東海地區(qū)低孔低滲透氣田完井液優(yōu)化技術(shù)

摘 要

摘要：針對東海地區(qū)高溫、低壓、低滲透油氣藏常規(guī)完井液技術(shù)當前存在的問題，基于有機物高溫碳化理論，用有機高分子吸水材料研制出了滿足該地區(qū)完井作業(yè)的一種尺寸分布廣泛的軟顆
摘要：針對東海地區(qū)高溫、低壓、低滲透油氣藏常規(guī)完井液技術(shù)當前存在的問題，基于有機物高溫碳化理論，用有機高分子吸水材料研制出了滿足該地區(qū)完井作業(yè)的一種尺寸分布廣泛的軟顆粒狀無(低)滲漏完井液體系，基本配方為：淡水+0.5%螯合劑YF-1+1%～2%膠凝劑SW-1+0.5%穩(wěn)定劑WDJ-1。體系黏度在常溫下(25～120mPa·s)可調(diào)，與地層水配伍性好，對管材具低腐蝕性。完井液在120～130℃高溫動態(tài)污染實驗中可發(fā)生碳化反應(yīng)，在巖心端面可生成一種致密黃、黑色黏稠狀膠質(zhì)暫堵層，有效地避免了工作液的濾失，巖心中黏土礦物對有機高分子吸水材料起到了一定的熱催化作用。目的層巖心動態(tài)污染后，自然返排滲透率恢復(fù)率可超過90%。現(xiàn)場應(yīng)用表明，該體系在東海地區(qū)天外天高溫低滲透砂巖油氣藏具有優(yōu)異的保護儲層效果，提高了低壓產(chǎn)層的承壓能力，極大地降低了水相圈閉損害，并促使了A7s等氣井獲得高產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：完井液；水相圈閉損害；聚合物碳化理論；低壓高溫氣藏；防止地層損害
    我國東海地區(qū)油氣田大都屬于常壓或低壓油氣田，壓力系數(shù)為0.95～1.03，儲層溫度普遍為120～140℃[1]，完井作業(yè)面臨著越來越大的壓力。特別是氣井由于沒有合適的防漏失壓井液體系，完井過程中造成的水相圈閉損害會直接影響氣井的產(chǎn)能[2～3]。在極端情況下，如氣層地層壓力低于水柱壓力，很多井就不能完井或修井，導(dǎo)致油氣井的放棄或報廢。鑒于這種情況，必須開發(fā)一種針對低滲透、常壓和低壓油氣井的無(低)滲漏完井液和壓井液體系，既能順利完成作業(yè)，又具備起好的保護儲集層功能。
1 傳統(tǒng)暫堵思路
    目前國內(nèi)外對低滲透油氣藏一般采用的是無黏土相水基完井液，降低水相圈閉損害通常有“暫堵和改善”兩種思路：①采用傳統(tǒng)的屏蔽暫堵的鉆井完井液，封堵孔喉，減少濾液的大量侵入[4]；②通過具有較強抑制黏土膨脹功能的完井液中加入氣層保護劑，降低氣-水界面張力可有效降低液阻效應(yīng)，從根本上降低水相圈閉損害[5]。但針對低滲透氣藏，都有各自如下的局限性[6]。
1.1 無黏土相清潔鹽水完井液
    目前大部分鹽水鉆井完井液體系主要應(yīng)用在大位移井、水平井以及套管井下擴眼。在這些作業(yè)中，儲層裸露面積大、與流體接觸時間長，特別是對低孔、低滲透氣藏，水相圈閉損害程度依然會比較嚴重，即使加入助排劑效果也不一定理想。
1.2 有固相無黏土相暫堵型完井液
    如果優(yōu)選暫堵粒子未能設(shè)計好，那么將不能有效地橋堵。工作液將會對儲層更深層次傷害，特別是對低滲透氣層，解堵液處理不當會造成進一步損害；另一方面，固相粒子在隨流體循環(huán)中因不斷加溫、冷卻會有結(jié)晶、溶解、重結(jié)晶現(xiàn)象，尺寸是不斷改變的。
1.3 泡沫型壓井液
    在海洋平臺上，由于空間受限并不能很好地安裝設(shè)備；泡沫在井底長時間的壓縮下，泡沫流體的密度和結(jié)構(gòu)以及流變性都會難以預(yù)測和控制，它不能滿足長時間的壓井修井作業(yè)。
1.4 膠液壓井液
    此類體系不能完全防止漏失，只是液體黏度的增加，減緩了完井液的漏失速度。因此，它的缺陷是十分明顯的。
2 新型完井液研制思路
    針對黏土礦物膨脹、分散、運移損害的理論研究和各種抑制劑的應(yīng)用研究每年都有許多報道，黏土礦物在對儲層存在損害不利的同時，也有積極的一面，黏土礦物通常是天然的有機物催化劑，比利時細胞學(xué)家、1974年諾貝爾生物學(xué)和醫(yī)學(xué)獎獲得者克里斯蒂安·德迪夫在論述地球起源和生物進化的專著《生機勃勃的塵埃》中，他認為黏土是最好的催化劑，因為它能提供所需的框架，有能發(fā)揮催化功能的巨大礦物表面[7]；油氣成因理論中，有學(xué)者在實驗室用黏土作催化劑，在150～250℃下，用酒精和酮脫水或使脂肪酸去羧基，在短時間內(nèi)可產(chǎn)生類似石油的物質(zhì)[8]。
   眾所周知，對于某些有機材料在高溫下會發(fā)生碳化，溫度越高碳化反應(yīng)越快，如高溫下淀粉溶液會碳化形成強度更高的膠質(zhì)狀產(chǎn)物，且滿足化學(xué)反應(yīng)定律中的溫度時間補償理論，溫度影響著反應(yīng)時間，溫度不足可用延長反應(yīng)時間來彌補。若篩選的有機高分子吸水材料在儲層溫度下可發(fā)生碳化反應(yīng)，而這種碳化反應(yīng)與黏土礦物的熱催化又息息相關(guān)，那么將對有機高分子吸水材料用作完井液有著積極的意義。在射孔彈爆炸瞬間，炮眼中巖石可產(chǎn)生400～600℃高溫，根據(jù)溫度時間補償理論，瞬間高溫便可加速有機高分子吸水材料的碳化(熱催化)反應(yīng)，致使有機高分子材料在射開孔眼瞬間便形成致密的碳化化學(xué)暫堵層，那么對氣藏保護是極為有利的。筆者認為對溫度較高的儲層保護思路可結(jié)合有機高分子吸水材料的碳化理論來研究，若本身可起物理暫堵功能的完井液在地層溫度(包括射孔帶來的瞬間高溫)下與周圍介質(zhì)反應(yīng)生成另一種韌性更好的化學(xué)暫堵層(膠質(zhì)層)，這種物質(zhì)也可起到較好的暫堵作用，勢必會對保護儲層完井液體系的構(gòu)建有著變革性的意義。
    筆者在這方面作了許多探索性研究，2007年曾報道了固化水工作液在壓井修井中的成功應(yīng)用一文[9]，證明了有機高分子吸水材料用在壓井液方面是切實可行的，本文研究中重新制備篩選出了一種有機高分子吸水材料，研制出了可滿足東海地區(qū)低滲氣層完井作業(yè)的一種新型無(低)滲漏完井液體系。
3 新型無(低)滲漏完井液體系
    無(低)滲漏完井液主要由有機高分子吸水材料膠凝劑、絡(luò)合淡水中二價陽離子的螯合劑、調(diào)節(jié)流變性的穩(wěn)定劑組成。基本配方為：淡水+0.5%螯合劑YF-1+1%～2%膠凝劑SW-1+0.5%穩(wěn)定劑WDJ-1。完井液由毫米級的軟顆粒組成，顆粒尺寸分布在0.5～3mm，軟顆粒易變形，有一定強度，該完井液體系用酸液能完全破膠，并能還原成清水(圖1、2)。
 

