張耀元, 蔣官澄, 馬雙政, 宜鏡天, 賀垠博, 王冠翔, 龐俊
(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司, 湛江 524057, 2.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249; 3.油氣鉆完井技術(shù)國家工程研究中心, 北京 102249; 4.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院, 北京 102249; 5.中國石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249)
瓊東南盆地是位于中國南海西北部的新生代盆地,油氣資源非常豐富,探明地質(zhì)儲(chǔ)量超過500 億m3。盆地自下而上發(fā)育古近系嶺頭組、崖城組、陵水組,新近系三亞組、梅山組黃流組及鶯歌海組[1-3]。該區(qū)陵水組已鉆探了多口井,均有不同程度的油氣顯示,但由于其高溫高壓及安全作業(yè)窗口窄的特性,導(dǎo)致鉆井液流變控制困難,作業(yè)時(shí)常伴隨卡鉆和漏失等問題,儲(chǔ)層保護(hù)難度大。如果鉆井液儲(chǔ)層保護(hù)性能不足,不滿足南海復(fù)雜儲(chǔ)層的保護(hù)要求,會(huì)嚴(yán)重降低油氣產(chǎn)量,甚至是槍斃儲(chǔ)層。因此,為充分釋放油氣田產(chǎn)能,減少儲(chǔ)層傷害十分重要[4-5]。
國內(nèi)外學(xué)者對(duì)儲(chǔ)層傷害分析方法的研究最早開始于1950年代[6],傳統(tǒng)的研究方法是通過將鑄體薄片、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)分析、X射線衍射等技術(shù)與鉆井液濾失實(shí)驗(yàn)結(jié)合來分析泥餅的變化規(guī)律[7]。傳統(tǒng)儲(chǔ)層特征分析方法的誤差大,無法直觀地表示儲(chǔ)層損害的程度和位置。隨著技術(shù)發(fā)展,計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)和核磁共振成像技術(shù)成為分析鉆井液侵入損害機(jī)理的有力工具。憑借CT掃描技術(shù),能夠確定鉆井液濾失過程中,巖心不同位置的飽和度變化;借助核磁共振成像技術(shù)可以清楚地看到侵入顆粒在巖石骨架中的分布[8],從而準(zhǔn)確的表示儲(chǔ)層損害的位置。中國當(dāng)前對(duì)儲(chǔ)層損害的研究常從儲(chǔ)層基本特征著手,結(jié)合儲(chǔ)層敏感性實(shí)驗(yàn)、黏土礦物水化膨脹評(píng)價(jià)等實(shí)驗(yàn)來確定基本損害類型[9-10],無法直觀且定量地分析損害程度,無法給出最佳儲(chǔ)層保護(hù)性能優(yōu)化方向。
南海瓊東南盆地區(qū)塊系列井均用深水鉆井液,該體系引起儲(chǔ)層污染因素復(fù)雜,前人還未對(duì)此進(jìn)行準(zhǔn)確、詳細(xì)的分析。在分析瓊東南盆地儲(chǔ)層的基本特征的基礎(chǔ)上,現(xiàn)從液相侵入損害與固相侵入損害兩方面著手,選擇鉆井液與地層流體配伍性實(shí)驗(yàn)、表面張力分析、鉆井液污染實(shí)驗(yàn)、SEM分析、CT掃描等相結(jié)合的方式,對(duì)研究區(qū)塊的鉆井液侵入傷害機(jī)理從微觀和宏觀上進(jìn)行綜合分析,找出鉆井液損害儲(chǔ)層主控因素,明確鉆井液儲(chǔ)層保護(hù)性能優(yōu)化方向,并研發(fā)降濾失劑(E22、E27)、優(yōu)選加重劑與防水鎖劑來優(yōu)化深水鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)性能,形成一套適合瓊東南盆地的儲(chǔ)層保護(hù)體系,以期為該區(qū)塊增儲(chǔ)上產(chǎn)提供有力支撐。
實(shí)驗(yàn)巖心取自瓊東南盆地區(qū)塊系列井井下天然巖心,巖心參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)材料主要有:超細(xì)碳酸鈣、褐煤樹脂、黃原膠、聚陰離子纖維素、模擬地層水,CaCl2型;去離子水;所用設(shè)備主要有:日本理學(xué)高分辨率衍射儀SmartLab X射線衍射儀、海安石油科研儀器廠產(chǎn)氣液相對(duì)滲透率儀、高溫高壓巖心動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)、激光粒度儀、Merlin型FE-SEM場發(fā)射掃描電鏡、CPZ-2雙通道線性膨脹儀。

