漂珠破碎影响因素试验及低密度漂珠钻井液的应用

2017-05-02张敬辉王莉萍李海斌

中国石油大学胜利学院学报 2017年1期

关键词：破碎率低密度钻井液

于雷,张敬辉,王莉萍,李斌,李海斌

(中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257017)

漂珠破碎影响因素试验及低密度漂珠钻井液的应用

于雷,张敬辉,王莉萍,李斌,李海斌

(中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257017)

针对用于钻井作业的漂珠破碎率较高的问题,室内试验优选3M公司HGS8000X型漂珠,研究泵本身、碰撞、喷射速度和喷嘴尺寸对漂珠破碎率的影响,室内评价漂珠加量对钻井液性能的影响,考察低密度漂珠钻井液的储层保护效果。研究表明喷射速度和喷嘴直径是影响漂珠破碎率的主要因素。HGS8000X型漂珠在昌171-斜6井进行现场试验,保持了较低的破碎率,取得了较好的应用效果。

漂珠;破碎;低密度;钻井液;储层保护

随着油田开发的深入,国内外诸多的大油田大多进入了开发后期阶段,油藏压力系数低,为了防止钻井液漏失以及更好地保护低压油气藏,钻井过程中通常采用空气钻井液、泡沫(微泡)钻井液、油基钻井液等低密度流体或控压钻井来实现[1]。但空气钻井、泡沫钻井等需要额外的设备,成本高,有时还受地形的限制[2-8],而油基钻井液同样存在成本高、环保压力大等问题。近年来,低密度漂珠水基钻井液在国内外多口低压油气井中进行了成功应用,取得了不错的效果[9-11]。但同时在现场应用中发现,随着钻井工况的不同,不同型号漂珠的破碎率也表现的不同[12]。因此,笔者优选一种抗压性能较好的漂珠,进行漂珠破碎率影响因素的室内试验,并进行了现场试验。

1 试验设备及实验步骤

该试验是在中国石油大学(华东)射流研究中心完成,所用仪器设备主要有高压泥浆泵(额定压力50 MPa,额定流量189 L/min,江苏省无锡市煤矿机械厂)、高压流量计(工作压力42 MPa,流量1.6～16 m3/h,精度0.1%,淄博沃森测控科技有限公司)、高压釜及高围压无碰撞实验管(额定压力50 MPa,中国石油大学(华东)高压水射流研究中心实验室)、加热罐(容积0.7 m3,0～100 ℃)、高压高耐磨喷嘴(硬度HRA91)等[13]。

试验步骤:①试验前,首先在钻井液搅拌罐中配好钻井液,使其达到要求的黏度和pH值;②向钻井液搅拌罐中加入规定浓度的漂珠,搅拌均匀;③将一定量搅拌好的钻井液加入加热罐中,需要一定实验温度时,预加热到设计温度;④启动高压泵;⑤调节喷嘴压力和流量达到设计值;⑥调节井筒内围压达到设计值;⑦记录压力、流量;⑧按照设计要求取样,测量钻井液的密度,计算漂珠破碎率;⑨试验结束,进行下一组试验。

钻井液储层保护评价试验所用仪器为低渗油气层伤害评价装置(额定污染压力25 MPa,额定驱替压力60 MPa,额定驱替排量为10 mL/min,额定温度180 ℃,湖北省荆州市创联科技有限公司)。试验程序参照中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T6540-2002进行。

2 漂珠的选择及破碎影响因素分析

2.1 实验用漂珠的选择

3M公司的漂珠(HGS)为单胞碱石灰硅酸硼类,中空圆球形,外观为白色粉末,呈化学惰性,抗高温高压[14]。以前钻井现场使用的主要是HGS4000和HGS6000型漂珠,破碎率较高,造成钻井液成本大幅增加。HGS8000X型漂珠是3M公司近来新开发的一种新型漂珠,其粒度更细,平均粒径25 μm,抗压强度达56 MPa。在相同试验条件下,室内对3种型号的漂珠进行破碎对比试验,试验结果见图1。

图1 不同型号漂珠破碎率对比

由图1可知,循环20周以后HGS4000和HGS6000两种型号漂珠的破碎率已经超过40%,破碎相当严重,而HGS8000X型漂珠循环60周后的破碎率仍小于30%。在相同条件下HGS4000和HGS6000两种型号漂珠的破碎率远高于HGS8000X型号漂珠,而且时间越长差别越大。因此,本研究中选用HGS8000X型漂珠进行试验。

2.2 漂珠破碎影响因素

通过对钻进过程的分析,影响漂珠破碎的因素主要包括漂珠本身的质量强度、泵本身的影响、漂珠与井底岩石的碰撞、高压水射流下的喷射速度、喷嘴的直径等。本文中主要是针对外界因素对漂珠破碎率的影响进行试验研究。

3 试验结果分析

3.1 泵本身造成的漂珠破碎

为了单纯考察泵本身对漂珠破碎率的影响,直接将通过高压泵的钻井液返排到钻井液加热罐中,而不通过高压喷嘴。试验钻井液排量为2 L/s,漂珠体积分数20%，试验结果见图2。

