摘要 近兩年,國外鉆井液和完井液技術(shù)有了新的進展,特別是在防止油氣層損害、井壁穩(wěn)定、新型鉆井液的研制以及鉆井液的設(shè)計和鉆井液的管理等方面,為提高鉆井效率、油井產(chǎn)能和可采儲量起到了很大的作用。對國外鉆井液和完井液技術(shù)的新進展進行了綜述。

 

  關(guān)鍵詞:鉆井液 完井液 防止地層損害 井壁穩(wěn)定鉆井液管理防止油氣層損害11地層損害的新機理[1]

 

  地層損害存在于許多油井生產(chǎn)的始終。微粒運移,粘土礦物水化、膨脹分散,無機垢、瀝青質(zhì)和其它有機沉淀物等都對地層產(chǎn)生損害。為了消除各種作業(yè)過程中對油氣層的損害,采用化學解堵,如吸附型垢的擠壓處理(用膦酸類的除垢劑)、在致密的碳酸鹽地層用互溶劑處理水鎖、在砂巖地層用土酸(HCl與HF的質(zhì)量比為12B3)清除濾餅等。這些處理原本是用來解除地層損害的,但若在解堵過程中實施措施不當,又會對地層造成新的損害,導(dǎo)致許多井在生產(chǎn)中產(chǎn)量下降。

 

  (1)除垢時造成的地層損害 用膦酸作除垢劑時,由于和地層離子作用造成了新的損害。在砂巖地層,離子主要來源于泥巖、赤鐵礦、菱鐵礦、鐵白云石和硫化鐵。新的地層損害發(fā)生后,可用與鹽酸互溶的溶劑或是水潤濕性表面活性劑處理。在現(xiàn)場應(yīng)用前(尤其是在砂巖地層應(yīng)用時),測試除垢劑與儲層流體、巖石的配伍性是相當重要的。

 

  (2)砂巖地層中用土酸處理濾餅造成的地層損害 這類損害主要由含鋁化合物沉淀造成。使用土酸處理濾餅時,處理液中含有較高濃度的鋁,此時pH值在3~4之間,殘余酸就逐步與粘土礦物和長石(Al-Si)作用生成鋁氟化合物垢AlFx(OH)3-x。這類垢可用HCl除去。土酸中兩種酸的比例要適宜,并保持低的pH值,才可以減小鋁氟化合物沉淀。

 

  (3)清除水鎖時產(chǎn)生的地層損害 在生產(chǎn)作業(yè)中向地層注入大量液相,會引發(fā)油氣井的諸多問題。

 

  液相在近井地帶聚集,由于相對滲透率的影響,會降低油井產(chǎn)率;在致密地層,由于毛細管力的作用,液相被封閉在孔喉處,導(dǎo)致水鎖。處理水鎖最常用的方法是用表面活性劑和互溶劑來減小表面張力(氣井中)和界面張力(油井中)。近幾年,在北海引入了新型互溶劑來處理致密碳酸鹽地層的水鎖問題。在現(xiàn)場應(yīng)用前必須進行大量的室內(nèi)研究,從理論上講,純?nèi)軇┖退芟嗨?有利于降低近井地區(qū)水的飽和度。然而,配伍性試驗卻表明,這種溶劑將引起水溶性的鹽和CaSO4的沉淀。因CaSO4不溶于酸,所以就引起了新的儲層損害,要除去這類垢需用價格昂貴的螯合劑。

 

  21使用微觀流體裝置研究地層損害[2]

 

  近年來,在室內(nèi)化學試驗中使用了一些小型儀器。這種流體流動和化學作用微觀化稱為微觀流體學。在小型儀器中,化學分析的微觀化和換算決不是僅僅縮小常規(guī)試驗儀器的刻度問題,例如流態(tài)和流動分散等現(xiàn)象,雷諾數(shù)對層流轉(zhuǎn)換為紊流是宏觀概念,在微觀流體裝置的小刻度腔室里,流體的流動始終低于紊流的門限值(即雷諾數(shù)大于1),其結(jié)果是在微尺寸腔體內(nèi)的混合試樣只有經(jīng)過空間分散和擴散才能發(fā)生流態(tài)的轉(zhuǎn)變。在微觀流體裝置中,普遍使用兩種流體傳送方法)))壓力驅(qū)動流和電滲作用,流動可以用Hagen-Poiseuille定律描述。在微腔室內(nèi),粘度曲線呈拋物線型。

 

  一般情況下,用熒光測量方法預(yù)測分子含量,而微觀流體學裝置可以使用熒光分光方法確定精度達1@10-9的微量分子含量。在分析鉆井液、完井液和井內(nèi)產(chǎn)出液時,由于流體的pH值為0~12,干擾參數(shù)較多,使計算的復(fù)雜性增加。例如,在pH值等于7的水溶液中所有的有機分子都具有染色性,而當用氫氧化物把溶液的pH值提高到7以上時,鋅和鈣等離子具有發(fā)生沉淀的趨勢,所以微觀流體學確定鉆井液、完井液和產(chǎn)出液的離子濃度時,要將各種因素考慮在內(nèi)。

 

  2004在開發(fā)現(xiàn)場應(yīng)用樣機時,要選擇具有測量氯、鋅和鈣離子含量能力的微觀流體學裝置。氯的濃度對鉆井液和完井液是至關(guān)重要的;鋅是重要污染物,對環(huán)境保護來說,隨時確定鋅的含量很重要;而鈣的含量要達到適當程度,因為鈣有發(fā)生沉淀的可能性并且會因沉淀而損害油層。殼牌勘探和開發(fā)技術(shù)公司研制的微觀流體學裝置可以精確地測量氯、鋅和鈣的含量。利用微觀流體學裝置可以在現(xiàn)場迅速進行大量分析,防止發(fā)生不必要的地層損害。

