疏松砂巖稠油油藏分枝井眼泥餅破膠清除技術(shù)研究

李蔚萍，向興金，舒福昌，胡墨杰

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074；2.湖北漢科新技術(shù)股份有限公司，湖北荊州 434000

針對(duì)疏松砂巖稠油油藏分枝井的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)鉆井液體系應(yīng)具有以下特性：1)疏松砂巖孔隙大，外來(lái)固相易于侵入，特別是鉆井液中的黏土顆粒侵入會(huì)造成儲(chǔ)層的永久傷害，故要求鉆井液無(wú)黏土相；2)鉆井作業(yè)中，分支井多采用裸眼或篩管完井的方式，因此要求鉆井液易于破膠，通過(guò)化學(xué)方法解除鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害；3)疏松砂巖膠結(jié)性差、砂泥巖互層容易發(fā)生井壁失穩(wěn)，故鉆井液體系應(yīng)具有優(yōu)良的抑制性，能有效抑制鉆屑的水化分散和鉆井液濾液侵入地層造成的黏土膨脹，利于井壁穩(wěn)定；4)疏松砂巖儲(chǔ)層孔隙變化寬并存在應(yīng)力敏感、裂縫性?xún)?chǔ)層縫隙不均勻，屏蔽材料粒徑難以選擇，鉆井液在井壁附近應(yīng)快速成膜封堵，防止鉆井液中固液相對(duì)儲(chǔ)層的深度污染損害；5)疏松砂巖儲(chǔ)層膠結(jié)疏松，鉆井液和鉆井液濾液能通過(guò)孔隙和毛細(xì)管通道進(jìn)入地層深部，造成嚴(yán)重的固液相損害，若鉆井液體系具有較強(qiáng)的束縛水特性就可有效的束縛自由水，增大鉆井液進(jìn)入地層的毛管阻力，增加了濾液侵入地層的阻力，從而減少濾液侵入地層的量和深度；6)疏松砂巖儲(chǔ)層膠結(jié)疏松，孔隙喉道大、孔隙連通性好，鉆井液體系應(yīng)具有較強(qiáng)的防滲漏能力，減少鉆井液對(duì)地層的漏失，提高井壁的強(qiáng)度和抗壓能力，穩(wěn)定井壁；7)多分支井要求鉆井液有較強(qiáng)的攜砂清潔井眼能力，形成剪切稀釋特性好的鉆井液體系[1-6]。

針對(duì)疏松砂巖稠油油藏分枝井的特性室內(nèi)開(kāi)發(fā)高分子膠束鉆井液體系：水+0.15%Na2CO3+0.3%NaOH+1.2%高分子聚合物HCP-H+2%降濾失劑HFL-1+3%JLX-C+3%KCl。在開(kāi)展了高分子聚合物單劑和高分子膠束鉆井液體系的自然熱降解和生物酶降解研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了多支井眼的泥餅破膠清除技術(shù)研究。

1 熱降解研究

1.1 單一聚合物分子鏈熱降解研究

分別將分子膠束鉆井液體系的核心處理劑高分子聚合物HCP-H和降濾失劑HFL-1配成膠液，在80 ℃下進(jìn)行自然熱降解室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高分子聚合物分子鏈的熱降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1可知，高分子聚合物HCP-H在80 ℃恒溫條件下繼續(xù)溶脹，膠液黏度繼續(xù)增大，5 d后出現(xiàn)降解，膠液黏度有所下降，但繼續(xù)恒溫?zé)峤到獬潭葞缀鯖](méi)有增加，自然降解80 d的降解率仍只有18.18%。由此可見(jiàn)，短時(shí)間內(nèi)自然降解可能性不大，必須進(jìn)行破膠工序才能徹底降解。這是因?yàn)楦叻肿泳酆衔颒CP-H為烯類(lèi)單體聚合物，分子的主鏈為C-C，具有較好的熱穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗溫能力，在短時(shí)間內(nèi)不容易發(fā)生熱降解和生物降解，其自然降解性欠佳。

而高分子聚合物HFL-1在80 ℃下有一定降解，分子鏈被打斷后黏度降低，1 d的降解率達(dá)到33.33%，繼續(xù)熱降解黏度基本不變。這是因?yàn)楦叻肿泳酆衔颒FL-1分子結(jié)構(gòu)中含有如圖1所示的相對(duì)易斷裂的1，4-糖苷鍵，易發(fā)生熱降解，從而導(dǎo)致體系破膠降黏，因此具有一定的自然降解性。

