您的位置:首页 >新闻资讯 > 非常规油气 > 其他技术

深水钻井液技术现状与发展趋势

作者:中国页岩气网新闻中心  来源:特种油气藏  发布时间:2013-7-25 15:33:12

中国页岩气网讯:深水已成为国际油气勘探开发的重点区域。深水钻井液技术作为深水油气开发的关键技术之一,需解决深水复杂地层井壁失稳、低温流变性调控、天然气水合物的生成等技术问题。由于深水钻井液技术难度大,风险高,目前主要由国外技术服务公司垄断。

一、深水钻井液体系研究与应用现状

1、水基钻井液体系

水基钻井液具有成本低及环保等优点,但其在深水钻井作业中面临着复杂地层井壁失稳以及天然气水合物的生成等突出问题。目前主要通过无机盐、聚合醇以及聚胺等抑制剂抑制海底泥页岩水化分散,通过水合物抑制剂抑制水合物的生成。

水合物热力学抑制剂是防治天然气水合物的有效途径。该类抑制剂可改变水和烃分子间的热力学平衡条件,从而防止水合物生成,应用效果较好的有NaCl、甲醇和乙二醇。但该类抑制剂用量大、费用高,且存在环保或设备腐蚀问题。而水合物动力学抑制剂由于其用量少、环保性能好而越来越受到国内外研究机构的重视。目前较成熟的产品包括聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯基己内酰胺(PVCap)和含内酰胺基团的共聚物Gaffix VC-713 等。动力学抑制剂通过抑制水合物晶核生成或抑制水合物晶体生长发挥作用[29],但目前对其作用机理的认识尚有较大欠缺。研究表明,动力学抑制剂和热力学抑制剂具有协同作用,2 者配合使用可以取得更好的效果。

1) 高盐/聚合物钻井液

高盐/聚合物钻井液广泛应用于早期的深水钻井中。主要包括高盐/PHPA 钻井液体系、高盐/聚合物/聚合醇钻井液体系等。该类钻井液具有低成本、低毒性等特点,通过加入高浓度的无机盐抑制水合物生成,无机盐与聚合物或聚合醇协同防塌。

挪威水深837 m 的深水井,泥线温度低至-1.6℃,静水压力超过11 MPa,极易引起水合物生成。该井使用的高盐/聚合物/聚合醇体系中,通过高浓度的NaCl,配合使用KCl、聚合醇和乙二醇来提供足够的水合物抑制性,淀粉和PAC(聚阴离子纤维素)复配控制失水量,聚合醇与KCl 配合使用提供优良的页岩抑制性。

在墨西哥湾,针对深水海底强黏性泥岩研发的CaCl2/聚合物钻井液体系得到成功应用,解决了该地区使用NaCl/PHPA 钻井液时遇到的黏土膨胀分散问题。第1 代CaCl2/聚合物钻井液体系成功应用于1951.6 m 的深水井中。第2 代钻井液使用了新型高分子聚合物包被剂,解决了第1 代钻井液存在的黏振动筛问题,在墨西哥湾水深1422.8 m 深水井中成功应用。目前,高盐/聚合物钻井液常用于无复杂地层情况的深水井中,如位于中国南海的水深1036 m 的白云6-1-1 井,三开钻进时使用NaCl/PHPA 水基钻井液顺利完工。

2) 强抑制高性能水基钻井液

强抑制高性能水基钻井液体系是近年来在深水钻井中应用效果最好的水基钻井液,已成功应用于墨西哥湾、中国南海、巴西海域和哥伦比亚海域等地。其关键处理剂为低分子胺基聚合物,阳离子聚合物作为包被剂;钻速提高剂(或清洁剂)防止钻头泥包并起润滑作用,通过无机盐或醇类抑制水合物生成,针对不同地层选用KCl 或铝酸盐络合物协同封堵防塌,PAC 和改性淀粉作为降滤失剂,必要时选用碳酸钙等作为桥堵剂。其强抑制机理为钻井液中的聚胺分子部分解离形成铵基阳离子,中和黏土表面的负电荷,降低黏土水化斥力。同时聚胺可与黏土表面的硅氧烷基形成氢键,吸附在黏土表面。静电引力与氢键共同作用压缩黏土层,减弱黏土水化。聚胺分子链上的聚氧丙烯疏水基覆盖在黏土表面,降低黏土亲水性,阻止水分子的进入,进一步抑制黏土水化膨胀。

