用于欠平衡钻井的抗高温高强度冻胶阀及应用

2015-11-25李志勇薛连云韦火云李鸿飞

东北石油大学学报 2015年5期

李志勇,马攀,陶冶,薛连云,杨超,陈帅,韦火云,李鸿飞

(1.中国石油大学(北京)石油工程学院,北京 102249; 2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249; 3.中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院,北京 100083; 4.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院,新疆克拉玛依 834000)

李志勇1,2,马攀1,2,陶冶3,薛连云4,杨超1,2,陈帅1,2,韦火云1,2,李鸿飞1,2

常用冻胶阀技术很难满足深井高温作业需求.为充分发挥欠平衡钻井优势,研制一种新型冻胶液,在高温下通过交联反应,形成作用力极强的空间网状结构及与井壁的黏结力,达到封隔压力的要求;评价抗温性、密封性、耐压性及破胶性等冻胶封隔压力所需的性能.结果表明,该冻胶抗温达160℃,与管壁具有很好的黏壁性,能有效密封井下压力,耐压强度高,并且破胶彻底,破胶液利于返排,不影响后续正常的钻完井作业.该技术可在高温井中有效封隔井下欠平衡作业引起的气体涌入,应用效果良好.

欠平衡钻井;冻胶阀;抗温性;耐压性;破胶性;可穿透性

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.009

0　引言

欠平衡钻井技术产生于20世纪30年代,兴起于20世纪80年代.欠平衡钻井可使地层流体有控制地进入井筒,避免井漏与储层伤害等问题[1].随着欠平衡钻井技术的深入研究和推广应用,国内外石油公司对欠平衡钻井技术的要求越来越高,须寻求一种能够实现全过程欠平衡钻井的作业方式和方法.冻胶阀作为一种新型的控压手段,可有效代替套管阀,实现全过程欠平衡钻井.在欠平衡钻井及完井过程中,冻胶阀利用自身的强度及与井壁的黏结力封隔井下压力,消除由井底压力过大引起的储层伤害,保护储层并避免由套管阀失效引起的钻井事故;同时,降低欠平衡钻井的作业成本,实现全过程欠平衡钻井作业[2].2006年,在我国西北地区首次成功进行冻胶阀现场试验,其技术思想和工艺得到广泛认同[3].目前,冻胶阀技术在多个油田进行推广应用,最大应用井深为3 km左右,冻胶阀工作温度最高可达120℃左右[4].

随着石油资源勘探开发领域的进一步延伸,深井钻探技术应用越来越广.我国未探明石油储量约为85×108t,其中有73%储藏在深层;我国常规天然气资源预测产量为38×1012m3,其中埋藏深度大于3 500 m的天然气资源占57%[5-6].因此,深部储层具有巨大的开发潜力,深层的高温环境成为欠平衡钻井冻胶阀作业不可回避的问题,现有冻胶阀技术需要进一步提高抗温性及强度.笔者研发抗高温、高强度冻胶阀技术,可拓展冻胶阀应用领域,有助于实现深井全过程欠平衡钻井作业,从而提高全过程欠平衡钻井综合服务水平.

1　实验

1.1药品与仪器

(1)药品.增韧剂,分析纯,北京现代东方精细化学品有限公司生产;耐温聚合物、高温稳定剂,交联剂,北京石大博源科技有限公司生产;HPAM(水解聚丙烯酰胺),任丘市鑫聚化工有限公司生产;破胶剂,北京正清然科技有限公司生产.

(2)仪器.SF1100高速分散机,常州铭普化工机械有限公司生产;ZNN-D6B电动六速黏度计,青岛同春石油仪器有限公司生产;JHT-3新型滚子高加热炉,现代石油科技发展有限公司生产;高温冻胶性能测试仪,北京石大博源科技有限公司生产.

