低芳烃油基钻井液在页岩油气水平井中的应用.pdf

第 3 0卷 2 01 3 血 第 4期 7月 钻井液与完井液 DRI L LI NG F LUI D COMP LET I ON F L UI D 、 ， 0 1 ． 3 O N O ． 4 J ul y 201 3 【 理论研究与应用技术 】 低芳烃油基钻井液在页岩油气水平井中的应用 侯业贵 中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营 侯业责 ． 低芳烃油基钻井液在页岩油气水平井中的应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 4 2 1 2 4 ． 摘要 国内外页岩油气水平井大部分使用柴油基钻井液，例如胜利油田第一口页岩油水平井渤页平 1井，柴 油具有刺激性气味，含有一定的芳香烃，对人体健康存在一定伤害，因此开展了低芳烃油基钻井液研究一通过室 内实验 ，选定 芳烃含量小 于 2 ％ 的精 制 白油作基 油 ，确定 油水 比为 8 0 2 0 ，优选 了相配套 主处 理剂及其 加量 ，形 成 了低芳烃油基钻井液配方。室内评价结果表明，该钻井液在 1 ．2 0 ～1 ． 8 0 g ／ c m 的不同密度下都具有较好的流变性 能、乳化性能和沉降稳定性，抗污染能力强，由于使用刚性、柔性和树脂类封堵材料的复合处理剂作封堵剂，该 钻井液封堵能力强。该钻井液在渤页平 2井进行了成功应用，钻井液 日损耗量明显降低，应用井段平均机械钻速 达 8 ． 2 2 m／ h ，较渤页平 1井有了大幅提高 ； 井径规则，井径扩大率仅为2 _ 3 ％ ； 无托压现象、扭矩小，起下钻摩阻 小 7 ～8 t o该钻井液满足页岩油气藏水平井钻井施工需要，而且对对人体健康影响较小。 关键词 低芳烃 ； 精制白油 ； 钻井液配方 ； 沉降稳定性 ； 抗污染性 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 3 0 4 0 0 2 1 - 0 4 中国页岩油气资源丰富 ，在 四川盆地 、鄂尔多 斯盆地 、渤海湾盆地 、江汉盆地 、吐哈盆地 、塔里 木盆地等含油气盆地及其周缘，浅埋的暗色页岩大 面积发育，有机碳含量高， 具有页岩油气成藏的有 利地质条件 。同时 ，在 中国南方寒武系 、志 留系 、 二叠系等古老地层分布区的页岩油气勘探前景亦不 可忽视 ⋯ 。国内外普遍使用油基钻井液进行页岩油 气水平井施工 ，使用 的油基钻井液基液大部分为柴 油， 例如胜利油田第一口页岩油水平井渤页平 1 井。 虽然使用柴油基钻井液较好地满足了钻井施工需 要，但是由于柴油具有刺激性气味，含有一定的芳 香烃，对人体健康存在一定伤害。因此，开发适合 于页岩油气藏水平井，且对人体健康无害的低芳烃 油基钻井液技术必将具有广 阔的应用前景 [2 - 6 1 。 1 低芳烃油基钻井液基液 对柴油、精制白油、气制油的黏度、 发性及环保性能进行评价，结果见表 1 。 进行综合分析可知，3 种油品中精制白油对人体健 康影响最小，其他性能也适合于配制油基钻井液， 因此选择精制 白油作为低芳烃油基钻井液的基液。 表 1 不同油基钻井液基液性能对比 注 气制油、精制白油、柴油的含硫量分别为 3 、3 0 、 1 0 0 0 2 0 0 0 mg ／ L。 2 低芳烃油基钻井液配方及性能 2 ． 1 钻井液配方 通过大量的室内实验，在确定精制白油作为低 闪点、挥 芳烃油基钻井液基油的基础上，优选了相配套的主 根据表 1 乳化剂、辅乳化剂、润湿剂、降滤失剂、封堵剂、 基金项目 中国石化科技攻关项目 “ 非常规油气藏长水平段水平井钻完井技术研究” J P 1 2 0 1 2 的部分研究内容。 作者简介 侯业贵，工程师，2 0 0 3年毕业于西南石油大学应用化学专业，现在主要从事钻井液新技术及现场应用研究。 