鉀銨基聚合物鉆井液抑制性研究

徐 波，王智洪

(1．中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南 新鄉(xiāng)453000;2．中石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州450006)

0 引言

大牛地氣田鉆井揭露的地層有第四系，白堊系志丹群，侏羅系安定組、直羅組、延安組，三疊系延長組、二馬營組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組，石炭系太原組、本溪組，奧陶系上馬家溝組，鉆井平均揭露地層厚度3000 m。石盒子組發(fā)育泥巖，鉆井過程中常發(fā)生縮徑以及“大肚子”的情況，直接影響工程進(jìn)度。如2012年實施的DPS－8井，在石盒子組造斜井段鉆遇泥巖，發(fā)生遇阻，測井前通井遇阻，直接損失時間達(dá)90.5 h。因此，解決好石盒子組泥巖井壁穩(wěn)定問題，是大牛地氣田水平井實現(xiàn)優(yōu)快鉆完井的重要保障。

國內(nèi)學(xué)者對泥巖井壁問題進(jìn)行了大量研究［1－4］，認(rèn)為井壁穩(wěn)定是復(fù)雜的力學(xué)與鉆井液化學(xué)耦合問題，從鉆井液方面來說，維護(hù)井壁穩(wěn)定主要是控制好鉆井液密度、提高鉆井液抑制性和封堵性。本文主要從鉆井液抑制性方面入手，提高鉀銨基聚合物鉆井液維護(hù)井壁穩(wěn)定能力。

1 石盒子組泥巖段失穩(wěn)機(jī)理分析

1．1 石盒子組粘土礦物及含量

選取大牛地氣田石盒子組3個層位的代表性巖樣進(jìn)行了粘土礦物的抽提，并進(jìn)行了X衍射分析，分析結(jié)果如表1所示，該區(qū)粘土礦物總含量較小，不超過10%，主要的粘土礦物類型有伊利石、高嶺石、綠泥石以及伊蒙間層礦物，伊利石和高嶺石相對含量最高，綠泥石次之，伊蒙間層礦物相對含量最低。

表1 石盒子組儲層巖石粘土礦物含量XRD分析結(jié)果

1．2 石盒子組泥巖段失穩(wěn)機(jī)理分析

鉆井過程中引起井壁失穩(wěn)的原因主要有2個方面:一是鉆井液密度低，鉆井液液柱壓力低于地層孔隙應(yīng)力，難以支撐力學(xué)不穩(wěn)定地層;二是鉆井液液柱壓力高于地層孔隙應(yīng)力，驅(qū)使鉆井液進(jìn)入泥頁巖孔隙，產(chǎn)生壓力穿透效應(yīng)，使井眼附近的泥頁巖含水量增加，孔隙壓力增大，泥頁巖強(qiáng)度降低。由后一種地層不穩(wěn)定因素引起井壁失穩(wěn)的原因是鉆井液中的濾液進(jìn)入泥頁巖地層后在引起的泥頁巖膨脹力和泥頁巖的運(yùn)移，它也是最受關(guān)注的井壁穩(wěn)定問題。這是因為鉆井液侵入泥頁巖地層后會導(dǎo)致泥頁巖地層3個方面的變化:(1)鉆井液壓力侵入，孔隙壓力升高，減少有效應(yīng)力;(2)膨脹力升高(如:由于粘土層發(fā)生陽離子交換)，有效應(yīng)力下降;(3)粘土礦物粘結(jié)鍵的化學(xué)改變及減弱。它的影響可能通過調(diào)節(jié)泥頁巖強(qiáng)度及破壞如內(nèi)聚力及摩擦角等參數(shù)而引起井壁失穩(wěn)。

石盒子組泥巖段井壁失穩(wěn)也正是如此。以DPS－8井為例，鉆井液液柱壓力高于地層孔隙壓力，在泥巖和砂巖過渡帶滲透率較大，鉆井液大量濾液長驅(qū)直入進(jìn)入該層孔隙。由于濾液抑制性不足，造成粘土礦物膨脹、分散、運(yùn)移、剝落，在工程上表現(xiàn)為縮徑，超過一定時間而剝落，最后形成“大肚子”井眼。導(dǎo)致通井遇阻，鉆具不能到底而進(jìn)入“大肚子”內(nèi)，反復(fù)劃眼通過，但也損失大量時間。

