顏幫川 劉和興 任冠龍 程 朋 徐 斐 周姍姍 由福昌
(1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057; 2.荊州嘉華科技有限公司 湖北荊州 434000)
南海西部海域D氣田地質(zhì)儲(chǔ)量大,前期已在該氣田鉆探多口水平井,后來(lái)在該氣田樂(lè)東組一段和樂(lè)東組二段新增3口調(diào)整井。該氣田區(qū)水深約93.5 m,調(diào)整井設(shè)計(jì)垂深最淺約580 m,水平段最長(zhǎng)達(dá)1 170 m;超淺層泥質(zhì)含量為26.04%~30.70%,平均滲透率為139.5~203.3 mD,目的層溫度預(yù)計(jì)為50 ℃,原始地層壓力系數(shù)為1.11,存在壓力衰竭,儲(chǔ)層為疏松砂巖,極易出砂,需采用礫石充填和優(yōu)質(zhì)篩管防砂。
D氣田在前期鉆井過(guò)程中采用常用的PRD鉆井液[1-2],但因漏失嚴(yán)重導(dǎo)致提前完鉆,在礫石充填過(guò)程中發(fā)生漏失導(dǎo)致充填無(wú)法完成等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外針對(duì)淺層鉆井作業(yè)做了大量研究工作,主要通過(guò)控制鉆進(jìn)過(guò)程中的循環(huán)當(dāng)量密度(ECD值),提高承壓能力及抑制性,控制流變,減少漏失[3-4];通過(guò)降低礫石充填攜砂液流動(dòng)阻力解決低破裂壓力地層在礫石充填過(guò)程中的漏失問(wèn)題[5-6]。本文以EZFLOW直接返排鉆井液為基礎(chǔ),通過(guò)優(yōu)化鉆井液的抑制性能,降低鉆井液ECD值,防止壓漏地層,提高地層承壓能力和泥餅的耐沖刷能力,并降低礫石充填攜砂完井液的流動(dòng)阻力,解決了礫石充填過(guò)程的漏失問(wèn)題,對(duì)海上超淺層水平井鉆完井及淺層礫石充填完井作業(yè)具有一定借鑒意義。
1) 鉆井提前完鉆。D氣田前期同層位的A16H和A3H1井,儲(chǔ)層段φ215.9 mm井眼均采用PRD鉆井液,在鉆進(jìn)過(guò)程中受地層泥巖侵污后增稠明顯,表觀黏度由開(kāi)鉆的25 mPa·s上升至35 mPa·s,動(dòng)切力由開(kāi)鉆的12 Pa上升至最高21 Pa,導(dǎo)致ECD值急劇增大,附加值分別達(dá)到了0.28 g/cm3和0.31 g/cm3,通過(guò)置換鉆井液來(lái)降低黏切,但仍未能有效地控制ECD值,最終導(dǎo)致地層破裂漏失,被迫提前完鉆(表1)。
表1 南海西部D氣田已鉆井基本情況Table 1 The basic condition of early development wells in D gas field, the western South China Sea
2) 礫石充填完井作業(yè)未有效完成。由于D氣田儲(chǔ)層為疏松砂巖,生產(chǎn)期間極易出砂,對(duì)防砂要求高,根據(jù)前期作業(yè)井的情況,采用礫石充填和優(yōu)質(zhì)篩管的雙重防砂方式能夠達(dá)到防砂目的。但從已作業(yè)井的情況來(lái)看,在礫石充填過(guò)程中漏失嚴(yán)重,無(wú)法有效完成礫石充填完井作業(yè),影響了防砂效果(表2)。
表2 南海西部D氣田A16H和A3H1鉆井礫石充填復(fù)雜情況Table 2 The complex situations of gravel packing wells in D gas field, the western South China Sea
分析認(rèn)為,造成上述問(wèn)題的主要原因,一是PRD鉆井液泥餅的承壓能力和耐沖刷能力較弱,完井期間礫石充填攜砂完井液對(duì)泥餅破壞嚴(yán)重,導(dǎo)致漏失;二是攜砂完井液采用鹽水體系,其摩阻較大,從而導(dǎo)致井下壓降大,地面需要更大的泵壓來(lái)實(shí)現(xiàn)泵送,進(jìn)而造成了漏失。
