用于欠平衡鉆井的抗高溫高強度凍膠閥及應用

李志勇,馬 攀,陶 冶,薛連云,楊 超,陳 帥,韋火云,李鴻飛

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院,北京 102249; 2.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249; 3.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發研究院,北京 100083; 4.中國石油新疆油田分公司工程技術研究院,新疆克拉瑪依 834000)

用于欠平衡鉆井的抗高溫高強度凍膠閥及應用

李志勇1,2,馬 攀1,2,陶 冶3,薛連云4,楊 超1,2,陳 帥1,2,韋火云1,2,李鴻飛1,2

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院,北京 102249; 2.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249; 3.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發研究院,北京 100083; 4.中國石油新疆油田分公司工程技術研究院,新疆克拉瑪依 834000)

常用凍膠閥技術很難滿足深井高溫作業需求.為充分發揮欠平衡鉆井優勢,研制一種新型凍膠液,在高溫下通過交聯反應,形成作用力極強的空間網狀結構及與井壁的黏結力,達到封隔壓力的要求;評價抗溫性、密封性、耐壓性及破膠性等凍膠封隔壓力所需的性能.結果表明,該凍膠抗溫達160℃,與管壁具有很好的黏壁性,能有效密封井下壓力,耐壓強度高,并且破膠徹底,破膠液利于返排,不影響后續正常的鉆完井作業.該技術可在高溫井中有效封隔井下欠平衡作業引起的氣體涌入,應用效果良好.

欠平衡鉆井;凍膠閥;抗溫性;耐壓性;破膠性;可穿透性

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.009

0　引言

欠平衡鉆井技術產生于20世紀30年代,興起于20世紀80年代.欠平衡鉆井可使地層流體有控制地進入井筒,避免井漏與儲層傷害等問題[1].隨著欠平衡鉆井技術的深入研究和推廣應用,國內外石油公司對欠平衡鉆井技術的要求越來越高,須尋求一種能夠實現全過程欠平衡鉆井的作業方式和方法.凍膠閥作為一種新型的控壓手段,可有效代替套管閥,實現全過程欠平衡鉆井.在欠平衡鉆井及完井過程中,凍膠閥利用自身的強度及與井壁的黏結力封隔井下壓力,消除由井底壓力過大引起的儲層傷害,保護儲層并避免由套管閥失效引起的鉆井事故;同時,降低欠平衡鉆井的作業成本,實現全過程欠平衡鉆井作業[2].2006年,在我國西北地區首次成功進行凍膠閥現場試驗,其技術思想和工藝得到廣泛認同[3].目前,凍膠閥技術在多個油田進行推廣應用,最大應用井深為3 km左右,凍膠閥工作溫度最高可達120℃左右[4].

隨著石油資源勘探開發領域的進一步延伸,深井鉆探技術應用越來越廣.我國未探明石油儲量約為85×108t,其中有73%儲藏在深層;我國常規天然氣資源預測產量為38×1012m3,其中埋藏深度大于3 500 m的天然氣資源占57%[5-6].因此,深部儲層具有巨大的開發潛力,深層的高溫環境成為欠平衡鉆井凍膠閥作業不可回避的問題,現有凍膠閥技術需要進一步提高抗溫性及強度.筆者研發抗高溫、高強度凍膠閥技術,可拓展凍膠閥應用領域,有助于實現深井全過程欠平衡鉆井作業,從而提高全過程欠平衡鉆井綜合服務水平.

1　實驗

1.1藥品與儀器

(1)藥品.增韌劑,分析純,北京現代東方精細化學品有限公司生產;耐溫聚合物、高溫穩定劑,交聯劑,北京石大博源科技有限公司生產;HPAM(水解聚丙烯酰胺),任丘市鑫聚化工有限公司生產;破膠劑,北京正清然科技有限公司生產.

(2)儀器.SF1100高速分散機,常州銘普化工機械有限公司生產;ZNN-D6B電動六速黏度計,青島同春石油儀器有限公司生產;JHT-3新型滾子高加熱爐,現代石油科技發展有限公司生產;高溫凍膠性能測試儀,北京石大博源科技有限公司生產.

1.2原理及配方

凍膠閥的膠液成膠主要是通過成膠劑與交聯劑的交聯反應形成的,其中交聯劑為有機交聯劑.常見交聯反應中,可交聯的基團包括:鈉羧基、酰胺基、羥基、醚鏈中的醚鍵[7].起交聯劑作用的高價金屬離子可解離成多核羥橋絡離子,與水作用生成大量羥基,如Al3+經過解離絡合水解,生成[(H2O)5Al(OH)]2+,再通過羥橋作用和進一步水解作用生成羥基鋁[8].HPAM是水溶性線性高分子聚合物,在水中發生水解作用而溶解分散在水中,濃度增加,自由溶劑減少,高分子基團之間距離減小,使得基團間相互作用增強.同時,HPAM自身帶有可交聯的基團一COOH與一CONH2,交聯劑與成膠劑之間通過羥基、氨基發生作用(見圖1),分子鏈相互連結,分子間填滿液體,最后成為一個整體,自由水包裹在其中,形成聚合物分子間的空間網狀結構,形成凍膠.