 

  31無損害鉆井[3]

 

  無損害鉆井的目標是打出損害接近于零的油井,是一種將巖石滲透率的損害降低到最低程度的鉆井方法。在過去的幾年中,欠平衡鉆井日益普及,但是在很多情況下,由于經(jīng)濟和技術(shù)原因而不能使用欠平衡鉆井,只能使用近平衡和過平衡壓力的鉆井液。Ecopetral公司研制出了一種新型無侵入鉆井液,填補了這一空白。在某些情況下,欠平衡鉆井的效果不好,其原因是在篩選方法時沒有考慮所有的因素。目前已有9個欠平衡鉆井失敗的實例,并不是說欠平衡鉆井技術(shù)不好,而是所選的油層不合適。

 

  目前,在南美洲和亞洲已進行了無損害鉆井的現(xiàn)場研究。使用傳統(tǒng)的鉆井液,很難達到無損害鉆井。如果使用無固相鉆井液,可能要產(chǎn)生一定程度的侵入,因為即使鉆井液中有少量固相存在,也能發(fā)生侵入,必然對地層產(chǎn)生損害。而另一方面,為了橋堵孔隙,采用了加有碳酸鈣等固相顆粒的鉆井液也因產(chǎn)生損害而失敗。因此,需要一種在鉆井過程中產(chǎn)生最小損害的新型鉆井液。

 

  NIFSM是一種新型鉆井液,該鉆井液具有超低固相含量(固相含量低于28.5 kg/m3)。利用表面化學原理使NIFSM鉆井液在地層表面產(chǎn)生可以密封地層的非滲透性薄膜。與傳統(tǒng)橋堵地層方法不同的是,NIFSM鉆井液通過鉆井液內(nèi)顆粒的引力密封地層。引力把顆粒集中在巖石的表面,這樣就可以用同一種組分的鉆井液封閉不同孔隙尺寸分布的地層。NIFSM鉆井液主要由DWC2000TM(增粘劑)、FLC2000TM(動態(tài)降漏失劑,不是API降濾失劑)和KFA2000TM(潤滑劑)組成。NIFSM鉆井液可以無損害地鉆開油層,還可以鉆進油層與頁巖的互層、在同一裸眼井段中不同壓力的油層、由于力學原因而嚴重失穩(wěn)的地層。在哥倫比亞地區(qū)對無損害鉆井液SM進行了試驗。該地區(qū)進行欠平衡鉆井的主要限制因素是井眼失穩(wěn),因此建議在鉆第一口井時使用過平衡鉆井方式。使用NIFSM鉆井液進行了試驗,包括使用注射器和透明腔室對不同尺寸的砂巖巖心進行試驗,以及使用合成巖心進行滲透率恢復(fù)試驗。室內(nèi)試驗證明,NIFSM鉆井液可使巖石的滲透率恢復(fù)率達到90%以上。

 

  41硬葡聚糖打開油層鉆井液[4]

 

  打開油層鉆井液通常含有增粘劑、降漏失劑、鹽和碳酸鈣顆粒。硬葡聚糖是一種可被生物降解的高分子量聚合物。在溫度高于120e時,硬葡聚糖聚合物的流變性不受影響。另外,硬葡聚糖聚合物靜態(tài)和動態(tài)濾失、濾餅等都具有良好的性能。在打開油層鉆井液中硬葡聚糖是黃原膠生物聚合物的良好替代品。

 

  法國石油研究院對3種打開油層鉆井液體系進行了靜態(tài)和動態(tài)濾失試驗,這些打開油層鉆井液體系的主要組分為增粘劑、淀粉、KCl、HMP(模擬鉆屑的材料)、CaCO3和NaOH,配方之間的差別是分別使用了硬葡聚糖和黃原膠。試驗時使用Clashach巖心(石英含量為95%,伊利石的含量低于1%),平均滲透率為493.5@10-3Lm2,孔隙度為15%,巖心用20g/L的鹽水飽和,試驗后計算出各種打開油層鉆井液的損害百分比。結(jié)果表明,使用硬葡聚糖配制的打開油層鉆井液體系沒有地層損害。

 

  用低溫電子掃描顯微鏡觀察濾餅。為電子掃描顯微鏡制備試樣時使用冷凍裂縫技術(shù)。第一步把試樣迅速放入N2中,以防止產(chǎn)生大的冰晶層使試樣損壞。把試樣送到低溫室,并在真空和低溫條件( -120e)下制備試樣,用電子掃描顯微鏡在-100e溫度下對試樣進行掃描,做濾失試驗。在試驗中對濾失液進行了取樣和分析。結(jié)果表明,硬葡聚糖打開油層鉆井液比其他典型水基鉆井液的性能好,隨著顆粒碳酸鈣和淀粉的加入,硬葡聚糖打開油層鉆井液在120e下仍能保持良好的性能。這種打開油層鉆井液在熱滾前和熱滾后都具有良好的溫度穩(wěn)定性和濾失性。另外用低溫電子掃描顯微鏡觀察的動濾失情況表明,濾餅的滲透率很低。

 

  51充氮泡沫鉆井液[5]

 

  PDVSA-Intevep公司研制成功了一種充氮泡沫鉆井液,該鉆井液在委內(nèi)瑞拉西部的La Paz油田以近平衡鉆井方法鉆了一口斜井,目的層是低壓裂縫性石灰?guī)r。在使用充氮泡沫鉆井液開鉆前,必須在井口安裝柱狀浮標,鉆進時用質(zhì)量流量計調(diào)節(jié)氮的排量,用帶記錄卡的監(jiān)測儀監(jiān)測氮的壓力。需要時,鉆 井 液 與 完 井 液比,按一定配比的泡沫配制液和氮進入泡沫發(fā)生器后生成泡沫,然后將泡沫送入立管并作為鉆井液注入井下。泡沫返出井口后應(yīng)進行消泡,然后將氣/液/固/氣(井下產(chǎn)出氣)分離,泡沫通過節(jié)流管匯在放噴管卸壓。為了消泡要往返向管線中注入消泡劑,消泡后的流體穿過四相分流器分流到不同的管匯中。在整個鉆井工程中,雖然會遇到原油和水泥等污染物,但該泡沫鉆井液仍能保持穩(wěn)定。在U311mm井段,平均機械鉆速達36.6 m/h。充氮泡沫鉆井液最大的特點是粘度較高,因此在低排量下仍具有較好的攜屑能力。在U216 mm井段,用新型泡沫鉆井液鉆至井深1848.61 m。在初期所鉆的182.

