空气雾化钻井液功能及其作用机理研究.pdf

6 艟4 鲢2 Jm 1 9 9 7 拒6 气雾化钻井液功能及其作用机理研究 h 一 t 7 ⋯⋯一⋯⋯ ⋯⋯ 出 雾 ⋯屑 主 题 淘 空 气 雾 化 钻 井 雾 化 液 机 理 让 孝 毋 严格地说，石油钻井流体分为两大类，一类是 “ 不可压缩”的钻井流体，印常规水 基 油基钻井液另一类称之为 可压缩”的钻井流体．目前国内外所采用的低密度 “ 可 压缩”钻井流体包括千空气 空气， 雾化液、空气， 泡沫、氯气、氯气， 雾化液、氯气， 泡沫 天然气、天然气／ 雾化液、天然气／ 泡沫、原油／ 氮气、地层产出水， 氯气和充气泥浆等．空气 雾化钻井技术是最常用的低压钻井技术之一．该技术在干空气钻井过程中，地层一旦出液 油、水、油水混合液 ，通常表现为空气排量不足、溢入井眼的地层液体处理困难和井 下不正常．当井眼无法干燥时，就有必要转化成空气雾化钻井，它是在大排量的空气 空 气排量比干空气钻井时高出约2 0 ％一 4 0 ％中连续泵入一定量雾化液做为钻井循环介质的 钻井技术．该技术主要是利用雾化液中的表面活性剂特有的降低表面张力、乳化分敌、起 泡、润湿等效应，化学清除溢入井眼中的地层液体，增强空气流举升、携带钻屑的能力． 达到井眼净化的目的． 由于空气雾化钻井井下条件的复杂性，雾化液采用单一表面活性剂难以满足多种要 求，所以，目前采用的雾化液配方主要是由表面活性剂 以下简称活性剂 高聚物、井 壁稳定剂及其它处理剂 防腐剂，示踪剂 组成的水溶液混合物 通过对空气雾化钻井雾 化液所需的处理剂作用机理的综合试验研究和现场试验证明雾化液主要具备以下功能 ①充分乳化地层产出液，促使并保持环空流态呈雾状稳态流 化学分散 分离油水滴和 “ 钻屑团”，增强空气流的举升能力 抑制井成膜保护井壁，减小空气流冲蚀 ∞改善雾化液润滑性，降低井壁摩阻 饱和空气流有利于携水和防止 “ 井下着火”． 另外，雾化液加入防腐剂、示踪剂，能够有效地预防钻具腐蚀，检测地层出液量等． 总之，我们对雾化液的系统研究，对完善空气雾化钻井理论，确保空气雾化钻井井下 ． 囊 前 维普资讯 李爱军等空气雾化钻井液功能及萁作用机理研究 7 安全，拓展 “ 可压缩”钻井流体中的雾化液 “ 性、剂、方”等都具有紧迫的现实意义 空气雾化钻井雾化液机理 理论研究、现场实验分析表明在空气雾化钻井过程中，井眼环空上返的空气／ 雾化液 流是一 种多相热力学不稳定体系。井眼环空流态主要存在环雾流、雾状流 气体为连续 相，液体为分散相 ．在特殊因素条件下，有时也会出现少见的段塞泡沫流 泡抹是气体 为分散相，液体为连续相 ．该工艺要求雾化液在段塞泡沫流下能形成优质的稳定泡沫， 有效地悬浮携带水、油和钻屑 在环雾流下可增强气相的卷席作用，促使流型转向雾状 流；在雾状流下促使油、水和遇油水形成的 “ 钻屑团”充分分散，提高气流的举升能力。 1 ．充分乳化地层产出液，促使并保持环空星雾化稳态液 在环空气液比依次增大的情况下，气、液、周相流动会呈现出段塞流、过渡流和环雾 流3 种流型，其流型转变可通过提高空气排量或者消除引起回压的因素来实现．经实验观 察发现，随着气液比增大，使得气液两相为分散相的段塞流气泡变形拉长，气泡头部会突 破液体段塞，将液体推至井壁，而气相会在环空中形成气体心子，逐步过渡到环雾流，气 液相都变成连续相。据Wil l i s li 究指出，环雾流的气体心子高速流动会对贴附井壁的环形液 膜产生剧烈的卷席作用，这种卷席作用由临界韦伯系致 控制． ． r． 