采用微泡流體技術進行完井修井作業

編譯:何曉慶 (中國石油大學 (北京))

王相春 (中國石油大學 (北京))

張鵬 (中國石油大學 (北京))

審校:鮑文輝 (中海油田服務股份有限公司)

采用微泡流體技術進行完井修井作業

編譯:何曉慶 (中國石油大學 (北京))

王相春 (中國石油大學 (北京))

張鵬 (中國石油大學 (北京))

審校:鮑文輝 (中海油田服務股份有限公司)

高效的防漏機理使微泡工作流體有利于特定的修井完井作業,同時能有效減少流體與流體之間以及流體與地層巖石之間的交互作用,避免儲層傷害;微泡流體可有效循環到地面,從而達到修井作業目的。微泡流體作為完井液和修井液的應用實例還沒有得到廣泛的報道。本文報道了微泡流體技術在完井及修井作業方案中的三個應用實例,旨在介紹應用微泡流體過程中取得的操作經驗和教訓,并進一步討論所觀察到的微泡清潔地層特性。三個應用實例為:用油基微泡體系作為壓井液進行雙油管酸性氣體井的完井作業,作業過程中壓井液沒有向壓裂地層漏失;在枯竭白云石質石灰巖地層附加層的2口井的完井作業中,應用微泡流體技術明顯減小了流體漏失;在使用帶有封隔器的油管進行深層水力壓裂時,應用微泡流體技術能夠避免因液柱在淺層環空形成的壓力接近水力壓裂壓力而造成的不良后果。

微泡流體技術 完井 修井應用實例

1 引言

微泡流體的工作原理使其在某些完井修井作業中成為可靠的作業流體。這些原理曾在相關文獻中作過描述。并且,大量文章報道了微泡流體在鉆井和側鉆中的現場應用情況及數據。微泡流體廣泛的應用經驗,為流體技術的進一步發展和有效應用提供了條件。Brookey(1998)認為,微泡流體體系在低剪切速率下的高黏度,為微泡的產生和存在提供了合適的環境,同時在低剪切速率的流動過程中產生很大的阻力,因而明顯減小原始流體漏失到地層的量。Brookey(1998)的觀點得到 Ramirez等人 (2002)的支持,他們一致認為微泡聚集體的形成能夠進一步減小濾失量,是有效控制濾失的一個機理。由于占微泡聚集體體積絕大部分的氣體堵在儲層內部,加上侵入潛在漏失層的流體量非常有限,微泡流體技術能夠預防儲層傷害。由于完井液和修井液既不是反應物也不是污染物,流體與流體、流體與巖石之間的不良反應得以控制。

上述封堵機理受流體與地層之間氣體力學及水力學差別的控制 (Catalin et al,2002)。當井筒壓力超過地層壓力時,微泡將沿著壓力梯度從井筒流向地層。Growcock(2005)等人觀察到流體在壓差作用下流動時,微泡更容易到達流體的前緣。這些微泡在地層內部將以單個微泡個體橋塞孔喉,以微泡聚集體橋堵大的裂縫。漏失層能夠很快被堵住,在井筒壓力和地層之間進一步建立平衡。只要流體性質或井筒壓力能夠支撐單個微泡或聚集微泡封堵體,封堵體將保持它的整體性和穩定性。如果流體在低剪切速率下的黏度低于40 000 mPa·s,微泡將變得不穩定,進而開始膨脹。如果井筒壓力低于地層壓力,微泡將會再一次隨著壓力梯度從地層流向井筒。

微泡流體性能獨特,在特定的完井及修井作業中使用微泡會帶來可觀的效益。

2 實例研究

2.1 實例1

在這個實例中,相對復雜的雙管不壓井作業是可以避免的。此井井深3 180 m,表層套管下深610 m,生產套管下深2996 m,尾管完井。在2 229～2 256 m層段下部安裝封隔器,上部壓裂。在此基礎上打開封隔器,在尾管上部安裝封隔器,上部壓井,然后下油管在3180 m處再次壓裂。為了開采加拿大阿爾伯塔山麓丘陵地帶中北部上白堊統砂巖層段的酸性氣體,對這口井的兩個不同層位進行了雙層完井作業。水力壓裂和初步的洗井工作完成之后,用油基微泡完井及修井液壓住上部地層,從而保證通過使用標準修井設備完成完井作業。8天的修井作業 (包括多次起油管,用井下動力鉆具清除帶有腐蝕性的支撐劑,取回機械橋塞物,以及安裝雙油管柱)之后,原壓井液能夠全部回收。用氮氣在油管中循環來增加流體回收率,上部層段流體立即返回的速率是有效增產的表現。在完井洗井作業之后,淺層段氣體的產率明顯提高,而整個修井過程中工作液漏失量很小,每天補充微泡工作液的最大量不超過井筒體積。

