神木雙山三開優(yōu)化水平井鉆井液技術應用

孫永強,劉召友,屈艷平

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司,陜西 西安 710018)

與其他區(qū)塊不同,神木雙山具有上部地層缺失,延長組底部欠壓實,坍塌嚴重,垂深淺等地層特點,同時該區(qū)塊普遍存在劉家溝承壓能力低的特點,為了解決塌漏矛盾,把井身結構設計成三開優(yōu)化,即技術套管下到石千峰地層,把漏層全部封住,這樣就有效解決了塌漏矛盾的問題,但是斜井段和水平段處在同一裸眼段,又產生了新的問題,后期水平段施工摩阻扭矩大,加之鉆具懸重輕,給后期滑動和下套管帶來困難。為解決這一問題,實現安全鉆井,開展一套針對神木雙山三開優(yōu)化水平井的鉆井液體系配方的研究,通過現場應用,該體系抑制性防塌能力強,潤滑防卡效果好,易于發(fā)現油氣顯示,機械鉆速高,很好地滿足了該區(qū)塊三開優(yōu)化結構水平井安全快速鉆井施工的需求,為神木雙山三開優(yōu)化水平井效益勘探開發(fā)提供了寶貴經驗和技術支撐。

1 地質構造及鉆井液技術難點

1.1 地質構造及特點

神木雙山區(qū)塊從地質構造上來說位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西北側,構造形態(tài)為一北傾大型平緩單斜,平均坡降約3～10 m/km。其地質分層主要為第四系黃土層、延安組、延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組、石千峰組、石盒子組、山西組、太原組和本溪組。水平井水平段的主力目的層主要為石盒子、山西和太原組。與蘇里格相比該區(qū)塊最明顯的地質特征為延安組砂泥巖混層,易發(fā)生泥頁巖吸水膨脹,造成縮徑,導致起鉆困難,遇阻遇卡。延長組底部和紙坊組上部砂泥巖互層,泥巖中的黏土礦物含量為89.1%,伊蒙混層占黏土礦物總量的97%,是水敏性很強的泥頁巖,屬于典型的易膨脹分散的地層,遇水極易發(fā)生坍塌。紙坊組、和尚溝、劉家溝、石千峰、石盒子地層黏土成分高,造漿性極強,容易造成性能惡化。劉家溝組承壓能力低,容易發(fā)生井漏。

1.2 鉆井液技術難點

根據該區(qū)塊的地質特點以及實際施工情況,該區(qū)塊具有以下的技術難點

(1)表層延安組易縮徑。

(2)延長組底部與紙坊組上部地層極易垮塌。

(3)劉家溝組地層承壓能力低,普遍存在滲透性漏失

(4)斜井段雙石層泥巖易垮塌。

(5)三開優(yōu)化井,水平段斜井段在同一裸眼段,加上神木雙山區(qū)塊目的層垂深淺鉆具懸重小,水平段滑動比較困難。

2 具體原因分析和技術對策

2.1 表層延安組防縮徑

延安組含黏土礦物主要以蒙脫石為主且膠結性很好,吸水晶格增大膨脹后連結力依然很強,極易導致井徑縮小,表層起鉆遇阻,因此我們表層鉆穿第四系后,選用低黏度低比重的聚合物鉆井液,漏斗黏度控制在30 s左右,不控制失水,讓井壁表層充分水化膨脹而較深層不水化,二層之間失去連結力,從而表層巖石剝落,恢復原來的井徑,保證表層起鉆通暢。

2.2 延長底部與紙坊上部防塌

神木雙山區(qū)塊上部地層缺失,延長組垂深淺,地層欠壓實,鉆開地層后,地層應力釋放,可能瞬間垮塌。并且由于延長底和紙坊下部硬脆性泥巖發(fā)育,水敏性強,鉆進過程中不斷吸水膨脹,極易再次垮塌,形成“大肚子”井眼,一旦鉆井液處理不好,就可能導致大段劃眼復雜,甚至卡鉆。針對地層特點,二開采用天然高分子低固相鉆井液體系,通過高分子材料的封堵和降失水作用,氯化鉀中的K+防塌,配合1.12 g/cm3以上的比重支撐井壁,有效地解決了神木雙山區(qū)塊延長底部的易坍塌難題。

2.3 劉家溝承壓能力低

劉家溝組是典型的壓差漏失,對泥漿黏切、比重比較敏感,尤其在王家砭、金雞灘周邊的井位表現突出。因此,泥漿上罐后,必須同時抓好兩方面工作:

