气体钻井井眼干燥技术及携水模拟装置的研制.pdf

第 3 2卷 第 4期 2 0 1 5年7月 钻井 液与 完井 液 DRI LLI NG FLUI D ＆ COM PLETI ON FLUI D V_o1 ． 3 2 NO． 4 J ul y 2 01 5 d o i 1 0 ． 3 6 9 6 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 9 气体钻井井眼干燥技术及携水模拟装置的研制 侯杰， 刘永贵， 李海 大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 侯 杰等 ． 气『 本 钻 井井眼干燥技 术及携 水模拟装置 的研制 [ J ] ． 钻 井液与 完井液，2 0 1 5 ，3 2 4 3 2 3 6 ． 摘要 气体钻井过程 中因地 层 出水引起 的斗壁失搀等技术难题 ，严重制 约了该技 术的推广血垌 为解决这 一难题 ， 将 戎的超叹水材料峒干携带地层 出水，并根据计算模型预测的出水量确定超叹水材料加量，携水工艺模拟装置可以 确宪坦吸水什料适用的出水范围 实验结果表明，计算模型能对地层出水进行准确预测 ； 戎的超叹水材料饱佃吸水 倍数为8 2 5倍、在 5 rai n内吸水达到 6 5 6倍、在矿化度为 1 0 0 0 mg ／ L的水中最小叹水倍数为 1 2 0倍、在 p H值为6 ～1 l 区问内的吸水倍数都 大干 6 0 0倍 ，在较 高温度和压力下 ，保 水率仍 大干 8 0 ％，能够满足 大庆地层 出水 紊件下 气 钻 斗 的携 小要求 对吸水材 料回收后，其饱和吸 水倍 数为 7 0 0倍 ，可 以重复利用 ； 模 拟装置能对 不同出水 量的携水工 艺进 行有效模拟，解决 了以往模拟装置体积大、操怍难等问题。研究结果表明，将超叹水材料直用于出水地罢的气 钻冲， 为保持 井艰干蜂 、扩 大气体钻 井应用 范 围提供 了新的解决 方 向和技术思路。 关键词 气 钻井 ； 地层出水 ； 携水利 ； 空气压缩机 中图分类号 T E 2 5 2 ． 3 T E 2 5 4 ．4 文献标识码A 文章编号1 0 0 l 一 5 6 2 0 2 0 1 50 4 0 0 3 2 ． 0 5 大庆油田从 2 0 0 5 年开始进行气体钻井技术研究 ， 主要在古龙区块 、徐深区块 、莺深 区块进行 了应用 ， 总体效果较好。但因地层出水引起的一系列井下复杂 情况制约 了该技术大范围推广应用 ，比如形成泥环 、 钻头泥包 、钻具遇卡 ，甚至会对上部泥页岩的强度产 生影响 ，发生井壁垮 塌 】 。钻遇出水层后 ，如果 出 水量较小 ，加大注气量和注气压力就能将 出水携带出 地面 ，如果 水量太大就只有采用充气泡沫钻井 ，甚 至转换为常规钻井液钻进 ，这就缩短了气体钻井 的应 用井段 ，也限制了气体钻井应用规模。将超吸水材料 应用于出水地层气体钻井 ，不仅能保持井眼干燥 ，还 可重复回收利用 ，降低成本 [9 - 11 ] 同时，结合建立的 气液固三相混合模拟装置 ，能模拟不同出水条件下的 气体钻井携水工艺 ，并能确定吸水材料适用的出水量 范 围 1 地层 出水量预测计算模型 国内外气体钻井实践表明 气体钻井成功实施的 前提是井壁稳定 、 地层含水少或不含水 、 储层清楚等。 因此 ，准确预测气体钻井井段地层出水是气体钻井成 功的关键技术之一 ， 形成一套气体钻井 出水预测技术 ， 对指导气体钻井施工具有重大意义。 根据如下计算模型，预测出大庆徐深、莺深和古 龙 3 个气体钻井的主要区块地层出水量在 0 ． 2 ～5 m ／ h 之间，与通过测井资料得出的地层出水量相吻合。 Qw 2 r t r q g h C e Ap Q D 1 其 中，Qw为总体 出水 量 ，m3； 为气水接 触面半径 即扩大井半径 ，m ； 为天然水域 的有效孑 L 隙度 ； h为天然水域的有效厚度 ，m ； C e 为天然水域 中的有 效压缩 系数 ，1 ／ MP a；A P为气水接触 面上 的压力 ， MP a； Q 。 为无 因次产量 ，无单位。 