邱春陽, 趙紅香, 劉 偉

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鹽227非常規(guī)區(qū)塊水平井鉆井液技術(shù)

邱春陽*, 趙紅香, 劉 偉

(勝利石油工程有限公司 鉆井工程技術(shù)公司, 山東 東營, 257064)

針對鹽227區(qū)塊地層巖性及非常規(guī)水平井鉆井液技術(shù)難點(diǎn), 優(yōu)選鋁胺強(qiáng)抑制潤滑防塌鉆井液體系, 該體系抑制性及封堵性好、潤滑能力強(qiáng), 在鹽227區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用, 配合相應(yīng)的維護(hù)處理工藝, 解決了大位移井段井壁穩(wěn)定、井眼凈化及潤滑防卡的難題, 為加快該區(qū)塊開發(fā)進(jìn)程奠定了基礎(chǔ).

鹽227區(qū)塊; 非常規(guī); 水平井; 井壁穩(wěn)定; 井眼凈化; 潤滑防卡

鹽227區(qū)塊位于東營凹陷北部陡坡帶鏟式斷裂上, 構(gòu)造相對簡單, 呈北東-南西展布的單斜形態(tài), 地層西南低東北高, 地層傾角20°左右, 油藏中深3 432 m, 含油面積1.5 km2, 地質(zhì)儲(chǔ)量270 × 104t. 由于儲(chǔ)層埋藏深, 鉆井成本高, 常規(guī)開發(fā)技術(shù)效益較差. 為提高區(qū)塊儲(chǔ)量動(dòng)用程度, 本設(shè)計(jì)采用長水平段水平井進(jìn)行開發(fā), 有效動(dòng)用鹽227區(qū)塊沙四段4～5砂礫巖體特低滲油藏, 大幅度提高了單井產(chǎn)能. 鹽227區(qū)塊下部地層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜, 在前期直井和定向井勘探開發(fā)中, 使用常規(guī)聚磺(潤滑)防塌鉆井液體系施工, 由于體系的抑制性弱, 封堵造壁性差, 造成施工中井壁失穩(wěn)嚴(yán)重, 被迫反復(fù)劃眼, 嚴(yán)重者卡鉆, 造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失. 為加快該區(qū)塊的勘探開發(fā)進(jìn)程, 解決大位移井施工中的井壁穩(wěn)定、井眼凈化及潤滑防卡問題, 迫切需要研發(fā)與之相適宜的鉆井液體系.

1 工程概況

鹽227區(qū)塊軌道剖面為直-增-穩(wěn)-增-平式, 一開采用Ф444.5 mm鉆頭鉆深約200 m, 下入Ф339.7 mm套管; 二開采用Ф311.2 mm鉆頭鉆深約2 300 m, 下入244.5 mm套管; 三開用Ф215.9 mm鉆頭開鉆, 2 600 m左右開始定向, 至井深4 600 m左右完鉆, 下入Φ139.7 mm套管完井.

2 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

該區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜, 施工中自上而下鉆遇平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組、沙二段、沙三段和沙四段, 由于地層缺失沙一段, 沙河街組地層埋深較淺, 鉆井液施工難度更大, 具體來說, 主要有以下3個(gè)方面的技術(shù)難點(diǎn): ①井壁穩(wěn)定. 沙三段和沙四段砂泥巖互層, 局部地層泥巖微裂縫、層理發(fā)育, 井壁失穩(wěn)嚴(yán)重; 施工中在沙三段進(jìn)行定向, 定向中上井壁懸空, 僅僅依靠鉆井液液柱支撐, 易發(fā)生井壁垮塌; 三開裸眼段長達(dá)2 400 m以上, 工程施工時(shí)間長, 裸眼井段浸泡時(shí)間長, 井壁失穩(wěn)幾率增大. ②井眼凈化. 設(shè)計(jì)在2 750 m開始定向, 斜井段及水平段長, 巖屑在上返過程中易沉積在下井壁形成巖屑床, 不易清除, 井眼凈化難度大. ③潤滑防卡. 沙三段下部砂巖段易形成虛厚泥餅, 造成起下鉆阻卡; 定向過程中, 鉆具緊貼井壁前進(jìn)而使摩阻和扭矩增大, 潤滑防卡難度大; 巖屑床的形成, 導(dǎo)致摩阻和扭矩更大, 定向中造成“拖壓”現(xiàn)象, 更加劇了潤滑防卡的難度.

