钻井液用沥青质稠油硬化剂的研究与应用.pdf

第 4 2卷第 1 期 2 O 1 4年 1月 石 油 钻 探 技 术 PE TR I EUM DRI I I 1 N TE CHNI QUE S Vo 1 ． 4 2 No ．1 J a n ．， 2 0l 4 ． ． 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 4 ． 0 1 ． 0 1 0 钻 井液用沥青质稠油硬化剂 的研究与应 用 金军斌 ， 杨顺辉 ，张洪宝 ， 任立伟。 ， 宋兆辉 1 ． 中国石化石油工程技术研究院 ， 北京 1 0 0 1 0 1 ； 2 ． 中石化石油工程 技术服务有限公 司钻井事业部 ， 北京 1 0 0 1 0 1 摘要 为了解决沥青质稠油对钻井液的污染问题， 从沥青氧化硬化化学反应理论 出发， 对 1 3 种沥青处理剂进 行 了沥青质稠 油硬化试验 ， 优选 出硬化剂 L Y J 一 5 ； 并在钻 井液 中进行 了硬化试验 ， 对硬化剂与稠 油反应时产生的温度 、 压力进行了室内试验评估； 然后 ， 对沥青质稠油硬化剂进行了现场试验验证。室内试验表明， L Y J 一 5可以使沥青质稠 油的软化点由5 2℃提高至 1 2 7℃； 在有、 无钻井液存在 2种情况下， L Y J 一 5可以将稠油沥青的软化点提 高5 2℃和 7 5℃。 在 F 1 7井的现场试验表明， 应用L Y J 一 5 之后每小时钻井液污染量降低至应用前的 1 9 ． 1 5 ， 部分沥青出现硬化 聚集现象， 使后续的测井和下套管施工更加顺利。综合研究表明， L Y J 一 5可以大幅度提高沥青质稠油的软化点， 显著 降低沥青质稠油对钻井液的污染， 因而可对沥青层钻进提供强有力的技术支持。 关键词 沥青质 稠油 实验室试验 硬化剂 现场试验 Y D油田 中图分类号 TE 2 5 4 ’ ‘ ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 4 O 1 0 0 5 0 0 5 De v e l o p me n t a nd Ap pl i c a t i o n o f A Ha r d e ni n g Ag e nt f o r As ph a l t i c He a v y Oi l i n Dr i l l i ng Fl u i d J i n J u n b i n ， Ya n g S h u n h u i ， Zh a n g Ho n g b a o ， Re n Li we i ， S o n g Z h a o h u i 1 ． S i n o p e c Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m E n g i n e e r i n g， B e i j i n g ， 1 0 0 1 0 1 ， C h i n a； 2 ． Dr i l l i n g Di v i s i o n o f S i n o p e c Oi l f i e l d S e r v i c e C o r p o r a t i o n， B e i j i n g ， 1 0 0 1 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t To d e c r e a s e d r i l l i n g f l u i d c o n t a mi n a t i o n c a u s e d b y a s p h a l t i c h e a v y o i l i n f l u x ， a h a r d e n i n g a g e n t I YJ 一 5 wa s d e v e l o p e d b a s e d o n t h e c h e mi c a l t h e o r y t h a t a s p h a l t g e t h a r d e r a f t e r o x i d a t i o n ． S o l i d i f y i n g t e s t wa s c o n d u c t e d i n d r i l l i n g f l u i d e n v i r o n me n t ， t h e e f f e c t o f t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e o n s o l i d i f y i n g p e r f o r ma n c e wa s e v a l u a t e d， t h e n t h e