具有最低地層傷害和突出降濾失性能的有機可溶聚合物

編譯:江匯 (勝利油田分公司采油工藝研究院)張守文 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

審校:張妍 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

具有最低地層傷害和突出降濾失性能的有機可溶聚合物

編譯:江匯 (勝利油田分公司采油工藝研究院)張守文 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

審校:張妍 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

微凝膠結構的合成聚合物具有突出的濾失控制能力和最小的儲層傷害特性,其性能堪與OBM/SBM鉆井液體系相媲美。對聚合物結構及流體溶解度的優化可以得到一種多功能、經濟有效的濾失控制劑。聚合物所具有的獨特微凝膠結構使該聚合物顆粒能夠膨脹、堆積,形成薄而致密有效的泥餅。在生產過程中,微凝膠顆粒能夠在剪切應力作用下變形,使得該聚合物在地層流體作用下能夠有效地從孔隙返出 (這比非變形的處理劑更有效),從而降低了對產層的傷害。該聚合物能夠對鉆井液的流變性產生影響,在所要求的條件下提供較低的剪切黏度。本文給出了室內和現場應用的滲透率恢復數據,從數據可以看出,該有機可溶聚合物鉆井液體系對地層傷害很小,從而驗證了其有效性。給出了在類似化學結構基礎上改進的聚合物的數據,表明該改進聚合物能夠在溫度更高的極端條件下使用。

可溶性聚合物 地層傷害 降濾失性 井壁穩定 潤滑性

1 引言

由于具有突出的潤滑性、高效的鉆進速率和優良的熱穩定性等特點,合成基鉆井液 (SBM)和油基鉆井液 (OBM)體系常被用于復雜井眼的鉆進,如長段的高陡構造井段和/或高溫高壓(HTHP)井。但是,如果鉆井液在過平衡條件下長時間浸泡地層,就很可能發生鉆井液漏失或侵入儲層巖石,從而減少產量。

在泥餅形成的最初階段 (內泥餅形成階段),經常有固體顆粒侵入地層,引起地層傷害。要降低泥餅的地層傷害,主要是要形成一個非滲透性外泥餅層,而外泥餅最好是在鉆井液一接觸到儲層巖石時就開始形成。在泥餅形成后,濾失過程就由泥餅自身而不是巖石孔隙來控制。

在OBM/SBM鉆井液體系中,經常會使用一些其他處理劑來提高泥餅質量,降低地層傷害。這些處理劑可以分散或者溶解于油相中。新的用作濾失控制劑和橋堵劑的合成聚合物,是具有獨特微結構的系列有機可溶聚合物。通過優化聚合物的結構、溶解度和交聯密度,在維持較低成本的同時,可以提高鉆井液濾失控制性能。從濾失控制和地層傷害等方面,對該合成聚合物與包括天然瀝青和胺化天然瀝青 (ATL)在內的常規處理劑進行比較。

2 濾失機理和特征

鉆井液的濾失過程包括兩個不同階段。第一階段,瞬時濾失。對應著濾失的初始階段,它代表了鉆井液在孔隙介質中的快速侵入。在這個階段,鉆井液中固體顆粒侵入巖石孔隙內,在被侵入地層內幾厘米時形成內泥餅,如果固體顆粒橋堵作用明顯,則侵入速率快速降低。在此階段,鉆井液濾液和儲層流體之間不會發生相互作用,初始瞬時濾失是破壞相,油相濾液的進一步濾失并不能改變鉆井液造成的儲層傷害程度。

第二階段,開始形成外泥餅。泥餅厚度的增加和穩定性都受到鉆井液水動力條件的影響。在靜態條件下,泥餅厚度增量是時間的函數,濾液增量與時間的二分之一次方成正比。在動態條件下,泥餅厚度和滲透率是常數,不隨時間發生變化,而濾液增量則與時間成正比。

對于水基鉆井液而言,儲層傷害與內泥餅形成和含有聚合物的鉆井液濾液的侵入所導致的儲層流體滲透率降低相關。對于OBM和SBM體系而言,地層傷害與固體顆粒的侵入和濾液中表面活性劑與地層相互作用相關。在OBM和SBM的體系中,濾液中含有基油和油溶性物質 (如乳化劑和潤濕劑)。濾液的侵入必須得到控制,防止其與地層流體相遇發生乳化作用,并防止其與地層黏土發生相互作用。但是,在濾液中表面活性劑的存在,會使巖石的滲透率增加,從而使其滲透率恢復值超過100%。

