具有最低地层伤害和突出降滤失性能的有机可溶聚合物

2010-11-16编译江汇胜利油田分公司采油工艺研究院张守文胜利石油管理局钻井工艺研究院

石油石化节能 2010年2期

关键词：滤失泥饼钻井液

编译:江汇 (胜利油田分公司采油工艺研究院)张守文 (胜利石油管理局钻井工艺研究院)

审校:张妍 (胜利石油管理局钻井工艺研究院)

具有最低地层伤害和突出降滤失性能的有机可溶聚合物

编译:江汇 (胜利油田分公司采油工艺研究院)张守文 (胜利石油管理局钻井工艺研究院)

审校:张妍 (胜利石油管理局钻井工艺研究院)

微凝胶结构的合成聚合物具有突出的滤失控制能力和最小的储层伤害特性,其性能堪与OBM/SBM钻井液体系相媲美。对聚合物结构及流体溶解度的优化可以得到一种多功能、经济有效的滤失控制剂。聚合物所具有的独特微凝胶结构使该聚合物颗粒能够膨胀、堆积,形成薄而致密有效的泥饼。在生产过程中,微凝胶颗粒能够在剪切应力作用下变形,使得该聚合物在地层流体作用下能够有效地从孔隙返出 (这比非变形的处理剂更有效),从而降低了对产层的伤害。该聚合物能够对钻井液的流变性产生影响,在所要求的条件下提供较低的剪切黏度。本文给出了室内和现场应用的渗透率恢复数据,从数据可以看出,该有机可溶聚合物钻井液体系对地层伤害很小,从而验证了其有效性。给出了在类似化学结构基础上改进的聚合物的数据,表明该改进聚合物能够在温度更高的极端条件下使用。

可溶性聚合物地层伤害降滤失性井壁稳定润滑性

1 引言

由于具有突出的润滑性、高效的钻进速率和优良的热稳定性等特点,合成基钻井液 (SBM)和油基钻井液 (OBM)体系常被用于复杂井眼的钻进,如长段的高陡构造井段和/或高温高压(HTHP)井。但是,如果钻井液在过平衡条件下长时间浸泡地层,就很可能发生钻井液漏失或侵入储层岩石,从而减少产量。

在泥饼形成的最初阶段 (内泥饼形成阶段),经常有固体颗粒侵入地层,引起地层伤害。要降低泥饼的地层伤害,主要是要形成一个非渗透性外泥饼层,而外泥饼最好是在钻井液一接触到储层岩石时就开始形成。在泥饼形成后,滤失过程就由泥饼自身而不是岩石孔隙来控制。

在OBM/SBM钻井液体系中,经常会使用一些其他处理剂来提高泥饼质量,降低地层伤害。这些处理剂可以分散或者溶解于油相中。新的用作滤失控制剂和桥堵剂的合成聚合物,是具有独特微结构的系列有机可溶聚合物。通过优化聚合物的结构、溶解度和交联密度,在维持较低成本的同时,可以提高钻井液滤失控制性能。从滤失控制和地层伤害等方面,对该合成聚合物与包括天然沥青和胺化天然沥青 (ATL)在内的常规处理剂进行比较。

2 滤失机理和特征

钻井液的滤失过程包括两个不同阶段。第一阶段,瞬时滤失。对应着滤失的初始阶段,它代表了钻井液在孔隙介质中的快速侵入。在这个阶段,钻井液中固体颗粒侵入岩石孔隙内,在被侵入地层内几厘米时形成内泥饼,如果固体颗粒桥堵作用明显,则侵入速率快速降低。在此阶段,钻井液滤液和储层流体之间不会发生相互作用,初始瞬时滤失是破坏相,油相滤液的进一步滤失并不能改变钻井液造成的储层伤害程度。

第二阶段,开始形成外泥饼。泥饼厚度的增加和稳定性都受到钻井液水动力条件的影响。在静态条件下,泥饼厚度增量是时间的函数,滤液增量与时间的二分之一次方成正比。在动态条件下,泥饼厚度和渗透率是常数,不随时间发生变化,而滤液增量则与时间成正比。