表1 巖心參數(shù)表Table 1 Core parameter table

表2 黏土礦物X-射線衍射分析結(jié)果Table 2 X-ray diffraction analysis results of clay minerals
主要目的層陵三段溫度介于115~134 ℃,中生界潛山溫度介于166~170 ℃,地層壓力系數(shù)為1.00~1.30。儲(chǔ)集空間以粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔為主,由于壓實(shí)作用相對(duì)較弱,顆粒之間表現(xiàn)為點(diǎn)接觸和線接觸,大部分顆粒間孔隙得以保存;孔隙度為8%~15%;孔隙尺寸約幾微米至幾十微米不等;滲透率為1.3~12.5 mD,試井有效滲透率為3.58 mD。根據(jù)《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》(SY/T 5163—2018),對(duì)區(qū)塊的巖心進(jìn)行了黏土礦物及全巖X射線衍射分析。發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層巖石類型多樣,細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖均發(fā)育,且局部含礫。地層膨脹性黏土礦物含量在16%~35%,以伊利石、伊/蒙混層等為主,鉆井液濾液侵入易引發(fā)水化膨脹。
儲(chǔ)層敏感性是外來流體接觸儲(chǔ)層敏感性礦物所引起儲(chǔ)層損害、滲透率變化的性質(zhì),主要包括水敏、速敏、堿敏、酸敏和應(yīng)力敏等。參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》(SYT 5358—2010)于室內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)層敏感性測試[11]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示瓊東南盆地區(qū)塊系列井儲(chǔ)層整體敏感性較強(qiáng),其中水敏性最為突出,且存在一定酸敏性。其臨界礦化度大于12 000 mg/L,臨界流速約在0.8~2.5 mL/min,易發(fā)生儲(chǔ)層敏感性損害。
為了明確深水鉆井液體系具體引發(fā)的損害類型,將其分為液相侵入損害和固相侵入損害進(jìn)行研究。
按配方:人工海水+0.2%NaOH+7%KCl+14%NaCl+0.5%PF-PACLV+0.3%PF-PLUS+0.1%PF-XC+3%PF-FT-1+5%PF-EZCARB+2%PF-HLUB+2%PF-UHIB+1%PF-LUBE+2%PF-NRL+2%PF-LSF+2%PF-SMPHT+2%PF-SPNHHT+0.1%DRISTEMP+重晶石配制密度為1.4 g/cm3的HEM鉆井液。深水儲(chǔ)層用鉆井液體系須具有合理的流變性和低濾失量。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)塊溫度通常處于130℃,最高達(dá)到150 ℃,因此還需鉆井液具有良好的高溫穩(wěn)定性。設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件為:老化溫度為130~150 ℃、老化時(shí)間為16 h、高溫高壓濾失量測試溫度與老化溫度一致、壓差為3.5 MPa。
表3為室內(nèi)配制的深水鉆井液的基本性能,可以看出,鉆井液流變性良好,具有較高的動(dòng)切力以及低剪切黏度,說明其攜巖與懸浮性能良好,且熱滾后流變參數(shù)變化幅度很小,性能十分穩(wěn)定。

