HEM深水聚胺钻井液体系的研究与应用.pdf

第 3 1 卷 第 1期 2 0 1 4年1月 钴井液与 充 井液 DRI LL I NG F LUI D COMP LE TI ON FL UI D V0 1 ． 3 1 No ． 1 J a n ．2 0 1 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 8 ． i s s n ． 1 0 0 1 - 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 0 6 H E M 深水聚胺钻井液体系的研究与应用 罗健生， 李自立， 李怀科， 陈忠华， 王楠， 严海源 中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，河北燕郊 罗健生等 ． HE M 深水聚胺钻井液体系的研究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 1 2 0 2 3 ． 摘要为 了解决深水钻井中低温下钻井液增稠、-3量循环密度变化较大、作业安全密度 窗口窄、低温高压下 易形成天然气水合物等问题，采用聚胺 P F ． U HI B、包被剂 P F ． U C AP 、防泥包润滑剂 P F ． HL UB、降滤失剂P F ． F L O、 流型调节剂 X C H及水合物抑制剂Na C 1 等构建了一套适合深水钻进的H E M体系。其中的P F UC AP是 自制的低分子 量包被剂，其平均分子量小于 1 0 0万，平均粒径在 5 0 g m左右，且粒径非常均匀，对钻屑具有很好的包被效果，钻屑 滚动回收率在 8 5 ％ 以上。综合性能评价结果表明，HE M 深水聚胺钻井液体系在 4 ～5 0℃下流变性能稳定，具有较强 的抑制性能和水合物抑制能力，防泥包效果好，携砂能力、抗盐、抗钙及抗钻屑污染能力强，抗温达 1 6 0℃，能满足 井深 2 0 0 0 m左右的深水钻进。该钻井液在南海流花油田L H A井等 5口深水井中进行 了成功应用。 关键词 深水 ； 聚胺钻井液 ； 低温流变性 ； 天然气水合物 中图分类号T E 2 5 4 ． 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 40 1 ． 0 0 2 0 ． 0 4 随着石油工业的不断发展，海洋油气勘探开发逐 渐由浅海向深水发展 ，与浅水作业不同，深水钻井具 有以下特点 ①深水钻井泥线温度很低，传统水基钻 井液在低温下易增稠， 造成钻井液当量循环密度变化 大， 安全密度窗口窄， 严重时易压漏地层 ； ②未压实 的泥页岩地层易发生水化反应， 若钻井液抑制性不好， 其性能会变得不稳定，严重时钻井液流变l生 能不易控 制， 且易造成井壁失稳； ③在低温高压条件下， 天然气 在水基钻井液中易形成天然气水合物， 造成管道堵塞； ④深水钻井需要大尺寸长段隔水管， 对钻井液携带能 力是很大的考验，且钻井液用量大。这些 问题给钻井 工作带来了诸多困难，对钻井液技术提出了更高的要 求， 在保证井下安全及环境保护条件下， 研制一套适 合深水钻进的强抑制性钻井液体系很有必要 [1 -8 1 。 1 低分子量包被剂的合成 ①在 1 0 0 0 m L四口烧瓶中加入 6 0 0 mL 环己烷和 2 ．8 g 失水山梨醇单硬脂酸酯，边搅拌边加热使其充 分溶解。②分别将 6 0 g 单体 I、1 8 g 单体Ⅱ以及 4 0 mg 分子量调节剂加入烧杯中，并用 5 0 m L蒸馏水完 全溶解 ，即得单体溶液。③将配制好的单体溶液慢速 滴加到四口烧瓶中，通人氮气约 3 0 m i n ，并开始加 热升温。温度上升到 5 5℃左右时停止加热，再加入 8 4 0 mg 的过硫酸铵溶液。④继续搅拌，反应为放热 反应，控制温度在 6 5 ～7 0 oC 范围内。⑤待反应完成 后，共沸除水，冷却后将反应产物进行抽滤， 烘干即 得最终产品，取代号为 P F U C A P 。 分别用凝胶色谱法和特性黏数法测定了P F ． U C A P 的分子量，测得结果分别为 9 7 万和 9 3 万，表明合成 的P F U C A P分子量较小，仅有 9 O 多万，远小于目 前常用包被剂 的分子量 。 取 1 0 0 mg 样 品放人盛有 2 mL无水 乙醇 的塑料 管中，然后将样品管在超声仪中分散 5 m i n ，取下层 的分散液一滴放置在载玻片上 ，保持 1 5 m i n 让乙醇 完全挥发， 然后用扫描电镜测其粒径分布。