南海西部超浅层砾石充填水平井钻完井液优化与评价

颜帮川 刘和兴 任冠龙 程 朋 徐 斐 周姗姗 由福昌

(1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司 广东湛江 524057； 2.荆州嘉华科技有限公司 湖北荆州 434000)

南海西部海域D气田地质储量大，前期已在该气田钻探多口水平井，后来在该气田乐东组一段和乐东组二段新增3口调整井。该气田区水深约93.5 m,调整井设计垂深最浅约580 m，水平段最长达1 170 m;超浅层泥质含量为26.04%～30.70%，平均渗透率为139.5～203.3 mD，目的层温度预计为50 ℃，原始地层压力系数为1.11，存在压力衰竭，储层为疏松砂岩，极易出砂，需采用砾石充填和优质筛管防砂。

D气田在前期钻井过程中采用常用的PRD钻井液[1-2]，但因漏失严重导致提前完钻，在砾石充填过程中发生漏失导致充填无法完成等问题。国内外针对浅层钻井作业做了大量研究工作，主要通过控制钻进过程中的循环当量密度(ECD值)，提高承压能力及抑制性，控制流变，减少漏失[3-4]；通过降低砾石充填携砂液流动阻力解决低破裂压力地层在砾石充填过程中的漏失问题[5-6]。本文以EZFLOW直接返排钻井液为基础，通过优化钻井液的抑制性能，降低钻井液ECD值，防止压漏地层，提高地层承压能力和泥饼的耐冲刷能力，并降低砾石充填携砂完井液的流动阻力，解决了砾石充填过程的漏失问题，对海上超浅层水平井钻完井及浅层砾石充填完井作业具有一定借鉴意义。

1 已作业井存在问题及技术对策

1.1 已作业井存在问题

1) 钻井提前完钻。D气田前期同层位的A16H和A3H1井，储层段φ215.9 mm井眼均采用PRD钻井液，在钻进过程中受地层泥岩侵污后增稠明显，表观黏度由开钻的25 mPa·s上升至35 mPa·s，动切力由开钻的12 Pa上升至最高21 Pa，导致ECD值急剧增大，附加值分别达到了0.28 g/cm3和0.31 g/cm3，通过置换钻井液来降低黏切，但仍未能有效地控制ECD值，最终导致地层破裂漏失，被迫提前完钻(表1)。

表1 南海西部D气田已钻井基本情况Table 1 The basic condition of early development wells in D gas field， the western South China Sea

2) 砾石充填完井作业未有效完成。由于D气田储层为疏松砂岩，生产期间极易出砂，对防砂要求高，根据前期作业井的情况，采用砾石充填和优质筛管的双重防砂方式能够达到防砂目的。但从已作业井的情况来看，在砾石充填过程中漏失严重，无法有效完成砾石充填完井作业，影响了防砂效果(表2)。

表2 南海西部D气田A16H和A3H1钻井砾石充填复杂情况Table 2 The complex situations of gravel packing wells in D gas field, the western South China Sea

分析认为，造成上述问题的主要原因，一是PRD钻井液泥饼的承压能力和耐冲刷能力较弱，完井期间砾石充填携砂完井液对泥饼破坏严重，导致漏失；二是携砂完井液采用盐水体系，其摩阻较大，从而导致井下压降大，地面需要更大的泵压来实现泵送，进而造成了漏失。

1.2 技术对策

D气田新增的3口调整井相比前期作业井难度更大,要解决已作业井存在问题，必须以储层保护为前提，从钻井液与完井液的组成和性能控制入手进行研究。据调研，EZFLOW直接返排钻井液已成功应用，该钻井液的流变性，尤其是低剪切速率黏度更低，能够有效地防止ECD值的增加，进而防止漏失，并且该钻井液后期完井无须破胶，避免了一旦解决了漏失问题而带来的无法破胶的尴尬问题[7-8]。为此，针对该气田制定了以下技术对策：

