臨56區(qū)塊鉆井液配方優(yōu)化及應(yīng)用

邱春陽，王 俊，秦 濤，溫守云，張海青

(中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東 東營 257064)

臨56區(qū)塊位于大蘆家構(gòu)造東北部，主要目的層為沙二段，沙二段整體上是一個受臨邑大斷層控制的逆牽引背斜構(gòu)造，油藏埋深2 930～3 450 m，含油面積0.67 km2，地質(zhì)儲量78.0×104t。臨56區(qū)塊生產(chǎn)井都是二開制定向井，一開使用Φ444.5mm鉆頭鉆深約350m，下入Φ339.7mm表層套管;二開使用Φ215.9 mm鉆頭開鉆，在2 000m左右造斜，井深約3 500m完鉆，下入Φ139.7mm油層套管完井，井底井斜近35°，水平位移大約700 m。前期鉆進(jìn)過程中，使用聚合物防塌鉆井液體系施工，由于鉆井液性能和地層不匹配，井壁失穩(wěn)情況時有發(fā)生，具體表現(xiàn)形式是二開長裸眼段上部起下鉆遇阻嚴(yán)重，下部沙河街組地層坍塌，嚴(yán)重制約臨56區(qū)塊的開發(fā)進(jìn)程。通過對主要處理劑進(jìn)行優(yōu)選，對現(xiàn)用鉆井液配方進(jìn)行了優(yōu)化，研發(fā)了聚胺強抑制防塌鉆井液，現(xiàn)場應(yīng)用后，取得了良好的應(yīng)用效果，為臨56區(qū)塊安全及高效鉆井提供了有力的技術(shù)保障。

1 鉆井液技術(shù)難點

1)明化鎮(zhèn)組至東營組地層沉積較厚，泥巖極易水化膨脹縮徑;砂巖井段滲透性強，易形成“小井眼”，施工中起下鉆遇阻嚴(yán)重。

2)沙河街組地層層理性強，濾液在壓差下容易侵入到地層中，引起地層中的粘土礦物水化，井壁易沿層理發(fā)生剝蝕掉塊;定向過程中上井壁懸空，僅靠鉆井液液柱壓力徑向支撐以平衡上覆地層壓力，極易造成井壁失穩(wěn)。

3)設(shè)計中在東營組造斜，由于地層較軟，工具面搖擺不定，導(dǎo)致定向軌跡差，造成局部井段“狗腿肚”過大，在起下鉆過程中容易形成鍵槽，導(dǎo)致起下鉆及電測遇阻;井斜30°～40°是形成巖屑床的臨界角度[1］，巖屑床的形成增加鉆井液的潤滑防卡的難度。

4)二開裸眼段長達(dá)3 000 m以上，地層上下巖性、壓力系數(shù)不同，鉆井液維護(hù)及處理情況不同，鉆井施工時間長，井壁穩(wěn)定難度大。

2 鉆井液體系配方優(yōu)化

臨56區(qū)塊現(xiàn)使用聚合物防塌鉆井液體系施工，配方(質(zhì)量體積百分?jǐn)?shù)，下同)如下:

(4～5)%膨潤土+(0.2～0.4)%NaOH+(0.2～0.5)%聚丙烯酰胺 PAM+(2～3)%銨鹽 +(2～4)%褐煤樹脂+(2～4)%瀝青防塌劑A+(2～3)%超細(xì)碳酸鈣+(3～5)%白油潤滑劑。

由于鉆井液體系的抑制性弱，不能有效抑制二開裸眼段上部強水敏性地層的水化膨脹，導(dǎo)致地層縮徑，造成起下鉆遇阻;體系使用超細(xì)碳酸鈣及瀝青防塌劑對地層進(jìn)行封堵，效果差，不能對沙河街地層層理性泥頁巖進(jìn)行有效封堵，導(dǎo)致施工中井壁出現(xiàn)掉塊，造成井塌。因此，對抑制劑和封堵劑進(jìn)行優(yōu)選。

2.1 抑制劑優(yōu)選

通過頁巖膨脹實驗對抑制劑進(jìn)行了優(yōu)選。實驗結(jié)果見表1。

表1 抑制劑優(yōu)選實驗

從表1可看出，有機胺抑制劑8 h頁巖膨脹高度最低，表明其抑制性最強。由于有機胺能夠嵌入粘土晶層之間，在泥頁巖上的吸附非常牢固，有利于井壁的長期穩(wěn)定。

2.2 封堵劑優(yōu)選

配制4%膨潤土作為基漿，加入3%的不同類型的封堵劑，同時加入2%的架橋粒子超細(xì)CaCO3，120℃ 下老化16 h，采用砂床濾失實驗及高溫高壓濾失實驗評價了各種封堵劑的封堵性能，結(jié)果見表2。

