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        冀東1、2號(hào)構(gòu)造泥巖特征分析及鉆井液體系優(yōu)選

        2021-05-07 12:15:30吳曉紅崔應(yīng)中
        化學(xué)與生物工程 2021年4期
        關(guān)鍵詞:冀東東營(yíng)反滲透

        吳曉紅,崔應(yīng)中

        (1.中國(guó)石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院,河北 唐山 063004;2.湖北漢科新技術(shù)股份有限公司 湖北省油田化學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,湖北 荊州 434000)

        1、2號(hào)構(gòu)造是冀東油田的一個(gè)重點(diǎn)勘探開發(fā)區(qū)塊,前期鉆井最大井深6 050 m,平均作業(yè)井深4 015 m;前期作業(yè)井井型主要為定向井,個(gè)別為大位移井,作業(yè)過程中出現(xiàn)的主要問題為井壁失穩(wěn)帶來的阻卡和漏失;從鉆井周期趨勢(shì)來看,1、2號(hào)構(gòu)造的單井鉆井周期呈縮短趨勢(shì),部分井因?yàn)榫谑Х€(wěn)和井漏導(dǎo)致鉆井周期較長(zhǎng)。這些復(fù)雜情況主要發(fā)生在東營(yíng)組和沙河街組地層。冀東1、2號(hào)構(gòu)造東營(yíng)組地層存在大段泥巖[1-2],井壁失穩(wěn)情況比較突出,泥巖納米孔喉發(fā)育并存在微米級(jí)微孔縫,粘土礦物含量高,導(dǎo)致其相對(duì)更易水化失穩(wěn),因此需要鉆井液具有良好的抑制、封堵和穩(wěn)定泥巖的能力。

        為此,作者對(duì)冀東1、2號(hào)構(gòu)造東營(yíng)組地層泥巖特征及失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的3種鉆井液體系[3-6]的綜合性能進(jìn)行比較,優(yōu)選有助于冀東1、2號(hào)構(gòu)造地層井壁穩(wěn)定的鉆井液體系。

        1 冀東1、2號(hào)構(gòu)造泥巖特征及失穩(wěn)機(jī)理分析

        1.1 泥巖特征分析

        室內(nèi)借助鑄體薄片、掃描電鏡、壓汞測(cè)試儀、X-射線衍射儀、單軸應(yīng)力測(cè)試儀等對(duì)冀東1、2號(hào)構(gòu)造東營(yíng)組地層泥巖樣本的組構(gòu)特征、組分特征、孔滲特征、分散膨脹特征、力學(xué)穩(wěn)定性等進(jìn)行測(cè)試分析,結(jié)果如下:

        (1)組構(gòu)特征

        東營(yíng)組地層泥巖孔隙發(fā)育差,存在粒間孔縫、微孔縫以及0.02~0.06 mm成巖縫,粒間、粒表有伊利石和伊蒙混層等粘土礦物存在。

        (2)組分特征

        東營(yíng)組地層泥巖以石英、粘土礦物為主,平均含量分別為31.3%、44.3%,粘土礦物含量較高。粘土礦物組分中伊蒙混層平均含量62.2%,伊利石平均含量29.6%,伊蒙混層含量較高。

        (3)孔滲特征

        東營(yíng)組地層泥巖的滲透率最高0.160 mD,平均0.004 mD;孔隙率最大7.66%,最小0.70%,平均4.70%;最大孔喉半徑最大1.094 μm,最小0.015 μm,平均0.239 μm;中值孔喉半徑最大0.012 μm,最小0.006 μm,平均0.008 μm;平均孔喉半徑最大0.110 μm,最小0.006 μm,平均0.029 μm。

        (4)分散膨脹特征

        東營(yíng)組地層泥巖的膨脹率最低7.6%,最高27.3%,平均18.1%;熱滾回收率最高98.0%,最低76.6%,平均92.5%。

        (5)力學(xué)穩(wěn)定性

        東營(yíng)組地層泥巖巖心單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果(表1)顯示:經(jīng)水相浸泡后,東營(yíng)組地層?xùn)|二段泥巖巖心直接泡裂,東三段灰質(zhì)泥巖巖心單軸抗壓強(qiáng)度下降67.8%;經(jīng)白油浸泡后,東二段泥巖巖心單軸抗壓強(qiáng)度下降26.9%,東三段灰質(zhì)泥巖巖心單軸抗壓強(qiáng)度下降31.4%。表明,液相侵入均會(huì)增加泥巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),油相侵入因?yàn)閹r心不存在水化問題,所以巖心單軸抗壓強(qiáng)度下降幅度較?。凰嗲秩胍?yàn)闀?huì)同時(shí)帶來水化問題,所以更容易導(dǎo)致泥巖井壁失穩(wěn)。

        表1 巖心單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

        1.2 失穩(wěn)機(jī)理分析

        基于冀東1、2號(hào)構(gòu)造東營(yíng)組地層泥巖特征,對(duì)泥巖失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析:由于納米孔喉發(fā)育導(dǎo)致泥巖毛管自吸能力強(qiáng),微孔縫的存在又會(huì)加劇液相侵入,較高的粘土礦物含量和伊蒙混層含量提供了泥巖水化基礎(chǔ)條件,外來流體帶來的水化和液相侵入加劇了泥巖力學(xué)失穩(wěn)。

        2 鉆井液體系綜合性能對(duì)比

        為了預(yù)防和減少后期作業(yè)井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),室內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用過的3種鉆井液體系(低自由水鉆井液、鉀鹽抗高溫鉆井液和反滲透鉆井液)進(jìn)行綜合性能對(duì)比,以優(yōu)選適用于冀東1、2號(hào)構(gòu)造地層的具有良好的抑制、封堵和穩(wěn)定泥巖能力的鉆井液體系。3種鉆井液體系均應(yīng)用了聚胺和無機(jī)鹽復(fù)合抑制措施,同時(shí)使用了微納米封堵材料。