表3 130 ~ 150 ℃下1.4 g/cm3 深水鉆井液基本性能Table 3 Basic properties of 1.4 g/cm3 deep water drilling fluid at 130 ~ 150 ℃
儲(chǔ)層巖心黏土礦物含量高,鉆井液須具有良好抑制性,保證儲(chǔ)層中黏土礦物不發(fā)生水化膨脹、分散,從而堵塞儲(chǔ)層[12-13]。
收集深水鉆井液的高溫高壓濾液,分別進(jìn)行線性膨脹與滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)。稱取5 g膨潤土在10 MPa下壓塊5 min后放入線性膨脹儀套筒中,分別滴加清水、地層水、深水鉆井液濾液,測量膨潤土1 000 min的膨脹量,結(jié)果如圖1所示,可以看出,滴加3種液體的膨潤土線性膨脹高度皆隨時(shí)間增加而變大,但加入濾液和地層水的膨潤土在實(shí)驗(yàn)6 h后膨脹高度增長十分緩慢,曲線斜率趨近水平。最終,滴加清水、地層水、濾液的樣品膨脹高度分別為7.8、4.1、3.3 mm,可見深水鉆井液黏土膨脹抑制性良好。

圖1 膨潤土在各液體中的線性膨脹量Fig.1 The linear expansion of bentonite in each liquid
此外,稱取20 g現(xiàn)場巖屑(6~10目),將巖屑分別放入清水、地層水、深水鉆井液中,在150 ℃條件下熱滾16 h后過40目篩網(wǎng)稱其剩余重量,計(jì)算滾動(dòng)回收率。3種體系滾動(dòng)回收率分別為:清水25.1%;地層水35.2%;深水鉆井液98.9%。綜合分析確定深水鉆井液具有較好的黏土膨脹抑制性與巖屑分散抑制性。
入井流體與地層流體混合后可能會(huì)發(fā)生沉淀等物理化學(xué)作用,引發(fā)儲(chǔ)層堵塞等問題,因此要求鉆井液體系與地層流體間配伍性良好[14-16]。現(xiàn)場地層水的離子成分及濃度具體如表4所示。

表4 地層水離子成分及濃度Table 4 Ion composition and concentration of formation water
將地層水與注入水按照不同體積比例(10∶0~0∶10)混合,在室溫(25 ℃)和地層溫度(150 ℃)下分別靜置24 h,觀察混合液體的外觀并測試濁度,評(píng)價(jià)二者之間的配伍性,如圖2所示。發(fā)現(xiàn)地層水與注入水之間配伍性較好,外觀無沉淀物生成,但測量出一定的濁度,具體數(shù)據(jù)如表5所示;混合水的濁度在6∶4~0∶10的體積比之下比較大,考慮由鉆井液濾液本身的濁度導(dǎo)致。

圖2 地層水與深水鉆井液濾液按不同體積比例混合后的外觀Fig.2 The appearance of formation water mixed with deep water drilling fluid filtrate in different volume ratios

表5 地層水與深水鉆井液濾液按不同體積比例混合后的濁度值/NTUTable 5 Turbidity value/NTU after mixing formation water with deep water drilling fluid filtrate in different volume ratios
于是進(jìn)一步評(píng)價(jià)體積比5∶5, 6∶4, 0∶10下濾液和地層水的配伍性。將其混合后在室溫(25 ℃)與地層溫度下(150 ℃)靜置24 h,再使用激光粒度儀測試其粒徑分布(圖3)。由圖4結(jié)果可知,地層水與鉆井液濾液混合后粒徑分布無明顯變化,可認(rèn)為HEM鉆井液與地層水配伍性良好。

圖3 激光粒度儀Fig.3 Laser Particle Analyzer

D10為一個(gè)樣品的透過部分累計(jì)達(dá)到10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑;D50為一個(gè)樣品的透過部分累計(jì)達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑;D90為一個(gè)樣品的透過部分累計(jì)達(dá)到90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑圖4 地層水與深水鉆井液濾液按不同體積比例混合后的粒徑分布圖Fig.4 The particle size distribution of formation water mixed with deep water drilling fluid filtrate in different volume ratios


