环保型钻井液论文.doc

1 环保型成膜水基钻井液技术研究与应用 吴明强 中石化华东石油局钻井工程公司 江苏镇江 212003 摘要 摘要 为了切实做好油气勘探开发中保护生态环境和生产环境 防治污染 实现生产与环境的协调发展 是在 十一五 期间努力的奋斗目标 本文通过室内实验研究 围绕研制的环保型成膜水基钻井液与完井液体系 能否满 足环保和钻井工程的要求 以研究分析苏北新生代易塌地层井壁失稳及储层损害机理为切入点 开展了对环保型钻井 液处理剂及体系优选试验等 研制了适合苏北新生代易塌地层井壁稳定与油层保护的环保型成膜水基钻井液与完井液 体系 并成功地在苏北金湖地区新生代地层进行了两口井 腰 27 井 腰 28 井 的现场试验 通过室内实验研究和现 场应用表明 环保型成膜水基钻井液与完井液体系 达到国家环保排放标准 EC50 30000mg L 指标 并解决了易塌地层 井壁失稳和油气层保护等工艺技术难题 形成了一套适合苏北新生代地层的环保型钻井液与完井液工艺技术 取得良 好的经济和社会效益 表明该项技术成果有着良好的推广应用前景 关键词 关键词 环保型钻井液 室内实验 井壁失稳 储层保护 现场试验 工艺技术 九五 十五 期间 钻井公司钻井液技术取得了长足的进步和可喜成果 钻井液工艺技术能满 足江苏工区钻井工程要求 但是随着人们对环保意识增强 而目前使用的钻井液体系及产生的废液 固体废弃物排放不符合国家标准 石油勘探开发污染物生物毒性分级 GB 18420 1 2001 规定要求 必须按环评规定中对污染物排放或无污染处理 以达到环保要求 实现节能减排和可持续发展 因此 开展环保型钻井液体系研究与应用具有十分重要意义 1 1 技术难点分析技术难点分析及技术思路及技术思路 随着苏北油田勘探开发领域的不断扩展 新的技术难题相继出现 例如 在老油田开发过程中由 于低渗储层的压力衰竭 采用以注水的方法来提高采收率 造成深井长裸眼井段地层压力系统紊乱 使易垮塌的裂缝发育地层 破碎或弱胶结性地层的井壁失稳问题越来越复杂化 钻井施工中井壁垮塌 井涌 井漏 储层损害等复杂问题时有发生 研究表明 采用传统的工艺技术难以同时解决所出现的 复杂问题 这就需要从新的角度 在一定程度上突破传统钻井液的概念和原理 探索开发新型钻井液 体系及其处理剂 才有可能解决这些技术难题 1 11 1 技术难点分析技术难点分析 研究开发环保型钻井液体系 并不是特别困难的技术问题 而要同时解决钻井过程中井眼不稳定 和油气层损害问题等 将会面临以下技术难点 必须对复杂地层的井眼不稳定机理和油气层损害机理认识清楚 稳定井眼和保护油气层技术对策 优选技术性能好 无毒 对环境友好的钻井液处理剂 优选稳定井眼与保护油气层的钻井液新体系 制定科学合理的处理剂及体系的评价技术 钻井液工艺技术必须有效协调解决环境保护 井眼稳定和 油气层保护问题等 1 2 技术思路技术思路 2 针对以上技术难点分析 室内实验研究主要围绕着钻井液和完井液的环境保护 井壁稳定功能和 油层保护功能进行 以研究分析苏北新生代易塌地层井壁失稳及储层损害机理为切入点 开展了对环 保型钻井液处理剂及体系优选试验等 研制了适合苏北新生代易塌地层井壁稳定与油层保护的环保型 成膜水基钻井液与完井液体系 根据室内各项实验研究为依据 确定钻井液和完井液体系配方及性能 制定钻井液与完井液现场施工设计及工艺技术要点 通过现场实施验证 最终形成一套适合苏北新生 代地层的环保型钻井液与完井液工艺技术 2 2 苏北新生代井壁失稳及油气层损害原因分析苏北新生代井壁失稳及油气层损害原因分析 2 12 1 苏北新生代井壁失稳原因苏北新生代井壁失稳原因分析分析 根据前期研究和现场钻井实践 江苏金湖和溱潼地区新生代地层井壁失稳主要发生在戴一段下部 阜四段 阜二段硬脆性泥页岩地层 坍塌形式为剥落掉块 上部三垛组地层软泥岩主要表现为水化膨 胀和分散特征 井壁失稳的主要原因通过 X 射线衍射矿物组成分析认为 粘土矿物总量及伊 蒙混层 中膨胀层矿物绝对含量高 另外泥页岩电镜结构特征分析结果表明 