劉書杰 劉和興 王成文 孟仁洲 王瑞和
(1. 中海石油(中國)有限公司海南分公司 海南???570311; 2. 中國石油大學(xué)(華東) 山東青島 266580)
中國南海深水區(qū)蘊(yùn)藏著豐富油氣資源。為保障國內(nèi)油氣供應(yīng)安全和供需矛盾,近年來中國油氣資源勘探與開發(fā)不斷向深水、超深水油氣方向穩(wěn)步邁進(jìn)。南海西部永樂區(qū)塊超深水油氣資源儲量豐富,勘探開發(fā)前景好,具有較大開發(fā)潛力,是增儲上產(chǎn)的重點(diǎn)區(qū)塊[1]。該區(qū)塊主要儲層為前古近系風(fēng)化殼裂縫型變質(zhì)花崗巖,在鉆井防漏堵漏過程中,鉆井液中不同類型、粒度的固相顆粒很容易侵入近井壁周圍的裂縫中造成儲層的污染和傷害[2-4],即使后續(xù)沖刷、排采、酸化等作業(yè),也只能清除少部分所侵入的鉆井液及固相顆粒物,絕大部分仍將留在儲層孔隙中,對儲層造成嚴(yán)重的污染與傷害,導(dǎo)致油氣井的產(chǎn)量大幅度降低,難以實(shí)現(xiàn)超深水油氣高效生產(chǎn)的目標(biāo)[5- 6]。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者非常重視鉆井過程中的油氣儲層保護(hù)[7-10]。當(dāng)前的儲層保護(hù)方法及解堵技術(shù)主要是通過對不同的堵塞和儲層情況科學(xué)合理地選擇前期屏蔽暫堵與后期酸化解堵、生物酶解堵技術(shù)等[11-14]。但是,在處理地層堵塞時(shí),還是需要用到化學(xué)法、物理法、微生物法以及復(fù)合解堵法等常規(guī)解堵技術(shù)。這些解堵工藝復(fù)雜,如果解堵措施處理不當(dāng)則會(huì)造成新的化學(xué)堵塞、機(jī)械堵塞等,使得地層的滲透性降低[15],且進(jìn)一步增加超深水作業(yè)時(shí)間與費(fèi)用。近年來,國內(nèi)外就自降解方面開展了較多研究工作。2018年,宋吉鋒 等[16]針對南海西部潿洲RRX油田低滲儲層修井漏失造成水敏、水鎖傷害的問題,研發(fā)了一套自降解暫堵液體系,無需替入破膠液,6 天自降解率超過50%;2020年,葉鏈 等[3]針對常用暫堵類材料無法自降解,且封堵儲層承壓不足等問題,測試了一種新型環(huán)保自降解堵漏劑,隨溫度升高其自降解率增大,酸性和堿性環(huán)境可促進(jìn)其自降解作用;2021年,張浩 等[17]為了解決惡性漏失及儲層段漏失控制難題,制備了一種新型可酸溶固化堵漏材料;2021年,宋兆輝 等[18]針對川西低滲氣藏儲層特性及損害機(jī)理,在重質(zhì)碳酸鈣類剛性顆粒表面接枝部分交聯(lián)的聚合物制得儲層保護(hù)劑,酸溶性較好。
目前,針對鉆井過程中的油氣儲層保護(hù)材料主要以可酸化的材料、可油溶性的材料、可生物酶降解的材料為主,都需要在外界等輔助條件下才能解堵,并不具備較好的自降解特性。為此,針對目前儲層鉆進(jìn)過程中的防漏堵漏與儲層保護(hù)難以調(diào)和一致的矛盾,亟需研究開發(fā)新型可自解堵的封堵材料,可在一定溫度壓力條件下,在一定時(shí)間范圍內(nèi)自己發(fā)生物理化學(xué)降解作用,生成小分子產(chǎn)物,實(shí)現(xiàn)其在鉆進(jìn)過程中既可承壓封堵儲層裂縫,又能在完井后期在儲層環(huán)境下自行降解及解堵目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,通過系統(tǒng)探討新型可自解堵封堵材料的自降解作用及承壓封堵裂縫和自解堵特性,優(yōu)化了超深水堵漏鉆井液性能,構(gòu)建了一套超深水自降解堵漏鉆井液體系,以期解決裂縫性儲層堵漏與儲層保護(hù)難兼顧的難題。
