渤海A 油田φ311 mm 井眼鉆井液鉀離子加量評價與應(yīng)用

陳建宏，沈德新，呂廣，喬中山

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452；2.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）

渤海A 油田位于渤海南部海域，明化鎮(zhèn)組、館陶組及東營組均有油層鉆遇。A 油田明化鎮(zhèn)組巖石單軸抗壓強(qiáng)度基本小于10 MPa，屬于軟弱地層。東營組火成巖較為發(fā)育，有安山巖、玄武巖，也有凝灰?guī)r等；受凝灰?guī)r壓實(shí)程度影響，東營組和沙河街組地層單軸抗壓強(qiáng)度波動劇烈，一些層位單軸抗壓強(qiáng)度僅5 MPa，不利于井壁的穩(wěn)定，鉆井作業(yè)面臨井壁失穩(wěn)坍塌等難題[1-2]。

1 作業(yè)難點(diǎn)

渤海A 油田明化鎮(zhèn)組地層壓實(shí)程度較低，平均機(jī)械鉆速可達(dá)115 m/h，明化鎮(zhèn)下部存在大段軟泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)較為疏松，倒劃眼短起鉆期間頻繁憋泵蹩扭矩，同時下鉆遇阻易出新井眼，振動篩處多見黏軟泥團(tuán)及細(xì)碎巖屑。東營組地層火成巖空間分布復(fù)雜，跨越井段長千余米，火成巖地層圍壓高，鉆開地層后裂縫易延展，且內(nèi)部泥質(zhì)易水化膨脹，井眼極易失穩(wěn)造成坍塌，振動篩處返出大量硬質(zhì)泥巖鉆屑及黏軟泥巖，鉆進(jìn)及倒劃眼短起鉆期間頻發(fā)井壁失穩(wěn)坍塌掉塊、井徑擴(kuò)大現(xiàn)象，嚴(yán)重影響作業(yè)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

渤中A 油田φ311 mm 井眼鉆遇明化鎮(zhèn)組、館陶組及東營組地層，使用改進(jìn)型PEC 鉆井液體系，該體系對泥頁巖的抑制以適當(dāng)抑制為主。通過向鉆井液中加入KCl，加入的氯離子本身具備一定的抑制性，再加上鉀離子的抑制作用，能夠有效抑制泥巖水化膨脹，解決火成巖地層坍塌掉塊問題。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)的鉀離子加量范圍[3]。

采用頁巖線性膨脹法或頁巖滾動回收率法來研究、優(yōu)化鉆井液的抑制性能，其中泥頁巖線性膨脹可以直接體現(xiàn)出地層巖屑在受到鉆井液侵入后的膨脹程度，頁巖滾動回收率可直接體現(xiàn)鉆屑在鉆井液中浸泡不同時間后的狀態(tài)變化情況。同時采用兩種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并相互驗(yàn)證。

2.1 頁巖線性膨脹法

將泥頁巖樣粉（過100 目篩）在105 ℃條件下烘干4 h 以上，冷卻至室溫；用天平稱取10 g 樣品裝入壓模內(nèi)，用手拍打壓模，將做好的巖樣模置于油壓機(jī)平臺上，加壓至4 MPa，10 min 后泄壓，取出壓制好的巖樣；將制備好的泥巖樣品放入測試杯中，置于膨脹量測定儀底座上，按下確定，開始實(shí)驗(yàn)。儀器會自動記錄巖樣的原始厚度，并且持續(xù)記錄下巖樣的膨脹情況。

2.2 頁巖滾動回收率法

將粉碎后的明化鎮(zhèn)組巖屑過6～10 目篩，在105 ℃烘箱中加熱干燥4 h；待溫度降至室溫后稱取20 g 烘干的巖屑，裝入老化罐中。向老化罐中加入350 mL 的待評價鉆井液，在100 ℃下熱滾16 h；熱滾完畢，用40目篩子回收巖屑。將回收的巖屑轉(zhuǎn)移到已干燥稱重的玻璃片上，烘干4 h。取出后放入干燥器，待溫度降至室溫，稱重。滾動回收率計算方法為：

式中：M1-滾動后，稱取巖屑和玻璃片的質(zhì)量，g；M2-滾動前，稱取巖屑的質(zhì)量，g；M3-玻璃片干重，g。

2.3 巖樣

采用現(xiàn)場錄取的巖屑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。錄取的明化鎮(zhèn)組泥頁巖、東營組泥巖、東營組沉凝灰?guī)r、東營組玄武巖見圖1。

圖1 從左至右為明化鎮(zhèn)組泥頁巖、東營組泥巖、東營組沉凝灰?guī)r、東營組玄武巖

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 明化鎮(zhèn)組泥巖在蒸餾水、鹽水中的線性膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。

表1 明化鎮(zhèn)組泥巖在不同鹽水中線性膨脹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 明化鎮(zhèn)組泥巖在不同鉆井液濾液中線性膨脹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

東營組不同巖樣在鉆井液中的線性膨脹率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。其中鉆井液基漿配方為：3%海水膨潤土漿+0.2%Na2CO3+0.2%NaOH+0.4%PF-PAC-LV+0.5%PFVIF+5%PF-BIOCAP+2%PF-LSF+2%PF-SPNH HT+3%PF-JLX C+1%PF-SMP HT+1.2%NaCl。