D氣田新增的3口調(diào)整井相比前期作業(yè)井難度更大,要解決已作業(yè)井存在問(wèn)題,必須以儲(chǔ)層保護(hù)為前提,從鉆井液與完井液的組成和性能控制入手進(jìn)行研究。據(jù)調(diào)研,EZFLOW直接返排鉆井液已成功應(yīng)用,該鉆井液的流變性,尤其是低剪切速率黏度更低,能夠有效地防止ECD值的增加,進(jìn)而防止漏失,并且該鉆井液后期完井無(wú)須破膠,避免了一旦解決了漏失問(wèn)題而帶來(lái)的無(wú)法破膠的尷尬問(wèn)題[7-8]。為此,針對(duì)該氣田制定了以下技術(shù)對(duì)策:
1) 防止泥巖造漿。前期A3H1井和A16H井采用PRD鉆井液中加入2%聚胺及10%以上的氯化鉀,依然無(wú)法解決泥巖造漿的問(wèn)題,所以必須從抑制劑防造漿入手才能夠解決鉆井液增稠的問(wèn)題,優(yōu)選抑制劑是解決鉆井液增稠的主要手段。
2) 降低ECD值。從體系設(shè)計(jì)出發(fā),在降低鉆井液黏切的同時(shí),依然能夠保護(hù)儲(chǔ)層,并最終達(dá)到降低ECD值的目的。
3) 提高地層承壓能力。地層破裂壓力低,在降低ECD值的同時(shí),還應(yīng)提高地層承壓能力,一方面可以防止鉆井過(guò)程中的漏失問(wèn)題,另一方面可以提高泥餅的耐沖刷能力,解決完井礫石充填過(guò)程中的漏失問(wèn)題,并通過(guò)合理的粒徑匹配保護(hù)儲(chǔ)層。
4) 降低流動(dòng)阻力。在礫石充填攜砂完井液中添加保護(hù)儲(chǔ)層的管路降阻劑實(shí)現(xiàn)降低流動(dòng)阻力,解決礫石充填過(guò)程中的漏失問(wèn)題。
5) 直接返排完井。受限于完井管柱設(shè)計(jì),必須采用直接返排的完井工藝,即礫石充填后,直接進(jìn)行氣舉排液作業(yè),這就要求所使用的鉆井液、完井液都要有極好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。
以EZFLOW直接返排鉆井液為基礎(chǔ),通過(guò)優(yōu)化流變性能,并在該鉆井液體系中引入新型胺基抑制劑,解決地層泥巖造漿和井下ECD值升高的問(wèn)題。EZFLOW直接返排鉆井液基本配方為:海水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+(0.3%~0.5%)VIS-B流型調(diào)節(jié)劑+2.5%STARFLO降濾失劑+5%MBA儲(chǔ)層暫堵劑+2%JLX-A聚合醇+新型胺基抑制劑+KCl加重至所需密度(1.15 g/cm3)。
D氣田新增的3口調(diào)整井既要兼顧儲(chǔ)層保護(hù),更要防止ECD值過(guò)大,所以鉆井液的流變性應(yīng)選擇一個(gè)最佳范圍。通過(guò)對(duì)VIS流型調(diào)節(jié)劑加量變化的評(píng)價(jià),以低剪切速率黏度LSRV來(lái)表征,在此基礎(chǔ)上采用DrillBench軟件根據(jù)井身結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算井下ECD值,并同步測(cè)試滲透率恢復(fù)值,結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出,隨著低剪切速率黏度逐漸增大,ECD值逐步增大,而滲透率恢復(fù)值呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì);當(dāng)?shù)图羟兴俾署ざ瓤刂圃?0 000~30 000 mPa·s時(shí),滲透率恢復(fù)值都能夠達(dá)到85%以上,且ECD值相對(duì)密度附加值0.06~0.13 g/cm3;密度為1.10 g/cm3時(shí),ECD值最高值為1.23 g/cm3,能夠很好地控制井下ECD值,防止漏失。
圖1 鉆井液流變性能對(duì)ECD值的影響Fig.1 Effect of rheological properties of drilling fluid on ECD
2.2.1新型胺基抑制劑防止造漿
