段曉東,王文強,張 娟,趙 鵬,韓玉平
(西部鉆探工程有限公司國際鉆井公司,新疆烏魯木齊830026)
油基鉆井液的探討與分析
段曉東*,王文強,張 娟,趙 鵬,韓玉平
(西部鉆探工程有限公司國際鉆井公司,新疆烏魯木齊830026)
為滿足公司新開拓新的俄羅斯亞馬爾LNG項目鉆井任務(wù),對油基鉆井液進行技術(shù)調(diào)研。從油基鉆井液的體系的概念、發(fā)展、用途、分類、處理劑簡介及作用、維護處理重點、存在問題以及優(yōu)選含油巖屑處理方法等進行了初步的探討分析,系統(tǒng)地對油基鉆井液進行全面了解。
油基鉆井液;發(fā)展;分類;維護處理;分析
油基鉆井液指鉆井液的連續(xù)相為油,可能含有水,但含水量通常不超過5%。也就是說,油基鉆井液以油、水、固相和油溶性化學處理劑為主體,加入各種添加劑,滿足對鉆井液性能要求。且具有抗高溫、抗鹽鈣侵蝕,井眼清潔,井壁穩(wěn)定、潤滑性好、保護油氣層等優(yōu)點。反之,連續(xù)相為水的鉆井液稱作水基?,F(xiàn)在,水中有油(乳液)或油中有水(反乳液)的鉆井液或其它液體材料,各種油水比例都不難制備。區(qū)分油基和水基的原則,是以何者為連續(xù)相為準。
1.1 油基鉆井液的概念
油基鉆井液是指以油作為連續(xù)相的鉆井液。分為兩類:全油基鉆井液和油包水乳化鉆井液。在全油基鉆井液中水是無用的組分,其含水量不應(yīng)超過10%,而在油包水鉆井液中水作為必要組分均勻地分散在柴油中,其含水量一般為10%~60%。
1.2 油基鉆井液的優(yōu)缺點
(1)與水基鉆井液相比較油基鉆井液具有能抗高溫、抗鹽鈣侵、有利于井壁穩(wěn)定、潤滑性好和對油氣層損害程度較小等多種優(yōu)點。
(2)目前已成為鉆高難度的高溫深井、大斜度定向井、水平井和各種復雜地層的重要手段,并且還可廣泛地用作解卡液、射孔完井液、修井液和取芯液等。
(3)油基鉆井液的配制成本比水基鉆井液高得多,使用時往往會對井場附近的生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響。
(4)為了提高鉆速,從20世紀70年代中期開始,較廣泛地使用了低膠質(zhì)油包水乳化鉆井液。
(5)為保護環(huán)境,適應(yīng)海洋鉆探的需要,從20世紀80年代初開始,又逐步推廣使用了以礦物油作為基油的低毒油包水乳化鉆井液。
1.3 油基鉆井液的發(fā)展階段
(1)原油作為鉆井液:有利于防塌、防卡和保護油氣層,但流變性不易控制,易著,使用范圍僅限于100℃以內(nèi)淺井;
(2)全油基鉆井液:具有油基鉆井液的各種優(yōu)點,可抗200~250℃高溫,但配制成本高,較易著火,鉆速較低;
(3)油包水乳化鉆井液:通過水相活度控制有利于井壁穩(wěn)定,與全油基鉆井液相比不易著火,配制成本有所降低,抗溫可達200℃~230℃;。
(4)低膠質(zhì)油包水乳化:可明顯提高鉆速,降低鉆井總成本,但由于放寬濾失量,對某些松散易塌地層不適合,對儲層的損害較大;
(5)低毒油包水乳化鉆井液:具有油基鉆井液的各種優(yōu)點,同時可有效地防止對環(huán)境的污染,特別適用于海洋鉆井。
1.4 油基鉆井液的用途
(1)鉆復雜和麻煩的頁巖油氣井;(2)鉆高溫深井或高溫高密度井;(3)生產(chǎn)層的鉆進和取芯;(4)鉆鹽層、硬石膏層、雜鹽層;(5)用作定向井的鉆井液;(6)用作小井眼的鉆井液;(7)鉆含硫化氫和二氧化碳的地層;(8)用作射孔和完井液;(9)用作解卡的浸泡液;(10)用作封隔液;(11)用作修井液;(12)用作防腐蝕控制液;(13)用作套管封隔液。
1.5 油基鉆井液的分類[1]
(1)白油基鉆井液:抑制、封堵防塌能力強,濾失量低,流變性好,避免了頁巖井壁垮塌問題。
(2)氣制油基鉆井液:運動粘度低,攜帶能力強,能避免鉆進過程中遇阻、鉆速減慢,提高鉆速。