阜四段和阜二段泥岩的水平层理 发育明显 颗粒间孔隙和微裂缝较为发育 次生微裂隙间具有连通性 为泥页岩水化提供足够的水化 空间 导致泥页岩易水化失稳的根本原因 其次原因是钻井液当量密度低于地层垮塌压力 孔隙压力 造成井壁失稳 2 22 2 苏北地区储层损害机理分析苏北地区储层损害机理分析 通过室内实验和评价就苏北地区对储层的损害机理有以下几方面 钻井液滤液水敏和碱敏损害 从钻井液滤液对储层的损害方面来看 钻井完井液中的水和碱对储层的损害主要表现为较强的水 敏损害和中等碱敏损害 因为三大区块含有水敏矿物伊利石和伊 蒙混层 另外储层中含有大量的长石 和地层水含有一定量的钙镁离子 从而导致存在碱敏 pH 值临界值为 9 10 钻井液处理剂对储层的损害 处理剂进入储层后 主要是通过在储层的裂缝和孔喉表面上吸附 形成吸附膜降低裂缝的有效宽 度和孔喉的有效直径 从而造成储层损害 由前期实验结果可知 处理剂的损害程度与其种类的关系 很大 有的高分子聚合物 如 PHP CMC 损害率要大一些 大于 40 造成损害的主要原因是 处理剂 中含有有机高分子聚合物 这类处理剂由于其分子量大 分子链长 形成的吸附膜比较厚 使裂缝宽 度和孔喉有效直径降低的幅度大 因此对储层的损害严重 钻井液中固相颗粒对储层的损害 在压差作用下 小于储层孔隙尺寸和裂缝宽度的固相颗粒进入储层 在孔喉或裂缝的窄小处发生 堵塞而产生损害 其损害程度主要取决于储层的裂缝宽度及分布 孔喉大小及分布 钻井液的固相颗 粒大小及分布 压差的大小以及外泥饼的形成速度和质量 由前期研究结果可知 膨润土对储层的损 害程度较强 伤害率平均在 70 左右 这是因为 储层的孔喉直径和裂缝宽度主要在 0 1 lO m 范围 内 有少部分有几十微米 人工钠膨润土在泥浆中分散较细 大多数膨润土颗粒的粒径可小到几微米 3 甚至小于 1 m 在正压差作用下这些颗粒容易侵入储层的裂缝和孔喉 造成严重损害 综上所述 苏北地区储层的潜在损害因素是强水敏 中等碱敏 固相细颗粒侵入是主要损害因素 因此 对储层保护的对策是必须立足于提高钻井液的抑制性 保持钻井液滤液 pH 值适当 阻止钻井 液细颗粒侵入储层 另外 保持适当压差 减少钻井液浸泡油气层的时间 因此 针对苏北地区储层 特点 研制应用低损害钻井液体系是钻井过程保护油气层的首要问题 3 3 环保型成膜水基钻井液室内实验研究环保型成膜水基钻井液室内实验研究 3 13 1 成膜水基钻井液防塌作用机理简介成膜水基钻井液防塌作用机理简介 环保型成膜水基钻井液体系由无毒成膜处理剂组成 与以往钻井液体系相比 该体系防塌和储层 保护的主要作用机理是 其一 利用成膜防塌剂在井壁上形成一层纳米级物理隔离膜 进而形成化学 半透膜 在井壁的外围形成保护层 阻止水及钻井液进入地层 从而有效地防止地层水化膨胀及分散 增强井壁稳定 其二 利用体系中的成膜封堵剂粒子粒度选择对地层裂隙和储层保护进行有效的屏蔽 暂堵 架桥粒子 同时具有防止井漏的独特功能 进一步提高了井壁稳定性 其三 利用体系中的成 膜润滑剂 无毒 无荧光 解决润滑防粘卡的同时 增加了储层保护 填充粒子 功能 对储层保护 进一步加强 结合目前国内外有关资料 成膜处理剂为两大类 一类为封堵型成膜剂 典型代表为硅酸盐 这 类成膜剂的作用机理是通过堵塞地层孔隙增加页岩的尺寸控制作用 进而提高页岩的膜效率 另一类 为吸附性成膜剂 典型的为甲基葡萄糖甙 这类成膜剂应具有适当的尺寸 以便能进入地层孔隙 同 时还能在孔隙表面有效吸附 形成一层吸附层 通过对两类成膜剂的成膜作用机理和分子结构特点分析 优选出了同时具有封堵和吸附作用的新 型水基钻井液成膜防塌剂 CMF 102 3 23 2 成膜防塌剂成膜防塌剂 CMF 102CMF 102 性能评价性能评价 3 2 1 成膜防塌剂 CMF 102 岩心浸泡实验 岩心制备 取安丘膨润土 20g 在 8MPa 下压 10min 将岩心分别浸入不同试液中 观察岩心随时 间的变化情况 结果见表 1 表 1 岩心浸泡实验 序号 试液现 象 1水5min 