渤海油田低成本鉆井液技術(shù)探索

邢希金 ，馬 巖 ，何 松 ，耿亞楠

（1.中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京 100028；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028）

1 海上鉆井液的特殊性

無論是陸地油田還是海上油田，通過鉆井來打通油氣通道是目前唯一的技術(shù)手段。海上鉆井與陸地鉆井雖然縱向上僅差一層海水之別，但在鉆井技術(shù)上存在較多差異。我國石油勘探開發(fā)以水基鉆井液為主，其中就水基鉆井液而言，陸地油田經(jīng)常使用的鉆井液體系不一定都完全適合在海上使用。海洋石油勘探開發(fā)中因海水資源豐富，鉆井液廣泛使用海水配漿，海水較陸地淡水而言礦化度高，以渤海為例海水礦化度約為33 500 mg/L，鈣的含量約 400 mg/L（見表1），采用海水所建立的鉆井液體系屬于鹽水體系，其對(duì)鉆井液添加劑的抗鹽和抗鈣性能有一定要求，陸地油田廣泛使用的膨潤土在海水中不能完全水化，需要先用淡水預(yù)水化后方能使用。此外，所處的環(huán)境條件也對(duì)鉆井液體系有特殊要求，海上鉆井水基鉆井液在滿足國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的條件下可以直接排放，受海洋環(huán)境條件污染物擴(kuò)散影響程度，目前海上所用的水基鉆井液添加劑均需要滿足海洋環(huán)保要求，特別是對(duì)海洋動(dòng)植物無生物毒性，而陸地環(huán)境則需要面對(duì)陸生動(dòng)植物、土壤及地下水等的污染難題。綜合上述分析，與陸地油田不同，海洋鉆井液的特殊性主要表現(xiàn)在高礦化度海水配漿與海洋環(huán)境保護(hù)約束上。

2 渤海在用鉆井液現(xiàn)狀

渤海油田經(jīng)過多年開發(fā)，形成了目前較成熟的鉆井液技術(shù)系列。明化鎮(zhèn)組、館陶組淺部地層廣泛采用PLUS/KCl聚合物鉆井液體系，PLUS為部分水解的聚丙烯酰胺[1]，其在鉆井液中的作用是包被鉆屑，配合無機(jī)鹽KCl的抑制作用達(dá)到減少泥巖水化分散作用[2]。東營組中部地層采用陽離子PEC鉆井液體系，該體系的核心處理劑為陽離子聚合物，利用陽離子聚合物中和地層中黏土礦物負(fù)電荷作用，抑制黏土礦物的水化分散，從而形成“軟抑制”效應(yīng)[3]，控制泥巖的水化造漿。胡進(jìn)軍等[4]評(píng)價(jià)陽離子鉆井液體系其抗鈣性能可達(dá)2 000 mg/L。沙河街組深層定向井廣泛采用性能更穩(wěn)定的聚合醇PEM鉆井液體系，聚合醇具有“濁點(diǎn)”效應(yīng)，即在一定溫度下液相態(tài)聚合醇可以從鉆井液中析出，形成類似于油相的分子膜，阻止濾液向地層孔隙滲透，實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定井壁的作用。徐景生等[5]評(píng)價(jià)渤中25-1鉆井液時(shí)將抗溫性能設(shè)定為100℃，抗NaCl達(dá)到5%，抗CaCl2達(dá)到1.2%，耿鐵[6]在渤中13-1油田將抗溫性能提高到120℃～150℃。

受海上作業(yè)平臺(tái)空間限制，海上油氣井追求少井高產(chǎn)，多采用水平井開發(fā)。海上針對(duì)水平井開發(fā)了弱凝膠無黏土相PRD和EZflow鉆開液體系，兩套體系均為弱凝膠宜不含膨潤土[7]，特定聚合物與水形成弱凝膠能夠減少鉆井液中液相侵入，而去除膨潤土最大限度地減少了鉆井液中固相對(duì)儲(chǔ)層侵入。兩者的區(qū)別在于完鉆后是否需要去除弱凝膠泥餅，完全依靠聚合物凝膠封堵的PRD鉆開液是需要氧化劑或酸來破膠的，而EZflow鉆開液配方中增加了級(jí)配的碳酸鈣封堵劑，可以直接返排，免于破膠作業(yè)。