聚乳酸屬于生物可降解脂肪族聚酯,單體為乳酸,具有無毒、無刺激性、強(qiáng)度高、易加工成型,優(yōu)良的生物兼容性,可生物降解吸收、不污染環(huán)境等特點(diǎn)。聚乳酸含有對水和熱都比較敏感的酯鍵,在高溫有氧及潮濕的環(huán)境下,酯鍵易斷開發(fā)生水解。聚乳酸的降解反應(yīng)式如下:
(1)
但目前聚乳酸生物降解速度較慢,無法滿足鉆完井自降解要求。針對該問題,在聚乳酸類材料引入熱溶解聚合物和堿性物質(zhì),通過有機(jī)絡(luò)合促進(jìn)劑、三嗪密胺類有機(jī)物使其發(fā)生絡(luò)合,得到具有較高強(qiáng)度的固體堵漏劑。在一定溫度條件下,熱溶解聚合物和堿性物質(zhì)等提前溶解,釋放出有利于聚乳酸降解的活性小分子物質(zhì),促進(jìn)聚乳酸降解反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)聚乳酸類材料的高速、高效降解,達(dá)到自降解目標(biāo)。其中,熱熔型聚合物樹脂,含有羰基等結(jié)構(gòu),如圖1a所示,三嗪密胺類有機(jī)物,結(jié)構(gòu)式如圖1b所示。
將聚合物樹脂顆粒物置于反應(yīng)釜中,采用油浴加熱逐漸升溫至175 ℃,然后在攪拌條件下依次加入聚乳酸、有機(jī)絡(luò)合促進(jìn)劑、無機(jī)弱酸鈉鹽、堿金屬氫氧化物,攪拌反應(yīng)30~50min;加入一定量的三嗪密胺類有機(jī)物,攪拌反應(yīng)10~15 min;停止加熱和攪拌,使反應(yīng)物自然冷卻,得到灰白色固體產(chǎn)物;將所制得的固體產(chǎn)物粉碎成不同粒徑的固體顆粒物,即制備得到自降解堵漏劑材料。
圖1 自降解封堵材料原材料分子結(jié)構(gòu)
稱取10 g粒徑為2.8~3.5 mm的自降解堵漏劑和碳酸鈣顆粒,放入壓力杯中,利用抗壓強(qiáng)度儀緩慢加壓至25 MPa,然后維持此壓力5 min,泄壓后將材料用2.8 mm的篩網(wǎng)篩取,計(jì)算剩余材料同原材料質(zhì)量比,計(jì)算破碎率。實(shí)驗(yàn)可得,25 MPa下堵漏劑承壓破碎率小于6%,具有較大的抗壓強(qiáng)度。同時(shí),其密度低于1.30 g/cm3,易于在鉆井液中懸浮穩(wěn)定。
自降解堵漏劑的主要組分為高分子聚合物,可自動(dòng)降解成小分子的有機(jī)弱酸分子、無機(jī)小分子等。稱取一定量堵漏材料,置于在不同溫度、不同pH的水(清水或模擬海水,其中模擬海水配方為:清水+2.67% NaCl+0.23% MgCl2+0.32% MgSO4+0.12% CaCl2)中,觀察自降解情況。然后用蒸餾水洗滌后于60 ℃真空干燥箱中干燥至恒重,測量顆粒浸泡后質(zhì)量并計(jì)算其降解率。降解率是衡量可降解類高分子材料降解特性的重要指標(biāo),計(jì)算方法如下:
S=(W1-W2)/W1×100%
(2)
式(2)中:S為降解率,%;W1為反應(yīng)前堵漏材料的質(zhì)量,g;W2為剩余堵漏材料的質(zhì)量,g。不同溫度、粒度、pH值及加量下堵漏劑降解性能測試結(jié)果如圖2所示。
注:實(shí)驗(yàn)中,除測試項(xiàng),其他項(xiàng)指標(biāo)分別為:清水,80℃,pH=10;堵漏劑目數(shù)為20目,加量10 g
