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TETRA超深水完井液=高密度+无锌+无固相

TETRA超深水完井液=高密度+无锌+无固相

超深水完井难度极高,对完井液的要求也非常苛刻。常规超深水完井液对环境和作业人员都存在潜在伤害。为此,TETRA公司推出了新型高密度、不含锌、无固相的完井液体系,下面简单介绍该技术。

来自 | TETRA Technologies
编译 | 白矾

卤化物及甲酸盐类物质在完井液中的应用历史已超过30年,曾发挥了巨大的作用。但是该类完井液已经不能满足现行环境法规下的超深水完井作业要求,业内急需一款高密度、低结晶温度的完井液,即在避免使用溴化锌的同时保持低TCT(True Crystallization Temperature,真实结晶温度)和PCT(Pressure Crystallization Temperature,压力结晶温度)。

此外,该类完井液对环境影响小、价格低、不含固相,是传统高密度ZnBr2、甲酸铯完井液的理想替代品,主要可以用于完井和修井作业,也可以用作钻过储层的低固相钻井液。

产品特性

1.完井液体系密度可达15.4ppg(1.85g/ml),目前正在开发更高密度的产品;
2.与密度相同的卤化盐完井液相比,结晶温度(TCT和PCT)更低;
3.高温下及储存过程中非常稳定;
4.与常规设备通用;
5.与井下橡胶、热塑性物质、金属配伍;
6.与其它流体(地层流体、控制管线流体等)的配伍性与常规卤盐完井液相同;
7.完井液体系可重复配置,供给稳定。

产品优点

1.不含锌,不需要“零排放”设备;
2.采用通用技术,可回收利用;
3.体系呈中性,对作业人员和环境几乎无伤害;
4.与同类产品相比,成本更低;
5.在作业过程中,无需特殊混合、处理、存储技术;
6.符合全球环境标准,适用性强。

TETRA对多种完井液系统进行了测试,得到了最佳的HDNZ体系,新的完井液体系性能与常规的溴化钙完井液相同,同时符合上述各种性能要求。

产品研发

新型完井液的首要标准是要保证其密度在14.5~15.4lb/gal之间,同时,30℉时的PCP低于15000psi。在研发过程中,TETRA对多种水基、非水基的样品进行了研究,根据测试结果确定了进一步测试的目标。

热稳定性

TETRA首先对通过初步测试的完井液样品进行了热稳定性考察。初始测试温度为265℉,最终确定最佳完井液体系。得到的HDNZ在265℉没有分解,且在随后的高温测试(300℉和325℉)中也没有分解。

配伍性

研发人员测试了HDNZ系统与其它液体(井内流体、其它化学药品等)、管串、密封橡胶及地层的配伍性。

地层流体配伍性测试

研发人员在室温条件下对HDNZ与合成地层流体进行了配伍性试验,合成流体的卤化物溶液/地层水比例分别为25:75、50:50、75:25,混合流体剧烈搅拌,之后静置24h。合成流体稳定后,有少量盐类(NaCl)析出,这与地层流体中析出CaCl2原理相同。

研发人员还测试了HDNZ与原油样品的配伍性,测试温度为室温,合成卤化物溶液/原油比例分别为25:75、50:50、75:25,混合样品经剧烈搅拌混合均匀,静置4天。在测试条件相同的情况下,混合液样品性质与参照样品CaCl2/原油溶液性质类似。原油比例低的混合流体相对稳定,没有形成乳状液,而原油比例高的合成流体形成了稳定的乳状液,静置4天无破乳现象。之后三种混合液中分别又加入了0.5%防乳剂,在180℉的室温条件下进行了重复试验。加入防乳剂后,在180℉条件下混合液静置不到24h就完全消除了乳化现象。

控制管线流体(Control Line Fluids)配伍性测试

研发人员在室温条件下将HDNZ与多种控制管线流体进行了配伍性测试,合成液比例分别为(卤化物溶液:控制管线液体)25:75、50:50、75:25,剧烈搅拌混合均匀后静置72h。在混合过程中,两种液体接触即析出了固体物质,固体量与控制管线液体比例成正比。在剧烈搅拌后,固体物质即漂浮于混合液表面,但只要轻微震荡就会重新悬浮于混合液中。混合液的这种性质与参照物CaCl2/控制管线混合液的性质相同。

