国外深水钻井液技术进展

  自1985年以来,随着第一批水深在300m以上深水油气勘探开发项目的投入建设,国际深水油气勘探开发逐渐增多。最初10a的年平均增长速度为65%,西北欧、巴西、墨西哥湾的勘探开发速度最快,2001年起墨西哥湾深水区的产量已超过浅水区。据统计,截至2000年,水深500m的深水油气田有162个,遍及世界各海域,其中尤以美洲的墨西哥湾海域、拉丁美洲的巴西海域及西非海域最多,深水油气田探明油气储量为22.6 10的8次方油当量,占海上油气田探明总储量的12%。 目前,深水钻井还面临着许多难题,对钻井液技术的要求更高,为此,笔者在分析深井钻井存在的主要难题的基础上,详细介绍了国外先进的深水钻井液技术,并对其发展趋势进行了分析,以对我国深水钻井有所借鉴和指导。

 

  1深水钻井中存在的问题

 

  与浅水区域相比,深水钻井面临的主要问题有:海底页岩的稳定性差、钻井液用量大、井眼清 洗难、浅层天然气与形成的气体水合物、低温下钻井液的流变性、地层破裂压力窗口窄等。这些问题给钻井工作带来了诸多困难,同时对钻井液技术提出了更高的要求:在保证钻井安全的前提下,兼顾钻井成本和环境效益。

 

  11海底页岩的稳定性差 在深水区中,由于沉积速度、压实方式以及含水量的不同,海底页岩的活性大。河水和海水携带细小的沉积物离海岸越来越远,由于缺乏上部压实作用,胶结性较差,易于膨胀、分散,导致过量的固相或细颗粒分散在钻井液中,从而影响钻井液性能。

 

  12钻井液用量大 在深水环境下的钻井液需求量是很大的。一般隔水管体积就高达159m3,再加上平台钻井液系统,而且由于井眼直径大,为了钻达设计井深,一般下入的套管也多(常常是4~7层),因此钻井液用量就比其他同样井深的陆上或浅水区的井大得多。

 

  13井眼清洗难 深水钻井时,由于开孔直径、套管和隔水管的直径都比较大,如果钻井液流速不足就难以达到清洗井眼的目的。因此,对钻井液清洗井眼的能力提出

 

  了更高要求。一般采用稠浆清洗、稀浆清洗、联合清洗、增加低剪切速率黏度,以及有规律地短程起下钻等方法,这些方法均有助于清除钻井过程中的钻屑。使用与钻井过程中钻井液黏度不同的清扫液清除钻屑效果较明显,比如使用稀浆钻进,稠浆清洗钻屑。

 

  14浅层气与气体水合物 深水钻井作业中,气体水合物的形成不仅是一个经济问题,更是一个安全问题。气体水合物类似于冰的结构,主要由气体分子和水分子组成,外观上看起来类似于脏冰,但是它在性质上又不像冰,如果压力足够,它可以在0!以上形成。海底附近或井中溶解的水合物受到冷却后易在隔水管和压井阻流管线上重新凝结,尤其是在节流管线、钻井隔水导管、防喷器以及海底的井口里,一旦形成气体水合物,就会堵塞气管、导管、隔水管和海底防喷器等,从而造成严重的事故;同样钻井过程中的水合物分解可能导致地层变弱,井眼扩大、固井失败以及井眼清洁方面的问题  。

 

  15温度过低 随着水深加大,钻井环境的温度也越来越低,给钻井和采油作业带来很多问题。如在低温下,钻井液的黏度和切力大幅度上升,而且会出现显著的胶凝现象,形成天然气水合物的可能性增大。

 

  16地层孔隙压力和破裂压力之间?窗口#狭窄 深水区域上覆岩层相当一部分由海水所替代,因此上覆岩层压力与陆地上相比偏低,由于地层具有较低的破裂压力而孔隙压力没有很大的变化,这就使孔隙压力与破裂压力之间的差变得非常小。对于相同沉积厚度的地层来说,随着水深的增加,地层的破裂压力梯度在降低,致使破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄,深海钻井尤其是表层地层容易出现井漏等井下复杂情况。

 

  2国外深水钻井常用的钻井液体系

 

  21水基钻井液体系 水基钻井液由于其优良的性能和较低的成本,已被广泛用于深水钻井作业中。 在墨西哥湾的深水井和大陆架井已成功应用了一种高抑制性水基钻井液体系,该钻井液以15%~20%的氯化钠和海水为基液,以聚丙烯酰胺作为黏 土抑制剂,淀粉为降滤失剂,用氢氧化钾调节pH值,重晶石作为加重剂。该钻井液体系应用时表现 出了优良的页岩抑制性,黏度低,易于控制及保持组分。该钻井液体系与传统水基钻井液配合,能从根本上消除一些典型的复杂问题,如未溶解的聚合物引起的筛堵、聚合物消耗快、抑制性变差等。该钻井液体系已接近合成基或油基钻井液的性能。

 

