延長油田東部淺層水平井鉆井液體系優(yōu)化應(yīng)用

劉　云,于小龍，張文哲.

(1.延長油田勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西延安　716000; 2.陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司研究院，陜西西安　710018)

延長東部油區(qū)屬典型的低滲超低滲油藏，儲層埋深淺，且黏土含量高，容易發(fā)生儲層損害，地層壓力低，常規(guī)井開發(fā)井多、低產(chǎn)、低效等問題日益突出，在此類油藏實現(xiàn)水平井鉆完井技術(shù)的突破和高效開發(fā)，是油田穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)的重要保障。

東部區(qū)塊油層埋深在300～500 m之間，位垂比較大，造斜率高，鉆井過程中存在水平井裸眼段在鉆井液中浸泡時間長對油層損害程度大、磨阻扭矩大導(dǎo)致托壓嚴重等問題，對鉆井液的潤滑、攜巖、儲層保護性能要求高[1-2]。鉆井液性能優(yōu)劣直接影響井眼清潔、井壁穩(wěn)定、儲層的保護，是淺層水平井鉆井的關(guān)鍵技術(shù)之一，決定著鉆井的成敗。目前淺層水平井使用的聚合物鉆井液體系，鉆井過程中易出現(xiàn)摩阻大、井壁失穩(wěn)、托壓嚴重等問題，性能方面還有很大的提升空間。通過對現(xiàn)有的淺層水平井鉆井液技術(shù)難點進行分析，并針對技術(shù)難點開展大量的室內(nèi)試驗，最終優(yōu)選出低傷害、低摩阻聚合物鉆井液體系。

1　延長油田東部淺層大位移水平

井鉆井液技術(shù)難點

1.1　井眼清潔問題

在大斜度井段、水平井段，巖屑在重力的作用下易形成巖屑沉積，鉆桿的偏心導(dǎo)致窄間隙處的鉆井液流速低，易失去懸屑能力等。且由于井徑擴大率的影響，易形成“大肚子”井眼[3-4]，增加了巖屑上返的難度，嚴重影響井下安全。

1.2　井壁穩(wěn)定問題

延長油田東部淺層區(qū)塊鉆遇的長6目的層為淺灰色粉細砂巖、褐灰色塊狀細砂巖夾暗色泥巖，泥質(zhì)粉砂巖、粉細砂巖互層，夾薄層凝灰?guī)r。砂體泥質(zhì)含量高，長時間暴露在鉆井液中時，易發(fā)生水敏損害，導(dǎo)致水化剝落掉塊或膨脹縮徑的現(xiàn)象[5]。先前鉆完的七平1井鉆至目的層時，發(fā)生掉塊嚴重，井徑擴大率達20%。

1.3　潤滑摩阻扭矩問題

鉆井液流變性的變化，直接影響著鉆進過程中摩阻的大小。當(dāng)井斜和位移不斷增加時，裸眼段不斷增長，鉆具與井壁接觸面積越來越大，鉆進過程中的扭矩和摩阻也越來越大，尤其是滑動鉆進時，易發(fā)生托壓現(xiàn)象，增加了發(fā)生黏附卡鉆的風(fēng)險[6-7]。

1.4　儲層保護問題

延長油田東部區(qū)塊屬低孔低滲儲層，由于儲層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在近井地帶因毛細管阻力而產(chǎn)生附加表皮壓降增大現(xiàn)象，加之孔吼較小，易發(fā)生水鎖損害[8]。

2　鉆井液體系優(yōu)化

聚合物鉆井液體系是延長油田常用的鉆井液體系，針對該體系性能在延長東部淺層水平井中的不足，通過大量的室內(nèi)試驗，對現(xiàn)用的聚合物鉆井液體系進行優(yōu)化，最終形成低傷害、低磨阻聚合物鉆井液體系，以提高鉆井液的潤滑性、懸?guī)r性、攜巖性、抑制性和儲層保護的能力[9]。