高性能水基钻井液具有极强的抑制页岩分散和黏土聚结泥包功能,性能接近于油基钻井液,且用量少,可重复使用,并符合海洋环保要求,可直接向海上排放,大幅减少了钻井液废弃物的处理工作,节约了成本。

在巴西深水成功应用的聚胺高性能钻井液中,使用可变形胶体在砂岩孔喉和页岩微裂隙中架桥封堵形成内泥饼,阻缓滤液侵入,提高地层强度;KCl 和聚胺复配使用实现对黏土地层的强抑制作用;体系中的铝酸盐络合物进入页岩基质,通过pH 值的降低或与地层流体中高价离子反应而就地沉淀胶结,协同胶粒的物理封堵作用形成选择性渗透膜。该体系已在多口深水定向井中使用,其体系组成如表1 所示。表2为该体系在水深782 m 和1311 m 的2 口井中的性能指标。

表1 高性能水基钻井液的体系组成

表2 巴西深水钻井中高性能水基钻井液的性能指标

在黑海地区的深水钻井中,其高活性页岩地层经常引起钻井事故。在水深2018 m 的深水井中使用了聚胺高性能水基钻井液,顺利钻穿大段活性黏土层,缩短了工时。在东墨西哥湾地区2 口水深分别为2774m和2730 m的深水探井中使用了聚胺高性能水基钻井液,钻速可达156.3 m/d。体系中加入15%~20% NaCl抑制水合物生成。使用黄原胶提高低剪切速率黏度,聚胺的使用提高了黄原胶的热稳定性,使该体系可在149℃范围内维持良好的流变性。

2、油基/合成基钻井液

油基/合成基钻井液具有机械钻速高,井壁稳定性好等优点,但该类钻井液在深水低温环境下会发生严重增黏甚至胶凝。“恒流变”概念是相对于常规油基钻井液提出的,是指钻井液在较大的温度范围内(4.4℃~65℃)保持相对稳定的φ6 读数、动切力和10min 静切力。恒流变钻井液与常规油基/合成基钻井液的主要区别在于流型调节剂(或增黏剂)的改进。早期的恒流变钻井液依靠多种处理剂的共同作用实现“恒流变”,包括2 种有机土,1 种乳化剂,1 种润湿剂和2 种流型调节剂,其典型配方见表3。表4 为恒流变合成基钻井液与常规合成基钻井液的性能对比。

表3 第1 代恒流变钻井液体系的典型配方

表4 恒流变合成基钻井液与常规合成基钻井液的性能对比

表5  新型恒流变钻井液体系的典型配方

随着流型调节剂和乳化剂的改进,最新的恒流变体系简化了配方(表5)。其实现“恒流变”的关键处理剂是一种酰胺类温敏聚合物,该聚合物作为流型调节剂,通过与有机土配合使用实现对钻井液流变性的调控。“恒流变”特性的实现机理为:

随温度升高,温敏聚合物分子链末端的活性酰胺基团与钻井液中的固相和胶粒反应并黏附在其表面,形成空间结构,实现增黏;而在低温下(21℃)其活性降低,酰胺基团卷曲,减弱了与其他组分的相互作用而不发生增黏。与之相反,有机土在低温下具有显著的增黏作用,两者配合使用实现了一定温度范围内的“恒流变”。此外,基液也是影响油基/合成基钻井液流变特性的重要因素,在深水钻井中应用最多的是合成基液,主要包括线性ɑ-烯烃、内烯烃及烯烃与酯类的混合基液等。基于成本和材料来源等方面的考虑,在恒流变合成基钻井液配方中,也可使用低毒矿物油代替合成基液作为钻井液基液,如MI-SWACO 公司在中国南海深水钻井中成功使用的以精制白油为基液的恒流变油基钻井液。需要指出的是,“恒流变”的定义中并不包括塑性黏度,因为正常情况下恒流变钻井液塑性黏度随温度、压力的变化并不会对当量循环密度的控制、井眼清洗以及重晶石沉降的控制产生负面影响。

