李 劍,胡金鵬,盧云康,劉興儉,樂全為

(中國石化河南石油勘探局鉆井工程公司,河南南陽473132)

高鈣鹽-多元聚合物鉆井液應(yīng)用研究

李 劍,胡金鵬,盧云康,劉興儉,樂全為

(中國石化河南石油勘探局鉆井工程公司,河南南陽473132)

為了解決南陽凹陷魏崗、張店區(qū)塊中上部地層泥巖分散造漿和泌陽凹陷雙江區(qū)塊井壁掉塊垮塌難題,室內(nèi)通過巖屑膨脹性、分散性實(shí)驗(yàn),優(yōu)選出一套抑制防塌能力強(qiáng),配制、維護(hù)處理簡單的高鈣鹽-多元聚合物鉆井液體系。該體系利用Ca2+,使地層中的蒙脫石等高活性粘土礦物部分轉(zhuǎn)化為低活性的鈣土,降低其在鉆井液中的分散度;同時(shí)選擇抗鈣、鎂能力強(qiáng)的PMHA為絮凝包被劑,使鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性和防塌能力及良好的流變性。南102井、雙平6-1兩井的現(xiàn)場試驗(yàn)證明,該體系能較好地解決魏崗區(qū)塊地層強(qiáng)造漿頑癥和江河區(qū)塊井壁掉塊垮塌難題。

高鈣鹽多元聚合物鉆井液;抑制造漿;流變性;低固相;低粘切

河南油田東部老區(qū)南陽凹陷魏崗、東莊、張店區(qū)塊的泥巖地層中含有較高比例的蒙脫石和伊/蒙混層(個(gè)別區(qū)塊蒙脫石含量高達(dá)70%),鉆井過程中,控制鉆屑分散造漿和穩(wěn)定井壁是鉆井液工作的難點(diǎn);泌陽凹陷雙江區(qū)塊的核三段以上泥巖地層中蒙脫石、伊/蒙混層含量也相當(dāng)高,鉆井液維護(hù)處理措施稍有不當(dāng),就會(huì)誘發(fā)井壁失穩(wěn)、井眼不暢、卡鉆、卡電纜、甚至埋鉆具等惡性事故。為了解決上述問題,優(yōu)選配制了高鈣鹽-多元聚合物鉆井液。

1 高鈣鹽-多元聚合物鉆井液作用機(jī)理[1-2]

高鈣鹽鉆井液是一種粗分散體系。在鉆井液中加入CaCl2和CaO,通過離子交換作用,使高活性蒙脫石、綠泥石部分轉(zhuǎn)化為鈣土,降低其分散能力;鈣離子壓縮粘土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層,使水化膜變薄、電位下降,引起粘土晶片面-面和端-端聚結(jié),改變粘土的水化性能,使鉆井液中的粘土處于適度絮凝和分散狀態(tài);鈣離子可與泥頁巖中的 SiO2和Al3+結(jié)合形成不可水化膨脹的鈣鋁硅酸鹽[3-4],控制粘土的分散、造漿,使鉆井液的性能穩(wěn)定;多元聚合物處理劑還能通過包被作用抑制粘土分散,即同時(shí)吸附多個(gè)相鄰的粘土顆粒,將多個(gè)粘土顆粒橋聯(lián)在一起阻止粘土分散,使巖屑盡可能保持原有形狀,有利于固控設(shè)備清除。

2 高鈣鹽-多元聚合物鉆井液室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及評(píng)價(jià)

2.1 高鈣鹽鉆井液處理劑選擇原則

無論是主處理劑還是護(hù)膠劑都應(yīng)具備良好的抗鈣能力,同時(shí)護(hù)膠劑不能對粘土有過強(qiáng)的分散作用。

2.2 配方確定

經(jīng)過室內(nèi)優(yōu)選,確定高鈣鹽-多元聚合物鉆井液基本配方如下:3.5%膨潤土+0.3%PMHA+1.0%GT-98+0.3%CaO+0.8%CaCl2+(0.5～1.0)%GX-1+石灰石粉。該配方鉆井液性能見表1。

表1 高鈣鹽-多元聚合物鉆井液性能

2.3 防塌抑制性對比評(píng)價(jià)

2.3.1 膨脹抑制性評(píng)價(jià)