由图2可知,循环初期漂珠破碎率迅速增加至4%左右,循环周期达到40 周后破碎率达到8.2%并基本保持恒定;在60个循环周期内,漂珠破碎率总体保持在较低的水平。分析认为,前期破碎率迅速增加的主要原因是存在一些畸形的漂珠,随着少数畸形漂珠的破碎,漂珠的破碎率不再增加,这表明占少数的畸形漂珠发生破碎后,高压泵的循环不会造成占绝大多数的正常漂珠的破碎。

图2 泵本身对破碎率的影响

3.2 碰撞造成的破碎

采用砂岩岩心,模拟油田常用PDC 钻头喷嘴距井底的距离确定了高压喷嘴距离岩面的距离(50 mm),进行有碰撞条件下的漂珠破碎试验,试验钻井液排量1.6 L/s,喷嘴直径8.5 mm,试验结果见图3。

图3 井底碰撞对破碎率的影响

由图3可知,有碰撞和无碰撞两种试验条件下的漂珠破碎率均随着循环周素的增加而增大,有碰撞条件下的破碎率稍高于无碰撞条件下的破碎率,但差别不大,说明漂珠与岩石的碰撞并不是造成漂珠破碎的主要原因。

3.3 喷射速度造成的漂珠破碎

试验采用砂岩岩心,模拟有碰撞条件下的破碎实验,考察不同喷射速度下漂珠的破碎情况,模拟喷距50 mm。试验结果见图4。

从图4可以看出,随喷射速度增加,HGS8000X的破碎率均不同程度增大。当喷射速度为53.5 m/s时,HGS8000X的破碎并不严重,循环60周后破碎率只有10.3%;而喷射速度达到96 m/s时,循环60周后破碎率超过60%,表明喷射速度对漂珠破碎的影响很大。

图4 喷射速度对HGS8000X破碎的影响

3.4 喷嘴尺寸对破碎率的影响

试验采用砂岩岩心,选取7.4 mm和10 mm两种尺寸的喷嘴进行试验,考察喷嘴尺寸对漂珠破碎率的影响,试验钻井液排量1.3 L/s,试验结果如图5所示。

图5 不同喷嘴破碎率变化

从图5可以知,其它条件相同的条件下,仅改变喷嘴直径对漂珠的破碎率有很大的影响,10 mm喷嘴循环60周后漂珠破碎率只有10%左右,而采用7.4 mm喷嘴循环40周后漂珠破碎率就达到了60%。分析是因为喷嘴直径越小,相同排量的钻井液通过喷嘴时的压降越高,从而导致漂珠破碎率越高。

4 低密度漂珠钻井液实验评价及在昌171-斜6井的应用

4.1 低密度漂珠钻井液性能实验评价

将漂珠加到普通水基钻井液中配制了低密度漂珠钻井液,室内考察HGS8000X型漂珠加量对钻井液性能的影响,试验结果见表1。

由表1可知,随HGS8000X漂珠加量增大,钻井液的表观黏度、塑性黏度以及动切力都呈增加的趋势,但在加量10%的范围之内,对钻井液流变性能影响不大。HGS8000X漂珠具有良好的降滤失效果,加量为7.5%时滤失量降到了最低值1.8 mL,分析是该类型漂珠具有良好的粒度分布,与钻井液中的黏土颗粒配合可以实现有效的粒度级配封堵。

表1 HGS8000X型漂珠加量对钻井液性能的影响

由表1可知,随着漂珠加量的增大,极压润滑系数先降低后增大,分析是因为漂珠呈圆球形,具有一定的将滑动摩擦变为滚动摩擦的能力,从而可以降低泥饼的极压润滑系数。当漂珠加量过高时,造成钻井液中固相含量太高,从而导致润滑性变差。

4.2 低密度无黏土漂珠钻井液的储层保护效果评价

钻井过程中主要存在过平衡、近平衡和欠平衡3种形式,室内模拟加压、自吸、负压3种情况考察低密度无黏土漂珠钻井液的储层保护效果,并与常规钻井液、混油乳化钻井液进行对比,试验结果如图6所示。

图6 不同钻井液在不同条件下储层污染情况

从图6可以看出,在相同条件下,无黏土漂珠钻井液的渗透率恢复率均大大高于常规钻井液和混油乳化钻井液。负压状态下无黏土漂珠钻井液的渗透率恢复率可以达到92.3%,表明与其他两种钻井液相比具有更好的储层保护效果。

4.3 现场应用

昌171-斜6井位于昌171-斜4断块,目的层为孔三段火成岩裂缝油藏,该区块地层压力系数偏低,仅为0.85。前期开发的昌73井未获得油流,分析主要原因之一就是因为钻井液密度(1.24 g/cm3)太大,油层受到污染。鉴于该区块良好的成藏条件,部署了昌171-斜6井,三开储层段设计采用无黏土漂珠钻井液体系。三开扫完水泥塞后用清水顶替二开钻井液,替完后向循环罐中加入处理剂,并调整钻井液性能,同时加入HGS8000X型号漂珠,将钻井液密度调至0.84 g/cm3,性能调整至设计范围内后开始三开钻进,钻进过程中随着部分漂珠的破碎钻井液密度有所上升,及时补充漂珠来降低钻井液密度,整个钻进期间钻井液密度一直维持在0.83～0.85 g/cm3,圆满的完成了正常钻进和储层保护的要求。该井投产后日产油达到了18 t,相较邻井日均2～5 t的产量得到了大大提高,取得了良好的储层保护效果。