在鉆井過程中鉆遇泥頁巖地層時，當(dāng)鉆井液濾液侵入泥頁巖中，使泥頁巖膨脹力降為零和最大限度減少鉆井液濾液在泥頁巖中的運(yùn)移是鉆井液具有優(yōu)越抑制性的目標(biāo)。具體做法就是減小鉆井液濾失量，保證鉆井液濾液具有足夠的抑制性，侵入該層的鉆井液和其中的流體、巖石配伍而降低泥頁巖膨脹力。因此，對鉆井液抑制性的研究具有循序漸進(jìn)的現(xiàn)實意義。

2 鉀銨基聚合物鉆井液優(yōu)選實驗研究

2．1 泥頁巖抑制劑單劑的優(yōu)選

泥頁巖中引起粘土水化膨脹的礦物主要是蒙脫石和混層礦物?，F(xiàn)場提供鉆屑和碎巖心的數(shù)量有限，且干擾大。因此采用人造巖屑進(jìn)行實驗分析，放大蒙脫石以及伊蒙混層礦物含量進(jìn)行線性膨脹率實驗和滾動回收率實驗。常用的粘土穩(wěn)定劑有KCl、KPAM、KPAN、CHM、XYL －1、SINT，其類型可簡單的分為提供K+和陽離子型抑制劑。不同濃度的粘土穩(wěn)定劑對蒙脫石的抑制能力不同，實驗研究表明，KCl、SINT、KPAM、KPAN、CHM、XYL －1 濃度分別在8%、2%、0.2%、1%、0.3%、1%具有最佳抑制效果。不同優(yōu)選抑制劑對實驗樣品的線性膨脹率如表2所示。不同泥頁巖抑制劑對鈉蒙脫石礦的抑制效果由好依次遞減的順序是8%KCl＞2%SINT＞0.2%KPAM＞1%KPAN ＞0.3%CHM ＞1%XYL－1，對實驗樣品1(高伊/蒙間層)2%SINT＞0.3%CHM＞1%XYL－1＞8%KCl和0.5%KPAM＞1%KPAN。

表2 抑制劑優(yōu)選實驗結(jié)果

2．2 線性膨脹率實驗評價

泥頁巖抑制劑單劑評價是形成性能更優(yōu)的鉆井液配方的基礎(chǔ)，但是綜合性能才是鉆井液配方的根本。通過鉆井液配方的線性膨脹率，確定最佳配方更能有助于在目前現(xiàn)場鉆井液配方的基礎(chǔ)上，提高鉆井液的抑制性，再進(jìn)行滾動回收率的研究，進(jìn)一步證實鉆井液具有良好的抑制性。改進(jìn)前后鉆井液配方線性膨脹實驗結(jié)果如表3所示。由實驗結(jié)果可知，在改進(jìn)前后的鉆井液中加入一定量的抑制劑后，對蒙脫礦和高含伊蒙混層樣品1的線性抑制性均得到增強(qiáng)。然而，改時后的B+0.3%KPAN在后續(xù)的滾動回收率實驗中有良好表現(xiàn)。

2．3 滾動回收率實驗研究

滾動回收率是評價在一定溫度、時間和5 r/min條件下對泥頁巖的抑制效果，即研究在一定熱穩(wěn)定性條件下對泥頁巖的抑制效果。二次回收率是研究鉆井液中泥頁巖抑制劑在鉆屑表面的吸附效果，它能更好地表達(dá)泥頁巖抑制劑對泥頁巖的抑制作用。實驗結(jié)果如表4所示。由表可知，改進(jìn)后的鉆井液配方的一次、二次回收率比改進(jìn)前的鉆井液配方均有較大程度的提高，在改進(jìn)后的配方中加入0.3%KPAN，體系的一次回收率達(dá)到最大值88.9%，二次回收率也有較好顯示。

通過由線性膨脹率、滾動回收率實驗研究鉆井液配方性能，改進(jìn)后的鉀銨基聚合物鉆井液性能穩(wěn)定(見表5)、抑制性明顯增強(qiáng)。線性膨脹率由59.73%下降到30%以內(nèi)(見表3);頁巖一次滾動回收率由47.7%上升到88.9%，二次回收率由4.3%上升到33.9%(見表4)。改進(jìn)后的鉀銨基聚合物鉆井液體系抑制性均得到很大程度的改善。

