紅河油田36區(qū)塊水平段井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)

孫建華, 藍(lán) 強(qiáng), 張 妍, 何俊濤, 馬文光, 張永濤, 王同偉

(1.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司 黃河鉆井總公司，山東 東營(yíng) 257045; 2.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257017)

紅河油田36區(qū)塊水平段井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)

孫建華1, 藍(lán) 強(qiáng)2, 張 妍2, 何俊濤1, 馬文光1, 張永濤1, 王同偉1

(1.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司 黃河鉆井總公司，山東 東營(yíng) 257045; 2.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257017)

在紅河36區(qū)塊水平段鉆進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、泥巖垮塌掉塊等問(wèn)題,直接影響到機(jī)械鉆速和鉆井總成本。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析原因,在原鉆井液體系的基礎(chǔ)上,通過(guò)室內(nèi)優(yōu)選,形成復(fù)合鹽水鉆井液體系并增加封堵粒子含量,提高鉆井液體系封堵泥巖層理及微裂縫的能力;同時(shí)選取合理的鉆井液密度平衡泥巖坍塌壓力;有針對(duì)性地強(qiáng)化鉆井液體系的抑制性,保證鉆井施工的順利進(jìn)行,有效地縮短鉆井周期,并解決泥巖井壁穩(wěn)定問(wèn)題。在紅河36區(qū)塊12口井的應(yīng)用表明,應(yīng)用該體系后,地層承壓能力可提高至1.25 g/cm3,鉆井液的二次回收率超過(guò)90%,平均井徑擴(kuò)大率小于8.0%,電測(cè)一次成功率100%,無(wú)任何井壁失穩(wěn)和井漏事故發(fā)生。

紅河油田;井壁失穩(wěn);泥巖垮塌;封堵;鉆井液密度;抑制性

紅河油田構(gòu)造位置為鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷南端,地層平緩西傾,區(qū)內(nèi)屬黃土塬復(fù)雜地形區(qū),平均海拔1 054～1 486 m[1],紅河油田36區(qū)塊水平井段目的層主要位于三疊系延長(zhǎng)組,延長(zhǎng)組垂深約為2 360 m,厚度為300 m,儲(chǔ)層總體顯示低孔、低滲特征,以深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖與灰色粉、細(xì)砂巖略等厚互層為主[2]。該區(qū)塊部分井目的層裂隙比較發(fā)育,存在裂隙發(fā)育帶及斷層,且極易鉆遇泥巖,泥巖層位泥質(zhì)含量高、水敏性強(qiáng),鉆井液與井壁接觸后,泥巖產(chǎn)生水化膨脹,不僅改變井眼周?chē)鷳?yīng)力分布,還因?yàn)槲档土四鄮r自身強(qiáng)度,導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增大[3]。通過(guò)鉆井液密度調(diào)節(jié)可以在一定程度上緩解井壁失穩(wěn)問(wèn)題,但過(guò)高的密度容易造成裸眼段砂巖和裂縫發(fā)育油藏地層發(fā)生井漏,同時(shí)也會(huì)加劇濾液在壓差的作用下侵入地層及傳遞壓力[4]。目前常規(guī)的低固相聚合物鉆井液體系封堵防塌能力不足,鉆井液或?yàn)V液進(jìn)入地層泥巖微裂縫及層理,導(dǎo)致井壁失穩(wěn),加劇井壁失穩(wěn)[5]。因此,筆者進(jìn)一步分析紅河油田36區(qū)塊延長(zhǎng)組井壁失穩(wěn)原因,找出相應(yīng)技術(shù)對(duì)策,形成強(qiáng)化井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)。

1 井壁失穩(wěn)因素分析及技術(shù)對(duì)策

1.1 井壁失穩(wěn)因素

(1)地質(zhì)因素。泥巖主要含有蒙脫石、伊利石、伊蒙混層。其中含量較高的蒙脫石水敏性極強(qiáng),極易吸水分散,吸水后層間產(chǎn)生較大的膨脹壓力,導(dǎo)致井壁出現(xiàn)剝蝕掉塊。另外,紅河油田延長(zhǎng)組地層泥巖強(qiáng)度低,在外力的作用下極易發(fā)生破碎,引起井壁坍塌[6]。

(2)鉆井液因素。包括:①鉆井液固含量高,泥餅質(zhì)量差,濾失量大,過(guò)多濾液進(jìn)入地層,導(dǎo)致泥巖吸水膨脹失穩(wěn);②鉆井液與地層流體性質(zhì)不配伍,鉆井液中離子濃度低于地層流體離子濃度,鉆井液濾液就會(huì)向地層中滲透,造成地層膨脹,泥巖強(qiáng)度降低,引起坍塌掉塊,同時(shí)鉆井液濾液的水劈作用更加劇了井壁失穩(wěn);③在水平段鉆進(jìn)時(shí),為了平衡地層坍塌壓力而提高鉆井液密度,但密度過(guò)高容易引發(fā)薄弱地層或孔隙性地層的井漏,進(jìn)而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

