南海東部M油田低損害耐溫長效型完井液分析研究

姚磊,蘇樂

(1.中海油服油田化學事業部深圳作業公司,廣東 深圳 518054;2.中海油田服務股份有限公司,廣東 湛江 524007)

南海東部M油田因特殊作業需求,完井后8～20個月才能進行投產作業。如果采用常規的鹽水完井液或者聚合物完井液進行完井作業,完井液在高溫條件下長時間靜置,會發生高溫降解,其降解后會大量漏失到地層中。在完井后不投產的條件下,大量外來流體長時間滯留在儲層中會造成各種儲層傷害[1]。要解決上述問題一方面需要采用對儲層低損害的完井液體系,降低完井液體系對儲層的損害程度;另一方面需要提高完井液的耐溫長效性能,保持完井液在長時間靜置后的流變、抑制、防腐蝕等性能的穩定。

1 低損害完井液研究現狀

1.1 完井液儲層傷害類型

1.1.1 完井液類型

水基完井液體系對儲層的損害主要是由毛細管力效應和水相圈閉導致的各種敏感性損害,比如濾液與敏感性礦物和地層流體不配伍造成的損害[2]。

油基完井液的濾失量相對較少,黏土水化膨脹程度較低,對油氣層的損害比水基鉆井液要低[3]。油基完井液體系對儲層的損害主要是固相顆粒、潤濕反轉和多相流效應導致的固相顆粒的沉降、親水性重晶石和黏土聚結以及體系流變性變化等[4]。

1.1.2 浸泡時間

水基完井液的濾失量較大,侵入地層濾液量、固相含量會隨浸泡時間延長而增加,濾液和固相侵入儲層地層深度也會隨地層受到浸泡時間加長而增大。而且,濾液與儲層敏感性礦物的反應強度也隨濾液浸泡時間延長而加大,加劇儲層損害程度。但是,濾液長時間浸泡條件下,部分堵塞儲層的有機物類固相可能會在高溫下發生降解,恢復儲層滲透率[5]。

油基完井液體系對儲層的損害主要為固相侵入、潤濕性反轉和多相流效應,這3種損害類型受浸泡時間的影響并不明顯。

1.1.3 結垢

礦化度較高的地層水中會溶解有大量的鈣、鎂、二價和三價鐵等離子,在鉆采時,溫度、壓力下降以及天然氣溢出會打破原有的化學平衡,產生碳酸鈣等無機結垢;而且,在油田開發時,含蠟量較高的原油在遇到較高pH值的流體侵入后,會導致瀝青從原油中析出,侵入流體的溫度遠低于油層溫度,石蠟會從原油中沉淀析出,產生有機結垢[6]。

1.1.4 乳化堵塞

完井液濾液和儲層原油接觸會產生乳化堵塞,一方面是在剪切作用力下原油中的天然表面活性劑會形成乳化油滴,另一方面完井液濾液中的乳化劑、潤濕劑等表面活性劑會使地層原油產生乳化現象,發生賈敏效應,堵塞油層。形成的乳狀液黏度和穩定性會決定發生乳化堵塞的儲層損害程度[7]。

1.1.5 降解殘渣

鉆開液經破膠后產生大量的殘渣,易堵塞儲層孔喉,增加流體的流動阻力,影響投產效果,對儲層造成傷害。殘渣量越大,其傷害程度也越大,低殘渣鉆開液更利于低滲油氣藏的開發[8]。

1.1.6 濾餅傷害

隨著鉆開液鉆開儲層,會在巖心表面形成一定厚度濾餅,濾餅一般比較致密,會阻礙流體進入井筒,降低儲層孔喉導流能力,對儲層造成傷害。而完井液在返排過程中,由于地層區域非均質性,濾液返排速度不同,滲透性差的區域,返排很慢以及不返排,濾液會滯留在地層造成傷害[9]。

1.1.7 潤濕反轉

濾液進入儲集層后,有機類表面活性劑常吸附在一些顆粒的表面,會改變儲集層巖石的潤濕性。比如儲集層原始是親水的,潤濕性改變后為親油性,因此當水驅油時,毛細管力就會由動力變成阻力,影響油田的采收率[10]。

