【doc】水基微泡钻井液和油基微泡钻井液的应用

【doc】水基微泡钻井液和油基微泡钻井液的应用 水基微泡钻井液和油基微泡钻井液的应用 24国外油田工程第20卷第1期(2004.1) 水基微泡钻井液和油基微泡钻井液的应用 翻译:王瑛(玉门石油管理局油田作业公司) 武学芹张敬辉(胜利石油管理局钻井院油化所) 校对:唐代绪(胜利石油管理局钻井院油化所) 摘要微泡是就地产生的特另4稳定的微 气泡以抑制钻井液漏入高渗地层.水基微泡 用于水基钻井液中,而油基微泡用于非水基 钻井液中.在两种情形下,微气泡都由专门 的聚合物和 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面活性剂稳定的气体或液体的 核构成,在渗透性地层中这些微泡能聚集形 成坚韧的具有弹性的屏障,从而阻止钻井液 的漏失.在渗透性地层中具有代表性的是水 湿砂岩.容易发生钻井液渗漏和压差卡钻 另外一些地层由砂岩和页岩构成,对这些地 层使用常规钻井液或欠平衡钻井设备都非常 昂贵.作者描述了在钻井液中如何利用水基 和油基微泡减轻井下的钻井液漏失. 主 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 词水基微泡油基微泡架桥机 理欠平衡钻井压差卡钻漏失表面活 性剂 一 ,介绍 在老油气田中衰竭油藏常由水湿砂岩组成.在 这些层位的上部和下部地层通常孔隙压力较高,因 而需要较高密度的流体来稳定这些地层.高密度流 体进入压力衰竭地层可能引起整个流体的严重漏失 和压差卡钻.解决以上两个问题的成本非常高.在 这些地层的大裂缝中还时常发生无法控制的钻井液 漏失,而且常发现被压实的页岩夹有衰竭的砂岩, 这就要求用一种单一的钻井液来稳定多压力层系. 用常规钻机设备安全廉价地钻进这些地层是非常困 难的.作为选择,可能尝试欠平衡钻井,但欠平衡 钻井风险很大,最终可能大大增加作业成本.最近 开发了一种新的钻井液技术,它不一定使用欠平衡 钻井,然而它的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 解决了上述讨论的过平衡钻井 问题.这种技术基于一种结构独特的空气微泡,当 在水基钻井液中使用时,这些微泡以”水基微泡” 的形式存在;当用于油基或合成基泥浆时,它们则 以”油基微泡”的形式存在.在北美和南美的许 多衰竭油层和其他低压地层钻井,在不同的钻井液 中成功地应用了水基微泡,证明选择该项技术替代 欠平衡钻井是经济的. 下面的介绍中,将详细讲述最近进行的室内研 究,从而理解水基微泡在高渗地层中降低漏失的作 用机理.另外,还将介绍这项技术在油基/合成基 泥浆中的相关技术——油基微泡技术. 二,微泡的结构 水基和油基微泡由两种相同的基本结构构成: ?核:通常是由流体(气体或液体)构成,在这 里较典型的是空气;?具保护作用的外壁:这种外 壁与普通空气气泡有显着的区别,普通空气气泡仅 通过一层薄的表面活性剂膜在液体介质中稳定,而 微泡结构稍微复杂一些.以Sebba的观念,水基微 泡有一个包裹气核的内表面活性剂层,在此之外还 有两层,覆盖在表面活性剂内层以外的是有一定黏 性的水层,水层以外是表面活性剂双分子层,正是 这个表面活性剂双分子层使得微泡呈亲水性,从而 与连续的水相相容.然而,双分子层结构非常不稳 定,即双分子层的最外面的表面活性剂层与微泡的 其他部分结合不是很紧密,因此,水基微泡的亲水 /憎水性由次外层的性质决定.的确,当微泡彼此 接触时,最外面的表面活性剂层往往被破坏. 油基微泡的结构与水基微泡结构相似,有一定 黏性的水层或极性层包围内部的表面活性剂层,它 们又被更外层的单层表面活性剂固定.在显微镜下 油基微泡的这种独特的结构使它们的外观也独具特 色.需要注意的是黏性层的厚度可能很不稳定.一 种解释是油基微泡技术根本没有水层,这样内外表 面活性剂层结合在一起形成双分子层结构. 尽管认为在相对浅的井中,一些微泡也可能在 钻头处产生,但微泡通常在一开始在地面使用常规 的泥浆混合设备时就混入钻井液中.微泡的浓度和 泡沫直径分布对于该体系封堵渗透性地层的效果起 着重要的作用.