圖6 巖心動(dòng)態(tài)污染裝置ICP光譜儀Fig.6 Relative permeability meter and inductive coupled plasma emission spectrometer

表6 水鎖損害實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Experimental results of water lock damage

表7 經(jīng)過巖心前后深水鉆井液濾液分析Table 7 Analysis of deep water drilling fluid filtrate before and after core drilling
加重前磺化材料等會(huì)影響粒徑分布,加重后引入加重劑引起固相粒徑變化,可能會(huì)致使封堵不良,因此使用激光粒度儀測量加重前后體系的粒徑分布,結(jié)果如圖7所示。加重前后的深水鉆井液體系固相中徑分別為19.31 μm和462.25 μm,粒徑偏大,易導(dǎo)致泥餅致密性差,從而進(jìn)一步引發(fā)細(xì)小固相侵入儲(chǔ)層。

圖7 加重前后深水鉆井液體系的粒徑測定Fig.7 The particle size determination of deep water drilling fluid system before and after weighting
設(shè)置圍壓3.5 MPa,溫度130 ℃,污染時(shí)間150 min的實(shí)驗(yàn)條件,分析鉆井液對(duì)巖心污染的參數(shù)變化。由表8可以看出深水鉆井液侵入巖心的固相質(zhì)量在0.24~0.34 g。圖8顯示濾失量隨時(shí)間增大而增大,濾失量增長速率和濾失速率都隨時(shí)間增加而減小并逐漸趨于穩(wěn)定。高中低滲巖心累計(jì)濾失量分別為0.62、0.44、0.35 mL;濾失速率分別為0.028 1、0.021 6、0.019 5 mL/(cm2·h),符合巖心本身氣測滲透率大小關(guān)系。污染后的巖心滲透率恢復(fù)值在70%~79%,說明儲(chǔ)層保護(hù)性能具有優(yōu)化空間。

圖8 巖心動(dòng)態(tài)污染濾失量與濾失速率曲線圖Fig.8 Core dynamic pollution filtration loss and filtration rate curve diagram

表8 污染實(shí)驗(yàn)后巖心數(shù)據(jù)Table 8 Core data after pollution experiment
分別切取巖心1、2、3未污染端一側(cè)長0.5 cm的新鮮斷面,進(jìn)行掃描電鏡分析與EDS分析。由圖9可以發(fā)現(xiàn)巖心喉道以微喉和細(xì)喉為主,孔隙連通性差。鉆井液中細(xì)小固相顆粒容易侵入引起孔喉堵塞。表9顯示Ba2+、Ca2+含量較高,因此可以推測固相堵塞主要是鉆井液中加重劑重晶石或碳酸鈣造成。

圖9 巖心端粒(未污染)微觀形貌分析Fig.9 Microscopic morphology analysis of core telomere (uncontaminated )

表9 巖心元素含量測定表Table 9 Core element content determination table
對(duì)巖心進(jìn)行CT掃描,根據(jù)掃描結(jié)果,計(jì)算得知巖心1孔隙度降低0.54%;巖心2孔隙度降低2.49%;巖心3孔隙度降低0.79%。CT結(jié)果表明樣品中間孔隙率波動(dòng)較大,兩端接近邊緣的部位孔隙率波動(dòng)較小;濾液驅(qū)替后,巖心孔隙度有所下降。
由圖10巖心污染前后CT掃描結(jié)果顯示:樣品孔隙曲線尺寸分布較窄,存在較少的粒間孔及小尺寸的黏土微孔。鉆井液固相堵塞使巖心孔隙半徑較大的占比降低,孔隙分布中小于10 μm的孔隙相對(duì)占比增加3.1%~5.1%,10~30 μm孔隙相對(duì)占比為增加0.7%~1.3%,大于30 μm級(jí)別孔隙相對(duì)占比減少3.8%~6.4%,導(dǎo)致巖心孔隙分布整體向左偏移。巖心的平均孔隙半徑由污染前的18.81、18.71、20.67 μm降低至14.89、17.82、19.95 μm,變化程度分別為20.84%、4.74%、3.46%。該結(jié)果說明外來固相堵塞導(dǎo)致的孔隙變小變少是巖心滲透率下降的重要原因,且滲透率級(jí)別越低的巖心影響越顯著。