s e l e c t e d h a r d e n i n g a g e n t wa s a p p l i e d i n o i l f i e l d ． L YJ 一 5 c o u l d i n c r e a s e t h e s o f t e n i n g p o i n t o f a s p h a l t f r o m 5 2℃ t o 1 2 7℃ a n d t h e s o f t e n i n g p o i n t t e mp e r a t u r e wa s r a i s e d b y 5 2℃ i n d r i l l f l u i d a n d 7 5℃ wi t h o u t d r i l l i n g f l u i d r e s p e c t i v e l y ． I t s a p p l i c a t i o n i n W e l l F1 7 s h o we d t h e c o n t a mi n a t e d d r i l l i n g f l u i d v o l u me p e r h o u r d e c r e a s e d b y 1 9 ． 1 5 V 00 a f t e r a d d i n g L Y J 一 5 ， s o l i d i f y i n g a n d a c c u mu l a t i o n o f a s p h a h wa s o b s e r v e d a t o u t l e t ， ma k i n g wi r e l i n e l o g g i n g a n d c a s i n g r u n n i n g s mo o t h ． I t wa s c o n c l u d e d f r o m c o mp r e h e n s i v e s t u d y t h a t LYJ 一 5 c o u l d i n c r e a s e t h e s o f t e n i n g p o i n t o f a s p h a l t i c h e a v y o i I s i g n i f i c a n t l y。 r e d u c e t h e d r i l l i n g f l u i d c o n t a mi n a t i o n c a u s e d b y a s p h a l t i c h e a v y o i l ， a n d c o u l d g u a r a n t e e s a f e t y d r i l l i n g i n a s p h a l t i c h e a v y o i l b e a r i n g f o r ma t i o n ． Ke y w o r d s a s p h a l t e n e ； v i s c o u s c r u d e o i l ； l a b o r a t o r y t e s t i n g ； h a r d e n i n g a g e n t ； f i e l d t e s t ； YD Oi l f i e l d 中东 Y D油 田是世界上有待全面开发 的特大型 油 田之一 ， 目前已经完钻 4 5口井。开发过程 中， 多 口井在 Ka z h d u mi 地层钻遇沥青质稠油 。沥青质稠 油对钻井工程 的危害主要有 钻井液污染严重、 性能 难以控制 ； 涌、 漏并发导致钻井液材料及钻井液消耗 严重 ， 例如该油田 F 1 3井排放污染钻井液5 0 0 0 m。 ， 消耗重 晶石 3 5 0 0 t ； 导致多 口井工程弃井 ， 严重影 响了 Y D油田的整体开发进度， 给钻井施工带来极 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 9 一 l 6 ； 改回 日期 2 O 1 4 0 1 2 。 作者简介 金 军斌 1 9 7 0 ， 男． 山东茌平人 ． 1 9 年毕业 于 中 国地质 大学 武汉 探 矿工程 系钻探 专 业， 2 0 l 0年 获 中 国石 油 大学 华 东 石油与天然气工程专业硕 士学位 ， 高级Z - 程师 ． 主要 从事钻井 液技术研 究及海外项 目管理工作。 联 系方式 0 1 0 8 4 9 8 8 5 8 2 ， j i n j b ． s r i p e s in o p e c ． C O H ] 。 