可以看出， P F ． U C A P的颗粒呈球状分布，且粒径非常均匀，基 本在 5 0 g m左右。 实验测得缅甸钻屑在蒸馏水、 O ．5 ％ P F ． P L U S 、 0 ． 5 ％ P F U C A P中 的回收率分别 为 8 ． 5 ％、 9 5 ．4 ％、 8 8 ．6 ％， B Z钻屑在蒸馏水、 0 ．5 ％P F ． P L U S 、 0 ． 5 ％P F ． U C A P中的 回收率分别为 1 2 ．0 ％、 8 4 ． 1 ％、 9 4 ．5 ％。表明P F ． U C A P 的包被钻屑效果可以与 P L US相 当。 第一作者简介 罗健生，高级工程师，中国海洋石油总公司产品研发专家，现在从事钻完井液及储层保护研究工作。地址 河北省三河市燕郊行宫西大街 8 l号中海油服油化研究院 ； 邮政编码0 6 5 2 0 1；电话 0 1 08 4 5 2 2 1 3 9； E ma i l l u o j s h c o s 1 ．c o rn． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷 第 1 期 罗健生等H E M深水聚胺钻井液体 系的研究与应用 2 1 2 深水 聚胺钻井液的性能评价 深水聚胺钻井液 H E M体系是由强抑制剂聚胺 P F UH I B、 包被剂P F UC AP 、 防泥包润滑剂 P F ． H L UB、 降滤失剂 P F ． F L O、 流型调节剂 X C H及水合物抑制剂 N a C 1 等构建而成，配方如下。 海水 0 ． 2 ％～O ． 3 ％ 纯碱 5 ％KC l 0 ． 5 ％～0 ． 8 ％ P F ． UCAP 1 ． 5 ％～2 ％ P F ． F L O 0 ． 1 ％～0 ． 3 ％ XC H 2 ％～3 ％ P F ． U HI B 1 ％～2 ％ P F HL UB 2 ． I 低温对钻井液流变性能的影响 从表 1 可以看出， 聚胺钻井液在 4 ～5 0℃下， 其 动切力、 ‰、 变化 比较平稳，其中H E M钻井液的 l 最 大 ／ 】 最 小 、 6 最 大 ／ 6 最 小 、 3 最 大 ／ 3 最 小的比值分另 U 为 1 ．4 3 、1 ． 4 、1 ． 5 ， HE M 9 ％Na C 1 钻井液的 最 大／ y 尸最 ， J 、 、 6 最 大 ／ 6 最 小 、 3 t ／ Co 3 t ／l、 的比值分另 0 为 1 ． 1 8 、1 ．4 、1 ． 5 ， 说明低温对钻井液流变性能影响较小 。 表 1 H E M钻井液1 0 0℃热滚 1 6 h 后在不同温度下的常规性能 2 ． 2钻井液 抑制 性 室内利用滚动回收率实验和Wa f e r 实验分别评价 了钻井液抑制泥页岩分散能力及钻井液浸泡岩样后岩 心的强度变化情况。滚动回收率实验结果表明，岩屑 在海水中的滚动回收率最低，为 4 ．5 ％ ； 在 H E M钻井 液中的一次滚动回收率、二次滚动回收率及耐久滚动 回收率分别是 9 9 ％、9 1 ．8 ％及 9 5 ．0 ％，而在国外聚胺 钻井液体系的一次滚动回收率、二次滚动回收率及耐 久滚动回收率分别是 9 3 ％、8 9 ％及 9 1 ％，说明H E M 钻井液抑制泥页岩分散能力最强 。 Wa f e r 硬度实验的方法 将人造岩心分别在不同 的钻井液中浸泡 1 6 h 后， 取出岩心， 分别测定其硬度， 再将其与浸泡前人造岩心的硬度进行比较，计算岩心 硬度降低率，以评价钻井液浸泡后岩石强度的变化。 通过测定，岩心在 H E M钻井液体系中硬度降低率为 3 9 ％，在 P E M钻井液中岩心硬度降低率为 5 2 ％，这 说 明 HE M 钻井液具有较强抑制性。 2 ． 3 抑制天然气水合物形成的能力 图 1 ～图 3 是不同浓度的N a C 1 及乙二醇对水合 物抑制性的影响 [3 ] 。图 1 及图2 表明，随着 N a C 1 浓 度的增加，其抑制天然气水合物的能力越强。如在 钻井液 中加入 2 3 ％Na C 1 ，当泥线温度为 4℃、钻井液 密度为 1 ． 1 2 g ／ c m3 时 ，水深为 2 0 5 0 1 1 1 2 2 ． 9 6 MP a ， 钻井液能抑制天然气水合物的形成。图 3 表明，在钻 井液 中加入 1 5 ％Na C 1 和 1 0 ％ 乙二醇 ，当泥线温度为 4℃、钻井 液密度为 1 ． 