2.1　聚丙烯酸鉀K-PAM加量的優(yōu)化

2.1.1聚丙烯酸鉀K-PAM的特點

K-PAM是一種有機陽離子高分子聚合物，無毒無腐蝕，不易產(chǎn)生粉塵，易溶于水，其具有抑制泥頁巖及鉆屑分散的作用，能改善鉆井液的流變性能，有效地包被鉆屑，抑制地層造漿。

2.1.2鉆井液性能評價

室內(nèi)配備基漿，采用的基礎(chǔ)配方為：4%膨潤土+0.2%Na2CO3+1.0%NH4-HPAN。分別加入不同量的K-PAM，在實驗室條件下完成鉆井液性能測試，測定其體系性能的變化，試驗結(jié)果見表1。

表1　鉆井液性能測定結(jié)果Table 1　The properties of drilling fluid

鉆井液測試方法：

(1)鉆井液密度、流變性、潤滑性、中壓失水、高溫高壓濾失量采用GB/T 16783.1—2014標(biāo)準執(zhí)行。

(2)鉆井液熱滾后冷卻至室溫，從老化罐取出后以11000 r/min高速攪拌10 min測流變性能。流變性測試溫度：室溫。

(3)pH值的測定：用膠頭滴管取鉆井液中壓濾失量或高溫高壓濾失量，滴1～2滴于pH試紙上，對比pH試紙酸堿性標(biāo)準比色卡，讀出pH值。

從表1可以看出來，隨著K-PAM的加量不斷增加，鉆井液的動切力由4.0 Pa提高至8.2 Pa，稠度系數(shù)K值由0.1123 Pa·Sn提高至0.3019 Pa·Sn，表觀黏度由18 mPa·s提高至28 mPa·s，濾失量由12 mL降至7 mL，提高K-PAM的加量對于鉆井液黏度和切力有了明顯的提高，有一定的降濾失作用，還可以確保鉆井液發(fā)生平板型層流，并具有較好的攜巖能力?；鶟{+0.4%K-PAM和基漿+0.5%K-PAM配方鉆井液性能沒有明顯的差異。

試驗結(jié)論：綜合對比流變性能和鉆井成本，最終優(yōu)選出的K-PAM的加量為0.4%。

2.2　抗高溫降濾失劑RHPT-1的優(yōu)選

2.2.1抗溫聚合物降濾失劑RHPT-1的合成

在裝有攪拌器、溫度計和球形冷凝管的500 mL四口燒瓶中，按配比加入一定量的苯乙烯磺酸鈉(SSS)、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)及蒸餾水，各單體摩爾比例AM∶AMPS∶SSS=5∶3∶2，單體質(zhì)量濃度為20%，開動攪拌器，水浴加熱升溫使單體溶解，用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為8～9。同時通氮氣驅(qū)氧30 min，在60 ℃時加入一定量的分子量調(diào)節(jié)劑硫代乙醇酸，加入10%溶液的引發(fā)劑過硫酸銨和無水亞硫酸鈉，加量分別為單體總量的1%。恒溫反應(yīng)若干小時，得膠狀產(chǎn)物。將得到的產(chǎn)物用丙酮沉淀、洗滌數(shù)次，除去未反應(yīng)的單體。所得沉淀物在干燥箱中恒定溫度105 ℃干燥2 h。粉碎、過60目篩，得到白色粉末狀的產(chǎn)物，即為抗溫聚合物降濾失劑RHPT-1。

2.2.2RHPT-1與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的對比評價

結(jié)果鉆井過程中鉆井液的濾失必然會發(fā)生，通過濾失可形成濾餅保護井壁。但當(dāng)鉆井液濾失量過大時，易引起井眼的膨脹縮徑和井壁的坍塌，造成井下事故的發(fā)生。試驗選擇國內(nèi)外常用的抗溫抗鹽聚合物降濾失劑Driscal D，以及國內(nèi)一些常用的聚合物抗溫降濾失劑產(chǎn)品，在相同條件下分別與RHPT-1產(chǎn)品進行對比試驗[10]。采用的基礎(chǔ)配方為：4%膨潤土+0.2%Na2CO3+1.0%NH4-HPAN。按照API標(biāo)準進行評價，試驗結(jié)果見表2。