    有機高分子吸水材料作為無(低)滲漏完井液的核心處理劑，主要起到膠凝自由水作用，在保證泵送前提下，完井液中自由水越少越好，才能有效防止射孔時出現(xiàn)大量漏失而污染儲層，但不能太高，在井下高溫、高壓以及各項作業(yè)下都會有脫水現(xiàn)象，如果吸水倍數(shù)太高，則會產(chǎn)生較多自由水從而加劇低滲透氣藏水相圈閉損害；而吸水材料吸水倍數(shù)太低，在相同情況下要膠凝住同樣自由水，則必然會增加處理劑用量，就會增加成本。
4 體系評價
4.1 理化性能的測定
4.1.1黏度的確定
    在現(xiàn)場可以根據(jù)井下情況：比如漏失情況、壓力系數(shù)不同，來確定壓井液的黏度。黏度確定范圍后，可以調(diào)整配方中膠凝劑的加量，來調(diào)整體系的黏度。根據(jù)室內(nèi)的測定，膠凝劑加量為1%～2%時，淡水完井液體系的黏度為25～120mPa·s可調(diào)。在現(xiàn)場配制時，需專業(yè)人員指導(dǎo)操作，膠凝劑的加量以剛好束縛完體系中的淡水為最佳，同時在此條件下達到體系的最低黏度，以降低泵壓。
4.1.2腐蝕性的測定
    特種元(低)滲漏完井液體系在使用過程中，不能對井下的管材造成過大的腐蝕，所以在室內(nèi)按鹽酸酸化緩蝕劑的評價方法，將N80油管鋼片放于完井液中，在一定溫度下保溫24h，根據(jù)鋼片的失重評價沖砂液對油套管的腐蝕，結(jié)果見表1。
 

