页岩气开发专题(十一) | 蒋官澄:页岩气

时间:2020-01-15 10:20 来源:未知 作者:songxinyuan 点击:


蒋官澄:仿生与双疏强封堵高效能水基钻井液新技术在页岩(油)气井中的应用

以“高效推动中国页岩气开发”为主题的第九届中国页岩气发展大会,于2019年12月28日成都胜利闭幕。本届大会由中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团有限公司、中海油研究总院有限责任公司、中国石油化工集团工程技术顾问有限公司,中国海洋石油研究院,以及中国石油大学、中国石油工程学院非常规科学技术研究院、四川省人民政府、成都市博览局、北京振威展览有限公司、《石油与装备》共同组织召开。
中国石油大学(北京)石油工程学院教授 蒋官澄

第九届中国页岩气发展大会围绕页岩气开发产业的产业发展、高效开发、技术创新管理等层面的热点话题,进行广泛深入的探讨。针对非常规油气钻井过程中的油基钻井存在环境污染、工程质量问题,中国石油大学(北京)石油工程学院教授蒋官澄表示,基于仿生学理论的仿生水基钻井液技术和双疏理论的超双疏水基钻井液技术为核心 有效解决常规技术手段无法解决的技术瓶颈问题。

 

以下为中国石油大学(北京)石油工程学院教授蒋官澄现场发言实录:

 

尊敬的各位领导:

大家上午好!

我的报告着眼于钻井业这个小行当在页岩气高效勘探开发中的一些作用,希望能够得到与会各位专家、朋友们的指导!

 

研究背景与创新性思路的提出

 

对我们钻井挑战最为严重和突出的问题就是井壁失稳、阻卡、卡钻、井漏等等问题,油基钻井和水井钻井各有各的优缺点,目前我们在页岩气钻探过程中多数情况下采用的是油基钻井,但是油基钻井也存在一些问题,比如说环境污染、工程质量问题等等,由于这个问题的存在,我们就考虑到能不能够使水基钻井的抑制性能够达到油基钻井的水平甚至超过它,如果能够实现这点,对我们页岩气的高效勘探开发也许有一个推动作用。

 

这方面的研究最近应该说是成为了国际研究的热点,并且我们国内,或者说国外近10年来已经通过各种方式手段建立了很多种高性能的水基钻井液,都建立了很好的高性能水基钻井液技术,也取得了很好的进展。但是我们真正要达到油基钻井水平或者超过它应该说还有一段距离,考虑到这个问题,我们想能不能够将其他学科的一些前沿基础理论知识引入钻井领域,采取一些创新性思路和方法,研发原创性的钻井液技术,来解决上述问题,主要是这个思路。为什么原创性思路呢?刚才前面也说到北美的地质情况和我们的地质情况有很大差距,所以把国外技术拿过来也不一定适用。

 

 基于这个想法,我们原来思路的提出基于以下的认识:在井壁稳定方面,在国外经历了几十年的研究,取得了很多的进展。但是在井壁稳定以下几方面来说也存在一些问题:比如抑制性问题,最近几年已经对抑制表面水滑也引起了足够的重视并且也取得了进展,但是效果还不是很理想,技术上还不是很成熟,这是抑制类方面;另外封堵方面,我们搞钻机的知道,长期都是封堵仅仅封堵微米及以上尺寸的孔隙,仅几年研发的纳米封堵技术仍然难以彻底解决阻止压力传递;还有就是固化问题,仅仅阻止或减少钻井液对井壁的破坏不能提高岩石颗粒间内聚强度和岩石胶结力;毛系效应问题,非常规油气井的毛系现象非常严重,通过自吸水导致井壁失稳,许多研究者还没有认识到,国内外现有的方法和技术不能解决毛系效应问题,如果能使用毛系效应的不利影响转变为对井壁稳定有利是最佳的方法,如果这些问题能够解决水基钻井的抑制性就能够达到油基钻井的水平。

 

还有就是阻止四(音)卡与卡钻方面,从钻井液的角度来说,避免或减轻阻卡与卡钻的最佳方法是往钻井液中加入球形颗粒或液体类润滑剂,其中液体类润滑剂发展速度最快,国内外进行了几十年润滑剂研究工作,国内润滑剂均通过改变钻井液特征和流动性方式发挥作用,效果不理想;国际上最新的方向是润滑剂中的活性组分与井眼内的自由离子缔结在钻具、井壁表面产生平滑表面,有效控制流动界面内固定有涡流;还有通过钻具、井壁岩石表面形成微纳米乳突结构和大幅降低表面。如何实现?通过仿生钻井液理论实现抑制、封堵、固化和键合型润滑;我们也建立了井下岩石等表面双疏性理论,解决毛系效应和自清洁润滑的问题,最终使毛系效应的不利影响转变为有利,并且要提高井壁岩石和钻具表面润滑性,这是一个理论基础。在这个理论基础具体实施的方法,我们就是通过“内外因结合”来解决。

 

基于仿生学理论的仿生水基钻井液技术

 

在这个思路下我们要建立相关的热点,要基于仿生学理论的仿生水基钻井液技术。我们要向自然界学习,我们首次将仿生学引入钻机领域,模仿自然界动植物的结构、功能、原理等,研发系列仿生钻井液处理剂,形成仿生钻井液技术,提高岩石颗粒间内聚力、胶结力,减少钻井液流动截面摩阻等,解决常规技术手段无法解决的技术难题。固壁剂评价确实提高了井壁的强度,抑制剂、封堵剂也确实解决了这个问题。

 

 我们通过模仿蚯蚓分泌黏液降低摩阻的原理,发明了仿生键合型润滑剂,在钻井、井壁表面形成润滑膜,提高钻速,与“流动型润滑、自洁型润滑”相结合,发明了“流动、键合、自洁”协同降低井下摩阻的钻井液新方法和新技术。