應用于這口井的流體性能并沒有達到最佳,因為所用的工作液已在一個叢式井工程中當鉆井液使用過。盡管重復利用微泡流體的低剪切速率異常高,并且在之前的鉆井作業中混進了鉆屑,但實踐證明它仍適合這口井的修井作業,并沒有傷害這口井。

2.2 實例2

這口井和接下來的一口井都在密西西比紀白云石質灰巖氣藏處完井。該氣藏的產層厚度達90 m,預計油藏壓力為6 MPa,至產層頂部的垂深1 446 m。這兩口井修井作業的目標是在已有完井層段增加新的產層段從而提高氣體產量。

由于油氣田的枯竭油藏壓力很低,在修井作業過程中以采出水作為修井液通常會導致連續漏失,漏失速度為6～8 m3/h。在整個修井作業環節中漏失幾百立方米修井液是很常見的。大量流體漏失經常導致修井作業后的生產前期井性能變差。有時候井的這種不良性能會持續數月。不壓井修井作業能夠明顯減小漏失量,最近幾年它已發展成為各項采油修理工作的首選方法。

2.2.1 實例2a

第一口井修井作業的目的是增加兩個生產層。這兩個新的生產層分別通過酸化和水力壓裂實現。這口井在修井作業前已有兩個生產層段:1 446.0～1 465.0 m處有一個水力壓裂形成的生產層,1 509.5～1 535.5 m處有一個酸化形成的生產層。此次作業在 1 498.5～1 501.0m處酸化,在1479.0～1 481.5 m處壓裂,形成兩個新的生產層。

在最初的完井設備取出之前,用一整筒的微泡修井液壓住井,然后射孔并酸化下部層段(1 498.5～1 501.0 m)。待微泡流體從油管中循環出來以后,起出油管,開始注酸擠壓。酸化后通過一個簡單的評價發現流入井內的油流氣流很少,將酸回收后用微泡流體重新壓住地層,然后下臨時封堵塞將其隔離。第二次修井工作緊接著進行——之前被臨時封堵塞和封隔器隔開的淺層段要進行水力壓裂。用3 MPa的井口壓力施加到整筒微泡修井液上,沒有導致漏失,淺層段 (1 479.0～1 481.5 m)被成功壓裂,循環第一周帶進地層的支撐劑僅是預計質量的30%。觀察發現,從這個層段流入井內的油流氣流也很少,而且氣體承載著很大體積的增產液。從這一點來說,沒有微泡流體漏入儲層。

射孔作業留下的碎屑及其他固相顆粒懸浮在井筒流體中,使得下油管過程中遇到一些操作上的問題。為了打開地層內穩定的“微泡封堵塞”,自修井作業的第17天,開始用采出水在井內循環進行剩余的修井工作。微泡修井液通過循環采出水被回收,封隔器接著被打開,然而封隔器在從井中回收的過程中丟失。經過一天的修井作業之后進行打撈,此時微泡封堵塞已充分降解到一定程度,大量流體可漏入地層從而引起井筒液柱真正漏失。在回收封隔器的過程中發生了井涌,采出水壓井液的管柱中發生連續氣侵。在一次嘗試穩定壓井流體管柱失敗之后,少量體積的微泡發生劑通過油管從井深中間處注入。一個有效而穩定的壓井液液柱并沒有重新獲得,剩余的修井工作中,作為修井液的采出水明顯漏失。這表明修井作業前后油氣產量沒有明顯變化。盡管還不能證明增產成功,但是一些很明顯的觀測結果會影響到這種工作流體的后續使用。觀測結果如下:

(1)在壓井液替換和回收的過程中,必須要認識到進入微泡完井、修井液的空氣對工作液體積(在地面時的體積)的影響,以確保將足夠的具有明確密度的微泡下入井中。Growcock等人 (2005)觀測到的泥漿密度梯度反映了微泡在井中的可壓縮性。