表3 東營組不同巖樣在鉆井液中線性膨脹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

取油田東營組巖屑，開展泥頁巖滾動回收率實(shí)驗(yàn)（表4）。評價的實(shí)驗(yàn)方法參考標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5613—2016《泥頁巖理化性能測試方法》中的泥頁巖滾動回收率實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。

表4 巖屑滾動回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.2 數(shù)據(jù)分析 從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1 和表2 分析可知：（1）無論是在鹽水還是在鉆井液中，明化鎮(zhèn)泥巖在8 h之后，膨脹率變化較?。唬?）明化鎮(zhèn)泥巖在鹽水中，以鹽水（Cl-：100 000 mg/L）為基礎(chǔ)分別加入5 000 mg/L、15 000 mg/L、30 000 mg/L 鉀離子后，線性膨脹率分別降低7.84%、16.66%、32.17%；（3）明化鎮(zhèn)泥巖在鉆井液中，以鉆井液（Cl-：100 000 mg/L）為基礎(chǔ)分別加入5 000 mg/L、15 000 mg/L、30 000 mg/L 鉀離子后，線性膨脹率分別降低19.84%、49.81%、61.87%；（4）在Cl-含量一定的情況下，K＋加量對抑制性影響較大,K＋加入5 000 mg/L后，抑制性能便有一定的提高。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表3 分析可知：（1）東營組泥巖在鉆井液中的線性膨脹率最高，沉凝灰?guī)r次之，玄武巖的線性膨脹率最低。（2）不同濃度KCl 溶液的膨脹率都高于蒸餾水的膨脹率，KCl 濃度越高膨脹率反而越大。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表4 分析可知：（1）從巖屑滾動回收率結(jié)果看，K+具有較強(qiáng)的抑制效果，能夠保持鉆屑在井筒中的完整性；（2）鉆井液中不含K+時，16 h 巖屑的滾動回收率達(dá)到86.47%，能夠保持鉆屑的適度分散；（3）K+含量為5 000 mg/L時，鹽水對明化鎮(zhèn)泥巖的滾動回收率相對不含K+的鹽水有較大提高，當(dāng)K+含量達(dá)到15 000 mg/L時，滾動回收率從18.45%提高至35.47%，回收率提高近一倍[4-8]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

渤中A 油田已成功完鉆70 余口井，其中φ311 mm井眼均采用改進(jìn)型PEC 鉆井液體系并加入鉀離子。具體操作為：（1）一開下入φ339.7 mm 套管至800 m 左右；（2）二開φ311 mm 井眼采用海水/膨潤土漿鉆進(jìn)至1 600 m 左右，轉(zhuǎn)化為改進(jìn)型PEC 體系，繼續(xù)鉆進(jìn)至2 450 m 左右，循環(huán)干凈后加入KCl 至K+含量6 000 mg/L左右；（3）維持K+含量不變，倒劃眼短起至上層管鞋；（4）下鉆至井底，循環(huán)加入KCl 至K+含量15 000 mg/L左右；（5）二開φ311 mm 井眼鉆進(jìn)至中完層位東二下，期間通過膠液逐步提高循環(huán)池K+含量至25 000～30 000 mg/L；（6）維持K+含量不變，倒劃眼段起下鉆，并下入φ244.5 mm 套管。

3.1 鉆井液性能穩(wěn)定

明化鎮(zhèn)、館陶組活性軟泥頁巖黏土礦物含量很高，明化鎮(zhèn)組大段泥巖疏松，土相分散。東營組火成巖裂縫發(fā)育同時改進(jìn)型PEC 鉆井液體系本身抑制性偏弱、流變性可調(diào)控性差[9]，進(jìn)而造成鉆井液黏度、固相含量等偏高。在改進(jìn)型PEC 中加入KCl后，隨著K+含量增加，鉆井液表現(xiàn)出良好的流變性能，鉆進(jìn)過程中性能穩(wěn)定，維護(hù)量少。A47 井φ311 mm 井眼鉆井液性能參數(shù)見表5。

表5 A47 井φ311 mm 井眼鉆井液性能變化

3.2 生產(chǎn)時效高

該油田在探井評價階段，鉆井液中未加入K+，φ311 mm 井眼平均生產(chǎn)時效84.21%。在該油田開發(fā)階段，通過優(yōu)化鉆井液中K+加入量及加入時機(jī)，鉆井生產(chǎn)時效提升至92.33%（表6）。

表6 A47 井φ311 mm 井眼鉆井液性能變化

4 結(jié)論

（1）結(jié)合線性膨脹實(shí)驗(yàn)和滾動回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)K+含量達(dá)到5 000 mg/L時，鉆井液具有適度的抑制性能，再根據(jù)現(xiàn)場的施工經(jīng)驗(yàn)，推薦明化鎮(zhèn)組K+含量為0～5 000 mg/L。

（2）一定含量的Cl-也具備抑制性能，推薦鉆井液轉(zhuǎn)型時將Cl-含量提高至10 000 mg/L。

（3）鉆井液轉(zhuǎn)化前的抑制性較差，形成的井徑有一定擴(kuò)大，井壁較松軟，通過倒劃眼可以破壞原有松軟井壁，形成新的致密泥餅，從而加固井壁，推薦在明化鎮(zhèn)組下段短起時將K+含量提高至5 000 mg/L。

（4）渤海A 油田鉆井液中適宜的K+含量保證井壁穩(wěn)定同時提高倒劃眼時效，為解決火成巖垮塌提供了一種思路，應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化應(yīng)用。