适于疏松砂岩稠油油藏储集层保护的水平井钻井液

岳前升,刘书杰,向兴金

(1.长江大学化学与环境工程学院;2.武汉理工大学材料科学与工程学院;3.中海石油研究中心)

适于疏松砂岩稠油油藏储集层保护的水平井钻井液

岳前升1,2,刘书杰3,向兴金1

(1.长江大学化学与环境工程学院;2.武汉理工大学材料科学与工程学院;3.中海石油研究中心)

钻井过程中造成疏松砂岩稠油油藏发生损害的主要因素是:钻井液固相侵入、钻井液液相与原油不配伍及储集层黏土矿物水化膨胀。为此研制出适于疏松砂岩稠油油藏储集层保护的无固相弱凝胶水平井钻井液体系:海水+0.1%～0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.7%VIS+2.0%FLO+2.0%JLX,用 KCl或甲酸盐加重。该钻井液具有独特的流变性能,凝胶强度无时间依赖性,具有优异的润滑性能和抑制性,与储集层流体配伍性好,不仅能够满足水平井钻井作业需要,而且具有优异的储集层保护效果,经文昌13-1油田、渤中34-1油田、南堡35-2油田、渤中25-1油田等数十口海上油田水平井验证,效果良好。图5表3参17

疏松砂岩;稠油油藏;地层损害;水平井;无固相弱凝胶钻井液

0 引言

水平井由于具有更大的泄油面积,在疏松砂岩稠油油藏开发中得到普遍应用。中国国内对疏松砂岩油藏研究多集中在出砂机理和防砂措施方面[1-8],而在钻井液和储集层保护研究方面涉及不多[9-12]。本文以渤海湾盆地为例,在分析疏松砂岩稠油油藏特征及损害因素基础上,根据水平井对钻井液的技术要求,研制出无固相弱凝胶水平井钻井液体系。该钻井液具有独特的流变性能、优异的润滑性能,与储集层流体配伍性好、抑制性强、无固相污染,能够满足水平井钻井工程需要。目前,该钻井液技术已经广泛应用于海上油田水平井作业中。

1 疏松砂岩稠油油藏特征

1.1 油藏埋藏浅,温度低

渤海湾盆地海域是中国海上油气重要富集区,该地区已发现蓬莱19-3油田、绥中36-1油田、秦皇岛32-6油田、渤中25-1油田和南堡35-2油田等。这些油田多为稠油油藏,储集层主要发育在明化镇组、馆陶组和东营组;储集层埋藏浅,成岩性差,胶结疏松,泥质含量普遍较高,属高孔、高渗型储集层;储集层温度低,一般在80℃以下。储集层特性见表1。

1.2 储集层泥质含量高

疏松砂岩稠油油藏储集层泥质含量高。黏土矿物以膨胀型蒙脱石或高蒙脱石混层比的伊蒙混层为主,其次为中高岭石和伊利石,而且主要分布在粒间孔隙表面和喉道处(见图1)。

图1 绥中36-1-B19井东营组下段(1 504.0～1 505.0 m)疏松砂岩扫描电镜照片

1.3 油质重

该地区疏松砂岩油藏原油具有密度中等—高、黏度中等—高、胶质沥青质含量高的特点,油质较重。

1.4 孔喉连通性好

铸体薄片和扫描电镜分析表明,疏松砂岩孔喉连通性好(见图2),孔隙度和渗透率高,属高孔、高渗型储集层。

图2 绥中36-1-B19井东营组下段(1 419.57～1 420.00 m)岩样铸体薄片

1.5 应力敏感性强

应力敏感性评价结果表明,疏松砂岩具有较强的应力敏感性,随净应力增加,其渗透率不断降低,而当净应力减小时其渗透率不能恢复到初始水平,渗透率损害程度较大(见图3)。这种现象可能与疏松砂岩的泥质胶结、成岩性差有关。

