焦頁197-4HF井油基鉆井液技術(shù)

蔡 巍，龔厚平，邵兆美，王亞寧，趙世貴，石水健，申效蓮，嵇紹吾

(1.中石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.荊州市學(xué)成實(shí)業(yè)有限公司，湖北 荊州 434000)

1 概述

焦頁197-4HF井位于重慶市南川區(qū)水江鎮(zhèn)大順村1組，屬于川東高陡褶皺帶萬縣復(fù)向斜平橋背斜南部構(gòu)造，完鉆層位為下志留系龍馬溪組龍一段③小層。該井三開A靶斜深3488 m，井斜76.04°，靶前水平位移1152.87 m，完鉆井深4941 m，井斜85.56°，全井水平位移2593.92 m，三開水平段長(zhǎng)1453 m。井身結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 井身結(jié)構(gòu)Table 1 Casing program

2 油基鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)南頁1井和焦頁8井鉆井資料顯示，在志留系龍馬溪組地層鉆進(jìn)過程中容易發(fā)生井壁坍塌、掉塊等井壁失穩(wěn)問題，這是由地層巖石性質(zhì)和水平鉆井工藝特點(diǎn)決定的。渝東南涪陵頁巖氣井目的層是志留系龍馬溪組頁巖層[1-4]。水平井段完全在頁巖地層中鉆進(jìn)，水平位移較長(zhǎng)，泥頁巖易水化膨脹，井壁穩(wěn)定性差[5-8]。因此要優(yōu)選抑制防塌性強(qiáng)的鉆井液體系，做好井壁穩(wěn)定工作[9-10]。為避免由于長(zhǎng)水平井段導(dǎo)致的摩阻過大，要求鉆井液具有良好的流變性和潤(rùn)滑性[11-13]。本井位于川東南武陵褶皺帶，鄰區(qū)頁巖氣探井南頁1井在小河壩組發(fā)生一次溢流，原因是鉆井液密度偏低，通過壓井提高鉆井液密度恢復(fù)正常鉆進(jìn)。龍馬溪組為本井主要產(chǎn)層，因此在鉆進(jìn)過程中要根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整鉆井液密度，確保安全鉆井[14-15]。

3 油基鉆井液配方優(yōu)選

為了探究添加劑對(duì)油基鉆井液的影響，優(yōu)選出合適的鉆井液配方。在室內(nèi)配制了4組油水比(0號(hào)柴油:26% CaCl2水溶液)為8∶2的油基鉆井液，實(shí)驗(yàn)配方見表2。老化130 ℃后對(duì)其基本性能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)配方Table 2 Laboratory test formula

表3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Laboratory results

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，輔乳化劑的加量從1%增加到1.3%能夠顯著提高油基鉆井液的破乳電壓。鉆井現(xiàn)場(chǎng)一般要求鉆井液的破乳電壓>400 V，隨著鉆井液的不斷循環(huán)和剪切，現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的破乳電壓一般比室內(nèi)實(shí)驗(yàn)要高。因此，優(yōu)選輔乳化劑的加量為1.3%。加入有機(jī)土也有利于提高鉆井液的破乳電壓，但是有機(jī)土對(duì)油基鉆井液的粘度和切力有較大影響。隨著有機(jī)土加量增加，鉆井液的塑性粘度、動(dòng)切力、初切和終切都顯著增加。有機(jī)土加量的增加，會(huì)使鉆井液體系中粘土顆粒之間形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的能力增強(qiáng)，因此動(dòng)切力明顯增大。動(dòng)切力的大小關(guān)系到鉆井液體系的攜巖性能，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆井的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于非加重鉆井液動(dòng)切力取值一般在1.4～14.4 Pa。過高的有機(jī)土加量會(huì)使動(dòng)切力過高，增大鉆井“激動(dòng)”壓力，增加泥漿泵的負(fù)載。有機(jī)土加量的增加也會(huì)使體系中固相含量有所增加，鉆井液塑性粘度也會(huì)增加。因此，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)優(yōu)選有機(jī)土加量為1.5%。

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終優(yōu)選出的油基鉆井液基礎(chǔ)配方為：2.5%主乳+1.3%輔乳+2.8%CaO+1.5%有機(jī)土+1.5%增粘劑+3%降濾失劑+重晶石，加重至1.45 g/cm3。根據(jù)基礎(chǔ)配方配制的鉆井液在130 ℃老化16 h后，其基本性能如表4所示。