10B P g 南 D ， A B f ， P l D I 1 式中 气体密度 g ， c m ； v s f一 气相表观速度 m ， s ； D液滴直径 c m ； 表面张力 N／ m ； 雾化液粘度 m P a s 一 液滴密度 g ／ c m ． A 、B 受实验控制， 、 、D、V S G 、州 韦伯系数都有量 ； 响，其中吡 为重要．吓 降，W e 上升，卷席作用更强，当韦伯系致达到1 2 2 O 时，气相就能将液膜卷席成颗粒状液 滴进入气流中，流型就会向雾状流转变．所以，在空气雾化钻井中空气排量有限的情况 下，主要是向空气流中连续泵入含有一定量表面活性物质的雾化液，充分乳化少量的地层 产出液，有效地降低地面产出液的表面张力． 目 前 ， 所 采 用 的 雾 化 液 可 将 我 区 油 田 地 层 水 的广 壅 1_ j 塑 早 堕 塑 墨 表面张力从0 ． 0 7 0 ． 0 8 N ／ m降至0 ．0 5 一。 _2 5 N ／m， 大幅度地提高韦伯系数．韦伯系数提高，气体 的卷席作用增强，导致井筒周围的环形液膜逐 渐减簿，促使环雾流向雾状流转变，近似于均 相流，并保持环空里雾状流，使整个循环系统 气液周分布均匀，各项压力平稳，波动不大， 环空压降趋于减小 见表1 ，井眼循环畅通无 阻，有利于钻屑从井底快速返出，实现正常的 维普资讯 8 石油钻井工程 g 4 t ,] g 2 l l 1 9 g 7 年 6 月 雾化钻井．所以说，雾化液中表面活性物质的用量及其特性是雾化液的主要指标之一． 2 ．化学分故 分离油水蒲和 钻晨团。，增强空气液举升能力 在空气雾化钻井过程中，无论环空存在什么流态，都不同程度地有大大／ J -, ／J -, 的液滴分 散在气流中，这种分散能力取决于气流对液体的搅动 冲击作用的程度和根据表面张力 一 d W／ d A N ／ m 来增加单位表面积所必须做的功． 一 方面搅动冲击得愈猛烈，液滴分散得越小，愈易被气流举升至地面．R c - 特纳等人 基于质点动力学观点，提出了一个维持液滴在垂管中悬浮的极限气流速度，或者说是自由 下落液滴的最终速度 ’ r， 、 l o 3 l竺 2 u w 一 I J 式中 v l r 极限气流速度； Gr _ 一 水力系数． 该式说明液滴越大，在垂管中举升所需气流的速度就越小；同时，在液滴举升时，气 流速度的进一步增加，或液滴质量的进一步减少，都特导致液滴上行．液滴分敌的愈小。 比表面积就愈大，做的功就愈多，所以在雾化钻井中空气动能就会在此方面造成大量消 耗．例如l g 水变成无数个小球时，其表面积为4 8 ．8 c m ；若特其分敌成半径为1 0 ％m的小 水滴时，则得到7 ．6 5 x l 个小水滴，其表面积达到9 ．6 x 1 0 8 m ．显然。l g 水的表面积由 4 8 ．8 c m 增至9 ．6 1 0 。 C T I] 气流要做许多功．造成大量能耗． 另一方面．如果我们在空气流中泵入雾化液来降低地层液体的表面张力，列气流在这 方面所做功特大大减少．或者说，在同一气量条件下，液相在气流中的分数度将大大提 高，这就是雾化液引入活性荆起分散作用的主要原因 见表2 ．雾化液特有的起抱、吸 附、润湿反转等作用，特遇油水牯结成的钻屑团和牯附并壁的钻屑分离开来，防止液滴聚 集 钻屑堆积现象再度发生．这样，空气流的能耗特会减少，大大增强了空气流举属 携 水能力．当然，气流和雾化液在这方面所做功各占多大比例 空气夹带液滴的速率等还不 太清楚，这或许就是雾化钻井空气排量难以确定的内在原因． 寰2 大木奢变虎廿 崃 寰 大水滴 小木囊 小术滴 比衰面积 衰面繁力 比寰酉奠 气蠢■小作琦 直径{ c m Ⅲ积 a I l 直径‘ c m 衰面积 a I l 十 j ． 