聚胺抑制防塌鉆井液的研究及其在川西地區(qū)的推廣應用

李堯,楊國興,樊志剛,王權(quán)陽(中石化西南石油工程有限公司)

王方博,王旭東,陳果 (鉆井工程研究院,四川德陽610000)

聚胺抑制防塌鉆井液的研究及其在川西地區(qū)的推廣應用

李堯,楊國興,樊志剛,王權(quán)陽(中石化西南石油工程有限公司)

王方博,王旭東,陳果 (鉆井工程研究院,四川德陽610000)

針對四川川西地區(qū)井壁失穩(wěn)的技術難題,參考強抑制性水基聚胺鉆井液體系研究及應用現(xiàn)狀,通過室內(nèi)試驗優(yōu)選出適合該地區(qū)的聚胺抑制防塌鉆井液體系,該體系具有良好的流變性、抑制性、抗溫性、防塌性,并以先導性試驗的方式在川西高廟4井、什邡115-1H井,石平2-1H井應用,取得了明顯的效果。截至2013年11月,已經(jīng)成功應用于122口井,基本解決了四川相關地區(qū)井下井壁失穩(wěn)技術難題。

聚胺類鉆井液;井壁穩(wěn)定;抑制防塌;川西地區(qū)

川西新場-孝泉構(gòu)造上部易垮塌地層為侏羅系沙溪廟、白田壩和千佛崖組,泥巖、砂巖互層頻繁,泥巖成分以伊利石、伊-蒙混層為主,伊利石長期水化易剝落,伊-蒙混層因膨脹系數(shù)不一致而崩散,均屬于硬脆性垮塌;而下部易垮塌地層為三疊系須家河組五段、三段,巖性為碳質(zhì)泥巖夾薄煤層、煤線,富含層理,微孔隙、裂隙發(fā)育。鉆探時鉆井液濾液進入地層,降低巖石表面的摩擦因數(shù),破壞巖石強度,出現(xiàn)垮塌掉塊,引起井內(nèi)阻卡等復雜情況。豐谷—高廟子構(gòu)造于侏羅系遂寧組至沙溪廟組,井壁失穩(wěn)嚴重,大段的軟泥巖在施工中已長期浸泡,容易吸水膨脹縮徑或掉塊;在該井段鉆進過程中,易引起鉆進困難、蹩跳嚴重、上提遇阻、下鉆困難、長井段劃眼、卡鉆等復雜情況;由于部分井段掉塊嚴重形成了 “大肚子”造成完鉆后測井遇阻,延長了地層浸泡時間,造成儲層污染,減少了開采率。川西馬井構(gòu)造地質(zhì)情況復雜,表層地層巖性疏松、含礫,地層承壓能力低,易漏、易塌、易卡是其主要特點;同時地層壓力敏感,壓力稍高則漏,稍低則出水,較難控制;流砂層、砂礫層、膠結(jié)性差,附加含水豐富,容易造成長井段跨塌,卡鉆,最嚴重的垮塌延續(xù)至井口,影響鉆機基礎和整個施工安全。四川地區(qū)川西區(qū)塊鉆井過程中井壁失穩(wěn)的問題,一直是制約勘探開發(fā)的瓶頸[1～3]。

聚胺抑制防塌鉆井液又稱高性能水基鉆井液,是陽離子鉆井液的新發(fā)展。聚胺抑制防塌劑 (JA-1)具有更高的抑制能力、防泥包能力等特點,其生物毒性低、與其他處理劑配伍性好。

1 聚胺抑制劑(JA-1)抑制機理探討

抑制黏土水化膨脹的途徑有3種,即離子交換、對黏土顆粒進行包被、降低黏土表面的親水性。鉀離子由于水化半徑較小,水化能較低,易進入黏土層間兩個氧六角環(huán)之間的空間交換出層間陽離子從而抑制黏土水化膨脹[4,5]。

采用的聚胺抑制劑(南化集團研究院),屬于低分子量 (相對分子質(zhì)量＜1000)類聚合物,其抑制機理是由于聚胺頁巖抑制劑的胺基氮原子具有未共用電子對,能與質(zhì)子結(jié)合,因此當聚胺頁巖抑制劑溶解于水時,其會從水中奪取質(zhì)子,形成帶正電荷的銨正離子使水溶液呈弱堿性。其水解式如下:

質(zhì)子化的銨離子通過靜電作用中和黏土顆粒表面負電荷,降低黏土層間水化斥力,這種作用效果與鉀離子類似 (黏土顆粒的等電點一般為6～8),當體系的p H值大于等電點時,黏土顆粒的端面和表面均帶負電。低分子量聚胺分子在溶液中部分解離形成銨正離子,與黏土層間的無機陽離子形成化學勢差。在化學勢差的驅(qū)動下,聚胺進入黏土層間,質(zhì)子化銨離子通過離子交換作用,置換出無機水化陽離子,降低黏土顆粒的Zeta電位,并且其分子中的胺基,與質(zhì)子結(jié)合后生成兩個銨正離子,分別吸附在相鄰的黏土片層上并將黏土片層束縛在一起。因此聚胺在黏土表面的吸附是一個不可逆的過程,不易被其他離子交換解吸。靜電引力和氫鍵二者共同作用降低黏土層間水化斥力,將黏土片層束縛在一起,并排擠出部分層間吸附水,減弱黏土水化。聚胺抑制防塌劑在黏土顆粒表面形成單層吸附后,聚胺抑制防塌劑分子鏈上的疏水基團部分覆蓋在黏土表面,改變了黏土表面的結(jié)構(gòu),使黏土親水性減弱,疏水性增強,阻止水分子進入,進一步抑制黏土水化膨脹。

2 聚胺抑制防塌鉆井液體系室內(nèi)研究

2.1 鉆井液配方的確定

在現(xiàn)有川西地區(qū)使用的鉆井液體系的基礎上,室內(nèi)進行聚胺抑制防塌劑與川西高密度防塌鉆井液體系的配伍性試驗。在引入聚胺防塌抑制劑 (JA-1)的基礎上保證高密度、高溫條件下鉆井液體系的穩(wěn)定性。選用KCl、JHC、CaO及聚胺抑制防塌劑作為強抑制性鉆井液體系的抑制劑,PCL、DR-8作為降濾失劑,SDJ-2、GRL-1作為封堵劑,采用重晶石進行加重。室內(nèi)優(yōu)化后得到配方:2%膨潤土+5% DR-8+0.4%PCL+2%JHC+2%SDJ-2+3%GRL-1+5%KCl+0.4%CaO+0.8%JA-1+重晶石(配方中百分數(shù)為質(zhì)量分數(shù))。

2.2 鉆井液性能評價

2.2.1 流變性

室內(nèi)按照上述配方配制聚胺抑制防塌鉆井液體系并加重至1.75g/cm3,在135℃×16h老化條件下采用重晶石逐步提高密度至2.20g/cm3,考察聚胺對鉆井液流變性能及濾失性的影響(表1),同時記錄泥餅厚度,對泥餅質(zhì)量進行描述(表2、圖1)。

表1 不同密度鉆井液流變性及失水性影響

表2 不同密度鉆井液體系老化后泥餅測試

由表1可以看出,JA-1在體系中的加入會略提高鉆井液體系的塑性黏度及動切力,對初切力和終切力基本無影響。隨著密度的提高,聚胺抑制防塌劑JA-1與高密度體系具備良好的配伍性能。從表2、圖1泥餅厚度及泥餅質(zhì)量情況可以看出,聚胺抑制劑的加入對泥餅厚度無明顯影響,但是對泥餅質(zhì)量有明顯的改善作用,同時能夠增強泥餅的韌性。根據(jù)聚胺抑制處理劑的抑制機理分析認為,聚胺抑制防塌劑吸附在黏土顆粒表面后,其疏水基團部分覆蓋在黏土表面,改變了黏土表面的結(jié)構(gòu),使得高密度條件下的鉆井液體系泥餅質(zhì)量得到明顯改善。

2.2.2 抑制性

參考SY/T 6335—1997標準[6]得出不同密度條件下,加入聚胺抑制防塌劑JA-1前后鉆井液體系線性膨脹率;采用川西地區(qū)易坍塌地層沙溪廟—千佛崖組鉆屑,參考SY/T 5613—2000標準[7],室內(nèi)評價選用鉆屑在不同密度條件下加入聚胺抑制防塌劑JA-1前后鉆井液體系滾動回收率,所得鉆井液體系抑制性結(jié)果如表3所示,聚胺防塌抑制劑JA-1的加入,線性膨脹率都降低了3%左右,滾動回收率無明顯變化。分析認為,原有的鉀石灰體系抑制性能已經(jīng)比較強,滾動回收率達到了99%左右,此時滾動回收率的評價不能良好地反映出聚胺抑制防塌劑的加入對體系抑制性能的影響,而且鉆井液密度的變化對體系的抑制性影響較小。