圖1 1，4-糖苷鍵結(jié)構(gòu)示意

1.2 高分子膠束鉆井液體系熱降解

將配制好的分子膠束鉆井液用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定黏度后，置于80 ℃烘箱恒溫降解，放置一段時(shí)間，取出冷卻至室溫，高速攪拌5 min后測(cè)黏度，并計(jì)算降黏率，通過(guò)降黏率來(lái)判斷自然降解性。

表2 不同時(shí)間分子膠束鉆井液自然降解實(shí)驗(yàn)

從表2可知，配制的分子膠束鉆井液在一定溫度的作用下，高分子聚合物HCP-H和降濾失劑HFL-1聚合物進(jìn)一步溶脹，充分發(fā)揮協(xié)同作用，使體系黏度逐漸增大，恒溫3 d后，表觀黏度AV增大7 mPa·s；而繼續(xù)恒溫則體系黏度出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，有自然降解。當(dāng)恒溫25 d的降黏率只有16.67%，繼續(xù)恒溫，體系黏度還略有回升；可見(jiàn)，自然降解速度極其緩慢，無(wú)法抵消水分減少引起的黏度增大，這充分說(shuō)明了分子膠束鉆井液體系完全靠自然熱降解是達(dá)不到徹底降解的效果，還必須借助破膠技術(shù)。

1.3 高分子膠束鉆井液體系泥餅的熱降解

室內(nèi)進(jìn)行了井壁泥餅的熱降解實(shí)驗(yàn)：配制高分子膠束鉆井液，加入10%鉆屑(過(guò)100目篩的鉆屑)于其中，在10 000 r/min下高攪20 min，備用；稱(chēng)取用水浸濕后濾紙重量m0后，壓制(鉆井液+10%鉆屑)泥餅30 min，并稱(chēng)重m1；將泥餅放入100 mL水中，在80 ℃溫度下浸泡，取出稱(chēng)重m2，并觀察泥餅變化情況并計(jì)算泥餅失重率。

泥餅失重率%=(m1-m2)×100/(m1-m0)

式中，m0為水浸濕后濾紙或巖心重量，g；m1為高分子膠束鉆井液污染后濾紙或巖心重量，g；m2為破膠液浸泡后濾紙或巖心重量，g。

表3 高分子膠束鉆井液體系井壁泥餅熱降解實(shí)驗(yàn)

空白濕濾紙重量為1.42 g。

加入10%鉆屑后壓制的API泥餅，在80 ℃恒溫浸泡在水中泥餅失重率很小，說(shuō)明高分子膠束鉆井液體系的井壁泥餅基本上不具備熱降解的特性，必須實(shí)施破膠。

2 生物酶降解

2.1 高分子聚合物分子鏈生物酶降解

室內(nèi)分別配制高分子聚合物HCP-H、降濾失劑HFL-1和分子膠束鉆井液膠液，用漢科公司開(kāi)發(fā)的生物酶破膠劑HSW[7]，在80 ℃下進(jìn)行生物酶降解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 高分子聚合物分子鏈生物酶降解實(shí)驗(yàn)

從表4可知，含有1，4-糖苷鍵結(jié)構(gòu)的高分子聚合物HFL-1在生物酶破膠劑的作用下具有較好的生物降解特性，降黏率高達(dá)83.33%；而高分子聚合物HCP-H膠液72 h的生物降解率只有21.21%；含有高分子聚合物HCP-H和高分子聚合物HFL-1的分子膠束鉆井液生物酶降解效果欠佳，降黏率僅有55.56%。這與生物酶破膠劑的酶解機(jī)理有關(guān)[8-10]。生物酶破膠劑的酶解對(duì)聚合物淀粉酶解作用示意見(jiàn)圖2。

圖2 生物酶破膠劑對(duì)聚合物淀粉酶解作用示意

2.2 高分子膠束鉆井液體系泥餅的生物酶降解

室內(nèi)進(jìn)行篩管泥餅的生物酶降解實(shí)驗(yàn)。具體步驟：1)篩管破膠儀內(nèi)筒、外筒裝滿(mǎn)水，打開(kāi)外筒出口閥，在3.5 MPa下測(cè)定污染前篩管濾速；2)在篩管破膠儀內(nèi)筒裝滿(mǎn)(高分子膠束鉆井液+10%鉆屑)污染溶液，外筒裝滿(mǎn)水，關(guān)閉內(nèi)外筒出口閥，升溫80 ℃后，再給內(nèi)筒上部加壓3.5 MPa，污染2 h形成篩管泥餅；3)從內(nèi)筒出口閥放出內(nèi)筒污染溶液后，在內(nèi)筒裝滿(mǎn)水，打開(kāi)外筒出口閥，緩慢加壓至3.5 MPa，觀察加壓過(guò)程中篩管泥餅是否被壓穿，并測(cè)定篩管泥餅的濾速；4)若篩管被堵住，在外筒裝滿(mǎn)水，內(nèi)筒裝滿(mǎn)生物酶破膠液(水+2%生物破膠劑HSW)，在80 ℃下恒溫浸泡一定時(shí)間后，給內(nèi)筒加3.5 MPa，打開(kāi)外筒出口閥測(cè)定破膠后篩管泥餅的濾速。結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 高分子膠束鉆井液體系篩管泥餅的生物酶降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果(按濾速評(píng)價(jià))

