適用于北部灣盆地易坍塌地層的水基鉆井液研究

朱志潛 管 申 陳 力 任冠龍 劉賢玉

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 )

北部灣盆地存在大量易坍塌地層，特別是在潿州組和流砂港組地層，鉆井過程中容易發(fā)生井壁失穩(wěn)問題。潿洲組地層的巖性以灰色、褐灰色泥巖及粉砂巖為主，儲(chǔ)層的層理和微裂縫也十分發(fā)育。泥巖水敏性較強(qiáng)，易產(chǎn)生水化膨脹分散；鉆井液濾液進(jìn)入微裂縫，又會(huì)產(chǎn)生較大的膨脹壓力[1-2]，加速井壁巖層的剝落和破碎，誘發(fā)井壁坍塌。流砂港組地層的硬脆性頁巖發(fā)育，據(jù)全巖礦物分析，黏土礦物含量在25%～34%，部分井段黏土礦物含量超過50%。在黏土礦物中，又以伊/蒙混層和伊利石為主，伊蒙混層與伊利石相對含量平均值超過60%。巖心水敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，流砂港組的水敏指數(shù)為66.60%～92.96%。流砂港組的硬脆性頁巖表面為縱橫交織的微裂縫，在壓差作用下，鉆井液濾液易進(jìn)入微裂縫。伊蒙混層及伊利石等膨脹性黏土礦物與濾液接觸后會(huì)發(fā)生水化膨脹，造成泥巖受力不均勻，加劇濾液侵入和微裂縫擴(kuò)張，導(dǎo)致井周巖石水化剝落掉塊[3-5]。經(jīng)過長期的實(shí)踐探索，形成了一套適用于北部灣盆地易坍塌地層的油基鉆井液體系，可有效解決潿洲組和流砂港組的井壁穩(wěn)定問題。但采用油基鉆井液需要及時(shí)處理油基廢棄物，環(huán)保方面的難度很大，因此后來改用了水基鉆井液。

針對北部灣盆地W油田的實(shí)際情況，研究改進(jìn)了水基鉆井液體系，并就配套的完井液進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)選。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的水基鉆井液在抑制性、封堵性等關(guān)鍵指標(biāo)上接近油基鉆井液，可以有效抑制易坍塌泥頁巖的水化分散，封堵效果較好。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)型水基鉆完井液能夠滿足鉆完井作業(yè)需求，對儲(chǔ)層的保護(hù)效果較好。

1 鉆井液配方改進(jìn)

北部灣盆地W油田使用的鉆井液，原配方為：海水+3 kg/m3燒堿+1.5 kg/m3純堿+7 kg/m3PF-PACLV(低黏聚陰離子纖維素)+30 kg/m3PF-LSF(瀝青樹脂)+70 kg/m3KCl+4 kg/m3PF-PLUS+重晶石加重。該鉆井液體系的封堵性較差，液相活度較低，靜態(tài)穩(wěn)定性較差，儲(chǔ)層保護(hù)效果較差。針對易坍塌地層的特性，對鉆井液體系進(jìn)行了優(yōu)化。

1.1 封堵劑優(yōu)選

封堵劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，共設(shè)計(jì)10組單劑配方與7組復(fù)配配方。其中，基漿配方為：2.5%海水般土漿+2.5 kg/m3燒堿+2 kg/m3純堿+6 kg/m3PF-PACLV+50 kg/m3KCl+3 kg/m3PF-PLUS+普通重晶石加重(至密度1.40 g/cm3)。各組實(shí)驗(yàn)所用配方見表1和表2。

表1 封堵劑單劑實(shí)驗(yàn)配方

表2 封堵劑復(fù)配實(shí)驗(yàn)配方

測試結(jié)果顯示，PF-NRL、PF-TEX I、PF-LSF、SOLTEX和PF-FT-1降濾失劑，其API濾失量VAPI及高溫高壓(120 ℃，3.5 MPa)濾失量Vhthp較低(見表3)，封堵效果較好。將優(yōu)選的封堵劑復(fù)配使用時(shí)，VAPI與Vhthp相差不大(見表4)。現(xiàn)場作業(yè)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，對上述封堵劑進(jìn)行復(fù)合搭配使用。