D氣田超淺層地層泥質(zhì)含量較高,黏土含量達(dá)30%,存在伊/蒙間層,間層比分別為65%和60%,屬于易造漿地層,前期鉆井結(jié)果表明造漿引起黏切上升。鐘漢毅 等[9-10]開(kāi)展了用聚胺抑制膨潤(rùn)土造漿的性能實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)對(duì)于解決該氣田區(qū)泥巖造漿具有一定的借鑒意義。以高濃度的膨潤(rùn)土侵污后的黏度變化來(lái)表征抑制劑的抑制作用,基本配方為:去離子水+抑制劑+20%鈉膨潤(rùn)土。鈉膨潤(rùn)土侵污評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3,可以看出,未添加抑制劑的膨潤(rùn)土漿黏切非常高,φ3值達(dá)99;氯化鉀和國(guó)內(nèi)外常用的聚胺均具有一定的抑制造漿的能力,但是仍然具有一定的黏切;而新型胺基抑制劑UHIB-L黏切非常低,說(shuō)明其能夠有效地解決膨潤(rùn)土的造漿問(wèn)題。
表3 鈉膨潤(rùn)土侵污評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation result of soil contamination by sodium bentonite
注:評(píng)價(jià)條件50 ℃,16 h滾后。
2.2.2新型胺基抑制劑對(duì)體系性能的影響
將加量為1.0%~2.0%的新型胺基抑制劑加入到EZFLOW直接返排鉆井液中,鈉膨潤(rùn)土污染對(duì)鉆井液體系流變性能的影響見(jiàn)表4,可以看出,胺基抑制劑加量對(duì)該體系流變性影響不大,并且采用25%鈉膨潤(rùn)土侵污后,其黏度變化仍然很小,說(shuō)明新型胺基抑制劑與該體系具有較好的配伍性,能夠有效地抑制膨潤(rùn)土造漿。由于該氣田區(qū)超淺層地層泥巖造漿嚴(yán)重,推薦新型胺基抑制劑加量控制在1.5%~2.0%較為合適。
表4 鈉膨潤(rùn)土污染對(duì)鉆井液體系流變性能的影響Table 4 Influence of sodium bentonite contamination on properties
2.2.3現(xiàn)場(chǎng)鉆屑污染對(duì)鉆井液體系流變性能的影響
將現(xiàn)場(chǎng)鉆屑磨細(xì)至200目,分別對(duì)前期用的PRD鉆井液和優(yōu)化后的EZFLOW直接返排鉆井液進(jìn)行污染實(shí)驗(yàn),濃度為25%的現(xiàn)場(chǎng)鉆屑污染對(duì)鉆井液體系流變性能的影響見(jiàn)表5,可以看出,PRD鉆井液經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆屑污染后,動(dòng)切力上升8 Pa,φ3值上升6;而EZFLOW直接返排鉆井液動(dòng)切力上升4.5 Pa,φ3值上升3 Pa,基本上為PRD鉆井液的一半左右,說(shuō)明優(yōu)化后的EZFLOW直接返排鉆井液具有一定的極端情況下的抗污染能力。
此外,現(xiàn)場(chǎng)鉆屑在105 ℃烘干過(guò)孔徑22.00~3.20 mm篩,在50 ℃老化16 h后過(guò)孔徑0.45 mm篩,再在105 ℃烘干,計(jì)算回收率,測(cè)得EZFLOW直接返排鉆井液回收率為96.9%,PRD鉆井液回收率為95.0%,說(shuō)明這2種體系均具有較強(qiáng)的抑制性能。
表5 現(xiàn)場(chǎng)鉆屑污染對(duì)鉆井液體系流變性能的影響Table 5 Influence of field debris pollution on performance
