抗稠油瀝青層損害鉆井液技術(shù)在S03井的應(yīng)用

李 堯， 胡德云， 李 巍， 王 猛， 王權(quán)陽， 樊志剛

(1中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院 2中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

Y油田位于伊朗西南部伊拉克和伊朗交界處，是世界上正在開發(fā)的特大油田之一。在穿過該油田主產(chǎn)層S層位后便是位于井深3 500 m左右的白堊系K層位。該層位在鉆井過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的稠油瀝青侵現(xiàn)象，通過對Y油田出現(xiàn)稠油瀝青侵井的鉆井技術(shù)總結(jié)，結(jié)合地質(zhì)預(yù)測，針對實(shí)鉆中非?？赡艹霈F(xiàn)嚴(yán)重稠油瀝青侵的S03井進(jìn)行了詳細(xì)論證，并制定了具體技術(shù)攻關(guān)方案。該井是Y油田一期工程對稠油瀝青侵的一次試驗(yàn)性探索，根據(jù)處理稠油瀝青層的水基鉆井液新思路，結(jié)合現(xiàn)場控壓鉆井技術(shù)，對K層位的稠油瀝青層進(jìn)行探索性鉆進(jìn)獲得了成功。本文從鉆井液技術(shù)角度出發(fā)詳細(xì)闡述了S03井鉆遇稠油瀝青層采用的技術(shù)方案及處理過程，為解決該區(qū)塊K層位的稠油瀝青層侵入提出了新的解決思路及方法。

一、K層位稠油瀝青損害

1. 稠油瀝青損害處理情況

從Y油田K層位已鉆井資料顯示，揭開該區(qū)塊K層位如果鉆遇稠油瀝青層，鉆井液密度過低會導(dǎo)致大量稠油瀝青、伴有天然氣、H2S氣體涌入井內(nèi)，造成無法繼續(xù)鉆進(jìn)作業(yè)[1]。過高密度雖能較為有效抑制瀝青的侵入速度，但易于壓漏上部裸眼地層，造成作業(yè)困難。在該區(qū)塊鉆遇的稠油瀝青侵較為嚴(yán)重的井如表1，在前期鉆遇的稠油瀝青侵嚴(yán)重的4口井中，3口井棄井，僅1口井強(qiáng)鉆、搶下套管成功，單井處理該復(fù)雜平均耗時在一個月以上，給該區(qū)塊K層位的鉆進(jìn)帶來巨大的困難。從構(gòu)造分布看，同一構(gòu)造處于構(gòu)造相對高點(diǎn)的井，瀝青侵的程度要相對高[2-3]。

表1 Y油田K層位稠油瀝青侵井實(shí)鉆情況統(tǒng)計(jì)

2. 稠油瀝青損害技術(shù)難點(diǎn)分析

(1)由地層侵入到井筒的鉆井液黏切升高，特別是隨著瀝青侵入量的增加，鉆井液內(nèi)部相與相之間的內(nèi)摩擦力急增，黏度急劇上升，甚至?xí)屻@井液喪失流動性。

(2)地層大量稠油瀝青的侵入，會造成環(huán)空堵塞、下鉆困難、下套管困難、開泵困難并容易憋漏地層、卡鉆等井下復(fù)雜，給鉆井作業(yè)帶來難以想象的困難[4]。

(3)隨著稠油瀝青沿著侵入通道侵入井筒，其往往伴隨著二氧化碳、硫化氫、甲烷等危險(xiǎn)氣體一起返出地面。給現(xiàn)場作業(yè)安全帶來極大風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重制約了施工的安全性和連續(xù)性，井下情況越發(fā)復(fù)雜。

二、S03井稠油瀝青損害處理鉆井液體系研究

1.S03井概況

S03井K層位主要巖性為泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、瀝青質(zhì)灰?guī)r。該層段頂部井深一般3 450 m，厚度150 m左右?？紫秹毫Ξ?dāng)量密度1.30～1.60 g/cm3，破裂壓力當(dāng)量密度2.00～2.20 g/cm3，地層溫度116℃。

該井位于Y油田北部構(gòu)造，該井設(shè)計(jì)井深4 557 m，設(shè)計(jì)穿過K層位，鉆進(jìn)至F.L層位完井。該井下入?244.5 mm和?250.8 mm套管，下深3 435 m封住K層位頂部S層位以上井段，為K層位瀝青層位鉆進(jìn)提供保證，具體井身結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 S03井井身結(jié)構(gòu)圖

