大牛地氣田新型防塌鉆井液研究及應(yīng)用

李志勇， 李鴻飛， 張立新， 韋火云， 李 巖

(1．中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中石化華北石油工程有限公司，河南鄭州 450006)

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大牛地氣田新型防塌鉆井液研究及應(yīng)用

李志勇1， 李鴻飛1， 張立新2， 韋火云1， 李 巖1

(1．中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中石化華北石油工程有限公司，河南鄭州 450006)

鄂爾多斯盆地大牛地氣田石千峰組和石盒子組地層在鉆進(jìn)過程中易出現(xiàn)井壁垮塌，并引起其他井下復(fù)雜情況，經(jīng)常造成鉆井無法順利進(jìn)行。為此，在該氣田原來鉆井液配方的基礎(chǔ)上，將研制的新型防塌封堵劑PAS-5與陽離子瀝青粉YK-H復(fù)配作為封堵劑，引入凝膠型攜巖劑，并增大了抗高溫降濾失劑的加量，配制了新型防塌鉆井液。室內(nèi)試驗(yàn)表明，該鉆井液性能優(yōu)良，流變性、抗溫性和抑制性均較好，滾動(dòng)回收率均大于96.0%，封堵率可達(dá)91.3%。新型防塌鉆井液在大牛地氣田4口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，鉆井過程中均未出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，井徑擴(kuò)大率均小于6.00%，目的層平均機(jī)械鉆速明顯提高，實(shí)現(xiàn)了安全、優(yōu)質(zhì)及快速鉆井。應(yīng)用結(jié)果表明，新型防塌鉆井液能夠有效解決大牛地氣田石千峰組和石盒子組地層井壁失穩(wěn)問題。

井眼穩(wěn)定；防塌封堵劑；防塌鉆井液；大牛地氣田

鄂爾多斯大牛地氣田開發(fā)井以水平井為主[1-2]，其目的層石千峰組和石盒子組地層黏土礦物含量為22.7%～40.2%，地層微裂縫發(fā)育，其中包括切穿石英砂巖的微裂縫和粒緣微裂縫[3-4]。在增斜段鉆井過程中，石千峰組棕褐、灰綠色泥巖和石盒子組棕褐、灰綠色泥巖段水敏分散嚴(yán)重，頻繁掉塊垮塌引起井下復(fù)雜情況[5-7]。處理井下復(fù)雜情況不僅占用了大量的鉆井時(shí)間，增加了鉆井成本,而且有時(shí)會(huì)因井下復(fù)雜情況的惡化而出現(xiàn)更嚴(yán)重的井下故障[8-9]，導(dǎo)致井下復(fù)雜情況處理時(shí)間進(jìn)一步延長，如大牛地氣田DPH-25井井壁失穩(wěn)處理時(shí)間長達(dá)1 592.5 h。室內(nèi)性能評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，該氣田所應(yīng)用的鉆井液動(dòng)切力太低，不利于攜巖，瀝青類封堵劑不能完全滿足井壁穩(wěn)定的要求。為此，筆者研制了新型防塌封堵劑PAS-5，并與陽離子瀝青粉YK-H復(fù)配作為封堵劑，在原來鉆井液配方的基礎(chǔ)上構(gòu)建了新型防塌鉆井液,并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用。

1 防塌封堵劑PAS-5的合成及性能評(píng)價(jià)

1.1 防塌封堵劑PAS-5的合成

針對(duì)大牛地氣田石千峰組和石盒子組地層巖石節(jié)理、微裂縫發(fā)育，鉆井過程中井壁易垮塌掉塊等問題，研制了新型防塌封堵劑PAS-5，防塌封堵劑中的不同成分可以發(fā)揮各自的抑制防塌、封堵微裂縫等穩(wěn)定井壁的作用[10-12]。

合成步驟為：1)在三口燒瓶中加入100 mL蒸餾水，放入水浴鍋中；2)按合適比例稱取聚合醇、陽離子抑制劑和有機(jī)硅，按一定順序邊攪拌邊加入到三口燒瓶中，攪拌至充分溶解；3)加入合適比例的還原型引發(fā)劑和氧化型引發(fā)劑，并將水浴溫度升至70 ℃；4)持續(xù)攪拌30 min，待三口燒瓶內(nèi)液體縮合反應(yīng)完畢；5)干燥、粉碎，即得防塌封堵劑PAS-5。

