煤層氣多分支水平井防塌可降解屏蔽暫堵鉆井液研究

杜鶴 張遂安 徐代才 程洪

(1. 中國(guó)石油大學(xué) (北京) 氣體能源開(kāi)發(fā)與利用教育部工程研究中心, 北京 102249; 2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司塔里木油田監(jiān)督管理中心, 新疆 841000; 3. 中石化西北油田分公司塔河采油三廠, 新疆 841000)

煤層強(qiáng)度低、性脆、裂縫發(fā)育, 致使在煤層氣井鉆井施工過(guò)程中極易破碎坍塌, 尤其是多分支水平井; 鉆井液濾液的進(jìn)入, 也使煤層氣儲(chǔ)層受到嚴(yán)重傷害。因此, 在煤層氣多分支水平井鉆井過(guò)程中有效地解決防坍塌和保護(hù)儲(chǔ)層對(duì)煤層氣的開(kāi)發(fā)具有重大意義。

1 防塌可降解屏蔽暫堵劑的優(yōu)選

早在20 世紀(jì)80 年代, 石油界就開(kāi)始探索常規(guī)油氣井屏蔽暫堵技術(shù), 經(jīng)過(guò)近二十年的研究, 研發(fā)出了效果顯著的屏蔽暫堵劑。效果較為顯著的屏蔽暫堵劑有天然多元醇山梨醇、甲基葡萄糖苷等多元醇以及雙保無(wú)滲透泥漿轉(zhuǎn)換劑BST- I、乙烯基單體多元共聚物PAC- 142 等等。為研發(fā)出適宜于煤層的防塌可降解屏蔽暫堵劑, 作者依據(jù)下述原則進(jìn)行了探索。即： 防塌可降解屏蔽暫堵劑是指在多分支水平井鉆井過(guò)程中不但能有效地防塌、降低鉆井液的濾失量, 減小濾液對(duì)儲(chǔ)層的傷害, 而且還應(yīng)在鉆井施工結(jié)束后能夠有效解堵, 恢復(fù)儲(chǔ)層滲透率。降濾失機(jī)理主要在于改善泥餅性質(zhì), 即降低泥餅的滲透率。其主要途徑為：

(1) 依靠能與粘土發(fā)生吸附的基團(tuán)和能強(qiáng)烈水化的極性基團(tuán), 給粘土帶來(lái)吸附水化層, 使得粘土顆粒不易相互接觸而粘結(jié)。從而使每個(gè)黏附有粘土細(xì)顆粒的大分子鏈與細(xì)粘土顆粒橋接, 形成布滿整個(gè)體系的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

(2) 含有電離后帶負(fù)電荷的基團(tuán)吸附到粘土上, 增加了表面的負(fù)電性, 提高了粘土膠粒的電動(dòng)電位, 粘土顆粒之間靜電斥力增大, 從而不易發(fā)生相互聚結(jié)。根據(jù)逐級(jí)填充原理, 形成致密而薄的泥餅, 降低濾失量。

(3) 高分子本身的堵塞作用。這種作用有兩種形式, 一種形式是高分子物質(zhì)遇水產(chǎn)生溶脹作用,堵塞泥餅的孔隙。另一種形式是吸附在粘土上的降濾失劑大分子在泥餅空隙中伸展, 形成網(wǎng)絡(luò), 阻擋水的通過(guò)。

根據(jù)常規(guī)油氣井屏蔽暫堵技術(shù)的研究經(jīng)驗(yàn), 作者從眾多的添加劑中優(yōu)選出山梨醇、甲基葡萄糖苷、雙保無(wú)滲透泥漿轉(zhuǎn)換劑BST- I、乙烯基單體多元共聚物PAC- 142 和PD09 等主要添加劑進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和對(duì)比研究。

2 添加劑的屏蔽暫堵性能與可降解實(shí)驗(yàn)

為優(yōu)選出性能優(yōu)良的防塌可降解屏蔽暫堵劑,作者對(duì)優(yōu)選出的幾種添加劑的屏蔽暫堵性能與可降解進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)包括各種添加劑配方優(yōu)化實(shí)驗(yàn)、各配方最佳含量對(duì)鉆井液性能的影響對(duì)比實(shí)驗(yàn)、各配方最佳含量反向?yàn)V失量 (可降解) 對(duì)比實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

2．1 各種添加劑配方優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

(1) 山梨醇： 分別稱取0．35g、0．7g、1．05g、1．4g、1．75g、2．1g 山梨醇加到老化結(jié)束的鉆井液(甲酸鹽鉆井液體系) 中, 測(cè)氣表觀粘度μAV、塑性粘度μPV和屈服值YP及API 濾失量VAPI等性能指標(biāo) (表1、圖1) 。山梨醇含量為0．5%時(shí)鉆井液性能最佳、濾失量最低。

表1 山梨醇含量對(duì)鉆井液性能的影響

圖1 山梨醇含量對(duì)鉆井液性能的影響

(2) 甲基葡萄糖苷： 分別稱取0．35g、0．7g、1．05g、1．4g、1．75g、2．1g 甲基葡萄糖苷加入老化結(jié)束的鉆井液中測(cè)其性能指標(biāo) (表2、圖2) 。由圖2 可知, 甲基葡萄糖苷含量為0．2%和0．4%時(shí)其性能較佳, 但其濾失量在0．4%時(shí)最低。故甲基葡萄糖苷的最佳含量取0．4%。