表4 基漿基本性能Table 4 Basic properties of base drilling fluid

從表4可以看出，該基礎(chǔ)配方在密度為1.45 g/cm3和高溫老化(130 ℃)的情況下，塑性粘度和動(dòng)切力均在合理范圍內(nèi)，鉆井液流變性較好；高溫高壓失水量?jī)H為2.4 mL，有效減少鉆井液向地層的濾失，有利于井壁穩(wěn)定性的提高；其破乳電壓為566 V(55 ℃時(shí)測(cè)量)，大于標(biāo)準(zhǔn)值(400 V)，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井要求。

4 油基鉆井液性能評(píng)價(jià)

4.1 不同密度油基鉆井液性能

鉆井液的密度對(duì)于鉆井液的流變性和穩(wěn)定性有著較大影響，為了保證在不同密度情況下油基鉆井液都能具有良好的性能，采用重晶石將配制好的油基鉆井液分別加重至1.30、1.35、1.40、1.45、1.50、1.55 g/cm3，檢測(cè)其在130 ℃下老化16 h后的基本性能。結(jié)果如表5所示。

表5 不同密度油基鉆井液性能Table 5 Properties of oil-based drilling fluids with different densities

由表5可看出，在130 ℃下老化16 h后，鉆井液密度從1.30 g/cm3增大到1.55 g/cm3時(shí)，隨著密度增大該油基鉆井液塑性粘度從27 mPa·s逐漸增加到35 mPa·s，塑性粘度增加不大且始終保持在適宜范圍之內(nèi)。動(dòng)切力和動(dòng)塑比都隨鉆井液密度增大而逐漸增大，當(dāng)密度>1.45 g/cm3時(shí)，動(dòng)塑比始終大于0.35，鉆井液具有很好的攜巖性能。因此可知，在不同密度情況下，該油基鉆井液體系都具有良好的流變性能。隨著密度增加，其破乳電壓逐漸增大，高溫高壓濾失量逐漸降低。該油基鉆井液體系破乳電壓始終保持在560 V以上，高溫高壓濾失量<2.4 mL，說明該體系在不同密度情況下具有良好的穩(wěn)定性。

4.2 不同溫度油基鉆井液性能

將密度為1.50 g/cm3的油基鉆井液在90、110、130、150、170 ℃下老化16 h，然后檢測(cè)其基本性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同溫度老化后油基鉆井液性能Table 6 Oil-based drilling fluid properties after agingat different temperatures

由表6可以看出，隨著溫度從90 ℃升高至150 ℃，破乳電壓始終大于550 V，高溫高壓濾失量<2.8 mL。說明該油基鉆井液體系在90～150 ℃下具有良好的乳化穩(wěn)定性和流變性。表明該油基鉆井液體系抗溫性能達(dá)到150 ℃，滿足焦頁197-4HF井三開鉆井需要。

4.3 抗污染性

為了應(yīng)對(duì)鉆井液可能受到的污染，通過加入不同量的污染物，在130 ℃下老化16 h，對(duì)油基鉆井液的抗污染性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 油基鉆井液抗污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Anti-pollution experiment results of oil-based drilling fluids

從表7可以看出，隨著劣質(zhì)土加量增加至10%，鉆井液流變性沒有明顯變化，高溫高壓濾失量增加不明顯，說明該鉆井液體系對(duì)劣質(zhì)土不敏感。隨著氯化鈉和氯化鈣含量的增加，鉆井液塑性粘度和高溫高壓濾失量有稍微增加，破乳電壓沒有明顯降低，說明該鉆井液具有良好的抗鹽侵性能[13-14]。隨著原油量的增加，該鉆井液破乳電壓升高，表觀粘度和高溫高壓濾失量有少量增大，說明該鉆井液體系具有較好的抗原油污染能力。

5 油基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)配制

(1)二開中完固井后，將循環(huán)罐中鉆井液清空，并將地面罐清理干凈；

(2)用清水清洗所有泥漿罐、循環(huán)管線和泥漿泵；

(3)在配漿罐中注入0#柴油；

(4)根據(jù)優(yōu)選好的配方，在混合漏斗處依次加入2.5%主乳化劑、1.3%輔乳化劑、1.5%有機(jī)土、2.8%CaO、1.5%增粘劑、3%降濾失劑；

(5)在膠液罐倉內(nèi)加入20 m3清水+ 5.2 t CaCl2配制26%的CaCl2水溶液；把配好的鹽水在混合漏斗處通過泥漿泵緩慢加入鉆井液中；

(6)使用攪拌器進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁_保油基鉆井液充分乳化。

(7)鉆井液充分乳化后，繼續(xù)攪拌，加入3%～4%的超細(xì)碳酸鈣和重晶石，調(diào)整泥漿密度至1.45 g/cm3，最后檢測(cè)鉆井液性能。

