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        復(fù)合欠飽和鹽水鉆井液體系在順北志留系復(fù)雜地層的應(yīng)用

        2021-07-25 08:04:04孫方龍李子鈺
        鉆探工程 2021年7期
        關(guān)鍵詞:志留系順北油氣田

        孫方龍,李子鈺

        (1.中石化華北石油工程有限公司西部分公司,新疆 輪臺(tái) 841600;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083)

        0 引言

        隨著中石化華北石油工程有限公司西部分公司在順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部的勘探開發(fā)力度加大,志留系地層的施工已成為制約5 號(hào)斷裂南部勘探開發(fā)的“瓶頸”難題之一。從已鉆井的實(shí)鉆資料來看,志留系地層塔塔埃爾塔格組、柯坪塔格組地層裂縫縱橫發(fā)育,壓力敏感性強(qiáng),漏失風(fēng)險(xiǎn)大,裂縫連通后堵漏困難;柯坪塔格組地層存在鹽水層,使得該地層密度窗口窄,在發(fā)生井漏后表現(xiàn)出明顯的重力置換現(xiàn)象[1-2];志留系地層存在大段硬脆性泥巖,由于泥巖的水化膨脹效應(yīng)及水力楔劈引起的尖端效應(yīng)均會(huì)破壞巖石的原始強(qiáng)度,造成坍塌壓力增加[3]。上述技術(shù)難題客觀上要求低密度下的井壁穩(wěn)定性,同時(shí)還要具有較強(qiáng)抗鹽水污染能力。為此,在該井段采用KCl-NaCl 復(fù)合鹽水鉆井液體系,利用K+的抑制性和鉆井液的低活度來確保鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性[4],且該體系具有較強(qiáng)的抗污染能力,同時(shí)加入聚胺抑制劑,抑制粘土水化[5-9];在施工過程中加入隨鉆堵漏材料,加強(qiáng)鉆井液的隨鉆封堵性,起到逢縫即堵的作用[10];采用微納米封堵材料,改善泥餅質(zhì)量,也對(duì)微裂縫、微孔隙進(jìn)行有效封堵,減緩或阻止了濾液的侵入。

        1 背景

        順北52A 井為部署在順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部的一口探井,2019 年5 月20 日一開開鉆,2020 年2月15 日完鉆。鉆遇地層為二疊系和志留系等復(fù)雜地層,成井難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)高。綜合鄰井的鉆井資料,參考鄰井在鉆遇順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系時(shí)的施工情況,判斷順北52A 井可能發(fā)生的井下復(fù)雜難題。順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系施工情況見表1。

        表1 順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系施工情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Summary of Silurian drilling activities in the southern part of the 5# fault zone in the Shunbei Oil and Gas Field

        由表1 可知,順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層鉆井施工中井漏概率高,漏失量大,漏失頻繁,存在高壓鹽水層,堵漏困難,堵漏損失時(shí)間長,井漏已成為嚴(yán)重制約鉆井速度的主要因素。順北51X 井在鉆遇柯坪塔格組時(shí)卡鉆;順北52X 井在塔塔埃爾塔格組地層鉆進(jìn)發(fā)生漏失,使用化學(xué)凝膠堵漏,有成功封堵漏失層段[11-14],但漏失層位多,后續(xù)堵漏未成功,由于堵漏難度大,鉆至志留系柯坪塔格組棄井;順北5-5H 井及順北5-6 井也在鉆遇志留系地層時(shí)發(fā)生井漏,多次堵漏未成功,因而調(diào)整井身結(jié)構(gòu);順北5-7 井由于鉆遇志留系地層時(shí),井斜超標(biāo),被迫提前完井。從鄰井的鉆井資料可以發(fā)現(xiàn),順北油氣田5 號(hào)斷裂帶志留系地層存在井壁垮塌、井漏、出鹽水等“漏溢塌”同層的難題,施工難度極大。

        2 地層特點(diǎn)

        順北52A 井三開和四開鉆遇順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層。志留系上部地層塔塔埃爾塔格組,上段為棕褐、灰色泥巖,粉砂質(zhì)泥巖與灰色粉砂巖,細(xì)粒長石巖屑砂巖,粉砂巖,淺棕色泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層;下段為灰色細(xì)粒巖屑石英砂巖、細(xì)粒長石巖屑砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與灰、棕褐色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖略等厚互層。志留系下部地層柯坪塔格組,上段S1k3為灰色細(xì)粒巖屑石英砂巖夾棕褐色泥巖,即瀝青砂巖段;中段S1k2為深灰、灰、棕褐色泥巖,粉砂質(zhì)泥巖,即暗色泥巖段;下段S1k1為灰色細(xì)粒巖屑石英砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與灰、深灰、棕褐、灰褐色泥巖,粉砂質(zhì)泥巖略等厚互層,即砂泥巖互層段。

