川渝油氣田完井液、壓井液體系的應用技術

周效全廖仕孟伍賢柱常宏崗石曉松杜國濱龍順敏周偉

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國石油西南油氣田公司 3.中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程公司

川渝油氣田完井液、壓井液體系的應用技術

周效全1廖仕孟2伍賢柱3常宏崗1石曉松1杜國濱1龍順敏1周偉2

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國石油西南油氣田公司 3.中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程公司

周效全等.川渝油氣田完井液、壓井液體系的應用技術.天然氣工業,2010,30(6):80-83.

針對川渝油氣田砂巖和碳酸鹽巖儲層滲透率差異大,黏土或泥頁巖易發生水化膨脹,深井、高溫、高礦化度、異常高壓或高含H2S;CO2酸性氣藏等因素的多變性難題,結合HSE的要求,提出了特定地層井況對完井修井作業的建議:①根據特定地層井況對完井修井作業進行專門的完井液、壓井液方案設計;②研制新型高效的增黏劑、降失水劑、增效劑、溫度穩定劑、防垢劑、除硫劑和緩蝕劑等添加劑來滿足不同油氣地層條件的需要;③選用可生物降解性好、低毒性的材料來提升完井液、壓井液的環保功能;④通過優化完井液壓井液體系配方技術和集成化技術的系統研究,以滿足川渝油氣田不同儲集層條件的油氣井完井與修井等安全作業以及HSE的要求。

環保性 完井液 壓井液 修井作業 油氣層 保護 防腐

石油天然氣工業的鉆井、完井、修井、生產和增產處理都可能對油氣井的產能造成損害[1]。關于油氣地層損害的機理、損害的診斷和控制地層損害的重要性的論述國內外已發表許多論文[2-3]。運用其理念,能夠以最小的油氣層損害進行完井、修井等施工作業。鉆開油氣層開采初期或中后期,進行完井、修井作業,所采用的完井液、壓井液對完井修井后油氣井產能的影響,主要取決于入井完井液、壓井液類型對產層形成的回壓和產層的滲透率。對于高壓、高溫、高中低滲透、易漏失油氣井,若使用常規鹽水型完井液、壓井液甚至使用轉化的含固相的鉆井液進行完井修井作業,就會因固相或其他不溶物或與地層原生地層水配伍性差的液相大量侵入油氣層而大大降低儲集層滲透率,造成嚴重的油氣產層損害,導致油氣井產能或注入能力降低。

性能優良的完井液、壓井液既要防止地層流體向井筒流動而發生井噴等安全事故,又要防止完井液、壓井液向地層漏失,造成油氣產層滲透率降低,進而導致油氣井的產能或注入能力降低,更嚴重的是會導致井噴,造成作業不安全與環境污染問題[4]。環保性高密度完井液、壓井液體系由于具有與地層巖石、地層流體良好的配伍性,且無黏土無固相、高密度(小于1.35g/ cm3)、高黏度、高切力、攜砂懸砂能力強、高溫穩定性好,較低濾失、較低的地層傷害、較低的腐蝕性以及良好的環保功能特性,可選擇性好,適合高酸性油氣井,可以用作完井液、壓井液、環空保護液、射孔液、頂替液和隔離液等,在國內外油氣井的完井、修井等作業中正愈來愈得到廣泛的應用。