加倍盎 O m2 l 0 l 0O8 1 0 O I ． 1 0 O 1 O 2 nI 2 6 O．O 0 2 1 2 6 I 1 o 9 1 0 0 0 0 ．O6 7 站 ． 3 0 ．04 ∞ 2 ． ， 0 2 0∞ 7．6 I O 9 ． 7 ．6 l 3 9 4 4 8 S 2 l 9 6 1 0 | 7 l 0 2 0 I ． 9 7 1 o 1 0 ．0 6 j 7 I - 5 ． 7 l o ， 0 m 3 ． 8 4 I o - 38 ● l 3 ．抑嗣并废奠保护井壁，臻小空气童尊蚀 空气雾化钻井中，井壁不稳定的物理一化学因素关键反映在地层产出水和雾化液与泥 页岩的水敏性方面．井壁不稳定降低了井壁岩石胶结强度，造成空气流冲蚀，井璧扩大， 维普资讯 李爱军等 空气雾化钻井液功能及其作用机理研究 9 严重影响井眼稳定 鉴于雾化液不同处理剂有不同的作用效果，目前我们从抑制、成膜保护井壁稳定技术 出发，在自 行研制的空气雾化钻井M D 型模拟试验架上，对抑制剂K c 1 和新型成膜3 l J c 等做 了试验评价 见表3 ，对空气雾化钻井雾化液 “ 化学固壁”技术有了更新的认识。 寰3 雾化液保护井壁试验 处理剥 } 在 度 雾化掖量 L 眼变化 量鼍抑嗣年 ％1 m1 针八度 mm 孔径 ram 外观 f ％1 2 5 31 5 7 缩径 O 木 O 5 O 5 0 7 5 喇叭口 0 2 3 2 5 7 8 2 缩{ 至 3 O KC l 6 5 5 2 2 9 8 趣刖 6 0 7 2 5 0 8 l 0 规州 “／ 4 2 F a 3 6 “／ 0 0 6 4 6 l 5 1 0 基车规劓 7 0 2 2 5 0 4 】 0 规则 8 7】 J C O 5 4 0 0 7 1 0 差奉媲劓 躺 1 垃凡逮为l 6 lT 噩虞为2 ， ℃，膏心为缸晨孔径为 l 口 吼 4 ．改善雾化液澍滑性。啐怔井壁摩阻 据作者实验观察分析认为，空气雾化钻井中产生的摩阻、扭矩过大现象并非是空气、 雾化液润滑性不好所致，而是由于井眼轨迹不合适或出现狗腿、键槽 井斜等而造成的． 由于钻具大面积接触井壁以及洗井不充分引起岩屑沉降、堆积．只有充分考虑并解决了上 述井眼问题后，雾化液润滑性才是关健． 无论是泥浆钻井还是空气雾化钻井，只要钻具在井内承受一定的轴向载荷 如钻压 和钻具扭矩时，钻具呈半弧形弯曲，产生一定的离心力，印对井壁产生一定的法向应力． 摩攘阻力就存在于钻具与井壁之间，造成钻具摩损、动力消耗，缩短钻头寿命，甚至会 蹩、跳钻和引起井下事故． F 2 m R B 虮 3 式中F 钻具回转阻力 N 摩擦系数 弦波个数 一 单位长度钻杆的质量 k g ／ m ； R 一正弦波峰值 钻具弯曲波长 mm 钻具回转角速度． 从式中可知，目前采用雾化{ 愎 能有效地降低井壁与钻具之闻的摩擦系数，从而大大降 低井内摩擦阻力．大幅度提高钻井效率．空气雾化钻井中雾化液具有润滑性能的主要机理 如下 ①由于雾化液中的活性剂分子吸附在钻头表面，提高钻头与岩石界面的润滑性，降低 了它们之间的摩擦阻力，也减少了钻头破碎岩石时产生的热量．此外，雾化液比清水的表 面张力低，可有效地提高界面的热传递速度． 维普资讯 1 0 石油钻井工程 第 4 枯 第2 擀 伯9 7 年6 月 研究表明，当活性剂随雾化液循环进入环空中时，表面活性剂就会牢牢地吸附在钻 具表面．同样，它也能与井壁岩石表面其它高价离子产生化学吸附，形成定向排列的吸附 膜，使得钻具与井壁岩石的直接摩擦变为活性剂亲油基之间的摩擦，摩擦阻力就会太大降 低．