稠油侵入钻井液技术研究进展_张淑霞.pdf

第52 卷第2 期 当 代 化 工 Vol.52，No.2 2023 年 2 月 Contemporary Chemical Industry February，2023 基金项目基金项目：国家自然科学基金（面上项目），AuPt 催化剂“晶格与电子轨道构型”调控及其强化木糖二酸合成机理研究（项目编号：22078365）。收稿日期收稿日期：2021-12-18 作者简介作者简介：张淑霞（1980-），女，河北省迁安市人，高级实验师，硕士，2007 年毕业于中国石油大学（北京）机械电子工程专业，研究方向：重质油化学组成、稠油改质与加工及稠油开采。E-mail：。稠油侵入钻井液技术研究进展 张淑霞，沐宝泉，严文娟，文萍（中国石油大学（华东）化学化工学院，山东 青岛 266580）摘 要：稠油油藏在开采过程中，稠油侵入钻井液一种非常复杂的问题，对钻井效率和钻井液性能都带来不可预估的影响，侵入稠油量多的钻井液无法继续循环使用，在排放过程中还会带来环境污染、增加钻井液成本等问题。结合相关理论知识及查阅资料，综述了钻井液功能、稠油侵入的机理，归纳了稠油侵入钻井液带来的危害，并对预防和处理稠油侵入钻井液问题的几种措施进行综述。关 键 词：稠油；钻井液；机理；研究进展 中图分类号：TE28 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2023）02-0411-04 Research Progress of Heavy Oil Invasion Drilling Fluid Technology ZHANG Shu-xia,MU Bao-quan,YAN Wen-juan,WENG Ping(China University of Petroleum,Qingdao Shandong 266580,China)Abstract:During the development of heavy oil reservoirs,heavy oil intrusion into drilling fluid is a very complicated problem,which has an unpredictable impact on drilling efficiency and drilling fluid performance.Drilling fluid with a large amount of invaded heavy oil cannot be recycled.During the discharge process,problems such as environmental pollution and increased drilling fluid costs will also be caused.Combining relevant theoretical knowledge and consulting data,the function of drilling fluid and the mechanism of heavy oil invasion were summarized,the harm caused by heavy oil invasion of drilling fluid was discussed,and several measures to prevent and deal with the problem of heavy oil invasion of drilling fluid were introduced.Key words:Heavy oil;Drilling fluid;Mechanism;Research progress 钻井液是指钻井过程中使用的循环工作流体，在钻井过程中起着重要作用。根据钻井过程中遇到不同油藏特征类型，钻井液的种类也越来越多。