用于欠平衡钻井的抗高温高强度冻胶阀及应用.pdf

东 北 石 油 大 学 学 报 J oURNAL oF NoRTHEAS T PETROLEUM UNI VERs l TY 第 3 9 卷 第 5 期 2 0 1 5年 1 0月 VO1 ． 3 9 No．5 Oc t ． 2 01 5 用于欠平衡钻井的抗高温高强度冻胶 阀及应用 李 志勇 ，马 攀 ，陶 冶。 ，薛连云 ，杨 超 ， 陈 帅 。 ，韦火云 ，李鸿飞h 1 ．中国石油大学 北京石油工程学院 ， 北京1 0 2 2 4 9 ； 2 ．中国石油大学 北京油气资源与探测 国家重点实验室 ， 北 京1 0 2 2 4 9 ； 3 ．中国石油天然气股份有 限公 司 勘探开发研究 院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 4 ．中国石油新疆油 田分公司 工程 技术研 究院 ， 新疆 克拉玛依8 3 4 0 0 0 摘要 常用冻胶 阀技术很难满足深井高温作业需求． 为充分 发挥欠平衡钻井优势 ， 研 制一种新型冻胶液 ， 在高温下 通过交联 反应 ， 形成作用力极强 的空间 网状结构及与井壁的黏结 力 ， 达到封 隔压力 的要 求 ； 评价抗 温性 、 密封性 、 耐压性 及破胶性等冻胶封隔压 力所需 的性能． 结 果表 明， 该冻 胶抗温 达 1 6 0℃， 与管壁具 有很好 的黏壁 性， 能有 效密封 井下压 力 ， 耐压强度高 ， 并且破胶彻底 ， 破胶液利于返排 ， 不影响后续正常 的钻完井作 业． 该技术 可在高温井 中有效 封隔井下欠 平衡作业引起的气体涌人， 应用效果 良好． 关键词 欠平衡钻井；冻胶阀 ； 抗 温性 ；耐压性 ； 破胶性 ；可穿透性 中图分类号 T E2 4 9 ． 1 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 4 1 0 7 2 0 1 5 0 5 0 0 8 00 6 0 引言 欠平衡钻井技术产生于 2 O 世纪 3 0年代， 兴起于 2 O世纪 8 O年代． 欠平衡钻井可使地层流体有控制地 进入井筒 ， 避免井漏与储层伤害等问题L 1 ] ． 随着欠平衡钻井技术的深入研究和推广应用 ， 国内外石油公司 对欠平衡钻井技术的要求越来越高 ， 须寻求一种能够实现全过程欠平衡钻井的作业方式和方法． 冻胶阀作 为 一种 新型 的控 压手段 ， 可 有效 代替 套管 阀 ， 实现全 过程 欠平 衡钻 井． 在 欠平衡 钻 井及 完井 过程 中 ， 冻 胶 阀 利用 自身的强度及与井壁的黏结力封隔井下压力， 消除由井底压力过大引起的储层伤害， 保护储层并避免 由套 管 阀失效 引起 的钻 井事 故 ； 同时 ， 降低 欠 平 衡钻 井 的作 业 成 本 ， 实 现 全过 程 欠 平 衡 钻井 作 业 _ 2 ] ． 2 0 0 6 年 ， 在我国西北地 区首次成功进行冻胶阀现场试验 ， 其技术思想和工艺得到广泛认 同 ] ． 目前 ， 冻胶 阀技术 在多个油 田进行推广应用 ， 最大应用井深为 3 k m左右 ， 冻胶阀工作温度最高可达 1 2 0℃左右 ] ． 随着 石油 资源勘 探开 发领 域 的进一 步 延 伸 ， 深 井 钻 探 技 术应 用 越 来 越 广． 我 国 未探 明石 油 储 量 约 为 8 5 1 0 。 t ， 其 中有 7 3 储 藏 在 深 层 ； 我 国 常规 天 然 气 资 源 预 测 产 量 为 3 81 0 IT I 。 ， 其 中埋 藏 深 度 大 于 3 5 0 0 i n的天 然气 资 源 占 5 7 [ 5 ] ． 因此 ， 深 部储 层 具 有 巨大 的开 发 潜力 ， 深 层 的 高温 环境 成 为欠 平衡 钻 井冻胶 阀作业不可 回避的问题 ， 现有冻胶 阀技术需要进一步提高抗温性及强度． 笔者研发抗高温、 高强度 冻胶 阀技术 ， 可 拓展 冻胶 阀应 用领 域 ， 有 助于 实现 深井 全 过程 欠 平衡 钻井 作 业 ， 从 而提 高 全 过 程欠 平 衡 钻 井综合服务水平． 1 实验 1 ． 1药 品与 仪器 1 药 品． 