溫壓成膜封堵技術(shù)研究及應(yīng)用

王偉吉，邱正松，暴 丹，王洪偉，鐘漢毅

(1.中國石油大學(xué)，山東 青島 266580;2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 塘沽 300452)

引 言

KL3-2油田開發(fā)井鉆遇的明下段、館陶組、東營組巖性復(fù)雜。明下段為泥巖與粉砂巖互層，下部為少量細(xì)砂巖，泥巖以綠灰色、紅褐色泥巖為主，局部為黃褐色、紫色泥巖;館陶組為含礫細(xì)砂巖、細(xì)砂巖與泥巖互層，下部為少量含礫中砂巖，泥巖以紅褐色、綠灰色泥巖為主，少量灰褐色、黃褐色泥巖;東營組上部為泥巖與含礫細(xì)砂巖、細(xì)砂巖互層，下部為厚層泥巖夾細(xì)砂巖、粉砂巖，泥巖以綠灰色泥巖為主，部分為灰褐色、紅褐色泥巖。該井段砂泥巖互層、分散性強(qiáng)、膠結(jié)性差、存在斷層，易導(dǎo)致鉆頭泥包、起下鉆遇阻、憋扭矩、倒劃困難、井漏等井下復(fù)雜情況。針對上述地層情況，以加強(qiáng)砂巖封堵，加強(qiáng)砂泥巖互層的膠結(jié)，加強(qiáng)泥巖抑制為原則，研制了溫壓成膜封堵鉆井液。

1 溫壓成膜封堵鉆井液作用機(jī)理

(1)高滲砂巖防滲防漏。采用PFS復(fù)合封堵劑對高滲砂巖儲層進(jìn)行防滲防漏處理，PFS復(fù)合封堵劑由彈性顆粒、膠束聚合物、填充加固劑組成。封堵過程中，較大尺寸的彈性顆粒具有一定的可變形性，對不同形狀與尺寸的孔隙與裂縫，進(jìn)行充填和架橋，形成初級封堵;膠束聚合物能在固液界面上迅速大量吸附，形成膠束，形成進(jìn)一步的封堵層;填充加固劑通過填充作用進(jìn)入由彈性材料和膠束聚合物形成的封堵層的微孔隙，進(jìn)一步降低封堵層的滲透率，增強(qiáng)封堵層的強(qiáng)度［1-5］。

(2)加強(qiáng)砂泥巖互層膠結(jié)。采用溫壓成膜劑HCM對砂泥巖互層進(jìn)行封堵，HCM由高交聯(lián)度的硬殼、含有非親水性官能團(tuán)的中間層、含有親水性官能團(tuán)的外層組成。這種核殼結(jié)構(gòu)在井底溫度、壓差和失水作用下，粒子間在井壁附近聚并。當(dāng)一粒子殼層進(jìn)入另一粒子核層時，分布在殼層與核層的官能團(tuán)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，直至粒子殼層的親水性官能團(tuán)完全反應(yīng)。井壁附近的無數(shù)膠束粒子之間都發(fā)生著同樣的聚并和交聯(lián)過程，最后形成連續(xù)性的封堵膜。在鉆井液中，成膜封堵劑HCM的這種成膜特性能夠顯著降低井眼附近巖石的滲透率，減少水進(jìn)入地層，改善鉆井液與巖石顆粒間的黏結(jié)性，從而提高井壁穩(wěn)定性［6-8］。

(3)加強(qiáng)泥巖抑制。胺基硅醇是在聚胺抑制劑的基礎(chǔ)上引入硅羥基，分子中的Si-OH鍵與黏土上的Si-OH鍵縮聚成Si-O-Si鍵，在黏土表面能有效形成疏水層，保證黏土表面具有合理的水化膜，阻止和減緩黏土表面的水化作用。同時，胺基通過電荷吸附在黏土顆粒表面，形成牢固的化學(xué)吸附，通過壓縮雙電層原理防止黏土水化膨脹。由于胺基硅醇首先通過硅羥基對鉆井液中的黏土粒子表面形成疏水層，削弱了胺基對黏土顆粒的絮凝作用，因此，胺基硅醇對鉆井液的流變性和濾失量均無明顯影響，彌補(bǔ)了以往小陽離子、有機(jī)正電膠、聚胺等陽離子抑制劑對鉆井液流變性和濾失量影響大的不足之處［9-14］。

2 溫壓成膜封堵鉆井液性能評價

溫壓成膜封堵鉆井液基本配方如下:3%海水土漿+0.3%NaOH+0.15%Na2CO3+0.3%LVPAC+0.5%PF-PLH+2.0%RS-1+2%HCM+1.5%PFS+1%有機(jī)正電膠+1%HAS+0.1%XC(重晶石加重到1.15 g/cm3)。

2.1 滲透性漏失堵漏性能評價

通過砂床濾失實(shí)驗(yàn)，在常溫條件下，評價溫壓成膜封堵鉆井液體系對高滲砂床(20～40目砂床)的堵漏效果［15］(圖1)。加入PFS前砂床侵入深度為15.0 cm，加入PFS后砂床侵入深度下降到0.9 cm，表明溫壓成膜封堵鉆井液有著較好的滲透性漏失堵漏性能。

圖1 溫壓成膜封堵鉆井液高滲砂床堵漏效果

2.2 成膜封堵性能評價

采用井壁封堵性評價實(shí)驗(yàn)儀評價溫壓成膜鉆井液的成膜封堵性能(圖2、3)。加入成膜封堵劑PFS后濾失速率下降60%左右，濾液侵入深度大大降低，封堵后在巖心表面、濾餅表面形成一層連續(xù)性的封堵膜。