表2 封堵劑優(yōu)選實驗

表2中看出，現(xiàn)場使用的瀝青防塌劑封堵效果差;而加有納米乳液的鉆井液30 min中壓砂床侵入深度低，并且高溫高壓濾失量也很低，說明納米乳液能夠封堵地層微裂縫及孔隙，有利于井壁穩(wěn)定。另外，加有乳化瀝青的鉆井液封堵效果僅次于納米乳液，鉆進(jìn)中可考慮加入，以增強鉆井液體系的封堵效果。

2.3 優(yōu)化后鉆井液配方

通過鉆井液抑制劑和封堵劑優(yōu)選，優(yōu)化后聚胺強抑制防塌鉆井液體系配方為:

(4 ～5)%膨潤土 +(0.2 ～0.4)%NaOH+(0.2 ～0.5)%聚丙烯酰胺 PAM+(0.5 ～1.0)%有機胺抑制劑+(2～3)%銨鹽+(2～4)%褐煤樹脂+(2～3)%納米乳液+(2～3)%乳化瀝青+(2～3)%超細(xì)碳酸鈣+(3～5)%白油潤滑劑。

2.4 鉆井液體系作用機理

有機胺分子上含有多個獨立的胺基，可充填在粘土顆粒的晶層之間，把它們束縛在一起，有效地減少粘土的吸水傾向，其抑制作用具有長效性，抗沖刷能力強，保證鉆井作業(yè)結(jié)束后也具有長時間的抑制效果[2-4］;

納米乳液比表面積大，和粘土表面吸附性強;納米乳液呈正電性，可以中和粘土表面的負(fù)電性并排斥具有較厚水化膜的層間陽離子，使粘土表面的親水親油性發(fā)生改變，并且納米乳液彈性大，能夠變形擠入不同形狀的孔隙中，從而增強穩(wěn)定井壁的效果[5-6］。

乳化瀝青中的瀝青顆粒相互聚結(jié)，通過分子鏈與巖石表面進(jìn)行物理吸附，在井壁巖石表面形成一層牢固的瀝青薄膜，阻止濾液向地層滲透;乳化瀝青的軟化點在70～110℃之間，正壓差下，瀝青乳液顆粒變軟后能夠?qū)Σ煌畹貙舆M(jìn)行有效封堵，穩(wěn)定井壁[7-8］。

3 優(yōu)化后鉆井液性能評價

3.1 常規(guī)性能評價

聚胺強抑制防塌鉆井液體系常規(guī)性能見表3。

表3 鉆井液常規(guī)性能

從表3看出，加重前后聚胺強抑制防塌鉆井液流變性好，中壓濾失量低，能夠防止水敏性泥頁巖的水化分散;并且鉆井液體系的摩阻系數(shù)低，能夠降低長裸眼定向過程中產(chǎn)生的摩阻和扭矩。

3.2 抑制性能評價

通過頁巖線性膨脹和巖屑回收率實驗，評價優(yōu)化后聚胺強抑制防塌鉆井液體系的抑制性能，結(jié)果見表4。

表4 抑制性能評價

從表4看出，優(yōu)化后的聚胺強抑制防塌鉆井液體系的頁巖膨脹高度顯著低于優(yōu)化前聚合物防塌鉆井液體系，并且?guī)r屑回收率高達(dá)94%，表明聚胺強抑制防塌鉆井液體系抑制性強，能夠抑制易造漿地層泥巖的水化膨脹，有利于井壁穩(wěn)定。

3.3 封堵性能評價

實驗采用直徑為40～60目的石英砂作為過濾介質(zhì)，分別加入優(yōu)化前的聚合物防塌鉆井液和優(yōu)化后的聚胺強抑制防塌鉆井液，固定后加壓0.69 MPa，比較不同實驗介質(zhì)的封堵能力。結(jié)果見表5。

表5 封堵性能評價

從表5可看出，優(yōu)化后的聚胺強抑制防塌鉆井液封堵性能強于優(yōu)化前的聚合物防塌鉆井液體系。鉆井液體系優(yōu)化后，在加壓15 min和60 min后的砂床侵入深度明顯低于聚合物防塌鉆井液，并且砂床侵入深度相差不大，說明聚胺強抑制防塌鉆井液在壓差下能夠形成承壓封堵帶，封堵地層層理、孔隙及微細(xì)裂縫。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 施工工藝