        2.1 5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層巖性裂縫分析

        對(duì)順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層進(jìn)行巖心取樣,并對(duì)所取巖心進(jìn)行觀測,分析該志留系地層裂縫發(fā)育情況。塔塔埃爾塔格組巖心裂縫見圖1,柯坪塔格組巖心裂縫見圖2。

        圖1 塔塔埃爾塔格組巖心裂縫Fig.1 Fractures in cores from Tata Ertag Formation

        圖2 柯坪塔格組巖心裂縫Fig.2 Fractures in cores from Kepingtag Formation

        由圖1、圖2 可知,志留系地層裂縫發(fā)育,存在局部輕微破碎,部分裂縫開啟,未填充,說明志留系地層易井漏和易失穩(wěn)。并且從圖中可以發(fā)現(xiàn),順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層發(fā)育的地層裂隙中,既有縱裂縫,也有橫裂縫,因此地層復(fù)雜性更高,若發(fā)生井漏或井壁失穩(wěn)情況,處理維護(hù)難度更大。

        2.2 5 號(hào)斷裂帶南部志留系成像測井

        除了通過巖心取樣的方式得到了志留系地層的地層特征外,還利用了成像測井技術(shù)對(duì)順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層進(jìn)行勘測,用以識(shí)別5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層的地層特征,并與所取巖心所示地層特征進(jìn)行對(duì)比。順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層成像測井見圖3。

        圖3 志留系成像測井Fig.3 Silurian imaging logging

        由圖3 成像測井資料可知,順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層存在許多天然裂縫,誘導(dǎo)縫較多,縱向裂縫發(fā)育程度高,裂縫尺寸大,且發(fā)育有較多橫向裂縫。成像測井資料解釋與取心所示地層特征結(jié)果吻合,且與實(shí)鉆施工情況一致。

        2.3 5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層泥巖成分分析

        對(duì)所取巖心巖樣進(jìn)行成分分析,研究地層的巖性組成及比例,并利用掃描電鏡從微觀的角度觀測地層巖石的微裂縫發(fā)育狀況,做到宏觀分析與微觀研究相結(jié)合,系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)和觀測斷裂帶地層巖石的礦物組成及微裂縫結(jié)構(gòu)。志留系硬脆性泥巖成分比例見表2 和表3,地層巖樣掃描電鏡圖片見圖4。

        表2 志留系硬脆性泥巖成分比例Table 2 Composition percentage of Silurian hard and brittle mudstone

        表3 粘土成分比例Table 3 Composition percentage of clay

        圖4 志留系地層巖樣掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.4 Scanning electron microscope picture of the Silurian stratum rock sample

        由表2 和表3 可知,順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層的泥巖中石英、斜長石、白云石等含量較高,屬于典型的硬脆性泥巖[15],且粘土礦物組分中伊蒙混層含量較高,達(dá)到45.835%,說明志留系地層具有較強(qiáng)的水化膨脹性,同時(shí)也驗(yàn)證了志留系地層井壁具有不穩(wěn)定性。由圖4 可知,該志留系地層存在不同尺寸的微裂縫,圖片中最大的微裂縫尺寸有5.92 μm,當(dāng)鉆井液濾液進(jìn)入該志留系地層后,易因水力楔劈引起的尖端效應(yīng)造成坍塌壓力增加。

        3 5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層主要鉆井技術(shù)難點(diǎn)與對(duì)策

        根據(jù)順北52A 井的鄰井資料、順北52A 井的成像測井資料及其巖心的觀測結(jié)果和成分分析實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡實(shí)驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn):

        (1)順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層裂隙發(fā)育,且從縱橫兩向發(fā)展,微裂縫發(fā)育的尺寸也較大,漏失風(fēng)險(xiǎn)高,因此需要保證所使用鉆井液具有良好的封堵性能。

        (2)順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層發(fā)育有大段的泥巖,根據(jù)成分分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示,巖石中具有1/5 的粘土成分中,包含了45%以上的伊蒙混層及34%以上的伊利石,表明該志留系地層具有較強(qiáng)的水化膨脹性,易產(chǎn)生井壁坍塌,故需要鉆井液具有強(qiáng)抑制性。

        (3)順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層中存在鹽水層,根據(jù)鄰井資料顯示,多口鄰井在該志留系地層井漏后發(fā)生鹽水侵,這就要求所使用的鉆井液具有良好的抗鹽水污染能力。

        (4)鄰井志留系地層鉆井施工中采用最低密度為1.33 g/cm3的鉆井液,在施工過程中也發(fā)生漏失,說明了志留系漏失壓力低。為平衡石炭系及志留系的坍塌壓力同時(shí)降低井漏的風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)選擇合適的鉆井液密度進(jìn)行鉆進(jìn)。