表3 改進(jìn)前后鉆井液配方線性膨脹實驗結(jié)果

表4 改進(jìn)前后鉆井液配方滾動回收率實驗結(jié)果

表5 改進(jìn)前后鉆井液配方性能

3 鉀銨基聚合物鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用

3．1 鉆井液參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)大牛地氣田地層特性以及實鉆情況，分段優(yōu)化設(shè)計了水平段水平井的鉆井液參數(shù)，避免井壁沖刷形成坍塌，并適當(dāng)降低當(dāng)量循環(huán)密度，避免產(chǎn)生壓力“激動”。嚴(yán)格控制斜井段和水平段鉆井液失水，防止地層含水量的快速升高，延長井壁坍塌周期，有效穩(wěn)定井壁。DPH－17井分段設(shè)計如表6所示。

表6 DPH－17井分段鉆井液性能及流變參數(shù)

3．2 鉆井液技術(shù)措施

為了保證鉀銨基聚合物鉆井液具有較好的應(yīng)用性能，在具體鉆進(jìn)過程中，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)。

(1)調(diào)整好鉆井液性能，物理防塌和化學(xué)防塌并重，做到低失水、高礦化度、高濾液粘度、適當(dāng)密度和粘度，有效地控制鉆井液中自由水向地層滲透，嚴(yán)禁負(fù)壓鉆進(jìn)。

(2)鉆入易塌層段前，按鉆井液設(shè)計要求加入防塌劑，以后鉆進(jìn)中要注意不斷補(bǔ)充。

(3)起鉆必須連續(xù)向井內(nèi)灌入鉆井液，保持液柱壓力。

(4)起鉆遇阻，應(yīng)下放鉆具到暢通井段開泵重新循環(huán)，避免因抽吸引起井塌。

(5)鉆進(jìn)中發(fā)生泵壓升高、懸重下降、扭矩增加時應(yīng)停止鉆進(jìn)，及時上提鉆具到暢通井段循環(huán)處理泥漿，采取沖、通、劃的方法處理。

(6)應(yīng)避免長時間定位循環(huán)，循環(huán)時避開井塌層段。

(7)因井塌造成起鉆遇卡，不能強(qiáng)提，要開泵活動鉆具，解卡起出后下鉆劃眼，處理阻卡井段。

(8)垮塌嚴(yán)重井段，應(yīng)提高鉆井液粘度和切力，提高鉆井液護(hù)壁與攜砂能力。

(9)鉆進(jìn)過程中應(yīng)注意井口返出情況，起下鉆應(yīng)及時灌漿并密切注意鉆井液液面變化，避免漏失或灌漿不及時造成井壁失穩(wěn)，使井下始終保持一定的液柱壓力。

(10)完井液性能滿足工程要求，保證安全快速鉆進(jìn)，縮短油氣層浸泡時間。具體實施方案依實鉆區(qū)塊儲層特性、所用鉆井液體系等確定。

3．3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

表7為DPH－17井水平段實鉆鉆井液性能。從表上可以看出，通過精細(xì)控制水平段各項鉆井液性能，實現(xiàn)了低密度、低失水、低切力、適當(dāng)動塑比鉆進(jìn)。DPH－17井水平段長1195.9 m，水平段鉆井周期7天，全井鉆井周期35.21天，平均機(jī)械鉆速達(dá)到了14.08 m/h，水平段連續(xù)鉆遇210 m泥巖未發(fā)生遇阻現(xiàn)象，表明鉀銨基聚合物鉆井液能有效抑制泥巖水化，實現(xiàn)水平井安全快速成井。

表7 DPH－17井水平段實鉆鉆井液性能

4 結(jié)論

(1)石盒子組泥巖段失穩(wěn)的主要原因是鉆井液侵入該層，鉆井液抑制性不足，而產(chǎn)生的水化、膨脹、分散、運(yùn)移。

(2)改進(jìn)后的鉆井液配方為:4%懷安土+0.4%KPAM+0.4%KPAN+1%NH4－PAN+2%SPNH+0.3%KPAN，該體系性能良好穩(wěn)定，抑制性高。線性膨脹率低、滾動回收率高，能極大地減小膨脹壓，減小井壁失穩(wěn)風(fēng)險。

(3)通過在DPH－17井的應(yīng)用，表明鉀銨基聚合物鉆井液體系具有良好的抑制性，可以有效保證水平井快速穿越泥巖地層。

［1］ 劉向君，羅平亞．水敏性泥頁巖地層與鉆井液接觸時水化能力的實驗研究［J］．西南石油學(xué)院學(xué)報，1996，(3)．

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