(2)電纜起下工具,包括用電纜下臨時封堵塞,均可順利進行,不發生事故。

(3)下機械坐封式修井封隔器,在通過一個新的射孔井段后,封隔器坐封失敗。檢查這個坐封失敗的封隔器發現流體經過的地方堵塞有射孔碎屑。微泡流體在低剪切速率下的高黏度能夠將靜止在井筒流體中的固體一直懸浮住,直到這些固體在封隔器旁路流體流過的區域被濾出。地面流體處理過程可通過后續增加固相清除設備提高效率。

(4)在緊接著的回收過程中,盡管修井液在井中幾天都沒有循環,其流變性仍然穩定,而且流體中的微泡含量與初始狀態相同,是個定值。在井底靜止狀態下微泡穩定性的最高時間極限還不能界定。

(5)在這個實例中,打撈和套管運動過程中產生的波動壓力和抽汲壓力可能會降解封堵在儲層內部的微泡塞,從而降低其穩定性。當微泡流體在井中時,微泡會保持其完整性;一旦微泡塞的穩定性被破壞,但又沒有明顯流體漏失時,微泡塞會重新形成。然而,當采出水在井中時,微泡塞會在波動壓力和抽汲壓力的作用下迅速降解。

(6)流體注入的方式是成功獲得穩定微泡塞的關鍵因素。嘗試從套管底部距產層上部350 m處注入微泡,結果失敗。在這次嘗試中,微泡流變性可能被徹底破壞,因為井筒中的采出水會稀釋微泡流體。在回收封隔器和臨時封堵塞、安裝生產套管的過程中,大量微泡和采出水流入地層。

微泡封堵塞一旦穩定下來,將會被后續微泡所保持或增強。可通過在微泡塞附近的井筒中連續循環新鮮微泡流體,來增強保持微泡塞穩定的條件。雖然在這個實例中微泡塞保持了很長一段時間,但是若要降低微泡塞的穩定性,可通過讓微泡流體在漏失層段靜止來實現。當沒有微泡流體在井中時,尤其是在類似這次修井作業下一階段發生的井眼不穩定、井底有波動壓力的情況下,微泡塞的穩定性最低。接下來的實例概述了另一相似的修井工作,兩次修井在同一油藏,后者作業成功。

2.2.2 實例2b

這口井修井作業的目標是增加一個新的、更深的完井段。在回收原始油管柱之前,用一筒回收的微泡修井液壓住井筒中部至底部,井筒中部至地面用淡水來平衡。采出水穿過新井段排出,然后用電纜輸送套管射孔槍射孔。下油管過程中油管取代淡水,所有微泡被推至環空,然后在層段間下封隔器,沒有發生事故。在泵取壓裂液的過程中,環空的地表壓力一直保持在6 MPa。表1列出注入微泡的體積 (在地面測量)。

表1 微泡注入的體積 (在地面測量,壓力恒定)

整個修井作業過程中流體的漏失量如圖1所示。完井設備安裝完之后,循環壓井液,回收微泡流體,僅損失0.5 m3。修井之后的生產表明,這口井能夠以很高的氣產量進行生產。而進一步分析顯示,其他油氣藏正在漸漸枯竭。

2.3 實例3

這個實例描述了阿爾伯塔深水盆地區域,位于白堊紀集成砂巖的2口井。在這個實例中,微泡修井液的作用是防止流體在高壓差下發生漏失,從而在使用油管進行水力壓裂時可以獲得高壓力。為了能夠提供壓裂所需的高壓,在作業過程中,通過保持一個很高的環空壓力使得油管最大承壓能力增加,高于枯竭層段的屈服壓力。

圖1 實例2b修井過程中不同工作液的漏失量

2.3.1 實例3a

第一口井,用一個可回收的套管修補式封隔器保護淺層的兩個完井段,因為深層完井段壓裂作業需要一個很高的環空壓力。然而,在試圖安裝工具的過程中遇到了操作上的問題。作為封隔器的替代物,微泡流體循環入環空。在壓裂作業過程中,淺層段的環空壓力接近裂縫閉合壓力的預先觀測值。作業過程中環空壓力為22 MPa,油管壓力為70 MPa。

所有工作液的漏失情況如圖2所示。淺層砂巖,由于在之前的完井作業時進行過水力壓裂,像個滲坑,引起現有修井液的漏失,直至微泡流體系統循環入井漏失才停止。這次應用有兩種情況值得注意:①一旦微泡流體循環入井,修井液向壓裂井段和枯竭完井層段的漏失立刻停止;②當套管中的壓力接近裂縫閉合壓力之前的觀測值時,微泡塞仍然存在。