(1)用好固控設備保持泥漿的低含砂,在滿足井控安全的前提下,盡可能采用低比重泥漿,通過現場試驗,王家砭、金雞灘附近井場的劉家溝組,鉆井液密度上限在1.16～1.18 g/cm3左右;

(2)控制好泥漿黏切,保持泥漿好的流動性。性能要求漏斗黏度45 s左右,動切力4 Pa左右?？刂颇酀{黏切同時,還應保證降失水材料的用量,避免造成井塌等新的復雜。

2.4 斜井段雙石層泥巖垮塌

斜井段泥頁巖微納米級裂縫發(fā)育,為鉆井液侵入提供了天然通道。同時在井底壓差、毛細管力、化學勢差等驅動力作用下,鉆井液(濾液)迅速侵入巖層內部,鉆井液濾液的“楔入”作用,促使微裂縫的開裂、擴展、分叉、再擴展。加上較大的井斜,改變了地層原有的力學平衡,在物理、化學的共同下,導致雙石層的泥巖極易垮塌。根據坍塌機理,從以下方面著手。

(1)強抑制。保持井筒泥漿的10%～13%的KCl含量,可適當復配一些工業(yè)鹽,維持鉆井液的抑制性,保證返出巖屑成型、不糊篩網。

(2)強封堵,要以鉆井液性能為判斷標準,要求中壓失水不大于4 mL,并且能形成薄而堅韌的泥餅。

Sharma 1999: Rama Nath Sharma, The Aādhyāyi of Pāini Vol. IV: English Translation of Adhyāyas Four and Five with Sanskrit Text, Transliteration, Word-Boundary, Anuvtti, Vtti, Explanatory Notes, Derivational History of Examples,and Indices, New Delhi: Munshiram Manoharlal Publishers Pvt. Ltd.

(3)合理的鉆井液密度。要根據井斜提高鉆井液密度,來平衡地層的坍塌壓力,提密度時還應綜合考慮鉆井液潤滑性,防止滑動托壓黏卡等因素,因此要盡量減少重晶石等固相加重劑的加入量,盡量通過氯化鉀和工業(yè)鹽來加重,具體標準為: 井斜30°前,密度1.15～1.17 g/cm3,以鹽提比重為主;30°～50°,密度1.17～1.22 g/cm3,以鹽提比重為主;50°～60°,密度1.22～1.25 g/cm3,鹽和重晶石復配提比重;60°～入窗,密度1.25～1.30 g/cm3,以重晶石提比重為主。

2.5 三開裸眼段長,摩阻扭矩大,完鉆下套管困難

水平段斜井段在同一裸眼段,重力效應突出,摩阻扭矩大:上提、下放鉆具的阻力增加,鉆進加壓困難;鉆柱摩擦阻力大、扭矩大,下部鉆具易屈曲,傳遞扭矩困難。加上神木雙山區(qū)塊目的層垂深淺,鉆具懸重輕,水平段滑動比較困難。長裸眼段下套管作業(yè)難度大:三開優(yōu)化井套管需下入長裸眼段的大斜度井段和水平段,在正常下入過程中由于摩阻較大,下部套管段可能會產生屈曲變形,使套管下入難度大,甚至難以下到預定深度。針對該難點制定以下技術措施。

(1)最大限度使用各級固控設備,清除鉆井液中的各種粒徑有害固相,減小濾餅的摩擦系數,從而降低鉆具在井壁上的摩擦。

(2)選用合理的鉆井液性能:根據井斜和地層巖性調整鉆井液密度,從力學上保證井壁穩(wěn)定,井筒不變形。鉆井液動切力要和泥漿泵的排量相匹配,保證鉆屑能及時循環(huán)出去,不在井內堆積。

(3)優(yōu)選高效的固體潤滑劑和液體潤滑劑配合使用,保證鉆井液的潤滑劑含量在10%以上,進一步減小鉆具在井內的摩擦。

(4)根據摩阻扭矩情況,水平段每鉆進300～500 m短程起下鉆一次,目的是修復不規(guī)則的井壁,破壞井筒內巖屑床,使井眼保持清潔通暢,減小鉆具在井筒內的接觸面積。