 

  88 m的井段中為了達到43b的造斜角,使用150 g配制液和56.63 m3的氮,使其當量密度保持為0.36~0.48 g/cm3。為了測量井下壓力和環(huán)空壓力使用了隨鉆壓力測量儀。在造斜井段,鉆完166.73 m后井斜角達到39b,鉆速為1.52~6.10 m/h。在井深1889.76 m處發(fā)生井塌,為了防止井塌把當量循環(huán)密度提高到0.42~0.72 g/cm3,但發(fā)生了漏失。由于不能解決漏失問題,只好填井側(cè)鉆。在側(cè)鉆至井深1920.20 m時又出現(xiàn)了井壁垮塌的跡象,由于實在不能解決當量循環(huán)密度問題,被迫換用了充氮油基鉆井液。

 

  井壁穩(wěn)定11井眼失穩(wěn)和多相流耦合模式[6]

 

  欠平衡鉆井被用來避免和減輕地層損害、降低漏失和提高鉆速。然而,由于鉆進時井底壓力低于地層的孔隙壓力,巖石受剪切和張力破壞使井壁失穩(wěn)。地層失穩(wěn)與所鉆巖石的應(yīng)力集中呈函數(shù)關(guān)系,如果巖石強度高于外界施加的誘導(dǎo)應(yīng)力,井眼將是穩(wěn)定的,否則巖石將產(chǎn)生形變而可能引發(fā)井壁坍塌。

 

  與井眼嚴重失穩(wěn)呈函數(shù)關(guān)系的因素有:?巖石損壞程度;?受擠離巖石的體積;?鉆井作業(yè)對井眼擴徑及波及范圍的敏感性;?井眼清潔能力?？傊?控制井眼失穩(wěn)的方法是增加井底壓力,較高的井底壓力對井壁產(chǎn)生較大的支撐力,能把巖石的剪切破壞降到最低程度。在常規(guī)鉆井中用增加鉆井液密度實現(xiàn)井壁穩(wěn)定;在欠平衡鉆井中通過改變鉆井液的密度、排量和壓力實現(xiàn)井壁穩(wěn)定。

 

  因為多數(shù)欠平衡鉆井作業(yè)要使用氣-液混合物代替常規(guī)鉆井液,所以多相流模式是欠平衡鉆井的主要工具。應(yīng)用多相流需要確定的問題有:?確定欠平衡鉆井的可行性;?注入量和壓力;?確定作業(yè)參數(shù);?保證適宜的井眼清潔能力;?鑒別是否達到欠平衡;?確定作業(yè)參數(shù)的變化。由于欠平衡鉆井已開始在惡劣條件下應(yīng)用,所以更多的工作集中在油井設(shè)計上,但是,單獨使用多相流模式已不能評價井眼失穩(wěn)的情況。

 

  目前已有很多評價井眼失穩(wěn)的模式,最簡單的是線彈性模式。由于線彈性模式使用簡單、需要輸入的數(shù)據(jù)少,因此普遍被用來評價井眼失穩(wěn)。還有大量的數(shù)學地質(zhì)力學模式可作為評價井眼穩(wěn)定的模式,這些模式使用起來不但耗時,而且要求使用者擁有豐富的經(jīng)驗和大量的數(shù)據(jù),因而沒有大量地應(yīng)用。

 

  最近Neotechnology咨詢公司通過研究,把井眼失穩(wěn)模式和多相流模式進行了耦合,編制出一種新的模式)))WellFlo7。使用時把所需要的數(shù)據(jù)輸入WellFlo7,計算環(huán)空壓力,認為計算出的環(huán)空壓力合格后,再將巖石力學特性和巖石應(yīng)力的數(shù)據(jù)輸入WellFlo7,再度計算出環(huán)空壓力,在計算過程中還可得到更可靠的井眼尺寸、環(huán)空壓力和鉆井液排量的數(shù)據(jù)。

 

  加拿大石油公司和天然氣公司在Yoyo油田使用連續(xù)管在枯竭的白云巖地層側(cè)鉆水平7井時,使用WellFlo7進行了計算。結(jié)果表明,由于流速較高,將會發(fā)生攜屑問題,在兩個弱地層將產(chǎn)生擴徑,還可能發(fā)生卡鉆。因此,建議在2190~2200 m井段把井底壓力從3.1 MPa提高到6.0 MPa,同時保持井口的環(huán)空壓力穩(wěn)定。而使用其它模式所作的計算都沒有這種結(jié)果。由于按WellFlo7計算結(jié)果對鉆井參數(shù)進行了調(diào)整,鉆井過程中的井眼擴徑程度大幅度減輕。

 

  21采用具有高效成膜效率的新型水基鉆井液緩解頁巖地層不穩(wěn)定問題[7,8]

 

