大慶油田高密度油包水鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

劉永貴，胡志強(qiáng)，王俊杰，蓋大眾

(中石油大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163413)

大慶油田朝503區(qū)塊的扶余油層壓力系數(shù)較高，平均壓力系數(shù)為1.60，且注水井密集，存在異常高壓水層，施工過(guò)程中存在水侵風(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)室內(nèi)研究，針對(duì)該井地層特點(diǎn)，對(duì)原有低粘高切油包水鉆井液的配方進(jìn)行了改進(jìn)完善，在朝42－平125井獲得了較好的應(yīng)用效果。在施工過(guò)程中雖然發(fā)生了水侵，但現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)鉆井液性能進(jìn)行調(diào)整，使得各項(xiàng)指標(biāo)滿足施工的要求，保證了井下安全。

1 高密度油包水鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

高密度油包水鉆井液的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在流變性和沉降穩(wěn)定性之間的矛盾以及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)上的困難，而對(duì)于朝42－平125井的特殊井下情況，又增加了水侵方面的風(fēng)險(xiǎn)，具體分析如下。

(1)流變性和沉降穩(wěn)定性的矛盾。高密度油包水鉆井液體系屬于膠體懸浮體系，本身具有固相含量大、固相顆粒的內(nèi)摩擦力大、體系中自由油相含量少、鉆屑的侵入和積累不易清除這4方面的特點(diǎn)［1］。根據(jù)鉆井液流變參數(shù)的膠體化學(xué)意義，鉆井液體系的粘度是由鉆井液溶液粘度、總固相產(chǎn)生的粘度、固相粒子分散帶來(lái)的粘度及固相粒子間相互作用產(chǎn)生的粘度4部分構(gòu)成［2］。顯然，各部分的變化均要影響到總粘度值的變化。所以在流變性和沉降穩(wěn)定性之間便存在顯著的矛盾，如果體系粘度切力低，懸浮能力弱，沉降穩(wěn)定性則差，會(huì)造成重晶石粉沉淀，堵塞循環(huán)管線，更給井控安全帶來(lái)隱患，但如果為了實(shí)現(xiàn)良好的沉降穩(wěn)定性而盲目提高粘度切力，必然造成油包水鉆井液的粘度升高難以控制，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，粘度過(guò)高會(huì)造成開(kāi)泵困難、泵壓過(guò)高和“激動(dòng)”壓力過(guò)大等一系列復(fù)雜問(wèn)題。

(2)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的困難主要是體系固相含量太高導(dǎo)致粘度過(guò)高。巨大的固相粒子比表面積通過(guò)潤(rùn)濕和吸附作用使得整個(gè)油包水體系的潤(rùn)濕劑大量減少，導(dǎo)致體系的鉆屑容量限降低，一旦沒(méi)有及時(shí)處理維護(hù)，固相粒子極易連接形成結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致體系粘切增高，若有害固相不能及時(shí)清除，則會(huì)細(xì)分散在體系中，造成惡性循環(huán)［3］。而高固相的體系對(duì)外來(lái)物質(zhì)的污染敏感性也更強(qiáng)，本身高密度鉆井液中的鉆屑不易清除，鉆屑與大量的重晶石粉協(xié)同作用，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致粘度切力的升高。

(3)該井油層壓力高，周圍注水井較多，存在異常高壓水層，水侵發(fā)生幾率較大，水侵會(huì)導(dǎo)致鉆井液密度降低、流變性變差、粘度急劇升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成油包水體系破乳，全井鉆井液報(bào)廢，甚至誘發(fā)井噴。

2 室內(nèi)配方評(píng)價(jià)優(yōu)選

基礎(chǔ)配方為低粘高切油包水鉆井液體系，該體系在大慶長(zhǎng)垣區(qū)塊已成功應(yīng)用了百余口水平井，但主要應(yīng)用于常規(guī)密度范圍，密度未超過(guò)1.40 g/cm3，且油水比可調(diào)范圍為90∶10～85∶15，其原配方為:柴油+3%～5%乳化劑+1%～3%潤(rùn)濕劑+2%～4%有機(jī)土+2% ～4%降濾失劑+3% ～5%CaO+鹽水(含20% ～40%CaCl2)+重晶石粉。

針對(duì)該井高密度油包水鉆井液的技術(shù)難點(diǎn)，室內(nèi)對(duì)原配方進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)。主要從懸浮能力、流變性和抗水侵污染能力3個(gè)方面進(jìn)行配方調(diào)整，油水比可調(diào)范圍為90∶10～75∶25，改進(jìn)后的配方為:柴油+7% ～9%乳化劑+3% ～5%潤(rùn)濕劑+3%～5%有機(jī)土+3% ～5%降濾失劑+4% ～6%CaO+鹽水(含20% ～40%CaCl2)+重晶石粉。室內(nèi)評(píng)價(jià)了1.60、1.80和2.00 g/cm3三種密度下的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如表1所示。

