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        準北區(qū)塊鉆井液體系的優(yōu)化及應用

        2018-10-09 03:19:32邱春陽李蕾秦濤姜春麗陳二丁王寶田
        斷塊油氣田 2018年5期
        關鍵詞:泥餅井眼鉆井液

        邱春陽,李蕾,秦濤,姜春麗,陳二丁,王寶田

        (中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術公司,山東 東營 257064)

        準北區(qū)塊地質構造復雜,穿越多套地層,孔隙及微細裂縫發(fā)育,存在破碎帶,鉆井液井壁穩(wěn)定技術難度大。為確保準北區(qū)塊勘探開發(fā)順利,提高探井鉆探成功率,前期針對準北區(qū)塊地層巖性,研發(fā)了聚胺磺化封堵防塌鉆井液體系,并在準北1井進行了現(xiàn)場應用[1],取得了一定的效果,但也出現(xiàn)了一些問題。鑒于此,本文對聚胺磺化封堵防塌鉆井液體系進行了優(yōu)化,形成了聚胺納米封堵鉆井液體系。該體系在準北2井進行了現(xiàn)場應用,全井施工順利,井身質量好,取得了良好的井壁穩(wěn)定效果。

        1 準北區(qū)塊概況

        準北區(qū)塊地層自上而下發(fā)育古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系和石炭系。古近系為疏松黏土和粉砂巖;白堊系為泥質粉砂巖與泥巖略等厚互層;侏羅系上部以泥巖為主,夾薄層砂巖,中下部為砂質泥巖、泥巖與粉砂巖略等厚互層,夾煤層和碳質泥巖;三疊系上部為深灰色泥巖,夾薄層煤,下部為泥質粉砂巖;二疊系上部為薄層含礫泥巖,下部為薄層細砂巖、泥質粉砂巖;石炭系上部以安山巖、安山質玄武巖為主,下部為火山角礫巖、安山質角礫巖。

        準北區(qū)塊儲層深度約4 500 m,一開用φ444.5 mm鉆頭鉆進,φ339.7 mm套管下深約1 000 m;二開用φ311.2 mm鉆頭鉆進,φ244.5 mm套管下深約3 300 m;三開采用φ215.9 mm鉆頭鉆至設計井深,完鉆。

        2 準北1井鉆井液應用情況

        2.1 應用效果

        準北1井使用聚胺磺化封堵防塌鉆井液體系施工,解決了上部地層紅色軟泥巖的水化膨脹難題,以及二開大井眼及長裸眼井段、三開破碎性地層巖屑和掉塊的攜帶問題。二開井身質量良好,平均井徑擴大率為5.10%。

        2.2 存在問題

        三開取心后,下鉆至4 156 m進行擴劃眼。劃眼過程中扭矩較大,但振動篩無大掉塊返出,劃眼到底后恢復正常鉆進。電測顯示,劃眼處井徑擴大率最大為108.02%。三開井眼狀況見圖1。

        圖1 準北1井三開井眼狀況

        2.3 井塌原因分析

        取心顯示,所鉆地層破碎,孔隙和微細裂縫發(fā)育,使用的聚胺磺化封堵防塌鉆井液封堵性差(表現(xiàn)為鉆井液形成的泥餅質量差),鉆井液濾液透過泥餅進入地層中,造成巖石之間的膠結物和充填物水化分散,致使巖石的膠結強度降低,在外力作用下坍塌。

        對鉆井液體系配方的分析表明,體系中構成泥餅的微細顆粒大多是微米級粒子,在泥餅形成過程中,這些微米級粒子隨著濾液進入地層而吸附在井壁上構成緊密堆積,其堆積而成的微小孔隙無更細小的納米級封堵粒子進行封堵,造成鉆井液體系對井壁的封堵性差,從而導致巖石水化。

        巖石水化后,地層坍塌壓力增大[2-3],為平衡地層坍塌壓力,必須提高鉆井液密度。但是,鉆井液密度提高后,鉆井液液柱和地層孔隙之間的壓差增大,致使鉆井液濾液在壓差作用下向地層侵入更多,井壁失穩(wěn)趨勢增大。因此,為保證后期勘探開發(fā)的順利實施,必須對鉆井液配方進行優(yōu)化,以提高泥餅質量,增強鉆井液體系的封堵性能。