增 韧剂 ， 分析 纯 ， 北 京现 代东 方精 细化学 品有 限公 司生产 ； 耐温 聚合 物 、 高 温稳 定剂 ， 交联 剂 ， 北京 石 大博 源科 技有 限公 司生 产 ； HP AM 水 解 聚 丙烯 酰 胺 ， 任 丘 市 鑫 聚化 工 有 限公 司 生产 ； 破 胶 剂 ， 北 收稿 日期 2 0 1 41 1 1 0 ； 编辑 关开澄 基金项 目 国家 自然 科 学基 金 创 新研 究 群 体项 目 5 1 2 2 1 0 0 3 ； 国家科 技 重 大专 项 2 o 1 6 Z X o 5 0 4 4 ； 国 家 自然 科 学基 金 面上 项 目 5 1 3 7 4 2 2 5 ； 北京市高等学校青年英才计 划项 目 YE TP 0 6 7 1 ； 国家 留学基 金项 目 2 0 1 5 0 6 4 4 5 0 0 8 ； 中国石 油大学 j E 京 优 秀青年教师基金项 目 2 4 6 2 o 1 5 Y QO 2 1 1 作者简介 李志勇 1 9 7 8 一 ， 男 ，博士 ， 副教授 ，主要从事储层保护 、 钻井液优化设计 、 油田化学、 钻井废弃物处理等方面的研究． 8 O ‘ 第 5期 李志勇等 用于欠平衡钻井的抗高温高强度冻胶阀及应用 京 正 清然科 技 有 限公 司生产 ． 2 仪 器． S F 1 1 0 0高 速分散 机 ， 常州 铭普 化工 机 械 有 限公 司生 产 ； Z NN D 6 B 电动六 速 黏 度计 ， 青 岛 同 春石油仪器有限公司生产 ； J HT 一 3新型滚子高加热炉 ， 现代石油科技发展有限公司生产； 高温冻胶性能测 试仪 ， 北京石大博源科技有限公司生产． 1 ． 2原 理及 配方 冻胶 阀的胶 液成胶 主要 是通 过 成胶 剂与 交联 剂 的交联 反应 形成 的 ， 其 中交联 剂为有 机 交联剂 ． 常 见交 联反应中， 可交联的基团包括 钠羧基 、 酰胺基 、 羟基 、 醚链中的醚键口 ] ． 起交联剂作用的高价金属离子可解 离成多核羟桥络离子 ， 与水作用生成大量羟基 ， 如 Al 。 经过解离络合水解 ， 生成[ H 0 AI OH 抖 ， 再 通过羟桥作用和进一步水解作用生成羟基铝[ 8 ] ． HP AM 是水溶性线性高分子聚合物， 在水 中发生水解作 用而溶解分散在水中， 浓度增加 ， 自由溶剂减少， 高分子基 团之间距离减小 ， 使得基团间相互作用增强． 同 时 ， HP AM 自身 带有 可交 联 的基 团一 C ooH 与 一C oNH ， 交 联 剂 与成 胶 剂 之 间通 过 羟基 、 氨 基 发 生作 用 见图 1 ， 分子链相互连结， 分子间填满液体 ， 最后成为一个整体 ， 自由水包裹在其中， 形成 聚合物分子 间 的空 间 网状结 构 ， 形成 冻胶 ． 0H 0 0 十 0＼ i ＼ mlz - I o 1． o＼ ．j。 ．／ I H 20／ l＼ oH ／ I＼ 0H ／ l＼ oH ／ l＼ 0 H ／ I＼ o H ／ I＼ H 0 H2 o H2 O 0 o＼ 』 A ＼ j．／／pH＼ j． 。尸 ＼ 。 I＼ 0H ／ I＼ o H ／ l＼ 0H ／ l＼ 0 H ／ I＼ H 20 ／ 一、＼ 图 1 成 胶 原 理 Fi g ． 1 Th e p r i n c i p l e o f f o r mi n g g e l 在井下温度作用下 ， 冻胶液在井筒合适位置处形成冻胶 阀． 利用冻胶液 自身的交联强度及与井壁的黏 结性 ， 可有效封隔井下压力 ， 阻止欠平衡状态下侵人 的油气向上运移 ， 确保井下始终处于欠平衡状态， 从而 最大限度地保护储层． 冻胶液主要是 由 HP AM 高分子溶液 、 交联剂及其他添 加剂组成． 通过 实验确定配方 质 量分数 1 ． 2 9 ／ 6 HP AM5 ． 0 增韧 剂 4 ． 0 加 重 剂 1 ． 5 耐 温 聚 合 物 1 ． 5 高 温 稳 定 剂 1 ． 2 交联 剂 0 ． 8 缓蚀 剂 0 ． 1 延 迟剂 ． 2 性 能评 价 2 ． 