1 完井液、壓井液體系的設計和模擬地層條件性能評價依據

通常完井、開采和修井作業的各個階段使用的流體極少有同地層巖石、地層水組分配伍性良好的。在砂巖或碳酸鹽巖儲集層內,若使用不相容的非天然流體進行作業,就會使該儲集層的微粒或黏土發生膨脹、分散,堵塞地層孔隙,導致井眼周圍砂巖或碳酸鹽巖儲集層的絕對滲透率下降。據有關文獻分析可知,在黏土交換位置上最初的Ca2+和Mg2+被Na+取代后,對NaCl鹽水的滲透率就取決于滲透力和可逆的黏土膨脹。在黏土交換位置上陽離子同晶型交換的影響以及黏土晶格不吸附Na+而吸附K+的趨勢。研究的目的就是用KCl鹽水或具抑制性強的合成流體代替NaCl鹽水作為完井液、壓井液的優點。因此,完井液、壓井液配方設計必須對儲層液體和儲層巖石進行物化特性分析,即要考慮配制鹽水與儲層水在陽離子類型和濃度上相匹配,盡可能保持離子電性平衡甚至趨于正電性。為確定引起地層損害的機理,選擇完井液、壓井液體系必須考慮油氣藏巖石、原生水與外來液體的配伍性、黏土穩定性、乳化堵塞或水敏水鎖、固相侵入和改變儲層的潤濕性。若不能確定或不考慮井下油氣藏條件,有些昂貴的鹽水完井液、壓井液可能引起嚴重的地層損害,盡管其在另外的油氣藏或不同條件下證明效果很好。現場作業利用現有技術可減小諸如完井修井用的高密度鹽水過程中的結垢沉淀和解決高密度鹽水液的長期防垢問題。顯然,不相容流體就會降低地層滲透率,進而降低產能或注入能力,甚至會影響井下安全作業。采用適當的地層損害控制技術將對油氣生產公司產生潛在的經濟影響,在全面了解儲集層物化特性的基礎上,對使用的完井液、壓井液進行模擬儲集層條件的配伍性能評價試驗,以確定具體的完井液、壓井液類型和體系配方。因此,特定地層的完井修井作業只有進行專門的完井液、壓井液設計并進行模擬地層條件性能評價,才能達到預期作業目標,實現優化生產和保護儲集層。

2 環保性高密度增黏降濾失型完井液、壓井液體系的應用技術

當作業工作液密度大于1.35g/cm3時,技術難度愈大。理論上,配制完井液、壓井液的基液鹽水應與儲層水在陽離子類型和濃度上相匹配,以防止結垢沉淀和保持離子平衡甚至趨于正電性,防止頁巖黏土發生水化膨脹,損害油氣層。完井液、壓井液用量大,存在潛在環境污染,對此提出使用無黏土無固相高密度環保性良好的完井液、壓井液體系的思路。在川渝地區,針對常規完井液、壓井液基液鹽水的類型選擇、比例、與地層巖石及原生地層水的配伍性、高酸性氣田、結垢趨勢(碳酸鈣垢、硫酸鈣垢、硫酸鋇垢、硫酸鍶垢、硫化鋅、硫化亞鐵沉淀等)、入井流體的濾失液量大、懸浮能力差、密度受氣溫變化影響較大、乳化傾向、生物毒性與生物降解性問題以及油管、套管、地面設備的嚴重腐蝕問題,采取借鑒國內外發展的前沿先進技術并結合川渝油氣田特點,為此,研制的集成化新技術成果體系基本克服了以上缺點,找出了解決完井液、壓井液體系的關鍵技術。通過集成化技術的系統研究,其關鍵技術特性主要體現如下:

1)徹底改變以往技術聚合物在高密度鹽水中難溶解、易形成“魚眼”或“團塊”,生成微凝膠和體系增黏難、懸浮力差、濾失水量大,引起地層損害。

2)增黏能力和懸浮能力的改善,提高了巖屑的懸浮能力。

3)流體失水進一步減少降低了地層損害。

4)增黏劑、降失水劑、增效劑、溫度穩定劑、防垢劑、除硫劑、緩蝕劑等盡量選用可生物降解性好、低毒性的材料,減輕了環境污染,提高了完井液、壓井液的環保功能。

5)采用熱穩定性材料,使完井液、壓井液的抗高溫穩定性得以提升。

6)具有較高抑制泥頁巖水化膨脹的能力。

7)采用現有技術可減小完井修井高密度鹽水過程的結垢沉淀和解決其長期防垢技術問題。

8)形成適合不同類型 H2S、CO2油氣藏的完井液、壓井液的安全技術體系。

9)基本解決井下油管、套管、地面設備因高礦化度、溴化鹽以及H2S、CO2高酸性氣體的嚴重腐蝕問題。

10)總體上,推廣使用該項集成化技術成果體系,可使完井修井等井下作業事故的不安全性和潛在環境污染問題大大降低,而油氣層的原始地層滲透率可以得到最大限度的保護,并提高采收率。

通過大量研究,所研制的完井液、壓井液體系系列的基礎組分由可溶性無機鹽類、無機鹽結晶抑制劑、增黏劑、降失水劑、頁巖黏土膨脹抑制劑、增效劑、溫度穩定劑、防垢劑、除硫劑、緩蝕劑、防乳破乳劑、鐵離子穩定劑和消泡劑等組成。從 HSE和專業技術角度看,以下為主要添加劑材料的選擇原理及其技術關鍵。

