钻井液堵漏材料及防漏堵漏技术研究进展.pdf

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1、文章编号:100125620(2009)0620074203钻井液堵漏材料及防漏堵漏技术研究进展张希文1,2 李爽1 张洁1,2 孙金声1 杨枝3(1.中国石油集团钻井工程技术研究院,北京;2.中国石油勘探开发研究院,北京;3.中国地质大学,北京)摘要 概述了近年来钻井液堵漏材料及防漏堵漏技术的研究进展。主要介绍了桥接、高滤失、柔弹性、聚合物凝胶、水泥浆、膨胀性典型钻井液堵漏材料及防漏堵漏技术的特点、作用机理和部分应用实例,并分析了钻井液堵漏材料及防漏堵漏技术研究的发展方向。关键词 钻井液;钻井液添加剂;堵漏材料;防漏;堵漏;综述中图分类号:TE282文献标识码:A 随着油气勘探开发的深入,钻

2、井过程中遇到的地层越来越复杂,在钻进压力衰竭地层、破碎或弱胶结地层、裂缝发育地层及多套压力层系等时,井漏问题非常突出。由井漏诱发的井壁失稳、坍塌、井喷等问题是长期以来油气勘探开发过程中的世界性难题,是制约勘探开发速度的主要技术瓶颈;同时井漏造成钻井液损失巨大,而在储层发生的漏失对储层的伤害更是难以估量。因此,近年来国内外进行了大量钻井液堵漏材料及防漏堵漏技术方面的研究工作,并取得了较好的应用。1 堵漏材料及其应用1.1 桥接堵漏材料桥接堵漏材料包括各类形状不同、大小各异的单一惰性材料及级配而成的复合材料,具有操作简单、取材方便、不影响钻井液流变性等特点,可减少由孔隙和裂缝造成的部分漏失和失返漏

3、失,如国外的C2SEAL系列颗粒复合堵漏剂、MAX2BRIDGE材料等,在中国以果壳、云母、纤维及它们复配的形式为主,各种廉价化工副产品、废弃化工原料也作桥堵材料。其作用原理包括挂阻架桥、堵塞和嵌入、渗滤、拉筋、膨胀堵塞、卡喉等作用。在英国布伦特油田,研制出了一种由涂有表面活性剂和分散剂的玻璃丝纤维组成的新型改性纤维材料1,能抗232高温,解决了该地区的井漏问题。1.2 高滤失堵漏材料该材料由渗滤性材料、纤维状材料、硅藻土、多孔惰性材料、助滤剂、增强剂等复合而成,适用于处理渗漏、部分漏失及少量漏失。该材料进入漏失层后,在压差作用下迅速滤失,固相聚集变稠形成滤饼,继而压实堵塞漏失通道,形成高渗透

4、性微孔结构堵塞,钻井液在堵塞面上迅速滤失形成光滑平整的泥饼,严密封堵漏失通道。菲利普斯公司的DiasealM2即为高滤失堵漏材料,如中国的DSL、Z2DTR、DTR、DCM等都为类似的高滤失堵漏产品。1.3 柔弹性堵漏材料柔弹性材料具有较好的弹性、一定的可变形性、韧性和化学稳定性。在扩张填充和内部挤紧压实双重作用下,自适应封堵不同形状和尺寸的孔隙或裂缝。LC2LUBE系列、STEELSEAL系列、Rebound等均为弹性石墨材料。这些材料具有双组分碳结构,均有多种规格和广泛的粒度分布,可随着井下压力的改变而扩张和收缩,能滞留在裂缝中形成有效封堵。弹性石墨与碳酸钙或聚合物材料的混合处理3能解决相

5、关井漏问题。由可变形性胶态颗粒组成的可变形性封堵材料4,通过在低渗透、小孔喉处和泥岩微裂缝处形成内部架桥来降低孔隙压力的传播,同时还提高外泥饼的质量,其在南德克萨斯油田等得到较好应用。清华大学研制的工程润滑材料柔性石墨5具有纯度高、柔韧性好、弹性大等优点,即将其应用于防漏堵漏中。中国石油勘探开发研究院采油所研制的柔性堵剂6为以含芳基单体为原料合成的柔性聚合物材料,可任意变形、拉伸韧性强、强度高、封堵效果好,基金项目:国家科技重大专项研究课题资助(2008ZX0500020212004)。第一作者简介:张希文,1985年生,中国石油勘探开发研究院07级硕士研究生,主要从事钻井液防漏堵漏技术研究。