1黏 度测量 现场所用冻胶液在泵送至设计井深之前， 冻胶液黏度应保持为 1 o O ～1 5 0 mP a S 或者更低， 以保证它 具 有 良好 的流 动性 ， 能够 满足 地 面泵 注 要 求[ 9 ] ． 按 照 实验 确 定 配 方 配 制冻 胶 液 ， 利 用 Z NN D6 B型 电动 六 速黏度计及马氏漏斗， 在室温 2 O℃下测量不 同搅拌时间后的冻胶液黏度， 结果见表 1 ． 由表 1可 知 ， 该 冻胶 液在 室温 下搅 拌 2 ． 0 h后 ， 黏 度 趋 于稳 定 ， 小 于 7 5 ． 0 mP a S ， 马 氏漏 斗 时 间小 于 2 1 5 s ． 该 黏度 可保 证 冻胶 液从 地面泵 人 到井 下某 一位 置前 保持 足够 的可 泵性 ． 东北石油大学学报 第 3 9 卷2 0 1 5年 力 因 子 为 1 ． 0 8 ， 冻 胶 设 计 井 深 为 3 4 0 0～ 3 7 0 0 m ． 根 据 现场实 际 ， 冻胶 设 计 性 能 为 1 冻 胶 阀长度 ， 3 0 0 m； 2 气密 强度 ， 1 5 ～2 5 MP a ； 3 冻胶 下入 深度 ， 3 4 0 0 ～3 7 0 0 m； 4 抗 温 ， 1 5 0 ℃ ； 5 冻胶高温稳定时间， 7 2 h ． 3 ． 2施 工 表 3井 身 结 构 设 计 Ta bl e 3 W e l l d e s i g n pr of i l e 1 配制冻胶液 6 m。 ， 保持性能稳定 ， 满足泵送要求． 2 用备用立管向环空注入泥浆 ， 节流控制回压为 1 ． 5 ～2 ． 0 MP a ， 带压起钻至注胶位置 3 7 0 0 m． 3 先用地面专用泵将 1 m。 清水泵人管线作为前置液， 再用泵车注入 6 m。 冻胶液 ， 带压起钻至 3 3 5 5 m 冻胶 阀顶 部两 立柱 ． 4 冻胶 成胶 5 h后 ， 敞开井 口起 钻 ， 换 钻头 ． 5 下 钻至 3 4 0 0 m， 准备破 胶 ． 6 破胶 、 循 环液 体． 钻 头提 至 3 4 0 8 ． 0 0 m， 通过 泵 车 向立 管 注入破 胶剂 1 ． 2 m。 ， 分 6次将 破 胶剂挤 入 冻胶阀， 2 ． 0 h后下钻至 4 7 2 5 ． 6 0 m循环 ， 共排放破胶液及混合液约 1 5 m。 ， 胶体破胶彻底 ， 随着破胶液排 出， 泵压由 1 4 ． 5 MP a 缓慢降至 1 2 ． 0 MP a ． 3 ． 3效 果分 析 现场施工过程中， 在冻胶阀未破胶之前综合监测 ， 气测全烃峰值为 0 ， 破胶后下钻到底循环 ， 测得全烃 最高峰值为 6 6 ． 6 ， 并点火成功． 证 明冻胶 阀具有 良好的封闭井筒的作用 ， 封堵油气上窜效果显著 ， 全过 程没有发生油气上窜． 另外 ， 冻 胶 阀破胶 后破 胶液 返排 至地 面顺 利 ， 没 有对 地层 和完井 工具 造成 封堵 ． 破胶 效果 良好 ， 循 环洗 井 返排 彻底 ， 实 际施工 与设 计完 全 吻合． 4 结 论 1 研制冻胶液配方 质量分数 l _ 2 ％HP AM5 ． O ％增韧剂 4 ． 0 加重剂1 ． 5 耐温聚合物 1 ． 5 高温 稳定 剂 1 ． 2 交联 剂 O ． 8 缓 蚀剂 0 ． 1 延 迟 剂 ， 冻胶 在 常 温下 搅 拌 2 ． 0 h后 黏度 保 持 稳 定 ， 可满足泵送要求． 在 1 6 0℃高温下 ， 加热 3 ． 0 h后可完全成胶 ， 冻胶稳 定时间可达 1 2 0 ． 0 h以上 ， 有助 于现 场 开展冻 胶 阀施工 作业 ． 2 冻胶具有 良好抗温性 、 黏壁性 、 可穿透性及高耐压强度 ， 并且可实现完全破胶． 3 抗高温、 高强度冻胶 阀技术在高温井 中可有效密封井下油气 ， 且破胶液反排彻底， 不影响后续作 业 ， 有 助于 实现全 过程 欠平 衡钻 井作 业． 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 苏义脑 ， 黄洪春 ， 高文凯． 用钻井方法提高单井产量和采 收率 [ J ] ． 东北 石油大学学报 ， 2 0 1 0 ， 3 4 5 2 7 3 4 ． S u n a 0 ，Hu a n g Ho n g c h u n ，G a o We n k a i ．