基于疏水改性纳米碳酸钙的钻井完井液.pdf

第 3 2卷 第 2期 2 0 1 5年3月 钴井液与 完 井液 DRI LL I NG F LUI D COM P L ETI ON F L UI D 、 ， o 1 ． 3 2 No． 2 M a r ．2 01 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 1 1 基于疏水改性纳米碳酸钙的钻井完井液 张虹 ， 蓝强 中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 张虹等 ． 基于疏水 改性纳米碳 酸钙 的钻 井 完井液 [ J 】 ． 钻 井液 与完并液 ，2 0 1 5 ，3 2 2 4 3 4 6 ， 摘要基于前期提 出的 自解堵屏蔽暂堵理论，研制 出了性能优 良的疏水改性纳米碳酸钙，并在此基础上形成 了疏 水暂堵钻井液。室内评价结果表明，在屏蔽暂堵钻井液中加入 1 ． 5 ％疏水碳酸钙后，滤失量由2 ． 6降为 1 ．2 mL，泥饼厚 度 由0 ．4变为 O ． 2 8 mm，证明疏水暂堵钻井液能够快速形成外泥饼，降低瞬时滤失量。该钻井液在温度低于 1 4 0。 C时 滤失性能比较稳定 ； 抗 C a C 1 ， 能力为2 ． 5 ％，抗一价盐浓度为9 ． 0 ％，抗黏土含量为 1 4 ． 0 ％ ； 抑制性能好，能在易坍塌地 层使用 ； 润滑效果好，极压膜强度超过 1 9 0 MP a； 形成的泥饼在长期油相浸泡下会产生大量裂纹，后期泥饼自行剥落， 从而达到自解堵 目的，初始渗透率为 5 01 0 一～1 0 0 01 0 。 m 的岩心，其渗透率恢复值均大于 9 0 ％ ； 体系的毒性都 很低 ，均达到了排放标准。 关键词 纳米碳酸钙 ； 疏水改性 ； 钻井完井液 ；临时性封堵 ； 防止地层损害 中图分类号T E 2 5 4 ． 3 文献标识码A 文章编号1 o 0 1 - 5 6 2 0 2 0 1 5 0 1 ． 0 0 0 1 0 3 为了改进当前屏蔽暂堵技术存在的酸化不均引起 的二次伤害 ，基于前期提出的疏水暂堵概念 ，成功研 制出了性能优良的疏水改性纳米碳酸钙，并在疏水改 性纳米碳酸钙的基础上形成疏水暂堵钻井液体系，考 察了体系的抗污染能力、抗温l生和储层保护效果 Ⅲ 。 1 暂堵钻井液体 系的优选 优选暂堵剂颗粒粒径的理想充填新方法是在研究 连续粒径颗粒堆积效率 的基础上提出的，根据 。 规 则进行基准曲线的优选。在该规则的基础上，把合成 的疏水改性纳米颗粒作为最后一级充填颗粒 ，再加入 其他粒径的超 细碳酸钙 ，从而形成更 密实 的暂堵层。 设计了东北油气分公司所属的十屋地区营城组油层的 暂堵方案 。该 区块 深层 营城组 、沙河街组 的油气地 质储量 只占 4 ． 6 ％，该层岩性主要为细砂 、含砾 中砂 ， 储层孔隙度大多小于 1 5 ％，平均为 1 0 ． 1 ％，平均渗透 率为 81 0 一l,m 2 ，属低孔低渗储层 ，最大孔喉直径 为 1 5 g m， D9 o 为 2 ． 2 g m。 根据基线确定的 。 为 1 5 m优化暂堵颗粒的粒 度级配，基础配方如下。考察了不同暂堵剂在基础配 方中的作用 ， 结果见表 l 。 1 3 ． 0 ％钠膨润土 O ． 3 ％H F P S L 包被剂 0 ． 3 ％ HEC 2． 0 ％ S M P l O． 1 ％P AM 1 ． 5 ％ S DN． 1 0． 1 ％ Na OH 9 ． 0 ％KC I 3 ． O ％聚醚多元醇 表 1 基础配方和 D9 。 配方性能对比 配方 mPP a V ．s Y P P a ／ G e ， ／ 凡 A P l／泥饼厚 F L H T H P ． ／ P a ／ P a mL 度 ／ m m mL 注 凡 H T H P 在 1 2 0 o C、3 ． 5 MP a 下测定 ； C a C O3 粒径为 0 ． 0 3 mm ； 碳酸钙组合最佳为 2 0 0目碳酸钙、5 0 0目碳酸钙和非 渗透处理剂 Y HS ． 1比例为 1 7 6 7 7 。 从表 l发现 ，随着理想暂堵剂 的加入 ，黏度和切 力变化不大，A P I 滤失量有所降低，但幅度不大，对 高温高压 滤失量影响较大 ，降至 5 ． 1 mL，泥饼厚度 有一定程度减薄。因此 ，优选出 l 5 ． 0 ％碳酸钙组合 作为下一步实验的基础配方 ，在此基础上加入疏水碳 酸钙 HNC ． 1 ，对配方进行性能评价，结果见表 2 。从 基金项目 国家重大专项 “ 低渗油气田高效开发钻井技术”课题四 “ 低渗油气田储层保护技术” 2 0 l 1 z x0 5 0 2 2 ． 0 0 4中的 部分内容。 第一作者简介 张虹， 工程师，1 9 7 2年生，毕业于青岛化工学院，主要从事钻井液化学理论及新技术推广方面的工作。