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        成膜防塌鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

        2021-09-22 01:36:12冉茂林
        鉆采工藝 2021年4期
        關(guān)鍵詞:海相川西成膜

        孫 凱, 冉茂林, 李 鑫

        中石化中原石油工程有限公司鉆井一公司

        0 引言

        川西海相雷口坡組碳酸鹽巖氣藏是中石化勘探開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域,前期勘探過程中分別在PZ1井獲得測(cè)試產(chǎn)量331.48×104m3/d,YS1井獲得測(cè)試產(chǎn)量81.96×104m3/d,羊S1井獲得測(cè)試產(chǎn)量104.23×104m3/d,展示了川西海相雷口坡組氣藏良好的勘探潛力。但是,由于地層裂縫發(fā)育、地層破碎、含有少量石膏、鹽層和CO2、儲(chǔ)層高溫高壓等[1-2],前期川西海相超深井鉆井過程中頻繁發(fā)生井壁失穩(wěn)、掉塊卡鉆、電測(cè)遇阻、鉆井液高溫稠化等復(fù)雜情況,導(dǎo)致鉆井效率低、建井周期長(zhǎng)、勘探成本高。針對(duì)川西海相面臨的鉆井工程技術(shù)難點(diǎn),通過井壁失穩(wěn)分析,引入成膜封堵技術(shù),開展鉆井液性能評(píng)價(jià),形成一套適宜川西海相超深井抗高溫成膜防塌鉆井液體系,實(shí)現(xiàn)了減少井下復(fù)雜、縮短鉆井周期、加快川西海相超深井勘探開發(fā)進(jìn)程的目標(biāo)。

        1 川西海相超深井井壁失穩(wěn)分析

        川西海相雷口坡組儲(chǔ)層埋深6 000 m左右,井底溫度150 ℃左右,地層壓力系數(shù)1.10~1.20,H2S含量3.6%~3.72%,CO2含量4.59%~5.83%,地層巖性主要以泥質(zhì)白云巖夾石膏、白云巖和硬脆性碳酸鹽巖為主[3],其中黏土礦物主要以伊利石、綠泥石為主,分散性較低。針對(duì)前期鉆探中出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)、卡鉆、電測(cè)遇阻等復(fù)雜工況,對(duì)其海相雷口坡組地層特點(diǎn)進(jìn)行了分析。

        1.1 儲(chǔ)層空間與微觀結(jié)構(gòu)分析

        雷口坡組儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型有晶間溶孔、溶縫、溶蝕擴(kuò)大孔、晶間孔、裂縫和粒間溶孔等,溶孔大小0.05~2 mm,溶縫0.01~1.5 mm[4],地層裂縫分布廣、走向雜亂,圖1、圖2展示了雷口坡組地層成像測(cè)井與巖心實(shí)物圖。

        圖1 雷口坡組地層成像測(cè)井圖

        圖2 雷口坡組巖心實(shí)物圖

        通過對(duì)雷口坡組巖樣進(jìn)行電鏡掃描分析,白云巖成分含量較高的巖樣伴有微裂縫、孔隙發(fā)育,其中裂縫縫寬2~5 μm,縫長(zhǎng)20~100 μm,粒間孔隙大小以1~10 μm為主;方解石成分含量高的巖樣裂縫、孔隙不發(fā)育;部分巖樣表面存在黏土礦物,其微觀結(jié)構(gòu)分析如圖3所示。

        圖3 雷口坡組地層巖石微觀結(jié)構(gòu)分析

        1.2 井壁失穩(wěn)分析

        川西海相深層雷口坡儲(chǔ)層為風(fēng)化殼破碎帶,地層破碎、非均質(zhì)性強(qiáng)、微裂隙發(fā)育、膠結(jié)性較差。前期該區(qū)域探井實(shí)鉆過程中,部分井在雷口坡組地層均發(fā)生井壁失穩(wěn)引發(fā)的卡鉆事故,如PZ1井、YS1等井。通過前期測(cè)井資料與巖心分析,井徑較大井段多為地層破碎或不成巖井段,且裂縫或孔洞充填黑色有機(jī)質(zhì)或白色次生方解石,地層滲透性強(qiáng),鉆井液濾液易滲入巖石微裂隙中引起剝蝕脫落,導(dǎo)致井壁失穩(wěn)[5]。雷口坡組地層中主要礦物為灰?guī)r和白云巖,都屬于非膨脹型礦物,但由于水分子易與礦物表面結(jié)合并產(chǎn)生一定的水化應(yīng)力,使地層沿層理面或微裂隙裂開,降低了巖石整體強(qiáng)度,進(jìn)而導(dǎo)致井壁巖石剝落坍塌。同時(shí),雷口坡組地層灰?guī)r比白云巖抗壓強(qiáng)度大,屬于硬脆性巖石,在應(yīng)力作用下,容易發(fā)生剪切破壞,從而出現(xiàn)剝落、坍塌等井壁失穩(wěn)情況[6]?;诶卓谄陆M地層地質(zhì)特征和工程難點(diǎn),分析認(rèn)為地層破碎、裂縫發(fā)育、鉆井液液柱壓力傳遞使得井眼周圍巖石沿裂縫面發(fā)生剪切滑移是造成井壁失穩(wěn)的主要原因。