  當采用過平衡鉆井鉆進頁巖、泥巖和粘土巖等類地層時,如在井壁上未形成有效的封隔層,鉆井液就會滲入地層,即便滲入極少量的濾液也會導(dǎo)致近井地帶孔隙壓力增大,從而導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定。近年來,孔隙壓力傳輸技術(shù)已成為測量頁巖滲透狀態(tài)的工具。為了提高頁巖在與鉆井液作用后滲透率和孔隙壓力變化的測量精度,對孔隙壓力傳輸技術(shù)進行了改進。M-I鉆井液公司對頁巖的膜效率進行了研究并取得了初步的成果。

 

  這種新型水基鉆井液在頁巖等類地層井壁表面形成膜,阻止鉆井液濾液進入地層,從而在穩(wěn)定井壁方面發(fā)揮著類似油基鉆井液的作用。

 

  (1)測定膜效率的實驗[7]

 

  ?實驗裝置。根據(jù)化學勢原理模擬了井下鉆井液的壓力滲透,測定膜效率實驗裝置見圖1。

 

  圖1 膜效率實驗裝置?測定步驟。

 

  1)飽和回壓:在不排水的情況下,施加20 MPa的圍壓;上升流動壓力為10 MPa,檢查流經(jīng)的上臺板,如果下降壓力小于10 MPa,打開下降流壓閥。

 

  2)壓實巖心:排出過量的液體和壓力。當下降流壓小于0.05 MPa/h時,待測巖心已被壓實。

 

  3)傳送孔隙液體壓力:對已被壓實的巖心增加上升流壓到15 MPa,當上下壓力平衡(相差不到5%)時,再把上升流壓降到10 MPa。

 

  4)再次壓實巖心:把巖心內(nèi)的孔隙壓力從15MPa降到10 MPa,當下降流壓小于0.05 MPa/h時,待測巖心再次被壓實。

 

  5)用待測的溶液驅(qū)替上升流:再次壓實巖心后,用待測液體驅(qū)替管線和溝槽內(nèi)的流體,在10 MPa時泵入待測液體,同時降低孔隙流壓,直到泵入充足的驅(qū)替液,驅(qū)替液的體積至少要是管線和溝槽內(nèi)的孔隙流體的2倍。

 

  6)待測液壓的傳送:泵入足夠的待測液以后,增加上升流壓到15 MPa。

 

  7)用低水活度的液體驅(qū)替待測液:當上下壓力平衡(相差不到5%)時,用低水活度的液體(可以向待測液體內(nèi)加鹽或者鹽水)驅(qū)替待測液。驅(qū)替液的體積至少要是管線和溝槽內(nèi)的待測液體的2倍。

 

  8)待測液體成膜:進出口壓差在0.05~0.10MPa范圍內(nèi),以0.25 mL/h的速度循環(huán)低水活度液體。當下降流壓的最大值降低時結(jié)束測試。

 

  ?計算膜效率。膜效率是在膜效率評價階段通過巖心的壓差(上升壓低于下降壓)與理論滲透壓之比。理論滲透壓可由下式計算:

 

  U=RTVln〔awdfawsh〕式中,U為滲透壓;R為氣體常數(shù);T為絕對溫度;V為水的偏摩爾體積;awdf為鉆井液中水的活度;awsh為頁巖中水的活度。

 

  ?測試結(jié)果。對Pierre?巖樣進行了300多次膜效率測試,評價了3類新型成膜劑在巖樣上的成膜性能。在12%NaCl溶液中分別加入2.5%成膜劑A(pH值為11.15,aW=0.909)、7.5%成膜劑B(pH值為12.30,aW=0.891)、10%成膜劑C(pH值為12.20,aW=0.884),膜效率分別為87.6%、55.

 

  3%、83.5%。結(jié)果表明,這3類化合物在特定的巖樣上成膜效率為55%~85%。將這3類化合物用于水基鉆井液,鉆井液具有油基鉆井液的性能。

 

  (2)頁巖膜效率的研究 M-I鉆井液公司對頁巖的膜效率進行了研究,并取得了初步成果?；瘜W滲透的效率決定了半滲透膜的效率,當溶劑不受限制時,半滲透膜限制了溶質(zhì)的通過。膜效率與反射系數(shù)成定量關(guān)系,對于完美的膜其反射系數(shù)為1,不理想的膜反射系數(shù)為0~1,并認為這種膜是滲漏的。在滲透壓力被水力壓力平衡前,溶劑將不斷產(chǎn)生滲流,如果半滲透膜是滲漏的,那么溶質(zhì)的運動只受到一定程度的限制,在膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度達到平衡前,將繼續(xù)發(fā)生溶質(zhì)流動,化學滲透伴隨著兩種流動方式。一般來說,只有在單一驅(qū)動力的作用下才能同時發(fā)生不同類型的流動,含有溶質(zhì)的孔隙水在水力梯度的作用下將發(fā)生化學流動,而當進行化學處理和加熱時將發(fā)生對流。粘土表面具有一種天然的膜,而在與鉆井液作用后會形成一種新的膜。

 

  在水基鉆井液中能夠成膜的物質(zhì)有糖類化合物及其衍生物(如甲基葡糖甙MEG)、丙烯酸類聚合物、硅氧烷、木質(zhì)素磺酸鹽、乙二醇及其衍生物和各種表面活性劑(如山梨糖醇酐的脂肪酸鹽)。

 

  ?封堵材料成膜(?型膜)。如硅酸鹽、鋁酸鹽、鋁鹽、氫氧化鈣和酚醛樹脂等封堵材料,實驗中發(fā)現(xiàn)在硅酸鹽鉆井液中加入糖類聚合物可保持實際滲透壓接近理論滲透壓,硅酸鹽鉆井液的成膜效率可達70%以上。

 

  ?合成基和逆乳化鉆井液成膜(?型膜)。鉆井液中的流體和頁巖作用導(dǎo)致了毛細管力和較高的膜效率,此膜由連續(xù)相的可移動薄膜、表面活性劑薄膜和鉆井液的水相薄膜組成,?型膜形成了一道防止水和溶質(zhì)擴散的屏障。