稠油油藏是开采钻井过程中尤为复杂的一种类型。中国稠油资源丰富，主要分布于东部的渤海湾盆地和西部的准噶尔盆地1-2。我国陆上稠油油藏多数为中新生代的陆相沉积，少量为古生代的海相沉积，油藏类型多，地质条件复杂，以多层、互层状组合为主，约有 1/3 的储量为厚层块状油藏3-4。储集层以碎屑岩为主，具有高孔隙、高渗透、胶结疏松的特征5-6。虽然稠油资源量大，但动用程度低，随着世界经济的快速发展，持续增长的市场需求和常规油藏的储量不足之间的矛盾问题日益突出，稠油油藏开采在未来石油产量中占比会显著提高7-8。在稠油开采钻井过程中，钻遇到稠油层时，由于井内压差变化，稠油就会或多或少地侵入钻井液，影响钻井过程，且埋藏越深，原油越稠，也就意味着采油更困难。稠油侵入钻井液，对钻井效率和钻井液性能都带来不可预估的影响，主要表现一是钻井液滤失带来储层伤害问题；二是稠油侵害钻井液，造成钻井液效能降低、地面跑浆甚至卡钻等问题；此外，侵入稠油量多的钻井液无法继续循环使用后，在排放过程中还会造成环境污染、增加钻井液成本等问题。因此，研究预防和处理稠油侵入钻井液问题对稠油藏开采具有重要意义。目前针对稠油侵入钻井液问题，已有研究者进行了广泛研究，针对不同稠油侵入情况，采取了一系列处理方案，如提升钻井液密度、专项堵漏以及加入稠油分散剂及固化剂法等，并在现场取得了一定的应用效果。本文总结了钻井液的基本功能、稠油侵入钻井液的机理、危害以及预防和处理措施，并对处理稠油侵入钻井液的未来发展做以展望。1 钻井液的组成及功能 钻井液（原称泥浆）是指钻井过程中使用的循环工作流体，一般由分散介质、分散相和钻井液处理剂组成。钻井液在钻井过程中起着重要作用，钻井液循环工作流程为：钻井液在钻井液泵的作用下经过地面管线、立柱、水龙带进入钻杆，然后通过钻头水眼喷向井底，再携带着钻头钻下来的岩屑，从钻杆与地层（或套管）之间的环空上返至地面，在地面DOI:10.13840/21-1457/tq.2023.02.019 412 当 代 化 工 2023 年 2 月 经振动筛等固控设备将岩屑除去后，返回钻井液池，循环使用9。钻井液有下列功能：1）冲洗井底。钻井液在钻头水眼处形成高速的液流，喷向井底，将井底的岩屑冲起，保持井底清洁。2）携带岩屑。当钻井液在环空的上返速度大于岩屑的沉降速度时，钻井液可将井中的岩屑带 出10。3）平衡（控制）地层压力。通过调整钻井液密度控制钻井液的液柱压力，使它与地层压力相平衡，防止井涌、井喷以及防止地层流体对钻井液的污染。4）冷却与润滑钻头。钻井过程中，钻具与地层摩擦产生的热量可由钻井液带至地面，并起到润滑钻头的作用。5）平衡井壁岩石侧压力。在井壁上产生薄而韧的滤饼，抑制岩石膨胀和分散，防止对油气层的污染和井壁坍塌。6）悬浮岩屑和固体密度调整材料。钻井液停止循环时，可将固体密度调整材料悬浮起来，可易于下一次再启动。7）获取地层信息。通过钻井液携带出的岩屑，来获取更多地地层信息。8）传递功率。通过钻头水眼处形成的高压射流，将钻井液泵的功率传至井底，提高钻头的破岩能力，提高钻进速度。2 稠油侵入钻井液机理11-14 稠油指的是胶质、沥青质含量高的油，相对密度较大，胶质、沥青质含量越高，黏度越大，且稠油的黏度随温度的下降上升明显。在稠油层钻井过程中，稠油侵入钻井液一般是多种因素综合作用的结果，有资料表明，稠油侵入钻井液机理大致分为以下几类。2.1 稠油的蠕动侵入 由于地层温度较高，且油层埋藏越深，温度越高，地层中的稠油流动性越好。当钻遇稠油层时，采用提高钻井液密度的方法不能有效阻止稠油侵入钻井液，主要原因是不同地层的稠油组分构成不同，其物理性质差别很大，尤其是黏度有很大差异。所以，稠油在蠕动过程，需要克服氢键和分子纠缠所产生的内摩擦力不同，沥青质含量低的稠油黏度低，蠕动较快。由于钻井液密度大于稠油密度，当钻井液与稠油发生置换后，会挤压地层中的稠油加速向井筒蠕动，造成越来越多的稠油侵入钻井液，钻井液漏失到地层。