新型的钻井完井液甲酸盐.pdf

新 型 的 钻 井 完 井 液 甲 酸 i t t - 彳 肌e ， 5 l 9 韶 年以来 ，S h e l l x ，B P和其他 公 司对 用于钻井 和完 井作业 的各 种各 样 的 “ 纯 ” 甲 酸盐钻井液 进行 了研究 。室 内研究 正在加 速 进行并且正 推 封现场试 验 。所 有地 区得 劲 的 结果都是肯定的。本文介绍了这种技术并提 供到 目前 为止有关 甲酸盐文 章的综述 。 甲酸盐是 指三种 基本 的水溶性 化合 物一 甲酸 钠 Na O∞ H ， 甲酸钾 KC OOH和 甲酸铯 C s f X O H 。每 一种化合 物均按 照 甲 酸的碱金属盐进行化学分类。它们的性 能在 许多方面伉 于它 们 的前 身一 卤化物 盐 ，如 溴 化锌和演化钙。没有那些使用更普 遍的卤化 物盐体系的不受欢迎的副作用 。 特别是这些 甲酸盐 表现 出水溶．癣性 高 表 1 。所 以，应 用 甲酸盐 得到 的密 度萜 围 从水密 度到饱 和 甲 酸钠 的 1 1 ． 2 1 b ／ g a l 。到 饱 和 甲酸 钾 的 1 3 ． 3 1 b ／ a l ，应 用 甲酸 铯 的所 有 的方法都能达到大约 l 9 ． 8 l b ／ g a 1 的密度。甲 酸盐 ，像 卤化物 体 系一 样 ，没有悬 浮 的固 相 颗粒就 能达 到这些 密度 ，因此对 许多 油气 井 来说是 理想 的选择物 。 在得到这 些 商密度舶 过 程 中 甲酸盐 仍 保 留着异 常低 的粘 度 。1 ． 2比重 的一种 甲酸 钠 液体 有 稍 高 于 3 e p 的 粘 度 图 1 。大 约 1 ． 4 s g的 甲 酸 钾 约 有 3 e p的 粘 度 ，并 且 在 1 ． 5 s g 耐仅约有 l O c p的粘度。虽然这些是杰 了 瓦 、 f 刈雪 芹译 束德一援 出的，但在低粘 中真正 特殊韵 性 能是 在应 用 甲酸 铯 的 情 况 下 发 现 的。在 大 约 2。 3 s g 1 9 ． 2 1b ／ g a 1 的密度时 ，塑性粘度低于 4厘 泊，或者说大约相当于 2 ％低脂牛奶。 寰 1 几种甲t盐的性麓 由于对今 日开采 作业 越来 越重要 ，甲酸 盐被认为是环境可接受且已显示基本羌腐蚀 性。甲酸盐与大部分常规油田聚合物是兼容 的，且与常规钻井液相比是相对无产层损害， 这使得 它们 成为 “ 钻开生产 层 用 钻井 浪市 场的完美 选择 对象 。 环境 问题 对环境敏感的油井井场而言，甲啤霉因 为环境安全 而全 被世 界所 接受 ，并且 试验 已 经 证实大多 数政府 当局和 立法机 构能够接 受 甲酸盐的性能。与 目前所使用的替换物，如 ， 、 维普资讯 国外钴井技术 第 l 4卷1 9 9 ， 年蕈 1 螺 1 4 1 2 1 0 9 8 6 嚣 4 2 0 各种 甲酸盐的牯 度与 密度的 关系 2 印 ℃ 甲酸纳 2 5 ℃ 甲酸钾 6 0 ℃ 甲酸钾 2 5 ℃甲酸铯 6 0 ℃ 甲酸铯 1 ． 2 1 ． 矿’1 ． 6 I ． 8 2 0 2 ． 2 2 4 密度 ． s g g i r d 圈 1 高密 度 甲酸盐 可保持 异 t 1 ．f 的粘度 溴化物相 比这尤其 如 此。尽管 钾离子 不 是 钠 ，铯或者 “ 甲酸 根” 离子 在美 国 墨西 哥 湾地 区对无 数虾类 有 问题 ，但 甲酸盐对 各种 各样生物体的毒性是低的。井且，谈物 麻已 经通过 了严 格 的北 海 O 礤 c 3 0 1 D 密 封 瓶 生物 降解 能力 试验 ，且进行 的试验 也表 明 对染色体 没有显 著 的危 害迹 象。