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甲酸鹽體系從容應對頁巖地層井眼穩定性挑戰

甲酸鹽體系從容應對頁巖地層井眼穩定性挑戰

甲酸鹽體系從容應對頁巖地層井眼穩定性挑戰

相比于傳統的水基、油基、合成基體系,甲酸鹽鉆井液體系的頁巖穩定性尤為突出。

來自 | E&P
編譯 | 影子

在鉆井施工過程中,與頁巖有關的問題仍然是造成非生產時間和額外成本的最大來源之一。這些問題包括鉆頭泥包,以及由于井眼坍塌所導致的卡鉆和套管問題。這些問題主要是發生在使用水基泥漿時,通??梢愿挠糜突酀{和合成基泥漿來避免這些問題。

但是,后者有存在著其自身的一些缺點,包括難以獲得電阻率測井曲線、高昂的廢液處理成本、誘導裂縫導致的循環漏失低閾以及與硅酸鹽水泥不配伍等。此外,這類泥漿在破裂頁巖地層效果不佳。因此,尋找油基/合成基泥漿的水基替代品仍然是十分必要的。

自然配伍

現場經驗和研究表明,銫基和甲酸鉀基流體是用于頁巖地層最好的水基鉆完井也之一。與其他水基鉆完井液不同,甲酸鹽流體的頁巖穩定性來自于其本身固有的特性,而不靠其他添加劑。如此,頁巖穩定性就不會隨時間的延長而變差,并且也不需要復雜和昂貴的添加劑維護。

首先,銫在溶液中具有低水平的水合作用,并且攜帶在他們周圍的水分子有效的“殼”很容易被除去。這些離子可以有效屏蔽水結構負電勢,同時避免離子水合/溶劑應力累積。這使得“抑制性”離子大大降低了作用于粘土中的膨脹壓力,從而為避免鉆頭泥包和巖屑分散提供幫助,防止含油儲層中的粘土膨脹和微粒運移。

穩定效果

如實驗室詳細研究和現場應用所證實的那樣,銫基和甲酸鉀基流體顯示出了絕佳的穩定頁巖地層井眼的特性。與普遍觀點相反,井眼穩定與粘土膨脹關聯甚少。

當施加了錯誤的泥漿壓力時,無論泥漿是什么類型或是配方如何,井眼通常都不會穩定。然而即使泥漿壓力是合適的,頁巖地層仍然可能隨時間的推進而出現不穩定情況。隨著時間的推移,壓力傳輸會隨著時間的推移而引起不穩定問題,伴隨著井壁坍塌和近井區擴大,同時還會出現卡鉆、套管運行不良、固井質量不佳、層間隔離不足等連鎖問題。

甲酸鹽流體可以通過兩種主要機制來緩解甚至避免壓力傳遞。首先,甲酸鹽濃溶液具有高濾液粘度,這樣可減緩達西滲流進入頁巖,緩解近井筒孔隙壓力升高;其次,濃甲酸鹽溶液可產生高滲透壓,如果頁巖充當滲透膜,則會使流入頁巖的滲透流體流出頁巖。

海上頁巖案例研究

最近,在馬士基石油公司進行的泥漿對比評估中,甲酸鹽流體顯示出了比其他泥漿更為突出的頁巖穩定性。在北海丹麥部分Tor/Ekofisk井鉆井過程中遇到的Lark/Horda頁巖地層,該公司遇到了延時井筒不穩定問題。

在一系列測試中,13.5份/加侖的甲酸銫/甲酸鉀混合液在分散測試中表現出了最輕的頁巖膨脹和優異的切削完整性。然而,在壓力傳輸測試和井眼坍塌測試期間,流體將其與其他所有泥漿(包括新型商用高性能水基泥漿地層和改進的油基泥漿配方)明顯區分了出來。

甲酸鹽體系從容應對頁巖地層井眼穩定性挑戰

圖1.馬士基石油公司在不同泥漿體系的壓力瞬變測試過程中記錄的絕對延遲因子,藍色箭頭表示使用甲酸銫/甲酸鉀溶液觀察到的變化,與其他體系結果有明顯不同。

使用甲酸鹽流體得到更快的ROP

上述結果通過現場應用得到了充分驗證。當甲酸鹽流體與傳統的水基和油基/合成基體系進行比較時,作業人員還觀察到,ROP得到了顯著增加。這一點在加拿大Montney頁巖的大量鉆探井中得到了證實。其中,甲酸鉀鉆井液在頁巖中的平均鉆速比油基體系快了30~40%(圖2)。

甲酸鹽體系從容應對頁巖地層井眼穩定性挑戰

圖2.圖中清晰顯示了甲酸鹽流體對鉆井性能的提升。

甲酸鹽流體的性能優勢主要來源于兩個機制。首先,鹽水可以自行配制出更高密度的流體,從而產生低固相/無固相流體;其次,甲酸鹽可滲透性地從頁巖中提取水分,形成潤滑層,防止頁巖粘附在鉆頭上,并且促進對鉆頭表面更好的清潔。

使用甲酸鹽可使鋼和頁巖地層具有良好的潤滑性,獲得較低的液壓摩擦壓力損失和優異的高溫高壓穩定性,同時能夠獲得電阻率測井曲線,并且不需要在海上作業中額外進行零排放廢物管理。這些特性,結合上述的頁巖穩定性優勢,使甲酸鹽流體成為高性能鉆井過程中的極佳選擇。

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