硅鋁鉆井液體系的室內(nèi)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

孟麗艷，張麒麟，黃 寧

(中國(guó)石化中原石油鉆井工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001)

井壁失穩(wěn)是鉆井和完井過程中常遇到的井下復(fù)雜情況之一，其中，泥頁巖地層不穩(wěn)定造成的井壁坍塌和縮徑失穩(wěn)約占總數(shù)的90%以上。雖然油基及合成基鉆井液最適宜解決復(fù)雜地層井壁失穩(wěn)問題，然而油基鉆井液的使用對(duì)保護(hù)環(huán)境和降低鉆井成本造成越來越大的壓力。因此，本研究針對(duì)內(nèi)蒙查干地區(qū)火山巖儲(chǔ)層井壁失穩(wěn)的問題，研制一種在鉆井過程中既可預(yù)防井壁坍塌、縮徑和滲漏，又具有加固井壁的硅酸鹽－鋁酸鹽防塌鉆井液體系。硅酸鹽和鋁酸鹽井壁封堵機(jī)理均是在濾液從高pH環(huán)境向中性轉(zhuǎn)換的過程中，形成硅酸或氫氧化鋁來發(fā)揮地層封堵作用。因此，本研究首次將兩種物質(zhì)特點(diǎn)結(jié)合，在中性條件下通過生成硅酸、氫氧化鋁和硅酸鋁等沉淀封堵地層，進(jìn)一步加強(qiáng)泥頁巖等地層的井壁防塌和封堵效果，為安全鉆井，減少復(fù)雜事故，節(jié)約成本提供必要的技術(shù)支持。

1 硅鋁鉆井液的形成

硅酸鹽－鋁酸鹽鉆井液具有與硅酸鹽鉆井液相似的特點(diǎn)，即高堿性和流變性不易控制，限制了一些處理劑的使用，參考國(guó)內(nèi)外硅酸鹽鉆井液［1－6］、鋁酸鹽鉆井液［7］處理劑配伍性的有關(guān)實(shí)驗(yàn)，首先進(jìn)行了硅鋁鉆井液無機(jī)鹽處理劑優(yōu)選，包括硅酸鹽、偏鋁酸鹽、氯化鉀和專用配伍處理劑的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，包含流型調(diào)節(jié)劑、降濾失劑、抑制劑、封堵劑，通過評(píng)價(jià)鉆井液的抑制性、流變性、濾失造壁性和封固性，確定硅酸鹽－鋁酸鹽防塌鉆井液適宜的配方為:(1.0%～2.0%)膨潤(rùn)土基漿+(0.1%～0.3%)XC+(1.0%～1.5%)LV－PAC+(0～0.5%)LV－CMC+(2.0%～5.0%)封堵材料+(0～2.0%)有機(jī)抑制劑+(1.0%～3.0%)流型調(diào)節(jié)劑 +(5.0%～7.0%)Na2SiO3(模數(shù)2.0～2.4)+(0.25%～1.00%)鋁酸鹽 +(3.0%～5.0%)KCl+(0.5～1.0%)NaOH+重晶石。

2 硅鋁鉆井液性能評(píng)價(jià)

2.1 鉆井液基本性能

按照適宜的配方配制硅酸鹽－鋁酸鹽鉆井液，鉆井液密度為1.20～1.60 g/cm3。表1為不同密度硅鋁鉆井液經(jīng)90℃熱滾16 h后的鉆井液性能。

表1 不同密度硅鋁鉆井液性能

由表1可知，使用重晶石可將硅鋁鉆井液加重至不同密度，經(jīng)90℃熱滾16 h后的鉆井液性能穩(wěn)定，流變性良好，F(xiàn)LHTHP可控制在10 mL內(nèi)。

2.2 熱穩(wěn)定性

硅鋁鉆井液密度為1.60 g/cm3，于90℃下，考察其熱穩(wěn)定性，結(jié)果見表2。

表2 硅鋁鉆井液熱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

由表2可知，硅鋁鉆井液在90℃未經(jīng)維護(hù)條件下，經(jīng)48 h滾動(dòng)老化后，初終切力有所降低，但其他性能保持良好，尤其是體系FLHTHP基本沒有增加，說明硅鋁鉆井液具有良好的熱穩(wěn)定性。

2.3 抗污染性能

2.3.1 抗污染

在鉆井過程中，鉆井液中不可避免的溶入黏土、鉆屑等，鉆井液性能會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)變化較大時(shí)會(huì)影響鉆井的安全進(jìn)行。而且，硅鋁鉆井液與硅酸鹽鉆井液具有同樣特性，硅酸鹽與黏土易形成相互橋接的結(jié)構(gòu)，使硅鋁鉆井液流變性難以控制。因此，在90℃熱滾16 h下，考察黏土和鉆屑加量對(duì)硅鋁鉆井液性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 硅鋁鉆井液抗黏土污染能力

