水基完井液静态沉降稳定性影响因素研究

杨兰平,杜仕勇,夏榆皓,徐兴宇,张太亮,程鑫*

(1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻井液技术服务公司,四川 成都 610051; 2.西南石油大学化学化工学院,四川 成都 610500)

在完井作业中,保持完井液有良好的静态沉降稳定性极为重要[1]。目前对钻完井液在静止条件下沉降稳定性的评价没有统一的方法。国外学者一般使用沉降因子(SF)法来检验不同的油田工作液的静态沉降稳定性[2-3]。国内经常需要在试油现场分析油田工作液的静态沉降稳定性。李家学等[4]调研了落棒法、SF法、针入式沉实度测定法和静态稳定分层指数(SSSI)法。其中SSSI法[5]对于仪器的要求不高,适用于国内试油现场。静态稳定分层指数所测SSSI值与底部密度相关系数高达0.97以上,能够比较准确地判断完井液沉降稳定性沉降程度,所以现场常采用SSSI法对完井液的沉降稳定性进行度量。

沉降温度、老化时间、完井液密度都是影响完井液静态沉降稳定性的重要因素,并且静态沉降稳定性的变化可能会反映在完井液的流变性能和滤失性能的波动上[7]。有鉴于此,笔者在用SSSI值来定量反映静态沉降稳定性变化的基础上,通过计算不同因素间的皮尔森相关性系数,绘制热力图,考察了不同因素对SSSI值的影响大小[8]。

1 实 验

1.1 主要原料及仪器

改性聚磺水基完井液,密度1.50 g/cm3,蓬深2井;聚磺水基完井液,密度1.75 g/cm3,磨溪151井;有机盐聚磺水基完井液,密度2.35 g/cm3,龙兴1井。

NB-1型泥浆比重计,武汉格莱莫检测设备有限公司;氮气钢瓶(GB/T 3864—2008),成都新炬化工有限公司;PHS-3CU型pH计,上海越平科学仪器(苏州)制造有限公司;GGS42-A2型高温高压滤失仪,青岛恒泰达机电设备有限公司。

1.2 完井液性能测试方法

采用SSSI法对完井液进行静态稳定性能评价。分别测试完井液在设定温度下静恒不同时间的静态沉降稳定性,并计算对应的SSSI值。钻井液流变、滤失性能的测试参照文献[9]。

2 结果与讨论

2.1 水基完井液的沉降稳定性

完井液的静态沉降稳定性与完井液老化温度、完井液密度、完井液老化时间均成正相关,且静态沉降稳定性会反映在完井液流变性数值、滤失量(FL)、析出清液量(简称清液)的变化上,实验结果如表1、表2和表3所示。由于流变性可使用很多特征属性表示,并且这些特征属性的变化趋势基本相同,所以完井液流变性用表观黏度(AV)作为反映完井液流变性的标志;FL以高温高压滤失实验测定,测定温度根据完井液老化温度调整;清液量测试使用针筒进行清液吸取和测量。

表1 不同条件的蓬深2井沉降稳定性

表2 不同条件的磨溪151井沉降稳定性

表3 不同条件的龙兴1井沉降稳定性

2.2 完井液密度与不同影响因素的相关性分析

采用皮尔森相关系数[10]分析变量间相关性,相关性系数介于-1与1之间。皮尔森相关系数以热力图展示,其中相关性系数越接近1或-1,椭圆越扁,颜色越深,表明两变量间正或负相关性越强;相关性系数越接近0,椭圆越圆,颜色越淡白,表明两变量间相关性较弱。实验考察了不同因素对沉降稳定性的相关性分析,由于沉降稳定性使用SSSI值表示其沉降状况,所以热力图仅需观察最后一列SSSI相关性系数即可。

图1是蓬深2井、磨溪151井和龙兴1井不同密度的完井液影响因素的相关性分析结果。由图1可见,完井液密度越小,沉降稳定性受温度的影响越大,越容易发生沉降,但老化温度没有老化时间对完井液沉降稳定性影响大;完井液密度越大,沉降稳定性受老化时间影响越大,越容易发生沉降;不同密度完井液的AV、FL与沉降稳定性虽成正相关,但相关性不强(即相关性系数波动),而不能由AV、FL反映完井液的沉降状态;不同密度完井液沉降所产生的清液量与沉降稳定性间正相关性较强,清液量越多完井液沉降可能性越大。

图1 不同密度完井液的皮尔森系数

2.3 沉降温度与不同影响因素的相关性分析

对不同沉降温度的完井液进行密度、老时、AV、FL、清液、SSSI值的相关性分析。3种完井液在沉降温度140、160 ℃和180 ℃的分析结果如图2所示。由图2所见,沉降温度越低,完井液沉降稳定性受密度的影响越大,越容易发生沉降。140 ℃沉降温度下,密度增大的影响大于老化时间的影响;沉降温度越高,完井液沉降稳定性受老化时间影响越大,越容易发生沉降。沉降温度仅在180 ℃下,完井液AV和FL与沉降稳定性间正相关性较强,则180 ℃下可由AV和FL同时增大,推断完井液沉降可能性越大。

图2 不同温度完井液的皮尔森系数

不同沉降温度下,清液量与沉降稳定性的相关性系数接近0。这是因为相关性分析计算的同一沉降温度数据中包含了不同密度完井液的数据,而不同密度的完井液在静态沉降时,析出的清液量大小不一,反映成清液量与沉降稳定性的相关性系数,就会出现正相关与负相关相互抵消的情况。所以清液量与其他因素的相关性分析,需要控制完井液数据来自于同一密度的完井液,否则清液量与完井液沉降稳定性呈现无相关性。

2.4 老化时间与不同影响因素的相关性分析

对不同老化时间下的完井液进行密度、温度、老化时间、AV、FL、清液、SSSI值的相关性分析。沉降7、10 d和15 d的分析结果如图3所示。

图3 不同沉降天数完井液的皮尔森系数

由图3可见,老化时间在15 d以内,密度、温度和老化时间均与沉降稳定性具有正相关性,对沉降稳定性的影响大小为:密度>老化时间>温度;随着老化时间的增加,密度对沉降稳定性的影响逐渐减小,温度、老化时间对沉降稳定性的影响逐渐增大,但仍然小于密度的影响,说明温度、老化时间分别与密度对沉降稳定性的影响呈现竞争关系。不同老化时间完井液的AV、FL与沉降稳定性虽呈正相关,但AV相关性降低以及FL相关性不强,而不能由AV、FL反映完井液的沉降状态。清液量与其他因素的相关性分析,需要控制完井液数据来自于同一密度的完井液,否则清液量与完井液沉降稳定性呈现无相关性。

3 结 论

a.随着完井液密度增大,温度对完井液沉降稳定性的影响逐渐减小;随着沉降温度的逐渐增大,密度对完井液沉降稳定性的影响逐渐减小;沉降温度与完井液密度对完井液沉降稳定性均呈正相关,但两者的影响呈现竞争关系。

b不同密度完井液沉降所产生的清液量与沉降稳定性间正相关性较强,清液量越多完井液沉降可能性越大;清液量与其他因素的相关性分析,需要控制完井液数据来自于同一密度的完井液。沉降温度仅在180 ℃下,完井液AV和FL与沉降稳定性间均正相关性较强,则可由AV和FL同时增大,推断完井液沉降可能性越大。

c.沉降温度、完井液密度、老化时间均与沉降稳定性成正相关,但在对沉降稳定性的影响中沉降温度、老化时间分别与密度呈现竞争关系;沉降15 d内,沉降稳定性的影响排序:完井液密度>老化时间>沉降温度(“>”表示“优于”)。