新型納米膠乳封堵劑在陸豐區(qū)塊的應(yīng)用

魯毅

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518000)

近年來,隨著油氣勘探向深部地層發(fā)展,鉆遇的地層也日趨復(fù)雜,其中古近系、前古近系、古潛山等成為勘探重點(diǎn)。這些地層中的低孔滲泥頁巖在鉆井過程中往往會(huì)出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定等問題,給油氣勘探工作帶來一定困難[1-2]。采用水基鉆井液鉆探泥頁巖地層時(shí),由于頁巖具有低滲透率(nD級(jí))、低孔吼尺寸(nm級(jí))、易水化和吸水膨脹等特性,傳統(tǒng)的封堵/降濾失劑雖然能夠減緩濾液侵入,但很難形成有效的封堵層,無法防止鉆井液在頁巖中的孔隙壓力傳遞,從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn),嚴(yán)重影響油氣勘探工作的進(jìn)程[3-4]。因此,需要一種新型的封堵劑,能夠在頁巖孔隙和微裂縫中形成納米級(jí)封堵層,有效阻止鉆井液的侵入,并降低鉆井液在頁巖中的孔隙壓力傳遞速度,從而提高井壁穩(wěn)定性。PF-NSEAL作為一種納米膠乳封堵劑,具有納米級(jí)粒徑分布、抗溫耐鹽性好、起泡低、安全環(huán)保等特點(diǎn),能夠在頁巖孔隙和微裂縫中形成高效的封堵層,有效防止鉆井液的侵入,并降低鉆井液在頁巖中的孔隙壓力傳遞速度,從而提高井壁穩(wěn)定性。因此,將PF-NSEAL應(yīng)用于深部地層低孔滲泥頁巖的鉆探中,會(huì)是一種十分有潛力的解決方案,有望為油氣勘探工作帶來重大改善。本文旨在研究PF-NSEAL在陸豐區(qū)塊的應(yīng)用,探究其在解決深部低孔滲泥頁巖井壁失穩(wěn)等問題中的作用和優(yōu)勢,以期為油氣勘探工作的進(jìn)展提供有效支持。

1 納米膠乳封堵劑作用機(jī)理

納米膠乳封堵劑(PF-NSEAL)是以水、單體、乳化劑為原料,通過乳液聚合技術(shù)制得的一種核殼型聚合物膠乳納米材料,其微觀形貌如圖1所示。

由圖1可以看出,PF-NSEAL呈球形,由疏水內(nèi)核和親水外殼組成,粒徑在100 nm左右。鑒于其核殼結(jié)構(gòu)和球形形貌,與鏈狀高分子聚合物有明顯不同,不會(huì)因高溫/高鹽/高剪切環(huán)境下分子鏈的蜷縮或者斷裂而導(dǎo)致聚合物失效,從粒子層面確保了其優(yōu)異的抗鹽抗溫和剪切分散性能[5]。同時(shí),由于具備納米級(jí)尺寸,PF-NSEAL可有效封堵深部地層頁巖的納米級(jí)孔隙和微裂縫,降低鉆井液在頁巖中的滲透率和孔隙壓力傳遞速度[6-7]。此外,核殼結(jié)構(gòu)賦予了PF-NSEAL可變形能力,在壓力作用下能在頁巖表面形成致密薄層,實(shí)現(xiàn)全方位封堵;通過與常規(guī)封堵材料協(xié)同作用,可實(shí)現(xiàn)多級(jí)封堵,從而穩(wěn)定頁巖井壁[8]。

圖1 PF-NSEAL微觀形貌圖

2 納米膠乳封堵劑室內(nèi)評(píng)價(jià)

2.1 頁巖孔隙壓力傳遞評(píng)價(jià)

室內(nèi)對(duì)比評(píng)價(jià)了4%鹽水、基漿、基漿+3%PF-NSEAL的頁巖孔隙壓力傳遞情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?4%鹽水和基漿在污染頁巖時(shí),其孔隙壓力隨時(shí)間變化逐漸增大,傳遞速率偏高;而在基漿基礎(chǔ)上添加3%PF-NSEAL后,孔隙壓力傳遞速率明顯下降,這說明PF-NSEAL起到了封堵頁巖納米孔隙的作用,明顯阻止了孔隙壓力傳遞,有效降低了頁巖孔隙壓力傳遞速率。

圖2 PF-NSEAL頁巖孔隙壓力傳遞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 微孔封堵評(píng)價(jià)

室內(nèi)對(duì)比評(píng)價(jià)了基漿、基漿+2%進(jìn)口納米膠粉(NanoShield)、基漿+2%PF-NSEAL的微孔封堵情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 PF-NSEAL微孔封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出,不管是填砂封堵實(shí)驗(yàn),還是PPT封堵實(shí)驗(yàn),相比基漿和基漿+進(jìn)口的納米膠粉(NanoShield),基漿+PF-NSEAL侵入深度更小,濾失量更低,說明PF-NSEAL具有更好的微孔封堵效果。