表2　150 ℃、16 h高溫滾動后鉆井液性能評價結(jié)果Table 2　The hot roll properties of drilling fluid(16 h, 150 ℃)

從表2的評價結(jié)果可以看出，抗高溫抗鹽聚合物降濾失劑RHPT-1的降濾失效果最好，抗溫可以達到150 ℃，濾失量由18.2 mL降至5.0 mL，并且對鉆井液有一定的提黏增切的效果，能有效保證井壁的穩(wěn)定性能。

試驗結(jié)論：通過對比，最終選用0.5%RHPT-1作為降濾失劑，能很好地滿足水平段施工的要求。

2.3　極壓減摩劑JM-1加量的優(yōu)化

2.3.1極壓減摩劑JM-1的合成

極壓減摩劑JM-1分2步進行合成，首先合成出能溶于基礎(chǔ)油的有機鉬主劑，然后在分散劑作用下，將有機鉬溶解于基礎(chǔ)油中，充分溶解均勻后，即為極壓減摩劑JM-1產(chǎn)品。

2.3.2鉆井液性能評價

選擇上述優(yōu)化后的鉆井液(4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.2%K-PAM+0.3%抗溫聚合物降濾失劑RHPT-1+1.5%水基潤滑劑+1%無熒光防塌劑)，加入0.3%、0.5%、0.8%極壓減摩劑JM-1測定鉆井液摩阻系數(shù)。本試驗采用極壓潤滑儀，按照API標(biāo)準，測定鉆井液的摩阻系數(shù)Kf及其降低率，其結(jié)果見表3。

表3　鉆井液潤滑性能Table 3　The lubrication performance of drilling fluid

從表3中可以看出，極壓減摩劑JM-1對于提高鉆井液的潤滑性能具有很好的效果，0.5%JM-1的摩阻系數(shù)降低率就已經(jīng)達到了76.1%，0.8%JM-1的摩阻系數(shù)降低率達到77.3%，能有效地降低摩阻、扭矩。

試驗結(jié)論：對于潤滑性能及成本綜合考慮，延長油田東部區(qū)塊淺層水平井極壓減摩劑JM-1的加量為0.5%。

2.4　防水鎖劑F113的優(yōu)選

2.4.1防水鎖劑F113的特點

防水鎖劑F113主要由表面活性劑混配而成，其活性劑分子吸附在液體的表面或在油水界面緊密而定向地排列，從而起到降低表面張力和界面張力的作用；防水鎖劑F113也改變巖石的潤濕性，增大接觸角，減輕低孔低滲儲層的水鎖效應(yīng)[11]。

2.4.2防水鎖劑F113性能評價

表界面張力評價：測定不同濃度F113在水溶液中的表面張力。F-113在水溶液中濃度為0.1%時，表面張力為19.97 mN/m，即可趨近最低值19.90 mN/m；在濃度為0.3%時，界面張力為0.691 mN/m，趨近最低值0.553 mN/m。具體試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1　F-113濃度與表/界面張力的關(guān)系Fig.1　Relationship between F113 concentration and surface/ interfacial tension

由圖1可以看出，隨著極壓減摩劑JM-1加量的不斷增加，水溶液中的表面張力和界面張力得到較好的降低，從而能夠有效地降低地層水鎖傷害[12]。

鉆井液性能的評價：試驗采用全自動張力測定儀，掛好鉑金環(huán)，將所測濾液放入測定儀樣品皿中，通過電腦自動完成張力的測定[13-14]。防水鎖劑F113的加入主要影響鉆井液的表面張力與界面張力，試驗選擇鉆井液配方(4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.2%K-PAM+0.5%RHPT-1+2%水基潤滑劑+1.5%無熒光防塌劑+1%納米乳液RL-2+0.5%極壓減摩劑JM-1)，分別加入0.5%和0.8%的防水鎖劑F113，測試鉆井液濾液的表面張力與界面張力，結(jié)果見表4。