 

  各種類型膜的滲透機理是完全不同的,在含20%NaCl的鉆井液中加入特制的糖類聚合物,能提高膜的效率并提高滲透壓力,它是從降低頁巖滲透率和增加液體粘度這兩方面起作用的。向鹽水鉆井液中加入Ca2+、Mg2+和Al3+或是用以上3種鹽代替NaCl,糖類聚合物的成膜作用會進一步加強。

 

  10%CaCl2溶液在形成滲透壓力和提高膜效率方面優(yōu)于20%NaCl溶液。

 

  硅基鉆井液具有最佳的膜效率和滲透效率。逆乳化鉆井液能提供最佳滲透效率和膜效率,逆乳化鉆井液膜效率不僅與內(nèi)相的濃度和水活度有關(guān),內(nèi)相溶液性質(zhì)和乳化劑也會影響逆乳化鉆井液和頁巖間的相互作用,包括鉆井液在頁巖內(nèi)的運移。液體和頁巖的作用比以往認為的要強得多,這種作用導(dǎo)致了毛細管力和較高的膜效率,這在以往的研究工作中很少提到。

 

  31防他鉆井液(1)硅酸鉀鉆井液[9] 在西科羅拉多州白河熔巖丘盆地氣田鉆井過程中,為了防止井塌,在鉆井泵上水管線處以1.89 L/min的速率連續(xù)加入硅酸鉀,硅酸鉀在井中不斷消耗,泥漿池中的硅酸鉀濃度為0.14%,而管線中鉆井液的硅酸鉀平均濃度僅為0.

 

  1%。采用硅酸鉀鉆井液鉆進,平均井徑從257降為239 mm。硅酸鉀鉆井液的密度為1.26 g/cm3,K2O/SiO2為2.5,塑性粘度為40 mPa#s,固相含量為29.05%。

 

  (2)含有鉆井液增強劑的水溶性雙相聚乙二醇水基鉆井液[10] 在澳大利亞海域西北部,WoodsideEnergy設(shè)計出能代替油基鉆井液與合成基鉆井液的水溶性雙相聚乙二醇水基鉆井液,該體系包含有適合于鉆頭設(shè)計的鉆井液增強劑,在性能、技術(shù)和經(jīng)濟上與合成基鉆井液相當,1987年用于現(xiàn)場。1988年由環(huán)氧丙烷生成的聚乙二醇已用來防止壓差卡鉆;1991年化學界逐漸認識到聚乙二醇鉆井液無毒,具有潤滑性、抑制頁巖膨脹、防止鉆頭泥包和壓差卡鉆等性能,是水溶性的替代體系。在地面條件下,雙相或單相的聚乙二醇、聚丙三醇和甲基葡糖甙均是水溶性的,富含碳和氧,水活度低,在適宜條件下為有機物,可吸附在粘土表面,利于保持頁巖穩(wěn)定。雙相聚乙二醇和甲基葡糖甙能阻止鉆井液濾液向地層滲透,阻止孔隙壓力的傳輸,盡管這兩種體系都能保持井眼穩(wěn)定,但聚乙二醇用量為3%~5%(體積比),而甲基葡糖甙用量為21%~36%(體積比),雙相聚乙二醇體系具備良好的潤滑性和熱穩(wěn)定性,但鉆井過程中使用PDC鉆頭容易泥包,而用油基鉆井液和合成基鉆井液時卻不易出現(xiàn)此問題。

 

  高分子量聚丙二醇無毒、無氣味,用于鉆井液,提高了使用PDC鉆頭時的機械鉆速,尤其是使用乙烯基磺酸鹽共聚物時,聚丙二醇有很好的潤滑性能。

 

  在雙相聚乙二醇水溶性鉆井液中加入不溶于水的高性能異構(gòu)石蠟鉆井液增強劑,提高了井眼凈化能力,減少了鉆頭泥包,從而使水基鉆井液替代了合成基鉆井液。

 

  新型鉆井液11具有肥田作用的逆乳化鉆井液M-I鉆井液公司研制出一種肥田逆乳化鉆井液[11],該鉆井液不但具有普通逆乳化鉆井液的性能,而且可以排放到田野里作為土壤的增肥劑。用該鉆井液打井所產(chǎn)生的巖屑無須處理可直接撒到田地里。配制肥田逆乳化鉆井液,需要使用對環(huán)境無害的基液、乳化劑、內(nèi)相、潤濕劑、降濾失劑和加重材料。為達到這一目的,把鉆井液的密度確定為1.30g/cm3,油水比為70B30,水的活度為0.86~0.76(相當于18%~20%CaCl2)。

 

  對碳鏈長度相似的(C11~C20)有機物進行了毒性和生物降解試驗,根據(jù)試驗篩選出了一種逆乳化鉆井液基液,并把赤鐵礦和鈦鐵礦作為加重材料;高溫高壓試驗又把粘土和降濾失劑各鎖定在一種上。肥田逆乳化鉆井液(SE-SBM)產(chǎn)生的鉆屑,一是可以不用預(yù)處理直接作為土壤增強劑,這就需要嚴格控制排放物中鹽、油和潤滑脂的含量;二是在生物反應(yīng)器或其它的快速生物處理設(shè)備中對鉆屑進行預(yù)處理,達到排放要求再行排放。

 