    從實驗結(jié)果可知，淡水配制的無(低)滲漏完井液體系對N80管材基本沒有腐蝕，用飽和鹽水配制的無(低)滲漏完井液體系腐蝕很小，不影響管材的正常壽命。
4.1.3與地層水配伍性評價
    平湖油氣田平湖組地層水總礦化度在8000mg/L左右，屬于碳酸氫鈉型。平湖組地層水離子類型較簡單，地層水中陽離子以Na+為主，Ca+、Mg2+次之，陰離子以Cl-，S042-為主，HC03-，C032-次之，在礦化度為8000mg/L的模擬地層水中混入等量的無(低)滲漏完井液后，實驗結(jié)果表明：混合后的溶液沒有發(fā)生沉淀、分層和絮凝，說明完井液與地層水的配伍性良好。但混合液的黏度有所下降，這是由于混合液中增加了水的緣故，同時模擬地層水中的二價陽離子對膠凝劑的吸水能力有所影響所致。
4.1.4高溫老化后的性能
    不同膠凝劑濃度下的淡水無(低)滲漏完井液，在高溫140℃下老化16h后外觀顏色基本沒什么變化，但體系黏度有降低趨勢(圖3)，且有部分自由水析出，存在一定熱降解現(xiàn)象。這是因為在較高溫度下，聚合物在淡水中的溶解性能增加，更高的溫度可能會使聚合物鏈斷裂、交聯(lián)等不可逆反應(yīng)而影響吸水性能[10]。
 

4.2 常規(guī)應(yīng)用性能的測定
4.2.1動態(tài)污染實驗
滲透率恢復(fù)值為120～130，但有沉淀、分層和絮凝，說明與地層水的配伍性良好。但是為考察無(低)滲漏完井液體系在高溫作用下的保護儲層效果即巖心滲透率恢復(fù)值情況，選取目標層4塊巖心進行完井液動態(tài)污染實驗，實驗溫度為120～130℃，動態(tài)循環(huán)正壓差為3.5～4.5MPa，實驗數(shù)據(jù)見表2。
 
    從表2中實驗數(shù)據(jù)可知：低滲巖心自然反排的突破壓力較低，均小于0.4MPa，滲透率恢復(fù)值均超過80%，如果反排時間繼續(xù)延長，巖心滲透率恢復(fù)值還可繼續(xù)得以恢復(fù)，無(低)滲漏完井液所形成的暫堵層完全可以自然解堵，在完井和修井結(jié)束后，無論采用連續(xù)油管或氣舉都很容易誘噴解堵。用酸液破膠后，巖心的滲透率恢復(fù)值會繼續(xù)增加，甚至可超過100%，但對于低滲透氣藏，為減少液相部分滯留而造成水相圈閉損害，不推薦采用酸液破膠。另外，實驗中有了新發(fā)現(xiàn)：巖心端面在高溫下形成了一種黃至黑色膠質(zhì)致密暫堵層，有一定強度，不能用手輕易刮開，深度約3mm(圖4-a)，且隨著實驗溫度增加暫堵層顏色加深(圖4-b、c)，認為是有機高分子完井液在接觸巖心時發(fā)生碳化(熱催化)反應(yīng)所得，這與新型完井液體系的構(gòu)建思路基本一致。
 
濾失性無(低)滲漏完井液體系在動態(tài)污染試驗的前20min，5塊巖心動態(tài)失水速率普遍較大，這可能是因為軟顆粒狀完井液受擠壓時發(fā)生的物理脫水現(xiàn)象，但總量均沒有超過7mL。20min左右，致密的碳化膠質(zhì)暫堵層逐漸形成，加上軟顆粒本身的物理暫堵功能，雙重暫堵下巖心基本不再發(fā)生濾失(圖5)，說明無(低)滲漏完井液高溫下與巖心接觸時發(fā)生的化學(xué)質(zhì)變有利于控制完井液的失水滲漏。從濾失量減少為0的時間可看出，膠質(zhì)暫堵層在120～130℃下形成的時間在20min左右，最低的約6min，如H5-3號巖心，6min左右濾失量就降至為0，這可能與巖心中的黏土礦物類型和總含量有關(guān)。
 