根據(jù)Hands等提出的D90經(jīng)驗(yàn)規(guī)則,張偉國(guó) 等[7]在對(duì)EZFLOW直接返排鉆井液碳酸鈣粒徑匹配的情況下得到了較好的儲(chǔ)層保護(hù)效果?;诖?,對(duì)EZFLOW直接返排鉆井液和PRD鉆井液同時(shí)做了承壓能力實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)方法:高溫高壓填砂管,20~40目和40~60目填砂按照1∶1比例,在50 ℃條件下加入鉆井液,逐漸加壓,測(cè)試漏失量。圖2為鉆井液承壓能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看出,PRD鉆井液在1MPa全部漏失。EZFLOW直接返排鉆井液在1 MPa時(shí)漏失量為0,在3 MPa時(shí)僅瞬時(shí)漏失7 mL,以后不漏失;在5 MPa時(shí)僅瞬時(shí)漏失25 mL,且隨著時(shí)間的延長(zhǎng),漏失量逐漸降低,5 min后停止漏失。這表明,PRD鉆井液基本沒(méi)有承壓能力,而EZFLOW直接返排鉆井液承壓能力可以達(dá)到5 MPa,具有一定的防漏提承壓能力。
圖2 鉆井液承壓能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test result of pressure bearing capacity of drilling fluid system
室內(nèi)采用填砂管實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)EZFLOW直接返排鉆井液和PRD鉆井液的封堵性能,結(jié)果表明EZFLOW直接返排鉆井液在不同目數(shù)的砂床侵入深度均小于3 cm,最小可達(dá)2.3 cm;而PRD鉆井液砂床侵入深度均大于5 cm,最大可達(dá)到8.7 cm,這說(shuō)明EZFLOW直接返排體系具有較好的封堵效果。
鉆井液的潤(rùn)滑性反映了現(xiàn)場(chǎng)扭矩的大小,摩阻因數(shù)越小,扭矩越小。室內(nèi)采用Fann公司的EP極壓潤(rùn)滑儀評(píng)價(jià)鉆井液的潤(rùn)滑性,計(jì)算得到摩阻因數(shù)為0.09,可以滿足長(zhǎng)水平井對(duì)潤(rùn)滑的要求。
利用巖心動(dòng)失水實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬作業(yè)現(xiàn)場(chǎng),在巖心端面形成泥餅后,在3.5 MPa和300 r/min轉(zhuǎn)速下用攜砂完井液沖刷泥餅,以通過(guò)巖心的濾失量衡量泥餅?zāi)蜎_刷能力,濾失量越小代表泥餅越耐沖刷。
室內(nèi)實(shí)驗(yàn)用攜砂完井液1為海水+KCl加重至1.10 g/cm3,攜砂完井液2為海水+0.25%FLOSILK減阻劑+ KCl加重至1.10 g/cm3,用這2 種攜砂完井液評(píng)價(jià)PRD鉆井液和EZFLOW直接返排鉆井液泥餅的耐沖刷性能(圖3)。由圖3可以看出,在這2種攜砂完井液沖刷情況下,EZFLOW直接返排鉆井液濾失量明顯小于PRD鉆井液,說(shuō)明減阻劑的加入能夠進(jìn)一步提高泥餅的耐沖刷性能。
圖3 泥餅?zāi)蜎_刷性能評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Erosion resistance evaluation result of mud cake
完井礫石充填與頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)滑溜水非常類似,在紊流流態(tài)下管柱的摩阻損失非常嚴(yán)重,通用做法是添加減阻劑降低摩阻損失,以降低地面施工壓力[11],從而降低壓漏地層的風(fēng)險(xiǎn)。但礫石充填對(duì)于降阻劑的要求,除了降低摩擦阻力以外,就是必須具有較好的儲(chǔ)層保護(hù)效果;而壓裂液壓裂后孔喉與通道較大,對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)要求相對(duì)較低。通過(guò)管路降阻測(cè)定儀測(cè)試了礫石充填攜砂完井液減阻劑FLOSILK的降阻性能,結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可以看出,相對(duì)于鹽水,礫石充填攜砂完井液減阻劑降阻率可以達(dá)到80%,能夠?qū)崿F(xiàn)有效的降阻。