对于水基钻井液而言,储层伤害与内泥饼形成和含有聚合物的钻井液滤液的侵入所导致的储层流体渗透率降低相关。对于OBM和SBM体系而言,地层伤害与固体颗粒的侵入和滤液中表面活性剂与地层相互作用相关。在OBM和SBM的体系中,滤液中含有基油和油溶性物质 (如乳化剂和润湿剂)。滤液的侵入必须得到控制,防止其与地层流体相遇发生乳化作用,并防止其与地层黏土发生相互作用。但是,在滤液中表面活性剂的存在,会使岩石的渗透率增加,从而使其渗透率恢复值超过100%。

3 有机可溶聚合物

本文所描述的合成聚合物是一类范围很宽的具有独特微结构的有机可溶聚合物,这种微结构能够使OBM/SBM钻井液体系在HTHP条件下明显降低滤失量,减小地层伤害。通过优化聚合物颗粒的形态、溶解度和交联密度,可以使该聚合物在维持较低成本的同时,提高钻井液滤失控制性 [其浓度低达0.5～4.0 lb/bbl(1 lb/bbl=2.853 kg/m3)],而且该聚合物还可以在多种有机流体中使用。这种独特的微结构可以使聚合物颗粒在OBM/SBM钻井液体系中发生膨胀,在剪切作用下能够发生可逆变形。

3.1 聚合物溶解度和膨胀性

设计不同的有机可溶聚合物单体组分,使该聚合物在OBM/SBM钻井液体系所用到的所有基油(从沥青到柴油不等)中具有良好的溶解性。

可溶性聚合物颗粒与基油接触后就开始发生膨胀。颗粒交联核吸附了一些油后体积增加,而在颗粒周围的线性聚合物在溶液中开始伸展。

对聚合物溶液进行流变学测试来表征聚合物的膨胀特性 (聚合物在低毒性矿物油 (L TMO)中的浓度高达15%),结果表明,聚合物的膨胀性可以通过凝胶黏温曲线上发生突变来表征。黏度的增加归因于两种现象:①聚合物颗粒交联核对油溶剂的吸附;②伸展在溶液中的线性聚合物主链之间的相互作用。

3.2 滤失机理

在钻井液中,聚合物颗粒发生溶胀,溶胀颗粒柔软,在剪切或者压力条件下会发生变形。并且颗粒周围线性伸展的主链能够与钻井液中其他胶体颗粒 (水滴或固体颗粒)发生相互作用。

在钻井液滤失过程中,溶胀聚合物颗粒发生软化,与其他胶体颗粒发生作用,形成一层薄而柔软的外泥饼。在内泥饼中,聚合物颗粒 (软、可变形的)嵌入地层的孔隙中,起到减小钻井液滤失量和降低固体颗粒侵入的作用 (图1)。

3.3 地层伤害

在滤失后,内泥饼中的聚合物颗粒仍然保持溶胀和柔软的状态。该溶胀、柔软的微凝胶颗粒在地层孔隙回流压力的剪切作用下会发生变形,颗粒发生变形后,不仅颗粒形貌发生变化,而且由于油从交联内核中被排斥出来,体积也会变小。相对于目前常用的非变形、非溶解处理剂而言,聚合物颗粒形貌和体积的改变使其在地层中回流的返排更有效。这种性质能够极大地降低由固体颗粒侵入产层导致地层伤害的几率。

图1 溶胀微凝胶颗粒与地层表面的其他固体颗粒发生充填作用形成一层柔软的泥饼,从而降低滤失量和减少小固体颗粒的侵入

4 钻井液配方和测试方法

在研究中对比了不同的处理剂,其中包括有机可溶微凝胶聚合物、天然沥青和胺化天然沥青(ATL)。表1分别给出了密度为9.8 lb/gal(1 lb/gal=119.826 kg/m3)、油水比为70∶30的钻井液体系和密度为15.0 lb/gal、油水比为80∶20的钻井液体系两组配方。所用基油均为低毒性矿物油。在两组配方中所用到的加重剂和氯化钙盐水是不同的。这两组配方涵盖了现场应用的大部分配方。