1.1.8 流—固耦合影響

井眼附近儲層孔隙中的流體被排出時,由于低滲透儲層天然能量小、傳導能力差、短時間難以補足油井能量的消耗,于是壓力下降,而油層孔隙壓力下降相當于上覆壓力增大,導致儲層骨架發生彈—塑性變形而造成孔隙度減小、滲透率降低,壓力對低滲透油層影響特別強烈[11]。

1.2 低損害完井液種類

1.2.1 無固相清潔鹽水完井液

無固相清潔鹽水完井液主要由無機鹽類(NaCl、CaCl2、NaBr、CaBr2、ZnBr2等)、水、緩蝕劑、pH值調節劑、表面活性劑組成。可用無損害(損害低)的聚合物提黏度、降失水,改善其造壁性;用表面活性劑和防腐蝕劑改善性能。優點在于對水敏礦物有強抑制性,缺點是清潔鹽水黏度低、攜屑能力差、清洗炮眼效果不好[12]。

1.2.2 有機鹽完井液

有機鹽完井液主要是由堿金屬(Na、K等)的甲酸鹽、聚合物增黏劑和降濾失劑等組成。通過加入的有機鹽來調節密度,基液的最高密度可達2.3 g/cm3,可根據油氣層的壓力和完井液的設計要求予以調節。主要有毒性小、安全環保,高密度下易實現低固相、低黏度,高礦化度鹽水能預防黏土水化膨脹、分散運移,鹽水不含鹵化物,不需緩蝕劑,腐蝕速率極低,儲層傷害小等優點[13]。

1.2.3 暫堵型聚合物完井液

暫堵型聚合物完井液主要由暫堵劑、水溶性聚合物、高價鋁、鎂等金屬離子羥基化多核絡合物增黏劑等組成。暫堵劑可在后期通過酸溶等方法消除。

根據固體顆粒的溶解性,可以將完井液體系分為酸溶性體系、水溶性體系和油溶性體系。酸溶性體系主要是有機聚合物碳酸鈣完井液,水溶性體系由飽和鹽水、聚合物、鹽粒和相應的添加劑組成,油溶性體系由油溶性樹脂、鹽水、聚合物添加劑組成[14]。

1.2.4 PRD弱凝膠完井液

PRD鉆開液利用聚合物之間的協同效應,不加交聯劑,成膠溫度和成膠時間要求低,所形成的弱凝膠在低剪切速率下具有高的黏度,井眼凈化性能較強,可以在近井壁形成聚合物泥餅儲層保護效果明顯[15]。

1.2.5 UltraFLO可直接返排完井液

UltraFLO體系是在PRD鉆開液基礎上發展的一種不需要破膠可直接返排完井液。該體系的各種處理劑能夠被完全液化,不需要進行單獨的破膠處理,減少了作業程序和作業周期,降低了鉆完井液漏失的井控風險,最大限度保護了儲層。

1.2.6 高密度無黏土低固相油基完井液

M-I公司為了解決固相污染儲層問題,開發了兩種分別以溴化鈣鹽水和甲酸銫鹽水為分散相的高密度無黏土低固相油基完井液體系。溴化鈣鹽水完井液體系的封堵性、抗溫性和儲層保護性能較強,應用于挪威Aasgard油田;甲酸銫鹽水完井液是固相含量由22%降低到1%的低固相油基完井液,密度可達1.66 g/cm3,在Statfjord油田進行試驗性應用,完井后油井產能提高[16]。

1.2.7 Mn3O4儲層專打鉆完井液

哈利伯頓公司開發了一種不含有機土,由Mn3O4、CaCO3加重和纖維類增黏劑增黏的無黏土油基鉆井液。體系的抗溫可達204 ℃,加重密度可達2.2 g/cm3,高溫高壓濾失量低,克服了油基鉆井液高溫、高壓和高密度條件固相加重材料沉降的難題[17]。

1.3 低損害完井液發展趨勢

經過對完井液儲層損害類型以及現有的儲層保護完井液技術總結和分析,可以認識到完井液不可避免會對地層造成傷害,降低油氣開采效率。但是可以通過開發儲層保護性強的完井液技術降低儲層傷害程度。無固相清潔鹽水完井液、有機鹽完井液、暫堵型聚合物完井液等完井液技術均能起到良好的儲層保護效果,但是,實際井下情況復雜、油氣層并不單一、套管程序限制無法采用專用完井液,只有采用能對付井下各種復雜情況的鉆井液加以改型,以達到既保證鉆進的正常進行,又能保護油氣層。