從表5可知，生物酶破膠液對(duì)高分子膠束鉆井液篩管泥餅具有一定的生物酶降解作用，能解除部分篩管泥餅，使篩管具有一定的濾速，破膠率小于65%。

3 酸性化學(xué)破膠技術(shù)

在水平井和多分支井鉆井過(guò)程中，無(wú)論是采用篩管完井還是裸眼完井，濾餅清除程度都會(huì)影響完井作業(yè)的效果和油井的產(chǎn)能[11]。

在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，采用機(jī)械方法(水力噴射)和化學(xué)方法(氧化劑法、生物酶法)來(lái)清除濾餅，這些方法各有利弊，使用不當(dāng)會(huì)對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生更嚴(yán)重的損害。水力噴射給儲(chǔ)層引入過(guò)量的水，會(huì)因出砂和水堵導(dǎo)致產(chǎn)能下降，且該法的應(yīng)用效果主要由機(jī)械物理動(dòng)力決定，耗能大、成本高。氧化劑法具有一定的效果，但反應(yīng)活性強(qiáng)，專(zhuān)一性差，在清除濾餅的同時(shí)也會(huì)損壞鉆具，傷害儲(chǔ)層流體，另外氧化劑存在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用的安全隱患。生物酶法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高效環(huán)保破膠技術(shù)，但破膠效果欠佳。因此，筆者采用漢科公司自行研發(fā)的酸性化學(xué)破膠劑HGB對(duì)分支井眼的泥餅進(jìn)一步實(shí)施破膠評(píng)價(jià)。酸性化學(xué)破膠劑HGB和大部分酸(包括無(wú)機(jī)酸如鹽酸HCl和有機(jī)酸)一樣，在一定濃度時(shí)能對(duì)聚合物產(chǎn)生降解作用；另外，酸性化學(xué)破膠劑HGB還能快速溶蝕水平井鉆井液體系中的酸溶性泥餅骨架材料，其作用機(jī)理如圖3和圖4所示。酸性化學(xué)破膠劑HGB主要是創(chuàng)造一定的酸性環(huán)境，使降解聚合物大分子成小分子聚合物(如通常淀粉不顯還原性，但它在催化劑如酸存在和加熱條件下可以逐步水解，生成一系列比淀粉分子小的化合物，最后生成還原性單糖—葡萄糖)，降低泥餅顆粒間的黏結(jié)性的同時(shí)其酸性溶蝕泥餅骨架材料，兩者共同作用快速溶蝕、拆散泥餅，達(dá)到清除泥餅的目的。

圖3 酸性化學(xué)破膠劑HGB使聚合物大分子降解的作用機(jī)理示意

圖4 酸性化學(xué)破膠劑HGB破壞泥餅骨架作用示意

試驗(yàn)用破膠液配方：水+破膠劑5%HGB+2.0%黏土穩(wěn)定劑HCS+2.0%減阻劑HUL+2.0%緩蝕劑HCI。室內(nèi)分別采用浸泡API泥餅法(針對(duì)井壁泥餅)、篩管破膠法(針對(duì)篩管泥餅)和巖心驅(qū)替法(針對(duì)滲透到儲(chǔ)層的濾液)對(duì)高分子膠束鉆井液體系進(jìn)行破膠效果評(píng)價(jià)。

3.1 浸泡API泥餅法

室內(nèi)進(jìn)行井壁泥餅的模擬破膠實(shí)驗(yàn)步驟：配制高分子膠束鉆井液；稱(chēng)取用水浸濕后濾紙重量m0后，壓制高分子膠束鉆井液的API泥餅，并稱(chēng)重m1。配制破膠液，將泥餅放入100 mL破膠液中，在80 ℃溫度下浸泡，取出稱(chēng)重m2，拍照。計(jì)算泥餅失重率。

表6浸泡API泥餅法評(píng)價(jià)破膠效果

條件1#泥餅?zāi)囡炠|(zhì)量/g失重率/%2#泥餅?zāi)囡炠|(zhì)量/g失重率/%浸泡前4.1203.920浸泡5 h1.1296.81.1296.6