選取基漿及基漿+2%PF-NSEAL的PPT封堵測試泥餅在掃描電鏡下觀察,微觀形貌如圖3所示。發(fā)現(xiàn)基漿的PPT封堵測試泥餅表面存在較多微孔隙,而加入了PF-NSEAL的泥餅中的微孔隙則被球狀核殼結(jié)構(gòu)微粒所填充,這從微觀角度支撐了PF-NSEAL的低濾失結(jié)果,也是其微孔封堵機(jī)理的有力證明。

圖3 基漿(左)、基漿+2% PF-NSEAL(右)泥餅SEM 掃描電鏡

3 納米膠乳封堵劑現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 區(qū)塊簡介

PF-NSEAL首次于陸豐7-8區(qū)塊進(jìn)行應(yīng)用。其中陸豐7-8-1井設(shè)計(jì)鉆穿古近系地層,古近系地層恩平組泥巖易吸水膨脹出現(xiàn)剝落垮塌,頻繁誘發(fā)井下復(fù)雜事故,且勘探部要求鉆穿古近系前嚴(yán)格控制鉆井液密度在1.15～1.20 g/cm3。按照南海東部海域古近系地層穩(wěn)定性研究,鉆井液密度需達(dá)到1.20 g/cm3以上才能滿足井壁穩(wěn)定性的需求,所以需要在既定鉆井液設(shè)計(jì)體系基礎(chǔ)上引入配伍性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用的新型材料以解決低密度條件下的井壁穩(wěn)定問題。

PF-NSEAL主要應(yīng)用于陸豐7-8-1井8-1/2″井段古近系地層:恩平組上部(3 085～3 440 m)以薄-巨厚層淺灰色、灰白色含礫中砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主,夾薄-厚層褐灰色、灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖,局部見黑色薄煤層;下部(3 440～4 178 m)以薄-巨厚層深灰色、褐灰色、紅褐色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主,夾薄-厚層淺灰色細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖;前古近系(4 178～4 217 m)為厚層深灰色火山碎屑巖及綠灰色輝綠巖。

此外,陸豐7-8-1井地溫梯度約為3.4 ℃/100 m,水深109 m,海底平均溫度為16 ℃,預(yù)測本井完鉆垂深4 422 m處的地層溫度為161.8 ℃。陸豐7-8-1井屬于正常壓力范圍,壓力系數(shù)為1.00～1.06,無壓力異常。

3.2 使用及維護(hù)

陸豐7-8-1井8-1/2″井段基礎(chǔ)水基鉆井液與區(qū)域內(nèi)其他井相似,均為聚合物KCl體系,開鉆鉆井液基礎(chǔ)配方為:海水+0.35%燒堿+0.2%純堿+7%PF-NRL/PF-FT-1/PF-LSF/PF-LPF-H +1.8%PF-SPNH-HT+1.8%PF-SMP+7%KCl+0.18%PF-PAC-HV+0.2%PF-PLH;維護(hù)膠液基礎(chǔ)配方為:海水+0.35%燒堿+0.2%純堿+6%～8%PF-NRL/PF-FT-1/PF-LSF/PF-LPF-H+1.8%PF-SPNH-HT+ 1.8%PF-SMP+4%～7%PF-PLH+0.18%PF-PAC-HV+7%KCl。

開鉆時(shí),直接往鉆井液中添加PF-NSEAL直至加量達(dá)到1%,而維護(hù)膠液中則加入2%PF-NSEAL,同時(shí)鉆進(jìn)過程中嘗試直接往循環(huán)系統(tǒng)加入1%～2% PF-NSEAL,以確保循環(huán)系統(tǒng)中PF-NSEAL有效濃度達(dá)到2%～3%。鉆井液性能維護(hù)主要從維持合適的黏切,控制漏斗黏度范圍為40～60 s,保證鉆井液的攜砂能力和剪切稀釋性,確保能很好地沖刷井壁,保持井壁干凈,防止小顆粒巖屑黏附井壁引起起鉆困難。同時(shí)控制好鉆井液的包被抑制性,防止泥巖水化,致使鉆井液固相含量增高導(dǎo)致鉆井液性能惡化。過厚的虛泥餅會(huì)影響正常鉆井施工,工程上每打完一柱需劃眼兩遍以修整井壁,同時(shí)在鉆進(jìn)過程中應(yīng)配制稀塞/稠塞/重漿輔助清潔井眼,完鉆后循環(huán)一個(gè)遲到時(shí)間,再往井下注入稀塞和重稠漿,徹底循環(huán)清潔井眼后再起鉆。具體鉆井液維護(hù)措施如下:

1)抑制及潤滑性能控制。鉆水泥塞,老漿排65 m3,新漿共潛入120 m3。建立循環(huán)后,開啟兩臺(tái)離心機(jī),直接在循環(huán)池加入10%NaCl提高鉆井液礦化度,降低自由水活度,增加鉆井液抑制性;加入PF-MBA,加強(qiáng)封堵能力和保護(hù)儲(chǔ)層;加入PF-LUBE,增加鉆井液潤滑性;加入PF-UHIB,增加鉆井液對(duì)泥巖的抑制性。鉆進(jìn)期間主要以補(bǔ)充膠液的方式來調(diào)整鉆井液性能和維持消耗,也采用往循環(huán)系統(tǒng)加入部分干劑為輔來調(diào)節(jié)鉆井液性能。由于井底溫度較高,井眼小、鉆速慢,過量PF-PLH可能引起泥漿增稠,因此補(bǔ)充的PF-PLH濃度在0.65%左右。本井段用PF-PAC HV調(diào)整鉆井液的黏切來保證高井溫條件下鉆井液體系流變性調(diào)節(jié)。

2)封堵性能控制。古近系恩平組地層泥巖質(zhì)硬、脆,容易引起垮塌,而地質(zhì)部門要求鉆井液密度必須控制在1.20 g/cm3以內(nèi)。為了保證井壁穩(wěn)定,鉆進(jìn)期間維持循環(huán)系統(tǒng)中封堵材料的總濃度至10%以上,主要以PF-LSF、PF-LPF、PF-FT-1、PF-NRL復(fù)配為主,高溫降失水材料PF-SPHN HT和PF-SMP為輔,納米封堵劑PF-NSEAL是關(guān)鍵,加強(qiáng)對(duì)泥巖微裂縫的封堵能力。補(bǔ)充膠液中的封堵材料加量也保持10%。

3)密度控制。鉆進(jìn)期間鉆井液密度迅速提至設(shè)計(jì)上限1.20 g/m3,井壁巖石剝落掉片較少;但掃稠漿及開增壓泵時(shí)依然有少量掉塊出現(xiàn)?？紤]到井壁穩(wěn)定和井下安全,經(jīng)過和地質(zhì)部門溝通,鉆進(jìn)至4 100 m,起鉆前通過加入7.5%PF-COK及重晶石,將循環(huán)池系統(tǒng)鉆井液密度提至1.23 g/cm3。PF-COK的加入改善了鉆井液的抗溫性能,能有效保證鉆進(jìn)體系的高溫穩(wěn)定性,下鉆到底后鉆井液流態(tài)良好,未出現(xiàn)增稠現(xiàn)象。下鉆到底后繼續(xù)提高鉆井液比重至1.25 g/cm3,直至完鉆。

4)黏度控制。鉆進(jìn)期間,排量盡量開大,適當(dāng)開啟增壓泵;黏度控制在50～53 s左右,保證鉆井液具有一定剪切稀釋能力,能很好地沖刷井壁,保持井壁干凈,防止小顆粒巖屑黏附井壁引起起鉆困難。適當(dāng)用稠漿或重漿協(xié)助清掃,保證有效攜巖,防止掉塊或垮塌物引起井下復(fù)雜情況。

5)固相控制。合理調(diào)整振動(dòng)篩各層分布,主要使用API 0.150 mm(100目)/0.125 mm(120目)篩布,及時(shí)更換破損篩布以防止細(xì)碎巖屑再次進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng);根據(jù)鉆井液密度及固相含量,開啟離心機(jī)、除砂器、除泥器等設(shè)備,利用多級(jí)固控同時(shí)啟動(dòng),清除有害固相,確保鉆井液固相含量滿足鉆井液設(shè)計(jì)范圍。

3.3 應(yīng)用效果

現(xiàn)場測試了開鉆水基鉆井液和往其中加入2%PF-NSEAL后的性能,結(jié)果如表2所示。可以看出PF-NSEAL對(duì)鉆井液流變性能基本無影響,但具有明顯降濾失作用,API濾失量和HTHP濾失量均明顯降低。隨著井深的增加,如圖4所示,鉆井液濾失量逐漸下降,并維持穩(wěn)定。這是由于PF-NSEAL在入井后,能在井壁形成納米封堵層,進(jìn)而有效填充并封堵古近系地層封堵微裂縫,同時(shí)在井壁表面形成薄而致密的泥餅,延緩鉆井液濾液滲入地層,大幅降低地層的孔隙壓力增速,起到維持頁巖井壁穩(wěn)定的作用。

表2 現(xiàn)場開鉆水基鉆井液性能測試結(jié)果

圖4 現(xiàn)場水基鉆井液濾失性能隨井深變化曲線圖

4 結(jié)論

通過在陸豐7-8-1井的試用,新型納米膠乳封堵劑PF-NSEAL表現(xiàn)出優(yōu)秀的封堵降濾失、抗鹽、抗溫效果,且對(duì)鉆井液流變性影響較小,與聚合物KCl鉆井液體系配伍性較強(qiáng)。陸豐區(qū)塊古近系地層坍塌壓力高、應(yīng)力釋放周期短,通過在聚合物KCl體系基礎(chǔ)上引入PF-NSEAL能夠顯著提高泥餅致密性,降低頁巖孔隙壓力傳遞速率,有效保證井壁穩(wěn)定,為成功獲取地質(zhì)資料奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。