鉆井液體系密度為1.75g/cm3條件下,在基漿中分別加入聚胺抑制防塌劑JA-1和KCl,進行抑制性能的分析對比,結(jié)果如表4所示,在基漿體系中加入KCl對抑制性能影響不大,而聚胺抑制劑的加入較好地提高了滾動回收率,降低了線性膨脹率,能夠明顯改善鉆井液體系的抑制性能。聚胺抑制防塌劑與KCl的復配試驗數(shù)據(jù)表明,二者具備較好的協(xié)同作用,能夠有效提高鉆井液體系的抑制性能。

圖1 不同密度老化前后泥餅質(zhì)量情況

表3 不同密度下鉆井液的抑制性能對比

表4 聚胺與KCl在體系中的抑制性分析

2.2.3 抗溫性

鉆井液體系密度為1.75g/cm3時,室內(nèi)對聚胺抑制防塌鉆井液體系的抗溫性能及高溫穩(wěn)定性能進行測定。

表5 聚胺抑制防塌體系的抗溫性能

從表5及圖2可以得出聚胺抑制防塌鉆井液體系在120、135℃條件下都具備良好的抗溫性能及高溫穩(wěn)定性,隨著溫度的升高及老化時間的延長,聚胺抑制防塌鉆井液體系高溫稠化作用較為明顯,濾失量明顯升高,而150℃條件下聚胺抑制防塌鉆井液體系的抗溫性能開始變差。綜合分析,聚胺抑制防塌鉆井液體系在135℃條件下能夠很好地滿足現(xiàn)場鉆進要求。室內(nèi)試驗表明,該聚胺抑制防塌鉆井液體系配方性能較好,在高溫、高密度條件下均具備較強的抑制性能,能夠滿足現(xiàn)場施工的需要。

圖2 聚胺抑制防塌鉆井液體系高溫穩(wěn)定性

3 聚胺抑制防塌鉆井液技術在川西地區(qū)的推廣應用

聚胺抑制防塌鉆井液體系以先導性試驗的方式在川西地區(qū)現(xiàn)場應用,其中川西高廟4井、什邡115-1H井,石平2-1H井取得了明顯的效果。

3.1 在高廟4井的應用

高廟4井是西南油氣分公司布置在川西坳陷高廟子構(gòu)造東翼帶一口評價井,設計井深5230m,實際完鉆井深5188m。該井于2011年4月22日開鉆,鉆進井下阻卡現(xiàn)象嚴重,蹩跳鉆,劃眼時間長,從井下返出大量掉塊,井壁失穩(wěn)情況嚴重。鑒于高廟4井井壁失穩(wěn)情況,首次嘗試采用聚胺抑制防塌鉆井液體系。

設計采用鉀石灰聚磺防塌鉆井液體系,鉆井液初始密度為1.91g/cm3,KCl質(zhì)量分數(shù)為7%,但出套管鞋50m就出現(xiàn)大量的掉塊。將鉆井液密度提高到1.95g/cm3,增加封堵劑質(zhì)量分數(shù),但在鉆進過程中,垮塌掉塊依然嚴重。緩慢提高鉆井液密度,加強物理支撐,將密度提高至2.15g/cm3情況下仍不能滿足井下安全的需要,井下仍存在大量的掉塊,最大掉塊直徑達12cm,以棕紅色泥巖夾雜灰色砂巖為主,主要為沙溪廟組及千佛崖組垮塌物,起下鉆具因掉塊多,阻卡嚴重,鉆進時負荷大,扭矩大,常蹩停頂驅(qū)。在此期間加入質(zhì)量分數(shù)為1%的石墨粉,質(zhì)量分數(shù)為0.5%的超細碳酸鈣,補充FA-367、KCl及石灰,進一步加強鉆井液的抑制封堵性能,并保持鉆井液的p H值在10以上。調(diào)整鉆井液黏切,控制漏斗黏度在70～75s,動切力保持在20Pa以上,以加強鉆井液的攜砂能力。此時將鉀石灰聚磺防塌鉆井液體系轉(zhuǎn)化為聚胺抑制防塌鉆井液體系,同時嚴格監(jiān)測鉆井液性能變化及井下情況,轉(zhuǎn)化前后鉆井液性能如表6所示,聚胺抑制防塌鉆井液體系線性膨脹率及滾動回收率均有一定的提高,同時現(xiàn)場鉆井液成膜作用明顯,對泥餅質(zhì)量改善效果突出,中壓失水泥餅及高溫高壓失水泥餅質(zhì)量好,泥餅薄、韌而致密。該井轉(zhuǎn)換體系循環(huán)均勻后,短起下10柱一趟,井下正常,返出大量掉塊。起鉆換PDC鉆頭,起下鉆正常,后全井恢復正常鉆進。