  2004年,东墨西哥湾钻成了两口创纪录超深水井 。这两口井是在墨西哥湾水深大于21336m下所钻的最快的井,使用了高性能水基钻井液(WBM)来钻中间井段。该钻井液具有与合成基钻井液(SBM)相媲美的性能,其优势是允许在这种环境敏感性近海区域处理岩屑。由于不用把岩屑带到海岸进行处理,因而节省了大量的费用。其还具有下套管和注水泥时不会出现漏失及更容易进行置换的优点。该钻井液可以储存起来重复应用,可以称为SBM岩屑?零排放#。使用高性能的WBM避免了每口井大约318m3岩屑的运输和处理,避免了下套管和注水泥时钻井液的漏失,从而降低了成本。在墨西哥湾深水区域1503m的开发井中,曾试验用一种新研制的高性能水基钻井液(HPWBM)。该钻井液的目标是达到与合成基钻井液(SBM)体系相近的钻井效果,并达到美国环保法规的要求。应用该钻井液的钻井及下套管过程均很顺利。完井期间,当盐水浊度降至20NTU时,盐水滤失长达105h。这与邻井中使用SBM体系所需的时间相类似,在205h的滤失时间后盐水的清洁度达到49NTU。这表明采用HPWBM体系比用SBM体系缩短了10h安装时间,节省了100000美元。钻井承包商还节省了使用SBM体系时用于安装相关设备所需的50000美元。人们曾预计该井的产量不理想,但套管射孔投产后发现该井是深水油田产量最高的油井之一。 针对墨西哥湾地区普遍存在的与泥岩活化度高有关的钻井复杂情况不断增多的现象,人们开发了第二代CaCl2/聚合物钻井液[18]。它是在第一代CaCl2钻井液的基础上进行了改性,用一种高分子量的聚合物包被剂替代原有的聚合物,并加入不受固相浓度影响的、特制低分子量的羟乙基纤维素控制滤失量。该钻井液体系在墨西哥湾地区的深水钻井中得到成功应用。该钻井液体系克服了第一代CaCl2钻井液糊振动筛的缺点,没有出现跑漏钻井液现象;井下工具和井下划眼钻具处没有出现泥包现象及相关问题。

 

  挪威是从事海洋深水钻井较早的国家之一。文献报道了挪威深水水基钻井液设计的一个实例。该井所处海域水深837m,海底温度-25,所使用的钻井液需要有较好的水合物抑制性、页岩抑制性,并能稳定井壁,避免钻头泥包。作业者用NaCl、KCl和聚烯醇(PAG)和乙二醇单体的混合物作为水合物抑制剂,加量极少即可获得很好的水化抑制效果,且能够抑制任何水合物的形成;用低黏聚阴离子纤维素PAC和淀粉以1%2的比例配成降滤失剂和增黏剂控制钻井液的滤失量和流变性能;用精细加工的生物聚合物辅助悬浮钻屑;用具有浊点效应的一种聚烯醇(加量为3%~4%)来改善泥饼质量,从而改善滤失性能。

 

  硅酸盐钻井液主要以较好的黏土和页岩稳定性及环境可接受性,而成为油基钻井液和合成基钻井液的替代物。与其他钻井液相比,它降低了化学药品的消耗量,也降低了成本。可溶性硅酸盐/聚乙二醇钻井液还具有稳定性好、应用范围广等优点。最新的硅酸盐聚合物钻井液体系一般包含5%~15%(体积分数)的可溶性硅酸盐产品,其通式是M2O?xSiO2,M如果是Na,它就是硅酸钠,如果是K就代表硅酸钾,x代表模数比。硅酸盐的稳定溶液在pH值较高时(特别是105~125),经常包含大量不同的分子类型,从单体到低聚物。低聚物如遇到Ca2+和Mg2+等高价离子会迅速沉淀,当pH值降低就会形成三维凝胶结构。

 

  甲基葡萄糖甙钻井液是20世纪90年代提出的一种新型水基钻井液体系,由于在防塌机理及常规钻井液性能方面类似于油基钻井液,又称仿油基钻井液体系。大量的室内研究和生产实践证明,甲基葡萄糖甙钻井液能有效抑制泥页岩水化膨胀,维持井眼稳定,保护油气层,同时还具有良好的润滑性能、抗污染能力和高温稳定性,并且无毒、易生物降解、对环境影响极小。在环保要求严格的海洋钻井中,国外已成功在大斜度井和水平井中使用了甲基葡萄糖甙钻井液体系。

 