3 有機可溶聚合物

本文所描述的合成聚合物是一類范圍很寬的具有獨特微結構的有機可溶聚合物,這種微結構能夠使OBM/SBM鉆井液體系在HTHP條件下明顯降低濾失量,減小地層傷害。通過優化聚合物顆粒的形態、溶解度和交聯密度,可以使該聚合物在維持較低成本的同時,提高鉆井液濾失控制性 [其濃度低達0.5～4.0 lb/bbl(1 lb/bbl=2.853 kg/m3)],而且該聚合物還可以在多種有機流體中使用。這種獨特的微結構可以使聚合物顆粒在OBM/SBM鉆井液體系中發生膨脹,在剪切作用下能夠發生可逆變形。

3.1 聚合物溶解度和膨脹性

設計不同的有機可溶聚合物單體組分,使該聚合物在OBM/SBM鉆井液體系所用到的所有基油(從瀝青到柴油不等)中具有良好的溶解性。

可溶性聚合物顆粒與基油接觸后就開始發生膨脹。顆粒交聯核吸附了一些油后體積增加,而在顆粒周圍的線性聚合物在溶液中開始伸展。

對聚合物溶液進行流變學測試來表征聚合物的膨脹特性 (聚合物在低毒性礦物油 (L TMO)中的濃度高達15%),結果表明,聚合物的膨脹性可以通過凝膠黏溫曲線上發生突變來表征。黏度的增加歸因于兩種現象:①聚合物顆粒交聯核對油溶劑的吸附;②伸展在溶液中的線性聚合物主鏈之間的相互作用。

3.2 濾失機理

在鉆井液中,聚合物顆粒發生溶脹,溶脹顆粒柔軟,在剪切或者壓力條件下會發生變形。并且顆粒周圍線性伸展的主鏈能夠與鉆井液中其他膠體顆粒 (水滴或固體顆粒)發生相互作用。

在鉆井液濾失過程中,溶脹聚合物顆粒發生軟化,與其他膠體顆粒發生作用,形成一層薄而柔軟的外泥餅。在內泥餅中,聚合物顆粒 (軟、可變形的)嵌入地層的孔隙中,起到減小鉆井液濾失量和降低固體顆粒侵入的作用 (圖1)。

3.3 地層傷害

在濾失后,內泥餅中的聚合物顆粒仍然保持溶脹和柔軟的狀態。該溶脹、柔軟的微凝膠顆粒在地層孔隙回流壓力的剪切作用下會發生變形,顆粒發生變形后,不僅顆粒形貌發生變化,而且由于油從交聯內核中被排斥出來,體積也會變小。相對于目前常用的非變形、非溶解處理劑而言,聚合物顆粒形貌和體積的改變使其在地層中回流的返排更有效。這種性質能夠極大地降低由固體顆粒侵入產層導致地層傷害的幾率。

圖1 溶脹微凝膠顆粒與地層表面的其他固體顆粒發生充填作用形成一層柔軟的泥餅,從而降低濾失量和減少小固體顆粒的侵入

4 鉆井液配方和測試方法

在研究中對比了不同的處理劑,其中包括有機可溶微凝膠聚合物、天然瀝青和胺化天然瀝青(ATL)。表1分別給出了密度為9.8 lb/gal(1 lb/gal=119.826 kg/m3)、油水比為70∶30的鉆井液體系和密度為15.0 lb/gal、油水比為80∶20的鉆井液體系兩組配方。所用基油均為低毒性礦物油。在兩組配方中所用到的加重劑和氯化鈣鹽水是不同的。這兩組配方涵蓋了現場應用的大部分配方。

表1 用于濾失和地層傷害測試的不同鉆井液配方

在120℉下用Fan 35流變儀測定測試流體的流變學性質;在120℉下用API電穩定性測試儀測定測試流體的電穩定性 (ES);在300℉和500 psi(1 psi=6.895 kPa)壓差條件下,采用API標準濾失儀測定測試流體的濾失量。