5.2 油基鉆井液替漿步驟

(1)準(zhǔn)備10 m3柴油作為隔離液備用。

(2)先泵入6 m3柴油隔離液，然后泵送配制好的油基鉆井液。在泵送油基鉆井液的過程中，要求排量要盡可能大，并且不能停泵，以保證頂替效果較好。

(3)在泵送油基鉆井液的過程中，要時(shí)刻關(guān)注出口處返漿。當(dāng)隔離液全部返排到分離池，直到未受污染的油基鉆井液出現(xiàn)時(shí)，才將鉆井液導(dǎo)入循環(huán)罐中。

(4)油基鉆井液替漿完成后，使用大排量循環(huán)鉆井液，直至鉆井液性能穩(wěn)定。并且利用大排量循環(huán)期間篩除油基鉆井液中的堵漏材料。

(5)油基鉆井液循環(huán)均勻后，測(cè)定全套性能，符合設(shè)計(jì)要求后開始三開鉆井施工。

5.3 油基鉆井液主要性能控制

5.3.1 密度的控制

根據(jù)前期地質(zhì)勘探資料顯示的地質(zhì)壓力系數(shù)以及鄰井資料作為參考，確定焦頁197-4HF井三開鉆井液密度為1.45～1.51 g/cm3。根據(jù)表4所示不同密度油基鉆井液性能評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)油基鉆井液體系在密度為1.45～1.51 g/cm3時(shí)具有良好的流變性和穩(wěn)定性。

在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)井下返砂和氣測(cè)值的大小等情況，逐步調(diào)整鉆井液密度[2]。另外，在鉆井液中起加重作用的重晶石會(huì)在鉆進(jìn)過程中不斷消耗，因此鉆進(jìn)過程中要適時(shí)補(bǔ)充重晶石，保持鉆井液密度穩(wěn)定。過低的鉆井液密度會(huì)導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定和地層流體的侵入，但是過高的鉆井液密度不利于提高鉆速和保護(hù)儲(chǔ)層。在保證鉆井安全的前提下，要盡可能使用低密度鉆井液。本井最終完鉆密度為1.51 g/cm3。

5.3.2 流變性的控制

固相含量和溫度是影響油基鉆井液塑性粘度的主要因素。而溫度和由加重材料導(dǎo)致的固相含量增量是很難避免的，因此在使用油基鉆井液的過程中，要控制好由鉆屑、劣質(zhì)土等劣質(zhì)固相導(dǎo)致的固相含量的增加。振動(dòng)篩是鉆井液固相控制的第一道防線，三開鉆進(jìn)時(shí)振動(dòng)篩要使用200～250目篩網(wǎng)，能夠有效減少較大顆粒的劣質(zhì)固相。另外要適當(dāng)使用離心機(jī)，減少細(xì)顆粒的劣質(zhì)固相，避免塑性粘度快速升高。在水平井鉆進(jìn)過程中，要尤其注意鉆井液的攜巖性能。使用有機(jī)土提高低剪切力鉆井液流變性，有助于降低巖屑沉降現(xiàn)象[15]。根據(jù)表3室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了使鉆井液體系有較好的動(dòng)切力，鉆井液應(yīng)時(shí)常補(bǔ)充有機(jī)土，以保證有較好的攜巖能力。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)時(shí)，要根據(jù)油基鉆井液固相含量的增加和密度的提高，適量補(bǔ)充輔乳化劑，從而改善鉆井液體系中固相的潤(rùn)濕性，提高鉆井液體系的穩(wěn)定性，改善流變性能。

5.3.3 濾失量控制

焦頁197-4HF井水平井段完全在頁巖地層中鉆進(jìn)，頁巖具有強(qiáng)的親水性，但是不親油。油基鉆井液中的連續(xù)相是柴油，因此使用油基鉆井液在頁巖地層中鉆進(jìn)時(shí)濾失量很低。根據(jù)上述室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文優(yōu)選和使用的油基鉆井液體系高溫高壓濾失量在3 mL以下。為了提高對(duì)近井壁地層的封堵能力，減少油基鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害，井深3500 m后選用液體瀝青和1200目超細(xì)碳酸鈣進(jìn)行復(fù)配，提高鉆井液封堵能力，降低油基鉆井液的消耗。