防塌封堵劑PAS-5的作用機(jī)理為：1)防塌封堵劑與地層巖石中的黏土礦物緊密結(jié)合，改變地層巖石的表面性質(zhì)，促使防塌封堵劑中的聚合醇和陽離子抑制劑更好地與地層巖石表面接觸并發(fā)揮作用；2)防塌封堵劑可在井壁巖石表面形成一層隔離膜，阻止和降低鉆井液濾液進(jìn)入地層，從而抑制地層巖石的水化膨脹，防止井壁掉塊和坍塌；3)防塌封堵劑具有抑制地層巖石水化膨脹和分散的作用，并與聚合醇協(xié)同增效，維持井壁穩(wěn)定。防塌封堵劑PAS-5通過抑制防塌和封堵作用，可以在地層巖石表面形成一層隔離膜和封堵帶，從而防止黏土含量高、微裂縫發(fā)育地層出現(xiàn)井壁失穩(wěn)問題。

1.2 防塌封堵劑PAS-5的性能評(píng)價(jià)

大牛地氣田石千峰組和石盒子組地層巖石致密并存在微裂縫，室內(nèi)選用大孔隙、高滲透率的人造巖心模擬地層微裂縫發(fā)育情況。人造巖心滲透率約為500 mD，在5%膨潤土中分別加入3%不同類型的具有封堵作用的處理劑配成封堵液，利用JHMD-II巖心動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)評(píng)價(jià)不同封堵液對(duì)高滲透率巖心的封堵效果，結(jié)果見表1。

表1 不同處理劑封堵性能試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，上述處理劑的封堵能力從強(qiáng)到弱依次為：防塌封堵劑PAS-5、陽離子瀝青粉YK-H、乳化瀝青RHJ-3和磺化瀝青FT-1；防塌封堵劑PAS-5和陽離子瀝青粉YK-H復(fù)配作為封堵劑，其封堵率可高達(dá)93.7%。因此，在構(gòu)建新型防塌鉆井液時(shí)，可將防塌封堵劑PAS-5與陽離子瀝青粉YK-H復(fù)配作為封堵劑，以進(jìn)一步提高鉆井液的封堵性及抑制性。

2 新型防塌鉆井液構(gòu)建及室內(nèi)評(píng)價(jià)

2.1 配方的確定

大牛地氣田在鉆進(jìn)石千峰組和石盒子組地層時(shí)，原來的鉆井液配方為3.0%膨潤土+0.2%～0.3%陽離子乳液聚合物DS-301+0.2%～0.4%包被劑BLZ-1+0.3%～0.5% KHPAN+0.3%～0.5%NH4-HPAN+1.0%抗高溫降濾失劑KJ-1+3.0%磺化瀝青FT-1+2.0%超細(xì)碳酸鈣+3.0%陽離子瀝青粉YK-H。該鉆井液在82 ℃時(shí)老化16 h后的常規(guī)性能測試結(jié)果見表2。由表2可知，其動(dòng)切力僅為1.25 Pa，動(dòng)塑比為0.13，鉆井作業(yè)過程中形成的巖屑不能及時(shí)攜帶至地面，易在斜井段形成巖屑床，進(jìn)而影響鉆井效率；而且原鉆井液配方的API濾失量和高溫高壓濾失量均較高，容易造成井壁失穩(wěn)。

表2 原鉆井液常規(guī)性能測試結(jié)果

為避免鉆井過程中形成巖屑床，在原鉆井液配方的基礎(chǔ)上引入凝膠型攜巖劑，以提高鉆井液攜帶巖屑的能力；原鉆井液配方的高溫高壓濾失量較高，在新配方中增大了抗高溫濾失劑的加量；針對(duì)原鉆井液配方中的瀝青類處理劑不能滿足現(xiàn)場鉆井作業(yè)需求的問題，利用防塌封堵劑PAS-5替代原鉆井液配方中的磺化瀝青。最終確定適用于二開斜井段石千峰組和石盒子組的新型防塌鉆井液配方為：3.0%膨潤土+0.3% KHPAN+0.4%陽離子乳液聚合物DS-301+0.2%包被劑BLZ-1+1.5%抗高溫降濾失劑KJ-1+3.0%陽離子瀝青粉YK-H+2.0%超細(xì)碳酸鈣+ 0.4%凝膠型攜巖劑PAS-6+2.0%防塌封堵劑PAS-5。

分別在24 ℃和82 ℃條件下對(duì)新型防塌鉆井液的常規(guī)性能進(jìn)行了測試，結(jié)果見表3。由表3可知，該鉆井液整體流變性好，摩阻系數(shù)低，潤滑性良好，API濾失量小于5.0 mL，高溫高壓(82 ℃，3.5 MPa)濾失量小于15.0 mL。