(3)柴油基鉆井液:可抗200℃~250℃高溫,且高壓下穩(wěn)定性強,可以避免鉆井過程中污染物對鉆井液的污染,保持鉆井液的性能穩(wěn)定。但柴油基鉆井液配制成本高,閃點低(55℃)易著火,鉆速較低;且柴油自身毒性比較強,對儲層傷害大。
(4)低毒油基鉆井液:主要包括石蠟油基鉆井液、精制白油基鉆井液、VersaClean低毒鉆井液、植物油基鉆井液。
2.1 油基鉆井液處理劑簡介(見表1)
表1 油基鉆井液處理劑簡介
2.2 維護處理重點[2]
2.2.1 乳化穩(wěn)定性
合理使用主乳化劑和輔乳化劑控制體系的穩(wěn)定性,為防止體系破乳,加入主乳化劑的同時復配一定量的石灰,保持Es值>900V,HTHP濾液中不含有自由水;配制基漿和新鉆井液時必須充分剪切,由于水珠的尺寸支配著乳狀液的穩(wěn)定性,高度的剪切使水相分散成更細更均勻的水珠,體系更穩(wěn)定,對于配制新漿尤為重要。促使形成水包油的方法有2種:一是加足量的乳化劑,二是施加外力,泥漿槍或離心泵來促使,水珠的大小對粘度和凝膠強度也有影響,加油體系更穩(wěn)定,加水穩(wěn)定性減弱,加油對粘度、凝膠強度、API失水都有影響,加油粘度降低,加水反之。因此,需要調(diào)節(jié)適當?shù)挠退壤?/p>
2.2.2 濾失量
用與油基鉆井液相匹配的降失水劑控制體系的HTHP失水量和改善濾餅質(zhì)量,保持HTHP<5mL,濾餅厚度<2mm,沒有虛厚濾餅,鉆進時做到摩阻小,扭矩小。
2.2.3 流變性
采用流型調(diào)節(jié)劑、潤濕劑調(diào)整鉆井液流變性,固相油潤濕不足,會造成固相分散,致使塑性粘度、靜切力增大,動切力減小,使固相不易清除,嚴重時造成堆積,進而影響油基鉆井液的其他性能,在加入較多的重晶石或者鐵礦粉等加重劑前要先補充適量的潤濕劑;引人提切劑調(diào)節(jié)體系的粘切力,保持低轉(zhuǎn)速下具有較高的粘切力,保證良好懸浮能力。
2.2.4 固相含量
首先保證固控系統(tǒng)必須保持良好運轉(zhuǎn),充分利用振動篩和除砂、除泥器清除巖屑,運用離心機除去體系中的有害低固相,充分凈化鉆井液,保證良好性能,同時有利于提高機械鉆速;固控設(shè)備應(yīng)用效果不理想時可考慮采取沉淀固相、新漿置換等方法。
2.2.5 抗污染能力
適當過量的生石灰是必須的,油基鉆井液的堿度至關(guān)重要,提供的Ca2+有利于二價金屬皂的生成,保證乳化劑發(fā)揮其效用,防止電解質(zhì)CaC12發(fā)生電離,可有效抵抗和消除CO2和H2S對鉆井液的酸污染,維持油基泥漿pH在8.5~10,有利于防止鉆具腐蝕。CaC12作為油基鉆井液的活度控制劑,用來控制油基鉆井液水相活度,適量濃度的CaC12使油基鉆井液中水的活度大于或者等于地層水的活度,防止地層水向鉆井液中運移。切忌在加CaC12的同時加入重晶石。
3.1 油基鉆井液懸浮和乳液穩(wěn)定性問題
油基鉆井液加重材料的沉降性問題比較突出,嚴重影響了鉆井液的懸浮穩(wěn)定性能。經(jīng)研究油包水鉆井液的水相組成,以及加重劑的油潤濕性成為影響懸浮穩(wěn)定性的重要因素。使用具有較強抗溫性能的潤濕劑、提切劑以及高溫增粘劑,能夠明顯的改善鉆井液的穩(wěn)定性。
3.2 油基鉆井液封堵問題
油基鉆井液盡管抑制性能較為顯著,但是如果油進入到破碎性地層中,仍會給其穩(wěn)定性造成一定的影響。因此實際生產(chǎn)時應(yīng)認真對待油基鉆井液封堵問題。研究證明,如在鉆井液中添加一些粘彈性材料、變形材料、纖維材料等,能夠改善鉆井液的封堵性能,進而提高井壁穩(wěn)定性,保證鉆井施工的順利進行。
3.3 油基鉆井液溫度敏感性問題
油基鉆井液在低溫條件下粘度較高,尤其密度較高的鉆井液從井底上升到地面上時粘度上升更大,往往給鉆井作業(yè)帶來不利影響,況且俄羅斯亞馬爾LNG項目更處于極度寒冷地段。因此采取有效措施降低鉆井液低溫狀態(tài)下的粘度至關(guān)重要。