6、地址:北京市海淀区学院路20号910号信箱钻井液所;邮政编码100083;电话(010)62097412;E2mail:zhangxiwentust 。第26卷 第6期 钻 井 液 与 完 井 液 Vol.26 No.62009年11月 DRILLING FLUID&COMPL ETION FLUID Nove.2009可应用于防漏堵漏中。1.4 聚合物凝胶堵漏材料聚合物凝胶堵漏材料有以下特点728:能防止裂缝的压力传播和诱导扩展;固相含量低,不受漏失通道限制,通过挤压变形进入孔隙或裂缝;有强黏滞阻力和抗剪切稀释能力;与惰性桥堵剂复配效果好;交联凝胶形成后表现出很好的黏弹性、柔软性和韧性。凝胶

7、材料分为交联的聚合物和不需交联的具有特殊结构的聚合物材料,也可与其它材料混合使用。M2I公司研制的交联桥塞9有三代产品。FORM2A2PLU G由交联聚合物、交联剂和纤维状堵漏材料组成,在阿尔及利亚沙漠钻井井漏中用FORM2A2PLU G处理,钻完桥塞后完全恢复循环,没有发生井漏。FORM2A2SET A K增加了聚合物和较小纤维材料,比前一种更坚固,在得克萨斯州中部陆上一口井的裂缝性灰岩井漏事故中应用后没有发生漏失,且井眼保持稳定。FORM2A2SETA KX用粗碳酸钙代替纤维素,降低了储层损害,且比前2种更易深入渗透性地层或断层,较好地解决了得克萨斯州东部一口井在井深1 619 m处遇到的

8、低、中渗透性砂岩水侵问题。西南石油大学研制的ZND特种凝胶10不需要交联,在水溶液中,大分子链通过分子间相互作用自发地聚集,进入漏层后自动停止流动,充满裂缝、溶洞空间,形成能隔断地层内部流体与井筒流体的凝胶段塞,该凝胶在四川、长庆及吐哈油田得到了较好的应用。另外,其它凝胶材料的报道也很多,如聚丙烯酰胺交联凝胶与无机碱金属盐的混合物11、复合纳米级有机/无机凝胶12、交联型聚合物PCP凝胶13等,均较好地解决了相关井漏问题。1.5 水泥浆堵漏材料该材料包括水泥、石膏、石灰、硅酸盐类等混合浆液,以水泥为主,通过添加各种水泥浆处理剂和改善灌注工艺来提高封堵效果,其承压能力强,用来对付严重漏失层效果显

9、著,但容易被水稀释冲走。水泥浆泵送至井下漏层中一定时间后,水泥浆稠化凝固形成具有相当强度的固状体而与地层胶结为一体,达到封堵漏层的目的。纤维水泥浆通过在其中加入一种分散效果好的特种纤维形成。在印度尼西亚中苏门答腊盆地的Duri油田14,钻穿一段长161.85 m的地层时发生完全漏失,泵入4.77 m3密度为1.68 g/cm3的纤维水泥浆后,井口立即返出。该纤维水泥浆还解决了中东地区UER和Sim2sima15高含水碳酸盐岩地层长期存在的漏失问题。交联水泥16是将水泥和压裂液混在一起作为随钻钻井液,替入井下后可迅速凝固。阿根廷东北盆地的一口油井在井深119.5 m处下完表层套管后,发生了严重的