從圖2a可以看出,不同溫度和水質(zhì)下,自降解堵漏劑均可有效地自降解。70 ℃清水環(huán)境下,堵漏劑前4天時(shí)間內(nèi),其降解速率非常緩慢,基上沒有變化,這段時(shí)間能夠起到很好的堵堵、防漏、堵漏作用。4天后,堵漏劑不斷發(fā)生物理化學(xué)降解反應(yīng),降解速度增大,且由于降解反應(yīng)由堵漏劑表面逐漸深入內(nèi)部,接觸面積變大,更多的物質(zhì)參與降解反應(yīng),協(xié)同加快了堵漏劑的降解速度。15天時(shí)基本完全降解,自降解率接近100%。95 ℃清水環(huán)境下,堵漏劑在5天后開始快速降解,15天時(shí)基本完全降解。而在模擬海水環(huán)境中,堵漏劑開始降解的時(shí)間與清水環(huán)境中相比變化不大,降解速度略有增加,說明海水環(huán)境并不影響自降解堵漏劑的降解性能。這是因?yàn)椋K械囊粌r(jià)及二價(jià)陽離子,并不影響堵漏劑中堿性物質(zhì)發(fā)揮促進(jìn)聚乳酸分解的作用,也不抑制聚乳酸本身的分解。甚至,陽離子會(huì)與分解產(chǎn)物中的羧酸基團(tuán)結(jié)合,從而略微促進(jìn)水解。
從圖2b可以看出,自降解堵漏劑的粒度越大,降解速度就會(huì)越慢。這是由于隨著目數(shù)增大,自降解堵漏劑的比表面積增大,與水的接觸面積增大,加快了材料的降解。由此可得粒度大小與自解堵封堵劑顆粒降解速度有正相關(guān)關(guān)系。
從圖2c可以看出,自解堵封堵劑在不同起始pH值下(pH=14、pH=10),pH值越高降解速率越快,這是因?yàn)橐环矫嬖趬A性更強(qiáng)的環(huán)境下,聚乳酸類材料中的酯鍵更易發(fā)生斷裂導(dǎo)致分解的發(fā)生;另一方面自解堵封堵劑水解生成羧酸產(chǎn)物與堿中和,促進(jìn)了水解反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行。當(dāng)pH增大時(shí),自解堵封堵劑的降解便會(huì)加速,因此pH是影響自動(dòng)解堵封堵劑顆粒降解的又一主要因素。同時(shí),可以看到,在溫度和pH的雙重作用下,會(huì)進(jìn)一步影響自解堵封堵劑的降解速度,在較高的溫度和合適的pH值下,其降解速率可進(jìn)一步加快。
從圖2d可以看出,加入2.5%(10 g)的堵漏劑,降解速度在前期較慢,一段時(shí)間后降解速度加快,符合自降解堵漏劑降解規(guī)律。加入5%(20 g)堵漏劑后,降解速率加快,這是由于加量增大后,在分解初期,產(chǎn)生的酸的量足夠?qū)⑷芤簆H降低,使得酸溶性材料分解。但隨著堵漏劑加量再增加,增大到7.5%(30 g)或是10%(40 g)后,堵漏劑降解速率反而下降,這可能是由于分解后的物質(zhì)在溶液中達(dá)到了飽和從而抑制了分解的進(jìn)行,或是增大加量的情況下自解堵劑與液相解除的面積保持不變,從而導(dǎo)致降解程度減緩的情況發(fā)生。
通過鉆井液微裂縫堵漏測試,分析自降解堵漏劑的堵漏性能,為優(yōu)化超深水隨鉆堵漏鉆井液體系提供參考。借助自行研制的裂縫封堵模擬實(shí)驗(yàn)裝置,選取不同開度微裂縫的模擬巖心。裂縫開度選取參考南海永樂區(qū)塊花崗巖儲層成像測井資料(表1),本文主要考察自降解堵漏劑隨鉆堵漏性能,因此裂縫開度分別設(shè)定為0.2、0.4、0.6、0.8 mm,同時(shí)測試了堵漏劑對1.0 mm裂縫的封堵性能。