地址 山东省东营市胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院 ； 邮政编码 2 5 7 0 1 7；电话 0 5 4 6 8 7 8 5 2 4 0； E - ma i l f r e e 3 1 7 1 6 3 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钴井液与 完井液 2 0 1 5年 3月 表 2发现 ，疏水 暂堵钻井液 的 AP I 和 HT HP滤失量 都有明显降低，泥饼厚度也比之前薄一些。这就充分 证明，疏水暂堵钻井液能够快速形成外泥饼，降低瞬 时滤失 ，且阻止后续液相和固相颗粒进入地层 ，从而 能够降低储层的渗透率损害。另一方面，随着疏水处 理剂 H N C 一 1 增加，开始时体系的黏度缓慢增加，但 当 H NC ． 1 加量超过 1 ． 5 ％ 以后 ， 钻井液黏度急剧增加 ， 且终切增加幅度更甚，而滤失量却没有明显降低。因 此优选 1 5 ．0 ％碳酸钙组合 1 ．0 ％ H N C 一 1 2 作为最 佳暂堵钻井液配方。 下面研究疏水暂堵钻井液的性能。 表 2 疏水暂堵碳酸钙加量对钻井液性能的影响 注 F L H T H P 在 1 2 0 o C、3 ． 5 MP a下测定。 2 疏水 暂堵钻井液性能评价 2 ． 1 抗温性能 将 疏水 暂堵 钻井液配方在不同温度下老化滚动 1 6 h ，测量其性能，结果见表 3 。 表 3 疏水暂堵钻井液性能随温度的变化 从表 3 可知，随着温度升高，钻井液的性能有所 恶化，特别是表观黏度和塑性黏度不断升高，这主要 是疏水位在高温下也会增加其裸露机会，疏水改性聚 合物和纳米碳酸钙的疏水缔合作用增强。但在温度低 于 1 4 0 o C的情况下 ，滤失性能比较稳定 ，这充分验证 了该疏水暂堵剂的稳定性。温度超过 1 4 0℃后，黏度 开始下降 ，AP I 滤失量急剧增加 ，高温高压滤失量升 至 5 ． 1 m L ，表明该暂堵剂在温度高于 1 4 0℃后开始 断链、降解，泥饼的致密性开始降低，虚泥饼增厚， 从而导致钻井、液l 生能恶化。 2 ． 2 抗盐抗钙性能 在暂堵钻井液配方中分别加入氯化钠 、氯化钾和 氯化钙等常规一价 、二价无机盐 ，考察其抗盐 、抗钙 性能 ，结果见表 4 。从表 4可以看出，对于一价无机 盐来说 ，当加 量低于 1 0 ． O ％ 时 ，随着一价无机盐加 量增加，黏度、切力以及滤失量都随之上升，但相对 平缓，可当加量达到并超过 1 0 ．0 ％时，黏度开始急 剧升高，滤失量也出现较大幅度增加，因此，该钻井 液的抗一价盐浓度为 9 ．O ％ ； 当C a C I 加量低于 2 ． 5 ％ 时，钻井液黏度 、切力和滤失量随 C a C 1 ， 加量 的增加 略有增加， 但变化不大，当C a C 1 加量超过 2 ．5 ％时， 表观黏度和塑性黏度急剧升高 ，A P I 滤失量高于 8 ． 0 mL，因此该钻井液的抗 C a C 1 能力为 2 ． 5 ％。 表 4 疏水暂堵钻井液的抗盐和抗钙性能 注 凡 H T H P 在 1 2 0℃、3 ． 5 MP a 下测定。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 2期 张虹等 基 于疏水改性纳米碳酸钙的钻井完井液 4 5 2 ． 3 抗土侵性能 研究 了钙膨润土含量对疏水暂堵钻井液性能的影 响 ，结果见表 5 。由表 5可知 ，膨润土的加入对钻井 液 的表观黏度和塑性黏度影响极大 ，开始时，随着膨 润土加量增加，其黏度缓慢上升 ； 当加量达到 1 5 ．0 ％ 时，黏度快速升高，其表观黏度和塑性黏度分别为 4 5 ． 5 和 3 2 ． 0 mP a S ， A P I 和HT HP 滤失量也有相同趋势。 由此得 到，该体系的最高黏土含量为 1 4 ． O ％。 表 5 钙土加量对疏水暂堵钻井液性能的影响 随后测定 了疏水暂堵钻井液的堵水过油能力 。采 用油水通过比方法进行测定 先将钻井液倒人高温高 压失水仪内 ，在 6 O。 C、3 ． 5 MP a 条件下滤失 3 0 mi n， 建立泥饼 ； 将上部钻井液倒出，更换成油相，测定 3 0 mi n的油相滤失量 ； 用 同样 的方法测定 同一 泥 饼 的水相滤 失量 ，Z w； 则油水通过 比为 。经过 测定发现 ，疏水暂堵钻井液油水通过比为 2 ．3 加入 疏水暂堵剂前仅为 O ．5 。而且，后期实验还发现，疏 水暂堵钻井液形成的泥饼在长期油相浸泡下会产生大 量裂纹，泥饼渗透率大幅增加，后期泥饼 自 行剥落， 从而达到 自解堵 目的。 2 ． 4 抑制性能 疏水暂堵钻井液配方中含有 P A M和聚醚多元醇， 而且 含有一定 的疏 水处理剂 HNC ． 