(3)工程因素。包括:①水平井施工工藝復(fù)雜,機(jī)械鉆速低,鉆井周期長(zhǎng),鉆井液對(duì)地層的浸泡時(shí)間長(zhǎng);②水平井施工鉆井液密度窗口窄,較低的鉆井液液柱壓力提供的支撐力不能完全平衡地層坍塌應(yīng)力;③不平穩(wěn)的操作產(chǎn)生的壓力激動(dòng)加劇了泥巖地層的壓力傳遞造成井壁失穩(wěn)。

1.2 井壁失穩(wěn)的技術(shù)對(duì)策

綜合考慮以上分析的井壁失穩(wěn)因素,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況,從鉆井液體系配方優(yōu)選強(qiáng)化、確保必要的應(yīng)力支撐等方面入手,解決井壁穩(wěn)定問(wèn)題。

1.2.1 優(yōu)化防塌鉆井液配方

(1)多種抑制劑配合提高鉆井液抑制性。目前紅河油田水平段施工使用的是低固相聚合物鉆井液體系,在此基礎(chǔ)上加入2.0%～3.0% KCl,引入[K+]強(qiáng)化鉆井液體系的抑制性,通過(guò) [K+]的鑲嵌作用,有效抑制泥巖水化分散[7];同時(shí)引入強(qiáng)抑制劑胺基聚醇AP-1進(jìn)一步強(qiáng)化鉆井液體系的抑制性能，AP-1是一種聚胺改性聚醚多元醇類(lèi)頁(yè)巖抑制劑,具有陽(yáng)離子強(qiáng)吸附、強(qiáng)抑制、作用時(shí)間久等優(yōu)點(diǎn),通過(guò)胺基特有的吸附,減弱黏土吸水膨脹[7]。因此,多種抑制劑配合使用,具有優(yōu)良的頁(yè)巖抑制性,較高的巖屑回收率,對(duì)井壁穩(wěn)定方面有較突出的作用,而且可以改變鉆井液的流變性。

(2)提高鉆井液對(duì)泥頁(yè)巖納米孔隙及微裂縫的封堵能力。鉆井液體系的封堵強(qiáng)化是保證泥巖地層井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵。通過(guò)加入封堵防塌劑、瀝青粉和超細(xì)碳酸鈣進(jìn)行封堵能力強(qiáng)化。通過(guò)不同粒級(jí)合理配比的剛性顆粒和可變性顆粒,對(duì)地層微裂縫及層理進(jìn)行理想充填。通過(guò)理想充填,可強(qiáng)化鉆井液體系高溫高壓濾失性能,減少井下濾液侵入,防止井壁水化膨脹,提高鉆井液體系封堵防塌性能[8]。(3)復(fù)合鹽水抑制封堵防塌鉆井液配方確定。3.0%～5.0%膨潤(rùn)土漿+10%NaCl+0.5%～1.0%PAM+2.0%天然高分子降濾失劑WNP-1+2.0%抗鹽防塌降濾失劑KFT-2+1.5%～2.0%封堵防塌劑+2.0%～3.0%瀝青粉FF-II+2.0%超細(xì)碳酸鈣+2.0%～3.0%氯化鉀+0.5%～1.0%胺基聚醇AP-1+0.5%硅氟降黏劑+潤(rùn)滑劑(根據(jù)井斜需要)+加重材料(根據(jù)井斜需要)。

體系中使用聚丙烯酰胺干粉作為絮凝包被劑,氯化鉀、胺基聚醇作為體系抑制劑,加入WNP-1、KFT降低鉆井液濾失量,使用硅氟降黏劑調(diào)整鉆井液流型,使用封堵防塌劑、瀝青粉、超細(xì)碳酸鈣強(qiáng)化鉆井液封堵防塌能力,同時(shí)改善泥餅質(zhì)量,進(jìn)一步控制HTHP濾失量。

1.2.2 鉆井液密度選擇及有效地層坍塌應(yīng)力的平衡

根據(jù)力學(xué)平衡原理,利用鉆井液產(chǎn)生的液柱壓力平衡地層坍塌應(yīng)力,支撐泥巖井壁。由于水平段砂巖易漏地層與泥巖易塌段同層,因此解決好泥巖段垮塌和砂巖易漏地層的承壓能力是井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵。紅河油田水平段設(shè)計(jì)最高密度1.15 g/cm3,在做好隨鉆堵漏承壓能力的基礎(chǔ)上,可將鉆井液密度逐步提高到1.18～1.20 g/cm3,若不發(fā)生漏失,在加入封堵防塌性處理劑進(jìn)一步提高地層的承壓能力前提下,可逐步提高到1.20～1.25 g/cm3,從而增強(qiáng)鉆井液對(duì)地層坍塌應(yīng)力的平衡能力。

