油基鉆井液在南海西部油氣田復(fù)雜區(qū)塊鉆井中的應(yīng)用

陳浩東，張 勇，黃 熠，邵詩(shī)軍，鹿傳世

(中海石油〈中國(guó)〉有限公司湛江分公司，廣東 湛江524057)

1 概述

盡管水基鉆井液體系最為廣泛地應(yīng)用于世界各地的鉆井作業(yè)中，然而在泥頁(yè)巖的抑制性、高溫高壓穩(wěn)定性以及老油氣田超低壓地層鉆進(jìn)等方面依然存在著難以克服的劣勢(shì)。我公司在北部灣盆地易坍塌區(qū)塊、鶯瓊盆地高溫高壓區(qū)塊以及崖城氣田高溫超低壓調(diào)整井三類(lèi)高難度井中針對(duì)不同區(qū)塊特點(diǎn)采用了相應(yīng)的油基鉆井體系，成功克服了各類(lèi)工程難題，應(yīng)用效果顯著，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

油基鉆井液以油為連續(xù)相，分為全油鉆井液體系和油包水鉆井液體系兩大類(lèi)，習(xí)慣上以5%的含水量作為兩類(lèi)鉆井液的分界點(diǎn)，南海西部油氣田普遍采用油包水油基鉆井液體系。相比于水基鉆井液，油基鉆井液主要具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)設(shè)計(jì)和維護(hù)簡(jiǎn)單;(2)流變性好，易于控制;(3)潤(rùn)滑性好，摩阻和扭矩低;(4)固相容納能力大，塑性粘度低;(5)儲(chǔ)層保護(hù)性能好;(6)抗高溫，熱穩(wěn)定性好。

在南海西部油氣田，對(duì)油基鉆井液鉆井期間產(chǎn)生的含油鉆屑，根據(jù)國(guó)家相關(guān)環(huán)保法規(guī)，一、二級(jí)海域施行巖屑回收，達(dá)到含油鉆屑“零排放”目標(biāo);在三級(jí)海域?qū)豌@屑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，施行“含油鉆屑控制排放”技術(shù)。

2 北部灣盆地易坍塌地層鉆井

2.1鉆井液難點(diǎn)分析

北部灣盆地潿西南凹陷的潿二段灰色泥頁(yè)巖層理和微裂縫較發(fā)育、坍塌應(yīng)力較大，坍塌嚴(yán)重，給鉆井工程帶來(lái)很大的障礙。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)80年代與法國(guó)道達(dá)爾公司合作開(kāi)發(fā)的潿洲10－3油田，因井壁失穩(wěn)而造成的井眼事故率高達(dá)72.73%;20世紀(jì)末開(kāi)發(fā)的潿洲12－1油田，因井壁失穩(wěn)造成的井眼事故率高達(dá)62.5%。

潿洲12－1油田潿二段地層巖性：上部灰色泥巖含粉砂;下部為大段褐灰色泥巖，質(zhì)純，性硬，層理和微裂縫較發(fā)育，易水化，為易垮塌層段。潿二段硬脆性泥頁(yè)巖浸泡試驗(yàn)見(jiàn)圖1，經(jīng)清水浸泡10 min后，巖石分散情況嚴(yán)重。從掃描電鏡圖片(圖2)來(lái)看，硬脆性泥頁(yè)巖微裂縫相當(dāng)發(fā)育。

圖1 潿洲12－1油田潿二段硬脆性泥頁(yè)巖浸泡試驗(yàn)圖

圖2 潿洲12－1油田潿二段硬脆性泥頁(yè)巖掃描電鏡照片

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，潿二段硬脆性泥頁(yè)巖坍塌機(jī)理可以分為2步。首先是鉆井液濾液沿微裂縫的侵入，若侵入的濾液為水基鉆井液，隨之而來(lái)的是巖石中的水敏性礦物水化膨脹，造成井壁巖石的剝落。針對(duì)北部灣盆地易坍塌地層坍塌機(jī)理的研究，在后期的鉆井過(guò)程中選用了強(qiáng)封堵型油包水油基鉆井液體系PDF－MOM。