圖10 巖心污染前后CT掃描結(jié)果Fig.10 CT scan results before and after core contamination
由圖11對(duì)巖心返排前后CT掃描結(jié)果進(jìn)行分析得知,蒸餾水驅(qū)替5 PV后,巖心的平均孔隙半徑由污染后的14.89、17.82、19.95 μm增加至15.67、18.04、20.11 μm,變化程度分別為5.24%、1.23%和0.8%,說明侵入的固相顆粒很難通過自然返排的方式清除。

圖11 巖心返排前后CT掃描結(jié)果Fig.11 CT scan results before and after core backflow
通過一系列實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確定液相侵入損害主要為水鎖損害;固相侵入損害主要由加重劑引起。因此考慮從3個(gè)方向提升儲(chǔ)層保護(hù)性能:①減免水鎖損害;②降低濾失量;③優(yōu)選加重劑種類及優(yōu)化其加量。
實(shí)驗(yàn)已證明儲(chǔ)層水鎖損害率處于19.8%~31.4%,由于表面張力越大,滲透率恢復(fù)值越低,越容易引發(fā)水鎖損害,因此可以在鉆井液配方中加入防水鎖劑、表面活性劑等提高儲(chǔ)層保護(hù)性能。選擇防水鎖劑F-113改善體系儲(chǔ)層保護(hù)性能,添加后濾液表面張力降低為26.3 mN/m。
為了降低鉆井液濾失量,考慮到深水鉆井液中本身還有大量的鹽,因此需要使用抗鹽降濾失劑控制深水鉆井液的濾失量,減少鉆井液濾液侵入導(dǎo)致的儲(chǔ)層損害。在室內(nèi)研發(fā)了兩種鹽響應(yīng)聚合物降濾失劑,代號(hào)E22、E27,其具有鹽度增加反而促進(jìn)性能發(fā)揮特性[22-23];同時(shí)考慮到聚合物降濾失劑本身具有增黏提切作用,為控制流變性,因此在體系中去掉XC、DRISTEMP。優(yōu)化后的配方如下:海水+0.2%NaOH+7%KCl+14%NaCl+0.2%PF-PLUS+0.1%PF-XC+3%PF-FT-1+5%PF-EZCARB+2%PF-HLUB+2%PF-UHIB+1%PF-LUBE+2%PF-NRL+2%PF-LSF+2%PF-SMPHT+2%PF-SPNHHT+5%E22+1.2%E27+重晶石,加重至1.4 g/cm3。150 ℃老化前后性能評(píng)價(jià)結(jié)果如表10所示。可以看出,優(yōu)化后體系流變性穩(wěn)定,相比原體系A(chǔ)PI濾失量降低25%、高溫高壓濾失量降低51.43%。

表10 加入降濾失劑后體系性能評(píng)價(jià)表Table 10 System performance evaluation table after adding filtrate reducer
前文證明固相損害由加重劑引起,粒徑是主要因素,因此通過加重劑種類及加量優(yōu)化來改變固相粒徑分布。對(duì)粒徑分布的優(yōu)化需要滿足兩個(gè)要求:首先固相粒徑必須足夠大,使其不能侵入儲(chǔ)層;其次固相顆粒又必須足夠小,使形成的泥餅?zāi)苡行У貙V液中的聚合物等濾除,保護(hù)儲(chǔ)層。因此對(duì)于占固相主要含量的加重劑的要求是,維持較大的粒徑、較大的中值(D50)以及較窄的粒徑分布。
CaCO3本身可作暫堵劑和加重劑使用,且有不同粒徑以供選擇。石油工業(yè)中4種不同規(guī)格的CaCO3的累計(jì)粒度分布曲線如圖12所示,當(dāng)顆粒累計(jì)體積與顆粒粒徑的平方根d1/2成正比時(shí),可認(rèn)為達(dá)到顆粒的理想充填,4條曲線的主要線段近似于直線,可認(rèn)為基本上符合理想充填的必要條件。但是,采用單一規(guī)格的CaCO3顆粒很難達(dá)到理想充填,因此須對(duì)多種規(guī)格暫堵劑進(jìn)行復(fù)配。