  (1)肥田逆乳化鉆井液的組分 在生物降解和毒性試驗的基礎(chǔ)上,選擇C11~C14的線形石蠟液作基液。雖然赤鐵礦和鈦鐵礦中的鐵離子都有肥田作用,但赤鐵礦的貨源更充足,所以決定用赤鐵礦作為加重材料。選擇亞硝酸鹽、醋酸鹽或亞硝酸鹽與醋酸鹽的混合物作為鉆井液的內(nèi)相和乳化劑。醋酸鹽本身就可以生物降解,硝酸鹽又加速了這種降解的過程。選擇醇(包括乙二醇和丙三醇)和胺類的混合物作為鉆井液的乳化劑,這種混合物不但能夠保證鉆井液的性能,而且能夠使鉆井液的抗溫能力達到148.9e。

 

  (2)現(xiàn)場試驗 最近新西蘭對肥田合成基鉆井液進行了現(xiàn)場試驗,在Watria 2號井使用肥田合成基鉆井液鉆至井深2133.6 m,用重晶石將鉆井液密度加重到1.92 g/cm3,鉆進U508 mm井眼套管鞋以下井段,沒有發(fā)生復(fù)雜情況,完成了設(shè)計井段的30%。對返出的鉆屑干燥后進行室內(nèi)化驗,鉆屑上含6%的肥田逆乳化鉆井液。分別用100%土壤、土壤鉆屑比為95B5、土壤鉆屑比為75B25和土壤鉆屑比為50B50的土壤和鉆屑的混合物進行了3次為期6 d的播種試驗。結(jié)果表明,在100%土壤中種子的發(fā)芽和成活率分別為98%、94%和86%。而在3種不同土壤鉆屑比的混合物中種子的發(fā)芽和成活率分別為94%、100%和88%。說明沾有肥田逆乳化鉆井液的鉆屑對植物、莊稼的成活和生長基本沒有影響。試驗還說明,肥田逆乳化鉆井液在農(nóng)田里會迅速降解,已達到了環(huán)保標準。

 

  21具有穩(wěn)定低溫流變性的新型合成基鉆井液[12]

 

  在墨西哥灣作業(yè)的石油公司正在采取必要的步驟以保證使用合成基鉆井液所產(chǎn)生的鉆屑符合美國環(huán)保局的規(guī)定。在鉆機上安裝了鉆屑干燥器以減少鉆屑表面的含油百分比,使含油平均值降低為6.

 

  9%。在通常情況下,使用新型合成基鉆井液時要進行測試,以確定鉆井液是否滿足這項要求以及鉆井液能否保持可以接受的性能。

 

  Kerr-McGee石油和天然氣公司是墨西哥灣第一家對所設(shè)計的合成基鉆井液進行現(xiàn)場測試以便符合美國環(huán)保局新標準的油公司。Kerr-McGee公司首先在深水環(huán)保區(qū)開始試驗。用新型、無粘土Acco-lade體系把鉆屑的含油量維持在極限范圍內(nèi),這種鉆井液在深水作業(yè)中具有相當大的經(jīng)濟效益。

 

  在深水鉆井中,在較長的隔水管中合成基鉆井液會冷卻和增粘,由于鉆井液充滿了隔水管,摩擦應(yīng)力和靜水壓力將上升。當水深增加時,孔隙壓力和破裂壓力梯度的界限將縮小,粘度上升需要更高的泵壓來循環(huán)鉆井液,這種間歇循環(huán)會增加鉆井風險。

 

  較稠的鉆井液在井中具有較高的當量鉆井液循環(huán)密度。通常,鉆井液密度的微小變化會造成各種復(fù)雜情況。而新型合成基鉆井液不含粘土和親有機質(zhì)褐煤,惟一的粉末狀添加劑是氯化鈣、石灰和降濾失劑。常規(guī)的合成基鉆井液含有親有機質(zhì)粘土,而粘土需要剪切達到活化。相反,新型無粘土體系的添加劑被設(shè)計成對鉆井液的乳化相起作用,所以鉆井液的性能迅速改變。

 

  (1)現(xiàn)場試驗 在水深為1219.2 m、井深為7620 m的Green Canyon油井中進行了試驗。鉆井液密度為1.52 g/cm3,管匯溫度為5.6~8.3e。很快發(fā)現(xiàn)新型合成基鉆井液的冷卻流變性(在4.4~49e下保持穩(wěn)定)比以前使用的合成基鉆井液流變性更容易控制。開始試驗時,在鉆進U508 mm井眼前用密度為1.10 g/cm3的內(nèi)烯烴替出水基鉆井液,鉆進的同時加入新開發(fā)的基油(這種基油含烯烴和酯),在6 d內(nèi)把內(nèi)烯烴合成基鉆井液轉(zhuǎn)化為新型合成基鉆井液。雖然在開鉆時不用內(nèi)烯烴而是在開鉆后轉(zhuǎn)化,但在整個鉆井和轉(zhuǎn)化期間沒有發(fā)生固相容量限問題,新型合成基鉆井液的最大特點是改善了流變性控制能力。當井深增加而井眼直徑下降時,新型合成基鉆井液流變性能良好,降低了當量鉆井液循環(huán)密度而且井眼穩(wěn)定。新型合成基鉆井液的當量循環(huán)密度要比內(nèi)烯烴體系低0.02 g/cm3。

 

  (2)濾失和濾餅特性 在鉆進、下套管和固井時可能發(fā)生漏失,在深水鉆井作業(yè)過程中這種漏失不普遍,但是據(jù)推測,由于鉆井液中無粘土,可能降低鉆井液的濾失控制能力。

 

  在多數(shù)井中為2 mL或更低,形成了最佳的泥餅,泥餅與其他合成基鉆井液形成的泥餅是一樣的。由于新型合成基鉆井液有可壓縮性,試驗時泵入所需要的循環(huán)體積再加上一個加壓百分比,當初始壓力略微下降時,地層壓力上升。現(xiàn)場試驗表明,使用新型合成基鉆井液不一定需要增加泵壓。

 