圖1　成膠原理Fig.1 The principle of forming gel

在井下溫度作用下,凍膠液在井筒合適位置處形成凍膠閥.利用凍膠液自身的交聯強度及與井壁的黏結性,可有效封隔井下壓力,阻止欠平衡狀態下侵入的油氣向上運移,確保井下始終處于欠平衡狀態,從而最大限度地保護儲層.

凍膠液主要是由HPAM高分子溶液、交聯劑及其他添加劑組成.通過實驗確定配方(質量分數): 1.2%HPAM+5.0%增韌劑+4.0%加重劑+1.5%耐溫聚合物+1.5%高溫穩定劑+1.2%交聯劑+ 0.8%緩蝕劑+0.1%延遲劑.

2　性能評價

2.1砧度測量

現場所用凍膠液在泵送至設計井深之前,凍膠液黏度應保持為100～150 mPa·s或者更低,以保證它具有良好的流動性,能夠滿足地面泵注要求[9].按照實驗確定配方配制凍膠液,利用ZNN-D6B型電動六速黏度計及馬氏漏斗,在室溫20℃下測量不同攪拌時間后的凍膠液黏度,結果見表1.

由表1可知,該凍膠液在室溫下攪拌2.0 h后,黏度趨于穩定,小于75.0 mPa·s,馬氏漏斗時間小于215 s.該黏度可保證凍膠液從地面泵入到井下某一位置前保持足夠的可泵性.

表1　不同攪拌時間的凍膠砧度Table 1 Gel viscosity with different time

2.2抗溫性

當凍膠液注入到井下某一位置后,需要在地層溫度條件下成膠,評價其抗溫性,以分析凍膠液在地層溫度下的成膠情況.在室內,通過凝膠強度判斷其膠體成膠性質.目前,常用評價方法是Sydansk R等提出的凝膠強度代碼法.該方法根據目測結果,將凝膠的強度(Gel Strength Codes,簡稱GSC)分為10個等級,用字母A到J表示,強度逐漸增強,見凝膠強度代碼標準[10].當強度達到C級,表明該凍膠液已開始成膠.

將配制好的凍膠液裝入熱滾爐高溫老化罐中,然后在160℃溫度下進行加熱,測試凍膠液在高溫下的成膠性能.該凍膠液在160℃溫度下加熱1.0～2.0 h開始成膠,3.0 h后凍膠液已完全成膠(見圖2(a)),成膠強度達到F級,成膠性能良好,緊緊黏附在老化罐壁(見圖2(b)).凍膠液在160℃溫度下連續加熱120.0 h后,凍膠性能幾乎沒變化(見圖2(c)),表明它有助于長時間封隔井下壓力處于欠平衡狀態,以完成起下鉆、換鉆頭等作業.

圖2　160℃溫度加熱不同時間后凍膠成膠性能Fig.2 The gelling performance at different times with 160℃heating

2.3可穿透性

凍膠液成膠后成為一個整體,可有效密封井下油氣壓力,以確保井下處于欠平衡狀態.在后續欠平衡鉆完井作業時,作業管柱需要穿過凍膠閥,并且在保證井下壓力密封的情況下,順利實施后續作業.因此,需要凍膠閥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溫凍膠承壓強度測試儀[11],進行凍膠可穿透性評價.將凍膠液倒入儀器7英寸(17.78 cm)控溫成膠管體中,在160℃溫度下加熱3.0 h后,凍膠完全成膠.然后,將質量為10 kg的油管從上部插入凍膠,油管穿透凍膠效果見圖3.由圖3可知,油管能夠在自身重力作用下自行穿透凍膠,阻力較小,并且油管穿過凍膠后,凍膠密閉性沒有受到破壞;當油管拔出后,凍膠可自動愈合,仍能對管柱進行有效密封.

圖3　凍膠閥油管穿透性Fig.3 Tubing penetrating ability of gel valve

2.4封隔壓力測試

利用高溫凍膠承壓強度測試儀,測試凍膠封隔壓力.主要原理是通過控溫成膠管體下部注氣孔,對管體內已成膠的凍膠進行緩慢加壓,通過壓力表讀數確定凍膠可封隔的最大壓力.凍膠在160℃溫度下加熱不同時間后,形成凍膠所能封隔的壓力,結果見圖4.