表3 封堵劑單劑配方優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 復(fù)配封堵劑配方優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2 抑制劑優(yōu)選

原鉆井液體系中使用KCl作為抑制劑。KCl可以有效降低富含蒙脫石的水敏性頁巖地層的膨脹壓，但無法有效阻止濾液和鉆井液侵入頁巖，不能堵塞孔吼或者改變頁巖的滲透性。NaCl可以有效阻止鉆井液水相進(jìn)入地層泥頁巖，從而起到抑制泥巖分散的作用。因此，在鉆井液體系中引入NaCl，讓它與KCl一起協(xié)同作用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鉆井液中引入12%NaCl，可有效提高鉆井液的液相黏度，較好地降低侵入泥頁巖的濾液量，有助于穩(wěn)定井壁。從滾動(dòng)回收率指標(biāo)來看，12%NaCl的抑制巖屑分散效果等同于2%KCl的效果(見圖1)，其防膨脹率可達(dá)90%以上。試樣中加入5%KCl時(shí)造漿抑制率為96.8%，而加入12%NaCl后造漿抑制率為95.6%，相差不大。

圖1 抑制劑KCl和NaCl的滾動(dòng)回收率對比

1.3 靜態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)化

一般鉆井液的變質(zhì)是由于地層、地面、空氣的細(xì)菌侵入，對鉆井液部分材料如淀粉、纖維素、樹膠或類似物質(zhì)等造成細(xì)菌污染，使鉆井液發(fā)生惡臭，pH值降低，從而影響鉆井液的靜態(tài)穩(wěn)定性。通過加入NaCl而改變水的滲透壓，可以有效對付鉆井液中的細(xì)菌(微生物)。高濃度鹽水會(huì)提高鉆井液水相與細(xì)菌(微生物)滲透壓，讓細(xì)菌脫水，導(dǎo)致細(xì)菌失水死亡。因此，在改進(jìn)型鉆井液中引入無機(jī)鹽NaCl，能有效防止鉆井液變質(zhì)，提高鉆井液的靜態(tài)穩(wěn)定性。

1.4 儲(chǔ)層保護(hù)效果優(yōu)化

在鉆井液中引入12%NaCl能有效降低鉆井液活度，使鉆井液活度與地層水達(dá)到平衡，減少濾液浸入地層，甚至使地層水反向侵入鉆井液，這有助于保護(hù)儲(chǔ)層。同時(shí)，12%NaCl的加量能將鉆井液密度由1.03 g/cm3提高至1.09 g/cm3，相當(dāng)于能夠降低3.7%的惰性加重材料的固相含量。惰性固相含量低，有利于儲(chǔ)層保護(hù)。另外，引入NaCl后，原體系中作為降慮失劑的改性淀粉，在高礦化度的鉆井液中變得更加不容易發(fā)酵變質(zhì)，較高的礦化度體系可有效抑制細(xì)菌的侵蝕。

1.5 完井酸化儲(chǔ)層改造液優(yōu)化

改進(jìn)常規(guī)的隱形酸體系，通過增加孔道疏通劑、雙效型固體酸破膠劑、降壓助排劑等處理劑，研制了酸化儲(chǔ)層改造液體系。形成的新體系配方為：海水+10%雙效型固體酸破膠劑+8%孔道疏通劑+20%～30%降壓助排劑+4%防水鎖劑+2.5%黏土穩(wěn)定劑+4.25%～5.0%高溫緩蝕劑。

