KCl聚合物钻井液防水锁性能优化研究.pdf

第 4 l卷第 4期 2 0 1 3年 7月 石 油 钻 探 技 术 P ETROLEUM DRI L I I NG TE CHNI QUE S Vo 1 ． 4 1 No ． 4 J u 1 ． ， 2 0 1 3 钻井完井 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 1 3 KC I 聚 合物钻 井液 防水锁 性能优化研 究 蒋 官澄 ，张志行 ，张 弘 ， 1 ． 石油工程教育部重点实验室 中国石 油大学 北 京 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 油气资源与探测国家重点实验 室 中国石 油大学 北京 北京 1 0 2 2 4 9 摘要 为了能够在低孔低渗储层 中应用 K C 1 聚合物钻井液进行钻井， 研究了其防水锁性能。在探讨水锁损 害机理 的基础上 ， 提 出了防水锁损 害的技 术 对策 ， 通 过 向 K C l 聚合物 钻 井液 中加 入 防水锁 荆 F C S和 油膜暂 堵剂 G P J ， 提高该钻井液的防水锁性能， 并对其防水锁效果进行了评价。岩心 自吸试验表明， 岩心的钻井液滤液饱和度 由7 6 ． 2 4 降至 3 5 ． 4 1 ， 钻井液的防水锁性能大大提 高。钻井液体系优化后， 钻井液滤液对岩心的侵入量和深度 都 明显 降低 ， 返排能力增强 ， 岩心动 态污染渗透率恢复 率达到 9 O 以上 。研 究表 明 ， 该提 高钻 井液防水锁 性能的 方 法可行 ， 拓 宽 了 K C 1 聚合物钻 井液在低 孔低渗储层 中的应 用。 关键词 K C 1 聚合物钻井液 水锁损害 防水锁 自发渗吸 渗透率恢复率 中 图分类号 T E 2 5 4 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 3 0 4 0 0 5 9 0 5 An t i W a t e r Lo c k Opt i m i z a t i o n o f KCI Po l y me r Dr i l l i ng Fl ui d J i a n g Gu a n c h e n g ，Zh a n g Z h i h a n g ．Z h a n g Ho n g 1 ． E Ke y L a b o r a t o r y o f Pe t r o l e u m E n g i n e e r i n g C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Be i j i n g ， Be i j i n g， 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 ．S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f P e t r o l e u m Re s o u r c e s a n d Pr o s p e c t i n g C h i n a U n i v e r s i t y 0 f Pe t r o l e u m Be i i n g ， B e i i n g， 1 0 2 2 4 9 ， C i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a p p l y KCl p o l y me r d r i l l i n g f l u i d s y s t e m t o l o w p o r o s i t y - l o w p e r me a b i l i t y r e s e r v o i r s b e t t e r ， i t s a n t i wa t e r 1 o c k p e r f o r ma n c e wa s s t u d i e d ．