2.1 加重材料的選擇

完井液、壓井液體系所采用的加重材料主要是可溶性無機鹽類,主要用來增加或調節完井液、壓井液的密度,常見的無機鹽及其密度范圍,見表1。對高含H2S的油氣井,進行完井修井作業所采用的體系中不宜采用ZnCl2、ZnBr2作為加重材料,除非采用新型除硫劑技術,以免因產生ZnS沉淀破壞液體性能的穩定性,甚至誘發井下安全事故發生和損害地層。

表1 常見的無機鹽類型與密度范圍表

2.2 無機鹽結晶抑制劑的選擇

完井液、壓井液的密度主要靠加入可溶性無機鹽類進行調節,但因密度增加或氣溫變化,所用的高分子量無機鹽就會結晶析出,為達到所需的密度穩定,就必須加入無機鹽結晶抑制劑。其作用是通過吸附于已形成的無機鹽的微小晶粒表面,阻止晶粒的進一步增大,改變無機鹽與溶液之間的溶解平衡,增大無機鹽的溶解度,從而起到結晶抑制的效果。

2.3 增黏劑的選擇

增黏劑主要用來提升完井液修井液的黏度以增強流體的懸浮能力和控制失水。據資料調研和前人研究經驗總結,環保功能的和利于提黏度及控制失水增強流體懸浮能力的天然聚合物改性材料主要有淀粉類、纖維素類、生物聚合物類、胍膠類和殼聚糖類。

2.4 增效劑的選擇

在高密度鹽水中,若不加入黏度—濾失增效劑,所加入的聚合物型增黏劑、降失水劑很難溶解,其黏度效應、降失水功能較難發揮,甚至形成“魚眼”或“團塊”,生成微凝膠。因此,必須加入黏度—濾失增效劑,才能發揮其功能作用。黏度—濾失增效劑的加入,使得淀粉、纖維素和XC生物聚合物類天然高分子衍生物在高密度復雜鹽水體系中能夠得以舒張、溶解,從而起到增黏、增稠、失水控制的功能作用。

2.5 降失水劑的選擇

純粹的高密度鹽水液作為完井液壓井液,其濾失量相當大,將嚴重損害油氣層。通常要加入抗高鹽度的聚合物降失水劑,以最大限度減少因水敏、水鎖、黏土水化膨脹、改變儲層的潤濕性等因素造成的油氣層損害和達到防塌穩定井壁的作用。

2.6 頁巖黏土膨脹抑制劑的選擇

完井液壓井液必須具有很好的抑制泥頁巖膨脹能力,以減少對地層的損害。頁巖黏土膨脹抑制劑通過在黏土表面靜電作用力,電性中和或正電荷增強,促使黏土的ζ電位降低,壓縮雙電層,雙電層斥力減弱、結合力增強,從而達到抑制泥頁巖膨脹分散的作用,保護地層穩定井壁。

2.7 溫度穩定劑的選擇

當所作業井的井溫大于90℃,因完井液、壓井液中所用的淀粉、纖維素和XC生物聚合物類天然高分子衍生物在高溫下分子易發生降解,故需加入溫度穩定劑,才能增強其抗溫性和有效發揮其功用效果。據資料和實驗研究,聚合醇復合類是淀粉、纖維素和XC生物聚合物衍生物類有效的溫度穩定劑,也是一類環保型的材料。

2.8 高效防垢劑的選擇

對于可能存在結垢趨勢的油氣井,必須在完井液、壓井液體系中使用相配伍的高效防垢劑。防垢劑的作用機理是通過反應+螯合機理和吸附機理起到防垢作用的[5]。室內通過模擬地層水與完井液、壓井液濾液的配伍性情況篩選適合的防垢劑。

2.9 高效除硫劑的選擇

H2S易破壞工作液性能的穩定性,甚至誘發井下作業安全事故和損害地層。對高含硫氣井的完井、修井等井下作業所采用的完井液、壓井液體系必須添加除硫劑,才能滿足安全作業和保護油氣層的要求。高效水溶性除硫劑是一種鐵螯合物,主要由EDTA、DTPA等同鐵螯合而成,除硫速率快,不產生沉淀物,20世紀80年代末至今在國外含硫氣井用完井液、壓井液體系中成為主導產品。該除硫劑在含氧體系中可再生并重復使用,經濟和環保上具有優越性。