        3 鉆井液體系優(yōu)化

        3.1 優(yōu)化思路

        通過對準北1井所用鉆井液封堵性差的原因分析,提出鉆井液優(yōu)化思路:1)保留原體系中的降濾失劑——磺化酚醛樹脂和磺酸鹽共聚物,保持鉆井液的抗溫抗鹽能力,控制高溫高壓濾失量;2)保留原體系中的抑制劑——胺基硅醇和防塌劑鋁基聚合物,抑制泥頁巖水化分散;3)加入納米封堵劑,封堵微米級粒子堆積而形成的孔隙,提高泥餅的致密性;4)施工中,鉆井液密度控制在設計下限,降低鉆井液濾液向地層滲透的作用力,減緩泥頁巖水化膨脹。

        3.2 優(yōu)化后的鉆井液體系配方

        鉆井液體系優(yōu)化后,形成聚胺納米封堵鉆井液體系。其配方為:(4.0%~6.0%)膨潤土+(0.3%~0.6%)聚丙烯酰胺PAM+(1.0%~1.5%)磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP-2+(1.0%~2.0%)胺基硅醇+(2.0%~3.0%)低熒光井壁穩(wěn)定劑HQ-1+(4.0%~6.0%)磺化酚醛樹脂SMP-1+(1.0%~2.0%)鋁基聚合物防塌劑 DLP-1+(2.0%~3.0%)無水聚合醇+(3.0%~5.0%)納米封堵劑。

        3.3 聚胺納米封堵鉆井液作用機理

        胺基硅醇分子中的Si—OH與黏土上的Si—OH在高溫下生成牢固的Si—O—Si鍵,不易斷裂;胺基能牢固吸附在黏土顆粒表面,硅羥基在黏土表面形成疏水層,阻止了胺基對黏土顆粒的影響。因此,胺基硅醇的加入對體系的流變性和濾失量影響較小[4-6]。

        聚合醇具有“濁點效應”。當?shù)貙訙囟鹊陀跐狳c溫度時,聚合醇在鉆具和固體顆粒表面形成憎水膜,阻止泥頁巖水化分散,穩(wěn)定井壁;當?shù)貙訙囟雀哂谄錆狳c溫度時,聚合醇從鉆井液中析出,黏附在鉆具和井壁上,封堵巖石孔隙,阻止濾液滲入地層,起到穩(wěn)定井壁的作用[7-8]。鋁基聚合物防塌劑滲入地層后,能夠與黏土結合形成具有固結作用的硅鋁酸鹽不滲透層,阻止濾液進一步侵入地層;當進入頁巖內部后,能夠與地層中多價陽離子發(fā)生化學反應生成沉淀,增強對地層孔喉和微裂縫的封堵,進一步增強了井壁穩(wěn)定性[9-10]。

        納米封堵劑由不同粒徑的納米級材料組成,具有空間位阻效應、小尺寸效應和多表面效應??臻g位阻效應保證納米封堵劑能夠迅速分散在鉆井液體系中,而不會團聚,保證鉆井液在井壁上形成致密泥餅;小尺寸效應保證泥餅具有一定的韌性和延展性,在鉆具碰撞下變形而不會脫落,始終保持對井壁的封堵;多表面效應保證泥餅表面具有親油疏水性,改善泥餅表面的平滑度,提高泥餅的潤滑性[11-17]。

        4 鉆井液體系性能評價

        4.1 抑制性能

        采用巖心膨脹實驗和巖屑(準北1井石炭系泥巖)回收率實驗,評價了聚胺納米封堵鉆井液體系的抑制性,結果見表1。

        表1 優(yōu)化前后鉆井液體系的抑制性能

        由表1可看出,由于納米粒子的表面疏水效應,聚胺納米封堵鉆井液8 h頁巖膨脹高度低,巖屑回收率高,說明鉆井液體系經(jīng)過優(yōu)化后,抑制性能得到增強。

        4.2 封堵性能

        實驗采用 200~400 目(直徑為 37~74 μm)的石英砂模擬井壁孔隙和微細裂縫,按照配方配制好聚胺納米封堵鉆井液,分別倒入可視高溫高壓砂床濾失儀和高溫高壓砂床濾失儀中,評價了體系的封堵性能(實驗時間30 min),結果見表2。