相比隱形酸體系，儲(chǔ)層改造液的主要改進(jìn)有：(1) 引入既降解聚合物又能溶蝕喉道礦物的復(fù)合有機(jī)酸。相比多氫酸，復(fù)合有機(jī)酸具有較好的深部酸化能力，且不會(huì)造成溶蝕礦物微粒運(yùn)移，無二次傷害。(2) 引入防水鎖劑HAR，這是一種含氟的非離子表面活性劑，可通過降低氣-液表面張力和改變儲(chǔ)層巖石潤濕性，有效解除水鎖傷害。(3) 引入降壓助排劑，它可與儲(chǔ)層中殘余水混合形成低沸點(diǎn)的共沸物，有效降低返排壓力。(4) 優(yōu)選黏土穩(wěn)定劑HTA，并優(yōu)化了黏土穩(wěn)定劑的加量。新體系中，黏土防膨脹率可達(dá)95%。

2 鉆井液體系性能評價(jià)

2.1 新體系的基本性能

改進(jìn)后的水基鉆井液體系的基本配方為：海水+3 kg/m3燒堿+1.5 kg/m3純堿+5 kg/m3PF-FLOTORL(改性淀粉)+30 kg/m3PF-LSF+30 kg/m3PF-NRL+70 kg/m3KCl+120 kg/m3NaCl+4 kg/m3PF-PLUS+20 kg/m3PF-UHIB+20 kg/m3PF-HLUB+重晶石加重。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果(見表5)，改進(jìn)后的鉆井液體系的濾失量更低，具有更好的封堵性能，且攜砂能力更優(yōu)。鉆井作業(yè)過程中，根據(jù)井壁穩(wěn)定情況可調(diào)整鉆井液密度和封堵材料加量，提高鉆井液體系的包被抑制性和潤滑性，形成質(zhì)量良好的泥餅。

表5 優(yōu)化前后鉆井液的基本性能

2.2 新體系的抑制性

通過引入PF-UHIB(聚合胺)及PF-HLUB(防泥包潤滑劑)來提高鉆井液的抑制性。改進(jìn)前后的鉆井液頁巖膨脹率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。新體系的24 h頁巖膨脹率僅為11.3%，而原體系的頁巖膨脹率為16.1%，蒸餾水的頁巖膨脹率為90.5%。從防泥包性能來看，據(jù)防泥包實(shí)驗(yàn)結(jié)果，新體系具有較高的防泥包能力，泥包率僅為3%，而原體系的泥包率為15%左右。

圖2 鉆井液體系頁巖膨脹率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 新體系的儲(chǔ)層保護(hù)效果

為測試改進(jìn)型鉆井液的滲透率恢復(fù)值，共進(jìn)行了13組滲透率恢復(fù)評價(jià)實(shí)驗(yàn)。相比原鉆井液體系，改進(jìn)型鉆井液保護(hù)油氣儲(chǔ)層的效果更好。表6所示為其中一組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

表6 優(yōu)化前后鉆井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)效果

據(jù)儲(chǔ)層改造液和隱形酸的巖屑酸化率評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表7)，儲(chǔ)層改造液的酸化效果較好，酸液溶蝕率在4.24%～9.46%。這與儲(chǔ)層巖屑酸溶物的含量有一定的關(guān)系。隱形酸液的溶蝕效果為負(fù)值。隱形酸反應(yīng)后，相當(dāng)于巖屑中的碳酸鈣(分子量為100)被酸液溶蝕，置換成了石膏(分子量為172)，所以溶蝕率為負(fù)值。

表7 溶蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

儲(chǔ)層改造液、隱形酸的滲透率恢復(fù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。儲(chǔ)層改造液對巖心的煤油滲透率恢復(fù)值超過120%，對儲(chǔ)層的巖心具有一定的溶蝕和增大孔喉的作用。隱形酸對巖心的煤油滲透率恢復(fù)值處于78%～90%的范圍，對儲(chǔ)層巖心的溶蝕與孔喉增大作用較弱。

表8 酸化液巖心滲透率恢復(fù)值測試結(jié)果

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

北部灣W油田二期開發(fā)項(xiàng)目共計(jì)有30口井，分3批實(shí)施。主要目的層為潿州組三段與流沙港組，油田的地層壓力系數(shù)為1.0～1.46。壓力系數(shù)跨度較大，不確定性因素多，且需用大井斜穿越鉆遇潿二段大套灰色泥巖及流沙港組大段硬脆性頁巖，井壁穩(wěn)定、井控和儲(chǔ)層保護(hù)方面壓力大。第一批與第二批開發(fā)井均采用油基鉆井液作業(yè)，第三批開發(fā)井因?yàn)榄h(huán)保的要求而改用水基鉆井液作業(yè)。