1 2 g ／ c m 时，水深为 1 2 0 5 m 1 3 ．5 0 MP a ，钻井液也能抑制天然气水合物的形成。 重 奁 4 0 3 5 3 O 2 5 2 O l 5 l 0 5 0 温度， ℃ 图 1 不同浓度的Na C 1 对天然气水合物的影响 董 重 奋 2 8 2 6 2 4 2 2 2 O l 8 l 6 1 4 l 2 温度／ ℃ 图2 2 3 ％Na C 1 对天然气水合物的影响 温度／ ℃ 图 3 1 5 ％Na C l l 0 ％ 乙二醇对天然气水合物的影响 2 ． 4 抗污染能力 表 2为氯化钙对钻井液性能的影 响。在 HE M 钻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 铝井液与 完井液 2 0 1 4年 1月 井液中，加入不同量的C a C I ，测其常规性能，从表 2可知 ，HE M 钻井液可 以抵抗 2 ％C a C 1 污染 ，说 明 该钻井液抗钙污染能力较强。表 3为钙土对钻井液性 能的影响 。从表 3可以看 出，H E M 钻井液可以抵抗 1 5 ％钙土的污染， 说明该钻井液抗钻屑污染能力较强。 表 2 不同氯化钙加量下 H E M 的常规性能 表 3 HE M 钻井液抗钙土污染性能评价 2 ． 5 抗 温性 能 从表4 可以看出， H E M体系在1 6 0 oC 老化1 6 h 后， 常规性能稳定 ，说明该钻井液抗温能力较强。 表 4 不同温度下热滚老化 1 6后钻井液的常规性能 2 ．6 防泥包效果 在钻活性泥页岩时， 钻头及扶正器容易出现泥包 现象。为了模拟井下情况，在钻井液中加人钻屑，热 滚后取出铁棒，观察黏附在其上面的钻屑， 在烘箱里 烘干后冷却至室温，称量、计算铁棒上钻屑的黏附百 分率。通过测定，在 H E M钻井液中，钻屑在铁棒上 的黏附率很低，为 1 ． 9 ％，而在 K C I／ P H P A钻井液中， 钻屑的黏附率在 1 4 ％ 以上，说明H E M 钻井液有较 好 的防泥包效果 。 3现 场应 用 中国南海流花油田岩性主要由灰色泥岩、棕色 粉砂岩、灰色砂质泥岩、灰色粉砂质泥岩等组成，储 层段岩性以浅灰色细 ． 中砂岩为主，夹薄层泥岩，砂 岩物性较好 ，顶部略含钙 ，物性较差 。HE M 聚胺钻 井液体系在流花油田的A井、B井、c井、D井及 E 井成功应用。以下介绍L H A及L H ． D井的应用情况。 L H A井水深为 5 4 1 m，一开使用海水钻 4, 9 1 4 ．4 m m井眼，钻至井深 6 2 7 ．0 0 m，下人 4, 7 6 2 m m套管至 井深 6 2 6 m； 二开使用海水膨润土浆钻 4, 4 4 4 ．5 mm井 眼，钻至井深 1 3 0 8 ．0 0 m，下人 4, 3 3 9 ．7 m m套管至井 深 1 3 0 1 ．1 4 m； 三开使用H E M体系钻 4, 3 1 1 ．1 5 mm井眼， 钻至井深 2 7 0 0 m，钻井液密度为 1 ． 0 9 ～1 ． 1 1 g ／ c m。 ，下 入 6 2 4 4 ． 5 m m套管至井深 2 6 9 1 ．2 0 m； 四开使用 H E M 体系钻 4, 2 1 5 ．9 mm井眼，钻至井深 4 0 0 1 ．0 0 m， 完钻。 L H ． D井水深 7 4 2 m， 一开喷射钻进 q b 7 6 2 mm井 眼， 钻至井深 8 3 5 ．9 5 m； 二开钻 4,4 4 4 ．5 m m井眼， 钻 至井深 1 4 6 1 m， 下人6 3 3 9 ．7 m m套管至井深 1 4 5 3 ．6 5 m； 三开使用 H E M体系钻 4, 3 1 1 ． 1 5 m m井眼，钻至井 深 2 7 1 0 m完钻 ，钻井液密度为 1 ． 1 2 ～1 ． 1 4 g ／ c m 。 现场聚胺钻井液 HE M 体系配方如下。 2 ％海水膨润土浆 或海水 2 ～3 k g ／ m 纯碱 1 ～6 k g ／ m P AC 3 ～9 k g ／ m P F UC AP 1 5 ～ 2 0 k g ／ m P F F L O 3 0 --5 0 k g ／ m KC I 1 --5 k g ／ m XCH 2 0 ～3 0 k g ／ m P F ． UHI B 1 0 ～2 0 k g ／ m P F ． H L UB 3 0 7 0 k g ／ m Na C 1 3 ． 1 现场钻井液关键控制技术 根据 以前 所 钻水深 为 3 2 4 m、井 径 为 西3 1 1 ． 