張鳳英 鄢捷年 周勁輝 范 旺

(1.石油工程教育部重點實驗室(中國石油大學(xué)),北京昌平 102249;2.中國石油長城鉆探工程有限公司,北京 100101)

蘇丹六區(qū)是我國在蘇丹油氣勘探開發(fā)的重點區(qū)塊之一。該區(qū)儲層滲透率為(145.0～8 647.6)× 10-3μm2,孔隙度18.7%～41.4%,屬于高孔、高滲儲層。儲層中泥質(zhì)含量較高(≥10%),黏土礦物以伊利石和伊/蒙混層為主,其中伊/蒙混層的相對含量為25%～41%,因而儲層表現(xiàn)出較強(qiáng)的水敏特性,容易發(fā)生黏土水化膨脹或剝落掉塊,引起井壁失穩(wěn)。

該區(qū)曾使用過多種抑制性水基鉆井液[1],如KCl/聚合物、KCl/石灰/聚合物以及 KCl/聚合醇鉆井液體系等,雖然鉆井液性能都比較好,但在鉆井過程中井壁垮塌嚴(yán)重,平均井徑擴(kuò)大率一般在15%以上,一些油氣井經(jīng)試油測得的表皮系數(shù)較大(≥8)。這些在一定程度上造成建井周期延長,而且油井無法達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)能。為此,筆者利用理想充填暫堵劑和成膜劑的復(fù)配增效作用,在原用 KCl/聚合物鉆井液配方的基礎(chǔ)上,通過試驗優(yōu)選出一種新型低傷害防塌鉆井液體系。室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應(yīng)用均表明,該鉆井液具有顯著的防塌和保護(hù)儲層的效果。

1 新型鉆井液配方優(yōu)選

針對蘇丹六區(qū)的儲層特性及潛在的損害機(jī)理,應(yīng)優(yōu)選出抑制、封堵性強(qiáng)的鉆井液體系。筆者所采取的主要思路是:應(yīng)用理想充填原理確定鉆井液中暫堵劑的粒度分布及適宜用量,并合理使用半透膜[2]和隔離膜鉆井液處理劑。通過大量試驗發(fā)現(xiàn),暫堵劑和成膜劑具有復(fù)配增效作用,將兩類處理劑按適宜的比例加入到鉆井液中,取得的防塌和保護(hù)儲層效果明顯好于單獨(dú)使用理想充填暫堵劑或者成膜劑[3]。

1.1 暫堵劑顆粒尺寸優(yōu)選

選取蘇丹六區(qū)FN4-8井的儲層資料作為優(yōu)選暫堵劑的依據(jù),該井儲層的最大滲透率為1 680×10-3μm2,利用經(jīng)驗公式 Kmax= d90[4]將最大滲透率折算成儲層最大孔喉直徑,d90=40.99 mm。應(yīng)用中國石油大學(xué)(北京)自主研發(fā)的“理想充填暫堵劑優(yōu)化設(shè)計軟件”[5],可確定3種不同粒徑的酸溶性暫堵劑(細(xì)目CaCO3)的復(fù)配比例為:φ(1000目)∶φ(500目)∶φ(100目)=10∶60∶30,并自動繪制出該復(fù)配暫堵劑的優(yōu)化曲線,見圖1。

圖1中黃色曲線為儲層保護(hù)基線,但實際應(yīng)用中由于暫堵顆粒在環(huán)空中循環(huán)時有一定磨損,根據(jù)國外M-I鉆井液公司的經(jīng)驗,最好使設(shè)計曲線稍往右偏移,藍(lán)色曲線即為實際應(yīng)用的優(yōu)化曲線。

通過試驗,暫堵劑的合理加量確定為3%～4%。

圖1 FN4-8井理想充填復(fù)配暫堵劑的優(yōu)化曲線

1.2 成膜鉆井液處理劑的確定

根據(jù)近期成膜鉆井液的研究成果[6],利用“雙膜”的化學(xué)固壁和保護(hù)儲層作用,將國內(nèi)應(yīng)用較廣泛的兩種成膜劑復(fù)配使用。一種是半透膜處理劑J YW-1,另一種是隔離膜處理劑CMJ-2。經(jīng)過試驗分析,確定兩者的適合加量為1.5%CMJ-2+1.0%J YW-1。

1.3 低傷害防塌鉆井液配方的確定

在蘇丹六區(qū)原用鉆井液配方基礎(chǔ)上,應(yīng)用理想充填原理[7]和成膜鉆井液技術(shù)[8],通過試驗優(yōu)選出適合該地區(qū)鉆井的新型低傷害防塌鉆井液典型配方:3.0%膨潤土+0.4%KPAM+2.0%PAC-LV+ 2.0%XY-27+2.0%NH4HPAN+3.0%FT-1+ 7.0%KCl+0.3%KOH+3.0%理想充填暫堵劑+ 1.5%CMJ-2+1.0%J YW-1。