从硬铯 榴 石 矿中得到 的天然 铯是无 辐 射的。选择 的一 些 毒性试 验结果 列在 表 2中。对 于 特定 的 “ 口 头毒性 ”种类 ，甲酸盐 与常规 的食盐相对照 ， 以测试 物质的 I n g总重量的 Kg来记录。 襄 2 毒性试验结果 S h e l l 在保证一些试验备忘录后 出版了他 们的结论 ，“ ⋯甲酸 的碱金】 旨盐无论是对使用 者还是对环境几乎没有什么危害。 ”而且 ，这 种傍虞可以从钻屑中回收，排放料最少且可 保留有研 | 值的非再生资源。 钻 井 由于粘度 低 ，再加 上 钻井液 中赶低 含量 或者完全没 有 固相 ，大大 改善 了钻 多孔 岩石 和非多孔岩 石的 钻进 条件。在非 多孔 岩 石 的 情况 下 由钻 头牙 齿形成 的微 裂 缝很快充 满井 眼液体 ，因此 ，“ 压持 ”力最小 或者 可忽 略不 计 。同时 随 着 流体 充 满 岩 石 表 面 的 裂 缝 因而 当裂 缝 体积 增 加 时维 持 了孔 隙压 力 ， 破坏方 式呈现 脆 性”而不是 用常规 泥浆钻 硬页岩情况下常常发生的倾向于 “ 韧性” 。 对于多孔 岩石 ，相 当高 的钻 井液 瞬时 失 水 ，刚好 在钻 头低部 产 生一个 与 井眼大 约 相 同的孔隙 压力。 由于 近平 衡钻 进 与超平 衡钻 进相比能提高钻速，同样这种情况下提供 了 高的机械钻速 。 钻井液的低 塑 性牯 度意殊 着 改善 了钻 头 的水动力参 数 ，获 得更多 的能 量来 推 动井 下 工具向更深的 层 段钻进 ，或 者 二者兼 有 。更 为重要的是 ，这种 低 粘特性 是最 吸 引钻 小 井 眼公司使用甲酸盐的特性之一 。 为 了铡定 甲酸铯 与 常规 的固相 加重 泥浆 相比可以有 高的机械钻 速 P O P 的效果 ， 最近在 Ut a h的盐 湖城 T e r r a Te k进行 了一系 列的钻速试 验 。在 B a k e r HI 】 I NT E Q 钻 开生产层 钻井 液小组 的帮助 下配制 了甲酸铯 钻井液。尽 管其 瞬 时失水 较高 ，但 这 种 “ 铺 开生产层 钻井 液的 API 失水是极 低 的。数 据分析正在进行，其结果将在以后公布。然 而 ，所有的试 验情 况都 满足 或超 出了最 初 方 案预潞至少提高钻速 3 0 ％的结论 。 在应 用 甲酸 铯来 得 到 高 密度 的情 况 下 ， 固控产生 了一 些有 趣舳 转 折 。首先 ，由于钻 井液的抑制 性 ，当钻 屑被l携 带 到蛙 表 时几乎 没有剥蚀产 生。因此 ，与承基 泥浆 檑 比钻捐 尺寸稍大些。第二 。尽管整体泥浆粘度相 当 骶 ， 但实际液相桔度七 匕 水要稍高 些 仁 者密 度都在 1 9 ． 3 |b l g a l 时，分别为 2 ． 8 印 和 1 印 。 第三 ，常规 的离 心 机可 能是 无 效 的， 因为 在 液根和钻 屑之间密度燕很小或为零 最后 ， 维普资讯 3 1 由于 没有 涉及 加重 固体 ，从 理论 上讲 筛 网尺 寸至少 能 比以往油 田中所 使 用的要 细 ，主要 受对所使用的聚合物损失的关注的限制。 对司钻也重要 的是 ，甲酸盐 与 为了 粘度 和失 水 目的而使用 的标准油 田淡 水 聚合 物通 常是兼容 的。更 重要 的 ，已经发 现 甲酸 盐 能 延伸 增大 所谓 的 “ 临界 温度 ” ，聚合 物失 效 的临界 温度是 5 O ℃ 。淡水 中生物 胶 黄原 胶的临界温度在 1 2 3 ℃左右 图 2 。加人 甲酸钠 ，甲酸钾 或者 甲酸铯大 大 增加这 个 温 度 ，对 甲酸铯是 1 6 0 ℃ ，甲酸钠 1 7 4 ℃ 甲酸 钾超 过 2 0 0 ℃ 。