10、井漏事故,用交联水泥解决了该问题。其它各种水泥浆材料也很多,且常与桥堵材料复配使用,如硅酸盐水玻璃类抗温材料17、MTC水泥浆18、泡沫水泥等,均有较好的应用。1.6 膨胀性堵漏材料国外如Poly Block为特定颗粒材料与不同尺寸结晶状聚合物的混合体,水化后大幅膨胀,几小时内就能封堵非常严重的大漏失。在埃及尼罗河三角洲地区19钻井时出现了大量的漏失,将不同粒径的颗粒材料、合成聚合物及水混合打入井下产生膨胀作用,解决了井漏问题。中国如溶胀性丙烯酰胺丙烯腈共聚树脂、丙烯酸2丙烯酸钠共聚高分子吸水膨胀树脂等膨胀性堵漏材料。膨胀性堵漏材料在川东北地区双庙101井20、彩南油田的C2872井21、金鸡

11、1井22等钻井堵漏施工中均得到较好的应用。2 钻井液防漏堵漏技术2.1 超低渗透(无渗透)钻井液技术超低渗透钻井液技术利用表面化学原理,在岩石表面形成具有一定强度的超低渗透膜,这些膜在滤饼和岩石表面浓集形成胶束,该胶束在弱地层孔隙或天然裂缝处形成屏障,膨胀变大限制渗透,在漏失处锁住堵漏材料,通过压力作用从颗粒中挤出滤液。由于堵漏材料的去水化作用,在漏失层封堵更好。国外超低渗透钻井液23主要由滤失控制井眼稳定剂FLC2000、井眼稳定剂LCP2000和混合物DWC2000组成,在墨西哥湾、巴西海洋油井区、孟买深海等地区均有较好的应用。中国由零滤失井眼稳定剂J YW组成的超低渗透钻井液24在大港油

12、田官子井、辽河油田相关井段等均取得了较好的应用。2.2 微泡钻井液技术微泡钻井液能形成具有高能量的微泡网结构。它进入漏层后能聚结成蜂窝状的泡沫凝胶,多级分散的微泡沫球体能在钻井液中作为架桥粒子及变形填充粒子,起到堵漏作用。微泡钻井液在川东北地区玉皇1井25等井漏处理中得到了很好的应用。2.3 无固相钻井液技术哈利伯顿公司分别于2001、2005、2006年研发75 第26卷 第6期 张希文等:钻井液堵漏材料及防漏堵漏技术研究进展 了ACCOLADE合成基、INNOVERT矿物油基、INTEGRADE柴油基3种无固相、高性能逆乳化堵漏钻井液。该类钻井液加入了独特的乳化剂和独特改性脂肪酸以维持非水

13、基钻井液的悬浮能力及黏度。各组分之间相互作用可形成强劲但脆弱的凝胶结构,能有效减少钻井液漏失,优越于传统逆乳化钻井液。比如加有黏弹性表面活性剂VES2PILL26材料的无固相无损害钻井液,在盐水条件下能单独形成凝胶,抗温能力达到191,能维持很高的黏度而有效地控制或阻止盐水漏失,其在沙特阿拉伯油田得到了很好的应用。2.4 随钻防漏堵漏技术27最新有种物理法随钻防漏堵漏技术28,其对钻井液没有很高要求,而是利用专用井下工具将泵入的钻井液流量分流小部分,用旋转射流直接作用于漏失井壁,配合合适的钻井液在井壁上形成一层致密的、渗透率接近零的滤饼,即“人造井壁”的屏蔽环,可提高井壁正反方向的承压能力。该

14、技术适用于渗透性良好的砂岩、砂砾岩中漏失量较小、漏速慢的渗透性漏失和裂缝性漏失。2.5 井眼强化“应力笼”效应国外在井眼强化技术中提出了“应力笼”29这一新的概念。即通过适当对井壁施压形成小裂缝,钻井液中加入的合适固相材料迅速进入裂缝并在裂缝开口附近形成桥塞,桥塞渗透率必须足够低,以便阻隔液柱压力的传递,产生能够封堵裂缝、阻止裂缝进一步扩大、防止压力传递到裂缝末端、提高井眼周向应力的“应力笼”效应30来达到强化井眼的目的,起到防漏堵漏的效果。如英国北海204/202C21z井31在目的层上部砂岩薄层中钻进时提高钻井液密度后压井,发生井漏。设计采用“应力笼”方法侧钻井眼,形成段塞中含有碳酸钙和石