若雾化液选择良好的活性剂，就能起到较好的润滑作用． 国内外研究学者指出钻井流体润滑性使油基泥浆和空气流处于两个极端位置，水基流 体处于两者之间。 然而，对于空气雾化钻井工艺，主要是通过评价、优选有关雾化液处理剂的润滑性． 凭借表面活性物质和高分子聚合物的减阻效应，或者同时在钻柱与套管、井壁之闻加一 定量类似滚珠一样的物质 如石墨、微球等 ，将滑动摩擦变为滚动摩擦，改善空气雾化 钻井井壁的润滑性．从而降低摩阻和扭矩． 表4 说明用于雾化液的表面活性剂A B S 、L S 和高聚合物C MC 水溶液的降阻效果较好． 寰4 雾化液处理荆降阻效果评价 名称 加量{ ％ 摩阻系数 降阻串C 铷 柬 0 0 3 S 0 CMC 1 0 0 o 60 2 5 5 7 8 0 A5I 1 0 0 1 90 4 1 XC 20 02 00 2 S 3 6 PAM I ．0 0I 70 2 7 3 7 基菜 0 nI 8 o 3 4 0 ABS 0 5 0 0 9一o1 4 5 5 LS 0 S 0 o 6 0l l 7 o SP _ 8 0 0 S 0 o 601 0 7 o oP - 1 0 0 5 0 2 o一0 38 1 0 塑料小球 3 01 0 0 2 0 4 0 井底温度 K G r- 雾化液质量排量 k g ／ s ； 。 f _ 最 大机械转速 Ⅱ D r 井眼直径 m m ． 5 ．饱和空气渣有利于拽水和防止 。 井下着火 根据R‘ R ‘ A NGE L 提出的有关热力学理论认为， 饱和空气流所需的雾化液注入排量和能携带的地层 水量由方程 4 和 5 确定，其中携水量方程具备以下 条件 ①空气流要被雾化液饱和 所需空气量比干空气钻井要大 雾化液质量要好． G C I ． 一 E I G 4 Q 2 ． 1 2 D z 。 。 一 5 式中G 空气质量流量 k g ／ s ； c r 空气定压比热 J ， K 一 口温度 K 一 水的比热 J mg K 口 ． 厂 _ 携地层水量0 g ts ； - 瞬时机械转速 m ／ h ； 另外，若雾化液中加防腐剂、示踪剂，可用于预防钻具腐蚀，监铡地层出水等，总 之，雾化液配方的改进正是空气雾化钻井急待解决的技术难题，今岳还望有关研究人员进 一 步验证和开发． 空气雾化钻井地层出液量监测 干空气钻井最大的障碍是地层出液 水、油 ，当干空气钻井无法钻进时，就需转化 成其它低压钻井工艺 雾化、泡沫充气泥浆 或钻井液钻井．如何转化或转化成什么钻井 方式，要视地层出液量太小而定．由于各种钻井工艺携带液体的能力都有一定的极限 见 维普资讯 李爱军等空气雾化钻井液功能及其作用机理研究 1 1 ” 由下列公式计算空气雾化钻井过程 中地层出水 围1 钻} } 蔗体擤液售力 - 、 当钻遇单一地层水时 c m t V 叫c h V i c V I t V 6 当钻遇凄 地层水时 C 自 【 V m t c MV c h i v c V 一 ‘ V - l l V _ i 7 2c l 一 含量测试程序 0设地面雾化液、地层水、井rn 捧出液水样c 卜含量总量不变，且三者c r含量不等． 0在干空气钻井中，地层一旦出水，首先测量地层水c r含量 槐同一地层水c r含量 保持不变，地层没有溶解盐层或根据邻井同一地层地层水c r含量做为 ． 在雾化钻井钻至某一井深处，连续测量雾化液泵入捧量 V 、出r n 捧量 V 和雾化液c r _ 含量c ．． 0同时连续测量上述井深处雾化钻井排出rn 中水样c 卜含量做为c ． 