2.2 PDF－MOM油基鉆井液體系

2.2.1 體系配方

白油+主乳化劑+輔助乳化劑+有機(jī)粘土+降濾失劑+潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑+生石灰+封堵性材料+CaCl2+水+重晶石。

2.2.2 基本性能和特性評(píng)價(jià)

PDF－MOM油基鉆井液體系的性能見(jiàn)表1。

PDF－MOM油基鉆井液體系與常用防塌鉆井液泥餅濾失速率比較結(jié)果見(jiàn)圖3?？梢钥闯觯谙嗤瑮l件下，該體系的泥餅濾失速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常用的水基防塌鉆井液。

硬脆性泥頁(yè)巖在不同鉆井液濾液中的高溫高壓膨脹率見(jiàn)圖4，顯而易見(jiàn)PDF－MOM體系的高溫高壓膨脹率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常用防塌水基鉆井液。

表1 潿洲12－1油田北塊PDF－MOM體系性能

圖3 PDF－MOM體系泥餅濾失速率與常用水基防塌鉆井液的對(duì)比

圖4 硬脆性泥頁(yè)巖在不同鉆井液濾液中的高溫高壓膨脹率

2.2.3 維護(hù)要點(diǎn)

(1)補(bǔ)充PF－MOWET潤(rùn)濕劑以滿(mǎn)足其消耗;用PF－MOEMUL和PF－MOCOAT控制鉆井液的乳化性;用PF－MOTEX降低失水，結(jié)合使用PF－QS2改善泥餅質(zhì)量，提高封堵性能。

(2)根據(jù)鉆前預(yù)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，維持鉆井液密度在井壁坍塌應(yīng)力當(dāng)量密度以上。

(3)維護(hù)油基鉆井液具有良好的乳化穩(wěn)定性，保持較高的電穩(wěn)定性，保證API高溫高壓濾液全部為油相，維持相對(duì)較高的泥頁(yè)巖抑制性。

(4)控制API高溫高壓失水，并在進(jìn)入潿二段前加入封堵型材料PF－QS2，阻止壓力傳遞，有效支撐井壁。

(5)用CaCl2維護(hù)鉆井液的活度，進(jìn)一步提高油基鉆井液的抑制性和減少固相水化。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

北部灣盆地潿二段油基鉆井液的使用，本質(zhì)上是在滿(mǎn)足一定密度要求的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)抑制性、強(qiáng)封堵性的物理化學(xué)方法試圖對(duì)井壁穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行解決。通過(guò)潿洲12－1油田北塊及其周邊油田的鉆井作業(yè)情況看，事故率下降到10%以下，未出現(xiàn)嚴(yán)重的井眼垮塌或卡鉆問(wèn)題，該油基鉆井液體系的選擇是解決北部灣盆地易坍塌地層鉆井難題的重要手段。

3 鶯瓊盆地高溫高壓鉆井

3.1 鉆井液難點(diǎn)分析

中國(guó)南海的鶯瓊盆地是和美國(guó)墨西哥灣、英國(guó)北海并列的世界海上3大高溫高壓鉆井區(qū)域，實(shí)鉆最高井底溫度249℃，最大鉆井液密度2.38 g/cm3。

鶯瓊盆地的高溫高壓井具有的特點(diǎn)包括：(1)壓力臺(tái)階多，地層當(dāng)量壓力與孔隙當(dāng)量壓力接近，壓力窗口窄;(2)高壓層段壓力很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè);(3)壓力過(guò)渡帶小甚至沒(méi)有，常壓段直接進(jìn)入高壓段;(4)高溫高壓井段長(zhǎng)，溫度和壓力高;(5)距離遠(yuǎn)，后勤支持運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)，海況惡劣。