從表4中可以看出，加入防水鎖劑后，對鉆井液的濾失基本沒有影響，而表面張力由71.864×10-3N/m降低至40.372×10-3N/m，界面張力由33.572×10-3N/m降低至18.211×10-3N/m，鉆井液濾失的表面張力與界面張力均有較大幅度的降低，從而能夠降低水滴兩側(cè)的界面壓差，防止水鎖傷害的發(fā)生[15-17]。

表4　加入防水鎖劑后鉆井液的濾失量與張力Table 4　Filtration and tension of drillingfluid after adding F113

試驗結(jié)論：通過對比上述試驗可以看出，加入防水鎖劑后，鉆井液濾失的表面張力與界面張力均有較大幅度的降低，0.5%與0.8%的加量對于降低的幅度影響不大，考慮成本因素，最終決定防水鎖劑的加量在0.5%為最佳。

3　優(yōu)化后鉆井液體系性能評價及現(xiàn)場應(yīng)用情況

根據(jù)試驗結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用情況，最終確定東部淺層水平井鉆井液體系配方為：4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.4%K-PAM+0.5%RHPT-1+2%水基潤滑劑+1.5%無熒光防塌劑+1%納米乳液RL-2+0.5%極壓減摩劑JM-1+0.5%防止水鎖劑F113。對優(yōu)化后的通過室內(nèi)試驗研究后低傷害、低磨阻聚合物鉆井液體系進行常規(guī)性能的評價，結(jié)果見表5。

由表5可知，該鉆井液體系的濾失量為5 mL，動切力為5 Pa，摩阻系數(shù)Kf為0.056，具有濾失量低、流變性及潤滑性能好等特點，能滿足延長油田東部區(qū)域淺層大位移水平井的鉆進要求。將該優(yōu)化好的鉆井液體系先后應(yīng)用于延長油田東部區(qū)塊川52平1、南平18、南平19、七平6和七平8等10余口水平井，鉆井過程順利，井壁穩(wěn)定、攜巖和潤滑性能良好，施工周期相比鄰井平均縮短了4.8 d，機械鉆速提高了19.6%。

其中，七平6井采用二開井身結(jié)構(gòu)，靶前距為253 m，水平段長731 m，位垂比達1.79。各井段通過應(yīng)用優(yōu)化后的鉆井液體系，在實鉆過程中無明顯托壓現(xiàn)象，裸眼段摩阻系數(shù)控制在0.10以內(nèi)，井徑規(guī)則，測井、下套管均一次成功，相比同區(qū)塊其他井平均鉆井周期縮短了5.5 d?，F(xiàn)場實測鉆井液性能參數(shù)見表6。從表中可以看出，在水平段實鉆過程中鉆井液的濾失量控制在5 mL以內(nèi)，能有效控制濾液滲入儲層；塑性黏度為18 mPa·s，動切力為9.3 Pa，鉆井液流變性較好。鉆井液新體系各項性能指標(biāo)優(yōu)良，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

表5　低傷害低磨阻聚合物鉆井液體系基本性能數(shù)據(jù)Table 5　The properties of low damage and low friction polymer drilling fluid system

表6　七平6井現(xiàn)場實測鉆井液性能參數(shù)Table 6　Field measured properties of drilling fluid in Qiping well 6th

4　結(jié)束語

(1)通過對聚丙烯酸鉀K-PAM優(yōu)化，能使鉆井液黏度和切力有了明顯的提高，還有一定的降濾失作用，并確保鉆井液發(fā)生平板型層流，具有較好的攜巖能力。

(2) 抗溫聚合物濾失劑RHPT-1具有較好的降濾失效果，具有一定的提黏增切的作用，明顯優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品。

(3)對極壓減摩劑JM-1和防水鎖劑F113的加量進行優(yōu)化，能有效提高鉆井液的潤滑性及防止對儲層的水鎖傷害，使摩阻系數(shù)控制在0.1以內(nèi)，達到降摩減阻和儲層保護的目的。

(4)低傷害、低摩阻聚合物鉆井液體系在延長油田東部區(qū)塊10余口水平井應(yīng)用效果良好，鉆井過程順利，井壁穩(wěn)定、攜巖和潤滑性能良好，施工周期相比鄰井縮短程度明顯。

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