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        絨囊鉆井流體在金壇儲(chǔ)氣庫(kù)硬脆性泥巖地層的應(yīng)用

        2018-05-02 02:16:32班凡生申瑞臣李文帥聶帥帥付毓偉
        非常規(guī)油氣 2018年2期
        關(guān)鍵詞:鹽穴金壇儲(chǔ)氣庫(kù)

        班凡生,底 磊,申瑞臣,李文帥,聶帥帥,付毓偉.

        (1.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院,北京 100195; 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油天然氣工程學(xué)院,北京 102249)

        鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)[1]是利用地下較厚的鹽層或鹽丘,采用人工方式在鹽層或鹽丘中水溶形成洞穴存儲(chǔ)空間[2]來(lái)存儲(chǔ)天然氣[3]。我國(guó)對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的研究開(kāi)始于1999年,初期主要是對(duì)國(guó)內(nèi)鹽礦進(jìn)行調(diào)查,評(píng)價(jià)各鹽礦的建庫(kù)地質(zhì)條件[4]。隨著西氣東輸戰(zhàn)略工程的實(shí)施,2001年1月啟動(dòng)了西氣東輸工程建設(shè)天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)工程可行性研究項(xiàng)目[5],確定了江蘇金壇作為國(guó)內(nèi)首個(gè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)目標(biāo)[6]。

        鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井與常規(guī)油氣井的主要區(qū)別有:

        (1)井筒壓力不同,儲(chǔ)氣庫(kù)井受交變壓力影響[7]。

        (2)井眼尺寸和套管尺寸不同,鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的井眼尺寸較大[8]。

        (3)儲(chǔ)層類(lèi)型多,鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井的儲(chǔ)層為鹽巖層[9]。

        (4)使用壽命要求不同,鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井要求為50年[10],對(duì)鉆井、完井的質(zhì)量要求較高。完井套管應(yīng)采用高強(qiáng)度厚壁氣密封套管,防止鹽巖蠕變被擠毀,并滿(mǎn)足季節(jié)調(diào)峰和應(yīng)急供氣需要[11]。

        同時(shí),金壇地區(qū)套管鞋處地層破裂壓力當(dāng)量密度在1.65 g/cm3左右,而蓋層上方的地層破裂壓力當(dāng)量密度在1.60 g/cm3左右,安全密度窗口窄。

        綜上,江蘇金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井井眼尺寸大、多種壓力共存、多種巖性共生,鉆井、完井工程難度大,但是卻需要高標(biāo)準(zhǔn)的井身質(zhì)量。

        1 井壁失穩(wěn)原因分析及對(duì)策

        目前,江蘇金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井三垛組、戴南組井段井壁失穩(wěn)嚴(yán)重,多形成“大肚子”井眼。對(duì)金壇地區(qū)JK5-1等6口井的井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),二開(kāi)井眼的最大井徑擴(kuò)大率為67.74%,三開(kāi)井眼的最大井徑擴(kuò)大率為21.46%。同時(shí),該井段還伴有不同程度的漏失。

        鉆井過(guò)程中的井壁失穩(wěn)問(wèn)題嚴(yán)重制約了金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的成井質(zhì)量。三垛組棕紅色粉砂質(zhì)泥巖和戴南組灰綠色泥頁(yè)巖巖樣如圖1所示,其中,灰綠色泥頁(yè)巖硬而脆,端口見(jiàn)明顯裂隙發(fā)育,易引起鉆井液漏失。

        圖1 三垛組棕紅色泥巖和戴南組硬脆性泥巖Fig.1 Brown-red mudstone of Sanduo formation and Hard brittle mudstone of Dainan group

        采用XRD對(duì)480~604 m井段巖樣全巖礦物類(lèi)型及含量進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示。

        圖2 XRD分析全巖礦物類(lèi)型及含量Fig.2 XRD analysis of whole rock mineral types and contents

        從圖2可以看出,480~604m井段礦物主要成分為黏土、方解石和白云石。其中,石英含量為6.3%~10.6%、鉀長(zhǎng)石含量為0.8%~ 4.2%、斜長(zhǎng)石含量為1.5%~6.1%、方解石含量為9.4%~32.0%、白云石含量為7.3%~24.2%、菱鐵礦含量為0~1.9%、黃鐵礦含量為0~3.3%、赤鐵礦含量為1.8%~2.7%、方沸石含量為0~11.8%、三水鋁石含量為0~2.2%,以及黏土礦物含量為30.6%~ 49.5%。

        采用XRD對(duì)480~604 m井段巖樣黏土礦物類(lèi)型和含量進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。

        從圖3可以看出,該井段黏土礦物主要成分為伊蒙混層和伊利石,并含有少量的綠泥石、蒙脫石和高嶺石。其中,伊蒙混層含量為78%~82%,伊利石含量為13%~49%??傮w來(lái)看,黏土礦物中伊蒙混層和伊利石含量相對(duì)總量在90%以上,因此,可以認(rèn)為伊蒙混層膨脹分散是井壁失穩(wěn)的原因之一。