少量剥落 3h 完全解体 2 2 KCl 1min 少量剥落 2h15 完全解体 32 甲酸钾3min 少量剥落 6h 完全解体 4 1 5 53 3min 少量剥落 2h30 完全解体 5 1 5 CMF 102 3min 边缘少量翘起 24h 产生裂纹 几天后仍未剥落 6 1 5 JX 3min 少量剥落 2h40 完全解体 由表 1 可以看出 用成膜剂 CMF 102 溶液浸泡的岩心明显比用其它试液浸泡的岩心稳定 几天后 仍未剥落 且用 CMF 102 溶液浸泡的岩心表面很硬 表明 CMF 102 能在岩心表面形成一个保护膜 从 4 而阻止水进入 3 2 2 成膜防塌剂 CMF 102 岩屑回收率试验 实验结果见表 2 表 2 岩屑分散回收率试验 试液 岩屑回收率 试液 岩屑回收率 自来水 10 8 1 甲酸钾 混合液 34 6 2 CMF 102 水溶液 57 9 2 甲酸钾 混合液 36 0 2 JX 水溶液 15 2 2 KCl 混合液 46 3 3 CMF 102 水溶液 61 0 5 KCl 混合液 45 1 3 JX 水溶液 21 2 2 CMF 102 2 甲酸钾 混合液 88 9 混合液 50 水 50 海水 11 2 2 JX 2 甲酸钾 混合液 50 2 2 CMF 102 混合液 72 2 3 CMF 102 2 甲酸钾 混合液 89 9 3 CMF 102 混合液 78 9 3 JX 2 甲酸钾 混合液 57 8 由表 2 可以看出 CMF 102 具有很强的抑制性 与盐配合使用 效果更佳 3 33 3 环保型成膜水基钻井液配方优化研究环保型成膜水基钻井液配方优化研究 在成膜防塌剂 CMF 102 研制成功的基础上 通过与其它处理剂的配伍性实验 成功研制出具有良 好流变性和滤失性 较强抑制性和封闭性的成膜水基钻井液配方 3 3 1 成膜水基钻井液处理剂优选 根据苏北油田坍塌地层的地质特点及处理剂应用情况 结合我们多年来对国内外处理剂评价及使 用情况 首先对处理剂单剂抑制性进行了评价 部分实验结果见表 3 表 3 处理剂回收率实验结果 类型处理剂名称加量 回收率 水自来水 30 5 PMHA 2 复合两性离子聚合物 0 394 7 KPAM 0 391 8 CMF 102294 6 PVA 3285 9 醇类 聚合醇 PLG 291 9 KFT 1 改性有机硅腐殖酸钾 266 6 PA 2287 8 防塌降滤失类 PA 1245 9 由表 3 可以看出 在所实验的 3 种大分子中 PMHA 2 抑制性好于 KPAM 故初步选定 PMHA 2 为抑 制包被剂 3 种醇类产品都具有很好的抑制作用 相比而言 CMF 102 抑制性最好 同时考虑到其良好的成膜 性 故优选 CMF 102 为改性醇类成膜防塌剂 在所评价的 3 种防塌降滤失类产品中 PA 2 回收率最高 抑制性较好 在考虑处理剂抑制性的同时 处理剂对钻井液其它性能的影响也是优选处理剂应考虑的重要因素 之一 为此我们又进行了处理剂对钻井液性能的影响评价 实验结果见表 4 5 表 4 处理剂对钻井液性能影响 序号成 分 AV MPA S PV MPA S YP PA FLAPI ML 1 基浆 123 58 520 8 2 基浆 2 CMF 102 103719 6 3 基浆 0 3 PMHA 2 18 5126 512 0 4 基浆 0 3 PMHA 2 2 SMP 239149 2 5 基浆 0 3 PMHA 2 2 PA 2 6429 2 6 基浆 0 3 PMHA 2 2 KFT 1 5 541 58 8 从表 4 可以看出 CMF 102 和 PA 2 对钻井液粘切影响很小 PA 2 和 KFT 1 具有明显的降粘切作用 SMP 具有一定的增粘作用 PA 2 PMHA 2 SMP 和 KFT 1 均具有明显的降滤失作用 3 3 2 成膜水基钻井液配方优选 在单剂筛选的基础上 进行了钻井液配方的优选结果 配方 A 基浆 0 2 PMHA 2 0 4 NH4PAN 2 PA 