煤層氣多分支水平井防塌可降解屏蔽暫堵鉆井液研究

杜鶴 張遂安 徐代才 程洪

(1. 中國石油大學 (北京) 氣體能源開發與利用教育部工程研究中心, 北京 102249; 2. 中國石油天然氣集團公司塔里木油田監督管理中心, 新疆 841000; 3. 中石化西北油田分公司塔河采油三廠, 新疆 841000)

煤層強度低、性脆、裂縫發育, 致使在煤層氣井鉆井施工過程中極易破碎坍塌, 尤其是多分支水平井; 鉆井液濾液的進入, 也使煤層氣儲層受到嚴重傷害。因此, 在煤層氣多分支水平井鉆井過程中有效地解決防坍塌和保護儲層對煤層氣的開發具有重大意義。

1 防塌可降解屏蔽暫堵劑的優選

早在20 世紀80 年代, 石油界就開始探索常規油氣井屏蔽暫堵技術, 經過近二十年的研究, 研發出了效果顯著的屏蔽暫堵劑。效果較為顯著的屏蔽暫堵劑有天然多元醇山梨醇、甲基葡萄糖苷等多元醇以及雙保無滲透泥漿轉換劑BST- I、乙烯基單體多元共聚物PAC- 142 等等。為研發出適宜于煤層的防塌可降解屏蔽暫堵劑, 作者依據下述原則進行了探索。即： 防塌可降解屏蔽暫堵劑是指在多分支水平井鉆井過程中不但能有效地防塌、降低鉆井液的濾失量, 減小濾液對儲層的傷害, 而且還應在鉆井施工結束后能夠有效解堵, 恢復儲層滲透率。降濾失機理主要在于改善泥餅性質, 即降低泥餅的滲透率。其主要途徑為：

(1) 依靠能與粘土發生吸附的基團和能強烈水化的極性基團, 給粘土帶來吸附水化層, 使得粘土顆粒不易相互接觸而粘結。從而使每個黏附有粘土細顆粒的大分子鏈與細粘土顆粒橋接, 形成布滿整個體系的網狀結構。

(2) 含有電離后帶負電荷的基團吸附到粘土上, 增加了表面的負電性, 提高了粘土膠粒的電動電位, 粘土顆粒之間靜電斥力增大, 從而不易發生相互聚結。根據逐級填充原理, 形成致密而薄的泥餅, 降低濾失量。

(3) 高分子本身的堵塞作用。這種作用有兩種形式, 一種形式是高分子物質遇水產生溶脹作用,堵塞泥餅的孔隙。另一種形式是吸附在粘土上的降濾失劑大分子在泥餅空隙中伸展, 形成網絡, 阻擋水的通過。

根據常規油氣井屏蔽暫堵技術的研究經驗, 作者從眾多的添加劑中優選出山梨醇、甲基葡萄糖苷、雙保無滲透泥漿轉換劑BST- I、乙烯基單體多元共聚物PAC- 142 和PD09 等主要添加劑進行了系統實驗和對比研究。

2 添加劑的屏蔽暫堵性能與可降解實驗

為優選出性能優良的防塌可降解屏蔽暫堵劑,作者對優選出的幾種添加劑的屏蔽暫堵性能與可降解進行了對比實驗。實驗包括各種添加劑配方優化實驗、各配方最佳含量對鉆井液性能的影響對比實驗、各配方最佳含量反向濾失量 (可降解) 對比實驗, 實驗結果如下。

2．1 各種添加劑配方優化實驗

(1) 山梨醇： 分別稱取0．35g、0．7g、1．05g、1．4g、1．75g、2．1g 山梨醇加到老化結束的鉆井液(甲酸鹽鉆井液體系) 中, 測氣表觀粘度μAV、塑性粘度μPV和屈服值YP及API 濾失量VAPI等性能指標 (表1、圖1) 。山梨醇含量為0．5%時鉆井液性能最佳、濾失量最低。

表1 山梨醇含量對鉆井液性能的影響

圖1 山梨醇含量對鉆井液性能的影響

(2) 甲基葡萄糖苷： 分別稱取0．35g、0．7g、1．05g、1．4g、1．75g、2．1g 甲基葡萄糖苷加入老化結束的鉆井液中測其性能指標 (表2、圖2) 。由圖2 可知, 甲基葡萄糖苷含量為0．2%和0．4%時其性能較佳, 但其濾失量在0．4%時最低。故甲基葡萄糖苷的最佳含量取0．4%。