1) 防止泥岩造浆。前期A3H1井和A16H井采用PRD钻井液中加入2%聚胺及10%以上的氯化钾，依然无法解决泥岩造浆的问题，所以必须从抑制剂防造浆入手才能够解决钻井液增稠的问题，优选抑制剂是解决钻井液增稠的主要手段。

2) 降低ECD值。从体系设计出发，在降低钻井液黏切的同时，依然能够保护储层，并最终达到降低ECD值的目的。

3) 提高地层承压能力。地层破裂压力低，在降低ECD值的同时，还应提高地层承压能力，一方面可以防止钻井过程中的漏失问题，另一方面可以提高泥饼的耐冲刷能力，解决完井砾石充填过程中的漏失问题，并通过合理的粒径匹配保护储层。

4) 降低流动阻力。在砾石充填携砂完井液中添加保护储层的管路降阻剂实现降低流动阻力，解决砾石充填过程中的漏失问题。

5) 直接返排完井。受限于完井管柱设计，必须采用直接返排的完井工艺，即砾石充填后，直接进行气举排液作业，这就要求所使用的钻井液、完井液都要有极好的储层保护效果。

2 钻井液体系优化与评价

以EZFLOW直接返排钻井液为基础，通过优化流变性能，并在该钻井液体系中引入新型胺基抑制剂，解决地层泥岩造浆和井下ECD值升高的问题。EZFLOW直接返排钻井液基本配方为：海水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+(0.3%～0.5%)VIS-B流型调节剂+2.5%STARFLO降滤失剂+5%MBA储层暂堵剂+2%JLX-A聚合醇+新型胺基抑制剂+KCl加重至所需密度(1.15 g/cm3)。

2.1 流变性能优化及对ECD值的影响

D气田新增的3口调整井既要兼顾储层保护，更要防止ECD值过大，所以钻井液的流变性应选择一个最佳范围。通过对VIS流型调节剂加量变化的评价，以低剪切速率黏度LSRV来表征，在此基础上采用DrillBench软件根据井身结构模拟计算井下ECD值，并同步测试渗透率恢复值,结果如图1所示。由图1可以看出，随着低剪切速率黏度逐渐增大，ECD值逐步增大，而渗透率恢复值呈现先增大后降低的趋势；当低剪切速率黏度控制在10 000～30 000 mPa·s时，渗透率恢复值都能够达到85%以上，且ECD值相对密度附加值0.06～0.13 g/cm3;密度为1.10 g/cm3时，ECD值最高值为1.23 g/cm3，能够很好地控制井下ECD值，防止漏失。

图1 钻井液流变性能对ECD值的影响Fig.1 Effect of rheological properties of drilling fluid on ECD

2.2 抑制性能优化

2.2.1新型胺基抑制剂防止造浆

D气田超浅层地层泥质含量较高，黏土含量达30%，存在伊/蒙间层，间层比分别为65%和60%，属于易造浆地层，前期钻井结果表明造浆引起黏切上升。钟汉毅 等[9-10]开展了用聚胺抑制膨润土造浆的性能实验，该实验对于解决该气田区泥岩造浆具有一定的借鉴意义。以高浓度的膨润土侵污后的黏度变化来表征抑制剂的抑制作用，基本配方为：去离子水+抑制剂+20%钠膨润土。钠膨润土侵污评价结果见表3，可以看出，未添加抑制剂的膨润土浆黏切非常高，φ3值达99；氯化钾和国内外常用的聚胺均具有一定的抑制造浆的能力，但是仍然具有一定的黏切；而新型胺基抑制剂UHIB-L黏切非常低，说明其能够有效地解决膨润土的造浆问题。

表3 钠膨润土侵污评价结果Table 3 Evaluation result of soil contamination by sodium bentonite

注：评价条件50 ℃，16 h滚后。

2.2.2新型胺基抑制剂对体系性能的影响

将加量为1.0%～2.0%的新型胺基抑制剂加入到EZFLOW直接返排钻井液中，钠膨润土污染对钻井液体系流变性能的影响见表4，可以看出，胺基抑制剂加量对该体系流变性影响不大，并且采用25%钠膨润土侵污后，其黏度变化仍然很小，说明新型胺基抑制剂与该体系具有较好的配伍性，能够有效地抑制膨润土造浆。由于该气田区超浅层地层泥岩造浆严重，推荐新型胺基抑制剂加量控制在1.5%～2.0%较为合适。