2 2 KFT 1 2 SMP 1 2 CMF 102 2 CMD 201 1 0 CMR 301 配方 B 基浆 0 2 PMHA 2 0 4 NH4 PAN 2 PA 2 2 KFT 1 2 SMP 1 2 CMF 102 2 SAS 1 0 CMR 301 3 43 4 成膜水基钻井液优选配方综合性能评价成膜水基钻井液优选配方综合性能评价 3 4 1 砂层渗透性实验 为了评价优选配方的封堵能力 特别是对高渗透地层的封堵能力 采用渗透测试仪考察了优选配 方对砂层 20 40 目石英砂 的渗透性能 实验结果 CMF 102 具有一定的封堵作用 实验结果可以看 出 磺化沥青和非渗透剂 CMD 201 加入后 钻井液的封堵能力大大增强 砂层完全被堵住 30min 内 钻井液漏失为零 但从侵入深度来看 CMD 201 的封闭砂层能力要好于磺化沥青 优选配方均能在较 短的时间内形成了有效封闭层 3 4 2 抑制性评价 为了评价优选配方的抑制性能 选用阜二段岩屑进行滚动分散实验 实验结果见表 5 表 5 配方抑制性能对比评价结果 序号配 方回收率 1 蒸馏水 31 99 2 配方 A 基浆 0 2 PMHA 2 0 4 NH4PAN 2 PA 2 2 KFT 1 2 SMP 1 2 CMF 102 2 CMD 201 1 0 CMR 301 98 90 3 配方 B 基浆 0 2 PMHA 2 0 4 NH4 PAN 2 PA 2 2 KFT 1 2 SMP 1 2 CMF 102 2 SAS 1 0 CMR 301 98 79 由实验结果可知 优选配方的回收率明显高于蒸馏水的回收率 且回收率均在 95 以上 说明优 选配方具有良好的抑制泥页岩分散的特性 3 4 3 成膜效果对比评价 实验结果见表 6 6 表 6 钻井液成膜性能评价 配 方膜效率膜效率提高率 基浆钻井液 0 081 配方 A 基浆 0 2 PMHA 2 0 4 NH4PAN 2 PA 2 2 KFT 1 2 SMP 1 2 CMF 102 2 CMD 201 1 0 CMR 301 0 185128 4 配方 B 基浆 0 2 PMHA 2 0 4 NH4 PAN 2 PA 2 2 KFT 1 2 SMP 1 2 CMF 102 2 SAS 1 0 CMR 301 0 178119 8 对比表 7 可以看出 阜宁组岩心具有一定的半透膜特性 膜效率为 0 072 基浆钻井液与岩心作 用后膜效率为 0 081 而岩心与优选配方作用后 其膜效率明显提高 分别达 0 178 和 0 185 说明优 选配方具有很好的成膜作用 3 4 4 保护油气层性能评价 为了评价优选配方的保护油气层性能 进行了油气层损害程度评价实验 实验条件 岩样污染压力为 3 5MPa 污染温度为 120 污染时间为 2h 实验结果见表 7 表 7 渗透率恢复实验数据表 岩心号 气测渗透率 10 3 m2 污染前渗透率 10 3 m2 污染后渗透率 10 3 m2 渗透恢复率 192 7061 2552 6385 9 277 3155 6949 0688 1 从表 7 评价结果可以看出 岩心的渗透率恢复率较高 说明优选的钻井液具有很好的保护油气层 作用 3 4 5 环保性能评价 按国家标准采用生物毒性检验方法 测试了所用钻井液处理剂及优选配方的生物毒性 测试结果 见表 8 表 8 生物毒性测试 处 理 剂浓度 EC50 mg L 毒性分级 PMHA 20 5 105无毒 KFT 12 0 105无毒 SMP 12 0 105无毒 NH4PAN2 0 105无毒 CMF 1023 0 105无毒 CMD 2012 0 105无毒 CMR 3012 0 105无毒 基浆 0 2 PMHA 2 0 4 NH4PAN 2 PA 2 2 KFT 1 2 SMP 1 2 CMF 102 2 CMD 201 1 0 CMR 301 1 14 105 无毒 对照表 9 由表 8 实验结果可以看出 配方所用的处理剂均属于无毒类处理剂 优选的配方无毒 