合成油基泥浆配伍性测试

HDNZ与多种商用合成油基泥浆(SBM)在室温下进行了配伍性测试,测试混合液比例(卤化物溶液:SBM)分别为25:75、50:50、75:25,混合液经剧烈搅拌混合均匀,之后静置17h。盐水/SBM比例为75:25的混合液在混合后马上分为三层:中间层浑浊、无色,主要为完井液;上层为轻质碳氢化合物;底层为密度最大的固体盐类。混合比例为50:50的混合液分为两层,底层为硫酸钡。而比例为25:75的混合液形成了稳定、单一相。同样,这与参照物CaCl2/SBM混合液的性质基本相同。

合成基泥浆基油配伍性测试

HDNZ与SBM的基油在室温条件下进行了配伍性测试,测试混合液比例(盐类:SBM基油)分别为25:75、50:50、75:25,混合液经剧烈搅拌混合均匀,之后静置24h。所有三种比例混合的液体在混合后均迅速分层,与预期结果一致。

与橡胶类物质配伍性测试

在HDNZ与橡胶类、热塑性物质的配伍性测试中,测试人员分别选取了相同密度的传统CaBr2/ZnBr2溶液和密度为14.1lb/gal的CABr2溶液进行对比。测试温度265℉,测试时长为30天,配伍性测试结果包括多种指标,如膨胀情况、硬度变化、50%模量和断裂伸长。测试结果显示,HDNZ的性能与传统的CaBr2/ZnBr2、CABr2溶液性能基本相同。

腐蚀性测试

HDNZ的腐蚀性测试包括多种管串材料,常规腐蚀测试采用了Q125合金,环境敏感破裂测试(EAC)选取了Q125、13Cr和15Cr等材质。

均匀腐蚀测试

HDNZ的常规腐蚀选取Q125材料,在相同密度下与常规的CaBr2/ZnBr2溶液进行对比。测试介质包括一种清洁溶液和一种添加了防腐蚀物质的溶液。

测试温度为265℉,测试时长分别为7、14、21天,测试结果与预期相同,常规的CaBr2/ZnBr2溶液腐蚀性更强,添加有防腐物质溶液的HDNZ体系腐蚀性最弱,清洁溶液HDNZ体系的腐蚀性居中。其中在21天的腐蚀测试中,添加了防腐蚀物质的HDNZ体系腐蚀率仅为0.17 mils/年。

环境敏感破裂(EAC)测试

EAC测试对象为Q125、13Cr和15Cr材料,测试在完全干燥条件下进行,温度265℉,时长30天,CO2压力30psi,N2压力1000psi。C型环和裂缝测试在高合金钢材料进行,拉伸测试采用Q125材料。

结果显示,13Cr、15Cr和Q125材料在HDNZ体系中测试后都没有发现裂缝,同时缝隙腐蚀也非常弱,基本可以忽略。

储层损害测试

在油藏的渗透率回归测试中,HDNZ的参照对象为具有相同密度的常规CaBr2/ZnBr2溶液。

测试对象为渗透率和矿物组成相同的岩心,在真空状态下,岩心吸附待测溶液至饱和,之后在1500psi压力下加热至265℉,岩心中的液体会逐渐流出,直至达到渗透率稳定状态。再向测试岩心内注入10倍体积的待测溶液,稳定60分钟,重复之前的升温过程,使岩心重新达到渗透率稳定状态。

测试结果与预期基本相同,CaBr2/ZnBr2溶液仅能恢复41%的渗透率,而HDNZ的恢复率达到60%,HDNZ的表现远远超过常规的完井液体系。

温度压力对HDNZ的影响

与所有纯净卤化物溶液相同,HDNZ溶液的密度随温度、压力的变化而变化。由于HDNZ的配比和处理及剂组成比较特别,那些适用于常规完井液热膨胀、压缩系数的API 13J2标准并不适用于HDNZ体系。TETRA针对HDNZ的井下密度变化建立了多个应用模型,实际测试证明这些
模型的准确性极高,与现场应用数据高度相符。

环保性评价

测试方法采用Static Sheen标准中的EPA Method 1617和Oil and Grease标准中的EPA Method 1664A方法。

Method 1617方法测试结果显示,HDNZ没有在水面形成大量彩色油膜;Method 1664A方法显示,HDNZ的油脂含量低于5mg/L,说明HDNZ符合NPDES标准以及NPDES第四部分对于产出水中油脂含量的要求。同时,测试还证实HDNZ不含Clean Water Act第307章、40 CFR 401.1标准中提到的污染物质,完全满足EPA NPDES 第6部分对于环境污染物质的要求。