表1 用于滤失和地层伤害测试的不同钻井液配方

在120℉下用Fan 35流变仪测定测试流体的流变学性质;在120℉下用API电稳定性测试仪测定测试流体的电稳定性 (ES);在300℉和500 psi(1 psi=6.895 kPa)压差条件下,采用API标准滤失仪测定测试流体的滤失量。

在动态滤失和渗透率恢复试验中所用到的岩心是 Gres des Vosges砂岩岩心,用以测试钻井液的滤失性和地层伤害性。对砂岩的矿物学分析表明,其成分包括85%石英、9%长石、5%伊利石和1%的蒙脱石。砂岩中的活性细颗粒含量低,这有利于甄别地层伤害的原因。

试验用岩心在真空条件下用组分为40 g/L NaCl、5 g/LKCl的盐水来饱和。在流动速率为10 mL/h条件下,通过盐水在饱和岩心中的流动来测定盐水渗透率(Kw)。只有具有高的盐水渗透率(Kw)的岩心可以用于动态滤失和渗透率恢复试验。然后,在反方向以10 mL/h的速率注入原油(FAB),测定岩心的剩余水饱和度 (Swi)。在 Swi和不同流动速率下测定油相渗透率,记为非伤害初始渗透率(Ko)。表2给出了试验中不同岩心的性质。采用 Hassler岩心夹持器夹持岩心,进行滤失测试。

表2 用于测定有机可溶微凝胶聚合物和天然沥青处理的OBM体系滤失的岩心的性质

采用具有锥板和平板两套测量模式的动态滤失测量仪测定体系的动态滤失量,所用过滤介质为滤纸或 Gres des Vosges砂岩岩塞 (滤板)。锥板/平板两种模式使得在整个过滤表面能够维持很高而且稳定的剪切速率,最高可达1 200 s-1。砂岩岩心直径为33 mm,长度为70 mm。在动态滤失测试中采用氮气加压,压差可高达100 bar(1 bar=0.1 MPa)。过滤单元能加热到212℉。在测试前需要提前建立砂岩岩心的剩余水饱和,使该多孔介质最大程度地模拟近井壁地层的井底饱和条件。在这种条件下测定的滤失量和地层伤害性质更能真实地反映井下的滤失情况和地层伤害情况。

5 结果与讨论

5.1 API钻井液性能测试

表3给出了15 lb/gal测试钻井液流体在150℉下热滚16 h后的流变性质、电稳定性和滤失量。

钻井液流体的高温高压滤失量测试结果表明,微凝胶聚合物的滤失控制性要比天然沥青和胺化天然沥青 (ATL)的更佳。为了获得与微凝胶聚合物相同程度的滤失控制能力,天然沥青和胺化天然沥青的浓度要分别增加2倍和6倍,并且其他性质变化不大。

对比了具有近似相等滤失量的几类钻井液流体测试后的滤液和泥饼的质量。微凝胶聚合物体系所获得的滤液澄清度最高,而其他滤液则含有一些黑色颗粒。微凝胶聚合物体系所获得的泥饼要比天然沥青或胺化天然沥青体系的泥饼更薄、更致密 (稳定)。

在9.8 lb/gal测试钻井液体系中,微凝胶聚合物的滤失控制能力要比典型天然沥青处理剂的滤失控制能力稍强 (表4)。低油水比、低老化温度和低测试温度都会使不同配方的滤失量之间的差异降低。所用的微凝胶聚合物浓度对流体的流变性质的影响相当大,因此,使用微凝胶聚合物来控制钻井液的滤失量是非常有利的。