图3 绥中36-1-B19井东营组下段(1 449.47 m)疏松砂岩应力敏感性

2 疏松砂岩稠油油藏损害机理及钻井液对策

钻井过程中,造成疏松砂岩稠油油藏储集层损害的因素主要有以下几方面[13-15]。

2.1 固相污染

由于疏松砂岩稠油油藏具有高孔、高渗特性,因而钻井液固相极易侵入储集层。当然,由于疏松砂岩储集层物性好,大部分孔隙孔喉弯曲度小,连通性好,在一定程度上提高了对外来固相伤害的承受能力。因此,人们对钻井液固相侵入造成的储集层损害认识不够。

此外,疏松砂岩由于具有较强的应力敏感性,在一定压差作用下其孔喉尺寸会发生变化,这使得常用的“暂堵”类储集层保护技术往往难以发挥应有的功效,这无疑增加了控制钻井液固相侵入储集层深度的难度。

2.2 液相污染

钻井液液相对疏松砂岩稠油油藏的污染主要是指造成储集层黏土矿物水化膨胀以及与储集层流体的不配伍。

2.2.1 储集层黏土矿物膨胀

由于疏松砂岩稠油油藏泥质含量高,而且以膨胀型黏土矿物为主,因此当钻井液液相抑制性不足时,储集层黏土矿物水化膨胀造成的堵塞伤害将是非常严重的。

2.2.2 与储集层流体不配伍

由于疏松砂岩油藏油质较重,钻井液滤液与原油或地层水若不配伍,则可能出现与原油混合增稠或与地层水生成沉淀等现象,从而影响原油流动或堵塞储集层孔喉。

2.3 钻井液技术对策

从保护储集层的角度来看,既然钻井过程中疏松砂岩储集层损害原因主要为钻井液的固相和液相污染,那么水平井钻井液的理想体系应是无固相、与储集层岩石和流体配伍性好的钻井液。

无固相要求具有增黏作用、提切良好的聚合物处理剂,以满足水平井钻井液必备的流变性。

与储集层岩石和流体配伍好,则要求钻井液处理剂最好为非离子型处理剂且具有强的抑制性。

当然,作为水平井钻井液,首先应满足水平井钻井作业需要,即钻井液具有良好的清洁井眼、润滑和稳定井壁能力。

3 无固相弱凝胶钻井液体系组成与性能

3.1 基本组成

基本配方:海水+0.1%～0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.7%～0.9%VIS+2.0%～2.5%FLO+2.0%～3.0%JLX。其中,VIS为流型调节剂,是整套钻井液的核心处理剂;FLO为改性淀粉类降失水剂;JLX为聚合醇防塌润滑剂。采用 KCl或甲酸盐等可溶性盐加重;整套钻井液处理剂以非离子型处理剂为主。

3.2 独特的流变性

用甲酸钠将钻井液密度加重至1.15 g/cm3后,在80℃老化16 h后,钻井液性能测试结果表明,无固相钻井液具有高的动塑比(1.33),凝胶强度(静切力)在很短时间内(1 min)恢复到稳定状态,表现出快速弱凝胶的特性。这些特性对有效抑制水平井岩屑床形成和提高钻井液的井眼净化能力非常有益。

3.3 高的低剪切速率黏度

用BROOKFIELD DV-Ⅱ+测定了浓度均为0.7%的VIS和 HEC(羟乙基纤维素)海水溶液在不同转速下的黏度,实验结果见图4。在相同浓度条件下,VIS较 HEC有更高的低剪切速率黏度,剪切速率越低,这种差别越大,表现出凝胶特性,这种独特的流变性有助于提高钻井液的静态悬砂能力,也能有效防止岩屑床的形成。

图4 VIS和 HEC低剪切速率黏度比较

3.4 与储集层流体的配伍性

将无固相弱凝胶钻井液滤液与稠油(绥中36-1油田原油)以不同比例混合后测定混合物在50℃下的黏度,实验结果见图5。结果表明,无固相弱凝胶钻井液滤液与稠油混合后黏度下降,这是因为聚合醇防塌润滑剂为具有表面活性的水溶性非离子型处理剂,对稠油具有乳化降黏作用;同时钻井液滤液与地层水配伍性良好,混合后清亮无沉淀。

