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当期目录

2024年 第41卷  第2期

专论
深共晶溶剂抑制页岩水化的应用与展望
白佳佳, 顾添帅, 陶磊, 冯枭, 陈明君
2024, 41(2): 141-147. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.001
摘要:
钻井过程中页岩水化常会诱发严重的井下安全事故,提高页岩井壁稳定性将极大地提高钻井成功率。深共晶溶剂(Deep eutectic solvent,DES)作为一种新型的绿色试剂,其性质与离子液体相类似,用途较为广泛。然而其作为水基钻井液添加剂在抑制页岩水化上的应用潜力尚未引起足够重视。相较于其他水基钻井液添加剂,DES具有不易燃、不易爆、无毒、易降解、电化学和热稳定性好等优点,并且DES价格便宜,来源广泛。在全面归纳总结DES的物理化学性质的基础上,讨论了DES作为水基钻井液添加剂抑制页岩水化的机理,并通过对DES的成本、对钻井液性能的影响进行分析,阐明了DES作为水化抑制剂在水基钻井液中的应用潜力。研究结果对DES在抑制页岩水化上的应用及其推广具有重要意义。
钻井液
抗超高温220 ℃聚合物水基钻井液技术
刘锋报, 孙金声, 刘敬平, 黄贤斌, 孟旭
2024, 41(2): 148-154. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.002
摘要:
我国深层油气资源丰富,其高效开发对保障国家能源安全具有重大意义。钻井液是深部地层钻探的关键,但目前常规聚合物钻井液的抗温能力普遍低于220 ℃,且盐会大幅降低钻井液性能,钻探过程中往往由于钻井液失效引发安全事故,对深层油气开发造成重大损失。针对钻井液高温高盐条件下性能恶化的难题,合成了具有协同作用的抗高温两性离子聚合物和抗高温阴离子聚合物,通过高强度的网架结构调控钻井液流变性;合成抗超高温高效封堵剂来提高钻井液封堵性能和滤失性能,封堵泥饼和砂床,阻止压力传递。以抗高温两性离子聚合物、抗高温阴离子聚合物和抗超高温高效封堵剂为核心处理剂,构建了一套抗超高温220 ℃的聚合物水基钻井液体系,并评价了该钻井液的性能。实验结果表明,该钻井液具有良好的流变滤失性、沉降稳定性、封堵性和润滑性,其高温高压滤失量仅为9.6 mL,高温高压下仍保持黏度和切力稳定,直立老化72 h沉降因子仅为0.5113,砂床侵入深度仅为6 mm,老化后润滑系数和泥饼黏滞系数分别为0.1224和0.0875。该钻井液具有良好的抗温性能和稳定性,对深部油气的开发具有重要意义。
高温致密砂砾岩储层盐敏及盐析损害机理
何瑞兵, 谭伟雄, 白瑞婷, 康毅力, 李鸿儒, 李鑫磊, 游利军
2024, 41(2): 155-165. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.003
摘要:
中国渤海湾盆地广泛分布特低渗致密砂砾岩油气藏,与常规砂岩储层相比,致密砂砾岩储层具有黏土矿物丰富,溶蚀孔隙及微裂缝发育且非均质性强等特点,注入流体侵入容易诱发储层损害,堵塞孔喉,降低储层渗流能力,阻碍油气井稳产。以BZ19-6井区砂砾岩储层井下岩心为例,分别依据行业标准法和高温高回压稳态法开展储层盐敏损害室内实验评价,基于扫描电镜分析了敏感性矿物和盐类矿物的类型及赋存特征。实验结果表明:储层盐敏程度为中等偏强~强;岩心渗透率越低,盐析对储层的孔隙度和渗透率的损害程度越大,建议对于渗透率小于0.1 mD、储层温度高于100 ℃的致密岩心,推荐应用高温高回压稳态法评价储层流体敏感性更具优势。