  (3)固相控制 由2臺粗網(wǎng)護篩振動篩、2臺主振動篩和1臺鉆井液清潔器組成。測得的低密度固相含量為6%或低于6%,在新型合成基鉆井液密度為1.48 g/cm3時,其動塑比為21/11 Pa/mPa#s。

 

  (4)成本 新型合成基鉆井液的成本比普遍使用的內(nèi)烯烴合成基鉆井液的成本高。

 

  31抑制性水基鉆井液[13]

 

  哈里伯頓能源服務(wù)公司的白勞德產(chǎn)品服務(wù)公司研制出了抑制性水基鉆井液體系HYDRO-GUADRTM。該鉆井液是為抑制墨西哥灣等地的活性地層而設(shè)計的,2002年初進行了現(xiàn)場試驗。抑制性水基鉆井液不但提供了良好的井眼穩(wěn)定性、較高的機械鉆速,而且在廣泛的溫度范圍內(nèi)具有可以接受的流變性,已成功地應(yīng)用于墨西哥灣大陸架和深水鉆井作業(yè)。抑制性水基鉆井液在深水和大陸架鉆井過程中抑制能力較強,具有穩(wěn)定的動切力和靜切力。兩種聚合物添加劑(在低濃度下有效的絮凝劑和可以防止富含粘土地層水化和降解的處理劑)提供了鉆井液剪切稀釋性,并保證鉆屑的攜帶和運移,使井眼穩(wěn)定,井徑規(guī)則,這兩種性能優(yōu)良的聚合物添加劑幾乎把頁巖的水化降到最低程度。抑制性水基鉆井液包被活性鉆屑,減少了鉆頭和井底鉆具組合泥包的可能性。

 

  最近,GOM公司使用抑制性水基鉆井液在U431.8 mm井眼鉆了975.36 m。結(jié)果表明,鉆屑完整,而且使用常規(guī)的固控設(shè)備分離鉆屑容易,振動篩上的鉆屑干燥而有光澤,表明抑制性水基鉆井液具有良好的抑制性。該鉆井液實用于甲板空間小的海上鉆井裝置的墨西哥灣東部地區(qū)。抑制性水基鉆井液是一種NaCl水基鉆井液,室內(nèi)試驗證明,該鉆井液的特性與逆乳化鉆井液非常相似。

 

  近期鉆井實踐表明,使用抑制性水基鉆井液每口井可以節(jié)省鉆井成本50多萬美元,該鉆井液可以用于上部井段,但最有效的井段是U508 mm套管鞋以下到設(shè)計深度。抑制性水基鉆井液除具有良好的抑制性外,膠體含量比逆乳化鉆井液的低,利于提高機械鉆速。抑制性水基鉆井液中的絮凝劑限制了顆粒的懸浮,可以將鉆速提高到30.48 m/h以上。

 

  抑制性水基鉆井液密度可以加重到2.04 g/cm3,并且可以重復(fù)使用,但價格卻比醋酸鉀鉆井液低得多。

 

  抑制性水基鉆井液是一種對環(huán)境無影響、可以被生物降解的鉆井液,用Berea砂巖在室內(nèi)進行的試驗表明,抑制性水基鉆井液能在井壁上形成薄而光滑的濾餅,與逆乳化鉆井液相比,抑制性水基鉆井液不但需要更加嚴格的維護處理,而且還需要持續(xù)不斷地監(jiān)測。

 

  41深井和高溫井鉆井液[14]

 

  在亞拉巴馬州的莫比爾灣鉆過世界上最深、溫度最高和壓力最大的井。莫比爾灣酸性氣層的溫度高達204e。這些井主要在亞拉巴馬州的水域,那里為零排放地帶。雖然也用過油基鉆井液,但因環(huán)保、供應(yīng)和成本問題迫使人們還是選擇了水基鉆井液。然而,水基鉆井液可能因溫度誘發(fā)的膠凝、二氧化碳污染等帶來一系列的問題。為了適應(yīng)莫比爾灣深井的高溫環(huán)境,白勞德鉆井液公司研制出幾種新型水基鉆井液。其中之一是無毒、流變性穩(wěn)定的抗高溫鉆井液,并與一家油公司合作鉆了一口井深為6400.8 m的井。此后對鉆井液配方進行了改造,包括用純合成基聚合物代替有機聚合物。過去,控制鉆井液的流變性和濾失性是靠膨潤土,然而膨潤土漿在溫度超過149e時會發(fā)生高溫絮凝,例如在深井起下鉆后,使用傳統(tǒng)粘土/木質(zhì)素磺酸鹽/褐煤鉆井液時,鉆井液到達井底后嚴重稀釋,不得不排放到零排放帶的莫比爾灣。處置成本,加上配制新鉆井液的成本導(dǎo)致了較高的鉆井成本。

 

  對暴露在高溫條件下的水基鉆井液,維護處于絮凝狀態(tài)的膨潤土和活性固相是保證水基鉆井液正常流變性和濾失量的關(guān)鍵。使用少量的懷俄明膨潤土和補充合成基聚合物就能維持鉆井液的攜屑能力。傳統(tǒng)的粘土/木質(zhì)素磺酸鹽/褐煤鉆井液要求pH值最小為9,在高溫情況下,木質(zhì)素磺酸鹽/褐煤會降解。由于濾餅的結(jié)構(gòu)中含有褐煤,當褐煤降解后,濾餅破裂導(dǎo)致濾失量增加,在高溫環(huán)境中流變性控制是最困難的。

 