由表3可知，硅鋁鉆井液經(jīng)10%鈣土90℃/16 h污染后，其表觀黏度上升率小于10%;經(jīng)15%鉆屑90℃/16 h污染后，其表觀黏度上升率小于10%。說明硅鋁鉆井液具有較強(qiáng)抑制黏土水化和分散能力，體系抗黏土和鉆屑污染能力強(qiáng)。

2.3.2 抗CO32－，HCO3－污染

由于CO32－，HCO3－污染對(duì)鉆井液性能造成一定影響，增加了鉆井液處理和維護(hù)的難度。常規(guī)聚磺鉆井液通過加入石灰克服CO2－，HCO－33污染問題，處理量大，有效時(shí)間短。因此，在100℃熱滾16 h下，考察Na2CO3加量對(duì)硅酸鋁鉆井液性能的影響，結(jié)果見表4。

表4 硅鋁鉆井液抗CO32－，HCO3－污染能力

由表4可知，隨著Na2CO3加量增加，鉆井液性能變化不大。由于硅鋁鉆井液具有較高pH(pH ＞11)，對(duì) CO32－，HCO3－污染具有很好的預(yù)防作用，無需針對(duì)CO32－，HCO3－污染進(jìn)行處理。

2.4 鉆井液抑制性

鉆井液的抑制性對(duì)于井壁穩(wěn)定和流變性控制起著至關(guān)重要的作用。分別取2種不同區(qū)塊的泥巖巖屑，對(duì)密度為1.20 g/cm3硅鋁鉆井液進(jìn)行80℃滾動(dòng)16 h頁巖回收率試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其抑制性能，結(jié)果見表5。

表5 硅鋁鉆井液抑制性評(píng)價(jià)

由表5可知，硅鋁鉆井液對(duì)不同區(qū)塊巖屑抑制性均較強(qiáng)，頁巖滾動(dòng)一次、二次回收率均較高，說明該體系可有效降低鉆屑水化分散，有利于水敏性地層的井壁穩(wěn)定和井眼縮徑，有助于控制井徑擴(kuò)大率。

2.5 鉆井液封固性

2.5.1 巖樣浸泡實(shí)驗(yàn)

將膨潤(rùn)土粉于10 MPa/10 min條件下壓制成巖樣，原始巖樣尺寸為φ2.52 cm×2.65 cm，質(zhì)量25 g，將巖樣分別放入橋58－6井漿(聚磺鉆井液)、文13－352井漿(飽和鹽水鉆井液)、KCl聚合物鉆井液和硅鋁鹽鉆井液中于80℃下浸泡24 h。觀察所發(fā)生的現(xiàn)象，再將巖樣取出，拍照、測(cè)量、稱其質(zhì)量計(jì)算巖樣吸水率，結(jié)果見圖1和表6。

圖1 不同類型鉆井液巖樣浸泡實(shí)驗(yàn)

表6 鉆井液巖樣浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖1和表6看出，在硅鋁鉆井液中浸泡24 h后的巖樣僅有少許細(xì)小裂縫，且外殼堅(jiān)硬，其他3種鉆井液出現(xiàn)較多裂縫，外觀變化較大。從巖樣的直徑、高度及質(zhì)量變化上比較發(fā)現(xiàn)，硅鋁鉆井液浸泡的巖樣明顯小于聚磺鉆井液和KCl聚磺鉆井液的，略小于飽和鹽水聚合物鉆井液的;且該巖樣的吸水率最低。說明硅鋁鉆井液與泥巖接觸后，在其表面形成了保護(hù)膜和固化殼，在有裂縫處形成了膠結(jié)物，正是這些固化殼和膠結(jié)物的作用，使水不易侵入，減低巖心吸水率，進(jìn)一步阻止了巖心的膨脹和裂縫發(fā)育。因此，硅鋁鉆井液具有較好的防塌能力。

2.5.2 巖心抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

將600目石英砂與一定量膨潤(rùn)土和膠結(jié)劑于15 MPa/10 min條件下制備巖心(氣測(cè)滲透率為0～10×10－3μm)。分別將巖心在清水、硅鋁鉆井液、聚磺鉆井液和飽和鹽鉆井液于3.5 MPa，80℃浸泡1 d，取出巖心干燥，氣測(cè)巖心滲透率，用壓力機(jī)測(cè)定巖心的抗壓強(qiáng)度。結(jié)果如圖2。

