張鳳英,鄢捷年,林永學(xué),劉四海

(1.中石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101;

2.石油工程教育部重點實驗室 中國石油大學(xué),北京 102249)

新型防塌鉆井液體系在蘇丹六區(qū)儲層的應(yīng)用

張鳳英1,鄢捷年2,林永學(xué)1,劉四海1

(1.中石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101;

2.石油工程教育部重點實驗室 中國石油大學(xué),北京 102249)

針對蘇丹油田六區(qū)儲層鉆井過程中易于發(fā)生井壁失穩(wěn)、擴(kuò)徑、縮徑、取心效率低及起下鉆阻卡等井下事故問題,結(jié)合蘇丹六區(qū)儲層巖性、孔隙、孔喉及滲透率的特點,基于“理想充填理論”和成膜技術(shù),對具有不同粒徑的暫堵劑產(chǎn)品按一定比例進(jìn)行合理的復(fù)配組合,形成了 1種新型低傷害防塌鉆井液體系,并應(yīng)用于蘇丹六區(qū)。實驗結(jié)果表明,原用鉆井液對巖心損害較為嚴(yán)重,新型鉆井液所用處理劑均對環(huán)境無污染,處理劑沒有熒光,鉆屑具較好代表性,且容易清洗,能明顯提高巖心滲透率恢復(fù)值,且可降低鉆井液的動濾失量,能有效阻止鉆井液中固相顆粒和濾液侵入油氣層,滿足蘇丹六區(qū)安全、快速、經(jīng)濟(jì)鉆井的要求,在鉆遇 Aradeiba頁巖地層過程中得到了成功的應(yīng)用,具有十分理想的儲層保護(hù)效果。

理想充填理論;成膜技術(shù);暫堵劑;滲透率;鉆井液;儲層保護(hù);蘇丹六區(qū)

引 言

在蘇丹油田六區(qū)先后使用過很多常規(guī)的抑制性水基鉆井液[1-2]:KCl/聚合物、KCl/石灰/聚合物、KCl/PHPA以及 KCl/聚合醇等,但在改善井眼穩(wěn)定性和鉆井效率方面,效果并不明顯。根據(jù) KCl聚合物鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用時所存在的井眼失穩(wěn)問題,利用理想充填暫堵技術(shù)和成膜技術(shù)[3-7]設(shè)計了 1種新型低傷害防塌鉆井液體系。與其他抑制性水基鉆井液相比,新型鉆井液體系在提高鉆井效率,特別是提高取心效率(鉆遇頁巖層時井眼穩(wěn)定,消除了巖心擠塞現(xiàn)象)和改善巖心數(shù)據(jù)采集方面 (獲得泥漿濾液侵入量極小的保持原態(tài)的巖樣)取得了較大進(jìn)展。針對蘇丹六區(qū)儲層特性及潛在損害機(jī)理,應(yīng)選擇抑制性強(qiáng)、封堵能力好的鉆井液體系以及合理的鉆井液密度。筆者應(yīng)用理想充填技術(shù)確定了鉆井液中暫堵劑的粒度分布和用量,為進(jìn)一步降低濾失量,增強(qiáng)體系抑制性,應(yīng)合理使用成膜鉆井液處理劑。

1 蘇丹油田六區(qū)儲層損害機(jī)理研究

蘇丹六區(qū)儲層滲透率為 145.0×10-3～ 8 647.6×10-3μm2,有效儲層幾何平均滲透率為3 238.3×10-3μm2,孔隙度為 18.7%～41.4%,有效儲層孔隙度為 30.5%,屬于高孔高滲儲層。地層水礦化度為 1 210.1～4 573.5 mg/L,儲層黏土礦物以伊利石為主,相對含量為 54%～70%,其次為伊/蒙混層,相對含量為 25%～41%,平均含量為 34.44%,間層比占 5%～28%,高嶺石和綠泥石的含量相對較低,其平均含量分別為 1.7%和2.2%,故鉆井液中的固相、濾液易侵入孔隙,導(dǎo)致儲層損害;該區(qū)塊的泥頁巖礦物為高黏土含量、高混層比,表現(xiàn)出較強(qiáng)的水敏特性。另外,部分泥頁巖具有微裂縫,且有層理結(jié)構(gòu),常表現(xiàn)出脆硬特性,易發(fā)生黏土水化膨脹或剝落掉塊,從而引起井壁失穩(wěn)。