  白勞德鉆井液公司研制的新一代水基鉆井液體系,是用低濃度的膨潤土(14.25~22.8 kg/m3)配制的。最初的配方中沒有聚合物絮凝劑,但在溫度為176.6~218.3e的地層深度時開始使用聚合物絮粘,當井深達到5791.2 m或溫度達到177e時,把開鉆鉆井液轉(zhuǎn)化成抗高溫水基鉆井液。在此之前,維持鉆井液為低固相、非分散和低pH值的海水鉆井液。如果必須用膨潤土處理鉆井液,應(yīng)以1.43kg/m3的增量加入膨潤土。當膨潤土量降低時,加入純高分子量合成基聚合物維持鉆井液的懸浮能力、降低流變性,以保證井眼清潔。使用水力旋流器和有4層網(wǎng)篩的振動篩控制低的固相含量。在井深4570 m時,使用鉆井液冷卻器把管匯的溫度降低了11.1e,以此降低井下循環(huán)溫度。鉆井液配方中不推薦使用大量的抗高溫絮凝劑,當需要時使用少量的抗高溫絮凝劑;在井深5486.4 m時,高溫高壓濾失量應(yīng)控制為40~50 mL,而當鉆達井深6400.8 m時,高溫高壓濾失量應(yīng)控制為20 mL。表1是密度為1.54 g/cm3的現(xiàn)場鉆井液試樣性能的對比,進一步證實了水基鉆井液的高溫穩(wěn)定性。很明顯,鉆井過程中水基鉆井液并沒有因起下鉆而發(fā)生膠凝,在停止循環(huán)前,鉆井液在204e的井底停留了48 h,性能穩(wěn)定。

 

  使用抗高溫水基鉆井液在莫比爾灣打了很多井,現(xiàn)場應(yīng)用表明,由于配方中限制使用了褐煤和褐煤衍生物,鉆井液中膨潤土的含量低以及使用了合成基聚合物和共聚物,避免了鉆深井時因穩(wěn)定引起的膠凝問題和二氧化碳造成的污染。

 

  表1 密度為1.54 g/cm3的現(xiàn)場鉆井液試樣性能體系FVsPVmPa#sYPPaGelPaFLHTHPmL入井鉆井液51 25 4.8 6.7 20.8出井鉆井液50 23 4.8 5.8 22.8井下鉆井液55 27 3.4 6.2 28.651近期問世的新型鉆井液體系[14]

 

  (1)UltradrillTM水基鉆井液 M-I鉆井液公司研制成功了新一代穩(wěn)定井眼的水基鉆井液)))Ul-tradrillTM。該體系使用了3種專利添加劑,即頁巖穩(wěn)定劑、包被聚合物和沉降抑制劑。UltradrillTM水基鉆井液已成功用于各種鉆井環(huán)境,包括水深超過2865.12 m的深水鉆井、井段長度超過2286 m的大陸架鉆井和水平井鉆井。在陸上地區(qū),用水基鉆井液UltradrillTM鉆了2217.42 m的易發(fā)生復(fù)雜情況井段,結(jié)果表明,比使用常規(guī)水基鉆井液的鄰井提前5 d完鉆,與用油基鉆井液所鉆的類似井段的鉆進時間相同。UltradrillTM水基鉆井液已成為油基鉆井液的替代品。

 

  (2)DFXTM水基鉆井液 Ambar Lone star鉆井液服務(wù)公司研制出一種穩(wěn)定井眼的水基鉆井液)))DFXTM體系。已在墨西哥灣進行了7次現(xiàn)場試驗,在井下溫度為177e和鉆井液密度為2.05 g/cm3的條件下鉆井深度達到6400.8 m。

 

  (3)Hydo-Guard水基鉆井液 白勞德鉆井液公司研制出一種可以替代油基鉆井液的水基鉆井液)))Hydo-Guard。該鉆井液使用了2種專利聚合物添加劑,這2種添加劑結(jié)合在一起能在鉆井液與活化粘土之間形成水屏障。水基鉆井液Hydo-Guard已在8口深水鉆井和4口陸地鉆井中應(yīng)用。

 

  (4)DeepDrillTM鉆井液 Newpark鉆井液公司在墨西哥灣使用自己研制的DeepDrillTM鉆井液已多年,并使用了包括成膜劑、潤滑劑在內(nèi)的數(shù)種添加劑。

 

  (5)低固相油基鉆井液 M-I Norge and Statoil公司研制出了一種低固相油基鉆井液。該鉆井液是一種專門在高壓儲層的水平井段中使用的壓井劑。

 

  在鉆井過程中,要求鉆井液的密度為1.65 g/cm3,而且在設(shè)計鉆井液時要求將固相含量控制到最低,以克服常規(guī)油基鉆井液因固相含量高造成的地層損害。為了縮短鉆井時間和節(jié)約鉆井成本,選擇了油為連續(xù)相的鉆井液。將密度為2.20 g/cm3的甲酸銫加入到油鹽水比為40B60的鉆井液中,達到了理想的密度。

 

  61微泡沫鉆井液[15]

 

  M-I鉆井液公司和ActiSystem公司共同研制出微泡沫鉆井液體系,該鉆井液是把某些表面活性劑和聚合物結(jié)合在一起產(chǎn)生出的一種微泡沫鉆井液,在開發(fā)枯竭油層中起到了重要作用。微泡沫鉆井液在委內(nèi)瑞拉的馬拉開波湖地區(qū)首次大規(guī)模應(yīng)用,馬拉開波湖地區(qū)本來因壓力枯竭無法打新井,但由此以后,全世界應(yīng)用微泡沫鉆井液打了數(shù)百口井。微泡沫不是聚集在一起的單氣泡,而是形成了一種可以阻止或延緩鉆井液侵入地層的微泡網(wǎng)絡(luò),所以微泡沫鉆井液主要用于嚴重濾失的儲層。微泡沫鉆井液特有的粘度結(jié)構(gòu)對鉆井液侵入和鉆井液穿過地層產(chǎn)生了一種阻力,因此產(chǎn)生了在平衡狀態(tài)下的無侵入鉆井。