表4 钠膨润土污染对钻井液体系流变性能的影响Table 4 Influence of sodium bentonite contamination on properties

2.2.3现场钻屑污染对钻井液体系流变性能的影响

将现场钻屑磨细至200目，分别对前期用的PRD钻井液和优化后的EZFLOW直接返排钻井液进行污染实验，浓度为25%的现场钻屑污染对钻井液体系流变性能的影响见表5，可以看出，PRD钻井液经过现场钻屑污染后，动切力上升8 Pa，φ3值上升6；而EZFLOW直接返排钻井液动切力上升4.5 Pa，φ3值上升3 Pa，基本上为PRD钻井液的一半左右，说明优化后的EZFLOW直接返排钻井液具有一定的极端情况下的抗污染能力。

此外，现场钻屑在105 ℃烘干过孔径22.00～3.20 mm筛，在50 ℃老化16 h后过孔径0.45 mm筛，再在105 ℃烘干，计算回收率，测得EZFLOW直接返排钻井液回收率为96.9%，PRD钻井液回收率为95.0%，说明这2种体系均具有较强的抑制性能。

表5 现场钻屑污染对钻井液体系流变性能的影响Table 5 Influence of field debris pollution on performance

2.3 承压性能优化

根据Hands等提出的D90经验规则，张伟国 等[7]在对EZFLOW直接返排钻井液碳酸钙粒径匹配的情况下得到了较好的储层保护效果。基于此，对EZFLOW直接返排钻井液和PRD钻井液同时做了承压能力实验。

实验方法：高温高压填砂管，20～40目和40～60目填砂按照1∶1比例，在50 ℃条件下加入钻井液，逐渐加压，测试漏失量。图2为钻井液承压能力实验结果，可以看出，PRD钻井液在1MPa全部漏失。EZFLOW直接返排钻井液在1 MPa时漏失量为0，在3 MPa时仅瞬时漏失7 mL，以后不漏失；在5 MPa时仅瞬时漏失25 mL，且随着时间的延长，漏失量逐渐降低，5 min后停止漏失。这表明，PRD钻井液基本没有承压能力，而EZFLOW直接返排钻井液承压能力可以达到5 MPa，具有一定的防漏提承压能力。

图2 钻井液承压能力实验结果Fig.2 Test result of pressure bearing capacity of drilling fluid system

2.4 成膜封堵性能评价

室内采用填砂管实验评价EZFLOW直接返排钻井液和PRD钻井液的封堵性能,结果表明EZFLOW直接返排钻井液在不同目数的砂床侵入深度均小于3 cm，最小可达2.3 cm;而PRD钻井液砂床侵入深度均大于5 cm，最大可达到8.7 cm，这说明EZFLOW直接返排体系具有较好的封堵效果。

2.5 润滑性能评价

钻井液的润滑性反映了现场扭矩的大小，摩阻因数越小，扭矩越小。室内采用Fann公司的EP极压润滑仪评价钻井液的润滑性，计算得到摩阻因数为0.09，可以满足长水平井对润滑的要求。

3 携砂完井液性能评价

3.1 泥饼耐冲刷性能评价

利用岩心动失水实验设备模拟作业现场，在岩心端面形成泥饼后，在3.5 MPa和300 r/min转速下用携砂完井液冲刷泥饼，以通过岩心的滤失量衡量泥饼耐冲刷能力，滤失量越小代表泥饼越耐冲刷。

室内实验用携砂完井液1为海水+KCl加重至1.10 g/cm3,携砂完井液2为海水+0.25%FLOSILK减阻剂+ KCl加重至1.10 g/cm3，用这2 种携砂完井液评价PRD钻井液和EZFLOW直接返排钻井液泥饼的耐冲刷性能(图3)。由图3可以看出，在这2种携砂完井液冲刷情况下，EZFLOW直接返排钻井液滤失量明显小于PRD钻井液，说明减阻剂的加入能够进一步提高泥饼的耐冲刷性能。