基金项 目 国家科技重大专项“ 中东富油气区复杂地层 井筒关键 技 术” 编号 2 j 1 1 Z XO 5 0 3 卜0 0 , I 和 中国石化 科技 攻关项 目“ 海 外重 点区块 复杂地层钻 完井关键技 术研究” 编号 I 1 2 0 7 7 部分成果。 第 4 2卷 第 1 期 金 军斌 等． 钻 井液 用沥青 质稠 油硬 化剂的研 究与应用 大风险和挑战[ 1 ] 。技术人员针对 Y D油田钻井过程 中遇到的稠油侵害问题 ， 总结 出一些预 防与处理稠 油侵害的方法， 主要包括提高钻井液密度法、 乳化分 散降黏法 、 桥塞堵漏和化学封堵法、 水泥封堵法等 ， 但效果都不尽如人意_ 1 ] 。为此， 笔者在室内试验 的 基础上 ， 从沥青氧化硬化的机理出发 ， 优选 出一种沥 青质稠油硬化剂 ， 并通过现场试验验证了其效果。 1 Y D油田稠油特征与硬化剂作用原理 1 ． 1 沥青质稠油特征 中东 Y D油 田Ka z h d u m i 地层沥青质稠油密度和 平均相对分子质量较大， 分别达到 1 ． 0 1 k g ／ L和 8 9 0 ； 流动性极差 ， 1 0 0℃时的运动黏度为 1 6 6 5 7 mme ／ s ， 残炭、 灰分分别达到 1 7 ． 9 和 0 ． 1 3 1 ； 硫含量、 金属 含量 高； 胶 质和庚烷沥青质 含量分 别达 2 9 ． 5 l 和 2 9 ． 0 9 ； 软化点高于大多数稠油， 达到 5 2℃ ， 具备典 型的沥青质稠油特性。Y D油 田稠油黏度受温度和压 力的影响较大， 温度越低 ， 压力越大 ， 稠油黏度越大 。 在测定温度范围内， 温度越低， 黏度增幅越大 ； 受压力 的影响程度也越大。 1 ． 2 沥青质稠油的氧化硬化研究思路 沥青质稠油硬化和室 内封堵试验的 目的是优选 性能优 良的硬化剂， 采用稠油硬化技术硬化稠油 ， 封 堵稠油油藏孔道 ， 阻止稠油涌人井眼， 切断钻井液污 染源， 并硬化已经侵人钻井液的稠油， 使钻井液中的 稠油顺利从钻井液中筛分出来， 保证正常钻进及后 续的固井作业顺利进行。 1 ． 3 氧化硬化基本原理 氧化硬化的基本原理是氧化剂中的氧与沥青质 稠油 中的成分发生反应 ， 破坏稠油 中原有 的组分和 结构 ， 使稠油性质发生改变 。在一定温度下 ， 沥青中 的烷基侧链断裂形成 自由基而引发氧化反应 ， 以及 稠油 中的活性基团与氧化剂发生反应 ， 氧化反应 符 合 自由基链反应历程 ， 氧化反应 的主要产物为羰 基 与亚砜官能团， 深度氧化可能进一步生成羧酸与酸 酐官能团_ 4 ] 。分子间因极性官能团的缔合与缩聚作 用， 使老化后沥青的平均相对分子质量增大， 相对分 子质量分 布发生 明显变化 。从组成 和性质方 面分 析 ， 老化后沥青中的胶质减少 ， 沥青质增加 ， 软化点 升高 ， 黏度增大 ， 针人度下降， 稠油变硬。 2 沥青质稠油硬化剂室内试验 2 ． 1 硬化剂的优选试验 基于沥青氧化硬化 的机理 ， 对大量 常见的硬化 剂进行沥青质稠油硬化试验 ， 考察反应前后稠油软 化点 的变化 ， 来评价硬化效果。表 1为部分硬化剂 对沥青质稠油 A 软化点为 l 3℃ 和 B 软化点为 2 1 ℃ 的氧化硬化试验结果。 表 1 部分硬化剂优选试验 结果 Tab l e 1 Pe r f o r m a nc e e v al u at i o n a nd c o mpa ri s o n o f d i ffe r e n t ha r d e n i ng a g e nt s 硬化剂 h 在室内用硬化剂 L Y J 一 5分别考察反应时间、 反 应温度 、 氧化剂用量对 固化效果 的影响 ， 进行较优试 验条件的探索 ， 结果见 图 l 一3 。 由图 1 3 可知， L Y J 一 5 加量越大， 温度越高， 反应 时间越长， 效果越好。考虑现场施工因素， 在 1 2 0 oC 、 4 h 条件下， L 一 5 的加量占 稠油的4 0 9 ／6 组成体积比， 即组成配比为 0 ． 4 时， 就能达到较好的沥青硬化效果， 满足现场要求。 第4 2卷第 1 期 金军斌等． 钻井液用沥青质稠油硬化剂的研 究与应用 表 4 L Y -l 一 5安全-陛评估试验结果 T a b l e 4 S a f e t y a s s e s s me n t o f L YJ 一 5 试验 累计时间／ h 压力／ MP a 温度 ／ ℃ 注 试验加入原料为 2 0 mL沥青质稠油 2 4 mL水2 4 gL Y J _ 5 。 3 现场试验 2 0 1 2年 6 ～8月 ， 沥青质稠油硬化剂 L YJ ～ 5在 中东 Y D油田的 F 1 7井和 F 2 1 井进行了现场试验 ， 均取得了良好的硬化效果， 显著降低了沥青质稠油 对钻井 液 的 污染 。下 面 以 F 1 7井 为 例详 述 应 用 情况 。 