表3 防塌鉆井液常規(guī)性能測試結(jié)果

2.2 化學(xué)抑制性

2.2.1 膨脹性

稱取8 g過100目篩石千峰組和石盒子組巖屑，分別裝入直徑25.4 mm的膨脹儀測筒內(nèi)，在10 MPa壓力條件下穩(wěn)壓5 min，測量餅狀巖樣的厚度為0.68 cm，將壓好巖心的測筒安裝到膨脹儀上，用清水和新型防塌鉆井液的濾液對(duì)石千峰組和石盒子組巖屑進(jìn)行巖樣膨脹試驗(yàn)，膨脹儀可記錄不同時(shí)間段巖樣的線膨脹量，將不同時(shí)間段巖樣的線膨脹量與原始厚度相比，可得出巖樣的線膨脹率(見表4)。由表4可知，石千峰組和石盒子組巖樣在鉆井液濾液中的膨脹率較低，表明該鉆井液可有效抑制石千峰組和石盒子組地層的水化膨脹，滿足該地層鉆井安全需要。

2.2.2 滾動(dòng)回收率

分別在清水和新型防塌鉆井液中加入6/10目石千峰組和石盒子組巖樣50 g，在82 ℃條件下熱滾16 h后測試其滾動(dòng)回收率，結(jié)果見表5。

表4 巖樣膨脹試驗(yàn)結(jié)果

表5 巖樣回收率試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，石千峰組和石盒子組巖屑在新型防塌鉆井液中的滾動(dòng)回收率可達(dá)97.4%和96.3%，表明該鉆井液的抑制能力較強(qiáng)，能夠有效抑制石千峰組和石盒子組地層黏土礦物水化分散，有助于維持井壁穩(wěn)定。

2.3 抗固相污染性能

將過100目篩的石千峰組和石盒子組巖屑按不同比例加入新型防塌鉆井液中，在82 ℃條件下滾動(dòng)16 h后進(jìn)行鉆井液抗固相污染性能評(píng)價(jià)，結(jié)果見表6。由表6可知，新型防塌鉆井液在加入巖屑后，密度及黏度略有增加，但是整體流變性變化不大，濾失量降低，表明其抗固相污染能力較好。

表6 新型防塌鉆井液抗污染試驗(yàn)結(jié)果

2.4 封堵性能

利用大孔隙、高滲透率的人造巖心(滲透率約500 mD)模擬石盒子組地層巖心，對(duì)PG16井和PG17井所用鉆井液及新型防塌鉆井液的封堵性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表7。由表7可知，新型防塌鉆井液的封堵率高達(dá)91.3%，動(dòng)濾失量僅為2.6 mL，表明該防塌鉆井液的封堵效果較好，要優(yōu)于PG16井和PG17井所用鉆井液。

表7 新型防塌鉆井液封堵性能評(píng)價(jià)結(jié)果

Table 7 Plugging performance evaluation experiment on the new type of anti-sloughing drilling fluid

鉆井液巖心原始滲透率/mD巖心封堵后滲透率/mD封堵率，%動(dòng)濾失量/mLPG16井鉆井液5235113678338PG17井鉆井液5180124875940新型防塌鉆井液513744691326

另外，利用人工造縫致密巖心分別對(duì)PG17井所用鉆井液及新型防塌鉆井液的封堵性能進(jìn)行了測試，其動(dòng)濾失量分別為5.5和3.4 mL，可見，新型防塌鉆井液在人工裂縫內(nèi)的滲入量較少，表明其封堵性能優(yōu)于PG17井所用鉆井液，可有效降低井壁失穩(wěn)概率。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

新型防塌鉆井液在大牛地氣田DPS-52井、DPS-55井、DPH-99井和DPS-76井等4口井的石千峰組和石盒子組地層中進(jìn)行了應(yīng)用，鉆進(jìn)過程中無井下復(fù)雜情況發(fā)生，現(xiàn)場作業(yè)順利。而該區(qū)塊DPH-74井應(yīng)用原鉆井液鉆進(jìn)石千峰組和石盒子組地層時(shí)，處理井下復(fù)雜情況耗時(shí)296 h。

3.1 常規(guī)性能評(píng)價(jià)

DPH-99井石千峰組和石盒子組地層鉆進(jìn)中應(yīng)用了新型防塌鉆井液，其常規(guī)性能見表8。由表8可知，新型防塌鉆井液流變性較好、API濾失量小于5 mL，有利于維持井壁穩(wěn)定。

3.2 應(yīng)用效果分析

分別統(tǒng)計(jì)大牛地氣田應(yīng)用新型防塌鉆井液鉆進(jìn)石千峰組和石盒子組地層的4口井和應(yīng)用原鉆井液鉆進(jìn)相同地層的DPS-28井的起下鉆劃眼時(shí)間及平均機(jī)械鉆速，結(jié)果見表9。

