石油鉆探技術, 2006, 34(5:34-38.13Downs J.D. Shell Research BV, 1993:267-279.14陳樂亮, 等. 鉆井液與完井液, 2003, 20(1:31-36.15 Downs J.D., Killie S, W hale

25、 G.F., et al. Shell International Petrology M IJ B, 1994:419-428.16羅鳳芝, 等. 鉆采工藝, 2010, 33(5:131-132.17Howard S K. Shell Research BV, 1995:483-496.18Paul H. Jvora, Mingjie Ke, Richard F. Stevens, Sandra L. Berry. 2003, SPE80211. 19Messler, D. , Kippe, D. , Broach, M. 2004, SPE86503. 20李益壽, 等. 吐哈油氣(TU

26、HA OIL & GAS, 2006, 11(4：352-356. 21Pelletier, M.T. Westport Technology Center International, 1998. 22Cabot Operations and Technical Support Laboratory in Aberdeen, UK, 2006. 23Pingitzer, G. Master Thesis, University of Leoben, 2009. 24廖天彬, 蒲曉琳, 羅興樹, 匡韶華, 等 . 鉆井液與完井液, 2010,27(4：26-28. 25胡德云, 鉆井液

27、與完井液, 2001,18(1：6-11. 26D. Messler, D. Kippie, M. Broach, M-I, D. Benson. 2004, SPE86503. 27Howard, S.K., Houben, R.J.H., Oort, E., Francis, P.A. Shell Report SIEP 96-5091, 1996. 28黃達全, 等. 鉆井液與完井液, 2003, 20(2：28-30. 29Powell, J.W., Stephens, M.P, Seheult, J.M., Sifferman, T., and Swazey, J. 1995, SP

28、E29408. 30Toups, J.A., Goldenberg,I., Vasquez, W. Westport Technology Center International, Reprot #R-04-105, 2004. 31Michael Byrne, John Downs, et al. 2002, SPE73766. 32D. Bungert, Mobil EEG, S. Maikranz, R. Sundermann, J. Downs, et al. 2000, SPE59191. 33Downs, J.D. 1992, SPE24973. 34Howard, S,K. 1

29、995, SPE30498. 35周光正, 陳遠數(shù), 王思友, 孫秀軍, 等. 2002, 19(2：15-18. 36Downs,J.D., Blaszczynski, M., Turner, J., Harris M. 2006, SPE99068. 37Akiya, N., Savage, P.E. AIChE Journal, 1998, 44(2：405-415. 38蔣國盛, 等. 地球科學(中國地質大學學報, 2009, 34(6：1025-1029. 39McCollom, T.M. and Seawald, J. Geochemical et Cosmochimica Acta, 2003, 67(19： 3625-3644. 40Maiella, P.G., Brill, T.B., J. Phys. Chem. A. 1998, 102：5886-5891. 41虞海法, 左鳳江, 等. 鉆井液與完井液. 2008, 25(5：75-76. 42李志勇, 等. 中國海上油氣, 2005,17(5：337-341. 43Oswald, R.J., Knox, D.A. and Monem, M.R. 2006, SPE98391. 44