3 配方優(yōu)選及現場應用效果

(1)取該井直井段泥漿作為基漿,性能:密度1.04 g/cm3,漏斗黏度31 s,失水12 mL,做小型試驗,對天然高分子封堵材料加量進行評價。通過實驗數據分析,綜合考慮降失水效果和增黏效應決定NAT20加量為0.8%,井漿加NFA25,加量為1.5%時降失水效果最為經濟實用。實驗配方和實驗結果,如表1和表2。其他材料的選用和加量,根據現場實際情況調整,這里不再贅述。

表1 基漿加不同含量NAT20的性能對比(API)

表2 基漿加不同含量NFA25的性能對比(API)

(2)雙47-58H3井,根據不同地層的地質特點,精細化調整現場實際鉆井液的比重黏度,延長紙坊組比重控制在1.12左右,漏斗黏度在40 s左右,來防止延長底部坍塌,石千峰組控制漏斗黏度精度小于50 s,防止鉆頭泥包,入窗前比重1.30左右,防止大斜度井段垮塌,水平段根據巖性及時調整性能,但總體漏斗黏度不宜超過70 s,防止循環(huán)壓耗過高,壓漏地層,具體的比重黏度如圖1所示,滿足了現場安全快速鉆井的需要,滿足現場井控安全的需要。

圖1 不同地層的比重黏度變化

二開石千峰組鉆進,控制較低的鉆井液黏度,同時保持井筒泥漿10%～13%的KCl含量,并且復配一些工業(yè)鹽,維持鉆井液整體較強的抑制性,減少地層黏土的水化分散,保證鉆井液體系和性能的穩(wěn)定。圖2為鉆進至石千峰易造漿地層時,振動篩返出的砂樣,從圖中可以看出,巖屑成型不糊振動篩,說明鉆井液抑制性良好。

圖2 石千峰地層振動篩返出的巖屑

(3)雙47-58H3控制摩阻扭矩的措施及水平段實際摩阻扭矩情況:摩阻扭矩對水平井施工具有重要的影響,尤其對于大位移井而言,因其具有水平位移長、井斜角大以及裸眼穩(wěn)斜段長的特點,摩阻、扭矩的預測和控制是成功鉆成一口水平井的關鍵和難點所在。為控制和減少摩阻、扭矩,該井首先優(yōu)化井眼軌跡,從本質上降低鉆具在井內的摩阻扭矩。其次提高鉆井液封堵性,中壓失水小于3 mL,防止因為該地區(qū)油藏埋藏淺,造斜點淺,地層較軟,所鉆水平井井深大,鉆井周期長,在大斜度井段井壁失穩(wěn)等一系列的問題。最后提高鉆井液的動切力在10 Pa以上,配合合理的鉆井泵排量,滿足于井眼凈化要求。同時,適當增加短起下次數和起鉆前循環(huán)鉆井液等,對摩阻扭矩和立管壓力進行實時監(jiān)測,一旦發(fā)生摩阻、扭矩、泵壓異常,采取相應措施,排除因巖屑床的形成導致的井下復雜事故。

圖3和圖4分別為水平段的摩阻扭矩情況,從圖中可以看出,上提摩阻和空轉扭矩隨著水平段的延長,增長比較平穩(wěn),說明井筒內比較清潔,鉆井液潤滑性好。

圖3 水平段的摩阻情況

圖4 水平段的扭矩情況

4 結論與建議

(1)針對神木雙山區(qū)塊延長底欠壓實、易坍塌特點,該體系兼顧物理力學防塌和化學抑制封堵防塌,保證了延長組下部和紙坊組上部地層的穩(wěn)定,保證了大斜度井段和水平段泥巖的穩(wěn)定,為后期施工提供了井下安全保障。

(2)該區(qū)塊劉家溝一旦發(fā)生漏失,停泵后井內會反吐鉆井液,并且一次堵漏成功率較低,所以劉家溝以防漏為主,并且仍需探索一次堵漏成功的技術和工藝。

(3)因為大斜度井段和水平段在同一裸眼段,井壁浸泡時間長,摩阻扭矩大,因此斜井段的井壁穩(wěn)定和平滑的軌跡顯得尤為重要,對后期水平段鉆進和滑動,以及完井下套管等作業(yè)影響較大。

(4)合理的鉆井液性能,是三開優(yōu)化水平井順利施工的關鍵,無論是鉆井液比重對井壁的支撐還是,化工材料的抑制封堵,都是井下正常的前提,尤其是泥漿的動切力和潤滑性對三開優(yōu)化水平井的安全施工顯得尤為重要。