1.2原理及配方

冻胶阀的胶液成胶主要是通过成胶剂与交联剂的交联反应形成的,其中交联剂为有机交联剂.常见交联反应中,可交联的基团包括:钠羧基、酰胺基、羟基、醚链中的醚键[7].起交联剂作用的高价金属离子可解离成多核羟桥络离子,与水作用生成大量羟基,如Al3+经过解离络合水解,生成[(H2O)5Al(OH)]2+,再通过羟桥作用和进一步水解作用生成羟基铝[8].HPAM是水溶性线性高分子聚合物,在水中发生水解作用而溶解分散在水中,浓度增加,自由溶剂减少,高分子基团之间距离减小,使得基团间相互作用增强.同时,HPAM自身带有可交联的基团一COOH与一CONH2,交联剂与成胶剂之间通过羟基、氨基发生作用(见图1),分子链相互连结,分子间填满液体,最后成为一个整体,自由水包裹在其中,形成聚合物分子间的空间网状结构,形成冻胶.

图1　成胶原理Fig.1 The principle of forming gel

在井下温度作用下,冻胶液在井筒合适位置处形成冻胶阀.利用冻胶液自身的交联强度及与井壁的黏结性,可有效封隔井下压力,阻止欠平衡状态下侵入的油气向上运移,确保井下始终处于欠平衡状态,从而最大限度地保护储层.

冻胶液主要是由HPAM高分子溶液、交联剂及其他添加剂组成.通过实验确定配方(质量分数): 1.2%HPAM+5.0%增韧剂+4.0%加重剂+1.5%耐温聚合物+1.5%高温稳定剂+1.2%交联剂+ 0.8%缓蚀剂+0.1%延迟剂.

2　性能评价

2.1砧度测量

现场所用冻胶液在泵送至设计井深之前,冻胶液黏度应保持为100～150 mPa·s或者更低,以保证它具有良好的流动性,能够满足地面泵注要求[9].按照实验确定配方配制冻胶液,利用ZNN-D6B型电动六速黏度计及马氏漏斗,在室温20℃下测量不同搅拌时间后的冻胶液黏度,结果见表1.

由表1可知,该冻胶液在室温下搅拌2.0 h后,黏度趋于稳定,小于75.0 mPa·s,马氏漏斗时间小于215 s.该黏度可保证冻胶液从地面泵入到井下某一位置前保持足够的可泵性.

表1　不同搅拌时间的冻胶砧度Table 1 Gel viscosity with different time

2.2抗温性

当冻胶液注入到井下某一位置后,需要在地层温度条件下成胶,评价其抗温性,以分析冻胶液在地层温度下的成胶情况.在室内,通过凝胶强度判断其胶体成胶性质.目前,常用评价方法是Sydansk R等提出的凝胶强度代码法.该方法根据目测结果,将凝胶的强度(Gel Strength Codes,简称GSC)分为10个等级,用字母A到J表示,强度逐渐增强,见凝胶强度代码标准[10].当强度达到C级,表明该冻胶液已开始成胶.

将配制好的冻胶液装入热滚炉高温老化罐中,然后在160℃温度下进行加热,测试冻胶液在高温下的成胶性能.该冻胶液在160℃温度下加热1.0～2.0 h开始成胶,3.0 h后冻胶液已完全成胶(见图2(a)),成胶强度达到F级,成胶性能良好,紧紧黏附在老化罐壁(见图2(b)).冻胶液在160℃温度下连续加热120.0 h后,冻胶性能几乎没变化(见图2(c)),表明它有助于长时间封隔井下压力处于欠平衡状态,以完成起下钻、换钻头等作业.

图2　160℃温度加热不同时间后冻胶成胶性能Fig.2 The gelling performance at different times with 160℃heating

2.3可穿透性

冻胶液成胶后成为一个整体,可有效密封井下油气压力,以确保井下处于欠平衡状态.在后续欠平衡钻完井作业时,作业管柱需要穿过冻胶阀,并且在保证井下压力密封的情况下,顺利实施后续作业.因此,需要冻胶阀具有一定的管柱可穿透性.

利用北京石大博源科技有限公司制造的高温冻胶承压强度测试仪[11],进行冻胶可穿透性评价.将冻胶液倒入仪器7英寸(17.78 cm)控温成胶管体中,在160℃温度下加热3.0 h后,冻胶完全成胶.然后,将质量为10 kg的油管从上部插入冻胶,油管穿透冻胶效果见图3.由图3可知,油管能够在自身重力作用下自行穿透冻胶,阻力较小,并且油管穿过冻胶后,冻胶密闭性没有受到破坏;当油管拔出后,冻胶可自动愈合,仍能对管柱进行有效密封.