聚胺強抑制防塌鉆井液在臨56區(qū)塊二開長裸眼井段應(yīng)用，施工中二開上部采用清水大循環(huán)鉆進(jìn)，進(jìn)入館陶組底部時走循環(huán)罐，按照配方低限加入各種處理劑，將鉆井液體系轉(zhuǎn)化為聚胺強抑制防塌鉆井液體系。鉆井液維護(hù)處理情況如下:

1)鉆進(jìn)中PAM含量達(dá)到0.4%，進(jìn)入沙河街組后PAM含量降低到0.2% ～0.3%;同時控制有機胺的含量在1%，保持體系的包被性和抑制性。

2)漏斗粘度控制在45 s左右，適當(dāng)沖刷井壁，防止在砂巖段井壁形成虛厚泥餅;造斜后提高到55 s左右;進(jìn)入沙河街組提高到60 s，動塑比控制在0.3～0.4 Pa/(mPa·s)，護(hù)壁防塌并提高井眼的凈化能力。

3)開鉆時密度控制在設(shè)計下限，造斜后根據(jù)地層壓力監(jiān)測情況及井眼返砂情況及時調(diào)整，完井時密度保持在設(shè)計上限，通過力學(xué)支撐保持井壁穩(wěn)定。

4)直井段中壓濾失量逐漸控制在6～8 mL;造斜后中壓濾失量降低至5 mL以內(nèi);沙河街組中壓濾失量降低至3 mL，防止泥頁巖吸水膨脹，保持井壁穩(wěn)定。

5)鉆至沙河街組前，加入2%納米乳液和3%乳化瀝青，配合2%超細(xì)碳酸鈣，封堵地層層理、孔隙和微裂縫，防止地層剝蝕掉塊。

6)造斜前，加入2%白油潤滑劑;造斜后，根據(jù)工程摩阻和扭矩的變化情況適當(dāng)增加白油潤滑劑的含量，保持定向施工順利進(jìn)行，防止產(chǎn)生“拖壓”現(xiàn)象。

7)施工中使用好固控設(shè)備，篩布使用120目，除砂器和除泥器使用率達(dá)到100%，間斷開啟離心機，降低鉆井液中的劣質(zhì)固相。

8)每鉆進(jìn)200 m或24 h內(nèi)短起下鉆一次，PDC鉆頭不超過24 h，下鉆到底后充分循環(huán)，凈化井眼。

9)完鉆后，充分循環(huán)，待振動篩無返砂后，用2%塑料小球和1%白油潤滑劑配制封井漿封井，保證電測及下套管順利。

4.2 應(yīng)用效果

聚胺強抑制防塌鉆井液在臨56區(qū)塊施工4口井，現(xiàn)場應(yīng)用表明，聚胺強抑制防塌鉆井液抑制性好，封堵性強，有效抑制了水敏性泥巖地層的造漿，施工中流變性穩(wěn)定;有效防止了沙河街組地層泥頁巖的水化膨脹，沙河街組定向過程中井壁穩(wěn)定，無掉塊返出。另外，該鉆井液體系潤滑性好，施工中摩阻和扭矩低，定向施工順暢，有效預(yù)防了復(fù)雜情況的發(fā)生。和優(yōu)化前使用聚合物防塌鉆井液體系施工的3口井相比，效果如表6中所示。

表6 體系應(yīng)用效果對比

鉆井液體系優(yōu)化后，平均鉆井周期比以前縮短了12%，機械鉆速提高了22%，平均井徑擴大率明顯降低，應(yīng)用效果非常明顯。

5 結(jié)論和認(rèn)識

1)聚胺強抑制防塌鉆井液抑制性強，封堵性好，適應(yīng)臨56區(qū)塊地質(zhì)特點，解決了臨56區(qū)塊鉆井過程中存在的起下鉆遇阻和沙河街組的井壁垮塌的難題，給區(qū)塊的其它井的施工提供了技術(shù)支持。

2)納米乳液和乳化瀝青復(fù)配使用，在超細(xì)碳酸鈣的配合下，封堵能力強，能夠封堵地層層理、孔隙及微裂縫，隔絕鉆井液濾液向井壁滲透的動力，易于實現(xiàn)井壁穩(wěn)定。

3)定向長裸眼井段的施工，必須調(diào)整好鉆井液的流變性，前提是保證鉆井液液柱對地層的正壓差，關(guān)鍵是保持鉆井液的抑制性和封堵性，同時需要工程的配合，才能達(dá)到優(yōu)質(zhì)高效鉆井的目的。

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