渤中某區(qū)塊儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液體系研究及應(yīng)用

宋曉偉

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，天津 300452)

渤中某區(qū)塊主要含油層段為沙河街組沙一段，儲(chǔ)層沉積微相為扇三角洲分流河道沉積，該區(qū)塊沙一段儲(chǔ)層具有低孔中滲的特征，孔隙度分布在10.1%～15.7%之間，平均孔隙度為12.7%。后期成巖作用及地層水的溶蝕作用導(dǎo)致該區(qū)塊的沙河街組沙一段微裂縫十分發(fā)育。在鉆井過程中，若鉆井液封堵效果不好，泥餅質(zhì)量不佳，濾液極易通過微裂縫進(jìn)入地層深部，引起泥頁巖的水化膨脹，會(huì)直接導(dǎo)致井壁失穩(wěn)等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

針對渤中某區(qū)塊沙河街地層特點(diǎn)，作者在分析鉆井技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)無固相鉆井液進(jìn)行改進(jìn)，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%HCOOK海水溶液作為基液，構(gòu)建了一套新型儲(chǔ)層保護(hù)強(qiáng)抑制鉆井液體系，并對其性能進(jìn)行評價(jià)，擬為渤海油田的高效開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析

通過對渤中某區(qū)塊以往探井及開發(fā)井的作業(yè)方式和鉆井液使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)鉆井技術(shù)難點(diǎn)主要包括以下幾方面：(1)沙河街組地層井壁失穩(wěn)的頻率很高，甚至部分井在施工過程中，出現(xiàn)了嚴(yán)重的井壁垮塌，或由于井壁不規(guī)則造成了惡性卡鉆，這對渤中某區(qū)塊的后續(xù)開發(fā)造成不利影響；(2)沙河街組油藏埋藏較深，需要較高的泥漿密度來平衡地層孔隙壓力，采用高密度鉆進(jìn)不利于儲(chǔ)層保護(hù)；(3)該區(qū)塊傳統(tǒng)完井方式為套管射孔完井，而渤中某3P1井屬6″非常規(guī)小井眼，采用裸眼下打孔管完井，對鉆井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)效果要求較高。

2 鉆井液體系的構(gòu)建

為進(jìn)一步提高鉆井液體系抑制效果，采用具有濁點(diǎn)效應(yīng)[1]的抑制劑與基液中的HCOOK協(xié)同作用。高于濁點(diǎn)溫度時(shí)，抑制劑通過濁點(diǎn)效應(yīng)自水相中發(fā)生相分離[2]，由于界面張力的存在，分離出的抑制劑可封堵地層孔隙；同時(shí)，在井壁、鉆屑和鉆具表面形成憎水膜，通過改變表面的親水親油性，抑制濾液侵入，避免泥頁巖水化分散，從而穩(wěn)定井壁。憎水膜能在鉆具上吸附，隔絕了鉆井液與鉆具的直接接觸，因此能降低施工過程中鉆具的扭矩[3]。

化學(xué)封堵劑PF-GREENSEAL可以在高鹽度體系中實(shí)現(xiàn)對頁巖表面和頁巖微裂縫的封堵作用。在泥漿體系中，由于體系pH值較高(通常在9以上)，化學(xué)封堵劑主要以鋁絡(luò)合物的形式溶解在鉆井液中。當(dāng)鉆井液濾液進(jìn)入地層后，由于pH值降低，鋁絡(luò)合物沉淀析出，并在孔隙、裂縫的喉道處形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，封堵微裂縫，降低濾失量，同時(shí)延緩鉆井液壓力向地層傳遞，提高作業(yè)時(shí)的井壁穩(wěn)定性[4]。

2.1 基液抑制性對比評價(jià)

針對沙河街地層在前期鉆井過程中出現(xiàn)的井壁不穩(wěn)定情況，通常采用KCl聚合物體系提高鉆井液的密度和封堵性，但K+抑制性不足以穩(wěn)定井壁，同時(shí)常規(guī)封堵材料無法進(jìn)入微裂縫，不能克服和規(guī)避地應(yīng)力釋放導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)和井眼坍塌。

將巖樣中主要水化粘土礦物(蒙脫石、伊利石)浸泡在不同濃度的無機(jī)鹽溶液中，利用X-射線衍射儀測定晶面間距，考察無機(jī)鹽溶液對水化粘土礦物晶面間距的影響，結(jié)果見表1。