表1 南海永樂區(qū)塊花崗巖儲層段裂縫寬度及漏失情況分析Table 1 Fracture width and loss analysis of granite reservoir in Yongle block,South China Sea
針對不同裂縫寬度,初步優(yōu)選了自降解堵漏劑的顆粒級配組合,如表2所示。采用如下方式測試封堵性能:將不同裂縫寬度的模擬巖心放入高溫高壓承壓堵漏儀;將堵漏劑加入鉆井液基漿,制備堵漏鉆井液;將鉆井液倒入儀器容器中,打開加壓氣閥及下端出液口,出液口正下方放置量筒,緩慢加壓,穩(wěn)定一段時(shí)間(或沖破)后,記錄承壓能力,測定漏出液體積,評價(jià)對微裂縫的封堵能力,如圖3所示。本文中,所采用的超深水鉆井液基漿配方為:淡水+1.0% 降濾失劑 PF-FLOTROL+0.3% PF-PLUS+0.3% PF-XC+0.7% 防泥包潤滑劑 PF-HLUB+3.0% 強(qiáng)抑制劑聚胺PF-UHIB+2.5% 包被劑 PF-EZCARB+5% KCl+15% NaCl。超深水堵漏鉆井液配方為:基漿+1.5%~3.0%堵漏劑。
表2 針對不同縫寬的堵漏材料組合粒徑分布Table 2 Particle size distribution of plugging materials combination for different joint widths
圖3 自降解堵漏材料與現(xiàn)用超深水鉆井液的封堵性能
從圖3可以看出,自降解堵漏劑針對不同裂縫的堵漏劑組合均有較好的封堵能力,且隨著堵漏劑組合加量的增大,超深水鉆井液所形成的封堵層承壓能力逐漸增大。對于裂縫寬度為0.2 mm的巖心,采用堵漏劑加量為3%的鉆井液封堵后,承壓達(dá)到7.6 MPa,并且其漏失量為26 mL,相對較低。對裂縫寬度為1.0 mm的巖心,封堵后承壓依然可達(dá)6.9 MPa。這是由于不同粒徑的堵漏材料可以發(fā)揮協(xié)同作用,改善堵漏劑在壓力下的形變及粒度降級率,形成堵漏材料互相支撐的、致密的承壓堵漏層。自降解堵漏劑具有較高的強(qiáng)度和較強(qiáng)的表面摩擦系數(shù),提高其滯留架橋的作用。上述作用相互協(xié)同,提高了堵漏成的致密性和穩(wěn)定性,大大增加了堵漏劑組合的堵漏效果。
按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783.1—2014 《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場測試第1部分水基鉆井液》及GB/T 29170—2012 《石油天然氣工業(yè) 鉆井液實(shí)驗(yàn)室測試》,測試不同材料加量下超深水鉆井液的濾失量、流變性等特性,分析堵漏劑同鉆井液的相容性。圖4為不同堵漏體系、不同加量下鉆井液的API失水量。可以看出,對于不同的堵漏劑,隨著其加量的增加,超深水鉆井液失水量變化不大,說明堵漏劑對鉆井液濾失性能影響較小。
不同溫度下,超深水鉆井液的相容流變性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示??梢钥闯?,超深水鉆井液在不同溫度下(4~80 ℃)均具有較好的流變性。低溫(4 ℃)條件下,鉆井液漏斗黏度略有增加,但依然保持較好的
圖4 自降解堵漏劑對現(xiàn)用超深水鉆井液濾失量影響規(guī)律
流動(dòng)性能,加入堵漏材料后,超深水鉆井液流變性變化不大,漏斗黏度及表觀黏度依然較低,流變性好,初切值和終切值略有升高,但變化較小。80 ℃老化后鉆井液的黏度、動(dòng)切力稍有減小,但屈服值為6.0~8.0 Pa。老化后24 h后沒有出現(xiàn)相分離的現(xiàn)象,說明在超深水溫度下,自降解堵漏材料對鉆井的流變性等性能影響較小。