在動態濾失和滲透率恢復試驗中所用到的巖心是 Gres des Vosges砂巖巖心,用以測試鉆井液的濾失性和地層傷害性。對砂巖的礦物學分析表明,其成分包括85%石英、9%長石、5%伊利石和1%的蒙脫石。砂巖中的活性細顆粒含量低,這有利于甄別地層傷害的原因。

試驗用巖心在真空條件下用組分為40 g/L NaCl、5 g/LKCl的鹽水來飽和。在流動速率為10 mL/h條件下,通過鹽水在飽和巖心中的流動來測定鹽水滲透率(Kw)。只有具有高的鹽水滲透率(Kw)的巖心可以用于動態濾失和滲透率恢復試驗。然后,在反方向以10 mL/h的速率注入原油(FAB),測定巖心的剩余水飽和度 (Swi)。在 Swi和不同流動速率下測定油相滲透率,記為非傷害初始滲透率(Ko)。表2給出了試驗中不同巖心的性質。采用 Hassler巖心夾持器夾持巖心,進行濾失測試。

表2 用于測定有機可溶微凝膠聚合物和天然瀝青處理的OBM體系濾失的巖心的性質

采用具有錐板和平板兩套測量模式的動態濾失測量儀測定體系的動態濾失量,所用過濾介質為濾紙或 Gres des Vosges砂巖巖塞 (濾板)。錐板/平板兩種模式使得在整個過濾表面能夠維持很高而且穩定的剪切速率,最高可達1 200 s-1。砂巖巖心直徑為33 mm,長度為70 mm。在動態濾失測試中采用氮氣加壓,壓差可高達100 bar(1 bar=0.1 MPa)。過濾單元能加熱到212℉。在測試前需要提前建立砂巖巖心的剩余水飽和,使該多孔介質最大程度地模擬近井壁地層的井底飽和條件。在這種條件下測定的濾失量和地層傷害性質更能真實地反映井下的濾失情況和地層傷害情況。

5 結果與討論

5.1 API鉆井液性能測試

表3給出了15 lb/gal測試鉆井液流體在150℉下熱滾16 h后的流變性質、電穩定性和濾失量。

鉆井液流體的高溫高壓濾失量測試結果表明,微凝膠聚合物的濾失控制性要比天然瀝青和胺化天然瀝青 (ATL)的更佳。為了獲得與微凝膠聚合物相同程度的濾失控制能力,天然瀝青和胺化天然瀝青的濃度要分別增加2倍和6倍,并且其他性質變化不大。

對比了具有近似相等濾失量的幾類鉆井液流體測試后的濾液和泥餅的質量。微凝膠聚合物體系所獲得的濾液澄清度最高,而其他濾液則含有一些黑色顆粒。微凝膠聚合物體系所獲得的泥餅要比天然瀝青或胺化天然瀝青體系的泥餅更薄、更致密 (穩定)。

在9.8 lb/gal測試鉆井液體系中,微凝膠聚合物的濾失控制能力要比典型天然瀝青處理劑的濾失控制能力稍強 (表4)。低油水比、低老化溫度和低測試溫度都會使不同配方的濾失量之間的差異降低。所用的微凝膠聚合物濃度對流體的流變性質的影響相當大,因此,使用微凝膠聚合物來控制鉆井液的濾失量是非常有利的。

表3 微凝膠聚合物、天然瀝青和胺化天然瀝青 (ATL)對15 lb/gal OBM體系的影響

表4 微凝膠聚合物和天然瀝青對9.8 lb/gal OBM體系性能影響的對比

5.2 巖樣的動態濾失和返排試驗

在176℉和500 psi壓差下,把密度為9.8 lb/gal的鉆井液體系注入到高滲透性砂巖中進行動態濾失測試,測試時的剪切速率為66 s-1。濾失液體體積隨時間的變化如圖2所示。

從微凝膠聚合物的濾失曲線可以看出,一旦形成高質量泥餅后,濾失速率趨于穩定,并小于天然瀝青鉆井液體系。這表明,天然瀝青鉆井液體系的內泥餅和外泥餅的滲透性都要比微凝膠聚合物鉆井液體系的高。