目前，國(guó)內(nèi)普遍使用的水基鉆井液體系抗溫能力在210℃以?xún)?nèi)。高溫對(duì)水基鉆井液的性能影響非常顯著，隨著溫度的升高，將不得不面對(duì)性能惡化、熱穩(wěn)定性降低及處理劑失效等諸多風(fēng)險(xiǎn)。

相比水基鉆井液，在高溫高壓井作業(yè)中，油基鉆井液具有顯著優(yōu)勢(shì)，VERSACLEAN HT油基鉆井液體系最高密度可達(dá)2.4 g/cm3，最高可承受250℃的井底溫度。

3.2 VERSACLEAN HT高溫油基鉆井液體系

3.2.1 體系配方

白油+主乳化劑+輔助乳化劑+高溫有機(jī)膨潤(rùn)土+潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑+高溫降濾失劑+生石灰+CaCl2+水+鐵礦粉。

3.2.2 基本性能和特性評(píng)價(jià)

VERSACLEAN HT高溫油基鉆井液體系的基本性能見(jiàn)表2，在鉆井液密度最高為2.24 g/cm3、最高溫度為220℃的條件下，老化后的性能依然穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足鉆井工程需要，說(shuō)明該體系具有良好的抗溫性能。

表2 VERSACLEAN HT高溫油基鉆井液體系基本性能

3.2.3 維護(hù)要點(diǎn)

(1)補(bǔ)充VERSAWET潤(rùn)濕劑以滿(mǎn)足其消耗;用VERSAMUL和VERSACOAT控制鉆井液的乳化性;用ECOTROL和VERSATROL降低高溫高壓失水，并結(jié)合使用SOLTEX改善泥餅質(zhì)量。

(2)自始至終保持較低端的流變性數(shù)值，補(bǔ)充體系中必需的自由水。

(3)保持較高油水比，新漿采用鐵礦粉加重。(4)保證加重材料不沉淀的前提下，保持較低的膨潤(rùn)土含量，粘切盡量低。

(5)維持鉆井液中有適量的多余石灰，保持乳化液的高溫穩(wěn)定性和防止電解質(zhì)發(fā)生電離，并為乳化劑和其它處理劑提供適當(dāng)?shù)膲A性環(huán)境。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

LD22－1－7井應(yīng)用了VERSACLEAN HT高溫高壓油包水油基鉆井液體系，該體系維護(hù)簡(jiǎn)便。維持較好鉆井液流變性的關(guān)鍵在于控制高固相含量并維持較低的膨潤(rùn)土含量。LD22－1－7井最大井底溫度207℃，最高鉆井液密度2.24 g/cm3，鉆井液在長(zhǎng)時(shí)間的鉆井過(guò)程中性能一直保持平穩(wěn)。鉆井實(shí)踐表明，該體系是一套優(yōu)良的高溫高壓鉆井液體系。

4 崖城13－1氣田高溫低壓調(diào)整井鉆井

4.1 鉆井液難點(diǎn)分析

崖城13－1氣田位于南海西部海域鶯瓊盆地，生產(chǎn)已超過(guò)10年，部分生產(chǎn)井井底壓力系數(shù)已降低至0.49左右，因氣藏埋藏深度較深，井底溫度高達(dá)176℃。A12Sa井實(shí)鉆儲(chǔ)層壓力系數(shù)僅為0.44，井底溫度170℃，井深5682 m，對(duì)鉆井液的高溫穩(wěn)定性、封堵性能和儲(chǔ)層保護(hù)性能都具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

4.2 VERSACLAN高溫低壓基鉆井液體系

4.2.1 體系配方

白油+主乳化劑+輔助乳化劑+高溫有機(jī)膨潤(rùn)土+潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑+高溫降濾失劑+石墨質(zhì)高溫降失水劑+纖維素高溫高壓降失水劑+混合大理石粉封堵劑+CaCl2+水+重晶石。

4.2.2 基本性能和特性評(píng)價(jià)