2. 鉆井液配方研究

侵入井內(nèi)的稠油瀝青可以判斷為塑性蠕動擠入井內(nèi)，進(jìn)入速度較為緩慢，隨著時間增加，侵入通道會進(jìn)一步打開，侵入速度會逐步加快。在鉆井液體系的選擇上，本文根據(jù)該區(qū)塊實(shí)鉆井先后采用的抗高溫聚磺鉆井液體系、KCl聚磺鉆井液體系、鹽水體系的室內(nèi)抗損害評價效果及現(xiàn)場應(yīng)用效果，擬采用抗損害能力強(qiáng)的欠飽和鹽水鉆井液體系。該體系的主要特點(diǎn)是能夠有效降低體系固相含量，增強(qiáng)鉆井液體系抗損害能力[5]，同時提高鉆井液體系液相黏度，在減少稠油瀝青侵入鉆井液的同時提高鉆井液體系的稠油瀝青容納量，降低稠油瀝青侵入水基鉆井液體系對鉆井液性能的影響。該體系的基本配方：2%～3%膨潤土粉+0.4%燒堿+0.2%低黏派克+2%～4%酚醛樹脂+2%～4%褐煤樹脂+2%封堵劑+3%柴油。

2.1 NaCl最佳加量確定

研究了NaCl加量的多少對鉆井液體系抗稠油瀝青損害性能的影響，采用上述基本配方配制鉆井液并加重至1.60 g/cm3，分別加入不同量的NaCl后加入3%的稠油瀝青進(jìn)行損害實(shí)驗(yàn)(稠油瀝青樣品為現(xiàn)場震動篩返出的稠油軟瀝青)，經(jīng)老化后冷卻至60℃測定其性能，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

數(shù)據(jù)分析表明，3%的稠油瀝青損害對基礎(chǔ)配方流變性能影響極大，特別是體系切力波動范圍劇烈，但是隨著NaCl的加入，流變性能有一定的改善，明顯提高了體系抗稠油瀝青損害能力，根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用20%的NaCl加量。

表2 NaCl加量對鉆井液體系抗稠油瀝青損害性能影響

注：本實(shí)驗(yàn)采用稠油瀝青為現(xiàn)場APP2井返出的稠油瀝青，鉆井液密度為1.60 g/cm3，pH值為11，實(shí)驗(yàn)條件：125℃/16h。

2.2 乳化劑的優(yōu)選

稠油瀝青屬于親油相，不能夠很好溶解入欠飽和鹽水體系，稠油瀝青的這種特性較大降低了稠油瀝青侵入速度，而欠飽和鹽水體系強(qiáng)大的抗損害能力保證了現(xiàn)場鉆井液體系的正常作業(yè)，但是隨著作業(yè)時間的延長，稠油瀝青持續(xù)侵入會顯著增加體系的內(nèi)摩擦力，進(jìn)而影響流變性能。適量的乳化劑能夠使得溶解進(jìn)入鉆井液體系的稠油瀝青更好的溶解，不同的乳化劑對體系的抗稠油瀝青損害量影響較大。對4種乳化劑進(jìn)行了優(yōu)選，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3，乳化劑EMP-3能夠一定程度上緩解稠油瀝青侵入對流變性能的影響。

表3 乳化劑對稠油瀝青損害影響研究

注：本實(shí)驗(yàn)采用稠油瀝青為現(xiàn)場APP2井返出的稠油瀝青，稠油瀝青加量為3%，pH值為11，實(shí)驗(yàn)條件為125℃/16h。

3. 鉆井液性能控制工藝研究

(1)采用“足量補(bǔ)充，定量置換”維護(hù)原則。在鉆井液性能能夠滿足鉆進(jìn)條件下，適量補(bǔ)充新漿，稀釋侵入鉆井液體系中的稠油瀝青含量，減少稠油瀝青對鉆井液體系整體結(jié)構(gòu)的影響。同時，足量的補(bǔ)充柴油、乳化劑(O/W)、抗溫抗鹽處理劑等材料，維持鉆井液的各方面性能，滿足鉆進(jìn)要求。