图3 泥饼耐冲刷性能评价结果Fig.3 Erosion resistance evaluation result of mud cake

3.2 减阻剂降低流动阻力性能评价

完井砾石充填与页岩气开发滑溜水非常类似，在紊流流态下管柱的摩阻损失非常严重，通用做法是添加减阻剂降低摩阻损失，以降低地面施工压力[11]，从而降低压漏地层的风险。但砾石充填对于降阻剂的要求，除了降低摩擦阻力以外，就是必须具有较好的储层保护效果；而压裂液压裂后孔喉与通道较大，对储层保护要求相对较低。通过管路降阻测定仪测试了砾石充填携砂完井液减阻剂FLOSILK的降阻性能，结果见图4。由图4可以看出，相对于盐水，砾石充填携砂完井液减阻剂降阻率可以达到80%，能够实现有效的降阻。

图4 携砂完井液减阻率随时间的变化Fig.4 Drag reduction rate of sand carrying liquid over time

3.3 携砂完井液储层保护性能评价

使用砾石充填携砂完井液的目的是降低流动阻力，但也不能伤害储层。室内对携砂完井液的储层保护性能进行了实验评价，携砂完井液配方为：海水+0.25%FLOSILK减阻剂+1%UHIB-L+KCl加重至所需密度(1.10 g/cm3)，钻井液、携砂完井液对人造岩心的保护效果见表6。由表6可以看出，携砂完井液在直接返排条件下渗透率恢复值可以达到92.16%；钻井液污染岩心后，再用携砂完井液污染岩心，采用直接返排的方式，渗透率恢复值依然可以达到90.82%，具有较好的储层保护效果。

表6 直接返排条件下钻井液、携砂完井液对人造岩心的保护效果(模拟气层)Table 6 Protection effect of drilling fluid on artificial core under direct return condition(simulated gas reservoir)

4 现场应用

南海西部海域D气田在2017年7—8月采用EZFLOW直接返排钻井液作业3口井，钻井作业顺利，未出现任何井下复杂情况，钻井液密度1.10 g/cm3，钻井液黏度从开钻到完钻始终稳定，ECD值为1.13～1.17 g/cm3，附加值仅为0.03～0.07 g/cm3，未发生漏失，均钻达设计井深；砾石充填携砂完井液加入减阻剂，在砾石充填过程中漏失速率仅为0.4 m3/h，属于微渗漏，说明该钻井液泥饼具有良好的耐冲刷能力，同时砾石充填携砂完井液具有较好的降阻效果，砾石充填圆满完成，充填效率达到了107%，达到了预期的防砂效果。3口井砾石充填结束后，直接下入生产管柱进行试气，产量均达到预期，并超过配产，证实了EZFLOW直接返排钻井液体系和砾石充填携砂完井液具有良好的储层保护效果。

5 结论

1) 针对在南海西部海域超浅层、破裂压力低、疏松砂岩且泥岩含量高的储层实施钻水平井作业的要求，优化了基本配方为海水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+(0.3%～0.5%)VIS-B流型调节剂+2.5%STARFLO降滤失剂+5%MBA储层暂堵剂+2%JLX-A聚合醇+新型胺基抑制剂+KCl加重至所需密度(1.15 g/cm3)的EZFLOW直接返排钻井液，推荐新型胺基抑制剂加量控制在1.5%～2.0%较为合适；优化了盐水携砂完井液，在携砂完井液中加入减阻剂FLOSILK，加入量控制在0.25%的较为合适。

2) 室内评价与现场应用表明，优化后的EZFLOW直接返排钻井液与盐水携砂完井液流变性能良好，解决了南海西部海域超浅层地层泥岩造浆和井下ECD值升高的问题，提高了地层承压能力和泥饼耐冲蚀能力，有效降低了砾石充填作业的漏失，提高了砾石充填成功率，实现了直接返排试气，达到了预期防砂效果。

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