圖2 實例3a修井過程中不同工作液的漏失量

2.3.2 實例3b

這個實例和上一口井相似。套管中裝入微泡修井液,在封隔器之上有一個裸露的水力壓裂完井段,保持足夠高的地表環空壓力,從而保證在對深部砂巖進行水力壓裂作業時,油管壓力能夠達到作業需求。微泡流體注入更深一層的完井段,微泡在壓裂之前和壓裂過程中的注入情況可見表2。

表2 觀測到的環空壓力

環空的總體積是17 m3,表中的微泡注入體積是在地表測量的。地表環空壓力及微泡注入體積等數據表明,在表壓為21 MPa時,上部完井層段能夠有效封堵,而這一壓力接近水力壓裂開啟壓力的預先觀測值。在這一層位之前的水力壓裂作業中,測得井底井眼閉合壓力為47 MPa。而在這次修井作業中,微泡加壓后的密度為1 035 kg/m3,淺層完井段的深度為2 883 m。這些觀測結果表明,水力壓裂過的淺層段在之前的水力壓裂壓力下能夠被微泡有效封堵。

這個實例中的2口井作業后新舊產層流體相互混合,產量均提高。然而,淺層段裸露在微泡修井液的高壓差下,沒有進行單獨測試。

3 討論

3.1 微泡封堵塞的產生與維護

通過調研早期微泡用于完井修井方案的實例,可以得到合理應用微泡于修井作業的經驗。運輸微泡至漏失層的方式是獲得封堵塞有效穩定性的關鍵因素。White、Brookey、Rea等人 (2003) 及Kinchen等人 (2001)描述了微泡鉆井的一些經驗,他們發現循環微泡過產層,能起到非常好的封堵效果,漏失量很低。通過本文中的實例觀測表明,將一管柱的靜態微泡擠壓入井將會引起大小不等的流體漏失。微泡的直徑范圍在10～100μm之間,因此,在之前的射孔或壓裂層段形成微泡封堵塞需要很大數量的微泡。在所有的影響因素中,能夠提供到漏失地層的微泡數量主要受微泡流體裸露在地層中體積多少限制,而這一體積在微泡液柱循環時遠遠大于微泡液柱靜止時。微泡在低剪切速率下擁有很高黏度這一特性將會對流動產生一個黏滯阻力,采出水或其他修井液不具備此性質。然而,在任何可能的情況下都應該避免試圖采用靜態液柱產生微泡塞的做法,因為微泡流體在低剪切速率下的黏度很高,進入地層可能會影響井眼的有效清潔。通過循環微泡流體過產層建立起足夠穩定的微泡塞后,液柱可以靜止,此時不會導致微泡塞崩潰,這種穩定性可以保持到第8天,并仍不造成流體漏失。雖然在靜態液柱穩定作用下的微泡塞壽命還沒有確立,Growcock(2005)在實驗的基礎上發現微泡壽命有一個時間極限。

當環空壓力接近水力壓裂開啟壓力的預先觀測值時,能夠觀測到有效的微泡封堵塞,這表明防漏機理在起作用,甚至在很高的壓差下防漏機理仍存在。在本文的一個實例中,微泡以恒定的速率注入,這說明在井底壓力很高時應用微泡需要注意,超過上部地層裂縫開啟壓力后再開始對下部地層進行水力壓裂將會很危險。

Growcock認為,微泡是在低剪切速率具有高黏度的流體中產生,能夠抵抗28 MPa的壓力,不崩潰。而還沒有公開報道的現場數據證明,微泡能夠存在的最高壓力閾值還要更高。本文實例顯示,在井底壓力超過42 MPa時,仍然能夠獲得有效的微泡封堵塞。當微泡在一定壓力 (地層壓力超過了室內研究的極限,所以文中沒有界定這一壓力)下,在地層形成微泡塞時,微泡的存在時間可能取決于微泡塞的壓力梯度。

3.2 流體可壓縮性

討論液柱變化必須包括密度和體積的變化,因為流體本身具有可壓縮性。雖然微泡能夠在很高的壓力環境下存在,但是由于微泡核是由氣體填充,微泡直徑會隨壓力升高而降低。因而,微泡流體體系具有可壓縮性,大多數井在靜液柱壓力下,微泡體積將會降低一定值,這個值接近在地面上空氣進入微泡體系的體積值。