3.4 油基鉆井液鉆屑污染問題
采用油基鉆井液時由于鉆井液或鉆屑的產(chǎn)生,往往給環(huán)境造成一定的影響,因此,探索既經(jīng)濟又切實可行的處理方法,進而研制出污染小的鉆井液體系,是減少污染的重要途徑。實際施工時,如果鉆屑中含有的鉆井液量比較大,則處理難度就越大。因此鉆屑污染問題還需要進行深入研究。
3.5 低剪切速率流變控制問題
鉆井作業(yè)時,低剪切速率流變控制應(yīng)重點做好以下兩方面內(nèi)容:其一,溫度較低時,低剪切速率下粘度不宜太高;其二,溫度較高時,低剪切速率下應(yīng)有粘度,以此保證其攜砂能力不受影響。對油包水鉆井液進行研究,結(jié)果表明當處在低剪切速率條件下,會形成具有高彈性的一種類似固體的結(jié)構(gòu),而彈性受溫度影響較大,如果溫度升高則其彈性性能和結(jié)構(gòu)強度會減弱。同時剪切力也會其性能造成影響,能夠使鉆井液由固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)。剪切過后的鉆井液靜止一段時間后恢復原來的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這一現(xiàn)象不利于實際的生產(chǎn)。因此,需要建立一定溫度范圍內(nèi)的油基鉆井液流變特征模型,并以此為基礎(chǔ)不斷優(yōu)化施工方法,進而提高鉆井液在低溫、低剪切速率下的流變特性。另外,為了實現(xiàn)凈化井眼的目的,應(yīng)保證鉆井液在低剪切速率下具有較強的攜砂能力。
廢棄油基泥漿和含油鉆屑已納入《國家危險廢物名錄》,環(huán)保部門對含油鉆屑的管理也會越來越嚴格,因此對含油鉆屑進行處理,并進行適當?shù)幕厥绽蔑@得尤為迫切和必要。傳統(tǒng)的處理含油巖屑的方法有:回注法、掩埋、固化焚燒法、熱解法、清洗法、離心法、生物降解法等。通過對含油鉆屑處理方法的優(yōu)選調(diào)研分析得出:含油鉆屑處理難度大,傳統(tǒng)離心法、清洗法、掩埋固化等無法徹底解決;傳統(tǒng)方法僅熱解法適用,但缺點明顯,回收后油利用率低,耗能高,投資大。最后優(yōu)選出采用離心法與生物降解結(jié)合的方法。離心法:現(xiàn)場鉆屑含油率較高,效益可觀,離心后可使含油率降到5%~8%左右;生物降解:經(jīng)過離心法后剩余的含油率在5%~8%左右的鉆屑,經(jīng)過生物降解的無害化處理后,降解一個月后,可以使含油率降低至2%以下,效果良好。
(1)油基鉆井液具有強抑制性和高潤滑性,不但能夠提高鉆井效率,而且還能夠很好地保護儲層。
(2)進一步從改善鉆井液的懸浮穩(wěn)定性、流變性及乳化穩(wěn)定性,以及如何優(yōu)化油基鉆井液綜合性能進行研究。
(3)重點考慮在俄羅斯項目的低溫問題對油基鉆井液性能的影響,以及油基鉆井液固液分離、含油鉆屑處理和循環(huán)再利用等方面繼續(xù)深入研究。
[1]潘一,付龍,楊雙春.國內(nèi)外油基鉆井液研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代化工,2014,34(4):21-24.
[2]張躍,張博,吳正良,等.高密度油基鉆井液在超深復雜探并中的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2013,36(6):95-97.
[3]田永崗,等.油基鉆井液相關(guān)問題研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2013,11(下):51.
TE254
A
1004-5716(2015)12-0082-03
2014-12-26
段曉東(1984-),男(漢族),陜西富平人,工程師,現(xiàn)從事鉆井科技管理工作。