        4 鉆井液體系組成與性能

        根據(jù)鄰井資料顯示,志留系地層可能鉆遇鹽水層,且考慮到志留系地層巖石成分中泥巖含量高,因此以KCl-NaCl 欠飽和復(fù)合鹽水體系為基礎(chǔ),室內(nèi)優(yōu)選關(guān)鍵處理劑的加量,以流變性、抑制性、封堵性及抗污染性為主要考察指標(biāo),不斷優(yōu)化基礎(chǔ)配方,最終形成一套適用于該斷裂帶志留系地層鉆進(jìn)的鉆井液體系。

        配方:3% 膨潤土+0.1% 燒堿+0.2% 純堿+0.3%陽離子乳液聚合物+0.3%低粘羧甲基纖維素鈉+1% 陽離子聚丙烯酰胺+1% 磺甲基酚醛樹脂+1% 褐煤樹脂+1% 抗高溫抗鹽聚合物(RHTP-1)+2%磺化瀝青+3%高軟化點(diǎn)乳化瀝青+0.5% 有機(jī)硅醇抑制劑+0.5% 聚胺+5%KCl+18%NaCl+重晶石(密度1.32 g/cm3)。

        4.1 抗鹽水侵評(píng)價(jià)

        在優(yōu)化鉆井液體系配方下,分別加入不同量的NaCl,對(duì) 比150 ℃老 化16 h 后鉆井液性能,結(jié)果見表4。

        表4 抗鹽水侵實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Anti-saline intrusion test results

        由表4 可以看出,隨著NaCl 加量的提升,鉆井液粘度稍有上升,動(dòng)切力稍有降低,API 和高溫高壓濾失量都相應(yīng)增加,但污染后性能變化不大,說明該體系具有良好的抗鹽水侵能力。

        4.2 抑制性評(píng)價(jià)

        由于斷裂帶志留系地層巖石成分中泥巖含量高,考慮到泥巖易水化膨脹產(chǎn)生水力楔劈引起的尖端效應(yīng)均會(huì)破壞巖石的原始強(qiáng)度,造成坍塌壓力增加,因此使用KCl-NaCl 的欠飽和復(fù)合鹽水體系,利用K+的抑制性和鉆井液的低活度來確保鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性;在此基礎(chǔ)上,同時(shí)加入聚胺和有機(jī)硅醇抑制劑,進(jìn)一步起到協(xié)同抑制增效作用,聚胺類頁巖抑制劑主要是由于胺基特有的吸附作用,通過帶正電的銨離子吸附在粘土表面,同時(shí)通過氫鍵作用加強(qiáng)對(duì)粘土片層的束縛,從而阻止水分子的進(jìn)入,抑制粘土水化,增加體系的抑制性及防塌性。優(yōu)選配方的抑制性對(duì)比評(píng)價(jià)如表5 所示。

        由表5 數(shù)據(jù)可見,優(yōu)選配方巖心膨脹率低,滾動(dòng)回收率高,從而可見抑制性能優(yōu)良。

        表5 鉆井液抑制性能測定結(jié)果Table 5 Measurement results of drilling fluid inhibition performance

        4.3 封堵性評(píng)價(jià)

        志留系地層微裂隙及層理發(fā)育,因此在KCl-NaCl 欠飽和復(fù)合鹽水鉆井液體系中加入高軟化點(diǎn)乳化瀝青RHJ-3 及磺化瀝青FT-3,由于志留系地層井深超6299.5 m,井底溫度高,在高溫高壓下瀝青被軟化并擠入頁巖微裂縫,并能在頁巖表面覆蓋一層致密的薄膜,對(duì)頁巖起到屏障作用,以此增強(qiáng)體系的封堵性;且在鉆井液中加入隨鉆堵漏材料FDL 和SZD,提高鉆井液體系的堵漏性能。對(duì)優(yōu)選配方進(jìn)行砂床實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

        表6 砂床實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of sand bed experiment

        由表6 數(shù)據(jù)可知,30 min 鉆井液體系侵入砂子的最大深度為81 mm,說明該優(yōu)選KCl-NaCl 欠飽和復(fù)合鹽水鉆井液體系的封堵效果良好。

        此外在體系中加入微納米封堵材料,可以形成質(zhì)量更好的泥餅,提高井壁質(zhì)量;同時(shí)也對(duì)泥巖微裂縫、微孔隙進(jìn)行封堵,減緩或阻止鉆井液濾液沿著微裂縫、微孔隙的進(jìn)入,降低因水力楔劈引起的尖端效應(yīng)造成的坍塌壓力增加。加入微納米封堵材料前后泥餅對(duì)比見圖5。