恒流变钻井液已成功应用于数百口深水井中,可在大温差范围内保持稳定的切力,改善井眼清洗和悬浮岩屑能力,降低当量循环密度,减少漏失。由于作为连续相的基油可以防止水合物的生成,而常用的CaCl2 盐水作为分散相时,高浓度的CaCl2 可有效抑制水合物在水相中的生成。因此,与水基钻井液相比,油基/合成基钻井液中水合物的生成问题并不突出。2009 年在中国南海完成的水深1370~1670 m 的5口深水井中使用了以白油为基液的恒流变钻井液,解决了该地区以往出现的严重漏失情况,节约了大量成本。2010 年在巴西东部海域完成的水深2160 m 的深水井中,存在大段盐岩层和盐泥混层,使用恒流变合成基钻井液顺利完钻。

第1 代恒流变体系在受到低密度固相污染时会产生过高的10min 静切力,且其中一种流型调节剂在121℃时开始失效。新1 代恒流变体系通过新型乳化包被剂同时提供乳化性能和表面润湿性,新型温敏聚合物维持流变性稳定,钻井液抗温性可达176.7℃。该体系已在墨西哥湾1 口深水井中成功试用。其部分性能指标见表6。

表6 墨西哥湾深水合成基钻井液的性能指标

二、深水钻井液技术发展方向

针对深水钻井风险高,投入大,后勤及环保要求高的特点,重视天然材料及其改性产品,研发低毒性、低成本、低用量的高效处理剂和新型环保深水钻井液体系是未来深水钻井液技术的发展方向。

(1)天然气水合物生成与抑制机理研究。目前对水合物动力学抑制剂的机理研究尚不深入,且该类抑制剂存在受过冷度限制和成本较高等问题。需进一步分析抑制剂的分子结构与其性能之间的关系,深入研究水合物抑制剂的作用机理,研发低用量、低成本、低毒性的高效动力学抑制剂,并开展动力学抑制剂和热力学抑制剂的协同作用机理研究,开发高效水合物抑制剂组合。

(2)深水井壁稳定机理与防塌对策研究。深入分析深水地层特点,建立深水疏松地层和含水合物地层的室内模拟手段与井壁稳定性评价方法,优化钻井液防塌技术对策。可将纳米技术运用到深水钻井液处理剂的研发中。纳米颗粒具有独特的表面特性与力学性能,可进入深水疏松地层以及浅层水流砂层的孔隙中,通过吸附成膜和架桥封堵作用抑制海底泥页岩分散,提高地层强度,缓解井壁失稳、井漏以及浅层水-气流动等问题。

(3)深水钻井液低温流变性调控与井眼清洗技术研究。建立深水低温环境下大环空低速梯度携岩与井眼清洗模拟实验设备与方法,对分别适用于水基钻井液和油基/合成基钻井液的流型调节剂进行优化,提高其使用温度范围。

(4)深水钻井液无害化处理与再利用技术研究。加强钻井液无害化处理与再利用技术研究,尤其是油基/合成基钻井液的固液分离、回收与再利用及岩屑处理技术,是深水钻井液现场工艺的发展方向。
 

(邱正松 赵欣 / 中国石油大学(华东))

关键字:深水钻井液技术现状与发展趋势

中国页岩气网版权声明:凡注明来源为“中国页岩气网:xxx(署名)”,除与中国页岩气网签署内容授权协议的网站外,其他任何网站或者单位未经允许禁止转载、使用,违者必究。如需使用,请与010-65001167联系;凡本网注明“来源:xxx(非中国页岩气网)”的作品,均转载与其他媒体,目的在于传播更多信息,但并不意味着中国页岩气网赞同其观点或证实其描述,文章内容仅供参考。其他媒体如需转载,请与稿件来源方联系,如产生任何问题与本网无关,想了解更多内容,请登录网站:http://www.csgcn.com.cn

发表评论共有0访客发表了评论

    暂无评论,快来抢沙发吧!

我来说几句吧

验证码: 看不清楚?

京ICP备12023756号/京公网安备11010502023804
中国页岩气网--中国页岩气行业唯一门户网站
新闻采编部:010-65001167 13683636805 E-mail:news@csgcn.com.cn 传真:010-65002772
中国页岩气网官方唯一指定交流群QQ:2479010236
地址:北京市朝阳区朝外延静西里2号华商大厦1007A室
版权所有 中国页岩气网© Copyright 2011 - 2013. All Rights Reserved. Power by I5tool.com