        2 川西海相超深井成膜封堵技術(shù)

        通過對(duì)川西海相深層雷口坡組地層特點(diǎn)及井壁失穩(wěn)分析,為解決深層海相破碎地層井壁失穩(wěn)問題,引入成膜封堵材料,實(shí)現(xiàn)地層孔隙和裂縫有效封堵,減少孔隙或裂縫中流體壓力傳遞作用,避免裂縫擴(kuò)展、貫通,從而保障巖石的完整性,避免巖石強(qiáng)度降低,實(shí)現(xiàn)井壁穩(wěn)定。

        2.1 成膜封堵機(jī)理

        成膜封堵劑FD是由可變形顆粒、膠束聚合物、溫壓成膜材料組成,其封堵機(jī)理如圖4所示。成膜封堵劑中的變形顆粒為樹脂類聚合物,因具可變形性,可對(duì)不同形狀與尺寸的孔隙和裂縫進(jìn)行填充和架橋,形成初級(jí)封堵;膠束聚合物在固液界面大量吸附形成球形膠束,依靠膠束或膠粒界面吸力及其可變形性,封堵巖石表面較大范圍的孔喉通道;溫壓成膜材料為苯乙烯—馬來酸酐共聚物,再由硅烷偶聯(lián)劑接枝共聚的有機(jī)/無機(jī)雜化共聚物,在井底溫度、壓差和失水作用下形成致密高分子膜性,具有非滲透性、疏水性的特點(diǎn)。通過上述三種功效相互結(jié)合,使得該成膜封堵劑能夠在井壁孔隙和微裂縫處成膜、填充固結(jié)孔縫,進(jìn)一步強(qiáng)化井眼和阻止鉆井液侵入地層,達(dá)到穩(wěn)定井壁的效果。

        圖4 成膜封堵劑作用機(jī)理

        2.2 成膜封堵劑性能評(píng)價(jià)

        2.2.1 高溫高壓砂床封堵評(píng)價(jià)

        針對(duì)鉆井液封堵材料性能評(píng)價(jià),室內(nèi)采用40~60目石英砂進(jìn)行高溫高壓砂床封堵實(shí)驗(yàn),測(cè)定150 ℃、3.5 MPa下不同漿體30 min內(nèi)的濾失量。實(shí)驗(yàn)過程中,采用密度1.08 g/cm3的常規(guī)氯化鉀聚合物鉆井液為基礎(chǔ)漿體,隨后分別加入質(zhì)量濃度為2%的不同類別的封堵材料制備待測(cè)樣品,分別測(cè)定其API濾失量、HTHP(150 ℃、3.5 MPa)濾失量以及砂床濾失量,測(cè)試結(jié)果如表1所示。通過表1可以看出,成膜封堵劑FD在API、HTHP降濾失方面均有一定的效果,但與三種常用封堵劑相比,降濾失效果差異較小。但高溫高壓砂床封堵實(shí)驗(yàn)表明,成膜封堵劑FD高溫高壓砂床濾失量為4.2 mL,其封堵效果顯著優(yōu)于對(duì)比樣,可有效降低砂床濾失量,具有優(yōu)良的封堵效果。

        表1 不同封堵劑性能評(píng)價(jià)

        室內(nèi)對(duì)成膜封堵劑FD測(cè)試樣品,繼續(xù)測(cè)定了150 ℃、不同壓差下的砂床封堵效果,測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出,隨測(cè)試壓差的不斷增加,砂床濾失量由3.5 MPa下的4.2 mL提高到10 MPa下的7.8 mL,在較高的壓差下均展現(xiàn)出良好的封堵效果,說明該成膜封堵劑形成的封堵膜具有較高的承壓能力。

        圖5 不同壓差下成膜封堵劑砂床封堵評(píng)價(jià)

        2.2.2 巖心封堵性能評(píng)價(jià)

        針對(duì)不同滲透率以及含微裂縫巖樣,室內(nèi)采用砂床封堵成膜封堵劑評(píng)價(jià)配方,利用自制高溫高壓動(dòng)失儀測(cè)定了150 ℃不同壓差作用下10 min內(nèi)的濾失量,測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。不同滲透率巖心封堵評(píng)價(jià)結(jié)果表明,成膜封堵劑FD對(duì)巖心的封堵能力強(qiáng),濾失量低、承壓能力高,可有效避免或減輕固液相侵入對(duì)儲(chǔ)層的傷害。通過微裂縫巖樣封堵效果評(píng)價(jià)可以看出,該封堵劑可成功封堵300 μm的微裂縫,有助于預(yù)防微裂縫漏失。