1 ，这 3种处理剂 在黏土膨胀方面具有一定的协同作用。为了研究其抑 制性 ，对 2 配方的黏土膨胀高度抑制能力进行 了评 价。实验对比评价了去离子水、1 5 ． O ％碳酸钙组合 配方滤液和 2 配方滤液的抑制能力 ， 所用岩屑为曲 9 一 斜 6 1 2井 1 3 6 4 ． 2 5 ～ 1 3 7 5 ． 1 8 m过 孔 径 为 0 ． 1 5 4 n l l T l 筛的岩屑，结果见图 1 。由图 1 可知，1 5 ．0 ％碳酸 钙组合配方和 2 配方的抑制性相差不大， 2 配方的 抑制性略好。2 钻井液在开始时膨胀较快，但当达到 l h 后开始达到平衡 ， 而水 的膨胀在 6 h 才能趋于平衡 。 这种抑制来源于 P AM、聚醚多元醇和疏水暂堵剂等 ， 这些处理剂 的抑制能力较强 ，且具有一定协 同作用 ； 同时，疏水暂堵剂的加入，使得泥饼致密度增强，且 疏水组分的存在也在一定程度上阻缓水的侵入，从宏 观上表现为有效降低岩屑的膨胀高度。 1 O 量 s 6 矍4 婆2 0 0 l oo 2 o o 3 0 o 4 0 0 5 0 0 图 1 不 同体系 的页岩膨胀高度 随时间的变化 同时使用曲 9 斜 6 1 2 井 1 3 6 4 ．2 5 ～1 3 7 5 ． 1 8 m的 岩心，粉碎，筛选粒径为 1 ． 0 ～5 ．0 m i ll 的岩屑进行 实验，在 1 2 0℃滚动 1 6 h 后过孔径为 O ．2 8 IT II I 1 的筛， 测得岩屑在蒸馏水、1 5 ．O ％碳酸钙组合配方和 2 配 方滤液的回收率分别为 1 6 ． 8 ％、9 1 ．4 ％和 9 6 ．5 ％。可 以看出，2 配方的页岩分散抑制性能很好。 2 ． 5 润滑 性能 研究了疏水暂堵钻井液体系的润滑性能，结果见 表 6 。从表 6可以看 出，相 比矿物油 R3 0 3 、1 5 白油 和纳米乳液而言， 疏水暂堵钻井液配方的润滑效果好， 极压膜强度也较高，极压膜强度超过 1 9 0 MP a ，这表 明，此时的润滑剂 已经在井壁和钻具上形成润滑性很 强的膜，该膜能够承受较高压差。 表 6 疏水暂堵钻井液的润滑性能 注 3 配方为基浆 3 ． 0 ％R 3 0 3 矿物油 物油 ； 4 配方为 基浆 3 ． 0 ％1 5 白油 ； 5 配方为基浆 3 ． 0 ％纳米乳液。 2 ． 6 油层保护性能 采用储层伤害评价装置动态评价钻井液污染前 后岩心的油相渗透率，根据油相渗透率的比值来考察 钻井液的储层保护性能 [2 -8 1 o选用陶瓷岩心进行实验， 其参数见表 7 。从表 7 可以看出，在高、中、低渗透 储层中，疏水暂堵钻井液污染后 ，岩心的渗透率恢复 值都超过 9 0 ． 0 ％，而且初始气测渗透率越高，储层伤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钴井液与 完 井液 2 0 1 5年 3月 害就越严重。因为，对于高渗地层而言 ，其瞬时滤失 较高 ，固相和液相在孔隙中侵入较深 ，因此对储层伤 害就较高 。综上所述 ，是在低 、中、高渗透储层 中， 疏水暂堵钻井液的储层保护效果都极为明显 。 表 7 钻井液在不同初始渗透率条件下的岩心流动测试结果 注 储层损害评价系统操作条件 污染时间为 1 3 0 mi n ， 设定压差为 3 ． 5 0 MP a； 渗透率测试围压为 3 ． O 0 MP a； 污染围 压为 6 MP a 。 2 ． 7 毒性 分析 对疏 水暂堵钻井液 中的几种处理剂采用 D XY - 2 生物毒性测试仪，对其生物毒性进行了测试。聚醚多 元 醇 、疏 水 处 理 剂 HN C 一 1 、P A M、H F P S L 、HE C、 S MP 一 1 和 S D N． 1 等主要处理剂及其他组成的疏水暂堵 钻井液体系的E G 检测结果分别为 7 9 8 0 0 、 6 9 0 0 0 、 9 3 5 0 0 、 5 3 2 0 0 、 2 9 3 0 0 、 1 6 1 0 0 、 3 8 5 0 0和 2 7 6 0 0 mg ／ L， 这些体系的毒性都很低，均达到了排放标准。这几种 处理剂及其组成的疏水暂堵钻井液体系都无荧光，有 利于测井和地质录井 。 3结论 与建 议 1 ． D 。 理论适用于疏水暂堵体系，为暂堵材料的 优选提供了科学依据，在此基础上提出了最后一级采 用疏水纳米碳酸钙，并采用疏水改性聚合物作为泥饼 增强剂，该体系起到了明显效果。 2 ． 疏水暂堵钻井液体系的抗温性高，能在 1 2 0 ～ 1 4 0 o C下使用 ，抗盐 、抗钙 能力强 ，抗 土侵能力强 ， 油层保护性能好，在初始气测渗透率为 5 0 x 1 0 ～ ～ 1 0 0 0 1 0 g m 的岩心中，渗透率恢复值超过 9 0 ． 0 ％。 