張文哲,李 偉,王 波,劉 云,江晨碩.
(1.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院,陜西西安 710075;2.陜西省特低滲透油氣田勘探開發(fā)工程技術(shù)研究中心,陜西西安 710077;3.延長油田股份有限公司,陜西延安 716099;4.陜西省二氧化碳封存與提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710075;5.新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院,新疆烏魯木齊 830046)
鄂爾多斯盆地三疊系致密油藏以延長組7段(簡稱長7)頂部油頁巖、致密含油砂巖和延長組6段(簡稱長6)中部油層組致密含油砂巖最為典型。該區(qū)致密油藏呈現(xiàn)“東淺西深”伊陜斜坡構(gòu)造,具有分布范圍較廣,儲(chǔ)層物性差且非均質(zhì)性強(qiáng)、東西部差異大,孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜,“低孔、低滲、低豐度”,油藏壓力系數(shù)低等特征,但其儲(chǔ)層原始含油飽和度高,烴源巖條件優(yōu)越,原油性質(zhì)好,擁有較好的開發(fā)潛質(zhì)[1-2]。油頁巖、致密含油砂巖由于其硬脆性、片理結(jié)構(gòu),在鉆井過程中易發(fā)生坍塌掉塊、裂縫井漏等復(fù)雜情況,已成為延長油田鉆井,特別是水平井鉆井的一大難題。提高井壁穩(wěn)定性是解決這個(gè)問題的關(guān)鍵[3]。
以延長油田中生界延長組致密油藏長7段為例,地層厚度約80~100 m,地層深度1 400~2 600 m,儲(chǔ)層巖性主要為褐色油頁巖、灰黑色泥巖、深灰色砂質(zhì)泥巖夾灰色泥質(zhì)砂巖、淺灰色細(xì)砂巖等。對巖樣中黏土礦物組分相對含量進(jìn)行了XRD分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),伊利石含量最高,約占40.1%~88.9%,伊蒙混層含量平均15.2%,綠泥石含量分布在4.9%~27.8%,離散性整體較大;儲(chǔ)層節(jié)理微裂縫發(fā)育、紋理清楚、水化膨脹不均勻,屬非膨脹型破碎性(脆性)地層(圖1),井壁穩(wěn)定性較弱[4],對鉆井過程中鉆井液性能提出較高要求[5]。
圖1 儲(chǔ)層巖心微裂縫電鏡掃描
延長油田致密油水平井現(xiàn)階段主要使用的鉆井液體系為K-PAM聚合物鉆井液體系,前期的現(xiàn)場實(shí)踐表明,該體系在流變性能、潤滑性能與井壁穩(wěn)定等性能上還存在一定問題[6],具有很大的提升空間。對鉆井液體系配方重新進(jìn)行了優(yōu)選,對各性能指標(biāo)二次優(yōu)化,增強(qiáng)了鉆井液的抑制性和封堵性,且在一定程度上降低了成本。
(1)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象普遍。陜北致密油藏長7段頂部和底部各發(fā)育一套褐色油頁巖或深灰色泥巖,中部發(fā)育一整套砂體,砂體間為砂泥巖互層。在水平井鉆井過程中,造斜段鉆遇該層段,由于地層黏土含量較高,現(xiàn)有鉆井液封堵性和抑制性能不足,導(dǎo)致井壁吸水膨脹厲害、掉塊嚴(yán)重而造成垮塌,特別是西部深層區(qū)塊,現(xiàn)場鉆井難度較大[7]。
(2)定向摩阻大導(dǎo)致托壓。鉆井液降濾失材料的選取對體系潤滑性和流變性產(chǎn)生約束,處理劑間產(chǎn)生不配伍,且油溶性潤滑劑加入過量時(shí)易形成二次泥餅,易造成托壓等復(fù)雜情況[8]。
(3)攜巖性能不好。對于致密油長水平段鉆井,非均質(zhì)巖性突變較為嚴(yán)重,長泥頁巖段加入抑制劑后,鉆井液活度和流變性受到制約,直接影響鉆井巖屑的有效懸浮和攜帶,井眼不清潔易造成井下事故[9]。
由地層井壁不穩(wěn)定機(jī)理分析[10-12]可知,要保證井段的井壁穩(wěn)定,設(shè)計(jì)防塌鉆井液時(shí),在技術(shù)上除了要滿足合理的鉆井液密度、良好的潤滑性及流變性外,還必須滿足強(qiáng)抑制和強(qiáng)封堵特性。
目的區(qū)塊鉆井液在造斜段以后以聚合物鉆井液體系為代表,主要處理劑以聚丙烯酰胺鉀鹽(K-PAM)為主,配合聚合物降濾失劑等其他處理劑在水化好的膨潤土漿中共同作用,現(xiàn)場鉆井液處理劑應(yīng)用較為種類和加量比較雜亂,急需一種適合延長致密油地層水平井的鉆井液體系和技術(shù)規(guī)范[13-14]。
室內(nèi)實(shí)驗(yàn)材料以勝利油田勝利化工工業(yè)級材料為主,按照《GB/T16783.1-2014石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場測試第1部分:水基鉆井液》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。
2.2.1 降濾失劑優(yōu)選
延長油田致密油區(qū)塊目前使用的主要降濾失劑有:SMPX抗高溫抗鹽磺化降濾失劑、COP-FL聚合物降濾失劑、增粘纖維降濾失劑SJL-1等。現(xiàn)場取上述降濾失劑樣品,室內(nèi)在基漿基礎(chǔ)上,配制成三種體系老化后測量常規(guī)性能,具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。
