左景栾1 孙晗森1 吕开河2
基金项目:国家科技重大专项《大型油气田及煤层气开发》项目60“山西沁水盆地南部煤层气直井开发示范工程”(项目编号:2009ZX05060)资助。
作者简介:左景栾,女,工程师,现在中联煤层气有限责任公司。通讯地址:北京市东城区安定门外大街甲88号;邮编:10001。Email:[email protected]。
(1.中联煤层气有限责任公司 北京 100011;2.中国石油大学石油工程学院,山东东营 257061)
摘要:针对煤储层井壁易坍塌、钻井液易污染煤储层等难题,研发出了中空玻璃微球低密度钻井液体系。该钻井液具有良好的流变性和滤失性,泥饼薄而致密。同时具有很好的抗温性、抗污染性能、防塌性能、沉降稳定性和保护储层作用。在沁南示范区成功进行了1口井的现场试验,有效防止了液体对煤储层的污染。
关键词:煤储层 污染 低密度钻井液 流变性 滤失性 现场试验StudyofLightWeightDrillingFluidforCoalbedMethane
Study of Light Weight Drilling Fluid for Coalbed Methane
ZUO Jingluan1, SUN Hansen1, LV Kaihe2
(1.China United Coalbed Methane Co., Ltd, Beijing 10001 1; 2.College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Dongying 257061, Shandong, China)
Abstract: In view of the collapsibility of borehole face and coal formation pollution resulted from drilling flu- id, this paper researched the light weight drilling fluid, whose density was reduced by adding hollow glass micro- spheres.The study shows that the light weight drilling fluid has good rheological property and filtration property, and its mud cake is thin and tight . Moreover, this drilling fluid has a lot of good properties, such as temperature tolerance, antipollution, anti-sloughing, sedimentation stability and formation protection.This light weight drill- ing fluid has been applied in one well for field trial successfully at QinNan demonstration plot.Good performance on protecting coal formation from pollution has been observed.
Keywords: coal formation; pollution; light weight drilling fluid; rheological property; filtration property; field trial
我国煤储层一般具有孔隙压力低、渗透性差、裂隙发育等特点,钻井液侵入易导致煤层污染,影响煤层气的产量。在钻探施工中应根据不同的要求和地层, 以节约成本、保证井内安全、保护目的煤层原生结构不受伤害为原则,选用合适的钻井循环介质。