2 超吸水材料的合成及性能评价 超 吸水材料 简称 S A P，是一 种具有超强 吸水 能 力和保水 能力 的高分 子量聚合物 ，S A P可吸收质 量 是其成百甚至上千倍 的水 ，且吸收后 的水很难脱去 ， 在油 田开发过程中被用作堵水材料。在气体钻井过程 中，地层 出水经过高 速气 流鼓 吹 ，以雾化状 态在地 第一作者简介 侯杰，工程师，1 9 8 3年生，2 0 0 9年毕业于大庆石油学院油气井工程专业，现在从事钻井液处理剂合成及体 系研发工作。地址 黑龙江省大庆市八百垧钻井工程技术研究院钻井液技术研究所； 邮政编码 1 6 3 4 1 3 ； 电话 1 8 2 4 5 9 9 6 6 2 8 ； E ma i l 9 4 4 7 8 3 3 3 q q ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2 卷 第4 期 侯杰等气体钻井井眼干燥技术及携水模拟装置的研制 3 3 层环空呈现 ，S AP呈极细粉末状 ，具有很大表面积。 当 S AP随着气体 一起被泵入地 层环空 ，经过 出水层 时 ，迅速与雾化状 的水分接触 ，将水分吸人到 自身网 状结构 内，再随气流返 出地 面，从而达到保持井眼干 燥的 目的 ，保障气体钻井顺利进行 ，延迟常规钻井液 转换时 间，大幅提高气体钻井时效。所 以将 S AP用 于气体钻井 ，携带地层出水 ，具有理论可行性。 2 ． 1 S AP 的 合成 1 单体选择。S A P可分为离子型与非离子型。 离子型 吸水 能力强 ，耐盐性较差 ； 非离子 型耐盐性 好 ，吸水 能力差。综合 S AP吸水性 、抗盐 性和成本 因素考虑 ，选用丙烯酸 AA 、丙烯酰胺 A M 和 2 一 丙烯 酰胺基 ． 2 一 甲基丙磺酸 AMP S为单体 。因 为 A A含 有亲水基 团一 C 00 ，吸水性强 ； AM 对 电 解质有较强抵抗力 ； AMP S分子 中含有耐盐性好的磺 酸根基团。采用水溶液聚合法，以这 3 种单体合成出 的 S A P具有较强的吸水性 、抗盐性和稳定性。 2合 成实验。称取一定 量 的 AM、A MP S溶解 于蒸馏水中，再量取一定体积 的 A A加入溶液中 ，在 搅 拌状态下 ，用一定量 Na OH水溶 液对原溶液进 行 中和，再加入定量交联剂 、引发剂 ，在 6 0 ～8 0℃下 反应 6 ～7 h ，反应完毕后 ，将反应物取 出，8 0℃条 件下干燥 ，粉碎即得超吸水材料 S AP 。 2 ． 2 S AP的吸水 原理 S AP分子 中含强 吸水基 团，具有三 维交联 网络 结构。吸水前，高分子网络呈固态网束，未电离成离 子对 ； 遇水后 ，水分子通过氢键与分子链上的亲水基 团发生水合作用 ，使亲水基团离解成阴阳离子 。阴离 子问的静电斥力使高分子网束 向外张展 ，随着 阴离子 数 目增加 而使 网束增 大，由此产 生毛细管作用 ；同 时 ，为 了维持电中性 ，离解的阳离子只能在网络内部 自由移动 ，随着 阳离子浓度增大而在网络结构 内外产 生渗透压 。在毛细管作用和渗透压共同作用下 ，水分 子进人到 S AP网状结构内。当网络结构扩展达到极 限，向外的张力 与网络结构弹性收缩力达到平衡 ，此 时 S AP吸水达到饱和。 2 ． 3 S AP 性 能评价 2 ． 3 ． 1 吸水倍数和吸水速度 气体钻井时气体在井筒 内流速非常快 ，通常都大 于 1 0 r r d s ，S AP进入 出水层后与水接触时间较短 ，要 求 S A P具有较快吸水速度 ； 同时，为了减少 S A P 使 用量 ，提高经济性 ，降低设备负荷 ，要求 S AP吸水 倍数越大越好。 将 质量 为 r n 的 S A P加 入到 过量水 中，在不 同 时问后过滤掉剩余水 ，称取携水剂质量 m ， ，可计算 S AP在 不 同时间的吸水倍数 m 2 - m。 。将实 验结果 以时间为横坐标 ，吸水倍数为纵坐标作图，如 图 1 所 示。 由图 1 可 知，S AP饱 和吸水质量倍 数达 到 8 2 5倍 ，且在 5 mi n内吸水倍数为 6 5 6倍 ，达到饱 和吸水倍数 的 8 0 ％，说 明 自主合成的 S AP具有超强 吸水特性和较快吸水速率 ，能够满足气体钻井过程中 的吸水要求 。 