根据EPA-821-R-02-014方法进行毒性测试,时长7天,测试对象为HDNZ和密度为14.1lb/gal的CaBr2溶液。结果显示,两种体系的毒性并没有明显差异。此外,HDNZ还通过了北海环境评级的最高应用标准。

现场测试

在2015年2~10月间研发人员分别在墨西哥湾的两口井中进行了HDNZ的应用测试。该区域的平均水深超过7000ft,泥浆温度约为40℉,井底温度(BHT)约为265℉,地层压力21000psi。

密度变化情况

通过添加CaBr2,HDNZ体系的表面密度保持在14.5lb/gal左右,最高值为15.1lb/gal。由于体系的卤化物含量较高,所以吸湿现象比较严重,测试过程中需要频繁添加加重材料。

测试结果表明,HDNZ体系的井下密度与预期相符,保持在14.49lb/gal的理想状态。

结晶温度影响

在整个测试过程中,HDNZ的结晶温度(TCT和PCT)非常稳定,与预期相符。在压力15000psi情况下,HDNZ体系能够始终保持PCT为30℉、TCT在6~9℉之间的状态,因而可以降低作业过程中的维保费用。

配伍性

在现场测试中,HDNZ表现出了极好的配伍性,没有发现与地层流体不兼容的问题。当HDNZ与地层流体接触时,仅有少量NaCl析出,只需要常规的过滤操作即可,对整个作业没有影响。

HDNZ与钻井液体系的配伍性与常规的CaBr2体系一致,同时有效驱替作用也对HDNZ的配伍性起到了优化作用,现场测试所用驱替体系与常规驱替体系类似。

与控制管线的配伍性测试结果表明,在相同条件下,HDNZ的配伍性与常规的CaBr2体系基本相同。

最后,HDNZ与橡胶、热塑性物质的配伍性良好,没有出现相关问题。在长达175天的测试中,HDNZ都表现出了极强的适应性。

腐蚀性

在BHT为250℉、265℉时,HDNZ引起Q125、13Cr、15Cr材料的结垢、腐蚀、应力断裂腐蚀(SCC)等问题。

热稳定性

在BHT为265℉及高温射孔作业中,HDNZ都没有分解,热稳定性较好。

可用性

可用性,即包括常规完井液添加剂在HDNZ体系中的实用性及其临界性质的考察。在现场测试中,测试人员对HDNZ体系的多个参数进行了监测,包括过滤、驱替体系、携屑、滤失、粘度和摩阻等。

HDNZ体系的粘度和摩擦性质与设计标准非常吻合,使用中非常稳定。驱替体系的聚合物体系、完井液滤失控制以及粘度、携屑等参数均符合现场测试产量、生产时间、热稳定性和可用性标准。在测试中,HDNZ作为驱替体系的一部分使用,且表现良好,没有发现与其它组分的配伍性问题,所有测试结果均满足测试要求。

测试中还使用了高流量、高处理能力的过滤体系,其中流率、固体停留时间和过滤效果均达到预期要求。过滤过程对HDNZ体系的工作特性没有造成影响,也没有影响HDNZ中吸油物质的性质。

环境因素

HDNZ是一种环境友好体系,满足所有HSE要求,完全符合墨西哥湾的环保法规要求。

现场测试总结

现场测试过程中,发现了几点非常重要的注意事项。HDNZ体系非常稳定,可在工作支持船上储存6周以上,而密度等性质不会发生变化。在泵送过程中,首先泵送20000ft的HDNZ到井口,然后再泵输7000ft通过立管,整个过程密度没有变化,结晶温度没有受到影响。在整个测试过程中,HDNZ的工作温度、压力变化很大,但是其性质没有受到影响。

在所有测试条件下,HDNZ体系满足所有结晶温度要求,其中包括温度在40℉以下、压力在14000psi以上的BOP测试。

结论

实验室测试结果显示,新型高密度、无锌、无固相颗粒完井液HDNZ能够满足超深水作业的完井液密度要求(14.5~15.4lb/gal),相对于常规卤化物、甲酸盐完井液体系,HDNZ作业性能更强。

HDNZ的现场应用测试证明了实验室测试结果,HDNZ是一种非常稳定、耐用的完井液,完全可以代替常规完井液体系使用。

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评论 1

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