圖12 不同粒徑的CaCO3的粒度分布曲線Fig.12 The particle size distribution curves of CaCO3 with different particle sizes
由圖13可知,巖心分析得到的最大孔喉直徑Dmax為50 μm。根據(jù)深水體系加重前固相粒徑分布數(shù)據(jù),確定最佳配比為1 000目CaCO3、600目CaCO3和200目CaCO3的比例為5∶11∶9。因此將所用配方中重晶石替換為復(fù)配的碳酸鈣,加重至1.45 g/cm3對(duì)新鉆井液體系進(jìn)行性能評(píng)價(jià),由表11可知,濾失量顯著降低,具有可行性。并且使用復(fù)配的碳酸鈣加重的深水鉆井液中徑在90 μm左右,可以提高濾餅致密程度,有效地起到架橋作用,從而保護(hù)儲(chǔ)層中的大孔隙。

圖13 優(yōu)化后粒徑分布圖Fig.13 The optimized particle size distribution map

表11 優(yōu)化加重劑后體系性能評(píng)價(jià)表Table 11 System performance evaluation table after optimizing weighting agent
使用優(yōu)化后的深水鉆井液開展儲(chǔ)層污染性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表12顯示,3種滲透率級(jí)別的巖心經(jīng)優(yōu)化后鉆井液體系反向污染實(shí)驗(yàn)后結(jié)果對(duì)比優(yōu)化前體系實(shí)驗(yàn)結(jié)果,巖心質(zhì)量增加程度均有降低;低、中、高滲巖心滲透率恢復(fù)值提升分別為19.68%、12.1%、16.27%。可看出深水鉆井液儲(chǔ)層保護(hù)性能得到明顯提升。

表12 優(yōu)化后體系儲(chǔ)層污染性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 12 Experimental data table of reservoir pollution evaluation of optimized system
首次對(duì)瓊東南盆地區(qū)塊系列井鉆井液侵入損害因素和機(jī)理進(jìn)行研究,分別分析液相侵入損害和固相侵入損害兩方面,將儲(chǔ)層基本特征評(píng)價(jià)、敏感性評(píng)價(jià)、鉆井液污染實(shí)驗(yàn)、SEM分析、CT掃描相結(jié)合,從微觀和宏觀上直觀、準(zhǔn)確地表示儲(chǔ)層損害機(jī)理及程度,優(yōu)化深水鉆井液儲(chǔ)層保護(hù)性能,確定一套適合瓊東南盆地區(qū)塊系列井儲(chǔ)層保護(hù)體系,得到以下結(jié)論。
(1)深水鉆井液濾液與地層水配伍性良好,巖心樣品水鎖損害率分別為19.8%、22.5%、31.4%,液相侵入損害主要為水鎖損害。
(2)CT掃描顯示巖心孔隙連通性差,EDS測試結(jié)果中Ba2+、Ca2+含量較高,固相侵入損害主要由加重劑引起。
(3)通過優(yōu)選防水鎖劑F-113,研發(fā)降濾失劑(代號(hào)E22、E27),設(shè)計(jì)新加重劑復(fù)配CaCO3最佳配比3種手段優(yōu)化原鉆井液體系儲(chǔ)層保護(hù)性能。優(yōu)化后體系濾失量大幅降低;泥餅致密程度提高;滲透率恢復(fù)值上升12.1%~19.68%,儲(chǔ)層保護(hù)性能明顯提升。