新型防塌钻井液体系在苏丹六区储层的应用

张凤英,鄢捷年,林永学,刘四海

(1.中石化石油工程技术研究院,北京 100101;

2.石油工程教育部重点实验室 中国石油大学,北京 102249)

新型防塌钻井液体系在苏丹六区储层的应用

张凤英1,鄢捷年2,林永学1,刘四海1

(1.中石化石油工程技术研究院,北京 100101;

2.石油工程教育部重点实验室 中国石油大学,北京 102249)

针对苏丹油田六区储层钻井过程中易于发生井壁失稳、扩径、缩径、取心效率低及起下钻阻卡等井下事故问题,结合苏丹六区储层岩性、孔隙、孔喉及渗透率的特点,基于“理想充填理论”和成膜技术,对具有不同粒径的暂堵剂产品按一定比例进行合理的复配组合,形成了 1种新型低伤害防塌钻井液体系,并应用于苏丹六区。实验结果表明,原用钻井液对岩心损害较为严重,新型钻井液所用处理剂均对环境无污染,处理剂没有荧光,钻屑具较好代表性,且容易清洗,能明显提高岩心渗透率恢复值,且可降低钻井液的动滤失量,能有效阻止钻井液中固相颗粒和滤液侵入油气层,满足苏丹六区安全、快速、经济钻井的要求,在钻遇 Aradeiba页岩地层过程中得到了成功的应用,具有十分理想的储层保护效果。

理想充填理论;成膜技术;暂堵剂;渗透率;钻井液;储层保护;苏丹六区

引 言

在苏丹油田六区先后使用过很多常规的抑制性水基钻井液[1-2]:KCl/聚合物、KCl/石灰/聚合物、KCl/PHPA以及 KCl/聚合醇等,但在改善井眼稳定性和钻井效率方面,效果并不明显。根据 KCl聚合物钻井液现场应用时所存在的井眼失稳问题,利用理想充填暂堵技术和成膜技术[3-7]设计了 1种新型低伤害防塌钻井液体系。与其他抑制性水基钻井液相比,新型钻井液体系在提高钻井效率,特别是提高取心效率(钻遇页岩层时井眼稳定,消除了岩心挤塞现象)和改善岩心数据采集方面 (获得泥浆滤液侵入量极小的保持原态的岩样)取得了较大进展。针对苏丹六区储层特性及潜在损害机理,应选择抑制性强、封堵能力好的钻井液体系以及合理的钻井液密度。笔者应用理想充填技术确定了钻井液中暂堵剂的粒度分布和用量,为进一步降低滤失量,增强体系抑制性,应合理使用成膜钻井液处理剂。

1 苏丹油田六区储层损害机理研究

苏丹六区储层渗透率为 145.0×10-3～ 8 647.6×10-3μm2,有效储层几何平均渗透率为3 238.3×10-3μm2,孔隙度为 18.7%～41.4%,有效储层孔隙度为 30.5%,属于高孔高渗储层。地层水矿化度为 1 210.1～4 573.5 mg/L,储层黏土矿物以伊利石为主,相对含量为 54%～70%,其次为伊/蒙混层,相对含量为 25%～41%,平均含量为 34.44%,间层比占 5%～28%,高岭石和绿泥石的含量相对较低,其平均含量分别为 1.7%和2.2%,故钻井液中的固相、滤液易侵入孔隙,导致储层损害;该区块的泥页岩矿物为高黏土含量、高混层比,表现出较强的水敏特性。另外,部分泥页岩具有微裂缝,且有层理结构,常表现出脆硬特性,易发生黏土水化膨胀或剥落掉块,从而引起井壁失稳。

2 原用钻井液体系评价

在苏丹油田六区共钻井 70余口,所用钻井液大多为 KCl/聚合物钻井液体系。主要以 KCl和聚合物为主要组分,同时加入适量的抗盐、抗高温降失水剂和防塌剂,该配方为 1套抗盐、抗污染、抗高温的强抑制性钻井液体系。典型配方为:3%膨润土+0.4%KPAM+2%PAC-LV+2%XY-27+2%NH4HPAN+3%FT-1+4%KCl。