籁 班 * 8 o o 7 o o 6 0 o 5 o o 4 0 o 3 o o 2 o o 1 o o 0 t ／ mi n 图 1 S AP吸水性能曲线图 2 ． 3 ． 2 耐盐性 S A P的吸水倍数和吸水速率受矿化度影响较大 ， 所 以要求 S A P具有较强耐盐性 。大庆油 田地层水 中 阳离 子 以 Na 为 主，还 含 有 少量 I 、c a 和 Mg 等 ，阴离 子 以 C r为 主，可 能还含 有一定 量 C O 、 HCO3、 SO4 卜 、NO3 一 。 1 不同离子对 S A P吸水性能的影响。分别在不 同阴 、阳离子溶液中进行 S A P吸水倍数 和吸水速率 测试实验 ，并绘成曲线 图，如图 2 、图 3所示。 籁 迥 垦 籁 疆 督 8 0 0 7 o o 6 o o 5 o o 4o o 3 o 0 2 o 0 1 0 o 0 0 2 0 4 0 6 O 8 O 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 O 1 8 0 t ／ a i m 图 2 不同阳离子对 S A P吸水 性能的影 响 8 0 0 7 0 0 6 0 o 5 0 0 4 0 o 3 o o 2 0 0 1 0 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 t／ a r m 图 3 不同阴离子对 S AP吸水性能的影响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 钴井 液与 完井液 2 0 1 5年 7月 由图 2 、图 3可知 ，阳离子对 S P A吸水性能起主 要作用。不 同价位 阳离子对 S A P吸水性能的影响不 一 样 ，价位 越高 ，影响越大 ，在前 3 0 mi n内吸水都 基本达到饱和，这可能是 由于阳离子价位越高 ，S AP 网络结构 内外渗透压降低 ，从 而降低 了 s P A吸水 的 能 力 ； 不同价位 阴离子对 S A P吸水性能 的影响大小 也不一样 ，价位越低 ，影响越大。随着吸水时间的增 长 ，S AP在 3 0 mi n内吸水速度较快 ，1 0 0 mi n后速度 缓慢 。这可能是 由于阴离子价位越低 ，对 S P A网络 结构中的阴离子斥力越小 ，网络张展能力减弱导致吸 水能力降低。 大庆油 ⋯地 层水 总矿化 度主要 分布 在 l 0 0 0 ～ 1 0 0 0 0 mg ／ L之川 而且 随地层深度 的增加 ，矿化度 与深度呈近似 的 性关系。测量 S AP在不 同矿化度 溶液中的吸水倍 数 ，实验结果见 图 4 。 由图 4可知 ， S AP的最低吸水倍数 大于 1 2 0倍 ，能满足 地层 出水 后的吸水要求。随着地层水矿化 度增加 ，S AP吸水 倍数趋于降低 ，小于 1 0 0 0 mg ／ L时 ，吸水倍数急剧 降低 ，大于 1 0 0 0 mg ／ L后 ，矿化 度对 其影 响不 大 ， 吸水倍数趋于不变 。 赣 逛 螫 8 0 0 6 o o 4 o o 2 o 0 0 o 2 0 0 0 4 0 0 0 6 o o o 8 o o o l O O O O 模拟地层水矿化度／ m e ,／ L 图4 地层水矿化度对 S AP吸水性能的影响 2 ． 3 ． 3 耐酸碱性 由于地层水矿化 度不同 ，酸碱 度也不确定 ，矿 化度越高 ，p H值越低。p H值太高或太低都会对 S P A 的吸水性能产生影响。在不同 p H值的蒸馏水溶液 中， 对 S AP的吸水性能进行了测试 ，结果见图 5 。 逛 p H 图 5 p H值对 S AP吸水性能 的影 响 由图 5 可 以看 出，当溶液 p H值小于 4或大于 1 2 时 ，S A P吸水能力都极低 ； 当 p H值大于 4时，吸水 能 力 随 p H值 增加 而迅 速增 大 ； p H值 为 6 ～1 0时 ， 吸水能力基本保持不变 ，且处于较高吸水能力 区问。 大庆地层水 酸碱度主要集 中在 6 ～ 1 1之间 ，在该酸 碱度 区间 S AP吸水倍数大于 6 0 0倍 ，能够满 足吸水 要求。 