15、墨,提高钻井液密度试压,地层未发生漏失,顺利完钻。3 结论近年来钻井液堵漏材料及防漏堵漏技术的研究取得了重要进展,特别是聚合物凝胶、柔弹性、高滤失、水泥浆堵漏材料及超低渗透、微泡、“应力笼”等钻井液防漏堵漏技术的开发与应用,解决了许多井漏技术难题。钻井液堵漏材料及防漏堵漏技术要加强能提高地层承压能力材料如黏弹性、柔性、韧性、变形性材料和凝胶材料的研发、各种堵漏材料之间及与不同等级刚性材料的复配协同作用研究、适应高温高压高含盐层等复杂情况以及能够用于处理恶性漏失情况的防漏堵漏技术研究,提高堵漏地成功率,并能满足适应性好、经济适用、针对性强等要求。参 考 文 献1Shuttleworth Ni,F

16、rederiks K,Van DerPlas K,et al.An Innovative Inert Material To Cure the losses in theBrent Depleted Reservoirs2North Sea Case HistoriesJ.S PE1009342Elmer E C.Method using lost circulation material forsealing permeable formations P.United Stetes Patent4369844,19813Donald L,Whitfill,Hemphill T,et al.A

17、ll Lost2Circula2tion Materials and Systems Are Not Created EqualJ.S PE843194Benaissa S,Bachelot A,Ong S.Preventing Mud Los2ses and DifferentialSticking by AlteringEffectiveStress of Depleted SandsJ.S PE1038165 张琰,刘艳.弹性石墨在钻井液中的应用研究J.天然气工业,2003,23(1):422446 朱怀江,王平美,刘强,等.一种适用于高温高盐油藏的柔性堵剂J.石油勘探与开发,2007,

18、34(2):23022337 聂勋勇,王平全,张新民.聚合物凝胶堵漏技术研究进展J.钻井液与完井液,2007,24(1):832848Horton,Prasek,Ivan,et al.Prevention and treatmentof lost circulation with crosslinked polymer material P.United Stetes Patent7098172,20039Bruton,Ivan,Heinz,et al.Lost Circulation Control:E2volving Techniques and Strategies to Reduce

19、DownholeMud Losses J.S PE6773510张新民,聂勋勇,王平全,等.特种凝胶在钻井堵漏中的应用J.钻井液与完井液,2007,24(5):8328411 Suyan K M,Dasgupta D,Sanyal D,et al.Managing T otalCirculation Losses With Crossflow While Drilling:CaseHistory of Practical Solution J.S PE10989812 Lecolier E,Herzhaft B,Rousseau L,et al.Developmentof a Nanocomp

20、osite Gel for Lost Circulation TreatmentJ.S PE9468613 Catalin D,Ivan,James R,et al.Making a Case for Re2thinking Lost Circulation Treatments in Induced Frac2turesJ.S PE7735314 Romero S N,Monroy R R,Johnson C,et al.PreventingLost Curculation Using Lightweight Slurries with Re2ticularSystems:DepletedR

21、eservoirsinSourthernMexicoJ.S PE9218715 El2Hassan,Raafat Abbas,Haitham Jarouj,et al.Usinga Novel Fiber Cement System to Control Lost Circula2tion J.S PE/IA DC85324(下转第79页)76钻 井 液 与 完 井 液 2009年11月保持高气孔率、高吸附能力,还保持具有较高的强度,可代替石英砂、无烟煤、活性碳等常规滤料,满足水处理高科技发展的需要,在采油废水、轧钢废水、印染废水、造纸废水等工业污水和饮用水处理领域展现了广阔的应用前景。3)废

22、弃钻井液在交通运输方面的资源化利用。中国石油集团海洋工程有限公司近几年也采用粉煤灰复合材料固化剂技术,优选强度高,硬化速度快的固化物,进行废弃钻井液的固化和处理,固化物的浸出液毒性在GB89781996控制指标内,用优化化学药剂处理钻井废水达到回注水水质指标。除此之外,海洋生产现场所用的钻井液经过钻井循环系统中的设备甩干后,所产生的液态物质进行重复利用,固体废物运回陆地进行高温除油、化学处理等工序处理,经过环保部门的检测,各项指标达到环保要求后,用在高速公路的路基建设中,不仅节约了资源、进行了废物的再利用,也起到了节能减排的目的。3 废弃钻井液处理技术的发展趋势 开发新的环保型钻井液体系和钻井