一般地,该体系设计在地面混入 8%,l5%体积比的空气.空气的浓度由流体的密 度确定,同时一种仍处在开发中的技术——声波气 泡分光计能够定量测定不透明流体中气泡的泡沫直 王瑛:水基微泡钻井液和油基微泡钻井液的应用25 径分布. 水基微泡外壁的疏水特性使得微泡能够聚集在 一 起,却不能合并.当水基微泡在外力作用下开;成 大的聚集体时,诸如在孑L吼或裂缝的尖端,微泡网 被弯月面包裹,如在真正的泡沫体中形成的一样 (>70%体积比的空气).弯月面赋予聚集体与单 一 的微泡相同的亲脂性.这种现象在渗透性地层中 水基微泡和油基微泡是一样的,因为油基微泡本质 上是亲脂性的,而大多数地层往往是水湿性的. 三,微泡的稳定性 只要微泡满足一定的膜厚度和黏度,就可能保 持微泡的外壁结构稳定.首先,外壁必须有一个最 小厚度.如果太薄,当微泡遇到非常大的压力降 时,微泡就会膨胀,膜将破裂.其次,外壁必须有 最小的黏度.在水基微泡中,由于马格朗尼效应 (因界面张力梯度引起的液体流动)的作用,水扩 散出外壁进入液相,这使得外壁变薄,同时变得不 稳定.然而,水的扩散速率与黏度成反比,因此, 在设计适当的微泡体系中,诸如生物聚合物类增黏 剂是泥浆体系的主要组成部分,当然,增黏剂也起 着降低流体流入漏失层速率的作用. 膜必须拥有其他特性来保证微泡结构的稳定. 一 是扩散率低.当在室温条件下含有15%体积比 空气的液相在1501b/in的压力时,单独的压缩将 使空气的体积压缩到大约占1.5%体积比,然而, 在此压力下在清水中空气的溶解性大约是15era/g 水(大致15%体积比),即所有的空气在1501b/in (A)的压力下能完全溶于水中.在水基微泡中没 有观察到这种现象.用改进的Huxley—Be~ram黏 度i贝4定仪测定了在不同的温度下水基微泡在压缩和 卸压(PVT)过程中密度的变化,结果表明微泡流 体的密度(与产生的空气量成反比)不能达到完 全没有空气的纯液体的密度,除非压力超过 20001b/in(A),水基微泡不仅能承受2001b/in (A)的压力,而且它们在压缩时也.不会达到预期 的小泡沫直径.微泡的膜有足够的强度和不渗透性 可以抵抗压缩并抑制空气扩散到水相环境中.应用 到油基微泡中会遇到同样的问题,在压力高时油基 微泡的存在更加困难,因为从本质上讲,油基微泡 的外壁更薄,而且空气在油基/合成基流体中的溶 解性比在水中的更大. 普通气泡通过微泡外壁的传输,即扩散,是一 个很快的过程.即便对聚合物或表面活性剂稳定的 气泡,扩散在几秒钟内就可以完成.Bredwell和 Worden表明,当用表面活性剂稳定泡沫时可以使 水,空气传递质量的系数降低2,3倍.表面活性 剂降低的气泡尺寸使得界面急剧增加,并引起水一 空气传递速率的增加.微泡膜的渗透性更小.在透 明的容器中用水基微泡进行的实验表明,微泡在 15001b/in压力下能持续更长的时间,与PVT实验 结果一致. 四,微泡内部 微泡比气泡更复杂.微泡的外壁产生一个 “被增能的环境”.在这些特殊的微泡开始生成的 同时,随即产生新的表面,表面积的增加与气泡的 增加成正比.膨胀大小与每个气泡内增加的压力成 平衡状态,这样就产生一个”被增能的环境”或 “预压缩结构”. 当微泡钻井液循环到井底时,微泡内包裹的空 气被压缩.随外部压力和温度的增加,微泡体积减 小,微泡内部的压力增加.一旦钻头钻遇衰竭地 层,微泡被迫通过低压地层的孑L洞.在那里,储存 在微泡中的一部分能量被释放,微泡开始膨胀,直 到在气泡内外壁的压力达到平衡. 随着被增能的微泡挤入地层孑L洞,外部的拉普 拉斯力(Laplace)急剧增加,从而引起微泡的聚 集和低剪切速率黏度(LSRV)的增加,由这种现 象产生的微环境形成一种无固相的桥. 五,漏失层的架桥机理 在水湿油藏,毛细管压力会抵抗憎水微泡进入 地层中的水湿毛细管的限制.非润湿气泡仅通过施 加在流动的流体上的压差移动.