2.10 高效緩蝕劑的選擇

完井液、壓井液的高礦化度、溴化鹽以及油氣地層中的H2S、CO2會對地面施工設備及油管、套管產生嚴重腐蝕,故要適當加入緩蝕劑。對含 H2S、CO2油氣地層,當地層水中H2S含量高于5mg/L時,任何好的緩蝕劑均可控制金屬的腐蝕;而地層水中H2S含量低于5mg/L時,則必須使用抗CO2腐蝕的緩蝕劑,才能控制金屬的腐蝕問題[6-7]。

3 保護油氣儲集層完井液、壓井液體系配方技術的開發應用

川東北高含 H2S天然氣田(H2S含量平均高達10%)的大規模發現,給未來的鉆井、完井、修井、射孔等作業環節帶來潛在的重大安全風險,高含H2S井噴事故的發生,映射出我國勘探開發此類特殊氣藏的高技術與高風險性所涉及的科學與技術系統工程問題研究不夠,缺乏相適應的成套安全技術[7]。H2S易破壞工作液性能的穩定性,甚至誘發井下作業安全事故和損害地層,使生產井初期的生產周期縮短,甚至可能降低整個油氣藏的采收率。川渝油氣田的地層及地層流體、油氣組成特性特點:地質構造復雜及地層物性因素復雜多變、砂巖或碳酸鹽巖儲集層,地層巖石流體配伍性,黏土或泥頁巖易發生水化膨脹,深井、高溫、高礦化度、異常高壓或高含H2S或CO2酸性氣藏等因素的多變性,給完井修井等井下作業帶來針對性與選擇性。川渝油氣田總體上可分為兩大類:一類為常規油氣田;另一類為含H2S氣體的油氣田。因酸性或高酸性油氣田的成套開采工程技術對 HSE技術標準要求更高,為保證作業安全、避免發生潛在環境污染、最大限度保護油氣藏,故對完井液修井液的質量提出了更高的綜合技術性能要求。為此,進行完井修井等井下作業必須針對具體油氣藏或新老井的全面信息進行相應的方案設計和室內模擬實驗,篩選優化適用的完井液、壓井液體系配方技術,以保證井下安全作業的順利進行。

3.1 常規油氣田完井液、壓井液體系配方技術的開發應用

常規油氣田因不含H2S氣體,進行完井修井等井下作業選擇的工作液體系大體有幾種:①不含H2S也不含CO2的新井或老井的完井修井作業用完井液、壓井液體系;②不含H2S含CO2的新井或老井的完井修井作業用完井液、壓井液體系;③不含 H2S含凝析油的氣井的完井修井作業用完井液、壓井液體系。

通過借鑒前人研究成果和大量的資料研究并結合探索試驗,優選適合的基液配方組分通常有如下幾類:

1)基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩定劑+防垢劑+緩蝕劑+消泡劑。

2)基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩定劑+防垢劑+抗CO2緩蝕劑+消泡劑。

3)基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩定劑+防垢劑+緩蝕劑+防乳破乳劑+消泡劑。

3.2 酸性油氣田完井液、壓井液體系配方技術的開發應用

H2S酸性油氣田的開發生產整體技術因其對HSE標準要求更高更嚴格,進行完井修井等井下作業選擇的工作液體系大體有幾種:①含H2S不含CO2的新井或老井的完井修井作業用完井液、壓井液體系;②含H2S含CO2的新井或老井的完井修井作業用完井液、壓井液體系;③含 H2S含凝析油的氣井的完井修井作業用完井液、壓井液體系;④高含 H2S的新井或老井的完井修井作業用完井液、壓井液體系。

通過可查新的資料研究和借鑒前人研究成果并結合現狀進行探索試驗,優選適合的基液配方組分有如下幾種:

1)基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩定劑+防垢劑+除硫劑+緩蝕劑+消泡劑。

2)基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩定劑+防垢劑+除硫劑+抗H2S、CO2緩蝕劑+消泡劑。

3)基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩定劑+防垢劑+除硫劑+緩蝕劑+防乳破乳劑+消泡劑。

4)基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩定劑+防垢劑+除硫劑、堿式碳酸鋅、海綿鐵+抗H2S、CO2緩蝕劑+消泡劑。