2.3 抑制性評價

圖2 瞬時濾失速率與濾失時間關(guān)系

圖3 成膜封堵效果圖

表1 鉆井液體系巖樣滾動分散回收率

圖4 溫壓成膜鉆井液頁巖膨脹實(shí)驗(yàn)曲線

將KL3-2油田明化鎮(zhèn)組(1 475～1 675 m井段)巖屑混合均勻，處理成粒徑為2～5 mm和100目2種規(guī)格，通過滾動分散實(shí)驗(yàn)和膨脹率實(shí)驗(yàn)，對比評價溫壓成膜封堵鉆井液與現(xiàn)場應(yīng)用的有機(jī)正電膠鉆井液(PEC)和陽離子鉆井液的抑制性(表1、圖4)。溫壓成膜封堵鉆井液體系的滾動分散回收率為94.88%，高于PEC體系(76.35%)和陽離子體系(80.02%)，大幅降低了巖屑的膨脹率，膨脹率降低率大于90%，優(yōu)于PEC體系和陽離子體系。實(shí)驗(yàn)表明，與有機(jī)正電膠鉆井液和陽離子鉆井液相比，溫壓成膜封堵鉆井液體系能更好地抑制KL3-2油田上部泥巖地層水化。

2.4 儲層保護(hù)性能

選用KL3-2-A4井明化鎮(zhèn)組巖心進(jìn)行動態(tài)長度為4.765 cm，直徑為2.492 cm，孔隙體積為4.2 cm3，孔隙度為15.98%，氣測滲透率為308.10×10-3μm2，污染前滲透率為 88.91 ×10-3μm2污染實(shí)驗(yàn)驅(qū)替壓力為3.5 MPa，圍壓為5.5 MPa，測量溫度為110℃［16-17］，結(jié)果見圖5。90 min后動濾失量保持為0.8 mL左右，表明溫壓成膜鉆井液具有很好的封堵性，并且能夠有效地阻止鉆井液濾液進(jìn)入地層，減少對儲層的液相傷害。

圖5 動濾失量隨時間的變化

巖心被污染后，巖心滲透率恢復(fù)值隨驅(qū)替孔隙倍數(shù)的變化情況見圖6。巖心被截去0.5 cm后，滲透率恢復(fù)值比初始滲透率恢復(fù)值提高很多，最高滲透率恢復(fù)值大于95%，說明溫壓成膜鉆井液具有良好的封堵效果和儲層保護(hù)能力。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

KL3-2-A4井是1口調(diào)整井，完鉆井深為1 831.92 m，完鉆垂深為1 673.84 m，完鉆井斜角為19.25°，最大井斜角為 37.70°(436.69 m)。

該井在鉆井液體系應(yīng)用中主要考察PEC體系的改進(jìn)，考察溫壓成膜劑HCM和頁巖抑制劑胺基硅醇HAS在PEC體系中對體系流變性能、穩(wěn)定性、封堵性的影響，以及對井壁穩(wěn)定性、機(jī)械鉆速、起下鉆效率的影響。

圖6 巖心滲透率恢復(fù)值隨驅(qū)替孔隙體積的變化

KL3-2-4A井二開，采用海水膨潤土漿進(jìn)行作業(yè)，漏斗黏度為31 s，鉆進(jìn)至1 263 m時控制機(jī)械鉆速為30 m/h，開始使用PEC鉆井液體系。從現(xiàn)場的使用情況來看，使用PEC體系后，泥漿漏失情況嚴(yán)重(漏失速率為7.8 m3/h)，從短起下鉆后循環(huán)返出的鉆屑來看，鉆井液的抑制性偏弱，鉆屑細(xì)且呈絮凝狀，同時，鉆井液密度有所增加。

鉆進(jìn)至1 420 m，加入0.5%頁巖抑制劑HAS，并加入一定量的溫壓成膜劑HCM，提高體系的抑制性和封堵性。從現(xiàn)場流變性情況來看，HAS和HCM可以起到明顯穩(wěn)定鉆井液的作用，后期鉆井過程中鉆井液的漏斗黏度基本保持不變(28～32 s)，YP值由17.2 Pa下降到14.3 Pa，有所降低，在石灰石加重以后，固相含量增加，依然有良好的流變穩(wěn)定作用，封堵性能明顯提高，未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的泥漿漏失情況。

該井完鉆后短起下，直拔方式遇阻，因此，采用倒劃眼的方式起鉆，起鉆順利，沒有出現(xiàn)難劃眼的現(xiàn)象，表明胺基硅醇與有機(jī)正電膠發(fā)生了協(xié)同作用，采用軟抑制的方式，不會對地層造成硬化影響。

綜合來看，溫壓成膜劑HCM和頁巖抑制劑HAS的第1口實(shí)驗(yàn)井初步達(dá)到了效果，能夠有效維持PEC鉆井液體系的流變性，并提供一定的抑制性、封堵性，增強(qiáng)了井壁穩(wěn)定性，提高了機(jī)械鉆速和起下鉆效率。

4 認(rèn)識與建議

(1)針對砂泥巖互層鉆井復(fù)雜情況，采用復(fù)合封堵劑PFS對高滲砂巖進(jìn)行防滲防漏，采用溫壓成膜劑HCM加強(qiáng)砂泥巖互層的膠結(jié)，采用頁巖抑制劑HAS抑制泥頁巖的水化效應(yīng)。

(2)溫壓成膜封堵鉆井液有著較強(qiáng)的封堵性和抑制性，儲層保護(hù)效果好?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，溫壓成膜封堵鉆井液配置簡單、性能穩(wěn)定，便于維護(hù)，能有效地解決砂泥巖互層的復(fù)雜情況，顯著提高鉆井效率。

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