只有压差足以克服 毛细管压力时,微泡才开始移动.Gardeseu表明由 非润湿流体的气泡提供给流体移动的毛细管压力或 阻力(当从原始半径挤到压缩的半径时)可用如 下方程表示: ?p=26(1/r,一1/r2) 式中p——毛细管压力(阻力) 6——界面张力 r——毛细管半径 r,——原始半径 尽管对单一的气泡的毛细管压力Ap很小,但 是贾敏效应表明,在毛细管作用区许多气泡累计起 来的阻力可能很大.施加在油藏中的足够大的压力 梯度不可能克服贾敏效应而迫使微泡深度穿透进渗 26国外油田工程第20卷第l期(2004.1) 透性地层彼此连接的孔洞中. 由微泡形成的封隔效力取决于孔洞的大小和微 泡外壁的憎水程度.小的孑L洞和强的憎亲脂性 气泡能够增强封隔效果.相反地,非常大的孔洞, 例如裂缝,将产生小的毛细管压力或不产生毛细管 压力,所以除了在裂缝的尖端外,不可能产生封隔 效果.同样地,如果气泡的外壁憎水性不强,对于 弯月面包裹和发生聚集需要非常高的压力,可能看 不到贾敏效应. 六,钻井液的组成 表1给出了典型的水基和油基微泡的组成成 分.低剪切速率黏度高的流体包括合适的增黏剂, 表面活性剂和降滤失剂,这些处理剂在该体系中起 产生和稳定微泡的作用.在0.06s时观察到 Brookfield低剪切速率黏度高达150000cP.设计的 表面活性剂将产生理想的空气浓度(在室内条件 下为8%,15%体积比).一旦这些体系开始循环, 很容易保持流变性以获得最优的井眼清洗,岩屑悬 浮能力并且高度控制钻井液的侵入.为满足墨西哥 表1a典型水基微泡体系的配方 组分功能浓度 淡7k/盐水连续相0.97bbl 苏打调节硬度0.251bm/bb1 生物聚合物增黏剂5lbm/bbl 滤失控制剂和高聚合物 5lbin/bbl 温稳定剂 pH缓冲剂pH控制O.5lbm/b[.1 表面活性剂产生微泡llbm/bbl 生物杀菌剂生物杀菌剂0.05g~/bh| 聚合物/表面活性剂混合物微泡稳定剂11bbb1 聚合物页岩抑制剂llbm/bbl 低聚物消泡剂1lbm/bbl 可选择的成分 表1b典型油基微泡体系的配方 组分功能浓度 油或合成液体连续相O.97bbl/bi)1 黏土或聚合物混合物增黏剂15lbm/bbl 表面活性剂产生泡沫I】】~m/bb】 水极性活化剂1O】brTl/bbl 聚合物降滤失剂?bm/bbl 聚合物/表面活性剂混合物稳泡剂llbn1/bbI 可选择的成分 湾,加拿大和北海地区对环保的要求,必须对体系 中所用的聚合物和碱度控制材料进行选择. 七,微泡对泥浆性能的影响 在钻井过程中,流变性和滤失是监控的两个主 要指标.尽管大家凭直觉认为微泡一般会增加流体 的黏度,而对流变性的测量却证明了相反的一面, 微泡的存在对黏度影响并不明显.压力低时,气泡 的体积可能是15%,泡沫直径也相对较大(》 l0m);在井下压力升高,泡沫直径降低到几微 米,气体所占的体积仍然非常小. 滤失量(瞬时滤失量+滤饼滤失量)的主要 影响因素是凝聚相(固相和液相).实际上,在流 体中引入普通气泡往往会增加滤失量.然而,正如 图1所示,微泡在减小漏失方面很有效.图1描述 了水基微泡钻井液中含空气与不含空气(即含微 泡与不含微泡)的滤失量,实验是用盐水饱和的 Ketton石灰岩(平均孑L径约27m)进行的.当 然,滤失量依赖于渗透介质和多孔流体的性质,即 钻井液的性质.在盐水饱和的高渗透岩心中,如 Ketton石灰岩,微泡的主要影响表现在瞬时滤失方 面.在低渗透岩心中,主要影响滤失速率.在煤油 饱和的岩心中,微泡对滤失量没有影响.对于微泡 在盐水饱和及煤油润湿的岩心的滤失量的影响主要 是微泡外壁的憎水性.预期的毛细管压力和贾敏效 应在油湿地层中比水湿地层中的影响小.同时,煤 油等亲油性物质可能会破坏微泡的憎水外壁. O1O203O40 时间(rain) 图1微泡能降低高渗地层的瞬时滤失.在这里显示的是 通过Ketton石灰岩的水基微泡钻井液的流动.图例中的数 值符合岩心入口和出口的压力 附加的滤失测试实验是在水湿合成岩心上进行 的.目的是判断微泡是否有助于高渗透岩心的孑L封 堵.在同样条件下,用铝砂岩心和改进的三轴岩心 夹持器进行试验.连续不断地监测总滤失量,泵排 量以及泵压,再次证明微泡能够减小漏失,甚至在 目前实验的最高渗透率岩心中仍然有效.