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        木壘2井井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)

        2019-10-08 06:52:34邱春陽司賢群陳二丁
        關(guān)鍵詞:體系

        邱春陽,司賢群,陳二丁

        (勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院,山東 東營 257000)

        木壘2井位于準(zhǔn)噶爾盆地木壘凹陷,是一口預(yù)探直井,鉆探目的是了解木壘凹陷南部二疊系、石炭系含油氣情況,落實(shí)石炭系烴源巖發(fā)育情況。該井設(shè)計(jì)井深3 200 m,實(shí)際完鉆井深為3 300 m。該井位于山前構(gòu)造帶,地層巖性復(fù)雜,施工中鉆井液技術(shù)難度大,鄰井鉆進(jìn)過程井壁失穩(wěn)嚴(yán)重,最大井徑達(dá)到130%,導(dǎo)致起下鉆阻卡嚴(yán)重,延長(zhǎng)鉆完井周期,勘探與開發(fā)進(jìn)度低。通過使用聚胺納米防塌鉆井液體系,該體系抑制性好,能夠?qū)ξ⒓{米孔隙和裂縫進(jìn)行封堵,封堵效率高?,F(xiàn)場(chǎng)施工過程中輔助相應(yīng)的鉆井液維護(hù)處理工藝,保證了木壘2井的順利完鉆,為該區(qū)塊進(jìn)一步勘探開發(fā)提供了詳實(shí)的技術(shù)參數(shù)和技術(shù)保障。

        1 工程地質(zhì)概況

        1.1 工程概況

        一開使用Φ444.5 mm鉆頭鉆至井深307.50 m,下入Φ339.7 mm表層套管至307.50 m;二開使用Φ311.2 mm鉆頭鉆至井深2 492 m,下入Φ244.5 mm技術(shù)套管至2 485.22 m;三開使用Φ215.9 mm鉆頭鉆至井深3 300 m完鉆。

        1.2 地質(zhì)概況

        木壘2井位于準(zhǔn)噶爾盆地木壘凹陷,該井地層自上而下鉆遇石炭系石錢灘組(C2sh)、二疊系梧桐溝組(P3Wt)、平地泉組(P2P)及石炭系巴塔瑪依內(nèi)山組(C2b)。石錢灘組上部為灰色凝灰質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖、凝灰質(zhì)角礫巖與深灰色泥巖不等厚互層;中部為灰色、灰綠色凝灰質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖與灰色、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖不等厚互層;下部以灰色、深灰色灰質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖為主夾灰色、深灰色生屑灰?guī)r,泥巖、砂質(zhì)泥巖。梧桐溝組以灰色泥巖為主夾薄層灰色粉砂巖、細(xì)砂巖。平地泉組上部以灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主夾薄層灰色粉砂巖、細(xì)砂巖;下部以灰色細(xì)砂巖、粉砂巖為主夾灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖。巴塔瑪依內(nèi)山組上部為紫紅色安山巖、雜色火山角礫巖、深灰色玄武巖;下部為深灰色凝灰質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)砂巖互層夾深灰色炭質(zhì)泥巖。

        2 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

        1)上部地層膠結(jié)性差,鉆進(jìn)過程中機(jī)械鉆速快,大尺寸鉆頭必然產(chǎn)生大量巖屑,如果巖屑不能及時(shí)攜帶出井眼,會(huì)導(dǎo)致鉆頭重復(fù)破碎,降低施工效率;并且停泵后導(dǎo)致沉砂卡鉆。

        2)該井處于山前構(gòu)造,多期的強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地層層序倒轉(zhuǎn),地層中發(fā)育較強(qiáng)的地應(yīng)力。當(dāng)井眼形成的瞬間,地應(yīng)力沿著井眼的徑向釋放,導(dǎo)致井壁坍塌。鄰井曾發(fā)生卡鉆事故,損失大量的人力和物力。

        3)平地泉組和巴塔瑪依內(nèi)山組地層中泥巖硬脆,鉆進(jìn)過程中在地層應(yīng)力和機(jī)械碰撞作用下極易發(fā)生硬脆性垮塌和應(yīng)力性垮塌,并且坍塌的掉塊難以破碎,容易造成掉塊卡鉆。