2 ． 3 ． 4 抗压和耐温能力 气体钻井过程 中，立管压力通常在 5 MP a 左右 ， 随着井深增加 ， 井筒内温度逐渐增加 ， 所 以对 S AP在 高温高压条件下 的吸水能力也有要求。大庆气体钻井 主要集中在垂深 3 5 0 0 m左右的井段 ，温度在 1 2 0 左 右。将吸水饱和的 S AP样品 ，用高速搅拌器将其 搅碎 搅碎后没有水分析 ， 置于高温高压滤失仪中 ， 在 1 2 0 o C、0 ． 1 ～5 MP a 条件下 ，在每个乐力值下稳 定 3 0 mi n读取滤失量 ，计算 S AP在高温高压下 的 保水能力 ，实验结果见表 1 。由表 1 可知 ，自主合成 的 S AP在 5 MP a 、1 2 0 下保水率达到 8 4 ． 9 ％，在井 底 环境 中，S A P吸水远远不 能达到饱和 ，所 以 S AP 吸入其 内部的水分不会因为温度和压力再次析 m，而 影响井壁干燥。 表 1 S P A 的抗压 、耐温性能 P ／ MP a F L ／ mL 保水率 ／ ％ P ／ MP a 凡 ／ mL 保水率 ／ ％ 0 0 l 00 3． 0 76 ． 7 9 0． 7 0． 5 6．4 99． 2 3． 5 96 ． 5 88 _ 3 0． 1 1 8． 6 97． 7 4． 0 1 11 ． 4 8 6． 5 1 ． 5 3 2．4 96． 1 4． 5 1 20． 4 85 ． 4 2． 0 46． 8 9 4． 3 5． 0 1 24． 6 8 4． 9 2． 5 5 8． 2 91 ． 6 综合 以上分析 ， 自主合成的超 吸水材料 S A P吸 水倍数 和速 率能满足气体 钻井地层 出水 后 的携水要 求 ，在模拟地层水矿化度和酸碱度条件下 ，仍具有较 好的吸水能力 ，且在高温高压情况下具有 良好 的保水 能力 ，说明合成的 S AP能够满足大庆气体钻井地层 出水条件下吸水和保持井眼干燥 的需求。 3 携水模拟 装置 的建立 3 ． 1 模拟装置的设计 根据相关资料以及现场气体钻井作业中的相关数 据 ，设计 了实验装置 见 图 6 ①用一定壁厚和直 径 的有机玻璃筒模拟井壁 ； ②在有机玻璃筒中间固定 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 钻井液与 完井 液 2 0 1 5年 7月 盛有清水的桶 中，保持低速搅拌 ，使岩屑从 S AP表 面脱离。② 清洗 。待 S A P吸水饱和后 ，用孔径小 于 S A P粒径 的滤 网进行过滤 ，并反复用清水 冲洗 ，直 至 S A P表面洁净 为止。③烘干。将洗净的 S AP置于 7 0 ～8 0℃的烘干箱 中烘干。④ 粉碎 。烘干后 的 S AP 呈片状或块状 ，用粉碎机低速粉碎。经过以上 4步处 理之后 ，S AP仍具有 较强的 吸水能力 ，吸水倍数是 未使用之前 的 8 5 ％，吸水倍数和吸水速率相差不大 。 所 以回收后 的 S AP可 以进行 回收再利用 ，降低经济 成本。 6 结论 1 ． 以测井资料 、地质资料 为基础 ，运用渗流力 学 和流体力学等原理 ，结合大庆气体钻井实钻资料 ， 建立了一套预测地层出水量的计算模型 ，可对大庆气 体钻井区块地层 出水量进行预测 ，为应对地下复杂情 况提供 了数据支持。 2． 对 自主合成的超吸水材料 S AP相关 I生能进行 了测试 。 实验表 明， 合成的 S A P具有 良好的吸水性能 ， 能有效吸收高矿化度和酸碱度的地层出水 ，且高温高 压下仍具有 良好 的保水 陛能 ，能够满足气体钻井携水 需求。 3． 建立 了一套可实现气液固三相混合的气体钻 井携水工艺模拟装置 ，能对出水条件下的气体钻井工 艺进行模拟，得出将 S A P应用于气体钻井时地层出 水的最大值。 4． 通过室内实验探索出S A P 的回收再利用技术。 将超吸水材料应用于气体钻井，以保持井眼干燥具有 可行性，为扩大气体钻井应用范围提出了新的思路。 【 2 】 [ 3 】 参 考 文 献 崔英德，黎新 明，尹 国强 ． 绿色高吸水树脂 ] ． 北京 化学 T业 出版社 ．