参 考 文 献 蓝强， 郑成胜， 徐运波 ，等 ． 暂堵用疏水改性纳米碳酸钙 的研制 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 4 1 - 4 ． L a nQ i a n g ，Z h e n gC h e n g s h e n g ， X uY u n b o ， e t a 1 ． P r e p a r a t i o n o f h y d r o p h o b i c l l y m o d i fe d n a n o - c a l c i u m c a r b o n a t e u s e d i n h y d r o p h o b i c l l y t e mp o r a r y p l u g g i n g t e c h n o l o g y [ J ] ．Dr i l l i n g a n dC o m p l e t i o n F l u i d s ，2 0 1 3 ，3 0 4 1 - 4 ． [ 2 】 刘大伟， 康毅力， 雷明，等 ． 保护碳酸盐岩储层屏蔽暂堵 技术研究进展 【 J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 8 ， 2 5 5 5 7 ． 8 8 ． Li u Da we i ， Ka n g Yi l i ，L e i M i n g， e t a 1 ． Re s e a r c h p r o g r e s s e s i n t e mp o r a r y pl u g g i n g t e c h n o l o g y f o r c a r b o n a t e r e s e r v o i r p r o t e c ti o n [ J ] ． D r i l l in ga n dC o m p l e t i o nF l u i ds， 2 0 0 8 ，2 5 5 5 7 ． 8 8 ． [ 3 ] Na s r - E 1 - D i n H A，A1 一 O t a i b i M B， A1 - Qa h t a n i A A． An e f f e c t i v e flu i d f o r mu l mi o n t o r e m o v e d r i l l i n g fl u i d mu d c a k e i n h o r i z o n t a l a n d mu l t i l a t e r a l we l l s [ R ] ． S P E 8 7 9 6 0 ， 2 0 0 7 ． [ 4 】 罗平亚，康毅力， 孟英峰 ． 我国储层保护技术实现跨越式 发展 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 6 ， 2 6 1 8 4 ． 8 7 ． Lu o P i n g y a ，M e n g Yi n g n g ． Ch i n a ’S r e s e r v i o r p r o t e c t i o n t e c h n o l o g i e s d e v e l o p i n g l e a p s [ J ] ． Na t u r a l G a s I n d u s t r y ， 2 0 0 6 ，2 6 1 8 4 - 8 7 ． [ 5 ]5 康毅力， 罗平亚 ． 储层保护系统工程 实践与认识 [ J ] ． 钻 井液与完井液，2 0 0 7 ， 2 4 1 1 - 7 ． Ka n g Yi l i ，L u o P i n g ya ．S y s t e m e n g i n e e r i n g o f r e s e r v o i r p r e s e r v a t i o n p r a c t i c e a n d t h e o r y [ J ] ．Dr i l l i n g a n d C o m p l e t i o n F l u i ds， 2 0 0 7 ，2 4 1 卜7 ． [ 6 ] 徐建春， 成强， 谢玲莉 ， 等 ． 暂堵酸化技术在孤岛油田的 应用 [ J ] ． 油气田地面工程 ， 2 0 0 9 ， 2 8 4 6 9 ． Xu J i a n c h u a n，C h e n g Qi a n g ，Xi e Li n g l i ，e t a 1 ． T h e a p p l i c a t i o n o f t e mp o r a r y p l u g g i n g a n d a c i d i fi c a t i o n i n g u d a o o i l fi e l d [ J] ． O i l - g a s fi e l dS w f a c e E n g i n e e ri n g， 2 0 0 9 ， 2 8 4 6 9 ． [ 7 ] 吕庆升 ， 王文芝， 郭丽华 ． 