表1 三種密度鉆井液各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)比

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，密度不變時(shí)，隨著油水比降低，體系粘切有所增加，雖然增幅明顯，但流變性可控，而破乳電壓有所下降，但仍高于800 V，HTHP濾失量變化不大，沉降穩(wěn)定性良好。當(dāng)密度增加時(shí)，粘切增幅也比較明顯，但流變性、動(dòng)塑比等均在正常變化范圍內(nèi)，沒(méi)有發(fā)生數(shù)值驟變的情況，其它指標(biāo)也均正常，說(shuō)明在這種高密度高固相和低油水比的情況下，該體系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然足以適應(yīng)，沒(méi)有達(dá)到體系的結(jié)構(gòu)極限。因此，經(jīng)過(guò)配方調(diào)整后的高密度油包水鉆井液體系在流變性和沉降穩(wěn)定性上表現(xiàn)良好，抗水侵能力較強(qiáng)，綜合性能符合現(xiàn)場(chǎng)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3．1 施工基本情況

朝42－平125井完鉆井深2150 m，井斜84.2°，方位358°，水平段長(zhǎng)510 m，油包水鉆井液施工井段為950～2150 m，鉆進(jìn)周期16.72 d，平均機(jī)械鉆速7.87 m/h，鉆遇地層為青山口組和泉頭組，平均井徑擴(kuò)大率3%，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)。該井設(shè)計(jì)密度1.15～1.60 g/cm3，但在實(shí)際施工過(guò)程中由于多次水侵，為平衡地層壓力，密度最高提至1.65 g/cm3，且機(jī)械鉆速高，有害固相侵入嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)地控制全井鉆井液的綜合性能，順利完成該井的技術(shù)服務(wù)。

3．2 日常維護(hù)

該井鉆井液現(xiàn)場(chǎng)日常維護(hù)主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)根據(jù)實(shí)際情況控制密度范圍。該井密度設(shè)計(jì)是依據(jù)地層壓力和鄰井實(shí)鉆情況，但在施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)每小時(shí)監(jiān)測(cè)一次振動(dòng)篩返砂和泥漿量變化，根據(jù)實(shí)際情況第一時(shí)間做出調(diào)整，不斷摸索最合適的密度來(lái)平衡地層壓力。對(duì)于特殊地層、特殊的井，設(shè)計(jì)只能作為參考，一切要以井控安全為前提。

(2)現(xiàn)場(chǎng)備料充足。由于該井為高密度井，易發(fā)生水侵，現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)備2.00 g/cm3重漿50 m3，重晶石粉120 t，如發(fā)生水侵可以第一時(shí)間提高鉆井液密度平衡地層壓力。各種處理劑儲(chǔ)備量很大，尤其是乳化劑和降濾失劑，能夠及時(shí)補(bǔ)充消耗和應(yīng)對(duì)復(fù)雜情況。

(3)流變性控制。低密度固相含量及其分散特性是控制流變性的關(guān)鍵，通過(guò)配方的改進(jìn)，在保證了鉆井液沉降穩(wěn)定性的前提下，現(xiàn)場(chǎng)采取了一系列的措施，其中包括:①采用密度為4.25 g/cm3的優(yōu)質(zhì)重晶石粉加重;②合理利用四級(jí)固控設(shè)備，振動(dòng)篩120目，除砂器200目，利用率100%，如果密度增長(zhǎng)過(guò)快則適當(dāng)啟動(dòng)離心機(jī);③補(bǔ)充的新漿密度要與井漿一致，少加或不加鹽水，加足乳化劑，新漿粘度要低于井漿;④嚴(yán)格控制有機(jī)土含量，前期配漿遵循配方加量，后期維護(hù)少加或不加;⑤定期排放沉沙罐，防止過(guò)量的鉆屑重新入井反復(fù)研磨;⑥所有處理過(guò)程，包括加藥、加重和補(bǔ)充新漿，必須均勻緩慢進(jìn)行。

(4)保證乳化劑含量。乳化劑是油包水乳狀液的穩(wěn)定劑，該體系的兩種乳化劑也同時(shí)起到潤(rùn)濕劑的作用，能讓親水的重晶石粉和鉆屑顆粒表面迅速轉(zhuǎn)變成油相潤(rùn)濕，從而保證它們能較好地懸浮在油相中［4］，所以充足的加量對(duì)于體系的穩(wěn)定、切力的保證和鉆屑能否及時(shí)清除都起到至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)場(chǎng)配漿時(shí)遵循配方加量，每進(jìn)尺200 m補(bǔ)充一次，并實(shí)時(shí)通過(guò)返砂和Es的監(jiān)測(cè)來(lái)判斷乳化劑的缺失量，一旦Es值低于600 V要立即補(bǔ)充。

(5)維持充足的CaO含量，pH值控制在8.5～10。CaO可與油包水鉆井液體系中的有機(jī)酸等作用生成二元金屬皂，能夠保證乳化劑充分發(fā)揮作用，同時(shí)遇水形成CaOH，可以增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一旦地層侵入流體中含有 CO2或 SO2，還可以吸收中和［5］?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)pH值來(lái)監(jiān)測(cè)CaO的缺失量，及時(shí)加以補(bǔ)充。