E n h a n c i n g we l l p r o d u c t i o n a n d r e c o v e r y r a t e b y i mp r o v i n g d r i l l i n g me t h o d s[ J ] ．J o u r n a l o f No r t h e a s t Pe t r ol e u m U n i v e r s i t y，2 0 1 0， 3 4 5 2 7 3 4 ． [ z ] D r i e d g e r D J ，Ta l i s ma n E，Ke l l y S P，e t a 1 ．Ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g t e c h n i q u e a p p l ie d i n a k u r d i s t a n e x p l o r a t i o n we l l [ c ] ．S P E， 2 O1 3 ． [ 3 ] 王涛． 冻胶阀 创新 思维催 生的原创技术[ - E B ／ OL ． h t t p ／ ／ ww w． d o c i n ． c o m／ p --7 9 2 0 6 9 5 6 5 ． h t ml ， 2 0 1 1 --0 6 --1 0 ／ 2 0 1 4 --0 7 --1 5 Wa n g T a o ．Or i g i n a l t e c h n o l o g y c r e a t e d b y i n n o v a t i v e t h i n k i n g[ E B ／ OL ] ．h t t p ／ ／ www ． d o c i n ． c o rn／ p --7 9 2 0 6 9 5 6 5 ． h t ml ， 2 0 1 1 --0 6 -- 1 0 ／ 2 0 1 4 0 7 1 5 ． [ 4 3 胡挺 ， 曾权先 ， 李华磊 ， 等． 冻胶阀完井技 术研究 与应用口] ． 石油钻 采工艺 ， 2 0 1 2 ， 3 4 1 3 2 3 5 ． Hu T i n g ， Z e n g Qu a n x i a n ，L i Hu a l e i ， e t a 1 ．S t u d y a n d Ap p l i c a t i o n o f s ma r t p a c k c o mp l e t i o n t e c h n o l o g y口] ．0i l Dr i l l i n g P r o d u c t i o n Te c h n o l o g y，2 01 2， 3 4 1 3 2 3 5 ． 84 第 5期 李志勇等 用 于欠平衡钻井 的抗 高温高强度冻胶 阀及应用 [ 5 3 胡文瑞． 中国非常规天然气 资源开发与利用[ 妇． 东北石油大学学报 ， 2 0 1 0 ， 3 4 5 9 一l 6 ． Hu We n r u i ．De v e l o p me n t a n d u t i l i z a t i o n o f n o n c o n v e n t io n a l n a t u r a l g a s r e s o u r c e s i n C h i n a[ J ] ．J o u r n a l o f No r t h e a s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y，2 0 1 0， 3 4 5 9 1 6 ． [ 6 ] 蔡希源． 中国石化天然气勘探实践与勘探 方向[ J ] ． 东北石油大学学报 ， 2 0 1 0 ， 3 4 5 1 8 ． [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 3 [ u] C a i X i y u a n ．S i n o p e c s n a t u r a l g a s e x p l o r a t i o n p r a c t i c e a n d p r i o r i t y[ J ] ．