B a s e d o n t h e r e s e a r c h o f wa t e r l o c k i n g d a ma g e me c h a n i s m a n d a n t i wa t e r l o c k t e c h n i c a l c o u n t e r me a s u r e s ， s u c h a s a d d i n g a n t i wa t e r l o c k a g e n t FCS a n d o i l f i l m t e mp o r a r y p l u g g i n g a g e n t GP J t o o p t i mi z e KC1 p o l y me r d r i l l i n g f l u i d s y s t e m， we r e p u t f o r wa r d， a n d t h e i r a n t i wa t e r 1 o c k e f f e c t s we r e e v a l u a t e d ．Co r e s p o n t a n e o u s i mb i b i t i o n t e s t s h o we d d r i l l i n g f l u i d f i l t r a t e s a t u r a t i o n d e c r e a s e d f r o m 7 6 ． 2 4 t o 3 5 ． 4 1 ， s u g g e s t i n g g r e a t i mp r o v e me n t i n t h e a n t i wa t e r l o c k p e r f o r ma n c e o f t h e d r i l l i n g f l u i d ．At t h e s a me t i me ， t h e d e p t h a n d a mo u n t o f d r i l l i n g f l u i d f i l t r a t e r e d u c e d s i g n i f i c a n t l y ； f l o wb a c k c a p a c i t y i n c r e a s e d g r e a t l y ； t h e p e r me a b i l i t y r e c o v e r y r a t e t e s t e d b y t h e c o r e d y n a mi c p o l l u t i o n r e a c h e d o v e r 9 0 9 ／ 6 a f t e r t h e o p t i mi z a t i o n o f t h e d r i l l i n g f l u i d ．T h e me t h o d t o i rep r o v e t h e a n t i wa t e r l o c k p e r f o r ma n c e o f d r i l l i n g f l u i d wa s p r a c t i c a l ， wh i c h e x t e n d e d t h e a p p l i c a t i o n s c o p e o f KCl p o l y me r d r i l l i n g f l u i d s y s t e m t o l O W p o r o s i t y - l o w p e r me a b i l i t y r e s e r v o i r s ． Ke y wo r d s KCl p o l y me r d r i l l i n g f l u i d； wa t e r l o c k i n g d a ma g e ； a n t i wa t e r l o c k； s p o n t a n e o u s i mb i b i t i o n； p e r me a b i l i t y r e c o v e r y r a t e 低孔低渗透油 气 田一般具有泥 质胶结物含 量 高、 含水饱和度高、 水敏性强 、 孔喉细小、 渗透性差 、 结构复杂 、 非均质严重以及油气流动阻力大等特点 ， 在钻采过程中极易因外来流体侵入储层受到伤害， 难 以恢复_ 1 ] 。研究表明， 水锁伤害是低孔低渗透储层最 主要 的伤 害形式 ， 损害率一般为 7 0 ～9 0 [ 。 ] ， 尤 其是低压低孔低渗气藏 ， 水锁损害更加严重 。 目 前， 国内外油田主要将 K C 1 聚合物钻井液应 用在水敏性强的储层 ， 原 因是该钻井液抑制 防塌性 收稿 日期 2 0 1 2 1 1 1 2 ； 改 回日期 2 0 1 3 - 0 6 - 1 0 。 