臨興致密氣區(qū)塊降阻鉆井液研究及應(yīng)用

賈 佳，夏忠躍，馮 雷，范志坤

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452

目前，致密氣開發(fā)由于自然產(chǎn)能低或基本無產(chǎn)能，需要采用低成本高效開發(fā)模式。在鉆井作業(yè)過程中，多口井出現(xiàn)了托壓、鉆具遇阻、遇卡等高摩阻的情況，部分井由于托壓嚴(yán)重，未能鉆至設(shè)計(jì)井深，提前完鉆，不能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)氣藏目的。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)進(jìn)行模擬反演，顯示正常鉆進(jìn)和下套管過程中的摩阻系數(shù)均較高，為了降低摩阻，有必要開展鉆井液相關(guān)研究。

1 鉆井液研究

1.1 已鉆井情況

臨興區(qū)塊已鉆井顯示，一些井摩阻過大未鉆至設(shè)計(jì)深度，見表1，部分井設(shè)計(jì)井深與設(shè)計(jì)完鉆深度相差275 m，影響了致密氣開發(fā)的效果和質(zhì)量。

表1 高摩阻未正常完鉆井統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)情況，對(duì)已鉆井的摩阻系數(shù)進(jìn)行了反演，鉆進(jìn)過程中裸眼段摩阻系數(shù)約0.40，見圖1，比正常摩阻系數(shù)0.25大；下套管過程中裸眼段摩阻系數(shù)為0.45，見圖2，比正常摩阻系數(shù)0.30偏大。為了降低摩阻，有必要開展鉆井液相關(guān)研究。

圖1 臨興區(qū)塊鉆進(jìn)過程中摩阻系數(shù)

圖2 臨興區(qū)塊下套管過程中摩阻系數(shù)

1.2 地質(zhì)特征

臨興鉆遇的地層依次有第四系、三疊系紙坊組、三疊系和尚溝組、劉家溝組、石千峰組、石盒子組、山西組、太原組、本溪組等[1-2]，見圖3，地層非均質(zhì)性強(qiáng)，連續(xù)性差，具有低孔、低溫、低滲的特點(diǎn)。

圖3 臨興區(qū)塊地層情況統(tǒng)計(jì)

1.3 地層敏感性分析

為了解地層敏感性情況，對(duì)臨興區(qū)塊地層開展了堿敏、水敏、速敏、酸敏、鹽敏分析[3-4]，結(jié)果見表2。臨興區(qū)塊地層表現(xiàn)為弱堿敏特征，中強(qiáng)水敏特征；臨界流速為0.41 mL/min，中等偏弱速敏；酸敏損害率平均為54.3%，中等偏強(qiáng)酸敏特征；臨界鹽度12 500 mg/L，弱鹽敏特征。

表2 臨興地區(qū)儲(chǔ)層敏感性研究分析表

1.4 降阻鉆井液體系的研制

根據(jù)臨興地層堿敏、水敏、速敏、酸敏、鹽敏特征，將超雙疏理論及材料引進(jìn)到鉆井液體系中，形成了適合臨興區(qū)塊KCl雙疏封堵鉆井液體系方案。一般情況下，固相和液相進(jìn)行接觸時(shí)，存在一定的角度，稱為接觸角，接觸角的范圍是0～180°，當(dāng)接觸角為0時(shí)，液體在固體表面完全鋪展開；接觸角是0～90°時(shí)，有一定的潤(rùn)濕性；接觸角大于90°時(shí)，液體對(duì)固體表面已不呈現(xiàn)潤(rùn)濕性；當(dāng)角度增加至130°～140°時(shí)，液體呈現(xiàn)對(duì)固體表面的排斥性；當(dāng)接觸角增加到150°以上時(shí)，形成“荷花效應(yīng)”，可以有效排斥固體，見圖4。