由于水平段較長(zhǎng),所以采取物理防塌和化學(xué)防塌相結(jié)合的方式,在物理防塌方面,適當(dāng)提高鉆井液密度有利于井壁的穩(wěn)定,但密度過(guò)高,砂巖段或薄弱地層則會(huì)有井漏的風(fēng)險(xiǎn)。該區(qū)塊水平段存在裂縫性油藏,地層承壓能力低,密度過(guò)高容易造成壓差性漏失;鉆井液濾液在壓差作用下進(jìn)入地層,引起地層泥巖水化膨脹,造成泥巖地層剝落、垮塌掉塊,因此要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,卡好臨界點(diǎn),平衡井漏與井塌的矛盾。

在水平段鉆進(jìn)過(guò)程中,在提高鉆井液密度前,按照能夠提供足夠支撐應(yīng)力時(shí)的鉆井液當(dāng)量密度進(jìn)行承壓實(shí)驗(yàn)。如果地層承壓能力不能滿(mǎn)足提高鉆井液密度的要求,則使用封堵材料提高鉆井液的封堵防漏能力和地層的承壓能力。鉆進(jìn)中加入隨鉆屏蔽暫堵劑提前進(jìn)行預(yù)防;加強(qiáng)坐崗觀察,對(duì)井漏做到盡早發(fā)現(xiàn)、盡快處理;起下鉆控制好速度、開(kāi)泵平穩(wěn)操作,杜絕人為因素導(dǎo)致的井下漏失。

水平段鉆遇大段泥巖時(shí),及時(shí)調(diào)整泥漿性能,適當(dāng)提高黏切,并優(yōu)化排量等鉆井參數(shù),減小鉆井液對(duì)井壁的沖蝕作用,增強(qiáng)鉆井液懸浮攜帶能力。

1.2.3 復(fù)合鹽水抑制封堵防塌鉆井液性能評(píng)價(jià)

本文對(duì)優(yōu)化后的復(fù)合鹽水抑制封堵防塌鉆井液配方進(jìn)行了性能評(píng)價(jià),結(jié)果如表1所示。

從表1看出,該體系穩(wěn)定性好,塑性黏度較低,動(dòng)切力高,動(dòng)塑比合理,潤(rùn)滑性能較好,能夠滿(mǎn)足淺層軟泥眼地層大位移、高位垂比水平井的鉆井施工要求。

表1 復(fù)合鹽水抑制封堵防塌鉆井液體系常規(guī)性能

注:老化條件為120 ℃/16 h,pH為8.5。

將二級(jí)膨潤(rùn)土過(guò)篩(孔徑0.154 mm)、在105 ℃烘干2 h備用。將制備好的膨潤(rùn)土壓制成模擬泥頁(yè)巖,并裝在頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)儀上,用高溫高壓濾失儀制備復(fù)合鹽水抑制封堵防塌鉆井液濾液,進(jìn)行黏土膨脹測(cè)試,8 h膨脹率為89.5%。選取紅河油田36區(qū)塊延長(zhǎng)組巖屑,進(jìn)行巖屑回收率測(cè)試。取40 g粒徑為2.0～2.8 mm的巖屑,在120 ℃下滾動(dòng)16 h,用孔徑為0.45 mm的篩布回收,測(cè)定巖屑回收率,測(cè)得一次回收率為95.6%,二次回收率為90.7%。上述結(jié)果表明,該體系具有較強(qiáng)的抑制性。

2 實(shí)例應(yīng)用

該技術(shù)在紅河油田36區(qū)塊應(yīng)用12口井,所有井眼均順利完鉆,在泥巖段鉆進(jìn)時(shí),鉆井液性能穩(wěn)定,無(wú)任何與井壁失穩(wěn)和井漏相關(guān)的復(fù)雜事故發(fā)生,井徑規(guī)則,平均井徑擴(kuò)大率小于8.0%,電測(cè)一次成功率100%,達(dá)到了優(yōu)質(zhì)建井的目的。

以HH36P24井為例,簡(jiǎn)要介紹該技術(shù)的應(yīng)用情況。該井位于甘肅省涇川縣王村鎮(zhèn)徐王村寨子組,是一口三開(kāi)水平井,設(shè)計(jì)井深3 187.34 m,實(shí)際完鉆井深3 439.00 m。該井鉆至3 258.00 m遇泥巖,至3 362.00 m泥巖段長(zhǎng)達(dá)104 m,期間起下鉆、接單根作業(yè)時(shí)有遇阻顯示,活動(dòng)鉆具困難。