渤海地區(qū)鉆井液成本存在較大差異，環(huán)渤海陸地油田鉆井液米成本多低于300元，而渤海油田的鉆井液成本遠(yuǎn)高于陸地油田。除上述分析的海洋鉆井液的特殊性以外，另有兩個(gè)制約因素造成了海陸鉆井液成本差異。其主要制約因素之一是海陸鉆井液的設(shè)計(jì)思路不同，由于海上鉆井船費(fèi)率高，導(dǎo)致海上鉆井綜合日費(fèi)高，因此海上鉆井液的設(shè)計(jì)思路為以提高綜合作業(yè)效率為導(dǎo)向，盡可能減少非生產(chǎn)時(shí)間，無形中增加鉆井液的性能要求與成本；而陸地油田多以總包為主，鉆井租金遠(yuǎn)低于海上油田，相對(duì)綜合日費(fèi)敏感性低，使用適合性能鉆井液既滿足作業(yè)要求又降低了成本。另一個(gè)制約因素是大宗料的采辦模式，陸地油田鉆井液的大宗料主要由甲方采辦，而海上油田多由服務(wù)方采辦，同一種材料可能存在一定幅度的價(jià)格差異。但單純從技術(shù)角度，借鑒陸地油田的經(jīng)驗(yàn)，海洋鉆井液存在較大的降低成本的空間，由于海上高度重視儲(chǔ)層保護(hù)，降低水平段鉆開液成本可能影響產(chǎn)量，本文實(shí)驗(yàn)探索了渤海非水平段低成本鉆井液技術(shù)。

表1 典型渤海海水成分

3 渤海低成本鉆井液實(shí)驗(yàn)

渤海及周邊油田所鉆遇地層自上而下均為明化鎮(zhèn)、館陶、東營及沙河街。各油田地層層位埋深不同，但沉積相與巖性大體相同，明化鎮(zhèn)以沖積平原曲流河相為主，主體巖性為泥巖；館陶組為辮狀河沉積，特征巖性為含礫砂巖；東營組為河流三角洲相，巖性為典型的砂泥巖互層；沙河街組為扇三角洲相，巖性為砂泥巖互層。渤海油田與環(huán)渤海陸地油田地層情況從埋深、沉積相及巖性上大體相當(dāng)，因此鉆井遇到的復(fù)雜情況有一定相通性，除海洋環(huán)保要求外，鉆井液體系及所用的泥漿材料海上完全可以借鑒陸地油田。

3.1 低成本鉆井液思路

由前文分析已知，渤海鉆井液追求全面高性能和持久的穩(wěn)定性，導(dǎo)致成本偏高，葉周明等[8]研究認(rèn)為僅采用膨潤土漿/稠塞在渤?？梢糟@至垂深1 000 m地層，這表明降低鉆井液成本是可能的。因此，可以從以下方面降低要求：渤海地層溫度普遍較低，大部分地層溫度低于80℃，對(duì)處理劑的抗溫性能要求較低，鉆井液體系可以選擇非耐高溫處理劑，從而降低鉆井液的費(fèi)用；渤海油田已鉆井顯示無高壓鹽水層，地層水礦化介于5 000 mg/L～27 000 mg/L，相當(dāng)于0.5%～2.7%NaCl溶液，對(duì)鉆井鹽侵的風(fēng)險(xiǎn)較低，鉆井液體系可以適當(dāng)降低鉆井液的抗鹽性能，從而降低鉆井液處理劑對(duì)抗鹽性能的要求；渤海油田地層較新，已鉆井均未發(fā)現(xiàn)有膏巖層，鈣侵風(fēng)險(xiǎn)較低，地層水中的鈣含量低于配漿海水中的鈣含量，因此地層水侵入不會(huì)增加鈣濃度，鉆井液可以選擇低抗鈣處理劑適當(dāng)降低鉆井液抗鈣染污性能，從而降低對(duì)鉆井液助劑的要求，節(jié)約處理劑成本。

基于上述思路，通過單劑篩選，采用低成本的有機(jī)胺類抑制劑抑制黏土，建立了適用于渤海中部地層的低成本鉆井液體系，其配方為3%海水土漿＋0.3%PAM＋0.5%PANS＋0.5%CMS＋2%SMP-1＋0.5%有機(jī)胺＋0.5%石墨粉。

3.2 低成本體系性能評(píng)價(jià)