表2 甲基葡萄糖苷含量對鉆井液性能的影響

(3) PD09： 分別稱取0．35g、0．7g、1．05g、1．4g、1．75g、2．1gPD09 加入老化結束的鉆井液中,攪拌5 分鐘后測其性能 (表3、圖3) 。由圖3 可知, 隨著PD09 含量的增加鉆井液的表觀粘度、塑性粘度和屈服值均隨之增加, 而其API 濾失量最低含量為0．4%。故PD09 最佳含量為0．4%。

表3 PD09 含量對鉆井液性能的影響

圖2 甲基葡萄糖苷含量對鉆井液性能的影響

圖3 PD09 含量對鉆井液性能的影響

表4 各配方最佳含量對鉆井液性能的影響

2．2 各配方最佳含量對鉆井液性能的影響對比實驗

分別稱取1．75g 山梨醇、1．4g 甲基葡萄糖苷、1．4gPD09、0．7gBST- I、2．1gPAC- 142 分別加入基漿中測定鉆井液性能, 測定結果見表4。

2．3 各配方最佳含量反向濾失量 (可降解) 對比實驗

將上述五種鉆井液在API 濾失量測定結束后立即將濾餅翻轉, 在濾失儀中加入清水、在0．69Mpa下測其30min 的反向濾失量V反向; 反向濾失量測試結束后, 將濾餅放入清水中浸泡24h 后再次測其反向濾失量V24, 依次類推測量V36和V72, 結果見表5、圖5。

圖4 各配方最佳含量對鉆井液性能的影響①基漿+1．75g 山梨醇; ②基漿+1．4gPD09③基漿+1．4g 甲基葡萄糖苷; ④基漿+0．7gBST- 1;⑤基漿+2．1gPAC- 142

圖5 各配方最佳含量反向濾失量對比

由圖5 可知山梨醇隨著浸泡時間的增長, 其解堵性能也隨之增長, 但由V反向可知其在施工過程中對儲層的暫堵性能不佳; 而甲基葡萄糖苷、BST- I、PAC- 142 在常規油氣鉆井施工中雖然其保護儲層能力好, 然其對煤儲層解堵能力弱, 不能靠儲層自身能量使其滲透率得以恢復, 不適用于裸眼完井的煤層氣水平井施工; 而PD09 的正向API 濾失量和反向濾失量均較低, 且隨著在清水中的浸泡時間的增長, 其濾失量增加明顯, 說明其在施工結束后能靠儲層自身能量使其濾餅降解, 從而使儲層滲透率得以恢復。

表5 各配方最佳含量反向濾失量的測定

表6 鉆井液體系對煤儲層的暫堵與解堵性能表

2．4 防塌可降解屏蔽暫堵鉆井液的實際煤芯實驗

根據煤儲層敏感性評價結果和鉆井液體系的優選結果進行煤儲層傷害及解堵實驗, 實驗結果見表6 所示。PD09 的暫堵性能雖然低于BST- I, 但其解堵性能優于BST- I, 所以在煤層氣多分支水平井鉆井施工過程中應首先考慮在施工結束后是否濾餅能溶于產出水的甲酸鹽+ PD09 鉆井液體系, 其對煤儲層的保護性能優于BST- I。

3 結論與建議

對比測試發現： 山梨醇隨著浸泡時間的增長,其解堵性能也隨之增長, 但由V反向可知其在施工過程中對儲層的暫堵性能不佳; 而甲基葡萄糖苷、BST- I、PAC- 142 在常規油氣鉆井施工中雖然其保護儲層能力好, 然其對煤儲層解堵能力弱, 不能靠儲層自身能量使其滲透率得以恢復, 不適用于裸眼完井的煤層氣水平井施工; 而PD09 的正向API濾失量和反向濾失量均較低, 且隨著在清水中的浸泡時間的增長, 其濾失量增加明顯, 說明其在施工結束后能靠儲層自身能量使其濾餅降解, 儲層滲透率能夠得以恢復。

PD09 的暫堵性能雖然低于BST- I, 但其解堵性能優于BST- I, 所以在煤層氣水平井鉆井施工過程中應首先考慮在施工結束后濾餅能溶于產出液的甲酸鹽+ PD09 鉆井液體系, 其對煤儲層的保護性能優于BST- I。

[1] K．Barr．A Guideline to Optimize Drilling Fluids for Coalbed Methane Reservoirs．SPE 123175, 2009 (4) ： 1- 8．

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