針對W油田的特點(diǎn)，采用改進(jìn)后的水基鉆井液體系，提高鉆井液的封堵性與抑制性。表9反映了第三批開發(fā)井B30井鉆井過程中泥漿性能維護(hù)的情況。

表9 B30井鉆進(jìn)過程中鉆井液的基本性能

開鉆時(shí)，鉆井液密度為1.3 g/cm3；進(jìn)入潿州組二段后，鉆井液密度加大為1.34～1.36 g/cm3，維持封堵材料濃度(20～30 kg/m3PF-LSF+20～30 kg/m3PF-NRL+10 kg/m3PF-EZCARB)，同時(shí)提高鉆井液黏度與動(dòng)切力，維持泥漿攜砂能力，保證泥漿具有合適的包被抑制性，返出巖屑以不粘篩、不粘手為準(zhǔn)。在流沙港組一段，鉆井液密度提升至1.42～1.44 g/cm3；進(jìn)入流二段前，提高了封堵材料濃度(60～70 kg/m3PF-LSF+40～50 kg/m3PF-NRL+10～15 kg/m3PF-FT-1+15～20 kg/m3PF-EZCARB)；進(jìn)入油頁巖前，鉆井液密度提高為1.46 g/cm3，堅(jiān)持加入碳酸鈣、瀝青材料，剛性和軟性封堵材料搭配，以加強(qiáng)對頁巖、油頁巖微裂縫和層理的封堵。鉆進(jìn)期間，密切關(guān)注篩面返出。每鉆進(jìn)150～200 m，掃8～10 m3稀塞+8～10 m3重稠漿，充分利用高目數(shù)振動(dòng)篩(140目)和三臺(tái)高轉(zhuǎn)速離心機(jī)，勤檢查更換破損篩布，加強(qiáng)固相控制。鉆進(jìn)、循環(huán)期間，少有剝落、掉塊，井壁穩(wěn)定較好，起下鉆、下套管較為順利，作業(yè)效率接近第一批、第二批開發(fā)井。

第三批開發(fā)井的產(chǎn)量數(shù)據(jù)如圖3所示。油藏配產(chǎn)650 m3/d，而實(shí)際測試結(jié)果，各井的日產(chǎn)量合計(jì)為1 030 m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過配產(chǎn)量，取得了較好的實(shí)踐成果。

圖3 W油田第三批開發(fā)井的產(chǎn)量

4 結(jié) 語

針對北部灣盆地易坍塌地層的特點(diǎn)，為解決井壁失穩(wěn)問題，減小對儲(chǔ)層的傷害，滿足環(huán)保要求，研究改進(jìn)了水基鉆井液配方，形成新型水基鉆井液體系和儲(chǔ)層改造液。通過實(shí)驗(yàn)，測試了新型水基鉆井液體系和儲(chǔ)層改造液的性能。新型水基鉆井液體系具有良好的封堵性、抑制性和攜砂能力，可以有效保護(hù)儲(chǔ)層；可有效抑制泥巖水化分散、膨脹，頁巖膨脹率僅為11.3%；可形成質(zhì)量良好的泥餅，有利于井壁穩(wěn)定。儲(chǔ)層改造液對儲(chǔ)層巖心具有一定溶蝕作用，可有效增大孔喉，酸化效果較好，巖心滲透率恢復(fù)值較高。在北部灣W油田二期開發(fā)項(xiàng)目的第三批開發(fā)井，嘗試采用改進(jìn)后的水基鉆井液體系，提高鉆井液的封堵性與抑制性。結(jié)果在易坍塌地層的鉆進(jìn)過程中，井壁穩(wěn)定性較好，起下鉆和下套管都較為順利；同時(shí)，儲(chǔ)層保護(hù)效果較好，油田實(shí)際產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過油藏配產(chǎn)。