图3　冻胶阀油管穿透性Fig.3 Tubing penetrating ability of gel valve

2.4封隔压力测试

利用高温冻胶承压强度测试仪,测试冻胶封隔压力.主要原理是通过控温成胶管体下部注气孔,对管体内已成胶的冻胶进行缓慢加压,通过压力表读数确定冻胶可封隔的最大压力.冻胶在160℃温度下加热不同时间后,形成冻胶所能封隔的压力,结果见图4.

图4　冻胶在管柱内成胶强度测定Fig.4 Gelling strength determination of gel within the string

由图4可知:冻胶成胶强度随着加热时间增加而增强,成胶120.0 h内没有下降趋势.冻胶在管内加热7.0 h后,耐压强度为0.047 MPa/m;当加热24.0 h后,耐压强度可达0.090 MPa/m.这表明该冻胶封隔压力强度大,可根据井下所需封隔压力设计冻胶液长度.

2.5破胶性

冻胶阀完成封隔压力测试后,需要进行破胶,以避免影响后续正常钻完井作业.通过实验,筛选一种可有效清除所研制冻胶的破胶剂.在160℃温度下、成胶时间为24.0 h后的冻胶中,分别加入质量分数为6%～12%的破胶剂后,在160℃温度下对其破胶效果进行评价,结果见表2.

表2　破胶程度效果评价Table 2 Gel breaking degree evaluation of gel breaker

由表2可知:当破胶剂质量分数达到10%以上,只要破胶剂能够和冻胶充分接触,45 min后即可实现完全破胶.现场施工时,建议破胶剂质量分数大于10%,破胶时间超过60 min,以保证其破胶效果.

3　现场应用

3.1概况

将研发的冻胶阀技术在辽河油田某井进行现场试验.该井的钻井设计井型是水平井,经过三开钻井到达目的层段,其井身结构设计见表3.

欠平衡钻井过程中,油气显示较好,地温梯度为3.46×10-2℃·m-1,泥浆密度为1.04 g/cm3,储层压力因子为1.08,冻胶设计井深为3 400～3 700 m.

表3　井身结构设计Table 3 Well design profile

根据现场实际,冻胶设计性能为:(1)冻胶阀长度,300 m;(2)气密强度,15～25 MPa;(3)冻胶下入深度,3 400～3 700 m;(4)抗温,150℃;(5)冻胶高温稳定时间,72 h.

3.2施工

(1)配制冻胶液6 m3,保持性能稳定,满足泵送要求.

(2)用备用立管向环空注入泥浆,节流控制回压为1.5～2.0 MPa,带压起钻至注胶位置3 700 m.

(3)先用地面专用泵将1 m3清水泵入管线作为前置液,再用泵车注入6 m3冻胶液,带压起钻至3 355 m(冻胶阀顶部两立柱).

(4)冻胶成胶5 h后,敞开井口起钻,换钻头.

(5)下钻至3 400 m,准备破胶.

(6)破胶、循环液体.钻头提至3 408.00 m,通过泵车向立管注入破胶剂1.2 m3,分6次将破胶剂挤入冻胶阀,2.0 h后下钻至4 725.60 m循环,共排放破胶液及混合液约15 m3,胶体破胶彻底,随着破胶液排出,泵压由14.5 MPa缓慢降至12.0 MPa.

3.3效果分析

现场施工过程中,在冻胶阀未破胶之前综合监测,气测全烃峰值为0,破胶后下钻到底循环,测得全烃最高峰值为66.6%,并点火成功.证明冻胶阀具有良好的封闭井筒的作用,封堵油气上窜效果显著,全过程没有发生油气上窜.

另外,冻胶阀破胶后破胶液返排至地面顺利,没有对地层和完井工具造成封堵.破胶效果良好,循环洗井返排彻底,实际施工与设计完全吻合.

4　结论

(1)研制冻胶液配方(质量分数):1.2%HPAM+5.0%增韧剂+4.0%加重剂+1.5%耐温聚合物+ 1.5%高温稳定剂+1.2%交联剂+0.8%缓蚀剂+0.1%延迟剂,冻胶在常温下搅拌2.0 h后黏度保持稳定,可满足泵送要求.在160℃高温下,加热3.0 h后可完全成胶,冻胶稳定时间可达120.0 h以上,有助于现场开展冻胶阀施工作业.