地址 山东省东营市东营区北一路 8 2 7号 ； 邮政编码 2 5 7 0 0 0； 电话 1 3 5 6 1 0 0 9 9 8 5； E - m a i l h o u y e g u i ． s l y t s i n o p e c ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年 7月 提切剂等主处理剂及其加量 ，形成初步配方如下 。 精制 白油 2 5 ％C A C 1 ， 溶液 3 ％ 主乳化 剂 1 ． 5 ％ 辅乳化剂 2 ％润湿剂 3 ％有机土 3 ％降滤失剂 C F A 2 ％C a O 2 ％复合封堵剂 F B 0 ． 5 ％提切剂 进行不 同油水 比实验 ，结果 见表 2 。分析表 2 中数据可知 ，当油水 比为 8 0 2 0时 ，低芳烃油基 钻井液的破乳电压 、 滤失量以及流变参数都具有较 好的性能 ，因此选择油水 比为 8 0 2 0 。 表 2 油水 比对低芳烃油基钻井液性能 的影响 注 测试温度为 5 0℃。 2 ． 2 钻 井液性 能 1 常规性能。该低芳烃油基钻井液不 同密度 下的性能如表 3所示。根据表 3 可知 ，该低芳烃油 基钻井液在不同密度下都具有较好的性能 ，能够满 足现场施工需要。 表 3 不同密度下的低芳烃油基钻井液性能 p | 验P y | Y P f F L ／ F L Y ／ Ge l } E S ／ g ／ c m 条件 mP a s P a mL mL P a ／ P a V 注 热滚条件为 1 2 0℃、1 6 h ，测试温度为 5 0℃。 2 沉降稳定性。在量筒中加入 5 0 0 m L密度为 1 ． 8 0 g ／ c m 的低芳烃油基钻井液，在不同时问段测 定量筒上 2 0 0 mL钻井液和下 2 0 0 mL钻井液的密度 差，结果见表 4 。实验结果证明，低芳烃油基钻井 液具有较好的悬泽I生，能够避免重晶石沉降。 3 封堵性。与单一的封堵剂相比，选用多种 粒径、不同封堵原理的封堵材料进行复合使用，更 能够提高钻井液的封堵能力 。该低芳烃油基钻井液 选用的堵材料为刚性 、柔性和树脂类封堵材料的复 合处理剂 ，该处理剂对钻井液 性能的影响见表 5 。 表 4 低芳烃油基钻井液的重晶石沉降实验结果 表 5 复合封堵剂对低芳烃油基钻井液性能的影响 注 热滚条件为 1 2 0 、1 6 h，测定温度为 5 0℃。 在完成该低芳烃油基钻井液的高温高压滤失实 验后，继续升高压力，直至高温高压滤失仪底部连 续流出钻井液，此时的压力作为泥饼的抗压强度， 测 得加入复合 封堵剂前后 的泥饼抗压强度 分别为 6 ．5 、l 2 ．8 MP a ，该数值在一定程度上可以反映钻井 液泥饼的承压能力，数值越大，说明钻井液泥饼的 承压能力更强 ，钻井液的封堵能力更好 。 4抗污染实验 。针对钻井液可能受到的污染 ， 进行 了低芳烃油基钻井液抗污染实验 ，结果见表 6 。 表 6 低芳烃油基钻井液的抗污染实验结果 注 热滚条件为 1 2 0℃、1 6 h ，测试温度为 5 0 o C。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0 卷 第4 期 侯业贵低芳烃油基钻井液在页岩油气水平井中的应用 2 3 从表 6可以看 出，随着钻井液中劣质土加量 的 增大 ，表观黏度 、塑性黏度 略有增加 ，A P I 滤失量 减小 ，表明该体系对黏土敏感差 ，在劣质土加量达 到 1 0 ％时，钻井液仍有较好的性能，体系仍具有 较高的破乳电压 ； 随着钻井液中N a C 1 、C a C 1 加量 的增大 ，表观黏度 、塑性 黏度略有增加 ，AP I 滤失 量略有增加 ，表明该体系具有较好的抗盐、钙污染 能力 ； 随着原油含量的增加 ，钻井液 的黏度和切力 上升 ，滤失量增加 ，破乳 电压上升 ，该配方具有较 好的抗原油污染能力，在 2 0 ％原油污染下，仍然 具有较好的性能。 