  22合成基钻井液体系 合成基钻井液是国外深水区域常用的钻井液体系之一,对这方面的研究也较多。合成基钻井液已被墨西哥湾的许多承包商使用。因线型烷烃没有足够的生物降解性,且具有 一定的生物毒性,之前用于墨西哥湾的未掺合的线型烷烃和线型烯烃不能再用了。出于对技术需 求、成本和环境效应的考虑,大部分钻井液公司使用烷烃、烯烃和酯的混合物。酯/烯烃混合物是合成基 钻井液中最常用的基液。到目前为止,酯/烯烃混合物为基液的合成基钻井液已在70余口井进行了应用,该钻井液已用于水深超过24384m的井中和大陆架地层温度超过1767!的区域。 在墨西哥海湾深水地区的小井眼侧钻超深井中,成功应用了合成基钻井液。在进行深水钻井时,最初选用了盐水/淀粉/聚合醇水基钻井液,由于井下条件恶化,发生了压差卡钻,因此选用了合成基钻井液,顺利完井。合成基钻井液的综合性能优于水基钻井液和油包水钻井液。实践证明,使用合成基钻井液可以减少事故发生的概率。19961997年期间,阿莫克公司的深水钻井史上,使用合成基钻井液处理钻井事故时间缩短69%,大大减少了钻井周期。尽管与水基钻井液相比,合成基钻井液成本高,但是综合计算后,钻井综合成本降低55%,钻速提高达70%。但其环境影响问题仍需进一步研究。 2002年411月,马来西亚在其沙巴海岸应用合成基钻井液钻了5口超深水井,水深为1305~1876m。所有井使用了同样的钻井程序,并都达到了预期深度。这5口井的成本都在预算范围内,泥线下平均钻速约为88m/d,已接近墨西哥湾的钻速。 文献介绍了一种新型合成基钻井液体系的首次现场应用情况。该体系含有IO和酯,无黏土,符合EPA(美国环保局)标准,首次在水深12192m、井深45720m的墨西哥湾深井中使用,井底钻井液密度为1524kg/L,低温下黏度降低,超出40~120!温度范围时流变性保持稳定,且比其他合成基钻井液易于控制。虽然其成本比常用的IOSBF贵20美元/桶,但综合考虑,成本相差不大。

 

  据文献报道,墨西哥湾的Alaminos峡谷钻了一口水深创世界纪录的深水井。该井水深为3051m,钻深6917m,中下层井段选用了一种环境可接受的专用合成基钻井液。该钻井液由环境可接受的合成基液、有机土、CaCl2、乳化剂和桥堵剂组成,各组分根据不同井段的要求加量不同。该钻井液性能良好,可接受地层流体侵入,易于维护处理。该井提前完钻,大大降低了钻井成本,达到了预期效果。

 

  23其他钻井液体系 除了水基钻井液和合成基钻井液,国外深水钻 ?10?石油钻探技术2009年5月井还应使用了其他一些钻井液体系,下面简要介绍一种特殊的油基钻井液体系和使用效果较好的充气钻井液。 柴油基钻井液曾一度因其低廉的价格和优良的保护井壁作用而得到广泛应用,但其对环境有极大的危害,并且对人体健康也有不利影响,可引起眼部和呼吸道疼痛,影响记忆力等。1999年23月在美国德州奥斯汀举行的SPE/EPA会议上报道了一种符合环境安全要求的油基钻井液体系。该体系使用矿物油(芳香族含量<01%)和棕榈油(完全不含芳香族)代替柴油,矿物油和棕榈油均无毒,并且易生物降解,有较好的环境可接受性,对环境影响极小 。

 

  巴西Albacora油田,水深454m的AB-L57B 井,以常规钻井钻至井深2800m(垂深2563m),2445mm套管下入到井斜角为31&的斜井段。目的层是两个夹杂着页岩的砂岩井段,孔隙压力当量密度约是0816kg/L。2159mm钻头钻至井深2989m(垂深2725m),使用了密度0864kg/L的充氮水基钻井液。使用充氮水基钻井液降低了对地层损害,防止或减少了井眼问题(例如不同程度的卡钻、循环漏失等),降低了钻井成本 。

 

  3发展趋势及建议

 

  1)随着经济的发展,对石油的消费日益增加,钻井技术不断成熟,石油勘探开发逐渐向更深的海域迈进。这对深水钻井液的要求不断提高,研制新型无毒、低成本的钻井液体系和钻井液处理剂是今后发展的必然趋势。

 

  2)在海洋钻井液处理剂及体系的推广应用过程中,要将钻井工程、油气层保护和环境保护有机结合起来,从钻井成本和环境效益两方面综合评判它们的推广应用效果,以获得最佳的综合效益。

 

  3)加强对低温条件下深水钻井液的流变性及携岩能力、新型水合物抑制剂及作用机理的研究,并建立一套全面、准确评价深水钻井液性能的标准和方法。

 

  4结论

 

  1)深水钻井面临着诸多问题,对钻井液技术提出了更高要求。

 

  2)目前深水钻井使用的钻井液体系种类较多,

 

  但仍以水基钻井液和合成基钻井液体系为主。

 

  3)墨西哥湾、西北欧、巴西、西非海域是目前深水钻井的主要区域,其他区域深水钻井相对较少。

 

  4)由于对海洋环境保护力度的加大,钻井液除了要满足常规性能外,还要能有效保护油气层和海洋环境。