中国石油环境监测总站检测 符合环保要求 表 10 油田化学剂及钻井液生物毒性分级 Q SY 111 2004 毒性分级剧毒重毒中毒微毒无毒 7 EC50 mg L 11 1000101 10001001 25000 25000 4 4 现场应用现场应用及效果及效果 通过室内实验研究 环保型成膜水基钻井液与完井液各项技术指标均达到了设计要求 为验证室 内实验研究的可行性 分别在苏北金湖地区进行了二口井的现场试验 4 1 试验井腰试验井腰 2727 井 腰井 腰 2828 井施工概况井施工概况 4 1 1 腰 27 井施工概况 腰 27 井设计井深 3089 45m 钻至井深 2319 06m 因戴南组钻遇良好油层 经电测井后决定提前完 井 完钻井深 2319 06m 下 139 7mm 油层套管固井 全井使用成膜防塌钻井液 在整个施工作业过 程中安全顺利 4 1 2 腰 28 井施工概况 腰 28 井设计井深 2994 58m 钻至井深 203m 下入 244 5mm 表层套管 201 58m 直井段 203 1950m 自 1950m 定向造斜 完井井深 2994 58m 最大井斜 22 80 井底位移 378 64 m 该井 钻至井深 2319 m 因戴南组有油气显示 提钻进行中途测井 测井结束后决定继续钻进 钻至设计井深 2994 58 m 电测井 下 139 7mm 油层套管 本井钻井仅用 19 天时间 创江苏工区同类井最高纪录 本井与腰 27 井相比钻遇阜宁组地层 334 58m 钻井过程中井眼稳定 充分验证了该钻井液体系防塌效 果 4 2 现场钻井液维护处理要点现场钻井液维护处理要点 一开钻井液性能维护 上部地层比较松软 且有流砂层 使用 60m3预水化膨润土浆钻井液开钻 钻井液性能调整方法 用适量降失水剂 控制滤失量 二开钻井前 先在循环罐中用 CMF 102 PMHA NH4HPAN 按 300Kg 100 Kg 200 Kg 的比例 配成 18m3胶液 配制新浆 60m3备用 用一开剩余钻井液 约 50m3 钻水泥塞结束 二开钻井液性能维护 二开后 盐城组 三垛组 开始补充复合聚合物胶液 每钻进 100m 补充复 合胶液 4m3 并用铵盐溶液 0 5 控制钻井液粘度及滤失量 钻进至三垛组下段及戴南组上段 钻井中润滑剂必须达到设计加量 维持钻井液的低滤失量和良 好润滑性能 以防止井眼缩径及粘附卡钻 钻至戴南组下段进入阜宁组前 100m 在循环罐中用按 400Kg 100Kg 200Kg 的比例 配成 18m3胶液 每钻进 100m 补充复合胶液 6m3并用 PA 2 溶液 0 5 控制钻井液粘度及滤失量 钻开油层前 50 100m 开始转换屏蔽暂堵型钻井完井液 在 2 3 个循环周内加入成膜封堵剂 CMF 102 超细碳酸钙 QS 2 QS 4 达到设计量后调整钻井液粘度至设计要求 钻进时每班需补充一定量 的 CMF 102 QS 2 QS 4 主要油层保护材料 以保持完井液体系始终满足油层保护要求 完钻前 必须提前 50m 调整钻井液性能 钻至设计井深后将井眼冲洗干净 然后短起下钻后再提 钻进行测井 通井及下套管前维护处理同前 以保证完井作业顺利进行 4 3 现场实施效果 腰 27 井 腰 28 井在施工中较好地解决了钻井过程中的井壁稳定 摩阻控制 井眼净化及产层保 8 护等技术难题 配合了钻井工程的正常施工和特殊作业 环保指标符合国家排放标准 达到了理想效果 二口井因井塌造成的划眼事故时间为零 腰 27 井 腰 28 井井径平均扩大率分别为 1 91 6 96 邻 井腰 24 井 7 99 腰 25 井 9 24 为提高井身质量及固井质量创造了条件 二口井完井电测井一次 成功率为 100 保护油层效果良好 腰 27 井于 2007 年 1 月 11 日正式投产 日产原油自喷 20t 成本 低于邻井 现场施工工艺简单 易于维护和推广应用等优点 5 5 结论结论 5 1通过室内实验研究及现场应用 环保型成膜水基钻井液体系配方所用的处理剂均属于无毒类处 理剂 优