        4)受造山運(yùn)動(dòng)影響,梧桐溝組和平地泉組地層不整合,易發(fā)生裂縫性漏失;下部巴塔瑪依內(nèi)山組地層裂縫系發(fā)育嚴(yán)重,地層滲透性強(qiáng),施工中漏失嚴(yán)重。

        3 鉆井液體系研究

        3.1 鉆井液體系配方

        通過調(diào)研國內(nèi)山前構(gòu)造井[1-4]及國內(nèi)外深井[5-7]鉆井液使用情況,結(jié)合鄰井鉆井液使用經(jīng)驗(yàn),針對(duì)木壘2井地層巖性及鉆井液技術(shù)難點(diǎn),通過優(yōu)選鉆井液處理劑,形成聚胺納米防塌鉆井液體系,配方如下:

        (3.0~5.0)%膨潤土漿+(0.2~0.3)%聚丙烯酸鉀KPAM+(0.5~1.0)%胺基聚醇+(1.0~2.0)%磺化酚醛樹脂+(1.0~2.0)%褐煤類降濾失劑+(0.8~1.0)%磺酸鹽共聚物降濾失劑+(2.0~3.0)%羥基鋁防塌劑+(3.0~4.0)%納米封堵劑+(2.0~3.0)%無水聚合醇+(6.0~8.0)%低熒光磺化瀝青+(6.0~8.0)%陽離子膠乳瀝青。

        3.2 鉆井液體系作用機(jī)理

        胺基聚醇分子上多個(gè)獨(dú)立的胺基可充填在黏土顆粒的晶層之間,并把它們束縛在一起,有效地減少黏土的吸水傾向,其抑制作用具有長(zhǎng)效性[8]。

        羥基鋁防塌劑滲入地層后,與黏土結(jié)合形成具有固結(jié)作用的硅鋁酸鹽不滲透層,阻止濾液的進(jìn)一步侵入;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)井壁穩(wěn)定性[9]。

        納米封堵劑顆粒尺寸小,能更快地吸附在井壁及黏土顆粒表面,并在其表面形成油膜,阻止井壁及黏土顆粒的水化,并能提高鉆井液的潤滑性;納米封堵劑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]。

        陽離子膠乳瀝青呈正電性,在井底溫度作用下,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]。

        聚合醇具有“濁點(diǎn)效應(yīng)”,當(dāng)?shù)貙訙囟鹊陀跐狳c(diǎn)溫度時(shí),聚合醇吸附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,改善潤滑性,防止鉆頭泥包。當(dāng)?shù)貙訙囟雀哂谄錆狳c(diǎn)溫度時(shí),聚合醇從鉆井液中析出,粘附在鉆具和井壁上,封堵巖石孔隙,阻止濾液滲入地層,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定井壁的作用[12]。

        4 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液施工工藝

        4.1 一開鉆井液施工工藝

        1)配制10%膨潤土漿200 m3,預(yù)水化24 h后開鉆。

        2)鉆進(jìn)中加入0.5%高黏聚陰離子纖維素,保持鉆井液漏斗黏度大于50 s,保證鉆井液體系的懸浮和攜帶能力。

        3)鉆完進(jìn)尺后,適當(dāng)提高鉆井液黏度和切力,增強(qiáng)鉆井液體系的攜巖能力。

        4)下套管前,配置封井漿封井,確保下套管順利。

        5)施工效果:下套管施工順利;開泵順利;固井施工順利。

        4.2 二開鉆井液施工工藝

        1)套管內(nèi)處理一開井漿,凈化鉆井液。加入低黏聚陰離子纖維素LV-PAC,鉆井液漏斗黏度至45 s左右開鉆。

        2)按照循環(huán)周補(bǔ)充0.4%聚丙烯酸鉀KPAM膠液,保證鉆井液體系的包被性能,防止巖屑遇水分散;均勻加入1.0%胺基聚醇,抑制泥頁巖水化膨脹。

        3)鉆進(jìn)過程中補(bǔ)充10%膨潤土漿,保證膨潤土粒子對(duì)井壁孔隙及微裂縫的封堵,提高鉆井液體系的造壁性能和攜帶能力;根據(jù)鉆井液體積消耗速度,適當(dāng)加入纖維類堵漏材料,封堵地層中大的微裂縫,防止井壁漏失。