將無水石膏和鈉膨潤土以4∶6的比例混和均勻,稱10g混合物在4MPa下壓實(shí)5min,制成泥膏巖。用NP-01頁巖膨脹儀測定結(jié)果:泥膏巖樣在高鈣鹽-多元聚合物鉆井液(3.5%膨潤土+0.3%PMHA+1.0%GT-98+0.3%CaO+0.8%CaCl2)和PAC聚合物鉆井液(3.5%膨潤土+0.3%PAC141+0.5%PAC142)中的膨脹率分別為27.8%和75.3%,同比下降了47.5%(圖1)。

圖1 高鈣鹽體系與PAC體系膨脹率比較

2.3.2 巖屑回收率實(shí)驗(yàn)

分別取40g粒徑為2.0～2.8mm的V294井(1146～1150m井段)巖樣,加入水及PAC鉆井液和高鈣鹽鉆井液的介質(zhì)中,在120℃下滾動(dòng)16h,用孔徑為0.45mm的篩子測回收率。結(jié)果清水回收率為17%,PAC聚合物鉆井液為57.4%,高鈣鹽鉆井液為93.6%(圖2)。

圖2 頁巖回收率對比試驗(yàn)

從上述實(shí)驗(yàn)可以看出:高鈣鹽-多元聚合物鉆井液的抑制防塌能力遠(yuǎn)優(yōu)于陰離子聚合物PAC鉆井液體系。

3 高鈣鹽-多元聚合物鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用

高鈣鹽-多元聚合物鉆井液分別在評(píng)價(jià)直井南102井和水平井雙平6-1井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用,其應(yīng)用情況及效果如下。

3.1 南102井現(xiàn)場試驗(yàn)情況

該井位于南陽凹陷魏崗鼻狀構(gòu)造南34斷塊西翼,是一口評(píng)價(jià)直井,設(shè)計(jì)井深2200m,完鉆井深2250m,實(shí)際鉆井周期15.81d,平均機(jī)械鉆速10.88 m/h。

一開采用預(yù)水化膨潤土鉆井液,Φ394鉆頭鉆至206.46m下入Φ273表套至井深205.46m,施工順利。

二開Φ215.9井眼采用高鈣鹽-多元聚合物鉆井液體系,按照配方:(3.5～4.5)%膨潤土+(0.3～0.4)%PMHA+(0.4～0.6)%PAC141+(0.5～1.0)%GT-98+(0.2～0.5)%CaO+(0.5～1.0)%CaCl2+(0.5～1.0)%GX-1+潤滑劑(適量),對現(xiàn)場鉆井液進(jìn)行維護(hù)、處理其施工過程為:

將一開回收鉆井液40m3與1.0%PAC141膠液40m3充分混和均勻后,開始鉆水泥塞和快速鉆進(jìn),啟用“三級(jí)”凈化設(shè)備、效果良好,鉆至井深815 m,累計(jì)補(bǔ)充 35m3PAC141膠液(折合干劑 150 kg),其性能:FV:39s、ρ:1.07g/cm3。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行高鈣鹽-多元聚合物鉆井液轉(zhuǎn)換。用3個(gè)循環(huán)周期均勻混入30m3含有250kgPMHA和500kg-GT-98及500kgCaCl2和250kgCaO的復(fù)合膠液;正常鉆進(jìn)時(shí),每天進(jìn)尺約200m補(bǔ)充復(fù)合膠液25 m3(含 75kgPMHA、150kgPAC141、150kgCaCl2、50kgCaO)進(jìn)行維護(hù),以確保鉆井液內(nèi)處理劑含量相對穩(wěn)定,另在井深1200m、1535m和2100m處補(bǔ)充 GT-98各350kg控制濾失量。進(jìn)入目的層前50m為保護(hù)油氣層,將API濾失量降至5mL以下,不再補(bǔ)充CaCl2和CaO;整個(gè)鉆進(jìn)過程中鉆井液性能穩(wěn)定,起下鉆及完井電測、下套管順利,實(shí)鉆性能見表2。從中可以看出,鉆井液性能及膨潤土含量穩(wěn)定,表明高鈣鹽-多元聚合物鉆井液抑制性較強(qiáng)。該井二開井段井徑規(guī)則、平均擴(kuò)大率僅為1.07%,也說明該體系抑制、防塌效果顯著。