2 原用鉆井液體系評價

在蘇丹油田六區(qū)共鉆井 70余口,所用鉆井液大多為 KCl/聚合物鉆井液體系。主要以 KCl和聚合物為主要組分,同時加入適量的抗鹽、抗高溫降失水劑和防塌劑,該配方為 1套抗鹽、抗污染、抗高溫的強(qiáng)抑制性鉆井液體系。典型配方為:3%膨潤土+0.4%KPAM+2%PAC-LV+2%XY-27+2%NH4HPAN+3%FT-1+4%KCl。

總體來看,該體系性能良好,但在鉆井施工中仍存在一些關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決,具體表現(xiàn)在:①Aradeiba層起鉆超拉、下鉆遇阻,往往被迫在Aradeiba及以上地層鉆進(jìn)時,不得不采用多次短程起下鉆的方法來緩解起下鉆不暢的現(xiàn)象;②Abu Gabra層井壁垮塌嚴(yán)重,井徑擴(kuò)大率大,在 Abu Gabra層鉆井時,不得不大幅提高鉆井液密度來維持鉆井施工的安全進(jìn)行。上述復(fù)雜情況的存在,在一定程度上阻礙了快速鉆井的進(jìn)行,從而導(dǎo)致建井周期延長、鉆井成本增加,同時也影響到完鉆電測及固井質(zhì)量。實踐證明,原用的 KCl/聚合物鉆井液不能有效地維持此類地層的穩(wěn)定性,進(jìn)而影響了鉆井施工的正常進(jìn)行。因此,迫切需要對該區(qū)塊原用的鉆井液體系進(jìn)行改性,并研究出一種與地層特性相匹配的、抑制性較強(qiáng)、能控制垮塌且不影響機(jī)械鉆速,有利于環(huán)保的、綜合成本較低的鉆井液體系。

3 新型鉆井液技術(shù)研究

3.1 鉆井液中暫堵劑顆粒尺寸優(yōu)選

選取蘇丹油田六區(qū) FNE-8井的相關(guān)資料作為暫堵劑優(yōu)選的依據(jù),該油田最大滲透率值為 1 680× 10-3μm2,根據(jù)經(jīng)驗公式[8]將最大滲透率值折算成該儲層最大孔喉直徑,其直徑為 40.99μm(90%的顆粒粒徑小于該值),該值在軟件優(yōu)選暫堵劑時應(yīng)用。經(jīng)實驗篩選,暫堵劑合理加量確定為 2%。通過軟件計算,優(yōu)化得出蘇丹油田六區(qū)暫堵劑復(fù)配比例為:1000目∶500目∶100目 =10∶60∶30。

3.2 成膜鉆井液處理劑的應(yīng)用

依據(jù)近期成膜鉆井液的研究成果,利用“雙膜”的復(fù)配增效作用,將國內(nèi)應(yīng)用較廣泛的 2種成膜劑復(fù)配使用,可取得顯著儲層保護(hù)效果。一種是半透膜處理劑 JY W-1,另一種是隔離膜處理劑CMJ-2。經(jīng)過大量實驗分析,兩者的適合加量為1.5%CMJ-2+1%JY W-1。

3.3 優(yōu)化配方的確定

在蘇丹油田六區(qū)原用鉆井液配方基礎(chǔ)上,應(yīng)用理想充填理論和成膜鉆井液技術(shù)[9-10],通過實驗確定了適合該地區(qū)的鉆井液優(yōu)化配方:3%膨潤土 +0.4% KPAM+2%PAC-LV+2%XY-27+2%NH4HPAN (SPNH)+3%FT-1+4%KCl+0.3%K OH+2%優(yōu)化暫堵劑 +1.5%C MJ-2+1%JY W-1。

4 優(yōu)化配方的性能評價

針對所優(yōu)化的鉆井液配方進(jìn)行了各項性能評價,并與其他相關(guān)鉆井液體系的性能進(jìn)行了對比。4種配方的組成見表 1。

表 1 實驗用 4種配方

4.1 常規(guī)性能評價

分別對 4種配方進(jìn)行常規(guī)性能測試(表 2)。可以看出,優(yōu)化配方具有良好的流變性,更低的API濾失量,常規(guī)性能相對其他 3種體系更為優(yōu)異。

4.2HTHP濾失量評價

依據(jù)儲層溫度的上限值,測試溫度設(shè)定為 140℃,壓差按照測試標(biāo)準(zhǔn)為 3.5 MPa。對 4種配方在熱滾(150℃,16 h)前、后分別進(jìn)行濾失量對比測試。結(jié)果表明:理想充填配方因加入了較粗的暫堵劑顆粒,HTHP濾失量稍大;含有成膜劑的優(yōu)化配方,HTHP濾失量降至最低,表明其降濾失性能最好。