2 0 0 8 ． Cu i Y i n g d e ， Li Xi n m i ng，Yi n Gu o qi a n g ．Gr e e n h i g h i n j e c t i v i t y r e s i n [ M] ． B e i j i n g C h e mi c a l i n d u s t r y p r e s s ， 200 8． 陈雪萍，翁志学 ． 高吸水树脂的研究进展和应用 [ J ] ． 化工 生产与技术，2 0 0 0 1 1 7 1 8 ． Chen Xuepi ng，W eng Zhi xue．Res ea r c h pr og r es s a nd a p p l i c a t i o n o f h i g h - a b s o r b e n t r e s i n [ J ] ． C h e mi c a l P r o d u c t i o n a n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 0 1 1 7 1 8 ． 黄美玉 ，吴如 ，蒋利人 ，等 ． 高超吸水性聚丙烯酸钠的 制备 [ J ] ． 高分子通讯，1 9 8 4 4 1 2 9 ． 1 3 2 ． Hu a n g M e i y u，W u Ru，J i a n g L i r e n e t a 1 ． Th e p r e p a r a t i o n o f s u p e r a b s o r b e n t p o l y a c r y l i c a c i d s o d i u m[ J ] ．P o l y me r Co mmu n i c a t i o n s ， 1 9 8 4 4 1 2 9 1 3 2 ． [ 4 ] 黄福堂 ． 松辽盆地北部扶杨地层水地球化学特征研究 [ J 】 ． 西南石油学院学报 ，1 9 9 4 ，1 7 4 6 - 1 3 ， Hua n g F u t a n g． Ge o c h e mi c a l c ha r a c t e r i s t i c s r e s e a r c h o f f u y a n g f o r ma t i o n wa t e r i n n o r t h e r n S o n g l i a o b a s i n [ J ] ． J o u r n a l o fS o u t h w e s t P e t r o u m I n s t i t u t e ，1 9 9 4 ，1 7 4 6 一 l 3． [ 5 ] 赵兴宝 ． 高吸水树脂的市场现状与预测 [ J ] _ 现代 化工 ， 1 99 8， 4 33 36． Z h a o Xi n g b a o ． M a r k e t s t a ms a n d f o r e c a s t o f h i g h a b s o r b e n t r e s i n [ J ] ． Mo d e r n C h e mi c a l I n d u s t t y，1 9 9 8 ， 4 3 3 3 6 ． [ 6 ] 项德贵，余金海 ，韩小晴，等 ． 空气钻井在玉门青西油 田的应用 [ J 1 ． 西部探矿工程 ，2 0 0 6 ，61 7 8 1 7 9 ． Xi a n g De g u i ，Yu J i n h a i ，Ha n Xi a o q i n g ，e t a 1 ． Ai r d r i l l i n g a p p l i c a t i o n s i n Yu me n Qi n g x i Oi l fi e l d [ J ] ． T h e We s t e r n E x pl o r a t i o n En g i n e e r i n g，2 0 0 6， 6 1 7 8 1 7 9 ． [ 7 ] As k a r i F，Na fis i S，Omi d i a n H，e t a 1 ． S y n t h e s i s a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f