圖2 不同鉆井液巖心的抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，在高溫高壓下，硅鋁鉆井液的承壓強(qiáng)度最高，達(dá)5.5 MPa，其次是聚磺鉆井液、飽和鹽鉆井液。經(jīng)過硅鋁鉆井液浸泡的巖心，其抗壓強(qiáng)度從4.0 MPa提高至5.5 MPa，巖石抗壓強(qiáng)度提高了37.5%，巖心具有更高抗壓強(qiáng)度。說明在模擬地層的條件(高溫高壓)下，硅鋁鉆井液中過量的硅酸根進(jìn)入巖心后與膨潤(rùn)土和Ca2+作用形成了膠結(jié)物與沉淀，以及硅酸根與鋁酸根生成的硅鋁酸鹽凝膠，均在巖心內(nèi)部孔隙中形成膠結(jié)與封堵，大大提高巖心的抗壓強(qiáng)度。通過硅鋁酸鹽對(duì)裂縫的封堵和膠結(jié)，阻止鉆井液進(jìn)入地層，增強(qiáng)近井壁地帶巖石的強(qiáng)度，提高了井壁穩(wěn)定性。因此，硅鋁鉆井液具有強(qiáng)于飽和鹽水鉆井液和聚磺鉆井液的封堵、封固性。

2.5.3 巖心封堵率實(shí)驗(yàn)

采用低孔低滲巖心考察不同類型的鉆井液對(duì)巖心的封堵效果。將人造巖心烘干，用氣測(cè)滲透率儀測(cè)定巖心氣體滲透率Kg;再將巖心用模擬地層水飽和，測(cè)定巖心氣體滲透率K1，備用;在巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀上，采用不同類型鉆井液體系正向驅(qū)替巖心(3.5 MPa，80℃)2 h，烘干巖心，再測(cè)定巖心氣體滲透率K2;封堵率計(jì)算公式:封堵率=(K1－K2)/K1×100% 。結(jié)果見表7。

表7 不同鉆井液的巖心封堵率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表7看出，硅鋁鉆井液在低孔低滲巖心中封堵率達(dá)98.69%，略高于硅酸鹽鉆井液，具有更好的巖心封堵效果。由于實(shí)驗(yàn)采用低孔低滲巖心，鉆井液中固相顆料較難進(jìn)入巖心，飽和鹽水聚合物鉆井液和聚磺鉆井液只依靠常規(guī)封堵材料形成外泥餅;而硅酸鹽和硅鋁鉆井液不僅能形成外泥餅，且硅酸根離子進(jìn)入巖心后與Ca2+，Mg2+作用形成沉淀或因pH下降產(chǎn)生凝膠及由于高溫與礦物作用產(chǎn)生封固作用，形成內(nèi)泥餅。硅鋁鉆井液除上述作用之外，還由于新物質(zhì)硅鋁酸鹽凝膠的封固作用，進(jìn)一步加強(qiáng)硅鋁鉆井液的封堵效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本研究硅鋁防塌鉆井液體系具有較好的抑制、封堵和固壁作用，通過在近井地帶形成無機(jī)礦物類的致密封堵層，降低易坍塌地層的坍塌壓力，提高鉆井液對(duì)火山巖、泥巖地層的快速封堵和固壁能力。該技術(shù)在內(nèi)蒙意15井設(shè)計(jì)二開井段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并取得了一定的應(yīng)用效果。該鉆井液表現(xiàn)為抑制性、防塌性和抗污染能力強(qiáng)，經(jīng)受住了大段泥巖、HCO3－和地層氣的污染;同時(shí)具有良好的發(fā)現(xiàn)和保護(hù)儲(chǔ)層效果，在298～1 450 m井段以1.20 g/cm3低密度鉆井階段，共發(fā)現(xiàn)油跡50 m/10層、熒光7 m/3層、氣測(cè)異常1 m/1層，顯示較好。意15井總計(jì)鉆遇465 m火山巖，其中凝灰?guī)r216 m，玄武巖249 m。井眼基本保持穩(wěn)定，井徑擴(kuò)大率較低。全井井徑擴(kuò)大率4.25%，取心井段井徑擴(kuò)大率1.38%，遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)要求(即小于10%)。與此相比，鄰井意10－1井采用常規(guī)聚合物鉆井液，其平均井徑擴(kuò)大率為8.8%。由此可見，該硅鋁鉆井液對(duì)查干凹陷的玄武巖、凝灰?guī)r、泥巖地層具有一定的井壁穩(wěn)定效果。

4 結(jié)論

1)優(yōu)選硅鋁鉆井液配套專用處理劑，研究構(gòu)建的硅鋁防塌鉆井液具有良好的熱穩(wěn)定性、抗污染能力和較強(qiáng)的抑制性、封堵封固性。

2)該鉆井液技術(shù)在意15井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了良好的保護(hù)和發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層的效果，以及一定的井壁穩(wěn)定效果，試驗(yàn)井段平均井徑擴(kuò)大率僅為4.25%。

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