        圖3 XRD分析黏土礦物類(lèi)型及含量Fig.3 XRD analysis of types and contents of clay minerals

        目前,金壇儲(chǔ)氣庫(kù)在用鉆井液是以降濾失劑為主的聚合物鉆井液,濾失性能良好。但鉆井液封堵能力和抑制能力卻不足。尤其對(duì)于裂隙發(fā)育的硬脆性泥巖,鉆井液難以形成有效的封堵,而進(jìn)入地層的濾液對(duì)伊蒙混層的抑制性不足,從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

        劉向君針對(duì)庫(kù)車(chē)組泥巖井壁失穩(wěn)的問(wèn)題,采用增強(qiáng)鉆井液抑制性以及對(duì)微裂縫和毛細(xì)管封堵的措施保證井壁穩(wěn)定[12]。徐恒針對(duì)明化鎮(zhèn)組館陶組砂泥巖交互層,采用正電膠提高鉆井液抑制性,添加聚合醇、PAM、納米乳液形成泥餅的措施提高封堵能力[13]。許春田針對(duì)戴南組阜寧組裂隙發(fā)育泥巖,采用醋酸鉀、聚胺、大分子聚丙烯酰胺抑制,采用潤(rùn)滑劑RH85、封堵劑NF-25與ZHFD、成膜劑CMJ-2 等復(fù)配封堵的措施解決井壁失穩(wěn)問(wèn)題[14]。梁大川針對(duì)泥頁(yè)巖,使用KCl等鹽類(lèi)抑制劑和EP-1封堵劑實(shí)現(xiàn)防塌[15]。

        因此,通過(guò)提高鉆井液抑制性與封堵性[16]進(jìn)行防塌堵漏是主流。但采取封堵方式皆為外封堵,鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭及流體對(duì)井壁的沖刷、起下鉆產(chǎn)生的抽汲和激動(dòng)都會(huì)影響到外封堵的效果。同時(shí)儲(chǔ)氣庫(kù)下部為鹽膏層,需要采用低活度[17]方法,既可抑制上部泥巖水化,又可抑制下部鹽溶解。因此,本文提出將封堵帶引至地層內(nèi)部避免鉆井干擾有效封堵及低活度強(qiáng)抑制防塌對(duì)策。

        以表面活性劑形成的絨囊[18]能夠?qū)崿F(xiàn)黏結(jié)內(nèi)封堵,以分壓、耗壓或者撐壓封堵流動(dòng)通道,且封堵具有高承壓性[19],以堆積、拉伸、填塞等形式提高地層承壓能力[20],具有防塌、防漏、可降解、低污染等優(yōu)點(diǎn),是一種新型鉆井流體。目前,絨囊鉆井液已經(jīng)解決吉X井、沁平12-11-3H六分支水平井等泥巖[21]、砂巖[22]、煤巖[23]鉆進(jìn)中的漏失、坍塌問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)安全密度窗口安全鉆井。因此,用絨囊鉆井液解決金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的井壁失穩(wěn)問(wèn)題,具有一定的可行性。非常規(guī)的問(wèn)題用非常規(guī)的思想去解決,才能有效果[24]。

        2 室內(nèi)試驗(yàn)

        室內(nèi)采用常規(guī)攪拌器,采用絨囊的4種主處理劑配制絨囊鉆井液,配方為:1.5%~2.0%囊層劑+1.0%~1.5%絨毛劑+0.2%~0.4%囊核劑+0.4%~0.6 %囊膜劑,并采用10%~40%的甲酸鈉或甲酸鉀加重鉆井液。配制形成的絨囊鉆井液密度為0.77~1.18 g/cm3,塑性黏度為19~24 mPa·s,動(dòng)切力為12.5~17.5 Pa,動(dòng)塑比為0.52~0.88 Pa/(mPa·s),流變性良好。

        2.1 封堵能力測(cè)試

        選取砂泥巖柱塞1 枚,在溫度為25 ℃、圍壓為 9 MPa、回壓為 0.5 MPa下,先后用清水、絨囊鉆井液驅(qū)替巖心,記錄驅(qū)壓隨時(shí)間的關(guān)系,如圖4所示。

        圖4 注入壓力與時(shí)間的關(guān)系Fig.4 The relationship between the injection pressure and time

        從圖4可以看出,清水驅(qū)替煤巖柱塞驅(qū)替壓力穩(wěn)定在1.7 MPa左右,而絨囊鉆井液驅(qū)替30 min后迅速起壓,1 h后驅(qū)替壓力上升至18 MPa,說(shuō)明絨囊成功封堵了柱塞流動(dòng)通道,封堵能力強(qiáng)。