a c r y l i c b a s e d s u p e r a b s o n b e n t s [ J ] ． J o u r n a l o f A p p l i e d P o ly me r S c i e n c e ，1 9 9 3 ， 5 0 1 0 1 8 5 1 1 8 5 5 ． [ 8 ] Be n d a Du s a n ，S n u p a r e k J a r o mi r ，C e r ma k Vl a d i mi r ． I n ve r s e s us p e n s i o n p o l y m e r i z a t i on o f t h e h y d r o p h i l i c a c ryl i c mo n n me r s i n t h e s t a t i c c o n t i n u o u s p h a s e [ J ] ．J o u r n a l o fDi s p e r s i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，1 8 2 1 1 5 1 21 ． [ 9 ] 高如军 ，何世明，侯文波，等 ． 气体钻井岩石应力应变 场对井斜的影响分析 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 8 ， 2 5 6 1 ． 3． Ga o R u j u n，He S h i mi n g ，C h i J u n ，e t a 1 ． T h e i n fl u e n c e s o f s t r e s s fie l d a n d s t r a i n fie l d o f r o c k s o n h o l e d e v i a t i o n i n g a s d r i l l i n g [ J ] ． D r i l l i n gF l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 8 ， 2 5 6 1 3． [ 1 0 】周华安， 何纶， 杨兰平，等 ． 气体钻井的循环流体转换工 艺配套技术 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 7 ，2 4 S 1 3 1 - 3 4 ． Zhou H uaan， H e Lun， Yang La npi ng， et a1 ． The c o n v e r s i o n o f c i r c u l a t i o n fl u i d i n g a s d r i l l i n g [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o nF l u i d ，2 0 0 7 。2 4 S 1 3 1 - 3 4 ． [ 1 1 ]陈富全，罗玉祥 ， 李家龙 ，等 ． 龙岗地区气体钻井结束 后卡钻原 因分析 ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 6 8 6 8 7． Ch e n F u q u a n，L u o Yu x i a n g， L i J i a l o n g，e t a 1 ． W h a t c a u s e d t h e p i p e s t i c k i n g i n c o mp l e t e d we l l s i n b l o c k l o n g g a n g [ J ] ． Dr i l l i n g Fl u i d＆ Co mpl e t i o n Fl u i d，2 0 0 9， 2 6 6 86 87 ． 收稿 日期2 0 1 5 ． 0 3 ． 3 1 ；H GF 1 5 0 4 N9 ；编 辑 王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m