   根據(jù)化學(xué)反應(yīng)定律中溫度時間互為補償理論[11]，在射孔期間巖石瞬間的高溫便可加速擠入炮眼中的有機高吸水材料的碳化(熱催化)反應(yīng)，碳化暫堵層的形成時間將大為縮短，可有效降低完井液的漏失。雙重暫堵模型見圖6。
 

4.2.2替出工藝實驗?zāi)M
    為更好地結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用，模擬作業(yè)完畢后用常規(guī)鹽水完井液頂替出無(低)滲漏完井液時的情景。室內(nèi)選用了兩塊滲透率相對較高的油層巖心，如果高滲層暫堵效果較好，濾失量小，則低滲層的效果將會更理想。實驗溫度為120℃，具體步驟：①先測定飽和地層水后的巖心液測滲透率；②高溫下進行完井液動態(tài)污染實驗1h，并記錄循環(huán)期間的濾失量；③測定巖心暫堵后的液測滲透率，求取暫堵率；④正壓差為3.5MPa下，再用常規(guī)完井液循環(huán)1h，記錄循環(huán)期間的濾失量；⑤測定自然返排下巖心液測滲透率。
    從表3中實驗數(shù)據(jù)可見，兩塊巖心暫堵率均超過99%，1h濾失量在11mL左右，且隨著巖心初始滲透率的降低濾失量略有降低。替出無(低)滲漏完井液后，用常規(guī)鹽水完井液循環(huán)1h，以考察無(低)滲漏完井液暫堵層抵抗鹽水循環(huán)而不至于喪失暫堵能力。鹽水循環(huán)1h期間，總濾失量較之前有所下降，P11-5巖心濾失量降至10mL，H5-12濾失量降至8.5mL，兩塊巖心在初始循環(huán)的5min內(nèi)沒有發(fā)生濾失，說明巖心端面上形成的暫堵層確實起到了較好控制失水的作用，這可極大地降低完井液替出循環(huán)中因濾失對氣層造成的水相圈閉損害。模擬洗井結(jié)束后，巖心自然返排下滲透率恢復(fù)值均在80%以上，可推薦采用氣舉誘噴方式解堵。
5 現(xiàn)場應(yīng)用
    這是第一次在射孔段部分采用無(低)滲漏完井液體系作為射孔液，射孔期間無(低)滲漏完井液在高溫和高壓作用下形成的碳化化學(xué)暫堵層和后續(xù)軟顆粒的物理暫堵層(雙重暫堵效應(yīng))起到了優(yōu)異的保護低滲氣藏效果，在A7s井的完井和之后的再次完井作業(yè)中都沒有發(fā)生漏失。氣舉誘噴投產(chǎn)后，根據(jù)A7s井2008年9月份的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，用Φ8mm油嘴生產(chǎn)，油壓為6.53MPa，產(chǎn)氣量為7.48×104m3/d，產(chǎn)油為2.67m3/d，超過了本井的地質(zhì)設(shè)計要求，后續(xù)的幾口井完井中同樣效果顯著。
6 結(jié)論與建議
    無(低)滲漏完井液通過物理脫水作用在孔眼或井壁上形成暫堵層，并利用井下高溫(120℃以上)引起暫堵層的化學(xué)反應(yīng)，使暫堵層形成膠質(zhì)的人工井壁，有效地阻斷了完井液在低孔低滲儲層的滲漏，解決了低孔低滲儲層完井液滲漏的技術(shù)難題，避免了用常規(guī)思路需對孔喉物性深入研究的前提來選擇匹配粒子的繁瑣，在低孔低滲透氣藏保護技術(shù)上取得了技術(shù)創(chuàng)新。無(低)滲漏完井液體系在高溫下的化學(xué)質(zhì)變是在室內(nèi)和現(xiàn)場施工中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，雖然已經(jīng)做了一些工作，但是還不夠。黏土礦物與有機高吸水材料在高溫下的熱催化機理研究超出了本文研究范圍，將在以后重點研究，進一步搞清楚黏土礦物對類似有機高吸水材料的熱催化作用機理，依據(jù)“暫堵新思路”研制并完善相應(yīng)工作液體系。筆者認為搞清楚不同有機高吸水材料在儲層環(huán)境下的碳化反應(yīng)機理有著非常重要的意義，結(jié)合儲層溫度、壓力、礦化度、黏土礦物等特征研制出高溫下能與其發(fā)生碳化反應(yīng)的有機高吸收材料，并能預(yù)測且控制好碳化反應(yīng)時間使之成為真正的“智能完井液”，將會對未來低滲透氣藏的開發(fā)提供新依據(jù)。
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(本文作者：賈虎1 楊憲民1 蒲萬芬1 趙金洲1 付豪2 郭士生2 劉鵬超1 王瓊3 1.“油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)；2.中國海洋石油股份有限公司上海分公司；3.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部)