4.3 潤滑性能評價

將 4種配方在 150℃老化 16 h后,使用 E-P極壓潤滑儀分別測定其極壓潤滑系數(shù)。實驗結(jié)果顯示,4種配方的極壓潤滑系數(shù)均較低,表明其具有良好的潤滑性能,其中優(yōu)化鉆井液的潤滑性能最好。

表 2 4種配方的常規(guī)性能評價

4.4 頁巖抑制性評價

根據(jù)鉆井液測試行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),使用 NP-01型頁巖膨脹儀測定鈉膨潤土在不同鉆井液體系濾液中的膨脹量隨時間的變化,實驗結(jié)果見圖 1?？梢钥闯?優(yōu)化配方中加入成膜劑 CMJ-2和 JY W-1后,提高了原用配方的抑制性能。在相同實驗條件下,與原用配方相比,優(yōu)化配方的頁巖膨脹性明顯降低。

圖 1 優(yōu)化配方與原用配方的頁巖膨脹性對比

4.5 巖屑滾動回收率評價

對清水和 4種配方均進(jìn)行了巖屑滾動回收率測試。結(jié)果顯示,優(yōu)化配方的巖屑滾動回收率為最高,表明其抑制巖屑分散的性能最佳。同時表明,暫堵劑的加入與鉆井液抑制性基本無關(guān),而成膜劑的加入可明顯提高鉆井液體系的抑制性。

4.6 鉆井液滲透率恢復(fù)值評價

鉆井液滲透率恢復(fù)值評價實驗結(jié)果見表 3?？梢?優(yōu)化配方整合了理想充填暫堵劑和成膜劑的各自優(yōu)點,巖心的滲透率恢復(fù)值達(dá)到 88.11%,在 5組實驗中為最高,說明理想充填暫堵劑與成膜劑的加入對儲層保護(hù)具有協(xié)同增效的作用。

4.7 動態(tài)濾失量評價

使用LH-2智能型鉆井液 HTHP多功能動態(tài)評價實驗裝置測定了原用配方和優(yōu)化配方的動濾失量隨滲濾時間的變化。實驗結(jié)果表明,優(yōu)化配方的動濾失量顯著降低,再次證實優(yōu)化配方具有更好的儲層保護(hù)效果。

表 3 5種配方對砂巖露頭巖心的保護(hù)效果比較

5 現(xiàn)場應(yīng)用情況

5.1 Keyi-27井

Keyi-27井位于蘇丹油田六區(qū)油田東北部, Keyi地區(qū)的難點在于 Tendi-Senna地層泥巖段長,且塑性形變大,縮頸嚴(yán)重。該井于 2009年 6月 3日開鉆,7月 8日完井,歷時 35 d。該井設(shè)計井深為 2 327 m,實際完鉆井深為 2 327 m,其中表層 444.5 mm井眼鉆至 198 m,339.7 mm套管下至 197.03 m,311.1 mm技術(shù)井眼鉆至 1 401 m, 244.5 mm套管下至 1 400.4 m,215.9 mm主井眼鉆至 2 327 m,139.7 mm油管下至 2 326.9 m,整口井的施工過程井下情況良好,無復(fù)雜狀況發(fā)生,2次電測均一次成功。該井為三開結(jié)構(gòu),二開和三開均使用經(jīng)優(yōu)化的 KCl聚合物鉆井液體系。鉆井液性質(zhì):密度為 1.18 g/cm3,表觀黏度為 30 mPa·s,塑性黏度為 21 mPa·s,動切力為 9 Pa,濾失量為4.0 mL,pH值為 10。

新型鉆井液體系對于易垮塌的Abu-Gabra地層可以起到很好的防塌效果,該井三開地層位于Ghazal– Zarqa段,下面還有 Aradeiba的大段泥巖和Bentiu的砂層。從該井三開井段所返出巖屑的情況可反映鉆井液的抑制性能,使用新型鉆井液后所返出巖屑有較強(qiáng)硬度、成形性好,消除了過去起泥球和糊振動篩的現(xiàn)象,表明該鉆井液具有很強(qiáng)的抑制性。整個井段井眼規(guī)則,沒有縮徑和井徑擴(kuò)大的現(xiàn)象,說明新型鉆井液體系很好的維持了上部井段的穩(wěn)定。

5.2 FN4-8井

FN4-8井是 1口開發(fā)井 (直井),位于蘇丹油田六區(qū) Fula區(qū)塊。該井設(shè)計井深為 2 400 m,完井井深為 2 400 m。2009年 3月 4日開鉆打?qū)Ч芤婚_,2009年 3月 5日一開,2009年 3月 11日二開, 2009年 3月 24日三開。鉆井周期為 30 d。中途完井和完鉆后電測均一次成功,下套管順利,固井正常,于 2009年 4月 4日順利完井,完井周期為 32 d。鉆井液性質(zhì):密度為 1.15 g/cm3,表觀黏度為27.5 mPa·s,塑性黏度為 19 mPa·s,動切力為8.5 Pa,濾失量為 4.0 mL,pH值為 10。