研究区黏土矿物以丝片/丝缕状伊利石、蚀变高岭石及伊/蒙间层矿物为主,主要呈栉壳式、分散充填、搭桥等方式赋存于溶蚀孔隙,是储层盐敏的主要因素。高温环境地层水加速蒸发,易导致近井带盐析,盐类矿物主要为钾盐和石盐,赋存于矿物颗粒表面和孔隙壁面易堵塞微细孔喉;地层水静态蒸发可溶盐析出堵塞致密孔喉、动态驱替盐晶运移堵塞喉道及盐析弱化岩石力学强度,导致微粒运移是致密砂砾岩盐析损害的主要机理。推荐使用KCl-饱和盐水聚磺钻井液和两性离子聚合物钻井液技术,通过降低钻井液侵入和抑制盐类在钻井液中的结晶和成核,从而降低储层盐敏损害。
PGA可降解材料作为钻完井液暂堵剂实验研究
董晓强, 金冰垚, 刘雨涵, 钱晓琳, 余福春
2024, 41(2): 166-171. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.004
摘要:
聚乙醇酸(PGA)具有良好的环保特性,通过高温浸泡前后PGA力学性能、颗粒粒径、分子热稳定性和晶体致密度等参数分析,研究了PGA在水相及油相环境中的热稳定性,评价了PGA作钻完井液暂堵剂的应用潜力。结果表明PGA理化性质受钻井液液相环境和温度的影响较大。对水基钻井液而言,100 ℃高温水相环境下PGA分子受pH值影响降解生成低聚物,分子热稳定性降低、力学强度下降,表现为强酸(pH<5)及强碱(pH>9)环境加速降解,且强碱条件下降解快于强酸环境。高温油相环境导致PGA颗粒先溶胀后出现剥落、破碎现象,本体由塑性向脆性转变,抗拉及抗压强度出现一定程度下降,PPA封堵实验显示油相环境中8 d内具有良好的封堵效果。与水基钻井液相比,暂堵剂PGA更适合在油基钻井液中使用。
超致密储层流体敏感性实验方法
张杜杰, 金军斌, 李大奇, 张栋, 金中良
2024, 41(2): 172-177. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.005
摘要:
超致密储层具有基块致密、黏土矿物丰富等特点,潜在流体敏感性强,准确评价储层流体敏感程度对优选入井工作液性能至关重要。选取超致密气层砂岩岩心,改进了压力衰减法评价储层流体敏感性,并与常规的压力衰减法和改进的稳态流体敏感性实验方法对比分析。结果显示,常规的压力衰减法样品水敏程度为中等偏弱,改进的压力衰减法评价样品水敏程度中等偏强,实验结果与改进的高温高回压测试方法具有一致性,且实验时间缩短近40%。分析认为:改进的压力衰减法能够模拟地层高温环境,原理清楚,结果可靠,新方法弥补了常规压力衰减法工作流体无法高效注入岩心的不足,提高了测试精度,缩短了实验时间,对优化致密油气藏储层损害评价方法具有借鉴意义。
一种抗高温梳型两性离子聚合物降黏剂
邓正强, 张涛, 黄平, 罗宇峰, 王国帅, 贺垠博, 蒋官澄
2024, 41(2): 178-183. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.006
摘要:
针对深井超深井钻井中高密度水基钻井液黏度高、易高温增稠等流变性调控难题,以对苯乙烯磺酸钠盐、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、2-烯丙基-2-甲基氯化铵、烯丙基聚氧乙烯醚为单体,合成了一种抗高温梳型两性离子聚合物降黏剂ZT-1。采用红外光谱表征了降黏剂的分子结构,验证梳型两性离子聚合物合成的成功,采用热重分析表征了降黏剂的热稳定性,其分解温度达250 ℃。ZT-1具有良好的抗高温耐盐钙降黏分散性能,抗温240 ℃,可抗饱和盐,抗2%氯化钙;ZT-1加量为0.3%时,老化温度为200 ℃,在评价浆中的降黏率可达77.7%,在高密度(2.4 g/cm3)水基钻井液体系中表观黏度的降低率达33%,塑性黏度的降低率达14%,动切力降低率达67%。ZT-1性能优于阴离子降黏剂磺化丹宁以及常规线性两性离子聚合物降黏剂XY-27和ADS共聚物,这种梳型两性离子聚合物降黏剂在超高温超高密度钻井液中具有良好的应用前景。