表2 甲基葡萄糖苷含量對(duì)鉆井液性能的影響

(3) PD09： 分別稱取0．35g、0．7g、1．05g、1．4g、1．75g、2．1gPD09 加入老化結(jié)束的鉆井液中,攪拌5 分鐘后測(cè)其性能 (表3、圖3) 。由圖3 可知, 隨著PD09 含量的增加鉆井液的表觀粘度、塑性粘度和屈服值均隨之增加, 而其API 濾失量最低含量為0．4%。故PD09 最佳含量為0．4%。

表3 PD09 含量對(duì)鉆井液性能的影響

圖2 甲基葡萄糖苷含量對(duì)鉆井液性能的影響

圖3 PD09 含量對(duì)鉆井液性能的影響

表4 各配方最佳含量對(duì)鉆井液性能的影響

2．2 各配方最佳含量對(duì)鉆井液性能的影響對(duì)比實(shí)驗(yàn)

分別稱取1．75g 山梨醇、1．4g 甲基葡萄糖苷、1．4gPD09、0．7gBST- I、2．1gPAC- 142 分別加入基漿中測(cè)定鉆井液性能, 測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。

2．3 各配方最佳含量反向?yàn)V失量 (可降解) 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

將上述五種鉆井液在API 濾失量測(cè)定結(jié)束后立即將濾餅翻轉(zhuǎn), 在濾失儀中加入清水、在0．69Mpa下測(cè)其30min 的反向?yàn)V失量V反向; 反向?yàn)V失量測(cè)試結(jié)束后, 將濾餅放入清水中浸泡24h 后再次測(cè)其反向?yàn)V失量V24, 依次類推測(cè)量V36和V72, 結(jié)果見(jiàn)表5、圖5。

圖4 各配方最佳含量對(duì)鉆井液性能的影響①基漿+1．75g 山梨醇; ②基漿+1．4gPD09③基漿+1．4g 甲基葡萄糖苷; ④基漿+0．7gBST- 1;⑤基漿+2．1gPAC- 142

圖5 各配方最佳含量反向?yàn)V失量對(duì)比

由圖5 可知山梨醇隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng), 其解堵性能也隨之增長(zhǎng), 但由V反向可知其在施工過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)層的暫堵性能不佳; 而甲基葡萄糖苷、BST- I、PAC- 142 在常規(guī)油氣鉆井施工中雖然其保護(hù)儲(chǔ)層能力好, 然其對(duì)煤儲(chǔ)層解堵能力弱, 不能靠?jī)?chǔ)層自身能量使其滲透率得以恢復(fù), 不適用于裸眼完井的煤層氣水平井施工; 而PD09 的正向API 濾失量和反向?yàn)V失量均較低, 且隨著在清水中的浸泡時(shí)間的增長(zhǎng), 其濾失量增加明顯, 說(shuō)明其在施工結(jié)束后能靠?jī)?chǔ)層自身能量使其濾餅降解, 從而使儲(chǔ)層滲透率得以恢復(fù)。

表5 各配方最佳含量反向?yàn)V失量的測(cè)定

表6 鉆井液體系對(duì)煤儲(chǔ)層的暫堵與解堵性能表

2．4 防塌可降解屏蔽暫堵鉆井液的實(shí)際煤芯實(shí)驗(yàn)

根據(jù)煤儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果和鉆井液體系的優(yōu)選結(jié)果進(jìn)行煤儲(chǔ)層傷害及解堵實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6 所示。PD09 的暫堵性能雖然低于BST- I, 但其解堵性能優(yōu)于BST- I, 所以在煤層氣多分支水平井鉆井施工過(guò)程中應(yīng)首先考慮在施工結(jié)束后是否濾餅?zāi)苋苡诋a(chǎn)出水的甲酸鹽+ PD09 鉆井液體系, 其對(duì)煤儲(chǔ)層的保護(hù)性能優(yōu)于BST- I。

3 結(jié)論與建議

對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)： 山梨醇隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng),其解堵性能也隨之增長(zhǎng), 但由V反向可知其在施工過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)層的暫堵性能不佳; 而甲基葡萄糖苷、BST- I、PAC- 142 在常規(guī)油氣鉆井施工中雖然其保護(hù)儲(chǔ)層能力好, 然其對(duì)煤儲(chǔ)層解堵能力弱, 不能靠?jī)?chǔ)層自身能量使其滲透率得以恢復(fù), 不適用于裸眼完井的煤層氣水平井施工; 而PD09 的正向API濾失量和反向?yàn)V失量均較低, 且隨著在清水中的浸泡時(shí)間的增長(zhǎng), 其濾失量增加明顯, 說(shuō)明其在施工結(jié)束后能靠?jī)?chǔ)層自身能量使其濾餅降解, 儲(chǔ)層滲透率能夠得以恢復(fù)。

PD09 的暫堵性能雖然低于BST- I, 但其解堵性能優(yōu)于BST- I, 所以在煤層氣水平井鉆井施工過(guò)程中應(yīng)首先考慮在施工結(jié)束后濾餅?zāi)苋苡诋a(chǎn)出液的甲酸鹽+ PD09 鉆井液體系, 其對(duì)煤儲(chǔ)層的保護(hù)性能優(yōu)于BST- I。

[1] K．Barr．A Guideline to Optimize Drilling Fluids for Coalbed Methane Reservoirs．SPE 123175, 2009 (4) ： 1- 8．

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[3] 劉愛(ài)軍．新型屏蔽暫堵鉆井完井液技術(shù)研究 [J] ．濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版, 2003, 17 (1) ： 83 -86．

[4] 張春祥．屏蔽式暫堵保護(hù)油氣層技術(shù) [J] ．油氣田地面工程, 2003 (5) ： 75．

[5] K．Barr．A Guidelineto Optimize Drilling Fluids for Coalbed Methane Reservoirs．SPE 123175, 2009 (4) ： 1- 8．