表3 微凝胶聚合物、天然沥青和胺化天然沥青 (ATL)对15 lb/gal OBM体系的影响

表4 微凝胶聚合物和天然沥青对9.8 lb/gal OBM体系性能影响的对比

5.2 岩样的动态滤失和返排试验

在176℉和500 psi压差下,把密度为9.8 lb/gal的钻井液体系注入到高渗透性砂岩中进行动态滤失测试,测试时的剪切速率为66 s-1。滤失液体体积随时间的变化如图2所示。

从微凝胶聚合物的滤失曲线可以看出,一旦形成高质量泥饼后,滤失速率趋于稳定,并小于天然沥青钻井液体系。这表明,天然沥青钻井液体系的内泥饼和外泥饼的渗透性都要比微凝胶聚合物钻井液体系的高。

渗透率恢复和返排测试是在高渗透率砂岩中进行的。渗透率恢复测试结果在表5中给出。分别由微凝胶聚合物和天然沥青构成的密度为9.8 lb/gal的两类OBM钻井液体系的回流压力随时间变化的剖面在图3中给出。

图2 在176℉和500 psi压差下,把密度为9.8 lb/gal的钻井液体系注入到砂岩中获得的动态滤失曲线

表5 密度为9.8 lb/gal的天然沥青钻井液体系和微凝胶聚合物钻井液体系的渗透率恢复数据

图3 密度为9.8 lb/gal的OBM钻井液体系的回流压力曲线

渗透率恢复测试结果表明,在渗透率恢复值为97%时,微凝胶聚合物对地层的伤害要比天然沥青小,这与形成的泥饼质量和侵入的固体颗粒含量密切相关。

返排测试结果表明,这两类钻井液体系的启动压力相当,但在返排清除孔隙残余污染时存在较大差异。天然沥青钻井液体系开始表现出很好的清洗效率,其返排压力稳步下降;但是,在随后的测试中发生较大幅度的突然波动。这种起伏性和随后的压力升高表明,由于细颗粒的运移导致了清洗的中断,这常见于滤液侵入阶段。反之,微凝胶聚合物钻井液体系的返排压力表现出持续降低,最终在一个较小的压力下达到平衡,表明清洗相对容易和稳定。这归因于微凝胶聚合物颗粒在剪切条件下能够发生变形,随着返排能够容易和有效地流出孔隙。

6 现场应用

微凝胶聚合物在钻井液领域中的应用已经有几十年的历史,其应用范围从特殊用途到一般用途不等。但是该类应用所取得的进展大多都与油基或合成基钻井液相关,从在柴油和矿物油基钻井液体系的应用到在更具环境友好特征的低毒性矿物油、石蜡油和合成基钻井液中的应用,经历了较快的发展历程。在所有这些例子中,所用的基液与前面柴油的溶解能力差异较大,使得在这些基液中加入常规降滤失剂并没有获得预想的效果。

在过去几年中它们的应用非常广泛且非常普遍,很难证明它们与常规处理剂 (如天然沥青和褐煤)的比较优势。在浓度为2 lb/bbl时,所有这些基油的滤失量都很容易控制在4 mL以下 [在压差500 psi和温度250℉条件下]。最终形成的泥饼与上述的室内实验结果类似,都很薄、致密和柔软,在钻井液和地层之间形成一层致密的、相对非渗透的泥饼。在现场泥饼中观察到的这种性质能够降低流体对地层造成的伤害,同时还能降低压差黏附卡钻发生的可能性。

最近人们对 HTHP井眼的开发兴趣也促使人们开始研究不同程度地拓展微凝胶的性能。通过改变其中某个单体的特定性质和交联密度,可以开发出新的适用于HTHP井眼钻井使用的微凝胶体系。这种新型微凝胶能够提供足够的滤失控制能力,同时对钻井液的流变性能影响不大。由于设备所限,在HTHP条件下的地层伤害测试并没有进行,但其滤失量和泥饼质量与前面的微凝胶钻井液体系类似;因此,可以预期这种新型微凝胶体系也具有与前面的微凝胶体系相类似的最小地层伤害性能。