3 现 场 应 用及 效 果 渤页平 2井位于济 阳坳 陷沾化 凹陷罗家鼻状构 造带罗 6 0 2井 区，该区块地层 自下而上为 古生界 ， 中生界 ，古近系孑 L 店组 、沙河街组 、东营组 ，新近 系馆陶组 、明化镇组 ，以及第 四系平原组 。该 区沙 三下亚段烃源岩厚度最大 、范 围最广 ，烃源岩有机 碳含量高 、生烃潜量大、演化程度 高，因此沙三下 亚段为泥页岩油气勘探的主力层系。 3 ． 1 施 工流程 及性能 先在配浆站配制低芳烃油基钻井液，然后运至 现场进行加重 ， 根据加重后性能变化进行适当调整。 施工结束后 回收至配浆站 ，先清除劣质 固相 ，然后 对低芳烃油基钻井液性能进行调整 ，适当调整油水 比和处理剂含量 ，以便重复利用 ，通过 重复利用 ， 降低低芳烃油基钻井液成本。渤页平 2 井低芳烃油 基钻井液性能见表 7 。 3 ． 2 现场性能调控技术 1 油基钻井液流变性调整。 现场通过 固控设备 ， 使用 3台细 目 筛孔孑 L 径不大于 0 ． 1 mm振动筛 ， 配合离心机、 除泥器减少无用固相， 降低塑性黏度， 加入基浆或氯化钙盐水控制油水 比，同时配合加入 润湿剂改变体系中固相 的润湿性 ，平均每 1 5 0 m左 右补充加入 2 0 0 k g ，破坏颗粒问通过氢键结合形成 的网状结构以达到流变性调整的目的。前期油基钻 井液流变性尽量采用较低黏度和切力，钻井液黏度 控制在 4 6 S 左右，后期随井深增加 ，水平段增长， 在调整油水比、增加亲油胶体含量措施下，通过加 入提切剂增加油基钻井液黏度和切力，以保证钻井 液的携岩能力。定期配制高于钻井液密度 0 - 3 g ／ c m 的重浆携带沉积在井眼内的钻屑 ，确保井眼畅通 。 表 7 渤页平 2井钻井液性能 并 深7 p l} P y Y P G e F L F L m m E s池 水 比 m g ／ c m S mPa s P a Pa ／ P a mL mL V 2油基钻井液乳化稳定性调整。从钻井液性 能表中可 以看出，随着井深增加 、油基钻井液循环 时间的增长， 钻井液的破乳电压呈增长至平稳趋势， 由最初 的 5 2 8 V增长至 1 4 0 0 V左右。在钻进期间 ， 随着钻屑及加重材料等固相不断进入钻井液中，为 保证油基钻井液的乳化稳定性，现场有针对性地补 充乳化 剂及润湿剂 ，配合加入油水 比为 8 0 2 0的 油基钻井液 ，保证了油基钻井液的乳化稳定性。 3滤失量控制。该井三开油基 钻井液 的 AP I 滤失量控制在 1 m L以下，高温高压滤失量控制在 4 mL以内。钻进过程 中通过调整降滤失剂 的加量 、 油水比、封堵材料的加量保证体系维持低滤失量。 4油基钻井液 活度及油水 比调控 。现场采用 合理的钻井液滤液活度防止地层水 的侵人及油基钻 井液中水相缺失，以保证钻井液合理的油水比 ； 在 日常维护中，根据所测 的钻屑活度及油水比实时调 整，使油基钻井液的活度始终保持在低于钻屑活度 0 ． 0 2 ～0 ． 1 0 。现场通过缓慢补充浓度为 1 0 ％～2 5 ％ 的氯化钙水溶液， 控制钻井液水相含量及降低活度。 5油基钻井液封堵能力调控。该井长水平段 页岩地层裂缝发育， 井壁稳定的关键在合理的密度、 较低的滤失量及有效的封堵。体系的封堵能力主要 通过乳化封堵剂、架桥填充、油水比调控乳化形态 技术而实现。在借鉴渤页平 1 井油基钻井液使用情 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年 7月 况 的基础上 ，先期配浆工作 中提高乳化封堵剂 的加 量 ，同时优化基浆 中的粒度分布，加入合理粒度的 刚性封堵材料，通过架桥封堵提高基浆整体的封堵 性能 。前期钻井液 日消耗量为 1 5 m ，通过提高复 合封堵材料加量 ，使后期 日消耗量减少至 8 m 。 3 ． 3 应用效果 渤 页平 2井三开施 工顺利 ，无任何 复杂事故 ， 水平位移为 1 3 2 9 ． 7 5 m，水平段长 8 8 1 ． 8 8 m。