3.3 現場操作

從鉆井和完井工程中回收的微泡流體通過儲藏、運輸可成功用到其他完井和修井工程中。盡管回收的微泡流體中有鉆屑、產液、細巖屑及其他污染物,它仍能夠進行有效封堵。這些都要歸功于微泡體系中流體的高懸浮能力,以及微泡在低剪切速率下高黏度流體的最前沿運動,阻止流體侵入地層這一事實。而流體中產生的污染物也就不會引起儲層傷害。

微泡流體在修井完井作業中的初始成本和高回收率,為微泡流體的管理提供了動力。采用微泡流體進行完井修井作業的一個經濟有效的辦法就是將微泡流體體系的管理一體化,使微泡回收、儲藏、再利用更為便捷。這樣一個系統的組成可能包含下述幾個方面:

◇降低:修井作業過程中低的漏失速率為預測工作液需求體積和回收體積提供可能。可以用緊公差計算一個新體積,減少了通常因考慮緊急事件而附加的體積。

◇再利用:在井中循環壓縮氮氣、鹽水或壓裂油來有效回收微泡流體。回收的微泡流體可儲藏或運輸到其他地方。

◇回收:油田觀測結果表明,微泡流體的完整性在修井作業前后相似。儲藏這類流體要定期攪拌,并進行防止微生物產生的處理。有時候可能需要對流體性能進行重新調整。

在鉆臺裝套管時證明,所有設計用來簡化處理油包水流體體系的設備對微泡流體的防損均有用。混入驅替液中或殘留在鉆井設備中的少量微泡流體依照生產井中流體的適用規則處理。若使用清潔過濾海水,修井作業中常用的活性固相控制系統通常可以不用考慮。微泡流變性可以防止微泡流體侵入地層,懸浮鉆屑于井筒液柱,防止鉆屑對油井工具的使用和回收造成干擾。對整個流體體系而言,可以在地表安裝各式傳統的固相清除設備來清除固相。針對一些特殊的污染物,如射孔碎屑,可以在井筒中安裝各種井內過濾裝置清除固相。

4 結論

(1)微泡流體技術能成功應用于完井、修井作業,防止井眼中流體漏失,保證枯井在靜液壓力下正常作業。這樣可以簡化修井工序,降低一些復雜操作的危險性。例如,在文中某些實例中,微泡可以消除不壓井修井作業的必要性。

(2)當向井眼中注入或從井眼中抽出流體,以及在套管頂部施加擠壓壓力時,應認識到微泡流體具有可壓縮性這一本質。當受壓力梯度影響,體相中穩定的微泡穿過流體移動時 (如微泡通過地層中的一個封堵塞),靜液壓力會引起流體大量漏失,最終導致表壓下降。而實際機理是體相中的微泡漏失到了微泡封堵塞的最前端。

(3)獲得有效而持久的地層內封堵塞的方式與微泡流體的特性有關。對修井作業來說,最好從兩點來認識這一封堵機理。①在井內循環微泡流體,能夠增加有效微泡封堵塞的強度。因為,實際提供的微泡數量是否足以產生堅固的微泡塞厚度,在很大程度上決定了微泡封堵塞的有效性。②微泡封堵塞的壽命在一定程度上需要保持,增高或降低微泡封堵塞壽命,均需要正平衡的存在。

(4)能夠在井底壓力高到接近已知地層破裂壓力的情況下觀測到有效的微泡封堵塞,為進一步研究微泡在高靜液壓力下的特性,以及微泡封堵塞與原先存在的水力壓裂裂縫、近井壓力狀態之間的交互作用提供了保證。

(5)微泡流體在其他完井修井作業中的應用也可能存在,如當遇到裸露的低壓枯竭油藏時,微泡能保證井內流體有效循環。未報道的經驗表明,在注水泥和特定的補注水泥應用過程中,微泡流體會增加獲取有效循環的可能性。將這些流體改性后用于某些特定井的增產計劃將成為可能。新的操作工藝,如對空氣加壓形成微泡,可以使這一類流體性能增強,從而提高其封堵地層的能力。即使原漏失情況很嚴重,微泡封堵依然起作用。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.8.012

資料來源于美國《SPE 112439》

2009-04-15)