本文针对沁南示范区煤储层井壁易坍塌、钻井液易污染煤储层等难题,研发出了有利于保护井壁稳定、减少储层污染的低密度钻井液体系,并成功进行了现场应用试验。
1 煤储层损害原因与机理研究
对从沁南示范区采回的煤样分别进行了物性参数测试、X-射线衍射分析、扫描电镜分析等测试分析,结果表明,煤储层具有低孔、低渗、裂缝发育的特征。同时,煤储层还具有低压力和低含水饱和度的特点。这些特点决定了在钻井完井过程中如果不采取有效措施,储层将受到很大伤害,造成渗透率下降,产量降低。钻井过程中储层损害原因主要有以下方面。
1.1 应力敏感性损害
应力对煤岩渗透率的影响见表1所示。从表1可知,当有效应力升高时,煤岩渗透率急剧下降,表明具有很强的应力敏感性。
表1 煤岩应力敏感性实验结果
1.2 速敏性损害
使用1%标准盐水进行了流动实验,实验结果见表2。由表2可以看出,标准盐水在煤样中的流速增加,渗透率不但不下降,反而有所上升,说明不存在速敏。在流速较大时,实验中观察到有细小煤屑颗粒流出,由于颗粒极小,不足以堵塞渗流通道,反而使煤岩渗透性增加。
表2 速敏性实验结果
1.3 水锁损害
煤层中微孔隙可以看做是无数曲折弯曲的毛细管,而煤层一般是弱亲水的,当外来液体接触煤层时,会产生强烈的吸水作用。液体的侵入对储层渗透率的伤害十分明显。试验表明,当液体饱和度达到10%时,气体渗透率伤害达50%,而当液体饱和度为30%时,气测渗透率几乎降为0。
1.4 固相侵入
煤岩中存在微裂缝,作业过程中固相和液相容易侵入。如果不对此采取有效措施,则固相和液相将大量侵入储层,并且随着后续作业的进行,其侵入量和侵入深度不断增加,造成储层渗透率大幅度降低,严重污染储层。
由于煤储层压力低,裂缝及层理发育,钻井液侵入储层是主要的损害机理,因此应尽量采用低密度钻井液体系,防止钻井液大量侵入储层。
2 保护煤储层的低密度钻井液研究
2.1 密度降低剂的选择
由煤储层损害原因与机理分析可知,压差是影响煤储层损害的重要因素,压差越大煤储层损害越严重。
中空玻璃微球是一种单胞碱石灰硅酸硼类材料,外观为白色粉末,呈化学惰性,抗高温高压,形成的钻井液真实密度低,可降至0.6~1.0g/cm3,工艺简单,风险小,储层保护效果好,完全能满足低压煤层气井及部分欠平衡井的钻、完井施工。该技术的研究应用,将丰富低压煤储层钻井液种类,改变目前煤储层损害较为严重的局面。
2.2 中空玻璃微球性能评价
(1)中空玻璃微球密度
室内对中空玻璃微球样品进行多次测定,得到其真实密度为0.37~0.45g/cm3。
(2)中空玻璃微球粒径大小和分布范围
采用激光粒度仪对中空玻璃微球进行粒度分析,测得90%的中空玻璃微球粒度小于123μm。
(3)中空玻璃微球机械破裂强度与抗压强度
机械破裂强度是指单位体积的中空玻璃微球在机械压力装置下直接受压发生破裂的最高压力,而抗压强度是指在不同恒定温度下,一定浓度的中空玻璃微球在水中承受外压力不发生破裂沉淀的最高压力。对于钻井液来讲,后者的性能反映材料的稳定性,更为重要。中空玻璃微球强度实验结果见表3。
表3 中空玻璃微球强度
由表3可见,中空玻璃微球抗压性能好,在30MPa压力下不破裂。
(4)中空玻璃微球含量与密度关系
分别在自来水中加入不同数量的中空玻璃微球,并测定加入后的液体密度。随着中空玻璃微球含量增大,液体密度降低,40%含量时,密度可降低到0.75g/cm3。
2.3 中空玻璃微球对钻井液性能的影响评价
(1)膨润土浆配制
400ml水+12g膨润土+0.06g纯碱,搅拌20min,老化24h备用。
(2)中空玻璃微球对钻井液性能的影响
图1表明,钻井液滤失量随中空玻璃微球的加入而降低,10%含量之前,滤失量降低最快,10%~30%时,降低速度减慢。
图1 钻井液API失水量与中空玻璃微球含量关系
由图2可以看出,随着中空玻璃微球含量的增大,钻井液的塑性粘度增加,但加量低于30%时,塑性粘度增加幅度不大,加量大于30%时,塑性粘度增加明显。