正如 王瑛:水基微泡钻井液和油基微泡钻井液的应用27 Ketton石灰岩一样,微泡主要是降低瞬时滤失量, 图2给出了室温条件下在没有回压且压力等于 lO01b/in用FAO一10(,IOD)和FAO一40, 80D)岩心试验的滤失曲线.结果表明微泡能够增 强封堵作用,即使在渗透率很高的FAO一40岩心 中也如此. 5oo 4oo . 三300 咖 oo 1oo 0 三维密封试验’i炎水微泡泥浆, A1oxite岩心,室温,AP=lOOlb/in 无空气 20%体积比空气 时间(min) 图2在高渗合成岩心中微泡与高渗天然砂岩或石灰岩一 样能降低瞬时滤失 最后,比较了水基微泡钻井液和典型的含有一 定量的CaCO,桥堵剂的黄原胶钻井液(油层钻井 (上接第23页) 水泥对气体的渗透率(10I3p,m)硬化时间(天) 普通水泥膨胀水泥 22.00.5 70.7O.42 14O.350.23 绕射分析资料表明,含有磷酸铁添加剂的菱镁 矿硬化后含有文献中曾鉴别出的那些产物.这些产 物是:不可分解的CaCO(D=3.82:3.34; 3.03;2.47;2.27;1.867;1.595;1.5l4A), CaMg(CO3)2(D=2.87;2.63;2.19:1.97: 1.78A),3MgO?MgCI2?13H2O(D=7.72; 2.39A).配制物在水中保存后,氧氯化物的绕射 线保持不变,这表明它们在水中具有稳定性.热谱 分析资料表明,含有铁加重剂和氮川I三甲基磷酸 (HT)添加剂的磷酸铁添加剂(FeO:HPO= l:2.5)的性质相同.在400~C温度条件下,随着 添加剂数量的增加,吸热效应减小,这可能是氢氧 化镁和磷酸铁的水解产物相互作用的结果. 氧化镁水泥的电子显微镜分析结构是由氧氯化 镁的扁长斜方晶体及氢氧化镁的六方晶体组成的毡 状体.在水中凝固的样品中没有氧氯化物成分 含磷酸亚铁添加剂的混合剂的结构主要是由胶 状物质构成的,胶状物质被氧氯化镁的斜方品体所 贯穿.在水中硬化2个月,结构变化不显着.正如 文献中所指出的那样,磷酸铁添加剂是氧化镁j即正 液)的封堵效果.鉴于上述目的,用含有相同量 和颗粒尺寸分布的CaCO桥堵剂的水基微泡流体 作为产层钻井液.用FAO一5岩心进行实验,最初 压力是l501b/in,然后逐步加压到9001b/in,测 试封堵结果表明,水基微泡泥浆的滤失量小于黄原 胶钻井液. 八,结论 ?水基和油基微泡钻井液在渗透性地层控制泥 浆和滤液滤失方面是有效的. ?低剪切速率黏度高和抗压能力强的微泡有助 于封堵. ?微泡结构的外壁抵抗被包裹的空气的压缩和 渗出,同时促进微泡聚集,从而使微泡集中在孔喉 和裂缝的尖端.可以推测,这些微泡在漏失层产生 有效的封堵作用主要是通过形成物理屏障,该屏障 经可变形的微泡压缩形成结实的聚集体,也可能通 过降低压力传递来实现. (收稿日期2003—11—05) 磷酸的相应混合物在150,l80?温度下经过热处 理合成的,而我们是用氧化镁和氮川三甲基磷酸合 成的.其次,研究了含有磷酸亚铁添加剂的苛性白 云岩的硬化产物. 对氢氧化镁来说,相应于温度400%条件下吸 热效应是有代表性的,而对氧氯化镁来说,温度为 240~C和580?条件下的吸热效应是有代表性的. 在水中保存过的样品的热谱曲线上看到氧氯化镁, 说明在这种条件下氧氯化镁被破坏.在该样品的热 谱曲线上,同时也没有凝胶产物所特有的在温度为 350,370~C时的放热突变.与此不同,如果混合剂 含有磷酸铁添加剂()KPK+HT),则在水中保存 过的氧氯化物的特有效应不会变化.含磷酸铁添加 剂结构的氧氯化物组分主要是由氧氯化镁的斜方晶 体组成的凝胶状物质,样品在水中硬化90天后没 有观察到结构的变化. 已查明,在使用磷酸铁添加剂的条件下,由于 在加重水泥中加入了HT?型台磷产物,氧化镁水 泥确实具有耐水氧化镁水泥的特性. 总之,研究概括和加深了含有磷酸铁添加剂及 氧氯化镁的膨胀加重封堵液中结构形成和相形成过 程的认识 资料来源于俄罗斯《HeT.qHOeXo3at’tcrso)2002年12月 (收稿日期2003—10—28)