由公式 8 计算雾化钻井钻至某一井深处的地层出水量 V ， ． r ． 一 r V w r x V Ⅲ 8 一L 2 ．地层出油量测试 采用空气雾化钻井技术钻入目的层时，枧油、水在环空高速上返的气流中充分乳化 雾 化液含有活性剂 ，枧乳化液为均匀相．已知地层出水量和雾化液排量。取排出口具有代表 性O ／ W乳化液样2 O l O O ml 要求清除乳化液中的固相干扰，加入3 5 滴破乳剂，倒入 蒸馏器皿中蒸馏，测出油、水、固含量百分比 0％、W％、S ％。计算出钻至某一井深 处的地层出油量 V o 、地层出液量 V 和井口排液量 V t ． Vw r Vmt V0Vs V W ％ 0％ S ％1 W％ 0％ l 剐 v 0 x o ％ I ／mi n 9 1 0 I 1 1 2 维普资讯 石油秸井工程 第4 巷 第2 船 | 9 9 7 F 6 ,q V 盯 V 0 V 1 ／ mi n V n V m I V 0 V w r I ／ rai n 实例分析 1 3 1 4 9 6 6 3 井是我局的一IS t 重点空气雾化钻井试验井，于l 9 9 6 年5 月开钻．该井在l 。 】 5 ～ 1 3 0 5 m进行空气雾化钻井，仅用了3 0 多h ，钻速达l 4 m ，比同区古4 2 井泥浆钻井钻速提高 5 7 倍，对油气层无污染，在提高单井油气产自 日 、挖掘老区潜力方面取得了良好的经济和 社会效益．男外，工程技术人员在空气雾化钻井试验中进行了雾化液、地层出液量测算和 携液量分析试验 见表5 、6 衰5 9 6 6 3 井空气雾化钻井雾化液试验记录 雾化泵 雾化液性能 序 井探 雾 化藏 象匪 排t 蓦液性能 { 乜 沫性能 空气雾恍 号 m 总量 AV P V YP 发饱量 m 】 丰衰船 钻 井工况 { m3 MP a L ／ mi n mP a s mP a s r P a 1 { 污 前， 后 { 污染前／ 后 】 l 0 0 9 6 o 8 4 2 7 5 3 2 l 5 2 0 ／ 0 5 l 0 二趺普浆。拈水混塞至 l 0l 5 m 2 1 0 】 8 l 2 0 7 一 】 4 6 2 】 0 l O 0 5 4 0 0 ／ 0 5 4 0 ／ 0 拈新地层 C m搪 环 理寨有油气显示 3 】 0 7 6 4 2 l 3 6 6 2 3 3 3 0 5 4 0 ／ 6 4 0 9 9 0 1 4 2 0 钻井约3 0 mi n 时井 口普 井返出置c 油 } 电 竦毫 4 】 】 0 4 6 0 】 6 5 2 l 】 5 】 O 】 5 4 2 7 0 6 0 0 ／ 9 0 0 障低雾化泵捧量．井口 避出呈雾状 5 l 2 3 6 I O 8 6 6 5 7 4 3 5 3 0 5 4 2 ∽ 5 4 0 帕 断气一揖坏．起下钻至 井席着井．精环 6 I 3 1 O B l 6 5 2 S S I S 4 1 o ， 5 4 0 9 9 O 完 占 ．荫环铣井 衰6 9 6 6 3 井空气雾记地层出液量控捌试验寰I 钻井方式为雾化钻井 序 井深 雾亿液 地层出水量捡涓C 卜古量{ 呦 地层出油量控刘 地层出灌量控制 1 h n i n 排量 雾化液 排出液 地层水 井口捧出袖{ ％ 油 水 出液 号 仲 I／ ra i n 水相 油相 同相 量 量 总量 】 1 0 0 9 2 7 5 o】l o】 5 l 3 9 6 0 4 O 0 2 1 0 5 6 62 0I 1 0 2 】 l 3 8 7 l l 2 0 7 O 0 7 3 1l 5 2 5 