        表2 不同滲透率巖心的封堵效果

        表3 微裂縫的封堵承壓性能測(cè)試

        3 成膜防塌鉆井液性能評(píng)價(jià)

        根據(jù)川西海相深層雷口坡組地層鉆井技術(shù)要求,通過引入成膜封堵技術(shù),同時(shí)配合常規(guī)剛性與柔性封堵材料強(qiáng)化地層封堵能力,在保證良好抑制性能基礎(chǔ)上,強(qiáng)化體系自身抗溫、抗污染能力[7-9],最終形成了用于川西海相深層鉆進(jìn)的抗高溫成膜防塌鉆井液體系配方:1%~2%膨潤(rùn)土+1%~1.5%PAC-LV+0.3%~0.5% NaOH+4%~6%抗高溫降濾失劑JL1+4%~6%抗高溫降濾失劑JL2+0.1%~0.3%抑制劑JH+1%~3%陽離子瀝青+2%~5%成膜封堵劑FD+1%~3%超細(xì)碳酸鈣+0.4%~0.6%乳液聚合物降濾失劑+重晶石。

        3.1 抗高溫性能評(píng)價(jià)

        室內(nèi)配制了密度為1.4 g/cm3的鉆井液,分別測(cè)定了其在120 ℃、150 ℃、160 ℃熱滾前后的鉆井液性能,測(cè)試結(jié)果如表4所示。從表4可以看出,與老化前鉆井液各項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)對(duì)比,性能變化不大,各項(xiàng)指標(biāo)均比較理想,表明該體系抗高溫性能良好,滿足該區(qū)域雷口坡組地層抗高溫要求。

        表4 川西海相抗高溫防塌鉆井液性能

        同時(shí),針對(duì)該配方鉆井液,室內(nèi)采用高溫高壓流變儀測(cè)定了其在40 MPa下,隨溫度升高,鉆井液流變性能變化情況,測(cè)試結(jié)果如圖6所示。通過圖6可以看出,該體系具有良好的高溫高壓流變性能,隨溫度升高,鉆井液黏度變化波動(dòng)較小。當(dāng)溫度到達(dá)160 ℃以后,鉆井液黏度略有降低,但仍維持較高的黏度,展現(xiàn)出良好的抗高溫穩(wěn)定性能。

        圖6 高溫高壓下流變性能曲線圖

        3.2 抑制性能評(píng)價(jià)

        考慮該區(qū)域部分井段存在一定的黏土礦物,室內(nèi)選取YS1-2井泥頁巖巖樣,并采用OFITE高溫動(dòng)態(tài)頁巖膨脹儀進(jìn)行150 ℃抑制性能評(píng)價(jià),同時(shí)采用YS1井和XS1井原三開鉀石灰聚磺鉆井液體系進(jìn)行對(duì)比分析,測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出,18 h以后YS1井鉆井液的泥頁巖膨脹率為13%,XS1井鉆井液的泥頁巖膨脹率為12%,而研制的抗高溫成膜防塌鉆井液的泥頁巖膨脹率為9.5%,說明該體系的抑制性優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)所用的鉆井液體系。

        圖7 鉆井液抑制性評(píng)價(jià)結(jié)果圖

        3.3 封堵性能評(píng)價(jià)

        針對(duì)該體系鉆井液的封堵能力,室內(nèi)將上述密度為1.40 g/cm3的鉆井液在150 ℃條件下老化48 h后,采用60~80 目的石英砂,開展中壓砂床與高溫高壓砂床封堵評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。中壓砂床實(shí)驗(yàn)時(shí),測(cè)試壓力為1 MPa,中壓砂床浸入深度為2~5 mm,無鉆井液濾失,測(cè)試結(jié)果如圖8所示;高溫高壓砂床實(shí)驗(yàn)時(shí),測(cè)試壓力為3.5 MPa,測(cè)試溫度為150 ℃,無鉆井液濾失且在鉆井液與砂床間形成3 mm的過渡帶,過渡帶成形且具有一定的強(qiáng)度,如圖9所示。通過上述評(píng)價(jià)表明,在該鉆井液體系具有良好的封堵能力。

        圖8 中壓砂床情況圖

        圖9 高溫高壓砂床情況圖

        3.4 抗污染性能評(píng)價(jià)

        表5 抗污染能力與除硫劑影響評(píng)價(jià)

        3.5 動(dòng)態(tài)沉降穩(wěn)定評(píng)價(jià)