崖城13－1－A12Sa井徑152.4 mm井段油基鉆井液基本性能見(jiàn)表3，使用白油作為基油的油基鉆井液相比水基鉆井液，能夠最大限度地降低鉆井液密度，降低低壓儲(chǔ)層漏失風(fēng)險(xiǎn)，φ152.4 mm井段油基鉆井液密度0.96～0.99 g/cm3。

該體系油基鉆井液侵入和漏失程度測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。低滲巖心7號(hào)在160℃高溫和25 MPa壓力侵污3 h后進(jìn)行氮?dú)夥蹬?，加壓小? MPa即有氣體從出口放出，說(shuō)明臨界返排壓力很低，返排成功。從滲透率變化來(lái)看，除了3號(hào)巖心因?yàn)橛盟鳛轵?qū)替返排可能造成滲透率下降較多外，其他巖心在油基鉆井液侵污和高壓返排后的滲透率恢復(fù)值都比較高，均在80%左右，甚至達(dá)到90%以上。

表3 崖城13－1－A12Sa井φ152.4 mm井段鉆井液基本性能

表4 油基鉆井液侵入和漏失程度測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2.3 維護(hù)要點(diǎn)

(1)在保證井眼穩(wěn)定情況下，泥漿密度盡量走下限，降低壓差。

(2)泥漿流變性在滿(mǎn)足井眼凈化前提下，鉆井液密度盡量走下限;控制ROP，減小環(huán)空巖屑濃度，以獲得較低的ECD值，預(yù)防漏失。

(3)鉆入產(chǎn)層前，加入2%G－Seal和2%CaCO3(Carb20/40)，保證鉆井液具有良好的封堵性能。

(4)進(jìn)入產(chǎn)層后，按比例不斷加入Carb250、GSeal和Vinseal等材料加強(qiáng)鉆井液封堵性能。

(5)嚴(yán)格控制失水，控制低固相含量。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

根據(jù)投產(chǎn)后測(cè)得的地層壓力為0.47 g/cm3，與0.99 g/cm3的鉆井液密度差為0.52 g/cm3，對(duì)應(yīng)壓差高達(dá)18.9 MPa。但在鉆完井的過(guò)程中，未出現(xiàn)過(guò)任何井下漏失和壓差卡鉆現(xiàn)象，說(shuō)明采取的封堵性效果明顯;完井返排啟動(dòng)壓力＜2 MPa，投產(chǎn)氣產(chǎn)量為40萬(wàn)m3/d，遠(yuǎn)超過(guò)了ODP配產(chǎn)設(shè)計(jì)的28.6萬(wàn)m3/d的預(yù)期，說(shuō)明鉆井液對(duì)儲(chǔ)層無(wú)損害或損害很小，保護(hù)效果良好。

5 含油鉆屑處理方法

根據(jù)最新發(fā)布的《中華人民共和國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)法》，油基泥漿必須全部回收，一級(jí)海區(qū)含油鉆屑排放標(biāo)準(zhǔn)為低于1%(質(zhì)量)，二級(jí)海區(qū)含油鉆屑排放標(biāo)準(zhǔn)為低于3%，三級(jí)海區(qū)含油鉆屑排放標(biāo)準(zhǔn)為低于8%。

根據(jù)相關(guān)海域劃分的標(biāo)準(zhǔn)，北部灣海域礦區(qū)屬于一級(jí)海域，鶯瓊盆地海域礦區(qū)屬于三級(jí)海域。為滿(mǎn)足國(guó)家環(huán)保法規(guī)的要求，“鉆屑回收零排放技術(shù)”和“鉆屑控制排放技術(shù)”被分別應(yīng)用于2個(gè)海域的鉆完井作業(yè)中。

5.1 含油鉆屑回收零排放技術(shù)