总体来看,该体系性能良好,但在钻井施工中仍存在一些关键技术问题亟待解决,具体表现在:①Aradeiba层起钻超拉、下钻遇阻,往往被迫在Aradeiba及以上地层钻进时,不得不采用多次短程起下钻的方法来缓解起下钻不畅的现象;②Abu Gabra层井壁垮塌严重,井径扩大率大,在 Abu Gabra层钻井时,不得不大幅提高钻井液密度来维持钻井施工的安全进行。上述复杂情况的存在,在一定程度上阻碍了快速钻井的进行,从而导致建井周期延长、钻井成本增加,同时也影响到完钻电测及固井质量。实践证明,原用的 KCl/聚合物钻井液不能有效地维持此类地层的稳定性,进而影响了钻井施工的正常进行。因此,迫切需要对该区块原用的钻井液体系进行改性,并研究出一种与地层特性相匹配的、抑制性较强、能控制垮塌且不影响机械钻速,有利于环保的、综合成本较低的钻井液体系。

3 新型钻井液技术研究

3.1 钻井液中暂堵剂颗粒尺寸优选

选取苏丹油田六区 FNE-8井的相关资料作为暂堵剂优选的依据,该油田最大渗透率值为 1 680× 10-3μm2,根据经验公式[8]将最大渗透率值折算成该储层最大孔喉直径,其直径为 40.99μm(90%的颗粒粒径小于该值),该值在软件优选暂堵剂时应用。经实验筛选,暂堵剂合理加量确定为 2%。通过软件计算,优化得出苏丹油田六区暂堵剂复配比例为:1000目∶500目∶100目 =10∶60∶30。

3.2 成膜钻井液处理剂的应用

依据近期成膜钻井液的研究成果,利用“双膜”的复配增效作用,将国内应用较广泛的 2种成膜剂复配使用,可取得显著储层保护效果。一种是半透膜处理剂 JY W-1,另一种是隔离膜处理剂CMJ-2。经过大量实验分析,两者的适合加量为1.5%CMJ-2+1%JY W-1。

3.3 优化配方的确定

在苏丹油田六区原用钻井液配方基础上,应用理想充填理论和成膜钻井液技术[9-10],通过实验确定了适合该地区的钻井液优化配方:3%膨润土 +0.4% KPAM+2%PAC-LV+2%XY-27+2%NH4HPAN (SPNH)+3%FT-1+4%KCl+0.3%K OH+2%优化暂堵剂 +1.5%C MJ-2+1%JY W-1。

4 优化配方的性能评价

针对所优化的钻井液配方进行了各项性能评价,并与其他相关钻井液体系的性能进行了对比。4种配方的组成见表 1。

表 1 实验用 4种配方

4.1 常规性能评价

分别对 4种配方进行常规性能测试(表 2)。可以看出,优化配方具有良好的流变性,更低的API滤失量,常规性能相对其他 3种体系更为优异。

4.2HTHP滤失量评价

依据储层温度的上限值,测试温度设定为 140℃,压差按照测试标准为 3.5 MPa。对 4种配方在热滚(150℃,16 h)前、后分别进行滤失量对比测试。结果表明:理想充填配方因加入了较粗的暂堵剂颗粒,HTHP滤失量稍大;含有成膜剂的优化配方,HTHP滤失量降至最低,表明其降滤失性能最好。

4.3 润滑性能评价

将 4种配方在 150℃老化 16 h后,使用 E-P极压润滑仪分别测定其极压润滑系数。实验结果显示,4种配方的极压润滑系数均较低,表明其具有良好的润滑性能,其中优化钻井液的润滑性能最好。

表 2 4种配方的常规性能评价

4.4 页岩抑制性评价

根据钻井液测试行业标准,使用 NP-01型页岩膨胀仪测定钠膨润土在不同钻井液体系滤液中的膨胀量随时间的变化,实验结果见图 1。可以看出,优化配方中加入成膜剂 CMJ-2和 JY W-1后,提高了原用配方的抑制性能。在相同实验条件下,与原用配方相比,优化配方的页岩膨胀性明显降低。

图 1 优化配方与原用配方的页岩膨胀性对比

4.5 岩屑滚动回收率评价

对清水和 4种配方均进行了岩屑滚动回收率测试。结果显示,优化配方的岩屑滚动回收率为最高,表明其抑制岩屑分散的性能最佳。同时表明,暂堵剂的加入与钻井液抑制性基本无关,而成膜剂的加入可明显提高钻井液体系的抑制性。

4.6 钻井液渗透率恢复值评价

钻井液渗透率恢复值评价实验结果见表 3。可见,优化配方整合了理想充填暂堵剂和成膜剂的各自优点,岩心的渗透率恢复值达到 88.11%,在 5组实验中为最高,说明理想充填暂堵剂与成膜剂的加入对储层保护具有协同增效的作用。

4.7 动态滤失量评价

使用LH-2智能型钻井液 HTHP多功能动态评价实验装置测定了原用配方和优化配方的动滤失量随渗滤时间的变化。实验结果表明,优化配方的动滤失量显著降低,再次证实优化配方具有更好的储层保护效果。