改型鉆井液作完井液,多是以如何盡量減少鉆井液對油層損害為基礎,使它對油氣層的損害減到最小,優點在于成本低、工藝簡單、對井身結構和鉆井工藝沒有特殊要求。以上部地層用的鉆井液為基礎,結合儲層損害因素、儲層保護要點與措施,按保護油氣層的要求對其改性,形成儲層保護性強,現場應用效果好的完井液體系。主要方法有:

1)降低鉆井液中黏土和其他固相含量、調節固相粒子級配,減少小于1 μm的亞微粒子數量,避免了高分散的黏土顆粒侵入儲層,有利于儲層保護;

2)調整無機離子種類使與地層水中離子種類相似,使完井液液相與油氣層水配伍;

3)提高完井液礦化度達到臨界礦化度以上,調整完井液活度;

4)選用酸溶性或油溶性暫堵劑,加入級配碳酸鈣、Mn3O4等可酸化加重劑,樹脂、石蠟、瀝青類產品等油溶類處理劑,后期可通過酸溶、油溶、遇油破乳、可揮發等方法降低儲層傷害程度;

5)通過使用改性淀粉、殼聚糖、纖維素衍生物等多糖、植物油等可降解生物毒性低處理劑,完井液對環境無損害和污染,或污染可清除。

2 完井液高溫長效性能影響分析

2.1 高溫長時間靜置儲層潛在損傷因素

完井液需要在高溫條件下浸泡儲層長達8～20個月,可能造成完井液性能惡化、引發井下復雜以及存在各種潛在儲層傷害。

2.1.1 聚合物處理劑性能影響

完井液體系常用的,如聚胺抑制劑PF-UHIB、聚丙烯酰胺類包被劑PF-PLH、聚陰離子纖維素降失水劑PF-PAC等處理劑都是高分子聚合物。在長期高溫靜置條件下,高分子聚合物的主鏈和支鏈易斷裂,發生高溫水解,導致處理劑相對分子質量降低。完井液的抑制、包被、降濾失等性能和抗污染能力也發生破壞惡化,引發井下復雜事故[18]。

2.1.2 油套管腐蝕產物影響

隨著溫度的升高油套管材料的抗腐蝕性下降,緩蝕劑也可能會發生長時間失效。所以,長時間高溫條件下完井液對油套管的腐蝕性更大。而且,腐蝕產物(如硫化亞鐵和氫氧化亞鐵)易與地層水中成垢離子(如鈣、鎂)反應生成污垢,造成管道堵塞和儲層傷害[19]。

2.1.3 低滲儲層水鎖損害

部分低滲透儲層的完井液長時間高溫條件下,完井液濾液會在毛管力自吸作用下侵入地層。隨著浸泡時間加長,滯留在地層的液體,也會在毛管力自吸作用下侵入更深儲層,使得儲層滲透率大幅下降,造成嚴重的儲層水鎖損害。

2.1.4 儲層巖石強度影響

長時間浸泡過程中完井液固、濾液相會持續侵入地層,侵入油氣層中的數量隨完井液浸泡時間的延長而增加,完井液液相浸泡會使儲層巖石膠結物破壞、強度降低、引起出砂等事故,固相細顆粒或超細顆粒會侵入儲層造成損害。

2.1.5 完井液降解產物影響

完井液中添加大量的高分子聚合物處理劑在長時間高溫靜置后會發生降解,產生的降解殘余物不僅會破壞完井液的性能,還可能會對油層產生損害。

2.2 提高完井液耐溫長效性能方法

提高完井液聚合物處理劑、黏土的高溫穩定性以及使用除氧劑、過氧自由基去除劑、殺菌劑、表面活性劑、金屬離子絡合劑等處理劑,均能夠提高水基鉆井液的耐溫長效性能。

2.2.1 提高聚合物處理劑高溫穩定性

完井液聚合物處理劑在長時間高溫條件下易發生熱分解、熱水解以及氧化降解作用,提高處理劑的高溫穩定性的方式主要包括化學合成優化聚合物分子結構以及物理復合改變分子間作用力。