作者简介 蒋官澄 1 9 6 6 ， 男， 重庆大足人 ， 1 9 9 3年毕 业于石 油大学 华 东 应用化 学专业 ，2 0 0 5年获 中国海 洋大 学海洋化 学专 业博士学位 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从 事油气层损 害与保护 、 油 田化 学等方面的教 学和科研 工作 。 联 系方式 0 1 0 8 9 7 3 2 1 9 6 ， j g c 5 7 8 6 1 2 6 ． c o r n 。 基 金项目 国家高技术研 究发展计划 “ 8 6 3 ” 计 划 项 目“ 致 密砂岩 气藏“ 提速、 提效” 型钻 井液新技 术研 究与应用” 编号 2 0 1 3 AA 0 6 4 8 0 3 部 分研 究内容 ； 国家科技 重 大专 项“ 复 杂结构 井优化设 计与控 制 关 键 ” 编号 2 0 1 1 Z X 0 5 0 0 9 0 0 5 0 3 A 资助。 石 油 钻 探 技 术 能好 、 剪切稀释性 好、 井壁稳定能力强。但是其 防水锁能力较差 ， 应用于低孑 L 低渗储层 时容易导致 水锁损害。因此 ， 为了更好地保护低孔低渗储层 ， 提 了向 KC 1 聚合物钻井液 中添加 防水锁剂和油膜 暂堵剂的技术思路 ， 增强其防水锁性能 ， 减小其对储 层 的损害程度， 提高油气藏的开发效果 。 1 水锁损害机理及技术对策 由于非润湿相驱替润湿相而产生毛细管阻力 ， 并 导致水相渗透率升高 、 油相渗透率降低的现象称为水 锁损害[ ] 。大多数的油气藏是水湿储层， 而且低孔低 渗透储层孔道狭窄， 毛细管效应显著， 因此 ， 在钻进过 程中， 钻井液滤液会在毛细管力的作用下侵入储层， 使 孔隙中含水量增大， 储层油气通道的数量减少。当油 井或气井生产时， 油滴或气体在储层中会受到毛细管 阻力的作用 ， 若地层不能提供足够的压力 ， 油或气就不 能克服该阻力形成液相或气相流动， 造成水锁损害l 1 l 。 在实际钻井过程 中， 水锁损 害主要是由钻井液 巾的滤液侵入储层引起 的， 所 以采用水基钻井液钻 井时 ， 从 以下 2方面着手预防储层水锁效应l 】 ] 1 在钻井过程中， 应选择合适 的钻井液， 尽量 减少钻井液滤液侵人储层的量和深度。KC 1 聚合物 钻井液具有流变性好 和暂堵能力强 的特点 ， 可 以形 成致密、 保护性好的滤饼 ， 从而可 以减少钻井液滤液 的侵入量。 2 要求钻井液滤液具有 良好 的返排能力 ， 能够 尽量减少钻井液滤液在储层孑 L 隙中的滞留量。返排 的滤液越多， 储层的渗透率恢复率就越高 。 2 防水锁性能优化 量减小水 敏损 害对测试 结果 的影响 ， 选 取水 敏损 害较小的低孔低渗人造砂 岩岩心进行试验 。根据 以上技术对策要求 ， 选取 防水锁剂 F C S和油膜暂堵 剂 GP j对 钻井 液 的防水 锁性 能进 行优 化 。密 度 1 _ 2 k g ／ I 的 KC 1 聚合物钻井液配方为 3 ． 0 膨 润 土0 ． 5 纯碱 1 ． 0 NH． 一 HP AN0 ． 3 KP A 1 ． 0 降滤失剂3 ． 0 ～4 ． 0 KC 1 1 ． 0 封堵 剂 1 ． 0 阳离子 沥青 粉 1 ． 0 储 层 保 护剂 1 ． 0 HQ 一 1 4 ． 0 润滑剂 重 晶石 。 2 ． 1 防水 锁剂 F C S 2 ． 1 ． 1 性 能评 价 采用界面张力测定仪 ， 测定 2 5℃温度下防水锁 剂 AB S N和 F C S不同加量下的煤油溶液 的油水界 面张力 ， 测定结果如图 1所示 。 图 1 油水界面张力变化关 系曲线 Fi g ．1 Pr o f i l e of o i l wa t e r i n t e r f a c i a l t e n s i o n 将空 白人 造砂岩岩 心和分 别用 0 ． 4 ／ oo F C S和 0 ． 4 AB S N饱和的人造砂岩岩心烘干后 ， 称量岩心 的质量 ， 并对岩心抽真空饱和蒸馏水； 然后将岩心气 驱至不出液， 称量气驱后的质量 ， 计算其束缚水饱和 在进行钻 井液 优化 和评价 的试 验 中， 为 了尽 度 ， 结果见表 1 。 表 1 不同防水锁剂处理岩心束缚水饱和度变化 Fa b l e 1 I r r e d u c i b l e wa t e r s a t ur a t i o n o f c o r e s pr o c e s s e d b y d i f f e r e n t a nt i wa t e r l o c k a g e nt s 从 冈 1和表 1可以看出 F C S能够显著降低油 水的界 面 张力 、 毛细管 阻 力 ， 增 强液 体 的返 排 能 力 ， 经过 F C S处理后 的岩心气驱束 缚水饱 和度 明 显低于空白岩心和经 A B S N处理的岩心束缚水饱 和 度 。 