J o u r n a l o f N o r t h e a s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y ， 2 0 1 0 ， 3 4 5 1 8 ． 张新． 一类新型疏水缔合聚合物的合成及成胶性能[ J 3 ． 东北石油大学学报 ， 2 0 1 3 ， 3 7 2 1 2 4 1 2 8 ． Z h a n g Xi n ．S y n t h e s i s a n d g e l l i n g p e r f o r ma n c e o f a n o v e l h y d r o p h o b i c a s s o c i a t i o n c o p o l y me r口] ．J o u r n a l o f No r t h e a s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y，2 0 1 3。 3 7 2 1 2 4 1 2 8 ． 韩明 ， 马杰 ， 陈立． 交联聚合物应用于油田开发的机理研究 与性 能评价 [ J ] ． 油气采收率技术， 1 9 9 5 ， 2 2 1 8 ． Ha n Mi n g，Ma J i e ，Ch e n Li ．Me c h a n i s m s t u d y a n d p e r f o r ma n c e e v a l u a t i o n o n t he a p p l i c a t i o n o f c r o s s l i nk e d p o l y me r s i n o i l f i e l d de v e l o p me n t 口] ．P e t r o l u e m Ge o l o g y a n d Re c o v e r y E f f i c i e n c y ，1 9 9 5 ， 2 2 1 8 ． 管桐 ， 杨慧 ， 邹啁 ， 等． 欠平衡钻井中冻胶阀技术研究 及应用 口] ． 广东化工 ， 2 0 1 2 ， 3 9 1 0 7 0 7 1 ． Gu a n T o n g ，Ya n g Hu i ， Z h o u Z h o u ， e t a 1 ．Ge l v a l v e t e c h n o l o g y a n d i t s a p p l i c a t io n i n u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g口] ．Gu a n g d o n g Ch e mi c a l I n d u s t r y ，2 0 1 2， 3 9 1 0 7 07 1 ． 唐孝芬 ， 李红艳 ， 刘玉章 ， 等． 交联聚合物冻胶调堵剂性 能评价指标及 方法口] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 0 4 ， 2 6 2 4 9 5 3 ． Ta n g Xi a o f e n， L i Ho n g y a n ，L i u y u z h a n g ，e t a 1 ．C r o s s l i n k e d p o l y me r p l u g g i n g a g e n t p e r f o r ma n c e e v a l u a t i o n i n d e x a n d me t h o d[ J ] ． Oi l Dr i l l i n g P r o du c t i o n Te c h n o l o g y，2 0 0 4， 2 6 Z 4 9 5 3 ． 李志勇 ， 蒋官澄 ， 王利国 ， 等． 一种欠平衡钻井及完井过 程中冻胶阀性能测试仪及其应用[ P ] ． 中国 C N1 0 1 9 4 9 7 7 1 A， 2 0 1 1 --0 1 1 9 ． Li Z hi y o n g，J i a n g Gu a n c h e n g，W a n g Li g u o，e t a 1 ．