在鉆進(jìn)過程中,共起下鉆 14次,其中僅有一次發(fā)生輕微的超拉現(xiàn)象,13次下鉆均順利到底,且井底也沒有大量的沉砂,表明三開井段的井眼是穩(wěn)定的。由于該體系具有超強(qiáng)的抑制性,與原用 KCl/聚合物鉆井液相比,地層穩(wěn)定性明顯提高,井眼表面相對平滑,沒有明顯的鋸齒狀井眼,平均井徑擴(kuò)大率較小。

總體來看,新型鉆井液體系在 Keyi-27井和FN4-8井的應(yīng)用是成功的,試驗結(jié)果充分說明,它是一種性能優(yōu)良、有利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層的優(yōu)質(zhì)鉆井液體系。

6 結(jié) 論

(1)原用鉆井液的性能良好,但在現(xiàn)場施工中存在一些不足,在原用鉆井液基礎(chǔ)上引入理想充填暫堵劑和成膜劑形成一種適合蘇丹六區(qū)儲層的新型低傷害防塌鉆井液體系。

(2)新型鉆井液屬低固相環(huán)保型體系。它具有抑制性強(qiáng)、化學(xué)封堵固壁性好、性能穩(wěn)定、利于保護(hù)油氣層、現(xiàn)場配制簡便以及容易維護(hù)等特點。

(3)新型鉆井液體系在一定程度上降低了鉆井液密度,流變性易于調(diào)整和控制,抗高溫能力強(qiáng),API濾失量很低,實驗室滲透率恢復(fù)率達(dá)到 80%以上,具有明顯的儲層保護(hù)效果。

(4)現(xiàn)場 2口井應(yīng)用的總體效果表明,新型鉆井液體系克服了傳統(tǒng) KCl聚合物鉆井液體系的弱點,流變參數(shù)合理,濾失量低,現(xiàn)場維護(hù)簡便,提高了井壁穩(wěn)定性,能夠滿足蘇丹六區(qū)地層安全、快速、優(yōu)質(zhì)鉆井的要求,具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]張金波,鄢捷年 .優(yōu)選鉆井液中暫堵劑顆粒尺寸分布的新理論和新方法[J].石油學(xué)報,2004,25(6):88-94.

[2]郭健康,鄢捷年 .硅酸鹽鉆井液體系的研究與應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2003,25(5):20-24.

[3]Abrams A.Mud design to min imize rock impairment due to particle invasion[J].JPT,1977,29(3):586-593.

[4]羅向東,羅平亞 .屏蔽式暫堵技術(shù)在儲層保護(hù)中的應(yīng)用研究[J].鉆井液與完井液,1992,9(2):19-27.

[5]羅平亞 .鉆井完井過程中保護(hù)油層的屏蔽式暫堵技術(shù)[M].北京:中國大百科全書出版社,1997:68-98.

[6]D ICKM A,HE INZ T J,SVOBODA C F,etal.Optimizing the selection of bridging particles for reservoir drilling fluids[C].SPE58973,2000:101-108.

[7]鄢捷年,趙勝英,王兆峰,等 .理想充填油氣層保護(hù)技術(shù)在青海油田深探井中的應(yīng)用 [J].石油鉆探技術(shù), 2007,35(4):53-55.

[8]Hands N,Kowbel K,Maikranz S.Drilling-in fluid reduces formation damage,increases production rates[J]. Oil&Gas Journal,1998,96(28):65-68.

[9]孫金聲,汪世國 .水基鉆井液成膜 (半透膜、隔離膜)技術(shù)研究[J].鉆井液與完井液,2003,20(6):6-10.

[10]袁春,孫金聲,王平全,等 .抗高溫成膜降濾失劑 CMJ -1的研制及其性能 [J].石油鉆探技術(shù),2004,2 (32):29-32.

編輯 王 昱

TE254

A

1006-6535(2010)05-0103-04

20100112;改回日期:20100615

國家自然科學(xué)基金項目“低孔低滲油氣儲層損害機(jī)理及有效保護(hù)方法研究”(50974129)和國家科技部國際合作研究項目“蘇丹油田重點區(qū)塊保護(hù)儲層的鉆井液完井液技術(shù)研究”(2008KR0421)的部分研究成果

張鳳英 (1981-),女,博士,2003年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè),現(xiàn)從事油田化學(xué)及油氣層保護(hù)技術(shù)方面的研究工作