        由圖5 可看出,加入微納米封堵材料的鉆井液所形成的泥餅更加薄而致密,泥餅質(zhì)量更好。

        圖5 加入微納米封堵材料前后泥餅對(duì)比Fig.5 Comparison of mud cakes before and after adding micro and nano plugging materials

        5 施工措施與應(yīng)用效果

        5.1 現(xiàn)場施工

        由于鄰井志留系地層鉆井施工中采用最低密度為1.33 g/cm3的鉆井液,在施工過程中也發(fā)生漏失,說明了志留系漏失壓力低,因此順北52A 井采用1.32 g/cm3的鉆井液密度進(jìn)行鉆進(jìn)。

        為保持井壁穩(wěn)定性,防止因下鉆和開泵產(chǎn)生的“激動(dòng)”壓力造成井漏,每次長起鉆前均在復(fù)雜地層井段注入封閉漿進(jìn)行封閉,封閉漿中加入隨鉆封堵材料(FDL、SZD)和防塌材料(高軟化點(diǎn)乳化瀝青RHJ-3、磺化瀝青FT-3),提高封閉漿的封堵防塌性能。

        嚴(yán)格控制鉆井操作措施,降低了誘導(dǎo)性的漏失,如控制起下鉆速度(裸眼井段起下鉆速度控制在6 s/m 以上);采取分段頂通和循環(huán)(出套管前至少循環(huán)一個(gè)遲到時(shí)間);控制開泵速度(出漿口出漿前泵沖控制在10 沖之內(nèi),出漿后逐步多次緩慢提至正常排量)等一系列詳細(xì)的工程操作措施,降低了人為因素誘發(fā)的井漏風(fēng)險(xiǎn)。

        5.2 應(yīng)用效果

        順北52A 井在志留系鉆進(jìn)期間采用1.32 g/cm3鉆井液密度,同時(shí)使用在封堵、抑制防塌等方面具有協(xié)同增效的欠飽和鹽水鉆井液體系,志留系鉆井施工過程中均未發(fā)生漏失,且井壁穩(wěn)定。順北52A 井志留系鉆進(jìn)時(shí)間較設(shè)計(jì)節(jié)約2.06 d,而鄰井順北52X、順北5-5H、順北5-6、順北5-7、順北5-8、順北5-9、順北5-10、順北5-15H、順北53X 等井在志留系施工中均發(fā)生多次漏失,因漏失損失的時(shí)間較長。順北52A 志留系地層測井井徑變化見圖6。

        圖6 順北52A 志留系地層測井井徑Fig.6 Caliper-logging results of Shunbei 52A in the Silurian formation

        由順北52A 志留系地層測井井徑變化圖可以看到,KCl-NaCl 復(fù)合欠飽和鹽水鉆井液體系在順北志留系地層的應(yīng)用中,在志留系上部地層,很好地維護(hù)了井壁的穩(wěn)定性,防止了井塌和井徑變化,而在志留系下部地層中,部分井段出現(xiàn)了井徑擴(kuò)大現(xiàn)象,波動(dòng)較大,但程度不高,因此KCl-NaCl 復(fù)合欠飽和鹽水鉆井液體系在順北志留系地層中很好地維護(hù)了井壁,對(duì)井徑的控制效果良好。通過使用欠飽和鹽水鉆井液體系,保證了順北52A 井志留系地層的施工安全,預(yù)防井漏和坍塌效果好,節(jié)約鉆井時(shí)間,加快了順北油氣田的勘探開發(fā)。

        6 結(jié)論

        順北52A 井使用KCl-NaCl 復(fù)合欠飽和鹽水鉆井液并結(jié)合防漏、防塌協(xié)同技術(shù),成功鉆開志留系地層,并順利完井,由此得到以下結(jié)論:

        (1)志留系地層存在鹽水層,采用欠飽和鹽水鉆井液體系,可以很好地抗鹽水污染。

        (2)志留系地層發(fā)育有大段泥巖,易水化膨脹,同時(shí)存在微裂縫、微孔隙、層理發(fā)育,使用抑制性較強(qiáng)的復(fù)合欠飽和鹽水鉆井液體系,保證鉆井液中K+的有效含量,且在鉆井液中加入聚胺等抑制劑,可以最大程度地維持巖石的原始強(qiáng)度,防止掉塊跨塌,保持井壁的穩(wěn)定性。

        (3)志留系地層塔塔埃爾塔格組、柯坪塔格組地層裂縫發(fā)育,同時(shí)裂縫開啟壓力低,井漏風(fēng)險(xiǎn)高,易發(fā)生誘導(dǎo)性漏失,在施工過程中宜采用較低的鉆井液密度,同時(shí)在鉆井液中加入隨鉆堵漏材料,加強(qiáng)隨鉆封堵性、防止地層漏失,很好地起到了逢縫即堵的作用。

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