該井三開(kāi)井段使用低固相聚合物體系鉆井液體系,鉆井液組成:清水+4.0%～6.0%鈉土+0.2%～0.3%Na2CO3+0.2%～0.3%HV-CMC+0.2%～0.3%K-PAM。鉆遇泥巖前鉆井液性能如表2所示。

從表2可知,三開(kāi)時(shí),密度為1.08 g/cm3,塑性黏度為14 mPa·s,失水控制在5.0 mL。本井三開(kāi)鉆至3 258 m鉆時(shí)開(kāi)始變慢,返出巖屑主要為泥巖,鉆遇泥巖過(guò)程中多次接單根上提下放遇阻,主要是由于泥巖地層井壁失穩(wěn)造成垮塌掉塊所致。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析,低固相聚合物鉆井液不能有效地滿(mǎn)足該井水平段施工,經(jīng)過(guò)室內(nèi)研究對(duì)比,決定使用復(fù)合鹽水抑制封堵鉆井液進(jìn)行施工,調(diào)整后配方如下:處理后的基漿+10%NaCl+2.0%～3.0%KCl+2.0%～3.0%抗復(fù)合鹽降失水劑+3.0%～4.0%改性瀝青粉+2.0%～3.0%封堵防塌劑+1.5%～2.0%超細(xì)碳酸鈣。

表2 現(xiàn)場(chǎng)低固相聚合物體系鉆井液性能

施工前對(duì)基漿進(jìn)行預(yù)處理,使用離心機(jī)充分清除鉆井液中的固相,使鉆井液基漿中的膨潤(rùn)土含量控制在20～25 g/L內(nèi),防止加鹽轉(zhuǎn)換時(shí)引起不良的黏度效應(yīng),轉(zhuǎn)換時(shí)先加入2.0%～3.0% KCl,提高體系的抑制性,降低水的活度(體系整體活度達(dá)到0.93,與地層水活度平衡(0.91)),防止在加鹽過(guò)程中濾失量變大引起井壁泥巖水化嚴(yán)重而造成井壁失穩(wěn)。

施工中先加入1.0%單封進(jìn)行隨鉆承壓堵漏,提高地層的承壓能力。之后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況,逐漸提高鉆井液密度。當(dāng)密度提高至1.25 g/cm3時(shí),起下鉆、接單根正常、無(wú)遇阻現(xiàn)象。

施工中保持固控設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn),及時(shí)有效清除鉆井液中的劣質(zhì)固相,維持較低的固含量和砂含量,有效改善泥餅質(zhì)量,降低水平井井下摩阻和黏附卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。完鉆時(shí)鉆井液性能如表3所示。

表3 完鉆鉆井液性能

從表3可知,完井液密度控制在1.30 g/cm3以?xún)?nèi),塑性黏度提高至21 mPa·s,屈服值為7 Pa。通過(guò)上述措施,本井最終順利完鉆,電測(cè)一次到底,下套管、固井等完井作業(yè)均順利完成,無(wú)任何井下復(fù)雜情況發(fā)生。

3 結(jié) 論

(1)紅河油田36區(qū)塊水平段斷層較多,在做好隨鉆堵漏承壓能力的基礎(chǔ)上逐步提高鉆井液密度到1.25 g/cm3,利用鉆井液產(chǎn)生的液柱壓力平衡地層坍塌應(yīng)力,可有效解決水平段泥巖地層的物理坍塌問(wèn)題。

(2)紅河油田水平段泥巖施工中采用復(fù)合鹽水鉆井液,通過(guò)增強(qiáng)體系抑制性,降低鉆井液體系中水的活度,保持鉆井液的礦化度大于地層流體礦化度,減弱水敏性泥巖的水化膨脹、剝落坍塌,有效解決泥巖的化學(xué)坍塌從而達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的。

(3)鉆遇泥巖時(shí),加入單向壓力封閉劑和各種封堵防塌材料,封堵地層孔隙和微裂縫,從而有效提高鉆井液體系的封堵防塌能力。

(4)水平段要嚴(yán)格控制鉆井液濾失量≤5 mL,降低濾餅滲透性,減少濾液的侵入,防止井壁水化膨脹。

(5)在處理砂巖段或薄弱地層井漏和泥巖地層井塌的矛盾時(shí),要逐步緩慢提高鉆井液性能,確定好鉆井液密度臨界點(diǎn),再通過(guò)采取承壓措施提高地層的承壓能力,防止密度過(guò)高引起井漏。

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[責(zé)任編輯] 印樹(shù)明

2017-01-10

國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)課題(2016ZX05021-004,2016ZX05040-005);中石化重點(diǎn)攻關(guān)課題(JP15015)

孫建華(1969—),男，山東東營(yíng)人，中國(guó)石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司主任技師,主要從事鉆井液技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)工藝研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2017.01.006

TE357

A

1673-5935(2017)01- 0022- 04