晶面間距越小，說明無機(jī)鹽溶液對粘土礦物的抑制性越強(qiáng)。從表1可以看出，蒙脫石在HCOOK溶液中浸泡后，晶面間距最小；伊利石晶面間距變化不大?？紤]到蒙脫石是主要的水化粘土礦物，造漿性最強(qiáng)，說明HCOOK溶液抑制粘土礦物水化膨脹性最強(qiáng)。因此，選取HCOOK溶液作為鉆井液基液。

表1 無機(jī)鹽溶液對水化粘土礦物晶面間距的影響

測得海水、飽和KCl、飽和HCOOK、飽和HCOONa溶液的水活度分別為0.99、0.85、0.25、0.30，其中飽和HCOOK溶液的水活度最低。

2.2 化學(xué)封堵劑評價(jià)

為了直觀評價(jià)化學(xué)封堵劑在頁巖表面的封堵效果，分別使用20%HCOOK溶液、20%HCOOK溶液+2%PF-GREENSEAL封堵頁巖巖心進(jìn)行壓力傳遞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用掃描電鏡觀察加入化學(xué)封堵劑前后頁巖巖心表面的微觀形貌，結(jié)果見圖1。

圖1 不同溶液的封堵效果比較(×3000倍)

從圖1可以看出，使用化學(xué)封堵劑(PF-GREENSEAL)前，頁巖表面存在大量的孔隙和微裂縫；使用化學(xué)封堵劑后，對孔隙和微裂縫進(jìn)行了有效封堵，提高了頁巖的承壓能力，有利于降低鉆井液濾失量、提高鉆井過程中的井壁穩(wěn)定性。

2.3 鉆井液體系的構(gòu)建

結(jié)合最新活度理論和地層水的活度，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%HCOOK海水溶液作為基液，降低鉆井液體系的活度，減少濾液浸入地層，甚至使地層水反向侵入鉆井液；同時(shí)復(fù)配化學(xué)封堵劑，增加頁巖半透膜效應(yīng)和井壁的機(jī)械強(qiáng)度，提高沙河街地層的井壁穩(wěn)定性。沙河街地層孔隙壓力大，常規(guī)低密度無固相體系不能平衡地層壓力，需采用高密度無固相體系，而密度越高越不利于儲(chǔ)層保護(hù)，為實(shí)現(xiàn)高密度鉆井液的儲(chǔ)層鉆進(jìn)，結(jié)合傳統(tǒng)無固相體系的優(yōu)勢，采用逐級(jí)擬合充填技術(shù)，提高儲(chǔ)層保護(hù)效果。針對非常規(guī)小井眼作業(yè)，為滿足工程裸眼下打孔管作業(yè)要求，通過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了一套新型儲(chǔ)層保護(hù)強(qiáng)抑制鉆井液體系，其基礎(chǔ)配方為：基液+0.2%燒堿+0.2%純堿+0.15%提切劑+6%暫堵劑+3%降濾失劑+5%抑制劑+2%封堵劑+3%潤滑劑，石灰石加重至1.45 g·cm-3。

3 鉆井液體系的性能評價(jià)

3.1 防塌性能

通過測定強(qiáng)抑制鉆井液體系熱滾前后的性能及巖屑滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)評價(jià)其防塌性能，并與KCl聚合物體系及無固相體系進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。

表2 不同鉆井液體系的防塌性能

從表2可以看出，熱滾后，3種體系的流變性變化不大。強(qiáng)抑制鉆井液體系采用EZVIS提黏，流變性好；利用抗高溫淀粉降失水，F(xiàn)LHTHP最低，且?guī)r屑滾動(dòng)回收率最高。

3.2 返排性能(表3)

從表3可以看出，強(qiáng)抑制鉆井液體系的返排平衡壓力低，適合于儲(chǔ)層裸眼完井。

3.3 抗污染性能

為模擬現(xiàn)場鉆進(jìn)，對強(qiáng)抑制鉆井液體系進(jìn)行不同加量的鉆屑污染實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 強(qiáng)抑制鉆井液體系的抗污染性能

從表4可以看出，隨著鉆屑加量的增加，整體固相含量升高，鉆井液體系的切力略微上升，但仍在可控范圍內(nèi)，同時(shí)，其它性能基本無變化。表明該鉆井液體系具有較強(qiáng)的抗污染能力，性能穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 P1井基本情況