23、液添加剂。加强固控,减少废弃物的排放,主要是加强四级固控的管理,对固控设备合理搭配、合理利用,利用高效固控设备。开发综合利用新技术。应该利用现有的科学和技术在废弃钻井液处理时向综合利用出发,这样既保护了环境又开发了资源。如将钻井废弃物经过一定的技术处理转化成为可供植物利用的肥料等。降低成本,优化环境。加强井场废弃物的管理。国外对井场废弃物的管理要求非常严格,制定了一系列的方针、政策,同时加强了环境和作业的监控、监督和评估,确保环境稳定。中国在这方面做了大量的工作,取得了很好的效果,但国外的许多技术和经验还是值得学习和借鉴的。同时可以开发许多先进的管理方法。4 结束语针对石油开发过程中的环境危害

24、,建议政府、企业有关部门从政策、资金等方面扶持鼓励科研单位和广大科技工作者尽快投入技术研究,研发技术适度超前、对环境污染小的材料和技术工艺,使石油工业在履行社会责任的同时,承担好节能减排的社会义务,达到自然和人类活动的和谐统一。参 考 文 献1 赵雄虎,王风春.废弃钻井液处理研究进展J.钻井液与完井液,2004,21(2):432482Sorheim R,et al.Oily DrillCuttings2From Waste to Re2sourceR.S PE612733 王眉山.石油钻井废弃钻井液处理的环境问题 R.石油工业出版社,2008年钻井技术论文(收稿日期2009206210;HG

25、F=0906N4;编辑 王小娜)(上接第76页)16 Mata F,Veiga M.Crosslinked Cements Solve Lost Cir2culation ProblemJ.S PE9049617 Bauer S,Gronewald P,Laboratories N S,et al.High2T em2perature Plug Formation With SilicatesJ.S PE9233918Song Mingquan,Wang Wenli,Ma Kaihua.Slag MTCTechniques Slove Cementing Problems in Complex

26、WellsJ.S PE6475819 Mahmoud EI2Sayed,Ahmad Ezz,Moataz Aziz,et al.Successes in Curing Massive Lost2Circulation Prob2lems With a New Expansive LCMJ.S PE10829020刘四海,崔庆东,李卫国.川东北地区井漏特点及承压堵漏技术难点与对策J.石油钻探技术,2008,36(03):2222321张歧安,徐先国,董维,等.延迟膨胀颗粒堵漏剂的研究与应用J.钻井液与完井液,2006,23(02):2122422狄丽丽,张智,段明,等.超强吸水树脂堵漏性能研究J

27、.石油钻探技术,2007,35(03):3323523孙金声,林喜斌,张斌,等.国外超低渗透钻井液技术综述J.钻井液与完井液,2005,22(1):5825924孙金声,张家栋,黄达全,等.超低渗透钻井液防漏堵漏技术研究与应用J.钻井液与完井液,2005,22(4):2122325吉永忠,张坤,余勇,等.微泡钻井液防漏堵漏技术在玉皇1井的应用J.钻采工艺,2005,28(3):9529726 Samuel M,Bartko,Hembling D,et al.A New Solids2FreeNon2Damaging High T emperature Lost2Circulation Pill

28、:Development and First Field ApplicationJ.S PE8149427李家学,黄进军,罗平亚,等.随钻防漏堵漏技术研究J.钻井液与完井液,2008,25(3):2522628程仲,熊继有,程昆.随钻防漏堵漏技术机理的探讨J.钻采工艺,2008,31(1):3623929 Mark W,Alberty,Michael R M.A Physical Modelfor Stress CagesJ.S PE90493 200430 Aston M S,Alberty M W,Duncum S,et al.A New Treat2ment for Wellbore S