(2)加入FB-1處理劑加強(qiáng)稠油瀝青物理分離。FB-1是一種具有一定粒徑大小的比表面積大的多孔介質(zhì)，該處理劑加入鉆井液中能夠有效的吸附侵入鉆井液體系中未能溶解的稠油質(zhì)瀝青，依靠該處理劑的物理吸附作用，使得呈流動狀態(tài)的稠油瀝青以FB-1為核心吸附在其表面成型，并包裹部分的劣質(zhì)固相及部分重晶石顆粒，通過震動篩篩除。

三、S03井抗稠油瀝青損害處理

1.S03井稠油瀝青侵入情況及其對鉆井液性能的影響分析

實(shí)鉆表明該井稠油瀝青損害根據(jù)稠油瀝青損害形態(tài)，主要分為三個損害階段：稀瀝青流體侵入階段、稠油瀝青蠕變階段、軟固態(tài)型純?yōu)r青侵入階段。

稀瀝青流體侵入階段：損害井段為3 494～3 578 m，稀瀝青密度在1.50 g/cm3左右。損害方式以溶解、分散方式進(jìn)入鉆井液體系。

稠油瀝青蠕變階段：蠕變井段為3 578～3 590 m，稠油瀝青密度在1.25 g/cm3，損害方式以蠕動方式進(jìn)入井筒形成瀝青段塞。

軟固態(tài)型純?yōu)r青侵入階段：軟固態(tài)的純?yōu)r青在K層位底部地層3 590～3 608 m，成型較好，可鉆性好，溶解性稍差，富有彈性，因此在打鉆循環(huán)過程中侵入鉆井液較少，對鉆井液本身損害不大。

2.S03井控壓鉆井工藝

該井于3 494 m順利揭開K層位稠油瀝青層，進(jìn)入稠油瀝青層后，控制鉆速，循環(huán)發(fā)現(xiàn)少量稀瀝青進(jìn)入鉆井液，啟用稠油瀝青層控壓鉆井方案，具體K層位鉆井工程控壓鉆井進(jìn)度見表4。

表4 S03井K層位控壓鉆井進(jìn)度簡況

在該井控壓鉆進(jìn)過程中，由于瀝青、稠油和地層氣的持續(xù)侵入，進(jìn)出口鉆井液密度很難達(dá)到平衡，差值在0.01～0.1 g/cm3之間波動較大。鉆井液經(jīng)液氣分離器后，出口密度就會接近入口密度。由于瀝青少量進(jìn)入鉆井液很難及時判斷損害程度，因此進(jìn)出口密度的變化是判斷瀝青損害最直觀的手段，密度偏低就得及時加重平衡地層壓力，避免稠油瀝青進(jìn)一步侵入而形成更大的侵入通道。

圖2 K層控壓鉆進(jìn)鉆井液比重控制曲線

如圖2顯示，該井整個控壓鉆進(jìn)共計(jì)分為兩個階段，第一階段過程中鉆井液密度控制在1.60～1.66 g/cm3，這是由于收到稀瀝青侵入損害影響，整體波動較為劇烈，第二階段提高鉆井液密度至1.70 g/cm3后，密度控制在1.60～1.70 g/cm3之間，此階段鉆井液密度波動更為劇烈，這是由于鉆遇了稠油瀝青蠕變井段，稠瀝青包裹重粉和其他固相，鉆井液密度下降快，密度維持困難，加重周期長，密度波動大。

3.S03井稠油瀝青侵鉆井液處理

該井于3 494 m順利揭開K層位稠油瀝青層后，采用控壓鉆井方式，采用欠飽和鹽水體系，“足量補(bǔ)充”柴油、乳化劑、膠液、新欠飽和鹽水鉆井液。于3 494～3 578 m鉆進(jìn)時均為稀瀝青損害，稀瀝青出量較小，對鉆井液損害不嚴(yán)重，該體系完全能夠在該損害條件下保證鉆井液的正常性能進(jìn)行正常鉆進(jìn)。鉆進(jìn)至3 598 m后，循環(huán)發(fā)現(xiàn)該井段為稠油瀝青、純?yōu)r青段，此時采用“足量補(bǔ)充”的原則不足以控制稠油瀝青損害，因此進(jìn)行“定量置換”，根據(jù)每班鉆井液損害程度定量排放被稠油瀝青損害嚴(yán)重鉆井液，補(bǔ)充新的欠飽和鹽水鉆井液。該井現(xiàn)場具體鉆井液維護(hù)措施如下：