P1井為渤中某區(qū)塊一口常規(guī)定向井，7″尾管下至3 642 m，7″尾管掛頂深為2 540.85 m，渤中某區(qū)塊P1S1井從7″尾管(3 195 m)開窗側(cè)鉆，屬于6″小井眼作業(yè)，完鉆深度3 452 m(垂深3 367.56 m)，完鉆層位屬沙河街組，完鉆后下打孔管到位，轉(zhuǎn)入完井投產(chǎn)作業(yè)。

4.2 開鉆

計(jì)算HCOOK海水溶液加量，保證開鉆前鉆井液充分循環(huán)剪切；封堵性：鉆進(jìn)期間，維持井漿中封堵劑及暫堵劑的含量，保證泥餅質(zhì)量；失水性：鉆進(jìn)過程中，利用降濾失劑降低失水，要求FLAPI<3 mL，F(xiàn)LHTHP<10 mL；抑制性：維持抑制劑含量不低于3%，并保證K+含量不低于40 000 mg·L-1；潤滑性：鉆進(jìn)期間，保持潤滑劑含量在3%～4%以上，如需滑動(dòng)鉆進(jìn)或鉆進(jìn)期間扭矩偏高，可向井漿中加入1%～2%的高效潤滑劑，增強(qiáng)鉆井液體系的極壓潤滑性。強(qiáng)抑制鉆井液體系配制完成后，充分剪切循環(huán)，替入井筒，循環(huán)一個(gè)周期后，振動(dòng)篩取樣，由于工程原因，P1井暫停作業(yè)，強(qiáng)抑制鉆井液體系留在井筒內(nèi)長達(dá)半個(gè)月，再次轉(zhuǎn)入該井作業(yè)，各階段強(qiáng)抑制鉆井液體系的性能見表5。

從表5可以看出，強(qiáng)抑制鉆井液體系靜置半個(gè)月后，其性能整體變化不大。

表5 開鉆前及靜置半個(gè)月的強(qiáng)抑制鉆井液體系的性能

4.3 鉆進(jìn)和維護(hù)

P1井采用強(qiáng)抑制鉆井液體系后，在鉆進(jìn)過程中，各項(xiàng)鉆井參數(shù)平穩(wěn)，泥漿性能良好且易于調(diào)控，未出現(xiàn)黏切大幅上升的情況。

在鉆進(jìn)過程中，鉆井液體系攜帶性能好，振動(dòng)篩返砂較多，返出的巖屑邊緣無明顯水化情況，顆粒規(guī)整，鉆頭齒痕清晰，無掉片。

4.4 倒劃眼和處理

該區(qū)塊之前使用KCl聚合物體系鉆進(jìn)時(shí)，井壁失穩(wěn)情況時(shí)有發(fā)生，短起下不順利，經(jīng)常遇阻，在倒劃眼過程中，頻繁壓蹩扭矩，振動(dòng)篩返出掉片甚至掉塊。采用強(qiáng)抑制鉆井液體系后，在倒劃眼期間，各項(xiàng)參數(shù)平穩(wěn)，倒劃眼作業(yè)順利，振動(dòng)篩未觀察到明顯的掉片。倒劃眼短起至窗口，下鉆至井底，井眼順暢，開泵循環(huán)，性能基本穩(wěn)定。

4.5 下打孔管作業(yè)

經(jīng)過方案討論、對比，選擇采用打孔管+管外封隔器的作業(yè)方案。本井段決定在裸眼段下打孔管(在裸眼完井的基礎(chǔ)上可實(shí)施電纜射孔作業(yè))，該方式屬于非常規(guī)完井，井眼空置40 h，下打孔管順利到位，期間無遇阻顯示。

5 結(jié)論

(1)針對渤中某區(qū)塊沙河街地層特點(diǎn)，對傳統(tǒng)無固相鉆井液進(jìn)行改進(jìn)，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%HCOOK海水溶液作為基液，構(gòu)建了一套新型儲(chǔ)層保護(hù)強(qiáng)抑制鉆井液體系。

(2)通過HCOOK溶液的低活度特點(diǎn)，提高了該鉆井液體系的抑制性；通過鉆井液材料的逐級(jí)填充，提高了該鉆井液體系的封堵性；通過化學(xué)封堵、聚合醇，提高了該鉆井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)性能。

(3)對比傳統(tǒng)套管射孔完井，渤中某區(qū)塊P1S1井下打孔管裸眼完井在渤海灣是首次嘗試，節(jié)省鉆完井工期4 d?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該鉆井液體系針對性強(qiáng)，能有效解決該區(qū)塊作業(yè)難點(diǎn)，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，縮短鉆井工期，大大降低鉆井成本，可在區(qū)塊推廣使用和批量作業(yè)。