圖4 攜砂完井液減阻率隨時(shí)間的變化Fig.4 Drag reduction rate of sand carrying liquid over time
使用礫石充填攜砂完井液的目的是降低流動(dòng)阻力,但也不能傷害儲(chǔ)層。室內(nèi)對(duì)攜砂完井液的儲(chǔ)層保護(hù)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià),攜砂完井液配方為:海水+0.25%FLOSILK減阻劑+1%UHIB-L+KCl加重至所需密度(1.10 g/cm3),鉆井液、攜砂完井液對(duì)人造巖心的保護(hù)效果見(jiàn)表6。由表6可以看出,攜砂完井液在直接返排條件下滲透率恢復(fù)值可以達(dá)到92.16%;鉆井液污染巖心后,再用攜砂完井液污染巖心,采用直接返排的方式,滲透率恢復(fù)值依然可以達(dá)到90.82%,具有較好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。
表6 直接返排條件下鉆井液、攜砂完井液對(duì)人造巖心的保護(hù)效果(模擬氣層)Table 6 Protection effect of drilling fluid on artificial core under direct return condition(simulated gas reservoir)
南海西部海域D氣田在2017年7—8月采用EZFLOW直接返排鉆井液作業(yè)3口井,鉆井作業(yè)順利,未出現(xiàn)任何井下復(fù)雜情況,鉆井液密度1.10 g/cm3,鉆井液黏度從開(kāi)鉆到完鉆始終穩(wěn)定,ECD值為1.13~1.17 g/cm3,附加值僅為0.03~0.07 g/cm3,未發(fā)生漏失,均鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深;礫石充填攜砂完井液加入減阻劑,在礫石充填過(guò)程中漏失速率僅為0.4 m3/h,屬于微滲漏,說(shuō)明該鉆井液泥餅具有良好的耐沖刷能力,同時(shí)礫石充填攜砂完井液具有較好的降阻效果,礫石充填圓滿完成,充填效率達(dá)到了107%,達(dá)到了預(yù)期的防砂效果。3口井礫石充填結(jié)束后,直接下入生產(chǎn)管柱進(jìn)行試氣,產(chǎn)量均達(dá)到預(yù)期,并超過(guò)配產(chǎn),證實(shí)了EZFLOW直接返排鉆井液體系和礫石充填攜砂完井液具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。
1) 針對(duì)在南海西部海域超淺層、破裂壓力低、疏松砂巖且泥巖含量高的儲(chǔ)層實(shí)施鉆水平井作業(yè)的要求,優(yōu)化了基本配方為海水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+(0.3%~0.5%)VIS-B流型調(diào)節(jié)劑+2.5%STARFLO降濾失劑+5%MBA儲(chǔ)層暫堵劑+2%JLX-A聚合醇+新型胺基抑制劑+KCl加重至所需密度(1.15 g/cm3)的EZFLOW直接返排鉆井液,推薦新型胺基抑制劑加量控制在1.5%~2.0%較為合適;優(yōu)化了鹽水?dāng)y砂完井液,在攜砂完井液中加入減阻劑FLOSILK,加入量控制在0.25%的較為合適。
2) 室內(nèi)評(píng)價(jià)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,優(yōu)化后的EZFLOW直接返排鉆井液與鹽水?dāng)y砂完井液流變性能良好,解決了南海西部海域超淺層地層泥巖造漿和井下ECD值升高的問(wèn)題,提高了地層承壓能力和泥餅?zāi)蜎_蝕能力,有效降低了礫石充填作業(yè)的漏失,提高了礫石充填成功率,實(shí)現(xiàn)了直接返排試氣,達(dá)到了預(yù)期防砂效果。
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