性特征 ， 制定了硬化封堵浆配方 基浆3 碳酸钙 中 2 单封 8 随钻堵漏 剂 1 封堵 聚合 物5 细颗粒堵漏剂 F 3 贝壳粉 细 5 复合堵 漏剂3 核桃壳 细 2 核桃壳 中 2 0 L YJ 一 5 。其 中， 中、 小粒径堵漏材料总含量 为 3 2 。 3 ． 2 ． 2施 工 流 程 1 在隔离的小罐中配置 1 5 m。 封堵浆 ； 2 封堵浆搅拌均匀后 ， 加入 2 O 的 L Y J 一 5 ； 3 泵人 6 1T I 。 硬化封堵浆至钻具 内； 4 根据钻具 内硬化封堵浆略高于环空 内硬化 封堵浆 的原则 ， 将硬化封堵浆顶替到位 ； 5 起钻至套管鞋处 ， 大排量洗井 4 h ， 利用压差 将部分硬化封堵浆挤入地层 ， 并且冲洗钻柱； 6 钻柱下至井底 ， 循环钻井液， 密切观察 硬化 封堵浆的返出情况 ， 隔离所有的硬化封堵浆 ， 并作储 存或排放处理 ； 7 恢复正常钻进 。 3 ． 1 F 1 7井工程地质概况 3 ． 3 试验结果分析 F 1 7 井是位于中东 Y D油 田Ho s s i n i e y h区块的 一 口生产井 ， 设计井深 4 2 6 1 m， 完钻井深 4 2 8 5 m。该井 采用 四开 井身 结构 一 开 井段 ，姐4 4 ． 5 n l r n 钻 头 3 0 2 ． 5 0 m 3 3 9 ． 7 n T r n套管 3 0 0 ． 3 0 m ；二开井段， l 1 ． 1 i n r n钻头 2 2 1 6 ． 0 0 r n 4 4 ． 5 mi D ． 套 管 2 2 1 5 ． 0 0 m ； 三开井段， 1 2 ． 7 i n I i 1 钻头 3 8 0 2 ． 0 0 m 1 7 7 ． 8 I I I IT I 套管 3 8 0 1 ． 0 0 I n ； 四开井段， 1 4 9 ． 2 I I II T I 钻头4 4 2 8 5 ． 0 0 m } 1 1 4 ． 3 m m套管4 2 8 4 ． 0 0 m 。位 于三开井段的 K a z h d u m i 地层属于灰岩地层 ， 为裂缝性 和溶洞型储集体， 沥青质稠油流动的主要通道是裂缝 和溶洞。岩l生为泥粒灰岩 ， 深灰色 少量黄灰色 ， 泥质 胶结 ， 隐晶结构 部分微晶结构 ， 低硬度 少量岩屑比 较致密 ， 块状 部分次块状 ， 泥质含量 3 ～1 0 ， 沥 青含量 1 ～3 9 ／ 6 ， 孑 L 隙度中等， 油气显示弱。 该井在井深 3 3 5 0 ． 0 0 I n处发现了固体条带状 沥青 ， 在井深 3 3 6 8 ． 0 0 1 2 “1 振动筛上出现较多流动性 较好的沥青 ， 约 占岩 屑返 出物 的 2 O ～ 3 0 。在 Ka z h d u mi 地 层 沥青质 稠 油最 活跃 的 3 3 7 0 ． 0 0 ～ 3 4 2 4 ． O 0 m井段进行 了沥青质稠油硬化现场试验。 3 ． 2 试验配方和施工流程 3 ． 2 ． 1试验 配方 根据 F 1 7 井 钻遇 的沥青性状及 施工井段 的岩 钻至井深 3 3 7 8 ． 0 0 m时静止 1 5 mi n进行接立 柱作业 ， 钻至井深 3 4 2 8 ． 0 0 m时进行短程起下钻作 业 ， 然后起钻至上层套管鞋处 井深 2 6 0 9 ． 0 0 m ； 短程起下钻到底后 ， 在井深 3 4 2 8 ． 0 0 r n进行沥青硬 化剂 现场 试 验， 并 起钻 更 换钻 具组 合 ， 钻 至井 深 3 8 0 2 ． 0 0 m三开中完。 1 沥青固化后钻井液污染量有明显降低。对 比沥青 固化现场试验前短程起下钻和现场试验 中的 起钻 ， 可以发现钻井液污染量 明显降低 。短起下共 耗时 8 ． 0 h ， 累计排 放钻井液 1 5 ． 0 1T I 。 ； 起下钻更换 钻具组合耗时 2 5 ． 2 5 h ， 累计排放钻井液 9 ． 2 r n 。 ， 短 起和 起 钻单 位 时 间 污染 浆 分别 为 1 ． 8 8 l n 。 ／ h和 0 ． 3 6 r n 。 ／ h ， 使用沥青硬化技术后 ， 单位时间的钻井 液污染量降低至使用前 的 1 9 ． 1 5 见表 5 。 表 5 试验前 的短起和试 验中的起钻 指标比较 Ta bl e 5 Co mp ar i s o n o f f l u i d c o nt a mi na t i on b e f o r e a n d af t e r ha r d e ni ng a ge nt a d de d 墨 制 h 瞰 m 3 髓 鲥 h 备 注 名 称 m 0 ⋯ 2 出现沥青聚集固化现象 。现场试验期问， 密 切观察振动筛返 出物的变化 ， 尤其是对短程起下钻 5 4 石 油 钻 探 技 术 和更换钻具组合后效返出、 振动筛返出物进行了细 致的对 比。