“含油鉆屑回收零排放技術(shù)”主要應(yīng)用于國(guó)家規(guī)定的一、二級(jí)海域，它是將油基鉆井液鉆井產(chǎn)生的含油鉆屑全部回收并轉(zhuǎn)運(yùn)回陸地的技術(shù)。該技術(shù)的主要施工原理是(參見(jiàn)圖5)：振動(dòng)篩返出的篩上物通過(guò)無(wú)軸螺旋輸送機(jī)收集到緩沖罐內(nèi)，緩沖罐內(nèi)的含油鉆屑后經(jīng)LD675真空泵的泵送，進(jìn)入到鉆屑瀝干機(jī)內(nèi)進(jìn)行脫油處理并回收。離心機(jī)的排出固相通過(guò)導(dǎo)槽的物理輸送直接裝箱進(jìn)行收集轉(zhuǎn)運(yùn)。所有含油鉆屑裝入巖屑回收箱，進(jìn)而轉(zhuǎn)運(yùn)回陸地終端進(jìn)行處理。

圖5 潿洲11－1N油田開(kāi)發(fā)井含油巖屑回收系統(tǒng)示意圖

5.2 含油鉆屑控制排放技術(shù)

針對(duì)在崖城13－1氣田等三級(jí)海域進(jìn)行的油基泥漿鉆井作業(yè)，作業(yè)點(diǎn)遠(yuǎn)離基地，直接回收費(fèi)用十分高昂，一般采取“含油鉆屑控制排放技術(shù)”。該流程處理含油鉆屑分為2個(gè)部分(參見(jiàn)圖6)。

第一部分，來(lái)自上游固控設(shè)備(比如振動(dòng)篩)的含油鉆屑，通過(guò)無(wú)軸螺旋輸送機(jī)的輸送作用，進(jìn)入到巖屑干燥機(jī)內(nèi)進(jìn)行固液分離。經(jīng)過(guò)巖屑干燥機(jī)處理，分離出的固相經(jīng)檢驗(yàn)合格后排海;巖屑干燥機(jī)分離出的液相含砂量較高，不宜直接進(jìn)入鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，需通過(guò)干燥機(jī)自帶的供液泵輸送至離心機(jī)進(jìn)行下一級(jí)處理。第二部分，平臺(tái)離心機(jī)分離出的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的超細(xì)固相被集中收集于集料箱，待LD60容積式真空泵進(jìn)一步輸送至巖屑箱，并返回陸地處理。

圖6 崖城13－1氣田調(diào)整井含油鉆屑控制排放系統(tǒng)示意圖

6 結(jié)論

(1)強(qiáng)封堵型油基鉆井液PDF－MOM體系對(duì)水敏性泥頁(yè)巖具有很強(qiáng)的抑制性，對(duì)層理和微裂縫發(fā)育的地層具有較強(qiáng)的封堵性，配合足夠的鉆井液密度，該體系的應(yīng)用大大減少了北部灣盆地易坍塌地層鉆井中的復(fù)雜情況和事故。

(2)高溫高壓型油基鉆井液VERSACLEAN HT體系具有很強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性，很高的泥頁(yè)巖抑制性，采用鐵礦粉加重，在高密度條件下流變性更易于控制，具有水基鉆井液體系不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在鶯瓊盆地高溫高壓井的成功鉆探中起到了重要作用。

(3)高溫低壓型油基鉆井液VERSACLEAN體系可以達(dá)到較低的鉆井液密度，結(jié)合選用正確的封堵材料，能夠獲得良好的封堵效果，可以克服高壓差鉆井中的井漏、壓差卡鉆、儲(chǔ)層損害等風(fēng)險(xiǎn)，是崖城13－1氣田高溫超低壓調(diào)整井鉆井順利進(jìn)行的重要保障。

(4)“含油鉆屑回收零排放技術(shù)”和“含油鉆屑控制排放技術(shù)”的應(yīng)用，解決了油基鉆井液環(huán)境污染的問(wèn)題，為高難度井應(yīng)用油基或合成基鉆井液創(chuàng)造了條件。

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