3．3 水侵的處理

該井在鉆進(jìn)高壓層時(shí)密度為1.55 g/cm3，粘度60 s，油水比 89∶11，破乳電壓 1130 V，性能穩(wěn)定，循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)一切正常。但后續(xù)共發(fā)生了3次水侵，前2次是由于突發(fā)狀況，導(dǎo)致2次空井靜止，分別為48和24 h，2次發(fā)生18和12 m3不同程度的水侵，第3次是測(cè)井期間，空井靜止47 h，水侵20 m3。由于發(fā)生水侵，密度逐漸摸索提至1.65 g/cm3，鉆井液性能變化如表2所示。

可以看出，雖然經(jīng)歷多次水侵，鉆井液油水比波動(dòng)范圍較大，但經(jīng)過(guò)及時(shí)的維護(hù)處理，流變性始終保持在可控范圍內(nèi)，沒(méi)有影響正常施工，而油包水體系的破乳電壓Es最低值也＞800 V，乳狀液穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生明顯破乳現(xiàn)象。

表2 鉆井液性能變化

鉆井液方面處理措施如下。

(1)每次重新建立循環(huán)后，密切觀察井口返出情況，將水侵嚴(yán)重的混漿段適當(dāng)排放，防止混入循環(huán)罐污染全井鉆井液，必須控制好排放量，既保證性能可調(diào)，又要節(jié)約成本，混漿段密度和排放量要記錄準(zhǔn)確，以便于后續(xù)計(jì)算。

(2)確定密度的依據(jù):由于循環(huán)時(shí)未發(fā)生水侵，所以可通過(guò)軟件計(jì)算出當(dāng)量循環(huán)密度，該密度產(chǎn)生的靜液柱壓力即可平衡地層壓力。連續(xù)測(cè)量混漿段密度變化情況，根據(jù)密度下降值和水侵量計(jì)算重漿混入比例，重漿要均勻混入。

(3)測(cè)量水侵后的鉆井液性能，準(zhǔn)確掌握油水比、流變參數(shù)、Es等數(shù)據(jù)，通過(guò)室內(nèi)小型實(shí)驗(yàn)，確定最合理的處理方案。實(shí)際的處理方法是利用高油水比新漿進(jìn)行均勻調(diào)整，新漿中各種處理劑的比例按照污染后井漿的性能有針對(duì)性地進(jìn)行增減，著重補(bǔ)充乳化劑含量。將全井鉆井液性能調(diào)整完畢后方可鉆進(jìn)。

(4)配制重漿時(shí)要用井漿作為基漿，高粘切的井漿具有良好的沉降穩(wěn)定性，可以保證重晶石粉的懸浮度。重漿量由50 m3增加至80 m3，以便能夠第一時(shí)間應(yīng)對(duì)井下復(fù)雜情況。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)經(jīng)過(guò)室內(nèi)配方評(píng)價(jià)優(yōu)選，該高密度油包水鉆井液體系在1.60～2.00 g/cm3范圍內(nèi)具有良好的流變性和沉降穩(wěn)定性，且抗水侵污染能力強(qiáng)，在油水比降到75∶25時(shí)，仍然具有穩(wěn)定的綜合性能，尤其是破乳電壓Es能夠始終保持在800 V以上。

(2)通過(guò)對(duì)高密度油包水鉆井液體系內(nèi)部作用機(jī)理的分析，更加深刻認(rèn)識(shí)到高密度高固相體系的復(fù)雜性，這對(duì)于配方的改進(jìn)優(yōu)化至關(guān)重要。由室內(nèi)評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的結(jié)果看出，雖然該配方處理劑種類不多，但互相協(xié)同作用，可以形成穩(wěn)定而優(yōu)質(zhì)的乳狀液結(jié)構(gòu)，易于維護(hù)處理，可操作性很強(qiáng)。

(3)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，該體系沉降穩(wěn)定性好，沒(méi)有發(fā)生重晶石粉沉淀的情況。該體系動(dòng)塑比＞0.4，攜巖能力很強(qiáng)。該體系的潤(rùn)滑性和抑制性非常突出，定向鉆進(jìn)時(shí)摩阻力僅10～20 kN，起下鉆順利，井壁規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率為3%。

(4)由于事先針對(duì)該井易發(fā)生水侵的情況作了充分的室內(nèi)評(píng)價(jià)工作，所以在現(xiàn)場(chǎng)雖然鉆遇了異常高壓水層，發(fā)生了多次水侵，但經(jīng)過(guò)正確的應(yīng)對(duì)處理，將鉆井液性能及時(shí)調(diào)整到正常范圍，將鉆井液成本影響控制在最低，保證了鉆井的正常施工，最終順利優(yōu)質(zhì)地完成了該井的技術(shù)服務(wù)。

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