        表2 優(yōu)化前后鉆井液體系的封堵性能

        由表2可看出,聚胺磺化封堵防塌鉆井液經(jīng)過優(yōu)化后,鉆井液侵入可視高溫高壓砂床深度低,高溫高壓砂床濾失量小,而且形成的泥餅明顯變薄,說明優(yōu)化后的聚胺納米封堵鉆井液封堵性能明顯增強。

        5 現(xiàn)場應用

        聚胺納米封堵鉆井液在準北2井三開鉆井施工中進行了現(xiàn)場應用。該井二開φ244.5 mm技術套管下深3 304.86 m,三開φ215.9 mm鉆頭鉆至井深4 753.00 m完鉆,裸眼完井。

        5.1 現(xiàn)場施工工藝

        1)預處理。使用二開井漿鉆水泥塞,加入純堿,降低鈣離子污染;在套管內循環(huán)井漿,開動四級固控設備,降低固相含量;按照配方低限加入處理劑,性能達到設計要求后開鉆。

        2)密度、抑制性調控。鉆井液密度始終控制在設計下限,以便于發(fā)現(xiàn)油氣藏;鉆進中及時補充1.0%的胺基硅醇和1.0%的鋁基聚合物防塌劑,以保持鉆井液體系的抑制性。

        3)封堵性調控。使用2.0%的井壁穩(wěn)定劑、3.0%的納米封堵劑和1.5%的無水聚合醇,保持鉆井液體系的封堵性;定期補充8.0%的預水化膨潤土漿,參與泥餅顆粒的構成,提高封堵效果。每次起鉆前,用鋁基聚合物防塌劑、磺酸鹽共聚物降濾失劑和納米封堵劑配制高黏切封井漿,封閉裸眼井段,通過靜止封堵的形式,讓防塌劑進入地層,達到較好的封堵效果。

        4)濾失量調控。嚴格控制中壓濾失量小于3.0 mL,高溫高壓濾失量低于12.0 mL,減緩濾液在高溫高壓條件下向井壁滲透。

        5)流變性調控。鉆井液流型控制在層流狀態(tài),保持鉆井液的護壁防塌能力;定期補充預水化膨潤土漿,增強鉆井液體系的懸浮攜帶能力(性能指標見表3)。

        6)固控設備使用情況。振動篩、除泥器和除砂器同時使用,間接開動離心機,降低鉆井液中的劣質固相含量,維持體系的流變性。

        表3 準北2井三開鉆井液性能指標

        7)完井作業(yè)。充分循環(huán)鉆井液,配制高黏切(漏斗黏度為70 s)鉆井液凈化井眼;換帶牙輪鉆頭的鉆具通井,下鉆到底后,鉆井液循環(huán)2周,泵入高黏切(漏斗黏度為80 s)鉆井液凈化井眼;配制封井漿封閉裸眼井段,保證完井作業(yè)順利。封井漿配方為:60 m3井漿+2.0%SMP-1+3.0%井壁穩(wěn)定劑+1.0%固體潤滑劑+2.0%白油潤滑劑+1.0%納米封堵劑。

        5.2 應用效果

        1)聚胺納米封堵鉆井液抑制性好,有效抑制了泥頁巖的水化分散,振動篩返出的巖屑棱角分明,無二次研磨痕跡;聚胺納米封堵鉆井液封堵能力強,三開鉆井施工順利,起下鉆暢通無阻,無掉塊返出。

        2)取心作業(yè)順利,巖心收獲率為100%,電測順利,下套管一次成功率為100%。

        3)井眼質量良好,三開井段井徑平均擴大率為8.45%,井徑最大擴大率低于18.00%,三開井徑情況詳見圖2。

        4)實現(xiàn)了低密度下井壁穩(wěn)定的效果。準北1井在石炭系鉆進中,鉆井液密度維持在1.15 g/cm3,井壁不穩(wěn)定,而準北2井在石炭系鉆進中密度控制在1.10 g/cm3時井壁依然穩(wěn)定,說明優(yōu)化后鉆井液體系封堵性能明顯增強。

        圖2 準北2井三開井眼狀況

        6 結束語

        聚胺納米封堵鉆井液在準北2井進行了現(xiàn)場應用,施工中井壁穩(wěn)定,鉆完井作業(yè)順利,取得了良好的現(xiàn)場應用效果。但個別井段井徑平均擴大率仍較大,應繼續(xù)對聚胺納米封堵鉆井液性能進行完善。

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