        4)二開上部井段(<2 000 m),采用低黏聚陰離子纖維素和褐煤控制鉆井液的濾失量至5 mL;下部井段,采用磺化酚醛樹脂和褐煤控制鉆井液的濾失量至5 mL以內(nèi)。

        5)采用超細(xì)碳酸鈣和低熒光磺化瀝青,配合高含量膨潤土漿,使鉆井液體系能夠在井壁上形成良好泥餅;輔助加入無水聚合醇和井壁穩(wěn)定劑,對(duì)地層孔隙及微裂縫進(jìn)行封堵,提高井壁穩(wěn)定性。

        6)鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)下限,并隨著地層壓力變化調(diào)整;進(jìn)入平地泉組,鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)上限;平地泉組下段,地層出現(xiàn)掉塊,申請(qǐng)?zhí)岣咩@井液密度,保證鉆井液液柱壓力平衡地層坍塌壓力。

        7)充分利用四級(jí)固控設(shè)備,振動(dòng)篩、除砂器和除泥器使用率達(dá)到100%,間斷開啟離心機(jī),保證鉆井液體系具有良好的流變性。

        8)工程上嚴(yán)格執(zhí)行短起下鉆措施,刮掉吸附在井壁上的虛厚泥餅;下鉆過程中適當(dāng)劃眼,破碎井底的掉塊,暢通井眼。

        9)中完后,充分循環(huán)鉆井液,適當(dāng)提高鉆井液黏度和切力,凈化井眼;起鉆前,用羥基鋁防塌劑和低熒光磺化瀝青配制封井漿,封住下部1 500 m井段,保證中完作業(yè)順利進(jìn)行。二開鉆井液性能控制如表1 所示。

        10)施工效果:鉆進(jìn)過程中井壁穩(wěn)定,井徑平均擴(kuò)大率為9.35%;電測(cè)順利;下套管一次到底。

        4.3 三開鉆井液施工工藝

        1)預(yù)處理。在二開套管內(nèi)循環(huán)鉆井液,開動(dòng)四級(jí)固控設(shè)備凈化鉆井液,然后按照設(shè)計(jì)下限補(bǔ)充處理劑,待鉆井液性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求后開鉆。

        2)抑制性控制。采取適度抑制的原則,按照循環(huán)周均勻補(bǔ)充聚合物KPAM和胺基聚醇,適當(dāng)加入褐煤類降濾失劑,保證鉆井液體系的適當(dāng)分散,保持其抑制性和封堵性的統(tǒng)一。

        3)封堵性控制。定期補(bǔ)充10%預(yù)水化膨潤土漿,保持膨潤土粒子對(duì)井壁的封堵;補(bǔ)充羥基鋁防塌劑、納米封堵劑和磺化瀝青,隨著井深而增加其含量,逐漸增加其封堵性。

        4)濾失量的控制。采用磺化酚醛樹脂和磺酸鹽共聚物降濾失劑控制鉆井液的濾失量。中壓濾失量控制在3.0 mL以內(nèi),高溫高壓濾失量控制在12 mL以內(nèi),降低濾液向地層的滲透。

        5)流變性控制。漏斗黏度控制在65 s左右,動(dòng)塑比控制在0.3左右,保證鉆井液具有良好的懸浮攜帶能力,防止環(huán)空壓耗過大造成井壁失穩(wěn);每次起鉆前封井,保證高溫下鉆井液良好的流變性。

        表1 二開鉆井液性能控制情況

        6)固控設(shè)備使用。保持振動(dòng)篩、除砂器和除泥器利用率達(dá)到100%,定期開動(dòng)離心機(jī),降低鉆井液體系中的低密度固相含量,保證鉆井液體系良好的流變性。