陵水区块超深水高性能恒流变油基钻井液技术
刘智勤, 徐加放, 彭巍, 徐超, 于晓东
2024, 41(2): 184-190. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.007
摘要:
超深水钻井不仅面临低温、井壁不稳定、地层安全作业压力窗口窄以及井眼清洁困难等问题,还对钻井液的性能提出了更高的要求。通过对乳化剂的分子结构进行设计,研制出一种同时具备乳化和流型调控作用的新型乳化剂KMUL,并以此为主要处理剂,构建了一套适用于南海西部陵水区块超深水工况的高性能恒流变油基钻井液,并对钻井液性能进行了评价。结果表明:该钻井液具有良好的恒流变特性,在温度为2~150 ℃、压力为0~56 MPa范围内的流变性能较为稳定;钻井液的抗污染能力较强,当岩屑和海水的加量为15%时,钻井液的综合性能比较稳定;钻井液的储层保护效果较好,岩心渗透率恢复值能达到92%以上;钻井液的生物毒性较低,具备良好的环境保护性能。LS-C超深水井的现场应用结果表明, 不同井深的现场钻井液流变性能和破乳电压均比较稳定,钻井液当量循环密度始终维持在低位,施工过程顺利,井筒直径规整,未出现井下复杂情况。研究结果表明,该高性能恒流变油基钻井液满足陵水区块超深水钻井施工的需求。
红星区块多粒径致密封堵油基钻井液技术
王长勤, 李忠寿, 黄桃, 李广林, 张勇, 魏士军
2024, 41(2): 191-197. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.008
摘要:
红星区块是江汉油田部署在建南构造上主力产气区,中石化页岩气勘探开发的重点区块。该区块飞仙关组、长兴组经多年开采,地层骨架应力低;吴家坪组微纳米裂缝发育。油基钻井液在钻进过程中,井漏、井塌矛盾突出,处理难度大,为此研究形成一套“强封堵、低活度、低黏度高切力”多粒径致密封堵油基钻井液体系,该体系采用4%微纳米复合刚性颗粒、0.5%石墨烯片状材料、1.5%球状凝胶MPA、1%超细矿物纤维等多粒径微纳米材料,协同封堵致密封堵地层微纳米级裂缝,且在井壁上形成致密泥饼,控制钻井液高温高压滤失量低于3 mL;采用高浓度CaCl2水溶液(≥36%)为水相,活度低于该区块页岩岩心活度,提高钻井液的抑制性;采用提切型乳化剂提高钻井液切力,实现高效携带岩屑、掉块,净化井眼的目的。现场应用表明,多粒径致密封堵油基钻井液体系能有效地减缓井漏、井塌复杂,复杂时间降低了90.34%,应用效果显著。
塔河稠油高黏特性及其侵入钻井液治理探索
刘湘华, 范胜, 张淑霞, 李双贵, 于洋, 沐宝泉, 刘贺
2024, 41(2): 198-204. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.009
摘要:
为了解决塔河高黏稠油侵害钻井液的问题,研究对比了塔河稠油与典型劣质重油的关键性质及塔河稠油沥青质-甲苯溶液黏度随浓度的变化规律,发现塔河稠油的高黏特性主要原因是沥青质含量高与芳香度高,以此为基础,设计2种实验方案。一是针对钻井初期稠油侵入量少的情况,通过在钻井液中添加适宜的分散剂和芳香馏分的复配体系,将稠油进行分散,结果为5#钻井液体系效果最好,TH121155X井稠油在无固钻井液中的分散度超过99%。二是针对稠油侵入量大的情况,对稠油进行包裹,使稠油失去黏附性,降低稠油在钻具上黏附,确保地面振动筛能够顺利筛分。研究数据表明,BGJ-2-4复配的包裹剂对塔河TH12471H井稠油具有良好的包裹效果,罐黏附率仅为0.3%。