29、trengthening in ShaleJ.S PE11071331 Aston M S,Alberty M W,Mclean M R,et al.DrillingFluids for Wellbore StrengtheningJ.S PE87310(收稿日期2009204209;HGF=0906N6;编辑 王小娜)79 第26卷 第6期 王眉山等:中国废弃钻井液处理技术发展趋势 Key words Water block;Water block removal agent;Bio2surfactant;Non2ionic fluoro2polymer surfactantFirst au

30、thors address College of Chemistry and Chemical Engineering,University of Jinan,Jinan,Shan2dong 257017,ChinaProgress in the Numerical Simulation of Invasion Damage from Drill2in Fluids in Horizontal Wells.D FCF,2009,26(6):69273Authors YAN G Yugui,KANG Yili,YOU Lijun,LI DaqiAbstract This paper discus

31、ses the research progresses made in numerical simulation of reservoir damagecaused by filtrate and solids invasion in several aspects,such as multiphase flow through porous media,multi2parameter regression,skin damage and reservoir numerical simulation.All these discussion wasbased on reservoir dama

32、ge caused by drill2in fluid in horizontal wells.Presently studies are mainly concen2trated on the construction of math model and simulation of filtrate invasion in intermediate and high perme2ability formations,while the reservoir damage caused by the generation of interior mud cakes and deep in2vas

33、ion of solids from spurt loss,the distribution of the damage,as well as the influence of the damage onwell flowback are not well studied.Simulation study on the dynamic damage to fractured dense reservoircaused by drill2in fluid is very rare.It was emphasized that the dynamic simulation of invasion

34、damage inhorizontal wells should fully take into account the contact time of drill2in fluid with formation,reservoirheterogeneity,the eccentricity of drill strings,and gravity force.Furthermore,the simulation of the rela2tion between invasion damage and flowback should be stressed.Key words Horizont

35、al well;Formation damage prevention;Drill2in fluid;Solids invasion;Mathematicalmodel;SummaryFirst authors address State Key Laboratory of Reservoir Geology and Development Engineering,South2west University of Petroleum,Chengdu,Sichuan 610500,ChinaResearch Progress on Lost Circulation Materials and L

36、ost Circulation Control Technology.D FCF,2009,26(6):74276Authors ZHANG Xiwen,LI Shuang,ZHANGJie,SUN Jinsheng,YAN G ZhiAbstract This paper summarizes the research progress made on the development of lost circulation materials(LCM)and the technology of controlling lost circulation.Stresses are given t

37、o the materials and technolo2gies of lost circulation control,such as bridging,high filter loss,elasticity,polymer gel,cement slurryand swelling LCM etc.Working mechanism and case histories of these technology and material are presen2ted,and the prospect of the development in LCM and lost circulatio

38、n control technology is analyzed.K ey words Drilling fluid;Lost circulation material;Lost circulation prevention and control;Research progressFirst authors address Research Institute of Drilling Engineering,CNPC,Beijing 100083,ChinaThe Prospect of Waste Drilling Fluid Treatment Technology in China.D

39、 FCF,2009,26(6):77279Authors WANG Meishan,ZHENG YiAbstract Methods of waste drilling fluid treatment both in China and abroad are studied based on the influ2ence of waste drilling fluids on the environment.Waste drilling fluid treatment technology and its futuredevelopment are discussed in several a

40、spects,such as the development of environmentally friendly drillingfluid systems and additives,the emission reduction of waste drilling fluids,the recovery and reuse of wastedrilling fluids.Key words Waste drilling fluid;Energy saving and emission reduction;Environment protectionFirst authors addres

41、s College of Resources and Environment,Wuhan University of Technology,Wuhan,Hubei 430070,ChinaSynthetic Base Drilling Fluid Technology for Marginal Oilfield in Nigeria.D FCF,2009,26(6):80281Authors XIAO Chao,FENGJiangpeng,SONG Mingquan,ZHAO Suli,LIU GuichuanAbstract Drilling deviated wells in water sensitive formations in the marginal oilfield in Nigeria frequently encoun297Vol.26,No.6ABSTRACT