1 5 m m的井眼，使用了 5 k g ／ m 的高分子包被剂 P L U S 配成开钻钻井液， 在振动筛上出现了糊筛跑浆的现象， 因此L H A及 L H ． D井开钻时使用了 5 ～8 k g ／ m 的低 分子量包被剂 P F ． UC AP ，避免 了低温下糊筛跑浆的 现象 ； 采用 7 0 ～1 0 0 k g ／ m Na C 1 盐水来调节钻井液密 度，而且还抑制了水合物的形成 ； 在钻井液中加入了 1 0 ～2 5 k g ／ m 的防泥包润滑剂 P F H L U B后，不用倒 划眼直接起下钻，且钻头、扶正器光亮，没有泥包 ； 在钻井液中加入 1 0 ～4 O k g ／ m 的P F U H I B后，返出 的钻屑切削痕迹 明显 ，说明钻井液抑制性很强。 图 4是 H E M 体 系中加入 Na C 1 及 K C 1 后对天然 气水合物的影响。从图 4看出，在 H E M 钻井液 中加 入 9 ％N a C 1 及 5 ％K C 1 后，泥线温度在 5℃时，使用 密度为 1 ． 1 4 g ／ c m3 的钻井液钻进 压力为 8 ． 5 MP a ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 1 卷 第 1 期 罗健生等 H E M深水聚胺钻井液体系的研究与应用 2 3 是处于无水合物区，钻进安全。返出的钻屑钻头切削 套管一次到位 ， 没有出现任何井下复杂情况。 齿痕明显， 且形状均匀 见图 5 ， 说明钻井液抑制性好 。 2 2 2 O 1 8 1 6 1 4 1 2 出 1 O 8 6 温度／ ℃ 图4 9 ％Na C l 5 ％Kc l 对天然气水合物的影响 一 图5 从振动筛返出的钻屑 3 ． 2 现场钻井液性能 L H ． A井开钻使用了2 ％海水膨润土浆配制 H E M 钻井液，而 L H ． D井则直接使用海水配制 H E M 钻井 液。表 5 是 L H ． A、L H ． D 2口井三开使用 H E M 聚胺 钻井液体系的性能。从表 5 可以看出，无论是用 2 ％ 海水膨润土浆配制 H E M钻井液，还是使用海水直接 配制 H E M 钻井液，2口井开钻性能较接近，但随着 井深的增加，考虑到要提高钻井液的携带能力，在钻 井液 中加大了 XC H的量 ，以增强钻井液的携砂能力 ， 故在完钻时 2口 井的钻井液漏斗黏度、塑性黏度、动 切力及 均较开钻时要高，但 2口井完钻时性能 也相近。 从 MB T的测试结果来看 ， 虽然所钻的是泥岩 ， 但是由于聚胺钻井液抑制性强，即使至 西3 1 1 ． 1 5 1／ 11 1 1 井段完钻，膨润土含量增加也很少。 表 5 不同井深下 击3 1 1 ． 1 5 1T I 1 T I 井段 H E M体系的常规性能 井号 井深 m ， F V ／ PV ／Y P／ ， ／M g B ／ L T ／ g ／ c m S P a p H ⋯ ℃ s n 1 P a r j mL g ／ L H E M 钻井 液在流 花油 田 5口井 的应用 过程 中， 在不同温度下钻井液流变性能稳定 ，抑制性好 ，润滑 性强 。表现为起下钻顺利 ，电测成功 ，井径规则 ，下 4 结论 1 ． 合成了一种适用于深水水基钻井液用的低分子 量包被抑制剂 P F U C A P ，其平均分子量小于 1 0 0 万， 平均粒径在 5 0岫 左右，钻屑滚动回收率高达 8 5 ％ 以上，对基浆的黏度影响较小，低温条件下的流变性 也较小，可在高固相含量，高密度钻井液中使用。 2 ．H E M 深水聚胺钻井液在 4 ～5 0 o C 下流变性 能稳定 ， 携砂能力、 抗盐、 抗钙及抗钻屑污染能力强； 抑制性强 ，润滑性好 ，具有较强 的水合物抑制能力 ， 完全能满足井深 2 0 0 0 m左右深水钻进 ； 在流花油田 5口井得到成功应用。 参 考 文 献 [ 1 ] H e r z h a f t B e n j a mi n， Da l ma z z o n e C h r i s t i n e ． G a s h y d r a t e f o r m a t i o n i n d r i l l i n g m u d c h a r a c t e r i z e d wi t h D S C t e c h n i q u e [ R ] ． S P E 7 1 3 7 9 ． 