3 鉆井液體系研究

3.1 鉆井液選擇

通過調(diào)研國內(nèi)水平井及大位移井鉆井液施工情況[1—7], 針對鹽227區(qū)塊地層特點(diǎn)及施工中的技術(shù)難點(diǎn), 通過優(yōu)選處理劑, 優(yōu)化其加量, 形成了適合該區(qū)塊的鋁胺強(qiáng)抑制潤滑防塌鉆井液, 基本配方如下: 5%～7%膨潤土+ 0.4%～0.6%聚丙烯酰胺PAM + 0.5%～1.5%有機(jī)胺+1.5%～2.5%納米乳液+ 1.0%～1.5%聚合鋁抑制劑+1.0%～1.5%磺酸鹽共聚物降濾失劑+2%～4%磺化酚醛樹脂SMP-1 +3%～4%膠乳瀝青+2%～4%超細(xì)碳酸鈣+1%～1.5%硅氟穩(wěn)定劑+5%～12%原油(斜井段及水平段).

3.2 鉆井液作用機(jī)理

3.2.1 抑制機(jī)理

有機(jī)胺分子上含有多個(gè)獨(dú)立的胺基, 可充填在粘土顆粒的晶層之間, 把它們束縛在一起, 有效地減少粘土的吸水傾向, 其抑制作用具有長效性, 抗沖刷能力強(qiáng), 保證鉆井作業(yè)結(jié)束后也具有長時(shí)間的抑制效果[8]; 聚合鋁在pH值為9時(shí)以液態(tài)存在, 滲入地層后與粘土結(jié)合形成具有固結(jié)作用的硅鋁酸鹽不滲透層, 阻止濾液侵入; 進(jìn)入頁巖內(nèi)部后, 與地層中多價(jià)陽離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀, 增強(qiáng)其在頁巖孔喉或微裂縫內(nèi)的井壁穩(wěn)定性[9]. 有機(jī)胺和聚合鋁抑制劑協(xié)同作用, 有機(jī)胺深入粘土顆粒的內(nèi)部, 通過“晶層鑲嵌”即物理作用抑制粘土的水化, 而聚合鋁和粘土端面的硅、鋁離子結(jié)合, 通過“化學(xué)鍵合”即化學(xué)作用抑制粘土的水化膨脹. 二者結(jié)合, 分別從粘土的內(nèi)部和外部去抑制粘土的水化, 抑制作用強(qiáng).

3.2.2 封堵機(jī)理

納米乳液顆粒尺寸小, 呈正電性, 能更快地吸附在井壁及粘土顆粒表面, 并在其表面形成油膜, 阻止井壁及粘土顆粒的水化, 并能提高鉆井液的潤滑性; 納米乳液更容易擠入地層孔隙、層理及微細(xì)裂縫中, 起到有效的封堵作用[10]; 膠乳瀝青在井底溫度作用下, 瀝青顆粒相互聚結(jié), 通過分子鏈與巖石表面進(jìn)行物理吸附, 在井壁巖石表面形成一層牢固的瀝青薄膜, 阻止濾液向地層滲透; 正壓差下, 瀝青乳液顆粒進(jìn)入地層的微孔隙和微裂隙中, 配合超細(xì)碳酸鈣, 封堵地層微孔隙和微裂隙, 穩(wěn)定井壁[11]. 納米乳液和瀝青復(fù)合使用, 能夠?qū)Τ叽鐝募{米級以上的裂縫及孔隙進(jìn)行封堵, 封堵效果好.

4 鉆井液體系性能評價(jià)

4.1 常規(guī)性能評價(jià)

鉆井液體系常規(guī)性能見表1. 由表1可知, 高溫老化后, 鋁胺強(qiáng)抑制潤滑防塌鉆井液體系的流變性好; 加重后高溫高壓濾失量小于10 mL; 摩阻系數(shù)低, 表明體系流變性及潤滑性好, 能夠降低施工中產(chǎn)生的摩阻和扭矩, 滿足水平井鉆井的需求.