        2.1 基本性能

        低自由水鉆井液體系配方:2%膨潤(rùn)土+0.2%NaOH+0.1%增黏劑XC+0.3% PAC-LV+1.0%自由水絡(luò)合劑+1.2%輔助絡(luò)合劑HXF+3%濾失劑HFL-2+2%封堵劑HBJ-3+2%膠束劑HSM+3%固壁劑HGW+8%KCl+1.5%聚胺+1.5%防水鎖劑HAR-D,重晶石加重至1.40 g·cm-3。

        鉀鹽抗高溫鉆井液體系配方:2%膨潤(rùn)土+0.2%NaOH +1% DSP-2+0.3%PAC-LV+3%酚醛樹脂+3%褐煤樹脂+3%防塌劑FT-3000+2%膠束劑HSM+2%固壁劑HGW+1%聚胺+5%KCl+1.5%防水鎖劑HAR-D,重晶石加重至1.40 g·cm-3。

        反滲透鉆井液體系配方:2%膨潤(rùn)土+0.2%NaOH+1.0%PAC-LV+0.5%HMP+4%降濾失劑HFL-H+2%封堵劑HBJ+3%固壁劑HGW+2%膠束劑HSM+8%鍵合劑+20%復(fù)合鹽+0.1%增黏劑XC+1.5%防水鎖劑HAR-D,重晶石加重至1.40 g·cm-3。

        3種鉆井液體系的基本性能見表2。

        表2 3種鉆井液體系的基本性能

        從流變性能來看,老化后低自由水鉆井液體系和反滲透鉆井液體系的動(dòng)切力較高,鉀鹽抗高溫鉆井液體系的動(dòng)切力較低。從濾失性能來看,反滲透鉆井液體系的HTHP濾失量最少,為7.2 mL,低自由水鉆井液體系和鉀鹽抗高溫鉆井液體系的HTHP濾失量相近,為11~12 mL。

        2.2 泥餅封堵承壓性能

        將3種鉆井液體系在120 ℃×16 h條件下老化,制備高溫高壓泥餅;將泥漿替換為清水,升溫至實(shí)驗(yàn)溫度,測(cè)定壓差分別為1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa、7 MPa時(shí)的5 min濾失量,以評(píng)價(jià)泥餅封堵承壓性能,結(jié)果見表3。

        表3 3種鉆井液體系高溫高壓泥餅封堵承壓性能

        當(dāng)開啟失水桶放液閥,出現(xiàn)泥餅擊穿(回壓閥壓力表指針讀值迅速升高)或漏失量明顯增加的現(xiàn)象時(shí),立刻關(guān)閉放液閥,此時(shí)的壓力為擊穿壓力。由表3可知,3種鉆井液體系高溫高壓泥餅封堵承壓能力均達(dá)到7 MPa;封堵承壓性能從強(qiáng)到弱依次為:反滲透鉆井液體系>低自由水鉆井液體系>鉀鹽抗高溫鉆井液體系。

        2.3 泥巖穩(wěn)定性能

        巖心浸泡在不同體系中的單軸抗壓強(qiáng)度見表4。

        表4 巖心浸泡在不同體系中的單軸抗壓強(qiáng)度

        由表4可知,3種鉆井液體系均能有效改善巖心的力學(xué)穩(wěn)定性。巖心浸泡在3種鉆井液體系中的單軸抗壓強(qiáng)度降幅較浸泡在清水中的明顯減小,其中浸泡在反滲透鉆井液體系中的巖心的單軸抗壓強(qiáng)度降幅最小,為20.9%。分析認(rèn)為,由于3種鉆井液體系中均加入了聚胺和無機(jī)鹽抑制劑,使得體系都具有良好的抑制粘土水化的能力;同時(shí)3種鉆井液體系中均含有微納米封堵材料固壁劑HGW和膠束劑HSM,能夠較好地封堵泥巖的微孔隙和微孔縫,進(jìn)而減少液相侵入,所以各體系均有較好的泥巖穩(wěn)定性能。

        2.4 儲(chǔ)層保護(hù)性能

        使用100 μm微裂縫鋼制巖心模擬地層裂縫介質(zhì)條件,高溫高壓條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)污染和返排模擬實(shí)驗(yàn),比較3種鉆井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)性能。步驟:將100 μm微裂縫鋼制巖心裝入高溫高壓動(dòng)態(tài)污染儀中;先用鉆井液正向污染,污染條件120 ℃×3.5 MPa×2 h;再用完井液正向浸泡120 ℃×2 h;反向用氮?dú)怛?qū)替,測(cè)定臨界返排壓力,結(jié)果見表5。

        表5 3種鉆井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)性能

        由表5可知,3種鉆井液體系的封堵效果好,且返排壓力較低,能夠滿足儲(chǔ)層保護(hù)基本需要。

        3 結(jié)論

        在對(duì)冀東1、2號(hào)構(gòu)造東營(yíng)組地層泥巖特征及失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的3種鉆井液體系的綜合性能進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)反滲透鉆井液體系、低自由水鉆井液體系、鉀鹽抗高溫鉆井液均具有良好的流變性能、濾失性能、儲(chǔ)層保護(hù)性能。從封堵承壓性能和泥巖穩(wěn)定性能來看,反滲透鉆井液體系減少液相侵入的能力更強(qiáng)、巖心單軸抗壓強(qiáng)度降幅最小,更適于冀東1、2號(hào)構(gòu)造地層。

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