 

并且与美国的润滑剂单剂进行了对比,优于它,也进行了环保评价。这是第二点。

 

基于双疏理论的超双疏水基钻井液技术

 

简单来说双疏是既疏于水又疏于油,通过对双疏处理之后,确实水相和油相接触角都进行了反转。

 

它既疏水又疏油有什么效果?通过线性膨胀、滚动回收试验也得到了证实,回收率最高;另外从毛细管力来说,从原来的正变成了负,这就实现了我想要的变原来不利变为有利,达到了这个目的。渗透率恢复值也达到了50%以上。

 

此外,对摩阻也进行了评价,我们是用的划痕评价,通过摩阻之后划痕是最浅的,这是北大一个重点实验室,委托他们进行评价的。包括润滑系数评价,不仅具有降耗的摩阻效果,并且导入之后效果增强。提速效果也进行了评价,提速效果比其他提速剂相比有较好的提速剂。此外还进行了携屑效果,可以让它漂浮起来,增加了一定的上浮力,减少岩屑层的形成。

为什么说一种阻力剂具有很好的效果?其机理我们进行了深入的探讨。

 

以超双疏剂为核心 有效解决技术瓶颈

 

仿生与双疏强封堵高效能水基钻井液新技术的构建,以超双疏剂为核心,结合钻域的地层特点,配套仿生处理剂等,实现了从提高钻井液性能的外因法转变为同时改善钻井液所接触的固体表面性质的内外因结合,从而从高性能转变为高效能,有效解决了非常规油气井钻探中的技术瓶颈。

 

基本配方及与典型油基钻井液性能进行对比和岩屑回收率方面都进行了对比。另外我们又对浸泡强度进行了评价,可以看出强度变高了,分别高于了油基钻井液,这是以前没有见到的。

 

之所以出现这么良好的效果,就是我们根本上实现了固化,实现了很好的抑制,更关键是解决了毛细现象,这是其他学者没有提到的,从而我们就达到了预期的目的。

 

我们也有好多试验照片,下面红框是现场进行试验的时候,现场技术人员测试率比和常规渗吸对比。

 

现场应用情况

 

这套技术应该说在不同类型井中都进行了应用。第一个案例就是昭通页岩气SYS145井上成功应用,这个简单,这是页岩气井。但是虽然是直井,由于它是页岩式,所以它井上风险还是很多,地层也破碎,裂缝有发育等等。这是在这口井上应用的情况。总之,我们这套性能非常稳定,防塌与封堵能力强、井径规则,现场性能维护简便,全井无掉块、无井下复杂情况发生,保证了该井的顺利完成。整个这套井到今天早晨还剩1.9万钻,今天早上我们看到了报告,每天我们都是微信联系,这口井的难度应该说还是比较大的,这个地区地层垮塌也是很严重,对临井的井径扩大率达到了40%以上,且严重影响起下钻作为,该井属于绕障井,绕障变方位、井斜角大、斜井段和水平段易形成岩屑床、钻具摩阻大等;地层压力变化大,密度要求范围宽,增加了漏失的风险;山体构造,断层多、裂缝发育、极易发生漏失,同一平台的阳102-H五36-1采用其他水基钻井液,井塌、卡钻等复杂情况非常非常频繁和严重。

 

这是整个钻井过程中的报表,还不全,应该说性能非常稳定,抑制性强,性能非常稳定。目前这井高难度井段已经钻完了,后面都比较简单一点。整个过程中没有出现垮塌,具有良好的防止井壁稳定,润滑能力。最关键在整个钻井过程中没有脱垮塌,起下钻顺利。确实充分展现了我们的润滑性很好,具有良好的流变性和触变性,岩屑返出及时、完整,携岩效果良好。中石油湛江分公司、海服公司等专家到现场进行了考察,得到了专家们的高度认可。

 

这个照片也充分展示了我们钻具具有强清洁性,上面这张照片就是三号井,钻具非常干净,确实具有强自洁性。相反,下面这张照片可以看到钻具粘附钻井液严重,泥包现象非常严重。

 

案例分析

 

再讲一个案例,大港油田页岩油房,这个垮塌非常严重。在钻井过程中和临井进行对比,钻井液含量低,摩阻更低,摩阻非常非常低,两个井完全不一样。密度,我们在试验这口井的密度也比这两个临井密度低得多,同时现场测试抑制性也比较好,比如说坂含量从25g/l下降到15g/l,也没有出现高跑浆的现象。这是现场测试的ECD,确实比较低,井径扩大率也低,经过测试固井质量是达到优质的程度,接近油基钻井液。

 

润滑性也非常好,整个挤压过程中扭矩始终是在14000nm范围之内。

这是第三方对井浆室内进行的评价,都具有非常好的封堵性、抑制性,这是第三方的评价。

 

我们得出了如下结论,首次将仿生学引入钻井液领域,模仿海洋生物,分别发明了仿生固壁剂、仿生微纳米封堵剂和仿生键合型润滑剂;基于本团队创建的井下岩石表面双疏性理论发明了超双疏剂;结合仿生钻井液理论和双疏性理论,创建了“仿生与双疏强封堵高效能水基钻井液”,使水基钻井液的抑制性和润滑性高于油基钻井液,实现了从“高性能”转变为“高效能”,解决了非常规等高难度油气井钻探中的钻井液技术瓶颈。

 

我的汇报到此结束,希望各位专家批评指正!

 
(本文系第九届中国页岩气发展论坛系列系列报道, 内容未经本人确认,如转载请注明文章出处)

 

责任编辑:janne | 新媒体主理:姜娜  

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