表1 鉆井液常規(guī)性能

注: 實(shí)驗(yàn)條件為150 ℃/16 h. a為10 s時(shí)靜切力, b為10 min時(shí)靜切力.

4.2 抑制性能評價(jià)

采用巖心膨脹實(shí)驗(yàn)和巖屑回收率實(shí)驗(yàn)對鉆井液的抑制性進(jìn)行了評價(jià), 結(jié)果見表2.

表2 抑制性能評價(jià)

注: A—清水; B—常規(guī)聚磺鉆井液; C—鋁胺強(qiáng)抑制潤滑防塌鉆井液.

表2表明, 鋁胺強(qiáng)抑制潤滑防塌鉆井液體系抑制性強(qiáng), 16 h巖心膨脹高度為0.73 mm, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖心在常規(guī)聚磺鉆井液體系中的膨脹量; 體系巖屑回收率為91.6%, 高于常規(guī)聚磺鉆井液的回收率. 表明鋁胺強(qiáng)抑制潤滑防塌鉆井液體系抑制性強(qiáng), 能夠抑制泥頁巖的水化膨脹, 保持井壁穩(wěn)定.

4.3 封堵性能評價(jià)

采用中壓砂床(砂子直徑為40～60目)濾失實(shí)驗(yàn)和高溫高壓砂床(砂子直徑為40～60目)濾失實(shí)驗(yàn)評價(jià)了體系的封堵性能(表3).

表3 封堵性能評價(jià)

表3中看出, 加壓15 min及60 min, 常規(guī)聚磺鉆井液中壓砂床侵入深度分別為1.8 cm和4.7 cm, 高溫高壓砂床濾失量為15 mL; 而鋁胺強(qiáng)抑制潤滑防塌鉆井液侵入砂床的深度分別為1.6 cm和2.1 cm, 高溫高壓砂床濾失量僅為4.8 mL, 說明鋁胺強(qiáng)抑制潤滑防塌鉆井液封堵性能好, 能夠在井壁上快速形成屏蔽暫堵層, 封堵地層孔隙、層理及微細(xì)裂縫, 保持井壁穩(wěn)定.

5 現(xiàn)場鉆井液施工工藝

5.1 井壁穩(wěn)定工藝

①加入1.5%聚合鋁、1.0%有機(jī)胺和2.0%納米乳液, 提高鉆井液的抑制防塌能力, 有效抑制泥頁巖水化;

②使用3%膠乳瀝青和2%超細(xì)碳酸鈣, 使之在井壁上形成薄而致密的泥餅, 提高地層的防塌能力;

③嚴(yán)格控制中壓濾失量小于3 mL, 高溫高壓濾失量在10 mL以內(nèi), 降低泥頁巖的水化趨勢;

④加入硅氟類穩(wěn)定劑, 穩(wěn)定鉆井液性能, 同時(shí)提高井壁的穩(wěn)定性;

⑤直井段密度控制在設(shè)計(jì)下限, 進(jìn)入水平段后密度控制在設(shè)計(jì)上限, 并根據(jù)地層壓力監(jiān)測情況實(shí)時(shí)調(diào)整, 保證井壁穩(wěn)定.

5.2 井眼凈化工藝

①保證有足夠的泵排量, 增加鉆井液環(huán)空返速, 使鉆井液能夠?qū)@屑充分?jǐn)y帶到地面;

②控制鉆井液的動(dòng)塑比在0.4左右, 保證鉆井液在環(huán)空進(jìn)行平板型層流, 提高鉆井液的攜巖效果;

③加強(qiáng)短起下鉆措施, 特別是在水平井段, 更要加密短起下鉆次數(shù), 擾動(dòng)并破壞巖屑床; 下鉆到底后, 配制150 s以上的稠漿清掃井眼;

④鉆進(jìn)過程中采用定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)的方式, 將新形成的巖屑床破除, 降低巖屑床形成的幾率.