選用#2堵漏劑,制備超深水堵漏鉆井液體系,配方為中海油服超深水鉆井液+3%堵漏劑。按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783.1—2014 《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場測試第1部分水基鉆井液》及GB/T 29170—2012 《石油天然氣工業(yè) 鉆井液實(shí)驗(yàn)室測試》,采用中壓失水儀制備鉆井液濾餅,將濾餅浸泡在80 ℃ 清水中,觀察其降解情況,如圖6所示??梢钥闯?,鉆井液體系所形成的濾餅?zāi)軌蛟?0 ℃發(fā)生顯著的自降解行為,當(dāng)7天后其濾餅厚度顯著降低了,由1天時(shí)的0.7 mm降低為
圖5 自降解堵漏劑與超深水鉆井液的相容流變性
圖6 超深水鉆井液濾餅自降解情況
0.3 mm,這說明自降解堵漏劑所形成的鉆井液濾餅仍具有較優(yōu)的自降解能力,能夠顯著減少對油氣儲層的傷害,實(shí)現(xiàn)對油氣儲層的保護(hù)效果。
根據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY-T/6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評價(jià)方法》,通過動(dòng)態(tài)污染實(shí)驗(yàn)測試了超深水堵漏鉆井液對地層污染損害程度及滲透率回復(fù)情況,并與超深水鉆井液+3%超細(xì)碳酸鈣制備的堵漏鉆井液進(jìn)行對比。選取類型的巖心,采用氣測法測定堵漏前后、及解堵后巖心滲透率。按照下式計(jì)算滲透率恢復(fù)率ω
ω=K1/K2×100%
(3)
式(3)中:K1為封堵后滲透率,μm2;K2為封堵前滲透率,μm2。本文選取了2種巖心,一種為裂縫寬度主要分布在0.2~0.8 mm的裂縫型花崗巖巖心,另一種為高滲砂巖巖心,巖心孔隙分布采用nanoVoxel-3000系列X射線三維顯微鏡CT掃描進(jìn)行了定量測試,巖石樣品長度為24 mm,分辨率為17 μm,掃描方式為大視野掃描。
不同巖心封堵前后及解堵后滲透率計(jì)算結(jié)果如圖7所示??梢钥闯?,對于裂縫性巖心,使用自降解堵漏劑的超深水堵漏鉆井液在封堵后巖心滲透率下降的較為明顯,封堵率達(dá)98.9%。在返排驅(qū)替后的滲透率恢復(fù)率達(dá)99.15%。對比鉆井液不具備自降解性能,返排驅(qū)替后的滲透率恢復(fù)率僅為48.70%。對于高滲砂巖巖心,超深水堵漏鉆井液及對比鉆井液具有相似的趨勢。超深水堵漏鉆井液封堵后,封堵率達(dá)98.8%,返排驅(qū)替后的滲透率恢復(fù)率為96.90%。上述結(jié)果表明,采用自降解堵漏劑的超深水堵漏鉆井液,具有優(yōu)異的自解堵能力,減少對儲層孔喉的堵塞傷害,不需要酸化、生物酶、破膠液等其他處理措施,簡化了作業(yè)程序,降低了成本。
圖7 巖心污染后滲透率測試
考慮到超深水堵漏鉆井液對高滲巖心的封堵性能及后期滲透率恢復(fù)均較低于裂縫性巖心,對砂巖巖心封堵前后及解堵后的微觀機(jī)構(gòu)及孔隙情況進(jìn)行分析。圖8為超深水堵漏鉆井液對高滲砂巖巖心封堵前后及解堵后,巖心的微觀結(jié)構(gòu)電鏡掃描??梢钥闯?,自降解堵漏劑能夠在巖石孔隙中形成致密的封堵層,有利于鉆井過程中對孔隙或者裂縫進(jìn)行隨鉆堵漏。同時(shí),自降解堵漏劑能夠在儲層孔喉處自動(dòng)發(fā)生降解物理化學(xué)反應(yīng),自動(dòng)降解消失,且降解形成的小分子有機(jī)酸還有助于解除地層的顆粒物堵塞,還非常有助于改善儲層的連通性。但在更小的孔隙中,可能存在少量的堵漏劑殘余,這可能是解堵率略有降低的原因。