聚合物的分子結構決定著它的性能,可以通過選用熱穩定性強的主鏈結構(碳-碳主鏈等)、引入某些剛性側基(多環等)和抗水解能力強的單體單元(磺酸基、羧基等)來提高聚合物的高溫穩定性;也可以通過某些外加劑協同,通過氫鍵、疏水基團締合、靜電作用以及共價鍵微交聯等方式改變聚合物的聚集態結構,提高高溫穩定性[20]。

2.2.2 提高黏土高溫穩定性

完井液長時間高溫靜置黏土和處理劑容易發生高溫解吸附和高溫去水化作用,導致完井液的流變性能和濾失性能發生惡化。目前常通過使用黏土穩定劑來提高黏土的高溫穩定性能。黏土穩定劑分子中應有陽離子,聚合物的陽離子基團吸附能力強,能抑制黏土顆粒的高溫分散能,與有機處理劑形成絡合物,還能與帶負電荷的黏土表面發生牢固且受溫度影響較小的靜電吸附;同時,穩定劑分子中的主要水化基團應選用親水性強的離子基(磺酸基、磺甲基等),陰離子基團有利于處理劑吸附在黏土顆粒表面后能形成較厚的水化膜,使完井液具有較強的熱穩定性[21]。

2.2.3 除氧劑、過氧自由基去除劑、殺菌劑

完井液中添加除氧劑、過氧自由基去除劑可以去除完井液中的溶解氧和過氧自由基,緩解氧化降解作用對高相對分子質量聚合物的破壞作用以及完井液對油套管的腐蝕作用。殺菌劑主要滅殺石油鉆完井產生的腐生菌和硫酸鹽還原菌。腐生菌能夠生物降解淀粉類、纖維素類、生物聚合物類有機處理劑,使完井液處理劑失效;硫酸鹽還原菌能將硫酸鹽還原成硫化氫,產生有毒臭味,腐蝕井下工具[22]。

2.2.4 表面活性劑、金屬離子絡合劑

在完井液中加入表面活性劑可以增加黏土顆粒的分散度,增強黏土護膠聚合物在黏土顆粒上吸附能力,表面活性劑還可與聚合物處理劑形成絡合物,抑制長時間高溫條件下聚合物分子鏈的卷曲。金屬離子絡合也能有效絡合高階金屬離子,消除金屬離子引起的聚合物卷曲,使完井液體系黏度保持穩定[23]。

3 結論與建議

1)完井液對儲層損害除了常見的水鎖、水敏、固相堵塞損害,還主要存在以下損害因素:(1)完井液類型的影響;(2)浸泡時間;(3)有機垢、無機垢;(4)乳化堵塞;(5)降解后殘渣;(6)濾餅傷害;(7)潤濕反轉。

2)無固相清潔鹽水完井液、有機鹽完井液、暫堵型聚合物完井液等完井液技術均能起到良好的儲層保護效果,但是現場完井液體系一般是以上部地層用的鉆井液為基礎,結合儲層損害因素、儲層保護要點與措施,按保護油氣層的要求對其改性,形成儲層保護性強,現場應用效果好的完井液體系。

3)完井液在高溫長時間靜置條件下主要存在以下儲層潛在損傷因素:(1)處理劑高溫降解,引發井下復雜;(2)完井液腐蝕油套管,腐蝕產物堵塞儲層;(3)長時間浸泡低滲儲層水鎖傷害;(4)完井液固、濾液相持續侵入地層,降低儲層巖石強度,堵塞地層空隙;(5)完井液降解后產物堵塞傷害儲層。

4)M油田長效耐高溫完井液體系構建可以以上部地層用的鉆井液為基礎,結合儲層損害因素、儲層保護要點與措施,按保護油氣層的要求進行改性。再根據M油田儲層資料和油田現場的實際情況,油田潛在的儲層損害因素,提高聚合物處理劑熱穩定性,添加黏土穩定劑、除氧劑、過氧自由基去除劑、殺菌劑、表面活性劑、金屬離子絡合劑等處理劑,形成儲層保護性強,現場應用效果好的低損害耐溫長效型完井液體系。