5.3 潤滑防卡工藝

①通過加入膠乳瀝青、超細(xì)碳酸鈣和納米乳液對地層進(jìn)行有效封堵, 使鉆井液在井壁或近井壁帶形成低滲透的泥餅, 阻止液體壓力向地層傳遞, 從而提高井壁的穩(wěn)定性, 降低粘卡的幾率;

②定向過程中保證原油含量在5%～8%, 油基潤滑劑的含量在2%左右, 配合乳化劑, 保持鉆井液的潤滑性; 水平段后, 原油含量不低于12%, 油基潤滑劑含量不低于4%, 增強(qiáng)鉆井液的潤滑性;

③每趟鉆起鉆前, 用SMP-1、膠乳瀝青和油基潤滑劑封井, 以提高鉆井液的潤滑防卡能力;

④在保證高密度鉆井液沉降穩(wěn)定性的前提下, 盡量控制鉆井液的粘切, 降低環(huán)空壓耗, 提高排量, 配合工程上的短程起下鉆措施, 避免巖屑床的形成.

6 應(yīng)用效果

鋁胺強(qiáng)抑制潤滑防塌鉆井液在鹽227區(qū)塊中鹽227-2HF井、鹽227-3HF井和鹽227-5HF井3口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用, 取得了良好的應(yīng)用效果. 對3口非常規(guī)水平井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明, 平均完鉆井深4 650 m, 水平段平均長度為1 800 m, 平均鉆井周期73.5 d, 平均機(jī)械鉆速為6.5 m/h, 施工中井壁穩(wěn)定, 特別是在水平段鉆進(jìn)過程中, 雖然水平段比較長, 但是鉆井液潤滑性能好, 攜巖能力強(qiáng), 井眼凈化效果好; 施工中摩阻和扭矩小, 無復(fù)雜事故發(fā)生, 電測順利, 下套管一次到底.

7 結(jié)論和建議

①針對鹽227區(qū)塊非常規(guī)水平井鉆井液技術(shù)難點(diǎn), 優(yōu)選出了性能優(yōu)良的鋁胺強(qiáng)抑制潤滑防塌鉆井液, 給出了鉆井液配方及現(xiàn)場鉆井液施工技術(shù)措施;

②鋁胺強(qiáng)抑制潤滑防塌鉆井液具有抑制、封堵性強(qiáng)及潤滑性好等優(yōu)點(diǎn), 滿足了鹽227區(qū)塊的鉆井要求, 解決了沙河街組井壁失穩(wěn)及長水平段水平井井眼凈化及潤滑防卡的難題;

③長水平段鉆進(jìn)過程中必須保證鉆井液具有良好的流變性, 保證具有足夠的攜巖能力, 同時(shí)需要工程措施給予配合, 及時(shí)破壞巖屑床, 這樣才能達(dá)到井眼凈化的效果;

④長水平段施工中必須加入足量的潤滑劑, 隨鉆監(jiān)測摩阻和扭矩的變化情況, 以便及時(shí)補(bǔ)充潤滑劑.

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The drilling fluid technology of unconventional horizontal well in Yan 227 block

QIU ChunYang, ZHAO HongXiang, LIU Wei

(Drilling Engineer Technology Corporation, Shengli Petroleum Engineer Co LTD, Dongying 257064, China)

According to the petrography character in Yan 227 block and the technology difficulty of horizontal well, aluminium and amine drilling fluid with high inhibition, lubrication and anti-caving ability was researched and developed. The drilling fluid had good inhibition, lubrication property and high formation sealing performance. The drilling fluid was applied in Yan 227 block, and these problems occurred in long horizontal interval of wellbore stability, hole cleaning and lubricating to anti-sticking were solved with the cooperation of wellsite drilling fulid technology and technics. At last, the successfully of drilling laid the foundation for further accelerating the development process in the block.

Yan 227 block; unconventional; horizontal well; borehole stability; hole cleaning; lubrication to anti-caving

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.04.012

TE 254.3

1672-6146(2014)04-0048-04

email: drillingwell@163.com.

2014-02-28

(責(zé)任編校:劉剛毅)