圖8 天然砂巖封堵前后以及解堵后微觀結(jié)構(gòu)
采用X射線三維顯微鏡,分別對高滲巖心封堵前后及解堵后的孔隙分布進(jìn)行了定量測試,對孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,結(jié)果如表3所示。原始巖心中,隨著孔隙等效直徑逐漸增加,孔隙數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,就孔隙數(shù)量而言整體以60~120 μm的孔隙為主。封堵后,相比原始巖心,中等直徑孔隙數(shù)量大大減少,大直徑孔隙數(shù)量也有明顯的降低,小直徑孔隙大大增多??紫稊?shù)量分布呈現(xiàn)隨著孔隙等效直徑逐漸增加孔隙數(shù)量迅速下降對趨勢,整體以30~60 μm的孔隙為主。這說明封堵劑對巖心中的大、中孔隙均進(jìn)了有效的封堵,盡管殘留一定量的微孔隙,但依然滿足隨鉆堵漏的要求。解堵后,由孔隙篩分統(tǒng)計(jì)可知,中、大孔隙的數(shù)量明顯增多,接近原始巖心的數(shù)量。而30~60 μm的孔隙明顯小于原始巖心,大于30 μm孔隙的數(shù)量則略多于原始巖心,這可能是少量30~60 μm的孔隙中依然存在一定的封堵劑,造成孔隙變小。就孔隙對孔隙總體積的貢獻(xiàn)度大小而言,以120~240 μm的孔隙為主,約占總孔隙體積的45.72%。通過污染前后及解堵后的孔隙等效直徑對比可知,自解堵封堵劑起到了良好的解堵效果,在返排解堵后,巖心滲透率得到恢復(fù)。
表3 孔隙等效直徑范圍所占總孔隙體積百分比Table 3 Percentage of pore equivalent diameter range in total pore volume
上述研究表明,當(dāng)鉆井結(jié)束后,由自降解堵漏劑所形成的堵濾餅層,會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生降解,使堵濾餅層或者浸入儲層深部顆粒物能夠自動(dòng)降解消失,實(shí)現(xiàn)對油氣儲層的自動(dòng)、高效解堵,使儲層滲透率恢復(fù)值非常高,顯著提高油氣井產(chǎn)能。
1) 制備出一種能夠自降解的防漏堵漏劑材料,在一定時(shí)間范圍內(nèi)可自發(fā)降解為有機(jī)弱酸分子、無機(jī)小分子等,其降解速度隨溫度升高、材料粒徑降低而增大,95 ℃、pH=14條件下,5天基本完全降解。
2) 自降解堵漏劑有較大的抗壓強(qiáng)度,可加工成不同粒徑大小的顆粒物,加入到鉆井液具有較好的封堵效果,3%加量下,0.2 mm、1.0 mm微裂縫承壓能力分別可達(dá)7.6 MPa和6.9 MPa,防止鉆井液在高滲透儲層、裂縫性儲層等發(fā)生漏失,并且同深水鉆井液具有較好的配伍性。
3) 自降解堵漏劑及形成的超深水鉆井液濾餅,在鉆井結(jié)束后能自動(dòng)降解,不需要酸化、生物酶、破膠液等其他處理措施,基本實(shí)現(xiàn)完全解堵,對高滲透儲層、裂縫性儲層的滲透率10天恢復(fù)值達(dá)99.15%、96.90%。
4) 自降解堵漏劑與超深水鉆井液及地層匹配性好、濾餅可自動(dòng)降解等特點(diǎn),可顯著提高儲層保護(hù)的效果,且該材料對環(huán)境沒有污染和毒害作用,可為南海超深水花崗巖儲層隨鉆堵漏及儲層保護(hù)提供技術(shù)支撐。