由表9可知，與DPS-28井相比，4口井的起下鉆劃眼時(shí)間明顯縮短，機(jī)械鉆速明顯提高，其中DPS-55井與DPS-28井的鉆井工程條件基本相同，與DPS-28井相比，DPS-55井的機(jī)械鉆速提高了75.5%。這說明新型防塌鉆井液能夠維持石千峰組和石盒子組地層的井壁穩(wěn)定，且起下鉆遇阻等井下復(fù)雜情況較少，可以滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

表8 DPH-99井新型防塌鉆井液性能測試結(jié)果

表9 起下鉆劃眼時(shí)間及目的層機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Table 9 The statistics on the reaming time of trips and the ROP of target layers

鉆井液井號(hào)起下鉆劃眼時(shí)間/h機(jī)械鉆速/(m·h-1)新型防塌鉆井液DPS?52145577DPS?55110732DPH?9925857DPS?76170513原鉆井液DPS?28503417

應(yīng)用原鉆井液的DPH-74井和DPS-28井，石千峰組和石盒子組地層井段平均井徑擴(kuò)大率分別為9.03%和8.82%；大牛地氣田4口試驗(yàn)井在石千峰組和石盒子組的平均井徑擴(kuò)大率分別為5.08%，1.60%，4.30%和5.98%，井徑擴(kuò)大率均小于6.00%，說明利用新型防塌鉆井液鉆井能夠明顯降低石千峰組和石盒子組地層的平均井徑擴(kuò)大率，能有效維持井壁穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)大牛地氣田地層特征研制的新型防塌封堵劑PAS-5，可以在地層巖石表面形成有效封堵帶，從而防止含黏土礦物地層和微裂縫發(fā)育地層發(fā)生井壁失穩(wěn)。

2) 構(gòu)建的新型防塌鉆井液流變性好，抑制性強(qiáng)，封堵率高達(dá)91.3%，整體性能優(yōu)良。

3) 新型防塌鉆井液在大牛地氣田4口井應(yīng)用過程中無復(fù)雜情況發(fā)生，井徑擴(kuò)大率低，并提高了機(jī)械鉆速。

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[編輯 滕春鳴]

Development and Field Applications of a New Anti-Sloughing Drilling Fluid System in Daniudi Gas Field

LI Zhiyong1，LI Hongfei1，ZHANG Lixin2，WEI Huoyun1，LI Yan1

(1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum(Beijing)，Beijing，102249，China；2. Sinopec Huabei Oilfield Service Corporation，Zhengzhou，Henan，450006，China)

In the Daniudi Gas Field, the Ordos Basin, borehole collapse tends to occur during the drilling of the Shiqianfeng and Shihezi Formations, resulting in complex downhole situations, where drilling operation can not be carried out smoothly. This paper presents the results of developing and applying a new type of anti-sloughing drilling fluid system which was prepared by adding a gel-type cuttings carrying agent into the original drilling fluid. After developing the new product, it was then used in the Daniudi Gas Field. In the new system, the plugging agent was composed of the newly developed anti-sloughing sealer PAS-5 and the cationic asphalt powder YK-H, and the dosage of anti-high temperature filtrate reducer was increased. Laboratory experiments demonstrated that the new type of drilling fluid system performed well overall with better rheological properties, temperature resistance and suppression, and its rolling recovery rate was greater than 96.0% and plugging rate was up to 91.3%. The new type of anti-sloughing drilling fluid system was applied on site to four wells in the Daniudi Gas Field. The wells were drilled without complications, and were done so in a manner that was safe, fast, and with high quality. The hole enlargement rate was less than 6.0%, and the average ROP (rate of penetration) of target layer significantly increased. Results demonstrated that the wellbore instability of Shiqianfeng and Shihezi Formations in Daniudi Gas Field could be solved effectively by using the new type of anti-sloughing drilling fluid.

borehole stability; anti-sloughing plugging agent; anti-sloughing drilling fluid; Daniudi Gas Field

2015-07-15；改回日期：2016-01-08。

李志勇(1978—)，男，山東萊州人，2000年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，2006年獲中國石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)博士學(xué)位，副教授，主要從事鉆井液優(yōu)化設(shè)計(jì)、儲(chǔ)層保護(hù)和鉆井廢棄物處理方面的研究。E-mail:lzysoar11@163.com。

國家科技重大專項(xiàng)“易漏易塌地層鉆完井及儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)研究”(編號(hào)：2016ZX05044)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“低滲裂縫性砂巖凝析氣藏?fù)p害機(jī)理及有效保護(hù)開發(fā)一體化新方法研究”(編號(hào)：51374225)、國家留學(xué)基金(編號(hào)：CSC No.201506445008)和校優(yōu)秀青年教師基金項(xiàng)目“封堵鉆井惡性漏失的新型高強(qiáng)度凝膠研制”(編號(hào)：2462015YQ0211)聯(lián)合資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201603007

TE254+.3

A

1001-0890(2016)03-0039-05