高温暂堵剂研制与性能评价 [ J ] ． 中国石油和化工标准与质量 ， 2 0 1 l ， 3 8 1 9 4 ． 9 4 ． L v Q i n g s h e n g ，Wa n g We n z h i ，Gu o L i h u a ． R e s e a r c h o n h i g h t e mp e r a t u r e t e mp o r a r y p l u g g i n g a g e n t [ J ] ． C h i n a P e t r o l e u m a n d C h e mi c a l S t a n d a r d a n d Q u a l i t y ，2 0 1 1 ， 3 8 1 9 4 ． 9 4 ． [ 8 】 王业众， 康毅力， 李航 ， 等 ． 裂缝性致密砂岩气层暂堵性 堵漏钻井液技术 [ J ] ． 天然气工业， 2 0 1 1 ， 3 1 3 6 3 6 5 ． W a n g Ye z h o n g，Ka n g Yi l i ，Li Ha n g，e t a 1 ． Dr i l l i n g flu i d s f o r t e m p o r a r y s e a l i n g i n f r a c t u r e d t i g h t s a n d s t o n e g a s r e s e rvo i r s [ J ] ． N a t u r a l G a s I n d u s t r y ， 2 0 1 l ， 3 1 3 6 3 - 6 5 ． [ 9 ] E g i l Ro n a e s ，S i v E l i s a b e t h Vi k，K n u t T a u g b o l ，e t a 1 ． Re mo t e r e a l t i me mo n i t o r i n g o f p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n i n d ril l i n g fl u i d s d u r i n g d r i l l i n g o f a d e p l e t e d HT HP Re s e rvo i r [ R ] ． 2 0 0 9 ， S P E ／ I A DC1 2 5 7 0 8 ． [ 1 0 】Ge o r g e A． F u l l e r ， Mi c h a e l S e r i o ， J a r e d T r a h a n ，e t a 1 ． A n o v e l a p p r o a c h for t h e c o n t r o l l i n g o f wh o l e mu d l o s s e s wh i l e e n c o u n t e ri n g p r o d u c t i v e f o r ma t i o n s [ R ] ． 2 0 1 0 ，S P E 1 2 7 7 1 8 ． [ 1 1 ]Mo n i r Mo h a me d ，Al i S ． R a b a a ，J a me s E ． P h i l l i p s ，e t a 1 ． M i n i mi z i n g we l l b o r e d a m a g e i n a s a n d s t o n e r e s e rv o i r u s i n g e f f e c t i v e m u d mana g e me n t p r a c t i c e s [ R ] ． 2 0 1 0 ，S P E 1 3 0 3 4 1 ． [ 1 2 】Mo n i r Mo h a me d ． E n g i n e e r e d p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n w h i l e d r i l l i n g h e l p s mi n i z e we l l b o r e d a ma g e i n s a n d s t o n e r e s e r v o i r [ R 】 ． 2 0 1 1 ， S P E1 4 4 1 8 ． 收稿 日期2 0 1 4 ． 1 2 2 3 ；H GF 1 5 0 1 N1 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m