有效的高密度井眼沖洗液:鹽基無固相沖洗液

編譯:陳永紅 (西南石油大學)

審校:楊遠光 (西南石油大學)

有效的高密度井眼沖洗液:鹽基無固相沖洗液

編譯:陳永紅 (西南石油大學)

審校:楊遠光 (西南石油大學)

介紹了新的鹽基高密度無固相沖洗液在深水及近海陸架井驅替中的現場應用。新的高密度沖洗液是在新的表面活性劑的基礎上開發的,以確保有效的井眼沖洗、井眼設計參數和頂替模擬。此外,加重隔離液有利于減少高泵壓和井筒壓差。在實例中,用常規水基沖洗液頂替,預計最大泵壓9000 psi,但新設計的略小于3000 psi。密度大于或等于17.5 ppg的高密度沖洗液在沒有降低清潔效率的同時,顯著減小了壓差。

鹽基高密度無固相沖洗液 表面活性劑 驅替模擬程序 油田實例

1 前言

對于許多深水井和高溫高壓井,影響成功頂替的主要因素是頂替隔離液的密度。常規的化學沖洗隔離液是用淡水或低密度鹽水,加入可溶和有效的化學表面活性劑。然而,使用這種低密度隔離液在頂替過程中可能產生大量的操作問題,包括井筒壓差、高泵壓和潛在的需要補充鉆機泵的馬力 (HP)(1 hp=0.746 kW)。

常規的化學表面活性劑在高密度鹽水中不可溶或沒有效果,因此不能用于配制鹽基高密度、低黏度的無固相沖洗液。

隨著化學表面活性劑的發展,“平衡驅替”問題已經解決,化學表面活性劑可有效地溶解在高密度鹽水完井液中。

2 鹽基高密度的無固相井筒沖洗液

高效可溶性表面活性劑已在高密度鹽水完井液中使用。這些表面活性劑與所有鹽水的配伍性都很好,包括鋅基鹽水完井液,并是配制密度為18.5 ppg(1 ppg=120 kg/m3)的高效化學沖洗隔離液的主要成分。應用最近 (Saasen等,2004年;Berry,2005年)提出的流變儀測試程序和室內(Baccigalopi等,2005年)測試方法來研發高密度沖洗隔離液。由于在深水井項目中泥線溫度低,驅替試驗在40℉進行。各種泥漿體系,特別是新的、更難以沖洗的合成油基鉆井液 (SOBM)體系常作為基準來測試新開發體系的有效性。已經開發的無固相沖洗隔離液在現場使用非常好。

在現場,利用這些隔離液來測試特殊泥漿頂替時采用的驅替系統。實際上,頂替作業之前泥漿從現場獲得,并按照先前的程序測試。若結果令人不滿意,那么化學沖洗隔離液需要改進,包括它的化學成分和濃度,以及接觸時間和用量,直到獲得一個合適的隔離液體系為止。雖然新的表面活性劑體系通常是有效的,但是建議將該過程用于每個驅替方案。

隔離液體系是專門為每口井設計的,主要基于被驅替的鉆進或鉆井泥漿以及驅替泥漿的鹽水。井筒因素能夠顯著地影響驅替系統的設計,包括特殊的井身和立管配置;井筒壓力、溫度和容量特性;驅替方法;可能得到的泵送 HP。與頂替模擬程序相結合,擇優隔離液體系確定適當的密度,在頂替過程中實現良好的壓力分布。

3 計算和操作的考慮

其他因素可能非常有助于泥漿的成功頂替。首先考慮改善泥漿性能,通過使用固相控制設備和適當的化學處理使它達到最佳流變性 (如,所需的最低黏度和凝膠結構)。改善泥漿性能有利于有效和高效率地清除泥漿,尤其是在接近油管-套管接觸的區域,這時套管不可能往復運動和旋轉。必要時,運行循環接頭、鉆頭、電刷和刮刀,或者在泥漿調整過程中油管旋轉和往復運動。

鉆井液或鹽水完井液的總用量在一些深海油井中可達 3000 bbl(1 bbl=0.159 m3),立管中1500 bbl,井眼中1500 bbl。在高溫高壓深井中必須控制大用量。人工井底深度達 25000 ft(1 ft=30.48 cm)的井身并不罕見。在這些井中,砂眼的儲存能力、利用率和管理成為重要的考慮因素,尤其是在它自身的頂替作業中。同樣,要求頂替隔離液的混合和儲存有利于復雜的存儲管理和使用。為了減少在鉆井現場的混合和存儲問題,高密度鹽基無固相沖洗隔離液先在陸上預先混合,然后再運到鉆井作業現場。

驅替過程很復雜,可以直接 (泥漿-隔離液-鹽水一個步驟)或間接 (第一步是泥漿-隔離液-海水,其次是海水循環清洗,最后一步是海水-隔離液-鹽水),向前或反向循環。對于深水井,沖洗大直徑立管特別困難。立管清洗可以在總的頂替方案中考慮或用直接或間接的驅替作業單獨頂替。循環閥和專用的立管頂替工具有助于泥漿頂替。