以上幾種基液形成的常規油氣田和 H2S酸性油氣田的實用完井液、壓井液體系配方技術的常見配方體系7大類密度范圍,見表1。

4 結論與建議

1)川渝油氣田的探井、新開鉆井在鉆探過程中要進一步加強油氣層保護技術應用外,更要注重鉆開油氣產層的完井保護,加大力度采用無傷害或低傷害的新功能完井液技術尤其重要。國內外大量科研實踐研究表明,若原始地層滲透率一旦傷害,即使采用酸化或壓裂技術都很難恢復地層原始狀態,影響正常開發生產,縮短初期的開發周期,降低采收率。甚至酸化、壓裂施工都無法正常進行,更為嚴重的可能造成新油氣井報廢。

2)川渝油氣田的新生產井或老井在修井等井下作業階段使用的工作液應大力提倡采用對油氣藏儲集層無傷害或低傷害的新功能壓井液技術,以保證安全作業順利進行,必將對油氣生產公司產生潛在的經濟影響。

3)應加大對環保性無黏土無固相高密度完井液、壓井液體系技術的現場推廣應用技術研究。它是含硫油氣田安全開發系統工程技術必需的配套安全技術,更加符合HSE標準的新技術體系,值得高度重視。

[1]李克向.保護油氣層鉆井完井技術[M].北京:石油工業出版社,1993.

[2]樊世忠,陳元千.油氣層保護與評價[M].北京:石油工業出版社,1988.

[3]AMAEFUL E J O,梅文榮.地層損害評估的新進展和控制戰略(一)[J].國外鉆井技術,1990,5(1):50-57.

[4]劉平德,劉承華,廖仕孟,等.新型無固相壓井液的研制及性能評價[J].天然氣工業,2005,25(4):83-85.

[5]馬廣彥.油田難溶垢化學處理技術[J].鉆采工藝,2000,22(5):62-66.

[6]周效全,龍順敏.出水氣井泡沫排水采氣化學劑的應用技術[J].天然氣技術,2007,1(5):45-48.

[7]朱光有,戴金星,張水昌,等.中國含硫化氫天然氣的研究及勘探前景[J].天然氣工業,2004,24(9):1-3.

(修改回稿日期 2010-03-11 編輯 鐘水清)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.022

Zhou Xiaoquan,engineer,was born in1962.He graduated from Southwest Petroleum Institute in1985,and has been engaged in the research and application development on oil and gas field chemistry technology for a long time.

Add:No.218,Tianran Rd.,Huayang,Chengdu,Sichuan610213,P.R.China

Tel:+86-28-85604520 E-mail:xq_zhou@petrochina.com.cn

Application of completion and killing fluid systems in Sichuan and Chongqing oil and gas fields

Zhou Xiaoquan1,Liao Shimeng2,Wu Xianzhu3,Chang Honggang1,Shi Xiaosong1,Du Guobin1,Long Shunmin1,Zhou Wei2
(1.N atural Gas Research Institute,PetroChina Southwest Oil&Gasf ield Com pany,Chengdu,Sichuan610213,China;2.PetroChina Southwest Oil&Gasf ield Com pany,Chengdu,Sichuan610051,China;3.Chuanqing Drilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan610051,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE6,pp.80-83,6/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

When wells were drilled in Sichuan and Chongqing oil and gas fields,various problems were encountered such as a big difference in the permeability between sandstone and carbonate reservoirs,hydration swelling which easily occurred in clay and shale formations,sour gas reservoirs with high temperature,abnormal high pressure,and a high content of H2S and CO2,and deep wells with high temperature and high salinity.Therefore,according to the requirement of HSE management,some technical measures were taken for completion and workover work under different well conditions at specific strata.First,a specific scheme for completion and killing fluid system was designed.Second,new additives with a high performance were developed including thickener,viscosity increaser,synergist,fluid loss additive,inorganic salt crystalline inhibitor,temperature stabilizer,anti-scaling agent,desulfurizing agent,and corrosion inhibitor.Third,materials with biological degradability and low toxicity were selected to improve the ecofriendliness of completion and killing fluids.Finally,a systematic study was carried out to optimize the formulation and integrated technology in completion and killing fluid system.Field application has proved that these above-mentioned measures help ensure the safe operation of completion and workover under different reservoir conditions in Sichuan and Chongqing oil and gas fields.

eco-friendliness,completion fluid,killing fluid,workover service,reservoir protection,anti-corrosion

book=80,ebook=231

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.022

周效全,1962年生,工程師;1985年畢業于原西南石油學院化學專業;長期從事油氣田化學應用技術科研工作。地址:(610213)四川省成都市華陽天研路218號。電話:(028)85604520,13540138627。E-mail:xq_zhou@petrochina.com.cn