2 ． 1 ． 2 配 伍 性 为了考察防水锁剂 F C S与钻井液的配伍性 ， 向 KC 1 聚合物钻井液中加入不同质量分数的防水锁剂 F C S ， 测试其基本性能， 结果见表 2 。 第4 1卷第 4期 蒋官澄等． KC 1 聚合物钻井液防水锁性能优化研究 。6 1。 从表 2可以看出， KC 1 聚合物钻井液体系加人 防水锁剂后 ， 黏度略有上升， 流变性和滤失造壁性与 加入前相差不大 ， 可见 防水锁剂 F C S与 KC 1 聚合物 钻井液体系的配伍性能 良好。 常温、 3 ． 5 MP a下 的出水 体积 ， 计 算 出滤饼渗透 率 见表 3 ， 从而得到渗透率降低率 ， 评价油膜暂堵剂 GP J的暂堵能力。 2 ． 2 油膜暂堵剂 GP J T a b l e 3 2 ． 2 ． 1暂堵 机 理 油膜暂堵剂 GP J 可通过软化、 变形及静 电吸附 作用 ， 快速在近井壁处形成一层韧性强 、 渗透性低的 暂堵“ 油膜” ， 最大限度地阻止钻井液 中的固相和液 相侵入油气层 。其暂堵效 果对地层 孔径 的依赖 性 小 ， 对孔径 3 ～3 3 m 岩心的封堵率大于 9 2 ， 暂堵 深度为 3 ． 5 mm， 而且暂堵层抗压 强度 高。由于其 采用油溶性材料合成 ， 因此在后期采油时遇油后溶 解 ， 暂堵油膜将 自动解除 ， 返排解堵效果好 ， 符合环 保要求[ 1 ] 。 2 ． 2 ． 2 滤饼渗透率降低 率 l 2 O o C、 3 ． 5 MP a条件下 ， 测定 3 5 0 mL基浆加 入油膜暂堵剂 GP J 前后 的滤失量 、 滤饼厚度 ， 以及 表 3 加入暂堵剂 GP J前后滤饼渗透 率 Fi l t e r c a ke p er me ab i l i t i e s be f o r e a nd a f t e r a d di ng t e mp o r a r y p l u g g i n g a g e n t GP J i n t h e d r i l l i n g f l u i d 从表 3 可 以看 出， 与基浆滤饼 相 比， 加入油膜 暂堵剂后形成的滤饼更致密 ， 且厚度更小 ， 渗透率 下降 5 2 ． 8 6 ， 能更有效地减少钻井过程 中液体 的 侵入 。 2 ． 2 ． 3 配伍 性 为了考察油膜暂堵剂 GP J与钻井液的配伍性 ， 向 KC 1 聚合物钻 井液中加入不 同量 的油膜暂堵剂 GP J ， 测定基本性能 ， 结果见表 4 。 表 4 G P J对钻 井液基本性能 的影 响 Ta b l e 4 I n f l u e n c e o f GP J o n b a s i c p r o p e r t i e s o f dri l l i n g flu i d 从表 4可 以看出 KC1 聚合物钻井液加入油膜 暂堵剂 GP J 后 ， 其黏度基本保 持不变 ， 流变性与加 入前相差不大 ， 但其滤失造壁性 能要远好于优化前 的钻井液 。 因此 ， 优化后 的钻井液配方 为 3 ． 0 膨润土 0 ． 5 纯碱 1 ． 0 NH4 一 HP AN0 ． 3 KP Al 降滤失剂 3 ． 0 ～ 4 ． 0 KC 1 1 ． 0 封堵 剂 1 ． 0 阳离子 沥青 粉 1 ． 0 储 层保 护 剂 1 ． 0 HQ _ 1 4 ． 0 润 滑剂 0 ． 2 ～0 ． 4 F C S 1 ． 0 ～ 2 ． 0 GP J 重晶石， 密度为 1 ． 2 k g ／ L。 3 防水锁性能评价 在原有的 KC 1 聚合物钻井液 中， 加入 0 ． 2 ～ 0 ． 4 F C S和 1 ． O ～2 ． 0 GP J ， 得 到 KC 1 聚合物 防水锁钻井液 ， 并对该钻井液进行 了 自发渗 吸试验 石 油 钻 探 技 术 和油层保护效果评价 。 化前后的 K C 1 聚合物钻井液的基本性能 ， 结果见表 5 。 3 ． 1 基本．雌 压滤失F h a 和高 5 温 ． 高压 ,K 滤C 荔 墓 在常温、 常压和 t 2 0℃、 3 ． 5 MP a 条件下测试优 流变性能较好。 