4 頂替模擬程序

在頂替泥漿的隔離液體系設計中限制性因素必須考慮,它與井身和泵送 HP允許的最大循環壓力有關。出于后勤成本的考慮,另外泵送 HP無法實現,頂替過程只能使用鉆井泥漿泵HP來運行。泵壓范圍為3000～4000 psi(1 psi=6.895 kPa)通常是可以接受的。

在隔離液體系設計中的另一個限制因素必須避免,即頂替期間高壓差的形成。因此,當量循環密度 (ECD)的控制是一個重要的設計參數。從頂替模擬程序的使用到合格特殊隔離液的設計,泵送HP、壓力和ECD是輸出參數。

程序輸入參數的選定以頂替方案類型 (即直接、間接、立管處理與循環方向)為基礎。輸入參數包括以下內容:

◇立管構型和深度

◇套管構型和深度

◇井底溫度和壓力

◇管柱構型、底部鉆具組合和深度

◇循環閥的數量、類型和位置

◇鉆井液性能,包括流變性/密度

◇鹽水完井液性能,包括流變性/密度

◇隔離液種類、體積和順序

◇隔離液性能,包括流變性/密度

◇泵率

這些參數,如循環閥數量和位置;隔離液種類、順序、體積和性能;還有泵率,都可以控制,且滿足油田中頂替的需求。

因此,選擇所需的最佳頂替程序,用頂替模擬程序來模擬運行。選定的參數,如數量、密度、黏度和/或隔離液體積和/或泵率是不同的,同時監測輸出參數。在正向和反向循環方向上模擬運行直接或間接的頂替過程,對于頂替深水井立管有著不同的選擇。對于循環閥和專用的立管清洗工具模擬運行也有不同的選擇。要求最優頂替方案的流量與預期流量相符合。

5 結果與討論

在所有實例中,都設計了頂替方案,使用允許的最大流量和優選的高密度鹽基無固相井筒沖洗液(HD-WCF)。由于其密度,HD-WCF隔離液減小了所需的泵壓,從而允許紊流具有更大的泵壓。因此,HD-WCF隔離液在紊流狀態下循環能有效清洗井眼。此外,HD-WCF隔離液體系使井眼處于水潤濕狀態。

5.1 實例1

此實例中的立管部分采用間接頂替方式,首先從13.5 ppg合成油基鉆井液 (SOBM)到海水,然后,在井眼直接頂替后,海水被10.6 ppg鹽水完井液頂替。當 HD-WCF代替了常規的隔離液時,觀察到這口深水油井的泵壓顯著降低。最高泵壓從5860 psi降低到3771 psi,在用戶限定的鉆機極限約4000 psi范圍內。同樣,泵送 HP指示了類似的趨勢,最高值從574 hp減小至547 hp。隨著驅替模擬的運行和隔離液被泵送到井筒,頂替模擬程序跟蹤的流量和壓力是頂替用量的一個函數。對于HD-WCF的頂替如圖1所示。泵壓保持在用戶要求的4000 psi的極限以下,與常規隔離液體系相反,加入約1000 bbl后其泵壓上升到5860 psi(圖 2)。

圖1 實例1中的 HD-WCF體系

ECD也作為頂替用量的一個函數被跟蹤。對于實例1,在整個頂替過程中,HD-WCF頂替的ECD均顯著高于常規隔離液的頂替。比較用量為1250 bbl和1500 bbl(13.5 ppg和12.5 ppg) 的HD-WCF隔離液體系 ECD的值 (圖3)和常規隔離液體系在相同體積 (12.0 ppg和11.3 ppg)下的ECD值 (圖4)。在每個實例中,HD-WCF隔離液體系提供更高的ECD值和相對較低的壓差。

圖2 實例1中的常規體系

此外,高密度重晶石加重的隔離液 (約17.5 ppg)通常用作一級或二級隔離液,二級重晶石加重的隔離液密度要達到12.0 ppg以改善井內水力因素。

實例1的現場數據證實,在這口井中 HDWCF隔離液成功頂替了SOBM。頂替完成后短程起下鉆,對井中返出的鹽水完井液測定表明,只存在7個傳熱單元數 (NTU)。短程起下鉆后7NTU說明它是一個非常有效的頂替過程。事實上,從井中循環后返出的鹽水完井液很干凈,沒必要對鹽水完井液進行40多小時的循環和過濾,這大大節省了時間。