低成本鉆井液和渤海在用鉆井液的流變性和失水性能（見表2），對(duì)比發(fā)現(xiàn)，低成本鉆井液常規(guī)性能與在用鉆井液性能指標(biāo)相當(dāng)，滿足在海上鉆井作業(yè)過程中攜帶鉆屑、清潔井眼的要求。

渤海地層在鉆井過程中鉆遇的復(fù)雜情況主要是軟泥巖問題，這要求體系具有一定的抑制性，防止泥巖水化分散，破壞泥漿性能，通常要求滾動(dòng)回收率在85%以上。參考SY/T 5613-2000泥頁巖理化性能實(shí)驗(yàn)方法對(duì)低成本鉆井液進(jìn)行滾動(dòng)回收率測(cè)試，實(shí)驗(yàn)巖屑取自渤海油田，并與清水回收率進(jìn)行了對(duì)比，低成本鉆井液的滾動(dòng)回收率為89.23%，體系抑制性強(qiáng)（見表3）。

配制密度為1.15 g/cm3渤海低成本鉆井液，用滾子加熱爐在不同溫度下老化16 h后測(cè)試其常規(guī)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表4）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在60℃～90℃溫度范圍內(nèi)，鉆井液熱滾老化后流變性、失水造壁性能均較穩(wěn)定，渤海油田地層溫度通常在80℃以內(nèi)，因此，低成本鉆井液的抗溫性可以滿足渤海油田中淺層鉆井作業(yè)需求。

表2 低成本鉆井液與在用鉆井液常規(guī)性能

表3 低成本鉆井液抑制性能

表4 渤海低成本鉆井液抗溫性能評(píng)價(jià)

表5 渤海低成本鉆井液抗鹽/鈣實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

為考察低成本鉆井液的抗鹽、抗鈣污染能力，開展了NaCl和CaCl2污染實(shí)驗(yàn)，熱滾條件為80℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表5）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NaCl加量至5%時(shí)，流變性能良好，API降濾失量較小，說明該體系抗NaCl性能良好。當(dāng)CaCl2含量為0.3%時(shí)流變參數(shù)變化小，API失水與高溫高壓失水處于正常范圍，當(dāng)CaCl2含量達(dá)0.5%時(shí)，黏度略有下降，高溫高壓濾失量高達(dá)54 mL，表明低成本體系的抗CaCl2污染性能較弱，可以在鈣含量低于0.3%環(huán)境下使用?？紤]渤海油田地層無鹽膏層，低成本鉆井液可以在渤海油田使用。

3.3 成本對(duì)比

對(duì)低成本鉆井液進(jìn)行成本與服務(wù)價(jià)核算，并對(duì)比低成本鉆井液與在用鉆井液成本倍比關(guān)系，所建立的低成本鉆井液在單方成本上為聚合物鉆井液的43%，為陽離子鉆井液的25%，為聚合醇鉆井液的20%，成本下降明顯（見圖1）。

圖1 鉆井液成本對(duì)比

以渤海某油田為例進(jìn)行成本測(cè)算，共13口開發(fā)井，全部為水平井，平均井深3 233 m。該油田已鉆井顯示平原組地層基本沒有復(fù)雜情況發(fā)生，明化鎮(zhèn)組下段鉆井過程中無井漏，復(fù)雜情況相對(duì)較少，鉆井相對(duì)順利，適合使用低成本鉆井液。對(duì)比低成本鉆井液與陽離子鉆井液總體成本，低成本鉆井液可節(jié)約鉆井液成本50%以上。

4 結(jié)語

與陸地油田鉆井液不同，海上油田鉆井液使用海水配制，其特殊性在于鹽水體系，環(huán)境保護(hù)要求高。受海上作業(yè)日費(fèi)影響，渤海在用鉆井液性能高于實(shí)際需求，無形中增加了中淺部地層鉆井液的成本。從渤海油田實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)于中淺部地層降低鉆井液對(duì)抗溫、抗鹽、抗鈣標(biāo)準(zhǔn)，建立了渤海低成本鉆井液配方，性能評(píng)價(jià)表明，所構(gòu)建的低成本鉆井液體系在流變、失水、抑制性上均滿足工程要求，可以在渤海使用。經(jīng)成本倍率估算，使用渤海低成本鉆井液代替現(xiàn)有成熟鉆井液可以降低鉆井液成本至少50%以上，該技術(shù)有利于推動(dòng)渤海油田的經(jīng)濟(jì)開發(fā)。

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