表6 高廟4井轉(zhuǎn)換前后鉆井液體系性能對比

表7 高廟4井轉(zhuǎn)換前后鉆進情況對比

根據(jù)轉(zhuǎn)換前后鉆進情況對比 (表7)可以得出,高廟4井在轉(zhuǎn)換聚胺體系前,井下情況復雜,鉆井液密度高,井壁失穩(wěn)嚴重,影響現(xiàn)場正常鉆進,其中劃眼時間達253.7h,占總鉆進時間的33.9%,同時井下返出大量掉塊,在加強鉆井液處理、提高鉆井液密度至2.17g/cm3的情況下井壁失穩(wěn)情況依然嚴重。轉(zhuǎn)換為聚胺抑制防塌鉆井液體系后,井下情況明顯好轉(zhuǎn),鉆進正常,起下鉆情況正常,偶爾有劃眼情況出現(xiàn),其中劃眼時間僅僅只有20.8h,只占總鉆進時間的3.98%,高廟4井聚胺抑制防塌鉆井液體系的應用取得了明顯的成功。而在此后的鉆進過程中,井下穩(wěn)定正常,后因鉆遇良好油氣層顯示,鉆井液密度提高到2.24g/cm3,順利三開中完。三開鉆進中,因鉆井液一直高密度運行,鉆進進尺慢,2012年1月8日三開中完,施工時間近五個月,井下基本正常。

3.2 在什邡115-1H井的應用

什邡115-1H井是中石化西南分公司布置在川西坳陷德陽向斜北坡構(gòu)造的一口水平井。該井二開261～864m井段為造斜井段施工,鉆遇地層主要為劍門關組及蓬萊鎮(zhèn)組。劍門關組有大段泥巖,容易吸水膨脹縮徑或掉塊,穩(wěn)定性差,極易發(fā)生井壁掉塊和坍塌;蓬萊鎮(zhèn)組巖性以泥、砂巖為主,地層含有大段的軟泥,巖容易吸水膨脹縮徑或掉塊,實鉆中容易出現(xiàn)鉆頭泥包、縮徑等井下復雜情況。該井三開井段為長水平段小井眼,水平裸眼井段長達1260m,鉆遇地層為蓬萊鎮(zhèn)組,砂體薄,間隔存在紅色易水化泥巖,容易造成井壁失穩(wěn),產(chǎn)生縮徑、坍塌及掉塊,對鉆井液性能要求高,因此該井段采用聚胺抑制防塌鉆井液體系進行鉆進。

什邡115-1H井為川西地區(qū)第一口位垂比超過2.0的水平井,水平段長達1266.00m,水平位移1549.68m。A靶點垂深697.00m,B靶點垂深769.00m,位垂比達到了2.01,由于位垂比過大,在整個水平段泥漿接近井底時滑動鉆進摩阻達到了13～17t,完鉆后上提最大摩阻僅12～13t,下放最大摩阻約17～18t。該井自二開造斜之前(造斜點390m)開始采用聚胺抑制防塌鉆井液體系,性能參數(shù)見表8,該鉆井液體系在斜井段的應用解決了鉆遇的造斜段劍門關組和蓬萊鎮(zhèn)組強水敏性棕紅色泥巖的井壁失穩(wěn)技術難題,斜井段井眼暢通,起下鉆順利,無劃眼、遇阻情況發(fā)生。進入水平段后,由于環(huán)空返速低,裸眼井段較長,地層壓力較高,同時存在鉆遇蓬萊鎮(zhèn)組儲層砂巖夾泥巖層,采用固液協(xié)同降阻技術保持水平段鉆井液良好的潤滑性能,在最短的時間內(nèi)順利完成1266m水平段的鉆進。