圖4　凍膠在管柱內成膠強度測定Fig.4 Gelling strength determination of gel within the string

由圖4可知:凍膠成膠強度隨著加熱時間增加而增強,成膠120.0 h內沒有下降趨勢.凍膠在管內加熱7.0 h后,耐壓強度為0.047 MPa/m;當加熱24.0 h后,耐壓強度可達0.090 MPa/m.這表明該凍膠封隔壓力強度大,可根據井下所需封隔壓力設計凍膠液長度.

2.5破膠性

凍膠閥完成封隔壓力測試后,需要進行破膠,以避免影響后續正常鉆完井作業.通過實驗,篩選一種可有效清除所研制凍膠的破膠劑.在160℃溫度下、成膠時間為24.0 h后的凍膠中,分別加入質量分數為6%～12%的破膠劑后,在160℃溫度下對其破膠效果進行評價,結果見表2.

表2　破膠程度效果評價Table 2 Gel breaking degree evaluation of gel breaker

由表2可知:當破膠劑質量分數達到10%以上,只要破膠劑能夠和凍膠充分接觸,45 min后即可實現完全破膠.現場施工時,建議破膠劑質量分數大于10%,破膠時間超過60 min,以保證其破膠效果.

3　現場應用

3.1概況

將研發的凍膠閥技術在遼河油田某井進行現場試驗.該井的鉆井設計井型是水平井,經過三開鉆井到達目的層段,其井身結構設計見表3.

欠平衡鉆井過程中,油氣顯示較好,地溫梯度為3.46×10-2℃·m-1,泥漿密度為1.04 g/cm3,儲層壓力因子為1.08,凍膠設計井深為3 400～3 700 m.

表3　井身結構設計Table 3 Well design profile

根據現場實際,凍膠設計性能為:(1)凍膠閥長度,300 m;(2)氣密強度,15～25 MPa;(3)凍膠下入深度,3 400～3 700 m;(4)抗溫,150℃;(5)凍膠高溫穩定時間,72 h.

3.2施工

(1)配制凍膠液6 m3,保持性能穩定,滿足泵送要求.

(2)用備用立管向環空注入泥漿,節流控制回壓為1.5～2.0 MPa,帶壓起鉆至注膠位置3 700 m.

(3)先用地面專用泵將1 m3清水泵入管線作為前置液,再用泵車注入6 m3凍膠液,帶壓起鉆至3 355 m(凍膠閥頂部兩立柱).

(4)凍膠成膠5 h后,敞開井口起鉆,換鉆頭.

(5)下鉆至3 400 m,準備破膠.

(6)破膠、循環液體.鉆頭提至3 408.00 m,通過泵車向立管注入破膠劑1.2 m3,分6次將破膠劑擠入凍膠閥,2.0 h后下鉆至4 725.60 m循環,共排放破膠液及混合液約15 m3,膠體破膠徹底,隨著破膠液排出,泵壓由14.5 MPa緩慢降至12.0 MPa.

3.3效果分析

現場施工過程中,在凍膠閥未破膠之前綜合監測,氣測全烴峰值為0,破膠后下鉆到底循環,測得全烴最高峰值為66.6%,并點火成功.證明凍膠閥具有良好的封閉井筒的作用,封堵油氣上竄效果顯著,全過程沒有發生油氣上竄.

另外,凍膠閥破膠后破膠液返排至地面順利,沒有對地層和完井工具造成封堵.破膠效果良好,循環洗井返排徹底,實際施工與設計完全吻合.

4　結論

(1)研制凍膠液配方(質量分數):1.2%HPAM+5.0%增韌劑+4.0%加重劑+1.5%耐溫聚合物+ 1.5%高溫穩定劑+1.2%交聯劑+0.8%緩蝕劑+0.1%延遲劑,凍膠在常溫下攪拌2.0 h后黏度保持穩定,可滿足泵送要求.在160℃高溫下,加熱3.0 h后可完全成膠,凍膠穩定時間可達120.0 h以上,有助于現場開展凍膠閥施工作業.

(2)凍膠具有良好抗溫性、黏壁性、可穿透性及高耐壓強度,并且可實現完全破膠.

(3)抗高溫、高強度凍膠閥技術在高溫井中可有效密封井下油氣,且破膠液反排徹底,不影響后續作業,有助于實現全過程欠平衡鉆井作業.

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TE249.1

A

2095-4107(2015)05-0080-06

2014-11-10;編輯:關開澄

國家自然科學基金創新研究群體項目(51221003);國家科技重大專項(2016ZX05044);國家自然科學基金面上項目(51374225);北京市高等學校青年英才計劃項目(YETP0671);國家留學基金項目(201506445008);中國石油大學(北京)優秀青年教師基金項目(2462015YQ0211)

李志勇(1978-),男,博士,副教授,主要從事儲層保護、鉆井液優化設計、油田化學、鉆井廢棄物處理等方面的研究.