圖4 荷花效應(yīng)示意圖

荷花的自潔效應(yīng)與表面的微觀結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，其葉面上存在著許多復(fù)雜的納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)，形成了一個(gè)又一個(gè)的乳突，間距12 μm，每個(gè)乳突由直徑為200 nm的突起組成。這些乳突的存在，使得液體接觸荷葉時(shí)，只能與類似“山包”的凸起點(diǎn)接觸，不會(huì)浸濕葉面。

根據(jù)“荷花效應(yīng)”的原理，研制了超雙疏劑，該雙疏劑由直徑100 nm以下的納米材料組成，該種結(jié)構(gòu)可以在井壁表面形成乳突，當(dāng)鉆井液與之接觸時(shí)，不會(huì)浸濕井壁，降低表面張力，實(shí)現(xiàn)雙疏效果[5]。利用實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)超雙疏劑加量對(duì)表明張力的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著加量增加，表明張力迅速下降，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%以后時(shí)，表面張力的變化緩慢，當(dāng)加量增加至3%時(shí)，基本趨于穩(wěn)定，不再變化，見圖5。所以，3%的加量為最優(yōu)加量[6-7]。

圖5 巖心表面張力隨超雙疏處理劑加量的變化

1.5 提高鉆井液潤(rùn)滑性

對(duì)不同類別潤(rùn)滑劑對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如圖6所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，LUBE潤(rùn)滑劑的性能比較突出。

使用LUBE作為潤(rùn)滑劑時(shí)，不同加量對(duì)潤(rùn)滑性能的影響不盡相同，如圖7。隨著加量的增加，泥包黏滯系數(shù)先下降，當(dāng)加至1%以后，基本保持不變；隨著加量增加，E-P極壓潤(rùn)滑系數(shù)減少，當(dāng)加至1%以后，基本保持不變。同時(shí)考慮到成本因素，建議后續(xù)井作業(yè)時(shí)，LUBE加量范圍為1%～2%。

圖6 不同種類潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑性能數(shù)據(jù)對(duì)比

為了進(jìn)一步降低水平井作業(yè)時(shí)的摩阻，以緩解托壓?jiǎn)栴}，研究了石墨加量對(duì)潤(rùn)滑性能的影響，在添加2%LUBE潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)配方中，分別添加0.5%、1%、1.5%的潤(rùn)滑劑，考察不同加量對(duì)潤(rùn)滑性能的影響，結(jié)果見圖8。

圖8 不同石墨加量時(shí)潤(rùn)滑性能數(shù)據(jù)對(duì)比

隨著加量增加，潤(rùn)滑性能提高，但0.5%加量以后，潤(rùn)滑性能提高速率變慢，基本保持一致。所以，對(duì)于水平井作業(yè)時(shí)，建議添加0.5%的石墨來進(jìn)一步降低作業(yè)摩阻。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

對(duì)鉆井液進(jìn)行改進(jìn)后，鉆井作業(yè)中的遇阻、遇卡現(xiàn)象得到了有效控制，同時(shí)，水平井的托壓現(xiàn)象也得到了明顯緩解，同時(shí)使用水力振蕩器等提效工具[9]，水平井最大井深可以鉆至3 500 m，多口水平井實(shí)現(xiàn)了正常完鉆。改進(jìn)前，水平井鉆井工期約50 d，改進(jìn)后水平井工期約36 d，工期縮短了28%，如圖9。

圖9 折算成3000 m當(dāng)量深度水平井改進(jìn)前后工期對(duì)比

3 結(jié)論

對(duì)影響摩阻較大的鉆井液進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研制了KCl雙疏鉆井液體系，超雙疏劑的最優(yōu)加量為3%。對(duì)潤(rùn)滑劑的加量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，潤(rùn)滑劑LUBE的最優(yōu)加量范圍為1%～2%。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)添加0.5%的石墨可進(jìn)一步增強(qiáng)潤(rùn)滑性能。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，改進(jìn)后的鉆井液可以有效緩解致密氣水平井高摩阻問題，鉆井工期可以縮短28%。