2 0】 0 0l S l 3 8 0 l 5 l 8 5 0 9 7 5 O O 9 8 4 】2 0 o 5 5 0】 0 0 3 S 】3 7 8 l 5 I 9 5 1 0 5 O 】 5 】 2 6 0 5 2 0】 O 0l 7 】 3 7 9 4 】 7 2 7 0 2 7 6 】 3l 0 5 2 0l O 0I 7 】 3 8 6 5 9 3 O 2 O 3 0 2 注土 电 届水取自部井古j 2 井石炭幕目的层水样{ 铡c r 音量为【 3 ％ ． 雾化液配方的好坏，直接关系到雾化钻井的成败，而表面活性剂又是雾化液中最关键 的组成部分．因此，为保证9 6 6 3 井空气雾化钻井试验成功，我们在现场条件下，依据 Q ／ X J O 0 6 0 --9 0 质检标准，对表面活性剂进行了严格质检． 在实际雾化钻井中，基液形成的雾化液是动态的，一般不易测量．为了检验基液质量 好坏，目前我们主要采用评价泡沫液的方法评价雾化液基液．一种好的雾化液配方，不但 维普资讯 李爱军等空气雾化钻井液功能及其作用机理研究 - 1 3 好坏，目前我们主要采用评价泡沫液的方法评价雾化液基液．一种好的雾化液配方．不但 要求高效的发泡性，而且要求泡沫具有一定的稳定性．以泡沫的质量参数、稳定性、抗污 染性 饱和性等主要指标进行实验，用优选法确定9 6 6 3 井雾化液配方为 OH O0 ． 1 ％一O ． 3 ％C MC HV 3 ％一5 ％K WR 1 O ． 4 ％L S ②H O0 1 ％一O 、 3 ％C MC HV 4 ％一6 ％K WR 2 结 论 1 ．空气雾化钻井中，钻屑在井筒中流型主要表现为环雾流和雾状流．但在一定因素 影响下也会出现过渡流、段塞流。 2 ．雾化液具有促使并保持环空呈雾状稳态流的作用，在其它功能的作用下，能够增 强空气流举屑携水能力，确保空气雾化钻井顺利进行． 3 空气雾化钻井空气排量应着重从所钻地层出液量大小方面来设计。 4 、雾化液排量的优选依据实际地层出液量而定，原则上要将井壁和钻屑完全润湿， 环空流态呈雾状稳态流．严禁雾化液排量忽高忽低 尽量减少注入泡沫塞次数。 5 ．在雾化配方和性能方面，优化和检浔 0 工作尤为重要1 ①试验发现雾化液中表面活性剂质量的好坏和浓度的高低对雾化钻井有一定影响．其 中，浓度的高低随井下条件 如地层出液、钻屑量等 改变而改变．如果浓度太低．井下 环空易形成液、固段塞如果其浓度太高，也有可能形成浓泡沫段塞．理想的表面活性剂 浓度应在实际中调节，使得排出液为雾化稳志流，立压平稳且趋于最小。 在雾化液配制中，由于受现场条件的限制，处理刘能番充分预水化溶解．是否混合 均匀及浓度的高低、基液稠稀对雾化钻井都有影响．试验发现雾化液基液牯稠或稀时．排 出口返出都有可能形成段塞 泡沫塞或水柱 ．这说明监测雾化液基液性能很有必要。配 制每一罐雾化液都应按设计配方执行，处理剂充分预水化，浓度足．性能达到设计要求． 井做好现场检测工作． 根据不同类型的井或井下条件选择不同的雾化液配方．是雾化钻井工艺中重要的一 环． ④试验发现低密度原油对雾化液的发泡量和稳定性影响不大，而高密度原油 古芳香 烃 则会影响雾化液的发泡量．高浓度的盐、水泥、石灰或酸也会影响雾化液的发泡量， 这两者同时存在则影响更大。 ⑤雾化液成本是空气雾化钻井的主要成本之一． 参考文献 I 周軎 n ．D L A - I 型钻井穗嗣滑性舟析慢帖井藏＆ 完井藏．1 9 9 4 2 w C L y o n s 空气钻井手册 致谢有关空气钻井研究项目的全体人员的指导和帮助 责任编辑糟玉良 维普资讯