所以，蠕动侵入的特点是开始较为缓慢，随着时间的增加，一旦侵入通道被打开，稠油侵入的速度会急剧加快。2.2 地层压力变化导致稠油侵入 钻井液液柱压力应略大于地层压力，介于地层的破坏压力与地层压力之间，过大，压坏地层，堵塞油路通道，过小，无法平衡地层压力，一旦钻遇油气层，那就是井涌、井喷的恶性事故。由于稠油中的沥青为形态不规则柱状，且占有地层较大空间，因此受到岩石上覆压力影响较为明显。当钻开沥青层后，近井眼处的稠油受力失衡，侵入井筒，形成驱动压差，且随着稠油侵入，压差越来越大，侵入量越来越多。2.3 密度差导致稠油侵入 在钻遇稠油层时，在稠油层底部，由于稠油密度远小于钻井液密度，形成压差，使钻井液进入稠油层，由于钻井液漏失，导致稠油层压力变大，使得稠油层上部的稠油进入到井筒当中，发生了在钻井液漏失的同时稠油侵入井筒。3 稠油侵入钻井液危害 钻井过程中，稠油侵入钻井液带来的危害很大，严重影响了钻井作业，同时也严重影响了井下安全。通过笔者查阅资料发现，目前关于稠油侵入钻井液问题相关的研究大都与伊朗的 YD 油田相关。资料表明，该地区的地层稠油沥青分布无规律性，密度大，黏度高，硫含量高，同时胶质、沥青质含量高，软化点高，具有典型的劣质稠油特征，在开采过程中，有数口井遇到了恶劣的稠油沥青侵入问题，严重影响了钻井液的流变性，有的甚至被迫停钻，被迫弃井15。笔者结合 YD 油田研究资料及国内钻井现场调研，主要是新疆塔河油田、胜利油田等稠油油田区块，总结大致有以下几种情 况16-18：1）影响钻井液的流变性。稠油侵入钻井液后，会和钻井液一起返回到地面，到地面后，很难将钻井液中的稠油分离出去，所以只能继续进入循环系统，这就会导致钻井液中的稠油含量越来越高，增加钻井液的黏度和剪切力，影响钻井液流变性。2）堵塞振动筛筛布，导致钻井液跑浆。由于稠油黏度受温度影响较大，在钻井液上返过程中，稠油的黏度随温度的降低会急剧升高，极大地破坏了钻井液的流动，在振动筛上形成一层膜，阻止钻井液通过，引起钻井液跑浆，降低固控设备处理能力，增加钻井液成本。第 52 卷第 2 期 张淑霞，等：稠油侵入钻井液技术研究进展 413 3）堵塞井眼环空，造成卡钻。井底涌入大量稠油，造成起下钻困难，下套管遇阻卡，开泵困难，甚至憋漏地层，造成卡钻，给钻井作业带来极大困难。4）处理受污染的钻井液，增加了钻井的成本，也给处理增加了难度，同时，也会给周围的环境带来污染。侵入大量稠油的钻井液由于性能不满足要求，只能排放废弃，在重新补入新的钻井液，同时，排放的废弃钻井液也增加了处理的成本和难度，造成环境污染。5）影响测井、固井等工作，黏附井下定向和测井仪器，造成测井仪器在井下阻卡。6）产生有毒有害气体，影响安全作业。在稠油侵入钻井液后，在井底高温作用下，会分解出部分二氧化碳、硫化氢、甲烷等危险气体，当气体返至地面后，给地面的施工作业和环境安全带来不可预估的隐患19。4 预防和处理稠油侵入钻井液的措 施20 稠油侵入钻井液的问题，国内外有一定的研究，且多数是以伊朗雅达油田为代表进行相关的处理措施研究，笔者通过对其总结归纳，为稠油侵入钻井液处理问题提供参考。1）提升钻井液密度法：稠油侵入初期，可以用提升钻井液密度的方法来平衡地层压力，阻止稠油进一步侵入井筒。此方法是最基本、最简单、最经济的方法，但通过现场实践表明，采用提高钻井液密度不能完全控制稠油侵入。2）机械处理法：主要是指通过地面上的固控设备，如除砂器、离心机、振动筛等除去部分稠油组分，以减少钻井液中稠油的含量。此方法仅适用于稠油污染钻井液程度较轻、速度较慢的情况。3）直接排放法：钻遇稠油层时，在近井眼处，钻井液受到严重污染，严重破坏钻井液性能，循环到地面后无法继续使用，只能将此部分钻井液排放，更换新的钻井液。如郭京华20等在处理伊朗油田F19 井过程中，当钻至 3 369 m 深度时，钻井液性能突然恶化，钻井液密度由 1.12 gcm-3逐步提升至1.70 gcm-3，期间测得的立管压力始终为 0，钻井液中稠油量增多，流变性变差，造成振动筛跑浆严重，换成大孔径筛布后，仍