相反 ，通 曾使 用 漠 化物 降 低 这个 温度 时 。实际上 漠化钙 或溴 化锌 溶 液 的 密度 分别超 过 1 ． 2 5 s g和 1 ． 4 7 s g时会 导 致快 速降解 。 2 2 o 2 肿 1 8 0 1 6 0 蓦- 4 o 1 2 0 1 13 0 8 0 6 4 盐 水 中 黄 原 腔 的 幅 界 温 度 1 ，，一 ／ 一 ，6 董 化 铒 氯 化 钙 、 ■、 楗 化 钙 i 谤化 锌 ＼4＼ ； 甲 鹭 轴 y 甲 蕊 钾 ． ． ’ ． ． 、 5 ； 甲酸话 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 窑睦， s g g ／ m1 图 2 甲醴盐延伸 丁在 5 0 “ C ． 即破坏 的聚合物临界 温度 页岩稳定性 尤其对当今要达到的钻井环境要求而言 ， 钻井 液 必须 表 现 出一 定 程度 的页 岩 抑制 性 。 在此 ，甲酸盐是 一种 可 接受 的方式 甲敢 盐 表现 出巨大的稳定 页岩的潜 力。认 为有两 种 独立 的稳 定机理 。首先 ，驱动 水进 页岩小 孔 隙空 间的一部 分力 是 自然界 的水动 力 ，增 加滤液 的牿 性应该 能 限制 水流进 页岩 。尽管 与 有 固相 颗粒 的泥浆相 比 甲酸盐 表现 出优越 的整体 牯度 ，但在 相 同的温度 和压力 下 甲酸 盐滤液的粘度比水高 。 第二 ，因为任 何一 种浓缩 的盐水 体 系的 水活度 都低 ，页岩地层 中的水倾 向于 流 出页 岩进人 泥浆 ，而 不是象 大多 数 常规 的水基 泥 浆那样 泥浆 中的水去水化 页岩 。 在油 田试 验到 现在 ，已经 报道 甲 酸盐体 系在页岩稳定 性方 面没有 什 么问题 ，S t a t o i l ’ s 在挪威 的北海 GI 1 U f a k s C一1 8井应用 甲酸盐 的报告 中叙述 样一个 事实 与用 常规水 基 泥 浆所钻的邻井的钻屑相比，甲酸盐体系盼钻 屑以更好的状态和更离散状被携带到地表 。 试用情况 目前 用 甲酸盐 钻井 液 已经 钻 了几 口井 。 S t a t o l l 钻 的 C l l ／ a k s C-1 8井所用 的甲酸盐 体 系用 黄原 胶 聚台 物 增 粘 ，用 “ 低 牿 ”P A C， 一 定粒度的盐和另一种合成 聚合物来控制失 水 。因为 试 验过 程 中既 没有 干燥 的 甲酸钾 ， 也没有 甲酸铯 ，且所 需要 的密 度超 过单 一 的 基浆 密度 ，因而 用 固相加 重材 料 四氧化 锰加 重泥 浆。尽管 S t a t o i l 的首次 这类 试验是 昂贵 的 ，但他 们总结到 “ 基于钻井液性能 ，钻机 一 时间和井 的生 产能力 ，能够得 出现场试 验 是成 功的 ，钻 井藏应 甩合理 的结论 。 ” S l J l已经进行 了三 次戒 功的 甲敢盐 钻井 液的 试 验。NA M 在 一个 挠性 管小 井 眼 荷 兰鹿特丹 的 Be r k d 5号 井 中使 用甲 酸盐 钻 井藏 ，使摩擦压力损耗降为最低。在试验 中 设有发生任何 有关 钻井 液方面 的 问题 。 当发 生严重 的井漏时迅速地 换成侵宜 的 KC l ／ 石 膏 泥浆，在两种体 系的瘴 攘压力损耗 问能够获 得直接舶 比较 ，发现甲l酸盐钻井液的压力损 耗比常规的体系 “ 低得多 。更为重要柏，该 井 的产量大大超过 了预测值 。 No r a k e S h e l l B． 