圖3 實例1中的 HD-WCF體系,25652 ft深

5.2 實例2

此實例描述了另一口深水油井的頂替。立管部分間接頂替,首先是13.5 ppg的 SOBM,其次是海水;然后,井眼直接頂替,海水被11.6 ppg的CaBr2鹽水完井液頂替。類似實例1,當使用 HDWCF隔離液時,泵壓保持在規定的范圍內 (圖5和圖6)。在26213 ft深處,當 ECD值保持在12 ppg以上時,井筒壓差也保持在較低值。比較圖7中用量為1000 bbl和1500 bbl(13.3 ppg和12.5 ppg)的HD-WCF隔離液體系和圖8中以同樣用量 (11.9 ppg和11.7 ppg)的常規隔離液體系的ECD值。在每個實例中,HD-WCF隔離液提供了更高的ECD值和相對較低的壓差。

圖4 實例1中的常規體系,25652 ft深

圖5 實例2中的 HD-WCF體系

圖6 實例2中的常規體系

實例2的現場數據證實,在這口井中 HDWCF隔離液成功頂替了13.5 ppg的SOBM。頂替完成后短程起下鉆,對井中返出的鹽水完井液測定表明,只有18NTU。

圖8 實例2中的常規體系

5.3 實例3

實例3是一個極高密度陸架井,它再一次證明了使用HD-WCF隔離液的優勢。18.2 ppg的水基泥漿直接被17.6 ppg的鋅基鹽水完井液頂替,只有刮刀器和一個循環閥用來協助頂替作業。在17.6 ppg鋅基鹽水完井液之前,頂替組由17.6 ppg重晶石加重隔離液、18.5 ppg HW-WCF隔離液、17.6 ppg黏性隔離液組成。在這個實例中,17.6 ppg重晶石加重隔離液還含有油基沖洗劑。通常情況下,化學沖洗添加劑不添加到重晶石加重隔離液中,因為高固相含量和黏度大幅度降低了添加劑的效果。這種重晶石隔離液對于其本身是無效的。

首先,使用 HD-WCF隔離液泵壓低于4000 psi,而使用常規隔離液泵壓為9902 psi。泵壓實現時最大泵送 HP也顯著減少。顯然,使用 HDWCF隔離液能明顯控制井筒壓差和保持高的ECD。在17500 ft井深中,使用 HD-WCF隔離液其最低井筒壓力和ECD分別是16229 psi和17.83 ppg,而常規隔離液其最低井筒壓力和 ECD分別是7859 psi和8.64 ppg。HD-WCF隔離液控制井眼壓力和ECD的能力使鉆井操作成本大大下降。

實例3的現場數據證實,在這口井中 HDWCF隔離液成功頂替了水基泥漿。頂替完成后短程起下鉆,對井中返出的鹽水完井液測定表明,只有25NTU。

5.4 實例4

這個項目描述了超過76°的大斜度深水井對高密度泥漿的頂替過程。15.4 ppg的SOBM被15.2 ppg鋅基鹽水完井液頂替。12.0 ppg隔離液小段塞被設計為無鋅基隔離液,并配制溴化鈣鹽水完井液,以減少初始成本和處置成本。一起頂替井眼和立管允許作業管柱旋轉和往復運動,并在頂替期間達到湍流,同時避免在較低的井眼部位管柱靜止在套管壁上。由于預見到套管磨損,這一選擇不可取,因而兩級頂替 (立管,然后井眼)的使用被再次認可。立管部分間接頂替,首先是15.4 ppg的SOBM,再是海水,然后井眼直接頂替,從15.4 ppg的SOBM泥漿到15.2 ppg鋅基鹽水完井液。在立管中海水被15.2 ppg鋅基鹽水完井液頂替。類似第一和第二個實例,設計泵壓為4100 psi,最大鉆機壓力為4500 psi。

隨著較高泥漿的加重,存在潛在的最高井筒壓差。然而,在17005 ft處井筒壓差保持在較低值,而ECD保持在14 ppg以上。HD-WCF隔離液預先混配、標記,并從陸地鹽水設施運到25 bbl船用便攜箱 (MPT)中。MPT提供安全運輸,并確保井隊人員安全和方便操作。由于溴化鈣隔離液對頂替壓力的控制,減少了較貴溴化鋅鹽水的使用,在頂替過程中產生的有害物質較少,從而降低了相關的安全與環境問題。

實例4的現場數據證實,在這口井中 HDWCF隔離液成功頂替了SOBM。頂替完成后短程起下鉆,對井中返出的鹽水完井液測定表明,只有15NTU。

6 結論

◇HD-WCF可高效地頂替SOBM和WBM;

◇HD-WCF隔離液給工程師提供了必要的完井工具,以有效控制泵壓、井筒壓差和ECD;

◇HD-WCF隔離液減小泵壓,通過紊流得到最大泵率和清洗效率,最大限度地節省了時間,減少了潛在額外泵送HP的需求;

◇HD-WCF隔離液優化了驅替方案;

◇驅替軟件與驅替模擬程序類似,是設計和優化驅替方案的強大工具。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.012

資料來源于美國《SPE Drilling&Completion》2008年3月

2008-12-11)