西湖凹陷上部杂色泥岩井壁失稳研究和钻井液优化
张海山
2024, 41(2): 205-214. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.010
摘要:
东海西湖凹陷部分区块在Φ311.15 mm井段钻遇龙井组、花港组杂色泥岩地层时,频繁发生起下钻阻卡、倒划眼困难等复杂情况,严重影响井下安全和作业时效。室内采用X射线衍射、扫描电镜、压汞法、抗压强度测试等方法对地层岩性组构特征、力学特性以及其他物理化学性能进行试验,研究井壁岩石失稳机理,表明杂色泥岩本身极具失稳特性。模拟现场条件,试验研究现场油基钻井液封堵和井壁稳定能力、钻井液润湿性能对岩屑井壁黏附和润滑性的影响,发现影响杂色泥岩起下钻遇阻的主控因素是钻井液胶结封堵稳定井壁能力和钻井液润湿性能不够。针对地层特性和钻井液性能不足,制定油基钻井液稳定井壁优化对策,强化钻井液封堵固壁性,提高地层承压能力;优选钻井液乳化剂,提高体系高温稳定性和润湿性。优化后的油基钻井液体系能够有效封堵泥岩微纳米孔缝,提高井壁稳定性,提高泥饼润滑性,可降低起下钻阻卡风险。现场应用表明,钻井过程中井壁稳定,起下钻、下套管等均顺利,与邻井相比起下钻效率提升96%~353%,取得了良好的应用效果,有效解决了西湖凹陷上部杂色泥岩地层井壁失稳问题。
固井液
环氧磷酸缓凝剂研发及抗220 ℃常规密度水泥浆综合性能
林鑫, 刘硕琼, 夏修建, 孟仁洲
2024, 41(2): 215-219. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.011
摘要:
针对油井水泥常用缓凝剂在200 ℃以上稠化时间不稳定问题,笔者以官能团和聚合物功能结构为基础,对抗高温缓凝剂进行分子结构设计。以AMPS、SAS、NVP、AM和环氧丙基磷酸5种单体制备了一种五元抗高温缓凝剂NPAAS-1。采用红外光谱、热重分析以及核磁共振H谱对NPAAS-1进行表征。结果表明,缓凝剂NPAAS-1为预期产物,300 ℃时失重仅为22.30%。通过其性能评价可知,NPAAS-1在200 ℃以上具有很好的缓凝性能,且稠化时间与加量呈线性关系。在 220 ℃下,缓凝剂加量为3.5%时,稠化时间为297 min;加量为4.5%时,稠化时间为530 min。可以实现对超高温环境下水泥水化速率的有效控制。
CO2腐蚀-应力耦合下固井水泥环密封完整性
武治强, 武广瑷, 幸雪松
2024, 41(2): 220-230. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.012
摘要:
CO2地质封存过程中,与地层围岩中的水反应后腐蚀着固井水泥环,腐蚀损伤和套管内压(应力)耦合作用极大地影响着水泥环的密封完整性。基于CO2腐蚀实验,获得不同腐蚀程度水泥石材料力学性能参数,采用混凝土损伤塑性(CDP)本构模型和Mohor-Coulomb准则描述腐蚀前后水泥环的应力-应变行为,利用ABAQUS软件建立考虑CO2腐蚀与应力耦合作用的井筒组合体(套管-水泥环-地层围岩)有限元分析模型,分析和探讨了套管内压和腐蚀时间对水泥环完整性的影响。结果表明,较高套管内压下,井筒水泥环发生弹塑性变形,出现结构损伤,套管与水泥环界面易形成微间隙;受腐蚀和套管内压的耦合作用,水泥环更易于出现完整性失效问题,相比较于未腐蚀水泥环,腐蚀水泥环受压后径向应力、等效塑性应变、微间隙以及拉伸和压缩损伤均较大,与之相反,塑性半径是减小的;微间隙与拉伸和压缩损伤受腐蚀时间的影响不明显。