『 2 1 Pa t e l Ar v i n d， S t a ma t a k i s Em a nu e l ， Da v i s Er i e ． Hi g h p e r f o r ma n c e wa t e r - b a s e d d r i l l i n g mu d a n d me t h o d o f u s e US ， 0 1 5 5 1 5 7 [ P ] ． 2 0 0 3 ，8 ． [ 3 ] E b e l t o f t He g e，Yo u s i f M，S o e r g a a r d E i r i k，e t a 1 ． Hy d r a t e c o n t r o l d u r i ng d e e p wa t e r d r i l l i n g o ve r v i e w a n d n e w d r i l l i n g fl u i d s f o r mu l a t i o n s [ J ] ． S P E Dr i l l i n g＆ C o m p l e t i o n ． 2 0 0 1 ，1 6 1 1 9 ． 2 6 ． [ 4 ] 罗健生，耿铁，李 自立 ，等 ． 快吸附强抑制性 H E M钻井 液 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 1 ，2 8 2 1 9 ． 2 3 ． L u o J i an s h e n g ，Ge n g T i e，Li Zi l i ，e t a 1 ． Re s e a r c h o n f a s t a b s o r b a n d h i g h i n h i b i t i v e dri l l i n g fl u i d HE M[ J ] ． Dr i l l i n g F l i u d C o m p l e t i o nF l i u d，2 0 1 1 ，2 8 2 1 9 ． 2 3 ． [ 5 ] 李怀科，田荣剑，罗健生，等 ． 一种定量评价钻井液用 胺类抑制剂的新方法 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 1 2 ， 2 9 6 5 1 ． 5 3 ． L i H u a i k e ，T i a n Ro n 鲥i a n， L u o J i a n s h e n g ，e t a 1 ． Ne w me t h o d f o r q u ant i t a t i v e e v a l u a t i o n o f a mi n e i n h i b i t o r u s e d i n d r i l i n g fl u i d [ J ] ． Dr i l l i n g F l i u d C o m p l e t i o n F l i u d ，2 0 1 2 ， 2 9 6 5 1 ． 5 3 ． [ 6 】 E i r i k S r g r d ， E v a Al t e r fi s ， No r s k H y dro ，e t a 1 ． De s i g n o f w a t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d s y s t e ms for d e e p wa t e r n o r w a y[ R 】 ． s P E／ I ADC 6 7 8 3 4． [ 7 】 J e n k i n s P E， Ro g e r W． Ne w c o n c e p t s l o we r d e e p wa t e r d r i l l i n g c o s t s [ R] ． S P E 3 0 4 6 6 ． [ 8 】 Ar v i n d P a t e l ，E ma n u e l S t a ma t a k i s ，E r i c Da v i s ． S h a l e h y d r a t i o n i n hi bi t i o n a g e nt a n d me t ho d of u s e，US， 6 2 4 7 5 4 3 [ P ] ．2 0 0 1 ，6 ． 收稿 日期2 0 1 3 ． 0 8 ． 1 0 ；HG F 1 4 0 1 F 5 ；编辑付明颖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m