表 5 优化前后 K C I 聚合 物钻 井液的基本陛能对比 Ta bl e 5 Ba s i c pr o pe r t i e s c o nt r a s t be f o r e a n d a f t e r o pt i m i z a t i o n o f KCI p ol y me r dr i l l i ng f l u i d 钻井液 温度 表观 mP 黏度 a o s 塑 r a P a o 度 s 动切 a 动塑此 静 P a滤 mL 优化前 的 KC I 聚合物钻井液 优化后 的 KC 1 聚合物钻井液 3 ． 2自发渗吸试验T a bl e 6 c 二 s on 。 ⋯ 选取低孔低渗人造砂岩 岩心 ， 测定 其质量 、 孑 L d r i l l i n g f l u i d fi l t r a t e 隙度和气 测渗透 率 ， 并 分别在 优化前 后 的 KC 1 聚 合物钻井 液滤液 中逆 向 自吸 2 4 h ， 测量 自吸后 的 质量 ， 并计算岩心 自吸滤液 的饱 和度 ， 结果见表 6 。 从表 6可 以看 出 ， 优 化后 的 KC 1 聚合物 钻井液 体 系具有 较 高 的 防水 锁 性 能 ， 可 以有 效 降低 水 锁 损 害。 孔 透率 mD 滤液种类 3 3 油层保护效果评价 S Y／ T 6 4 5 0 2 0 0 2测试方法进行岩心流动试验， 并 钻井液 的防水锁性能l 1 。采用人造砂岩岩心 ， 按照 用渗透率恢复率来评价优化后 的 KC 1 聚合物 计算得到渗透率恢复率 ， 结果见表 7 。 表 7 3号 、 4号岩心渗透 率恢 复率测试 结果 T a b l e 7 T e s t r esu l t s o f 3、 4 c o r e per me a b i l i t y r e c o v e r y r a t e 由表 7可知 ， 4号岩心在优化后的 KC 1 聚合物 钻井液污染后 的渗透率恢 复率达到 9 3 ． 9 4 ， 侵入 深度也大大减小 ， 减轻了钻井液滤液对储层的损害 ， 具有较好的储层保护效果。 从 白发渗吸试验和油层保护效果评价结果可以 看出， 加入 了防水锁剂 F C S和油膜暂堵剂 G P J之后 的 K C 1 聚合物钻井液， 具有很好的防水锁性能， 其 滤液的侵入量和深度都显著降低， 渗透率恢复率达 到 9 0 以上 。 4 结论和建议 1 优化了K C 1 聚合物钻井液的配方， 提高了其 流变性和滤失造壁性能。 2 K C l 聚合物钻井液中加人防水锁剂 F C S和油 膜暂堵剂 G P J 后 ， 提高了钻井液的防水锁性能。 3 建议继续优化 KC 1 聚合物钻井液 中各处理 剂的加量 ， 提高其综合性能 ， 使该钻井液能够更好地 应用于现场施工 。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 范文永， 舒勇， 李礼， 等． 低渗透油气层水锁损害机理及低损害 钻井液技术研究 E J 2 ． 钻井液与完井 液， 2 0 0 8 ， 2 5 4 1 6 1 9 ． Fa n W e n y o n g， Sh u Yo n g， Li Li ， e t a 1 ． Re s e a r c h e s o n t h e wa t e r b l o c k i n l o w p e r me a b i l i t y r e s e r v o i r 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e t r o l e u m D r i l l i n g Te c h n i q u e s ， 2 0 1 3 ， 4 1 1 7 0 7 5 [ 7 2 任晓娟 ， 张宁生 ， 张喜凤 ， 等． 水相滞 留对低渗 气层渗透 率 的损 害分析l_ J ] ． 天然气工业， 2 0 0 4 ， 2 4 1 1 1 0 6 - 1 0 8 ． R e n X i a o j u a n ， Z h a n g Ni n g s h e n g ， Z h a n g X i f e n g ， e t a 1 ． D a ma g e o f r e s i d u a l w a t e r o n p e r me a b i l i t y o f t ig h t g a s r e s e r v o i r s [ J ] ． Na t u r a l Ga s I n d u s t r y， 2 0 04， 2 4 1 1 1 06 1 0 8 ． [ 8 ] 孙举， 王中华 ， 王善举， 等． 