A k i n d o f g e l v a l v e u e d i n t he u n d e r - b a l a n c e d d r i l l i n g a n d we l l c o mp l e t i o n p r o c e s s a n d i t s p e r f o r ma n c e t e s t i n s t r u me n t a n d a p p l i c a t i o n s[ P 3 ．C h i n a CN1 0 1 9 4 9 7 7 1 A，2 0 1 1 0 1 1 9 ． 上接 第 2 2页 [ 3 0 3 [ 3 1 ] [ 3 2 ] o i l g a s a c c u mu l a t i o n[ J ] ．J o u r n a l o f No r t h e a s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y ， 2 0 1 3 ， 3 7 1 5 7 6 3 张立含 ， 王旭， 刘心宇 ， 等． 断裂在斜坡 区油 聚集 中的作用 以松辽盆地太东地区葡萄花油层为例 [ J ] ． 大庆石 油学院学报 ， 2 0 1 2 ， 3 6 2 3 6 4 0 ． Z h a n g Li h a n，W a n g Xu，Li u Xi ny u，e a a 1 ． Ef f e c t s o f f a ul t s o n 0 - l a c c u mu l a t i o n i n s l o p e r e gi o nAn e x a mp l e f r o m P o i l l a y e r i n Ta i d - o n g r e g i o n[ J ] ．J o u r n a l o f D a q i n g P e t r o l e u m I n s t i t u t e ，2 0 1 2 ， 3 6 z 3 6 4 0 ． 尚晓庆 ， 刘 洛夫 ， 高小跃 ， 等． 库车拗 陷依奇克里 克构造带 油气输导 体系特 征及输导模 式[ J 3 ． 大庆石油学 院学报 ， 2 0 1 2 ， 3 6 1 3 1 4 O． S h a n g Xi a o q i n g，Li u Lu o f u，Ga o Xia o y u e，e t a 1 ．Ch a r a c t e r i s t i c s o f h y d r o c a r b o n p a t hwa y s y s t e m a n d t r a ns p o r t mo d e l o f t h e Yi q i k e l i k e s t r u c t u r a l b e l t i n Ku q a d e p r e s s i o n[ J ] ．J o u r n a l o f D a q i n g P e t r o l e u m I n s t i t u t e ， 2 0 1 2， 3 6 1 3 1 --4 0 ． 张善 文 ， 王永诗 ， 石砥 石， 等． 网毯式油气成藏体系 以济 阳坳陷新近系为例口] ． 石油勘探与开发 ， 2 0 0 3 ， 3 0 1 1 1 0 ． Z h a n g S h a n we n，Wa n g Yo n g s h i ，Sh i Di s h i ，e t a 1 ．Me s h wo r k - c a r p e t t y p e o i l a n d g a s p o o l f o r mi ng s y s t e mTa k i n g Ne o g e n e o f J i y a n g d e p r e s s io n a s a n e x a mp l e[ J ] ．P e t r o l e u m E x p lo r a t i o n a n d De v e l o p me n t ，2 0 0 3 ， 3 0 1 1 1 0 ． 8 5