表2 南102井鉆井液性能

1600m以前井段僅用振動(dòng)篩、除砂器和間斷使用離心機(jī),就能把鉆井液密度控制在(1.04～1.11)g/cm3的理想范圍,與使用 PAC系列鉆井液體系施工的鄰井南34井相比,其密度平均降低了(0.06～0.08)g/cm3;在井深增加264.60m的情況下,機(jī)械鉆速由5.07m/h增至10.88m/h,增幅達(dá)114.60%,井眼暢通無阻,無任何井下復(fù)雜情況;與設(shè)計(jì)相比,鉆井液成本節(jié)約46.7%、建井周期提前了14.0d。

3.2 雙平6-1井現(xiàn)場試驗(yàn)情況

雙平6-1井是泌陽凹陷雙江區(qū)塊第一口水平井,設(shè)計(jì)井深2135m。與下二門、安棚、井樓等區(qū)塊己鉆水平井相比,存在以下技術(shù)難題:①上部泥巖地層極易分散造漿;②中部 H2段泥巖井壁吸水掉塊垮塌,采用常規(guī)鉆井液措施難以奏效,不良井眼狀況容易誘發(fā)鉆具事故,完井電測作業(yè)困難;③目的層強(qiáng)滲透性砂巖超采欠壓極易粘卡;④油層卡不準(zhǔn),大斜度井段填井側(cè)鉆,水泥污染鉆井液等,鉆井施工難度較大。

3.2.1 直井段(393.29～1594.83m)

采用高鈣鹽-多元聚合物鉆井液體系,配方為:

(3.5～4.5)%膨潤土+(0.3～0.4)%PMHA+(0.4～0.6)%PAC141+(0.5～1.0)%GT-98+(0.2～0.5)%CaO+(0.5～1.0)%CaCl2+(0.5～1.0)%GX-1

3.2.2 定向-水平井段(1594.83～2130m)

采用高鈣鹽-多元聚合物混油鉆井液體系,配方為:(4～5)%膨潤土漿+(0.1～0.2)%PMHA+(0.4～0.6)%PAC141+(1.0～1.5)%K J- Ⅲ+CaO(適量)+(0.5～1.0)%GX-1+(2.0～3.0)%STF(乳化瀝青)+2.0%ZRH-2+(2.0～8.0)%白油+石灰石粉,實(shí)鉆過程的鉆井液性能見表3。

表3 雙平6-1井鉆井液性能

3.2.3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

易造漿井段沒有暴露出嚴(yán)重造漿特性(粘切急劇上升、密度快速上漲等),井壁掉塊現(xiàn)象大為緩解,井眼暢通無阻,完井軟/硬測井均一次成功(軟測儀器下至1970m/78°),下套管固井作業(yè)順利;定向施工井段,鉆井液粘切穩(wěn)定、保持在(55～70)s之間,流型適中、攜巖能力強(qiáng);鉆具最大附載保持在上行(50～100)kN/下放(40～60)kN的理想范圍;全井施工安全順利,建井周期提前7.5d。

4 結(jié)論

(1)該體系具有較強(qiáng)的抑制性和防塌能力,能夠較好解決魏崗、張店區(qū)塊泥巖地層強(qiáng)造漿頑癥及雙江區(qū)塊井壁掉塊垮塌難題。

(2)鉆井液易于保持低粘度和低切力,性能穩(wěn)定,且轉(zhuǎn)化平穩(wěn)、維護(hù)處理簡便。

(3)主要處理劑 PMHA、GT-98抗鈣、鎂能力強(qiáng),用量小、維護(hù)周期長,在填井側(cè)鉆過程中,水泥對鉆井液性能影響小,可有效降低處理難度及費(fèi)用。

(4)該體系抗溫能力不足,僅適用中深井。

[1] 崔文鋒,牛全印.高鈣鹽鉆井液在塔河油田 TK909H井的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液,2006,23(4):35-38

[2] 魏殿舉,王善舉,史康玲.高鈣鹽鉆井液在塔中地區(qū)中1H井的應(yīng)用[J].油田化學(xué),2006,23(2):99-101

[3] 劉慶來.高鈣鹽鉆井液體系的研究與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2005,33(3):26-28

[4] 蔡春祥,王朝,曹得榮.高鈣鹽鉆井液在海參1井的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液,2004,21(3):61-62

編輯:劉洪樹

TE254

A

2010-05-31;改回日期:2010-08-23

李劍,工程師,1965年生,1987年畢業(yè)于重慶石油學(xué)校油田應(yīng)用化學(xué)專業(yè),現(xiàn)從事鉆井液技術(shù)管理及研究工作。

1673-8217(2010)06-0092-03