2 鉆井液性能評價

2.1 常規(guī)性能評價

分別對蘇丹六區(qū)原用、常規(guī)暫堵、理想充填及低傷害防塌4種鉆井液進(jìn)行了常規(guī)性能測試,測試結(jié)果見表1。從表1可以看出,各種鉆井液均具有良好的流變性,API濾失量均低于5 mL。但其中低傷害防塌鉆井液的API濾失量最低,常規(guī)性能較其他3種鉆井液更為優(yōu)異。

表1 4種鉆井液的常規(guī)性能

2.2 高溫高壓濾失量評價

圖2 4種鉆井液老化前后的HTHP濾失量

依據(jù)儲層溫度的上限,試驗溫度設(shè)定為140℃,壓差按照測試標(biāo)準(zhǔn)為3.5 MPa。對4種鉆井液在熱滾(150℃,16 h)前、后的高溫高壓(HTHP)濾失量進(jìn)行了測試,結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出,在4種鉆井液中,新型低傷害防塌鉆井液在熱滾后的HTHP濾失量最低,表明其在井下高溫高壓條件下的降濾失性能最好。3#鉆井液因加入了較粗的暫堵劑顆粒,而濾紙為均質(zhì)的滲濾介質(zhì),因而HTHP濾失量較高。如果將非均質(zhì)的巖石作為滲濾介質(zhì),預(yù)計不會出現(xiàn)這種情況。

2.3 潤滑性能評價

將4種配方鉆井液在150℃溫度下老化16 h后,使用E-P極壓潤滑儀分別測定了其極壓潤滑系數(shù),結(jié)果為:1#、2#、3#和4#配方鉆井液的極壓潤滑系數(shù)分別為0.185 3、0.197 5、0.201 5和0.150 1。由此可看出,4種鉆井液的極壓潤滑系數(shù)均較低,均具有良好的潤滑性能,但新型低傷害防塌鉆井液的潤滑性能更優(yōu)。

2.4 頁巖膨脹性評價

應(yīng)用NP-01型頁巖膨脹儀,測定了鈉膨潤土壓制巖心在原用鉆井液及低傷害防塌鉆井液濾液中的膨脹量隨時間的變化,結(jié)果見圖3。從圖3可以看出,在相同試驗條件下,與原用鉆井液相比,低傷害防塌鉆井液的頁巖膨脹性明顯降低。由于暫堵劑為惰性顆粒,對鉆井液抑制性影響不大,故未進(jìn)行其他兩種鉆井液的膨脹性試驗。

圖3 優(yōu)化鉆井液與原用鉆井液的頁巖膨脹性對比

2.5 巖屑滾動回收率評價

按照鉆井液行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn),對4種鉆井液及清水的巖屑滾動回收率進(jìn)行了測試,結(jié)果見圖4。試驗用巖屑取自FN4-8井鄰井的Abu Gabra地層。從圖4可以看出,在4種鉆井液中,低傷害防塌鉆井液的巖屑滾動回收率最高,表明其抑制巖屑分散的性能最好。同時也說明,暫堵劑的加入與鉆井液抑制性基本無關(guān),而成膜劑的加入可明顯提高鉆井液的抑制性。

圖4 各種鉆井液及清水的頁巖回收率試驗對比

2.6 巖心滲透率恢復(fù)率評價

為了評價低傷害防塌鉆井液的儲層保護(hù)效果,使用J HMD-2型巖心動態(tài)污染損害評價試驗裝置,進(jìn)行了巖心污染試驗,并與其他4種鉆井液進(jìn)行了比較。由于缺少具有代表性的儲層巖心,故選用具有相似礦物組成和巖石物性的露頭巖心進(jìn)行了試驗,結(jié)果見表2。由表2可見,經(jīng)低傷害防塌鉆井液污染后,巖心的滲透率恢復(fù)率達(dá)到88.11%,在5種鉆井液中最高,從而表明同時加入理想充填暫堵劑和成膜劑對儲層保護(hù)具有協(xié)同增效的作用。

表2 經(jīng)五種鉆井液污染后砂巖露頭巖心的滲透率恢復(fù)率

3 現(xiàn)場應(yīng)用

目前,新型低傷害防塌鉆井液已在蘇丹6區(qū)的KE-27井和FN4-8井應(yīng)用,并取得了良好的井眼穩(wěn)定及儲層保護(hù)預(yù)期效果,與原用KCl/聚合物鉆井液相比,具有更好的井壁穩(wěn)定和儲層保護(hù)效果。