图5 钻井液滤液与稠油配伍性

3.5 抑制性

由于无固相弱凝胶钻井液用盐类作加重材料,因此能够有效抑制储集层黏土矿物水化膨胀,另外聚合醇防塌润滑剂也具有优异的抑制性[16]。

3.6 储集层保护效果

根据钻井液完井液损害油层室内评价方法[17]对经无固相弱凝胶钻井液污染后的疏松砂岩岩心(以绥中36-1油田储集层岩心为例)进行流动试验,结果表明,岩心渗透率恢复值均在80%以上(见表2),说明无固相弱凝胶钻井液储集层保护效果良好。

表2 无固相弱凝胶钻井液储集层保护效果

4 无固相弱凝胶钻井液的应用

无固相弱凝胶钻井液在文昌13-1油田3口水平井(A3井、A6井和 A8井)成功应用以来(见表3),先后在南堡35-2油田、渤中25-1油田、渤中34-1油田等数十口水平井中推广应用。在实际应用过程中,无固相弱凝胶钻井液现场性能表现优异,润滑性能好,未出现黏卡、漏失等井下复杂情况,低剪切速率黏度高,现场低剪切速率(0.3 r/min)黏度在40 000 mPa·s以上,结合后期完井破胶作业,总体储集层保护效果优异。

表3 文昌13-1油田3口水平井投产情况

5 结论

疏松砂岩稠油油藏具有埋藏浅、成岩性差、胶结疏松、油质较重、储集层泥质含量高、孔喉连通情况好等特点,属高孔、高渗型储集层。

钻井过程中造成疏松砂岩稠油油藏发生损害的主要因素是钻井液固相侵入、钻井液液相与原油不配伍以及储集层黏土矿物水化膨胀。

从保护储集层的角度来看,水平井钻井液的理想体系应是无固相、与储集层岩石和流体配伍性好的钻井液。

开发出的无固相弱凝胶水平井钻井液具有独特的流变性能、优异的润滑性能和抑制性,凝胶强度无时间依赖性,与储集层流体配伍性好。

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Drilling fluid technology for horizontal wells to protect the formations in unconsolidated sandstone heavy oil reservoirs

Yue Qiansheng1,2,Liu Shujie3,Xiang Xingjin1

(1.School of Chemistry and Environmental Engineering,Yangtze University,J ingzhou434023,China;2.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University ofTechnology,Wuhan430070,China;3.Research Center of CNOOC,Beijing100027,China)

Major factors for damages in drilling the unconsolidated sandstone heavy oil reservoirs include:invasion of solids in drilling fluid,incompatibility between liquid phase of drilling fluid and crude oil,and hydration and expansion of reservoir clay minerals.Therefore,a solid-free weak gel drilling fluid system for horizontal wells to protect the formations was developed,i.e.seawater+0.1%-0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.7%VIS+2.0%FLO+2.0%JLX,weighed with KCl or formate.The drilling fluid system has unique rheological property,temporally independent gel strength,and excellent lubricating and inhibition performance.It is compatible with formation fluids,it not noly meets the needs of horizontal well drilling,but also effectively protects reservoir.The technique is well performed in tens of horizontal wells in offshore oilfields,such as WC13-1,BZ34-1,NP35-2,and BZ25-1 oilfields.

unconsolidated sandstone;heavy oil reservoir;formation damage;horizontal well;solid-free weak gel drilling fluid

中海油科技攻关项目“衰竭油气层储层保护技术研究”(CNOOCRC-SZ361-002)

TE254.3

A

1000-0747(2010)02-0232-05

岳前升(1973-),男,河南信阳人,博士,长江大学化工学院副教授,现主要从事油田化学方面的研究工作。地址:湖北省荆州市南湖路 1号,长江大学化工学院,邮政编码:434023。E-mail:yueqiansheng@163.com

2008-08-28

2009-12-19

(编辑 郭海莉 绘图 李秀贤)