短程起下钻至循环后效返 出后 ， 振动筛 上污染浆 的黏切较低 ， 大量包裹着堵漏剂、 钻屑和重 晶石的沥青污染浆从振动筛返出， 沥青基本上均匀 分散在混浆带 中， 黏切较高 ， 并伴有较 多的带状沥 青 ， 混合浆放置 5 ～1 0 h后沥青和钻井液分离， 沥青 含量 4 0 。更换钻具组合下钻到底循环后效返 出 后， 在振动筛上出现了较多的块状沥青， 混合物的黏 切较高 ， 观察块状沥青的性状发现 ， 返出的块状沥青 为加入沥青硬化剂后形成的 ， 在此之前未见到此类 块状沥青 。说明现场试验过程 中， 沥青硬化剂和井 底溢 出的沥青发生反应使部分沥青发生聚结硬化 ， 成团返出地面 ， 硬化后的沥青约 占总量的 4 5 ， 有 利于与钻井液的分离和清除， 返出的混浆放置 5 ～ 1 0 h后， 沥青没有分离， 沥青含量较少 。 3 沥青返 出后效全烃值有明显改善。在揭开 沥青层的几次停止循环静止过程中， 受循环压耗和 钻井液的影响 ， 地层中的沥青不断侵入到井眼中， 循 环后效返出后引起钻井液全烃值发生突变 。分析几 次钻井液静止后效可 以看出 见表 6 ， 沥青 固化 现 场试验气测异常持续时间相对较短 ， 气测异常时间 与静止时间比由 l 6 ． 0 0 mi n ／ h降至 0 ． 6 7 mi n ／ h ， 这 也从一个侧面说明沥青硬化取得了明显的效果 。 4 硬化效果进一步显现。对比表 7中沥青固化 前后的后效返出时的钻井液常规性能、 钻井液流变性 可以看出 固化后井底沥青污染浆的最低密度相对增 加， 由硬化前的 1 ． 0 7 k g ／ L升至硬化后的 1 ． 1 1 k g ／ L ； 钻 井液黏切增高， 由硬化前的 1 2 8 S 升至硬化后 的滴流， 出现部分沥青聚集固化现象。 表 6 试验前后气测 异常时间对 比 Ta bl e 6 Co mp a r i s o n o f g a s l o g g i ng a bn o r ma l v a l u e s b e f o r e a nd a f t e r a d di ng h ar d e ni ng a g e n t 表 7 试 验前 后污染浆性能对比 Ta bl e 7 Co mpa r i s o n o f d r i l l i ng flu i d pr op e r t i e s b e f o r e a n d a f t e r a d d i n g h a r d e n i n g ag e n t 5 后续作业施工顺利。井深 3 3 7 0 ． 0 0 I I 1 钻遇 流动性较好的沥青 ， 对钻井液造成较为严重的污染， 现场试验沥青硬化剂后 ， 钻井液污染程度逐渐 降低 ， 后续的钻进趋于正常， 顺利完成 了含沥青井段 的测 井和下套管作业 。 4 结论及建议 1 L Y J 5可以大 幅度提高沥青质稠油的软化 点 ， 将软化点 由 5 2℃提高至 1 2 7℃ ， 具有较好 的硬 化效果。L Y J 一 5 加入量越大 ， 反应温度越高 ， 反应时 间越长 ， 沥青的硬化效果越好 。 2 无论是在钻井液 中， 还是不在非钻井 液中， L Y J 一 5 对沥青质稠油均有较好的硬化效果。在钻井 液 中的硬化效果较不在钻井液 中有所下降 ； I Y J 一 5 对钻井液黏度也有一定的破坏作用 。 3 沥青硬化剂 L Y J 一 5在 F 1 7 井 的现场试验表 明， 应用沥青硬化剂后钻井液污染量明显降低 ， 单位 时间内的钻井 液污染量 降至使用前的 1 9 ． 1 5 ， 出 现了部分沥青的硬化聚集现象 ， 后续 的测井和下套 管施工顺利 ， 现场应用效果较好 。 4 采用沥青质稠油硬化剂解决钻井液 污染 问 题尚处于探索阶段 ， 作为一种新型的沥青处理方法 ， 相关室内研究和现场试验还有待进一步深化 。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 郭京华 ， 夏柏 如， 赵增 新 ， 等． F1 9井沥青侵及 相关井下 复杂情 况的处理E J ] ． 特种油气 藏， 2 0 1 2 ， 1 9 4 1 3 4 1 3 7 ． G u o J i n g h u a ， X i a B a i r u ， Z h a o Z e n g x i n ， e t a 1 ． T r e a t me n t s f o r b i t u me n c o n t a mi n a t i o n a n d a s s o c i a t e d d o wn h o l 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