表 3 5种配方对砂岩露头岩心的保护效果比较

5 现场应用情况

5.1 Keyi-27井

Keyi-27井位于苏丹油田六区油田东北部, Keyi地区的难点在于 Tendi-Senna地层泥岩段长,且塑性形变大,缩颈严重。该井于 2009年 6月 3日开钻,7月 8日完井,历时 35 d。该井设计井深为 2 327 m,实际完钻井深为 2 327 m,其中表层 444.5 mm井眼钻至 198 m,339.7 mm套管下至 197.03 m,311.1 mm技术井眼钻至 1 401 m, 244.5 mm套管下至 1 400.4 m,215.9 mm主井眼钻至 2 327 m,139.7 mm油管下至 2 326.9 m,整口井的施工过程井下情况良好,无复杂状况发生,2次电测均一次成功。该井为三开结构,二开和三开均使用经优化的 KCl聚合物钻井液体系。钻井液性质:密度为 1.18 g/cm3,表观黏度为 30 mPa·s,塑性黏度为 21 mPa·s,动切力为 9 Pa,滤失量为4.0 mL,pH值为 10。

新型钻井液体系对于易垮塌的Abu-Gabra地层可以起到很好的防塌效果,该井三开地层位于Ghazal– Zarqa段,下面还有 Aradeiba的大段泥岩和Bentiu的砂层。从该井三开井段所返出岩屑的情况可反映钻井液的抑制性能,使用新型钻井液后所返出岩屑有较强硬度、成形性好,消除了过去起泥球和糊振动筛的现象,表明该钻井液具有很强的抑制性。整个井段井眼规则,没有缩径和井径扩大的现象,说明新型钻井液体系很好的维持了上部井段的稳定。

5.2 FN4-8井

FN4-8井是 1口开发井 (直井),位于苏丹油田六区 Fula区块。该井设计井深为 2 400 m,完井井深为 2 400 m。2009年 3月 4日开钻打导管一开,2009年 3月 5日一开,2009年 3月 11日二开, 2009年 3月 24日三开。钻井周期为 30 d。中途完井和完钻后电测均一次成功,下套管顺利,固井正常,于 2009年 4月 4日顺利完井,完井周期为 32 d。钻井液性质:密度为 1.15 g/cm3,表观黏度为27.5 mPa·s,塑性黏度为 19 mPa·s,动切力为8.5 Pa,滤失量为 4.0 mL,pH值为 10。

在钻进过程中,共起下钻 14次,其中仅有一次发生轻微的超拉现象,13次下钻均顺利到底,且井底也没有大量的沉砂,表明三开井段的井眼是稳定的。由于该体系具有超强的抑制性,与原用 KCl/聚合物钻井液相比,地层稳定性明显提高,井眼表面相对平滑,没有明显的锯齿状井眼,平均井径扩大率较小。

总体来看,新型钻井液体系在 Keyi-27井和FN4-8井的应用是成功的,试验结果充分说明,它是一种性能优良、有利于发现和保护油气层的优质钻井液体系。

6 结 论

(1)原用钻井液的性能良好,但在现场施工中存在一些不足,在原用钻井液基础上引入理想充填暂堵剂和成膜剂形成一种适合苏丹六区储层的新型低伤害防塌钻井液体系。

(2)新型钻井液属低固相环保型体系。它具有抑制性强、化学封堵固壁性好、性能稳定、利于保护油气层、现场配制简便以及容易维护等特点。

(3)新型钻井液体系在一定程度上降低了钻井液密度,流变性易于调整和控制,抗高温能力强,API滤失量很低,实验室渗透率恢复率达到 80%以上,具有明显的储层保护效果。

(4)现场 2口井应用的总体效果表明,新型钻井液体系克服了传统 KCl聚合物钻井液体系的弱点,流变参数合理,滤失量低,现场维护简便,提高了井壁稳定性,能够满足苏丹六区地层安全、快速、优质钻井的要求,具有广泛的应用前景。

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编辑 王 昱

TE254

A

1006-6535(2010)05-0103-04

20100112;改回日期:20100615

国家自然科学基金项目“低孔低渗油气储层损害机理及有效保护方法研究”(50974129)和国家科技部国际合作研究项目“苏丹油田重点区块保护储层的钻井液完井液技术研究”(2008KR0421)的部分研究成果

张凤英 (1981-),女,博士,2003年毕业于辽宁石油化工大学化学工程专业,现从事油田化学及油气层保护技术方面的研究工作