强抑制性高钙盐聚合物钻井液体系 的研究与应用 _ J ] ． 断块 油气田， 2 0 1 1 ， 1 8 4 5 4 1 - 5 4 4 ． S u n J u ， Wa n g Z h o n g h u a ， Wa n g S h a n j u， e t a 1 ． Re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f p o l y me r d r i l l i n g f l u i d wi t h high i n h i b i t i o n a nd high c o n c e n t r a t i o n o f c a l c i u m i o n [ J ] ． F a u l t - B l o c k O i l ＆ Ga s F i e l d． 2 0 1 1， 1 8 4 5 41 5 4 4 ． [ 9 ] 罗远儒 ， 陈勉 ， 金衍 ， 等． 强抑制性硅磺 聚合物 钻井液 体系研究 _ J ] ． 断块油气 田， 2 0 1 2 ， 1 9 4 5 3 7 5 4 0 ． Lu o Yu a nr u， Ch e n Mi a n， J i n Ya n， e 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6 3 9 4 1 ． [ 1 2 ] 张振华， 鄢捷年， 李宗飞． 轮南古潜山碳酸盐裂缝性油气藏的 水锁效应及影响 因素研究[ J ] ． 特种油气藏， 2 0 0 0 ， 7 1 3 2 3 4 ． Z h a n g Z h e n h u a ， Ya n J i e n i a n ， L i Z o n g f e i ． S t u d y o n wa t e r l o c k e f f e c t a n d i t s a f f e c t i n g f a c t o r s o f Lu n’ n a n bu r i e d - hil l c a r b o n ～ a t e f r a c t u r e d r e s e r v o i r s [ J ] ． S p e c i a l Oi l＆ Ga s R e s e r v o i r s ， 2 0 0 0， 7 1 3 2 -3 4 ． [ 1 3 1 贺承祖， 胡文才． 浅谈水锁效应与储层伤害[ J ] ． 天然气工业， 1 9 9 4， 1 4 6 3 6 3 8 ． He Ch e ng z u， Hu W e n c a i ． 1 e c t u r e o n wa t e r l o c k e f f e c t a n d r e s e r v o i r d a m a g e [ J ] ． N a t u r a l G a s I n d u s t r y ， 1 9 9 4 ， 1 4 6 3 6 - 3 8 ． [ 1 4 ] 赵 春鹏， 李文华 ， 张益 ， 等． 低渗气藏水锁伤害机理与防治措施 分析 _ J ] ． 断块 油气 田， 2 0 0 4 ， 1 1 3 4 5 4 6 ． Zh a o Chu n p e n g， Li W e n h u a， Zh a n g Yi ， e t a 1 ．Da ma g e m e c h a n i s m a n d p r e ve n t i o n me t h o d s a n a l y s i s o f l o w p e r me a b i l i t y g a s r e s e r v o i r wa t e r b l o c k i n g[ J ] ． F a u l t B l o c k Oi l 8 L Ga s F i e l d ， 2 0 0 4， 1 1 3 4 5 4 6 ． [ 1 5 ] 蒋官澄， 马先平， 纪朝凤， 等． 广谱“ 油膜” 暂堵剂在油层保护技 术 中的应用 _ J ] ． 应用化学 ， 2 0 0 7 ， 2 4 6 6 6 5 6 6 9 ． J i a n g Gu a n c h e n g ， Ma Xi a n p i n g ， J i C h a o f e n g ， e t a 1 ． Ap p l i c a t io n o f a b