圖5 API泥餅浸泡前后實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

從表6和圖5可知，在浸泡高分子膠束鉆井液API泥餅的過(guò)程中，不斷有氣泡冒出，使泥餅松散并脫落，浸泡5 h后泥餅失重率均達(dá)到96%以上，泥餅清除效果較好。

3.2 篩管破膠法

篩管破膠法主要針對(duì)篩管泥餅的模擬破膠，實(shí)驗(yàn)步驟如前，只是將內(nèi)筒水換成破膠液。

表7篩管泥餅法評(píng)價(jià)破膠效果

內(nèi)筒溶液浸泡時(shí)間/h堵塞率/%破膠率/%水000破膠液5710010090.696.8

圖6 篩管泥餅破膠前和在80 ℃破膠液中浸泡7 h后變化

從表7和圖6可知，除酸溶性碳酸鈣外，本身不含固相的高分子膠束鉆井液，在酸性破膠液的浸泡下，7 h內(nèi)能徹底清除掉篩網(wǎng)泥餅，使篩網(wǎng)具有較大的濾速，破膠率高達(dá)96.8%。

3.3 巖心驅(qū)替法

巖心驅(qū)替法可評(píng)價(jià)破膠液對(duì)巖石孔道中高分子膠束鉆井液濾液的破膠情況，試驗(yàn)選用天然巖心，通過(guò)巖心驅(qū)替法來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)破膠液疏通巖石孔道破膠情況。

表8巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(濾液破膠效果)

參數(shù)天然巖心天然巖心巖心號(hào)6#28#(巖心長(zhǎng)度/直徑)/cm6.50/2.595.64/1.60流量/(mL·min-1)0.20.5最高壓力/MPa0.018 30.038 2測(cè)k0時(shí)穩(wěn)定壓力/MPa0.003 30.012 4驅(qū)替時(shí)間/h7.57.0煤油滲透率k0×103/μm2120.0108.9最高壓力/MPa0.022 30.061 0測(cè)k1時(shí)穩(wěn)定壓力/MPa0.003 50.013 0驅(qū)替時(shí)間/h8.58.0煤油滲透率k1×10-3/μm2112.0103.7滲透率恢復(fù)值(k1/k0)/%93.395.2

實(shí)驗(yàn)步驟：1)將天然巖心洗油、抽真空，用地層水飽和，備用；2)煤油正向測(cè)滲透率k0，實(shí)驗(yàn)條件：80 ℃，環(huán)壓2.0 MPa；3)反向用高分子膠束鉆井液動(dòng)態(tài)污染125 min，實(shí)驗(yàn)條件：80 ℃，污染壓力3.5 MPa、環(huán)壓5 MPa；4)浸泡外泥餅后，反向擠入2VP的破膠液后，再在80 ℃下恒溫浸泡7 h；5)煤油正向測(cè)滲透率k1，實(shí)驗(yàn)條件：80 ℃，環(huán)壓2.0 Mpa；6)計(jì)算滲透率恢復(fù)值。

由表8可知，經(jīng)高分子膠束鉆井液污染后的巖心，在破膠液的作用下，巖心的滲透率恢復(fù)值達(dá)90%以上，這說(shuō)明破膠液對(duì)濾液具有明顯的破膠作用。

4 結(jié)論

1)對(duì)高分子聚合物HCP-H、HFL-1和高分子膠束鉆井液體系的80 ℃熱降解評(píng)價(jià)結(jié)果表明，其膠液和泥餅熱降解效果均較差，使用高分子膠束鉆井液體系，必須實(shí)施破膠工序。

2)對(duì)高分子聚合物HCP-H、HFL-1和高分子膠束鉆井液體系的80 ℃生物酶降解評(píng)價(jià)結(jié)果表明，膠液破膠率分別為21.21%，83.33%，55.56%，而篩管泥餅破膠率為62.1%。生物破膠效果優(yōu)于熱降解，但仍無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)破膠要求。

3)對(duì)高分子膠束鉆井液體系分別采用浸泡API泥餅法(針對(duì)井壁泥餅)、篩管破膠法(針對(duì)篩管泥餅)和巖心驅(qū)替法(針對(duì)滲透到儲(chǔ)層的濾液)進(jìn)行破膠效果評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，井壁泥餅和篩網(wǎng)泥餅破膠率均大于96%，巖心的滲透率恢復(fù)值達(dá)90%以上，說(shuō)明對(duì)濾液破膠作用明顯。

4)酸性化學(xué)破膠技術(shù)在渤海油田、冀東油田均試應(yīng)用成功，值得在類(lèi)似油田推廣。

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