控压固井注入阶段井筒压力预测模型
刘金璐, 李军, 李辉, 杨宏伟, 柳贡慧
2024, 41(2): 231-238. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.013
摘要:
控压固井技术在应对窄密度窗口地层固井难题时具有显著优势,但目前对注入阶段井筒压力的预测模型研究较少。结合控压固井的工艺流程,将注入阶段分为4个环节。基于流变学理论、井筒传热学理论和压力场理论,考虑注入阶段多流体间流变性能的差异,建立了温度-压力-流体性能参数耦合模型,并采用四循环迭代方法进行求解。以X井的控压固井参数为例进行了模拟计算,预测结果误差较小。对控压期间井筒的温度场、压力场和环空ECD进行了分析,研究结果表明,温度场在不同时间段对井口回压的影响规律不同,当环空流体结构为多液柱结构时,井口回压对温度的敏感性较小;井筒压力变化规律受流体位置的分布影响较大;在其他条件不变的情况下,提高注入排量会增加作业密度窗口,但环空最大ECD基本不变。根据研究结果提出了对应的改进思路,以便对控压参数进行更好地设计。
水玻璃复合堵漏体系中氯化钙控释技术
殷慧, 柳华杰, 安朝峰, 步玉环, 郭胜来, 宋文宇, 屈俊峰, 苏国平
2024, 41(2): 239-245. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.014
摘要:
水玻璃-氯化钙体系是常用的油井堵漏材料,但是水玻璃和氯化钙一接触即快速反应,只能采用双液法进行施工,工序复杂。因此拟对氯化钙进行控释,以期能够将水玻璃-氯化钙混合同时泵注,简化施工。该研究通过使用树脂体系对氯化钙进行包裹完成氯化钙的控释。通过改变体系中氯化钙的加量、交联剂的加量以及单体的种类及配比,考察以上3种因素对控释效果的影响。研究发现,通过树脂对氯化钙进行包裹时,氯化钙与单体的质量比为1∶4、交联剂加量为6%,可将水玻璃-氯化钙体系失去流动性时间延长至105 min。将已包裹氯化钙的树脂粉末进行二次包裹时,氯化钙与单体的质量比为1∶2、一次包裹二次包裹交联剂加量均为6%时,可将水玻璃-氯化钙体系失去流动性时间延长至110 min。在二次包裹的树脂体系中加入氯化钠,可将体系失去流动性时间延长至180 min。通过红外光谱和SEM谱图分析发现,吸水树脂通过减少氯化钙与水玻璃的接触面积来减缓反应的进行,树脂本身不参与水玻璃与氯化钙的反应进程。
水泥水化影响水合物层稳定性定量评价装置及影响程度的评测
马睿, 步玉环, 路畅, 柳华杰, 郭胜来, 郭辛阳
2024, 41(2): 246-255. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.015
摘要:
针对海洋深水水合物层在固井过程水泥水化放热对水合物分解量的影响缺乏量化评价装置及方法的问题,充分考虑固井过程中水泥浆体系与水合物层的接触方式,建立了一套模拟水合物层固井的水合物稳定性评价实验装置,该装置实现了低温高压下水合物的生成、带压条件下水泥浆与水合物层接触的流动泵入,直观地测试了与水合物层直接接触下的水泥浆水化放热对地层温度、压力的影响。根据设计的实验装置,通过对水合物饱和度、水合物分解气量的推导计算,建立了一套水合物模拟地层的制作方法,并建立了水泥浆水化影响水合物层稳定性评价方法。根据南海地区浅层地质条件建立了模拟水合物地层,泵入G级油井水泥净浆、低密水泥浆体系和低热水泥浆体系等3组水泥浆体系,得出单位体积油井水泥候凝过程中分解水合物的气体的量分别为0.7356、0.1091和0.0649 mol/L,且评测表明,低热水泥浆体系能够大幅度缩短固井候凝的等待时间。该研究为油气固井过程中对浅层水合物的影响提供了直观测试方法,也证明了海洋深水水合物地层中使用低热水泥浆体系的必要性。