        針對(duì)本文研制的抗高溫成膜防塌鉆井液,室內(nèi)采用M8500高溫高壓低剪切動(dòng)態(tài)沉降測(cè)試儀測(cè)定了密度為1.4 g/cm3的鉆井液在150 ℃、35 MPa、傾角60°條件下的動(dòng)態(tài)沉降穩(wěn)定性能,通過測(cè)量?jī)x器測(cè)試腔底部樣品的密度變化反應(yīng)鉆井液的沉降穩(wěn)定性,測(cè)試結(jié)果如表6所示。

        表6 配方沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

        從表6可以看出,高溫老化后的鉆井液,當(dāng)測(cè)試儀轉(zhuǎn)速提高至100 r/min、測(cè)試時(shí)間達(dá)330 min以后,測(cè)試鉆井液密度差(上下層密度差自動(dòng)讀數(shù))均小于0.012 g/cm3,展現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)沉降穩(wěn)定性能。

        4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        針對(duì)川西海相雷口坡組地層井壁失穩(wěn)技術(shù)難題,采用本文研發(fā)的抗高溫成膜防塌鉆井液體系在川西海相四開雷口坡組開展了2口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

        4.1 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

        抗高溫成膜防塌鉆井液體系在試驗(yàn)1#井與試驗(yàn)2#井四開?165.1 mm井眼進(jìn)行試驗(yàn),其中試驗(yàn)1#井應(yīng)用井段為5 765~6 180 m,試驗(yàn)2#井應(yīng)用井段為5 985~6 235 m?,F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中,鉆井液性能穩(wěn)定,具有良好的流變性能以及抗高溫、抗污染能力,且鉆井液維護(hù)處理簡(jiǎn)單,具體性能參數(shù)如表7所示。同時(shí),本井在破碎帶施工時(shí),井壁穩(wěn)定,未出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象,井下摩阻在10~15 t,整個(gè)鉆進(jìn)、取心過程順利,電測(cè)、完井作業(yè)均一次到位。同比YS-1井,該鉆井液體系性能穩(wěn)定,能有效對(duì)破碎地層進(jìn)行封堵,確保井壁穩(wěn)定,滿足川西海相四開雷口坡組安全施工要求。

        表7 現(xiàn)場(chǎng)四開鉆井液性能

        4.2 施工速度對(duì)比

        針對(duì)前期井施工過程中井壁垮塌和起下鉆遇阻卡情況,試驗(yàn)井采用該抗高溫封堵防塌鉆井液體系、合理的鉆井液ECD和流變性,配合有效的工程措施,保證了四開雷口坡組鉆進(jìn)過程中未發(fā)生掉塊、垮塌等復(fù)雜情況,取得了顯著的提速效果,相關(guān)指標(biāo)如表8所示。試驗(yàn)井四開井段平均段長(zhǎng)增加21.6%的情況下,兩口井平均機(jī)械鉆速2.56 m/h,平均鉆井周期24 d,平均純鉆率40.5%;同比前期完鉆的3口井,平均機(jī)械鉆速提高39.9%,平均鉆井周期縮短22.6%,平均純鉆率提高11.6%。

        表8 試驗(yàn)井應(yīng)用指標(biāo)對(duì)比

        5 結(jié)論

        (1)針對(duì)川西海相超深井鉆井中存在的井壁失穩(wěn)、掉塊卡鉆等問題,通過引入成膜封堵技術(shù),利用成膜封堵劑中的變形顆粒填充架橋、聚合物球形膠束封孔喉、溫壓成膜材料交聯(lián)成膜封堵,達(dá)到進(jìn)一步填充固結(jié)孔縫、強(qiáng)化井眼以及阻止鉆井液侵入地層的目的。

        (2)采用成膜封堵劑與常規(guī)剛性、柔性封堵材料相配合,強(qiáng)化地層封堵能力。同時(shí),在保證良好抑制性能基礎(chǔ)上,增強(qiáng)體系自身的抗溫、抗污染能力,形成了以強(qiáng)化鉆井液封堵能力為主的抗高溫成膜防塌鉆井液體系配方。室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,該套鉆井液具有良好的流變性、高溫穩(wěn)定性及抗污染能力,在減少壓力傳遞、提高裂縫封堵能力方面展現(xiàn)出優(yōu)良的性能。

        (3)該體系配方在現(xiàn)場(chǎng)兩口井的應(yīng)用中鉆井液性能穩(wěn)定,封堵、抑制能力強(qiáng),解決了雷口坡組四開井段裂縫發(fā)育和地層破碎引起的井壁失穩(wěn),降低了復(fù)雜時(shí)效,提高了機(jī)械鉆速,為海相雷口坡組的提速提效提供了技術(shù)支撐。

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