滲透率恢復和返排測試是在高滲透率砂巖中進行的。滲透率恢復測試結果在表5中給出。分別由微凝膠聚合物和天然瀝青構成的密度為9.8 lb/gal的兩類OBM鉆井液體系的回流壓力隨時間變化的剖面在圖3中給出。

圖2 在176℉和500 psi壓差下,把密度為9.8 lb/gal的鉆井液體系注入到砂巖中獲得的動態濾失曲線

表5 密度為9.8 lb/gal的天然瀝青鉆井液體系和微凝膠聚合物鉆井液體系的滲透率恢復數據

圖3 密度為9.8 lb/gal的OBM鉆井液體系的回流壓力曲線

滲透率恢復測試結果表明,在滲透率恢復值為97%時,微凝膠聚合物對地層的傷害要比天然瀝青小,這與形成的泥餅質量和侵入的固體顆粒含量密切相關。

返排測試結果表明,這兩類鉆井液體系的啟動壓力相當,但在返排清除孔隙殘余污染時存在較大差異。天然瀝青鉆井液體系開始表現出很好的清洗效率,其返排壓力穩步下降;但是,在隨后的測試中發生較大幅度的突然波動。這種起伏性和隨后的壓力升高表明,由于細顆粒的運移導致了清洗的中斷,這常見于濾液侵入階段。反之,微凝膠聚合物鉆井液體系的返排壓力表現出持續降低,最終在一個較小的壓力下達到平衡,表明清洗相對容易和穩定。這歸因于微凝膠聚合物顆粒在剪切條件下能夠發生變形,隨著返排能夠容易和有效地流出孔隙。

6 現場應用

微凝膠聚合物在鉆井液領域中的應用已經有幾十年的歷史,其應用范圍從特殊用途到一般用途不等。但是該類應用所取得的進展大多都與油基或合成基鉆井液相關,從在柴油和礦物油基鉆井液體系的應用到在更具環境友好特征的低毒性礦物油、石蠟油和合成基鉆井液中的應用,經歷了較快的發展歷程。在所有這些例子中,所用的基液與前面柴油的溶解能力差異較大,使得在這些基液中加入常規降濾失劑并沒有獲得預想的效果。

在過去幾年中它們的應用非常廣泛且非常普遍,很難證明它們與常規處理劑 (如天然瀝青和褐煤)的比較優勢。在濃度為2 lb/bbl時,所有這些基油的濾失量都很容易控制在4 mL以下 [在壓差500 psi和溫度250℉條件下]。最終形成的泥餅與上述的室內實驗結果類似,都很薄、致密和柔軟,在鉆井液和地層之間形成一層致密的、相對非滲透的泥餅。在現場泥餅中觀察到的這種性質能夠降低流體對地層造成的傷害,同時還能降低壓差黏附卡鉆發生的可能性。

最近人們對 HTHP井眼的開發興趣也促使人們開始研究不同程度地拓展微凝膠的性能。通過改變其中某個單體的特定性質和交聯密度,可以開發出新的適用于HTHP井眼鉆井使用的微凝膠體系。這種新型微凝膠能夠提供足夠的濾失控制能力,同時對鉆井液的流變性能影響不大。由于設備所限,在HTHP條件下的地層傷害測試并沒有進行,但其濾失量和泥餅質量與前面的微凝膠鉆井液體系類似;因此,可以預期這種新型微凝膠體系也具有與前面的微凝膠體系相類似的最小地層傷害性能。

7 結論

◇對比了有機可溶微凝膠聚合物和典型非溶性濾失控制劑 [如天然瀝青和氨化天然瀝青(A TL)]的濾失控制能力和潛在地層傷害性;從結果可以看出,微凝膠聚合物的濾失控制性和泥餅質量更優,這相應地降低了地層傷害;

◇有機可溶微凝膠能夠吸收基液,其體積發生顯著膨脹。溶脹聚合物在剪切作用下發生變形,使其在與其他細微顆粒相互堆積形成泥餅時更加有效,從而使泥餅的滲透率無論是在動態還是在靜態條件下都顯著降低;

◇在返排過程中,在不阻礙生產的同時,溶脹微凝膠聚合物顆粒很容易清除。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.2.009

資料來源于《SPE 107281》

2008-03-26)