压裂液与酸化液
低成本耐高温海水基胍胶压裂液
宫大军, 吴志明, 白岩, 朱明山, 王雪稳, 袁哲
2024, 41(2): 256-261. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.016
摘要:
海上油气田压裂由于条件限制,采用淡水配制压裂液导致运输成本高、周期长。海水配制压裂液,碱性交联环境螯合剂加量大,材料成本高,耐温能力一般。针对以上情况采用钛酸四异丙酯、硫酸锆等物质作为反应原料,分步合成有机钛锆交联剂。经核磁碳谱、交联剂沉析后扫描电镜表征,表明交联剂为有机螯合物,动静态同步激光光散射仪表征交联剂尺寸,表明交联剂粒子直径主要为1~100 nm,具有良好的反应活性。该交联剂在中性条件下即可交联,适应海水等高矿化度水质配制压裂液,其交联微观形态为蜂窝状六元网格状结构,结构稳定,黏弹性相比单钛交联有明显的提升,耐温能力可达180 ℃以上。在中海油南海区域施工实验一口海水配液高温井,效果良好。
一种重建井筒用胍胶压裂液的制备及性能
戴秀兰, 魏俊, 闫秀, 王冰, 严诗婷, 唐雨
2024, 41(2): 262-269. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.017
摘要:
为了解决重建井筒重复压裂施工面临的压裂液成本高、施工摩阻高、施工压力波动大、加砂困难等问题,合成了一种接枝改性胍胶和多级螯合交联剂,形成了一种适用于重建井筒重复压裂用胍胶压裂液。该压裂液体系溶胀性能好,3 min黏度可达到最高黏度的87%;组分剂量低,3.8 g/L的加量液体黏度与普通胍胶6 g/L的加量相当;降阻率高于70%,残渣含量小于70 mg/L,在150 ℃条件下剪切2 h,黏度稳定在50 mPa·s以上,携砂性能好,支撑剂2 h基本无沉降。该压裂液在首口全国产化的重复压裂重点井进行了应用,最高排量17.5 m3/min,最高砂比30%、单段平均加砂220 m3,解决了重复压裂施工加砂困难的难题,取得了良好的应用效果。
单相缓速酸酸蚀裂缝导流规律
崔波, 冯浦涌, 姚二冬, 荣新明, 周福建
2024, 41(2): 270-278. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.02.018
摘要:
低渗碳酸盐岩酸压成功的关键在于酸压后形成可在地层闭合压力下保持高导流能力的酸蚀裂缝。单相缓速酸是一种具有纳米结构、低伤害、低摩阻及高缓速性能的新型酸液体系,应用潜力大,但其酸蚀裂缝导流规律尚不明确。以光滑岩板和粗糙岩板为实验对象,以盐酸、胶凝酸和乳化酸为对比,利用酸液刻蚀和酸蚀裂缝导流实验、表面形貌扫描和连续强度测试仪,研究了酸液类型、交替注入级数、注入速度、黏度比、反应时间、岩板类型对导流能力的影响。结果表明:单相缓速酸相对于盐酸、胶凝酸和乳化酸,可形成强沟道型刻蚀形貌,差异化溶蚀程度高,岩板强度损伤减缓,在高闭合压力下可保持较高的导流能力。提高酸液交替注入级数(≥3级)、注入速度、黏度比(黏度差≥50 mPa·s)及岩板初始表面粗糙度,有助于形成优势酸液流通通道。单相缓速酸实现高导流酸蚀裂缝机理为:①黏性指进形成差异化刻蚀沟道;②主蚓孔滤失形态及“虹吸”效应减缓裂缝表面强度损伤。