5.3.4 乳化穩(wěn)定性控制

確保乳狀液的穩(wěn)定性是保證油基鉆井液性能穩(wěn)定的關(guān)鍵，通常是用破乳電壓(Es)定量衡量乳狀液穩(wěn)定性。破乳電壓越高就表明油基鉆井液體系具有越好的乳化穩(wěn)定性。破乳電壓的大小通常跟油水比、固相潤(rùn)濕程度、剪切狀況、電解質(zhì)的濃度、溫度等有關(guān)。在配制油基鉆井液時(shí)，要一次性加入足量的主乳化劑，并且充分?jǐn)嚢?、剪切。在鉆進(jìn)過程中，要根據(jù)鉆井液乳化穩(wěn)定性的變化，適時(shí)加入主乳化劑和輔乳化劑。

5.4 鉆井液應(yīng)用效果

5.4.1 穩(wěn)定性好

在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，鉆井液性能沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)。在維護(hù)鉆井液性能時(shí)，只需用配制的新漿補(bǔ)充循環(huán)量，就能滿足鉆進(jìn)要求。油基鉆井液施工過程中性能變化見表8。

從表8可以看出，鉆井過程中，油基鉆井液的粘度和切力沒有發(fā)生太大變化，固相含量始終控制在26%以下，鉆井液流變性控制的很好。高溫高壓濾失量始終小于3 mL，降濾失效果好。在維護(hù)過程中沒有加乳化劑的情況下，破乳電壓仍保持上升的趨勢(shì)，表明該鉆井液體系具有較好的穩(wěn)定性。

表8 焦頁197-4HF井三開鉆井液性能Table 8 Drilling fluid properties for the third section of Well Jiaoye 197-4HF

5.4.2 井壁穩(wěn)定性好、防塌效果強(qiáng)

使用該油基鉆井液體系鉆進(jìn)，返排的巖屑棱角分明、大小均勻，如圖1所示，說明巖屑在鉆井液中并沒有被分散。將巖屑掰開，巖屑內(nèi)部并沒有被鉆井液潤(rùn)濕，表明該鉆井液體系具有較強(qiáng)的抑制性。

圖1 三開巖屑樣品Fig.1 Cuttings sample from the third section

表9是三開井段電測(cè)數(shù)據(jù)，該井三開平均井徑為228.7 mm，平均井徑擴(kuò)大率僅為5.92%。表明該井三開鉆進(jìn)過程中，井壁沒有出現(xiàn)坍塌、掉塊等井壁不穩(wěn)定的情況。也表明該鉆井液抑制性強(qiáng)，使用該鉆井液能夠有效提高井壁穩(wěn)定性，保證井下鉆進(jìn)的安全。因此可以認(rèn)為，該油基鉆井液具有較好的井壁穩(wěn)定和防塌效果。

表9 焦頁197-4HF井三開井徑數(shù)據(jù)Table 9 The third section diameter data of Jiaoye 197-4HF Well

5.4.3 封堵性強(qiáng)

三開前期僅使用3%降濾失劑，根據(jù)表8可以看出，高溫高壓濾失量在2.8 mL以下，降濾失效果較好。鉆進(jìn)至3500 m后，增加3%～4% 1200目超細(xì)碳酸鈣和2%液體瀝青，提高鉆井液體系的封堵性。從表8可以看出，加入超細(xì)碳酸鈣和液體瀝青后，鉆井液的高溫高壓濾失量降低到了2.2 mL左右，鉆井液失水得到了有效的控制。因此可以說明該油基鉆井液體系封堵性強(qiáng)，有利于減少鉆進(jìn)過程中的鉆井液消耗。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出了適用于焦頁197-4HF井三開的油基鉆井液體系，并對(duì)該油基鉆井液體系進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)表明，在不同密度、不同溫度以及受污染的情況下，該油基鉆井液具有較好的流變性和穩(wěn)定性，符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

(2)三開鉆井液密度確定為1.45～1.51 g/cm3。在鉆進(jìn)過程中，加強(qiáng)一級(jí)固控，三開鉆進(jìn)振動(dòng)篩使用200～250目，適當(dāng)使用離心機(jī)，減少無用固相。鉆進(jìn)時(shí)要根據(jù)鉆井液性能參數(shù)的變化，適時(shí)補(bǔ)充主乳化劑、輔乳化劑和重晶石。

(3)采用超細(xì)剛性粒子與可變形封堵劑復(fù)配使用，能夠有效地增強(qiáng)油基鉆井液對(duì)近井壁地層的物理封堵性，降低失水，較少油基鉆井液的損耗。

(4)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該油基鉆井液具有穩(wěn)定性好、抑制性強(qiáng)、防塌效果好和封堵性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合在該地區(qū)推廣使用。