由图3可以看出,随着中空玻璃微球含量的增大,钻井液动切力增加,加量为40%时,动切力由3Pa增加到近5.1Pa。
经中空玻璃微球水基钻井液污染后的岩心,其最终渗透率恢复率可达95%,而经未加有中空玻璃微球的钻井液污染后的岩心,其最终渗透率恢复率不足60%。因此,中空玻璃微球钻井液有利于保护储层,同时形成的泥饼易于清除。
2.4 中空玻璃微球低密度钻井液研究
(1)单剂筛选
在基浆中加入一定数量的增粘剂,高搅20min后测其室温性能。然后分别在120℃和150℃下老化16h,冷却至室温后再测其性能。所评价的各种增粘剂中DSP-2抗温性能较好,在增粘切的同时还具有较好的降滤失作用,故选DSP-2为钻井液体系中的增粘剂;LY-1无论在常温还是高温老化后都具有很好的降滤失效果,说明其具有较好的抗温性能,可作为钻井液体系的降滤失剂使用;胺基聚醇AP-1、硅酸钠、硅酸钾及高浓度的甲酸钠均具有很好的抑制性,胺基聚醇AP-1与某些盐配合使用抑制效果更好;封堵防塌剂FF-2具有良好的封堵防塌作用;几种表面活性剂能较好的降低界面张力,其中SP-80效果最好,且SP-80表面活性剂的表面张力随温度变化而变化的幅度不大,说明其具有较好的抗温能力。
(2)钻井液配方研究
(1)优选钻井液配方及性能
在增粘剂、降滤失剂、抑制剂和表面活性剂确定以后,利用各种处理剂的特性对各种处理剂的用量进行优选优配,以得到既满足钻井工程要求,又利于保护储层的钻井液配方。经过大量实验,优选的钻井液配方及性能见表4。
图2 钻井液塑性粘度与中空玻璃微球含量关系
图3 钻井液动切力与中空玻璃微球含量关系
表4 优选钻井液配方及性能
由表4可以看出,优选钻井液具有良好的流变性能和滤失性能,泥饼薄而致密,API滤失量小于5ml,高温高压滤失量小于15ml。120℃老化16h后钻井液性能稳定,说明具有很好的抗温性。
在优选配方中分别加入不同数量的劣质土粉,优选钻井液污染前后性能稳定,说明其具有良好的抗污染性能。
优选配方回收率远大于清水回收率,线膨胀量远小于清水线膨胀量,说明优选配方能有效抑制泥页岩水化膨胀分散,具有很好的防塌性能。
(2)封堵性能评价
由表5可以看出,优选配方对不同渗透性砂层均具有较好的封堵效果。
表5 砂层封堵实验数据
(3)沉降稳定性评价
实验结果表明,优选配方高温的沉降稳定性很好,静置48h后,钻井液的上下密度差仅为0.02g/cm3。
(4)钻井液保护储层性能评价
从表6可以看出,岩心的渗透率恢复率较高,说明优选钻井液具有很好的保护储层作用。
表6 渗透率恢复实验
3 钻井液现场试验研究
在室内理论和实验研究的基础上,在沁南示范区进行了1口井的现场试验研究。
3.1 试验井基本情况
试验井完钻井深690.00m,完钻层位:石炭系太原组,目的煤层为二叠系下统山西组3#煤层(639.00~645.00m)。
3.2 现场试验
现场试验配制钻井液密度为0.95g/cm3,粘度为55Pa·s,pH值8。从井深为590m开始,一直使用该钻井液到该井完钻为止,施工顺利。
现场试验结果表明,中空玻璃微球在钻井液中起到了降低密度的作用,钻井液密度0.95g/cm3,该钻井液的失水较小;粒度较小的玻璃微球还具有很好的封堵作用,对煤层的吼道进行暂堵形成一层保护膜,有效防止了液体对煤层的污染。
参考文献
冯少华,侯洪河.2008.煤层气钻井过程中的储层伤害与保护[J].中国煤层气,5(3):16~19,92
韩宝山.2002.欠平衡钻井技术与煤层气开发[J].煤田地质与勘探,30(4):61~62
赖晓晴,楼一珊,屈沅治等.2009.我国煤层气开发钻井液技术应用现状与发展思路[J].石油天然气学报,31(5):326~328
刘保双,杨凤海,汪兴华等.2007.煤层气钻井液工艺现状[J].国外油田工程,(8):27~33
杨陆武,孙茂远.2002.中国煤层气藏的特殊性及其开发技术要求[J].天然气工业,22(6):17~19
周一帆,王德利,刘力.2010.煤层气钻井对储层的伤害机理分析[J].煤,19(7):87~88,92