        2.2 抑制能力測(cè)試

        以金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)硬脆性泥巖為巖樣,依據(jù)SY/T 5613—2000《泥頁(yè)巖理化性能試驗(yàn)方法》分別測(cè)試清水、聚合物鉆井液、絨囊鉆井液的泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率,試驗(yàn)溫度為50 ℃,測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

        圖5 不同鉆井液泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率Fig.5 Rolling recovery rate of different drilling fluid shale

        從圖5可以看出,清水的滾動(dòng)回收率在28%左右,聚合物鉆井液滾動(dòng)回收率在50%左右,而絨囊鉆井液的滾動(dòng)回收率達(dá)93%。因此,絨囊鉆井液能夠有效地抑制黏土水化,抑制能力較強(qiáng)。

        綜上,絨囊鉆井液的流變性、封堵能力和抑制能力滿(mǎn)足要求,現(xiàn)場(chǎng)可以開(kāi)展試驗(yàn)。

        3 現(xiàn)場(chǎng)配制和維護(hù)研究

        絨囊鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)注意兩個(gè)方面:一是配制出性能符合設(shè)計(jì)的絨囊鉆井液;二是鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液性能,以補(bǔ)充處理劑維護(hù)其性能。

        3.1 絨囊鉆井液配制方法研究

        依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)配方,先在配漿罐中依次加入清水、囊層劑和絨毛劑,攪拌20~30 min;再緩慢加入囊核劑和囊膜劑,攪拌20~30 min;最后加入適量甲酸鹽,待處理劑完全溶解后,測(cè)定鉆井液性能。配制的絨囊鉆井液性能要求為:密度為0.85~1.20 g/cm3;塑性黏度為8~15 mPa·s;動(dòng)切力為7~14 Pa;動(dòng)塑比為0.5~1.2 Pa/(mPa·s),pH值為8~10。

        3.2 絨囊鉆井液維護(hù)方法研究

        日常維護(hù)要求每2 h測(cè)量絨囊鉆井液的漏斗黏度和密度,每4 h測(cè)量密度和流速。同時(shí),全天候使用固控設(shè)備,清除鉆井液中的無(wú)用固相,維持鉆井液表觀黏度在20 mPa·s左右。否則固相含量過(guò)高,塑性黏度變大,而動(dòng)塑比的維持需要較高的動(dòng)切力,此時(shí)鉆井液的表觀黏度過(guò)高,不僅鉆井液性能變差,還會(huì)進(jìn)一步影響機(jī)械鉆速。

        為保證井眼清潔,維持鉆井液動(dòng)塑比在0.5 Pa/(mPa·s)以上,保證鉆井液的攜巖能力良好,防止形成巖屑床,當(dāng)動(dòng)塑比低于0.5 Pa/(mPa·s),加入絨毛劑,或者是加入囊核劑并輔以囊膜劑。

        為保證井壁穩(wěn)定,絨囊鉆井液的密度應(yīng)在合適的范圍內(nèi)。絨囊密度越低,形成的囊泡數(shù)量越多,封堵性能越好。但是,絨囊防塌不僅僅是依靠囊泡的封堵,還需要引入甲酸鹽以適當(dāng)提高密度。加入甲酸鹽一方面可以平衡高壓力地層,另一方面提高了絨囊鉆井液的抑制性,從而保證井壁穩(wěn)定。

        4 鉆井實(shí)例

        茅X井位于金壇區(qū)直溪鎮(zhèn)茅溪鹽礦,是一口新鉆鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井。該井一開(kāi)東臺(tái)組即采用絨囊鉆井液鉆進(jìn),直至鉆穿戴南組二開(kāi)完井。

        絨囊鉆井液在茅X井鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定,井徑擴(kuò)大率在7.4%~12.9%之間,平均為8.2%,而鄰井井徑擴(kuò)大率達(dá)18%;平均機(jī)械鉆速達(dá)7.5 m/h,縮短建井周期5.3 d,實(shí)現(xiàn)了金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)優(yōu)質(zhì)、安全、高效成井。

        5 結(jié)論和建議

        室內(nèi)試驗(yàn)表明,絨囊鉆井液的封堵能力、抑制能力較強(qiáng),能夠滿(mǎn)足鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井鉆井的要求?,F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,絨囊鉆井液能夠解決砂巖、泥巖交互地層的井壁失穩(wěn)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井安全、優(yōu)質(zhì)、快速成井。絨囊鉆井液在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井的成功應(yīng)用,進(jìn)一步擴(kuò)大了絨囊技術(shù)的應(yīng)用范圍。

        同時(shí)也可以看出,絨囊鉆井液可依據(jù)地層情況實(shí)時(shí)調(diào)整性能,能夠滿(mǎn)足不同鉆井方式的需要,適用性強(qiáng),但前提是要做好預(yù)案,并維護(hù)得當(dāng)。

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