该井 平均机械钻速达到 8 ．2 2 m ／ h ，较渤页平 1 井有了大 幅提高 。该油基钻井液解决了三开井段泥页岩井壁 不稳定 、长水平段井眼清洁等难题 ，应用井段井 眼 扩大率为 2 ． 3 ％， 在三开钻进中无托压现象 、 扭矩小 ， 起下钻摩阻小 7 ～8 t ，完井下人磨鞋修整井眼施 工中 ，起下钻顺利 ，振动筛返 出钻屑量极少 ，后期 压裂管柱下人顺利 ，说 明井底基本无岩屑床。 4 结论 及 认 识 1 ． 通过基液优选 ，选择了精制 白油作低芳烃钻 井液基液 。精制 白油在常规 白油 的基础上通过加氢 法降低芳香烃含量 ，其芳香烃含量低 ，无刺激性气 味，对人体健康影响较小，适合作配制低芳烃油基 钻井液 的基液。 2 ． 通过配方研究，形成了抗污染能力强、沉降 稳定性好的低芳烃油基钻井液体系。该体系在渤页 平 2井进行了成功运用 ， 钻井液 日损耗量明显降低 ， 施工顺利，无任何复杂事故，井径规则 ， 井眼扩大 率仅为 2 ． 3 ％，证 明该 低芳烃油基钻井液有 利于解 决页岩地层井壁稳定难题 。 3 ． 低芳烃油基钻井液既能够满足页岩油气藏水 平井钻井施工需要 ，又对人体健康影响较小 ，建议 在页岩油气藏水平井 中推广应用。 参 考 文 献 [ 1 ] 张抗 ，谭云冬 ． 世界页岩气资源潜力和开采现状及中 国页岩气发展前景 当代石油石化，2 0 0 9 ，1 7 3 9 1 2， 1 8 ． [ 2 ] 冯军木 ． 白油精制工艺 的现状与进展 [ J ] _ 杭 州化工 ， 1 9 9 5 3 1 1 - 1 3 ． [ 3 ] 赵正尧 ． 低毒性油基钻井液的使用 [ J ] ． 石油钻采工艺 ， 1 9 9 8 2 0 7 3 ． 8 3 ． [ 4 ] 张炜 ，刘振东 ，刘宝锋 ，等 ． 油基钻井液的推广及循环 利用 [ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 0 8 ，3 6 6 3 4 ． 3 8 ． [ 5 】 刘振东 ， 薛玉志， 周守菊，等 ． 全油基钻井液完井液体 系研究及应用 [ J 】 ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 6 1 0 一 l 2． [ 6 ] 岳前升，向兴金，李中，等 ． 油基钻井液的封堵性能研 究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 6 ，2 3 5 4 0 4 2 ． 收稿 日期2 0 1 3 ． 0 2 ． 1 1 ；H GF I 3 0 4 N9 ；编辑王小娜 上接第2 0 页 3结论 与 建议 1 ． 研究出了一种生物油润滑剂 ，该润滑剂抗温 达 1 4 0 ，在常用钻井液中的润滑系数降低率大于 7 0 ％， 性能达到中国同类产品技术水平。 2 ． 生物油润滑剂在新疆油 田的 3口井中进行了 现场试验，试验井通过应用该生物油润滑剂，大幅 度增强了钻井液的润滑性，整个施工过程中，包括 起下钻 、电测及下套管作业顺利，无任何阻卡现象 发生 。 3 ． 首次使用生物柴油作为生产钻井液用润滑剂 的原材料 ，产品环保无污染 ，建议继续开展生物油 润滑剂 的推广应用。 参 考 文 献 [ 1 ] 李昌珠 ，蒋丽娟，程树棋 ． 生物柴油 ． 绿色能源 [ M】 ． 北京 化学工业出版社 ，2 0 0 5 ． [ 2 ] 代永刚，马毓霞，南喜平，等 ． 生物柴油的现状及发展 前景 [ J ] ． 粮油食品科技， 2 0 0 6 ，1 4 1 1 7 1 9 ． [ 3 ] 王璇，冀星 ． 国内外生物柴油技术进展 [ J ] ． 国际化工信 息，2 0 0 6 4 1 3 1 7 ． 收稿 日2 0 1 3 ． 0 2 ． 1 1 ；H GF 1 3 0 4 N 2 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m