3.1 KE-27井

KE-27井位于蘇丹六區(qū)東北部,設(shè)計井深2 327 m,實際完鉆井深2 327 m,為三開結(jié)構(gòu)。該井三開井段所使用新型低傷害防塌鉆井液的主要性能為:密度1.18 kg/L,表觀黏度30 mPa·s,塑性黏度21 mPa·s,API濾失量4 mL,p H值10。

該井整個三開井段井眼相當(dāng)規(guī)則,基本上未出現(xiàn)縮徑和井徑擴(kuò)大的現(xiàn)象,平均井徑擴(kuò)大率從過去的15%以上降至5%以下,這充分表明低傷害防塌鉆井液有利于維持易坍塌泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定。該井三開井段所返出巖屑具有較強(qiáng)的硬度,成形性好,消除了過去起泥球和糊振動篩的現(xiàn)象,表明該鉆井液具有優(yōu)良的抑制性能。

經(jīng)試油,該井的油氣顯示良好,生產(chǎn)穩(wěn)定,日產(chǎn)油達(dá)95 t,為鄰井的3.3倍。目前該井日產(chǎn)油穩(wěn)定在90 t左右,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),表明儲層保護(hù)取得了顯著效果。

3.2 FN4-8井

FN4-8井是一口開發(fā)井,位于蘇丹六區(qū) Fula區(qū)塊。該井設(shè)計井深和完井井深均為2 400 m,鉆井周期20 d。該井三開井段所使用新型低傷害防塌鉆井液的主要性能為:密度1.15 kg/L,表觀黏度27.5 mPa·s,塑性黏度19 mPa·s,API濾失量4 mL,pH值10。

該井三開井段在鉆進(jìn)過程中共起下鉆14次,其中僅有1次發(fā)生輕微的超拉現(xiàn)象,其他13次均順利下鉆到底,表明三開井段井眼穩(wěn)定,未出現(xiàn)縮徑或井眼坍塌等問題。該井三開井段平均井徑擴(kuò)大率低于5%。目前該井尚未投產(chǎn),儲層保護(hù)情況有待于試油后進(jìn)行跟蹤評價。

4 結(jié) 論

1)在蘇丹六區(qū)原用 KCl/聚合物鉆井液基礎(chǔ)上,利用理想充填暫堵劑和成膜劑的協(xié)同增效作用,優(yōu)選出一種適合于蘇丹六區(qū)的新型低傷害防塌鉆井液體系。室內(nèi)試驗表明,其抑制性有明顯提高。

2)巖心動態(tài)污染評價試驗和動濾失試驗均表明,新型低傷害防塌鉆井液比原用鉆井液有更好的儲層保護(hù)效果,其巖心滲透率恢復(fù)率可達(dá)88.32%。

3)新型低傷害防塌鉆井液體系的總體性能優(yōu)良,理想充填暫堵劑和成膜劑的加入顯著降低了鉆井液的濾失量,而對鉆井液流變性沒有顯著的影響。該鉆井液的HTHP濾失量較低,抗溫可達(dá)150℃。

4)兩口井的現(xiàn)場應(yīng)用表明,新型低傷害防塌鉆井液克服了原用KCl/聚合物鉆井液體系的弱點,井壁穩(wěn)定性明顯提高,儲層保護(hù)達(dá)到了預(yù)期效果,能夠滿足蘇丹六區(qū)優(yōu)快鉆井和保護(hù)儲層的要求,具有良好的推廣應(yīng)用前景。

[1] 郭健康,鄢捷年,范維旺,等.KCl/聚合物鉆井液的改性及其在蘇丹3/7區(qū)的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2005,33(6):28-31.

[2] 孫金聲,汪世國,張毅,等.水基鉆井液成膜技術(shù)研究[J].鉆井液與完井液,2003,20(6):6-10.

[3] 葉艷,鄢捷年,鄒盛禮,等.碳酸鹽巖裂縫性儲層鉆井液損害評價新方法[J].石油學(xué)報,2008,29(5):752-756.

[4] Hands N,Kowbel K,Maikranz S.Drilling-in fluid reduces formation damage,increases production rates[J].Oil&Gas Journal,1998,96(28):65-68.

[5] 舒勇,鄢捷年,宋付英,等.暫堵劑圖解優(yōu)化新方法在鉆井液設(shè)計中的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2008,36(6):48-51.

[6] 袁春,孫金聲,王平全,等.抗高溫成膜降濾失劑CMJ-1的研制及其性能[J].石油鉆探技術(shù),2004,32(2):30-32.

[7] 鄢捷年,趙勝英,王兆霖,等.理想充填油氣層保護(hù)技術(shù)在青海油田深探井中的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2007,35(4):53-55.

[8] 羅向東,羅平亞.屏蔽式暫堵技術(shù)在儲層保護(hù)中的應(yīng)用研究[J].鉆井液與完井液,1992,9(2):19-27.