(2)冻胶具有良好抗温性、黏壁性、可穿透性及高耐压强度,并且可实现完全破胶.

(3)抗高温、高强度冻胶阀技术在高温井中可有效密封井下油气,且破胶液反排彻底,不影响后续作业,有助于实现全过程欠平衡钻井作业.

[1] 苏义脑,黄洪春,高文凯.用钻井方法提高单井产量和采收率[J].东北石油大学学报,2010,34(5):27-34. Su Yinao,Huang Hongchun,Gao Wenkai.Enhancing well production and recovery rate by improving drilling methods[J].Journal of Northeast Petroleum University,2010,34(5):27-34.

[2] Driedger D J,Talisman E,Kelly S P,et al.Managed pressure drilling technique applied in a kurdistan exploration well[C].SPE, 2013.

[3] 王涛.冻胶阀:创新思维催生的原创技术[EB/OL].http://www.docin.com/p-792069565.html,2011-06-10/2014-07-15. Wang Tao.Original technology created by innovative thinking[EB/OL].http://www.docin.com/p-792069565.html,2011-06-10/2014-07-15.

[4] 胡挺,曾权先,李华磊,等.冻胶阀完井技术研究与应用[J].石油钻采工艺,2012,34(1):32-35. Hu Ting,Zeng Quanxian,Li Hualei,et al.Study and Application of smart pack completion technology[J].Oil Drilling&Production Technology,2012,34(1):32-35.

[5] 胡文瑞.中国非常规天然气资源开发与利用[J].东北石油大学学报,2010,34(5):9-16. Hu Wenrui.Development and utilization of non-conventional natural gas resources in China[J].Journal of Northeast Petroleum University,2010,34(5):9-16.

[6] 蔡希源.中国石化天然气勘探实践与勘探方向[J].东北石油大学学报,2010,34(5):1-8. Cai Xiyuan.Sinopec's natural gas exploration practice and priority[J].Journal of Northeast Petroleum University,2010,34(5):1-8.

[7] 张新.一类新型疏水缔合聚合物的合成及成胶性能[J].东北石油大学学报,2013,37(2):124-128. Zhang Xin.Synthesis and gelling performance of a novel hydrophobic association copolymer[J].Journal of Northeast Petroleum University,2013,37(2):124-128.

[8] 韩明,马杰,陈立.交联聚合物应用于油田开发的机理研究与性能评价[J].油气采收率技术,1995,2(2):1-8. Han Ming,Ma Jie,Chen Li.Mechanism study and performance evaluation on the application of crosslinked polymers in oilfield development[J].Petroluem Geology and Recovery Efficiency,1995,2(2):1-8.

[9] 管桐,杨慧,邹啁,等.欠平衡钻井中冻胶阀技术研究及应用[J].广东化工,2012,39(10):70-71. Guan Tong,Yang Hui,Zhou Zhou,et al.Gel valve technology and its application in underbalanced drilling[J].Guangdong Chemical Industry,2012,39(10):70-71.

[10] 唐孝芬,李红艳,刘玉章,等.交联聚合物冻胶调堵剂性能评价指标及方法[J].石油钻采工艺,2004,26(2):49-53. Tang Xiaofen,Li Hongyan,Liu yuzhang,et al.Cross linked polymer plugging agent performance evaluation index and method[J]. Oil Drilling&Production Technology,2004,26(2):49-53.

[11] 李志勇,蒋官澄,王利国,等.一种欠平衡钻井及完井过程中冻胶阀性能测试仪及其应用[P].中国:CN101949771A,2011-01-19. Li Zhiyong,Jiang Guancheng,Wang Liguo,et al.A kind of gel valve ued in the under-balanced drilling and well completion process and its performance test instrument and applications[P].China:CN101949771A, 2011-01-19.

TE249.1

2095-4107(2015)05-0080-06

2014-11-10;编辑:关开澄

国家自然科学基金创新研究群体项目(51221003);国家科技重大专项(2016ZX05044);国家自然科学基金面上项目(51374225);北京市高等学校青年英才计划项目(YETP0671);国家留学基金项目(201506445008);中国石油大学(北京)优秀青年教师基金项目(2462015YQ0211)

李志勇(1978-),男,博士,副教授,主要从事储层保护、钻井液优化设计、油田化学、钻井废弃物处理等方面的研究.