        7)鉆進(jìn)過程中,要注意觀察井口返漿情況,振動(dòng)篩上的巖屑返出、巖屑的形狀變化,做好井眼穩(wěn)定性防護(hù)及監(jiān)視工作,避免出現(xiàn)井眼垮塌的惡性事故,提高鉆井液的懸浮、攜帶巖屑能力,確保正常鉆進(jìn)。

        8)密度控制。鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)中限,以后隨著地層壓力監(jiān)控情況隨時(shí)調(diào)控;下部井段,鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)上限,保證鉆井液液柱壓力支撐地層坍塌壓力,保持井筒的力學(xué)平衡。

        9)完井措施。完鉆后,充分循環(huán)鉆井液,然后進(jìn)行短起下鉆,刮掉黏附在井壁上的虛厚泥餅以暢通井眼;下鉆到底后,循環(huán)鉆井液,配制稠鉆井液洗井,待振動(dòng)篩上無巖屑返出后,配制高黏切鉆井液封井。三開鉆井液性能控制如表2所示。

        10)施工效果:鉆進(jìn)過程中井壁穩(wěn)定,井徑平均擴(kuò)大率為8.89%,是該區(qū)塊井身質(zhì)量最好的一口井;完井作業(yè)順利。

        表2 三開鉆井液性能控制情況

        5 復(fù)雜情況處理

        二開完鉆后,循環(huán)鉆井液時(shí)發(fā)生井漏。地層為平地泉組,鉆井液失返。

        5.1 復(fù)雜情況處理

        1)第1次堵漏?,F(xiàn)場(chǎng)施工小組確定如下堵漏措施,堵漏配方為:50 m3井漿+14%核桃殼+12%復(fù)合堵漏劑+2%云母片+4%單項(xiàng)壓力封閉劑,泵入堵漏漿40 m3,未見泥漿返出;又泵入泥漿19 m3,靜止堵漏;繼續(xù)泵入鉆井液后,鉆井液未返,堵漏失敗。

        2)第2次堵漏。重新配制堵漏漿,堵漏漿配方為:50 m3井漿+12%核桃殼(粗)+8%核桃殼(中)+4%核桃殼(細(xì))+4%棉籽皮+4%云母片+4%復(fù)合堵漏劑+3%隨鉆堵漏劑,泵入堵漏漿38 m3,最后井口返出泥漿,繼續(xù)泵入井漿12 m3,井口返漿正常,堵漏成功。

        5.2 第1次堵漏失敗分析

        井漏為失返性漏失,第一次配制堵漏漿中的堵漏劑顆粒粒徑小,堵漏漿進(jìn)入漏失通道后,堵漏段塞形成的堵漏強(qiáng)度低,在鉆井液液柱壓力的作用下,導(dǎo)致堵漏段塞不能在漏失通道留存,致使堵漏失敗。

        6 結(jié)論

        1)聚胺納米防塌鉆井液體系抑制性能好,封堵能力強(qiáng),配合現(xiàn)場(chǎng)鉆井液維護(hù)處理工藝和應(yīng)對(duì)復(fù)雜情況的處理措施,保證木壘2井順利鉆至目的層。

        2)鉆井液中使用羥基鋁防塌劑、納米封堵劑和陽離子膠乳瀝青,通過各種處理劑“多元協(xié)同” 防塌作用,達(dá)到了井壁穩(wěn)定的效果,全井起下鉆順利,下套管順利了,電測(cè)順利。

        3)木壘區(qū)塊位于山前構(gòu)造地形,中部地層破碎,裂縫發(fā)育性好,要準(zhǔn)備好堵漏材料,還必須添加納米級(jí)封堵劑,封堵地層孔隙和微裂縫,防止井塌。

        4)木壘區(qū)塊下部石炭系地層堅(jiān)硬,機(jī)械鉆速低,必須定期開動(dòng)離心機(jī),最大限度地除去低密度固相含量,保證鉆井液具有良好的流變性。

        5)采用聚胺納米封堵防塌鉆井液體系施工,保證了井壁穩(wěn)定,但是,全井機(jī)械鉆速低,應(yīng)該對(duì)體系進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,以利于提高機(jī)械鉆速。

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