经报 道在 | l | 赢 l舶 北 海 D 1 珊朗． 油 田用 甲酸钠 体 系钻 了两 口侧 钻 水 平井 ，尤其 因为在环 境 责任 方面优于 其他 指 定的 钻 井 液 而 使 用 的。 由于 利 用 S t a t o i l 和 NAM 的经 验 ，这 些 倒 钻水 平 井 没 有发 生 与 钻井相关 的问题且两 口井 的产量都很 高。 维普资讯 第1 4 卷1 9 9 9 年第 1 期 主要应用 由于 这些 新型 钻井液 是最 “ 清 浩盐 钻井 液” 。其最显著 的应用是在复杂地 区。 尤为正 确的是它 们 已表现 出无腐蚀 性 ，能除去 某些 硫酸盐垢 ，并 已发现 它们 兼容 最有 弹性 和抑 制性 的天 然气水 化物 地层 。至少 一位试 验者 已经得出结论 甲酸铯 能立刻 被 用在 应用更 危险的盐的地方。像 演化锌是令人气馁 的。 该钻井 液较 容 易处 理 ，运 输 ，回收 和再 利用 ，并有 显著 的页岩 抑制性 。如 果必 要 的 话 能用标准油 田聚 合物像 黄 原胶增 粘 ，用聚 合物 P A C处理 失 水 ，若 需要 用 超细 碳酸 钙增强效果 。用该 钻井 液钻到 S mt o i l C一1 8 井 的生产层 ，然后用 同一钻井 液完井 。 在这些地区主要关注的是井漏问题，因 为这种设计的钻井液 比常规泥浆昂贵得多。 然而。通常并不特别关注井漏，因为这些 钻 井液不但 在 钻速 方面 ，而且 更 重要 的是通 过 降低 井 眼损 害增加 油井 产量方 面有 显著 的优 点 。 就打开生 产层 而言 ，在降 低地 层损 害 方 面甲酸盐具 有 优于其 他盐 类 的显 著优 点 。同 时能配成 两 种 无 固 相或 几 乎是 类 似 的体 系 ， 甲酸盐仅仅有单价离子组成，而囟化物体系 是二价。研究已经表明，二 价离子体系能导 致某些地层水沉淀。而单价的甲酸盐体系不 能产生 由沉淀 引起 的地层损害 。 对于水动 力是一 个 限制 因 素的 井 ，甲彀 盐固有的 低 粘度 能输 送 更 多 的 能 量 劐井 底 。 所以 ，像小井 眼深 井 ，挠 性管 和 大斜度 井 的 钻井 中应用这些甲酸盐钻井液能够获益。 译 自P e t r o l e u m E n g i n e e r J a n．1 9 9 6 土接 第 2 3页 5 ． 钻杆冲蚀 冲蚀是锫杆失效的一种典 型方式 。9 o ％以上 的 冲蚀失 效发 生在应 力集 中的过 区 域 许多 人认为 疲劳或 腐蚀疲 劳 是 钻秆冲蚀的璩 因。很少有人注意到钻杆冲 蚀的起因是 热 裂纹 。当热裂 纹不 产生宏 观裂 纹时 ，热循环加剧 了 由于疲 劳产 生韵 盒相薄 弱点。最近在美 国进行 的一 项 研究表 明 ，热 裂纹是产生冲蚀 的腐蚀疲劳裂纹 的原因。 ． 把 靠近冲蚀 口金_属 仔细切去 一块 ，然后检 验 其 横 断面 ，可清楚 地看 蓟几处 起始 于外 径表 面 的疲劳裂纹 。 6 ． 钻杆篓头加礓屡的剥落 当在磨蚀性 地 层钻 井 时 ， 工具接头 及 钻 铤 上 的表面 硬化 层 的应用 ，大 大 降低 了工具 接 头的磨 损 ， 由 于塑性棺 对 比较低 ，表 面硬 化层是 易 于焊 接 金属裂纹。当把表面硬化层韵金属层切去而 组 件 的外径表面 能够 经受 一周 期的 突然加 热 以及随后的水淬，热循环形成了几条谇火裂 纹 ，但 没有 发生硬化带的剥落 。 结 论 任何井下钻井组件对热裂纹是敏感 的。 热裂坟的组件具有硬度、显镦裂纹与宏观裂 纹的变化 ，并且有暗兰色氧化铁沉积 。 译 自I f r r1 9 9 8年 2月 维普资讯