(1)均勻加入0.3%～0.4%的乳化劑。

(2)根據(jù)配方補(bǔ)充新的鉆井液，保證pH>11，增強(qiáng)體系的固相容納空間。

(3)隨鉆加入2%～3%左右的FB-1，吸附部分侵入井筒的稠油瀝青，通過震動篩篩除，從而達(dá)到清除侵入鉆井液體系部分稠油瀝青的目的。

(4)排放后效后，鉆井液密度下降很快，應(yīng)及時上提鉆井液密度至平衡值，防止鉆井液密度降低，地層內(nèi)瀝青迅速侵入鉆井液，造成嚴(yán)重?fù)p害。

(5)密切監(jiān)測進(jìn)出口密度和體積變化。漏斗黏度如果有上升的趨勢，流動性可控，則每班的維護(hù)就應(yīng)該是“足量補(bǔ)充”，如果瀝青損害嚴(yán)重，流動困難，則果斷轉(zhuǎn)入“定量置換”。

(6)使用除砂除泥器有效清除細(xì)小鉆屑及包裹在鉆屑上的瀝青，降低劣質(zhì)固相，有利于控制流動性和黏度。

(7)提高鉆井液密度降低稠油瀝青侵入速度，該井采用1.60 g/cm3的鉆井液揭開稠油瀝青層，鉆遇稠油瀝青侵后提高鉆井液密度至1.66 g/cm3，最終配合控壓鉆井提高實(shí)鉆鉆井液密度至1.78 g/cm3。

(8)鉆遇稠油瀝青后，采取了三次試驗(yàn)性憋壓擠堵方式試圖對稠油瀝青侵入通道進(jìn)行封堵。采用循環(huán)擠堵方式以施加套管回壓憋壓，全烴下降，進(jìn)口密度接近，能夠在一定程度上暫緩稠油瀝青侵入。

總體施工方案得出該井現(xiàn)場稠油瀝青層全井段循環(huán)和鉆進(jìn)過程中稠油瀝青對鉆井液損害可控，一旦靜止，稠油瀝青不斷侵入井筒且損害鉆井液嚴(yán)重。S03井采用上述鉆井液技術(shù)措施，同時結(jié)合控壓鉆井技術(shù)，在降低鉆井液損害、提高鉆井液抗損害能力同時，通過鉆井液密度控制平衡井底壓力，降低稠油瀝青侵入、損害程度，該井歷時16 d，成功穿過該區(qū)塊該井稠油瀝青層，并固井成功。成為該區(qū)塊成功采用該鉆井液技術(shù)通過該層位的第一口井，為該區(qū)塊該層位鉆井工程作業(yè)的進(jìn)行及進(jìn)一步改善奠定了基礎(chǔ)。

四、結(jié)論與建議

(1)在中石化Y油田工區(qū)稠油瀝青侵入嚴(yán)重井，采用該欠飽和鹽水體系，通過堅(jiān)持“足量補(bǔ)充，定量置換”的鉆井液維護(hù)總體原則和，能夠有效的在控壓鉆井條件下控制鉆井液體系流變性，降低侵入鉆井液體系中稠油瀝青含量，解決伊朗Y油田稠油瀝青層采用水基鉆井液鉆進(jìn)的重大技術(shù)難題。

(2)根據(jù)不同稠油瀝青形態(tài)分析，針對性的對不同井段采取不同鉆井液技術(shù)措施，在實(shí)鉆中觀察鉆井液性能的變化，通過調(diào)整鉆井液比重和控壓鉆井工藝減緩稠油瀝青侵入井筒速度、通過各種技術(shù)措施及時調(diào)整鉆井液流變性能是保證稠油瀝青井成功鉆進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)保障。

(3)對于可能出現(xiàn)嚴(yán)重稠油瀝青侵的井，建議改變井身結(jié)構(gòu)，下入套管至稠油瀝青層頂部，封隔上部地層，防止長裸眼段漏失，能夠大大降低復(fù)雜事故發(fā)生率，減少稠油瀝青侵處理技術(shù)難度。

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