表8 什邡115-1H井聚胺抑制防塌鉆井液體系性能

3.3 在石平2-1H井的應用

石平2-1H井是中石化西南油氣分公司布置在四川盆地柏椏構(gòu)造西北面金星場帶,下侏羅統(tǒng)大安寨組二段為主要目的層的一口開發(fā)評價井,設計完鉆井深4145m,實際完鉆井深3987m。該井三開水平段設計巖性主要以淺灰色介質(zhì)灰?guī)r為主,預計儲層厚度約3～6m,實鉆鉆遇地層儲層薄,實際厚度只有1m左右,同時鉆遇大量頁巖及頁巖灰?guī)r夾層,最薄處只有20cm。儲層主要集中段在3188.00～3462.00m、3525.00～3592.00m(垂深2973.00～2976.50m),3702～3974m巖性為薄層泥頁巖與薄層灰?guī)r互層為主,3702m前中途多次穿入泥頁巖,在水平段泥頁巖極易產(chǎn)生掉塊、坍塌,增加鉆井液的難度及維護成本。實鉆儲層介屑灰?guī)r341m,非儲層易失穩(wěn),黑色頁巖段長達520.9m。因?qū)嶋H儲層薄,軌跡控制難度增大,實鉆中找不到灰?guī)r,水平段主動調(diào)整井眼軌跡6次;地層增斜困難,降斜容易,不能很好地穩(wěn)斜鉆進,每復合5～8m要滑動定向5m來主動調(diào)整井眼軌跡,以便鉆遇灰?guī)r,這使井眼軌跡多處呈波浪形;因經(jīng)常鉆出儲層,灰?guī)r頁巖交錯,兩種巖性的不均一性,形成多處臺階,極易造成井下復雜。

石平2-1H井三開水平段采用聚胺抑制防塌鉆井液體系,鉆井液性能見表9,整個三開井段在加強物理支撐的前提下,充分發(fā)揮了聚胺抑制防塌鉆井液體系的抑制防塌性能,同時加強體系的封堵性能,在800多米的水平段鉆進中,間斷鉆遇長達520.9m易于井壁失穩(wěn)的黑色頁巖,保持了該井水平段的井壁穩(wěn)定,創(chuàng)造了川內(nèi)水基鉆井液體系成功鉆穿頁巖最長記錄。

表9 石平2-1H井三開實鉆鉆井液性能

4 經(jīng)濟效益與社會效益

1)解決了川西區(qū)塊馬井、新場、高廟等區(qū)塊的井壁失穩(wěn)技術難題,顯著降低了井下復雜事故發(fā)生率,大大縮短了鉆井周期,為進一步加速西南油氣田勘探開發(fā)積累了經(jīng)驗。2011～2012年推廣性先導試驗應用了高廟4井、什邡115-1H井等7口井累計節(jié)約鉆井周期124d,節(jié)省鉆井成本超過1000余萬元。

2)至2013年10月,該體系已在西南油氣田二開制水平井、定向井中應用了77口,三開制水平井、定向井中應用了45口,3年時間共計工業(yè)化投產(chǎn)122口井。

5 結(jié)論與建議

1)聚胺抑制防塌鉆井液體系成膜作用明顯,能夠顯著改善泥餅質(zhì)量,降低濾液滲入井壁,提高鉆井液體系的抑制能力,保持井壁穩(wěn)定。

2)聚胺抑制防塌鉆井液體系抑制性好,能夠解決中石化四川部分油區(qū)井壁失穩(wěn)技術難題,已經(jīng)于中石化四川工區(qū)推廣應用,具有較好的推廣應用前景。

3)關于聚胺抑制防塌鉆井液體系的協(xié)同抑制機理及聚胺抑制防塌劑JA-1對鉆井液體系抑制性能提高的評價方法需進一步探討。

[1]張克勤,何綸,安淑房,等.國外高性能水基鉆井液介紹[J].鉆井液與完井液,2007,24(3):68～73.

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[6]SY/T 6335—1997,鉆井液用頁巖抑制劑評價方法[S].

[7]SY/T 5613—2000,泥頁巖理化性能試驗方法[S].

[編輯] 帥群

TE254

A

1000-9752(2014)12-0137-06

2014-06-17

李堯(1983-),男,2006年大學畢業(yè),碩士,工程師,現(xiàn)主要從事鉆井液技術研究工作。