0#:基漿:4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM
1#:4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+2%SMPX抗高溫抗鹽磺化降濾失劑
2#:4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+2% COP-FL聚合物降濾失劑
3#:4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+2% SJL-1降濾失劑
表1 加入不同降濾失劑后鉆井液性能表
注:鉆井液老化條件:80 ℃(地層溫度)熱滾24 h;測試溫度:室溫(下同)。
對比老化后鉆井液API中壓、高溫高壓濾失量,COP-FL聚合物降濾失劑要優(yōu)于SJL-1降濾失劑;比較3組實(shí)驗(yàn)的高溫高壓濾餅質(zhì)量發(fā)現(xiàn)(圖2),1#泥餅虛厚,不致密,光滑性較弱;2#泥餅薄且致密、較光滑;3#泥餅致密性好且光滑,但稍厚。綜合考慮濾失量和泥餅質(zhì)量,選擇COP-FL聚合物降濾失劑,可顯著提高體系失水造壁性。
圖2 不同降濾失劑高溫高壓濾失實(shí)驗(yàn)?zāi)囡?/p>
2.2.2 抑制劑優(yōu)選
根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前延長油田致密油區(qū)使用的鉆井液抑制型處理劑為無熒光防塌潤滑劑FT342、銨鹽頁巖抑制劑KD-40、陽離子乳化瀝青GD-SFT和聚胺類抑制劑SJA-1四種。在前述基漿的基礎(chǔ)上,引入以上處理劑形成強(qiáng)抑制劑體系,綜合評價(jià)其抑制黏土水化膨脹和水化分散的能力,通過測定鈉膨潤土線性膨脹率和鉆井液一次、二次滾動(dòng)回收率進(jìn)行評價(jià)。
1#:4%鈉膨潤土+0.2純堿+0.4%K-PAM+1.5%銨鹽頁巖抑制劑KD-40
2#:4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+1.5%無熒光防塌潤滑劑FT342
3#:4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+1.5%陽離子乳化瀝青GD-SFT
4#:4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.54%K-PAM+1.5%胺類抑制劑SJA-1
線性膨脹率采用宣化鈉膨潤土制造人工巖心(壓力14 MPa,穩(wěn)壓時(shí)間5 min)進(jìn)行模擬,記錄16 h鉆井液對巖心線性膨脹量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。
圖3 抑制劑線性膨脹率測定表
滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)選取定邊羅龐塬致密油區(qū)羅平X井洛河組地層巖屑(深度約350 m),測定鉆井液滾動(dòng)回收率(實(shí)驗(yàn)條件:熱滾溫度80 ℃,一次滾動(dòng)時(shí)間16 h,二次滾動(dòng)48 h),結(jié)果見表2。
從線性膨脹率結(jié)果分析來看,銨鹽頁巖抑制劑和陽離子乳化瀝青抑制效果相當(dāng),但均弱于無熒光防塌潤滑劑;滾動(dòng)回收率結(jié)果顯示,胺類抑制劑與無熒光防塌潤滑劑的二次滾動(dòng)回收率較高,說明抑制性較強(qiáng)且更穩(wěn)定。綜合成本考慮,優(yōu)選出的抑制劑為無熒光防塌潤滑劑FT342。
表2 抑制劑鉆井液滾動(dòng)回收率分析表
2.2.3 潤滑劑優(yōu)選
固體石墨類潤滑劑GRH-1和液體極壓潤滑劑JM-1是延長致密油區(qū)目前普遍使用的兩種鉆井液用潤滑劑。前者是將井壁和鉆柱間的滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦提高井眼潤滑性,后者是通過增加兩者間的潤滑膜厚度和強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)降摩減阻。室內(nèi)通過檢測鉆井液極壓潤滑系數(shù)和HTHP泥餅黏滯系數(shù)來考量體系的潤滑性。
(1)測定鉆井液的潤滑系數(shù)。
實(shí)驗(yàn)依靠EP極壓潤滑儀,按照標(biāo)準(zhǔn)步驟測定鉆井液體系潤滑系數(shù),具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 加入不同潤滑劑后鉆井液的潤滑系數(shù)
從檢測結(jié)果可以看出,通過加入兩種潤滑劑,鉆井液的潤滑性均有提升,但液體極壓潤滑劑JM-1提升效果更為顯著,意味著提高接觸潤滑膜厚度和強(qiáng)度對致密油層優(yōu)快鉆井更有效。
(2)測定高溫高壓下的泥餅黏滯系數(shù)。
測試實(shí)驗(yàn)采用GS-42型高溫高壓濾失儀,在80℃溫度條件下做鉆井液濾失實(shí)驗(yàn),按照標(biāo)準(zhǔn)步驟得到鉆井液HTHP泥餅(圖4)。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),1#泥餅稍厚,膜表面帶有不溶性小顆粒,韌性不夠;2#泥餅薄且致密,且膜表面光滑,泥餅質(zhì)量整體優(yōu)于1#。泥餅黏滯系數(shù)測量結(jié)果見表4。
從極壓潤滑系數(shù)和高溫高壓鉆井液泥餅黏滯系數(shù)綜合測試可以看出,選用液體極壓潤滑劑JM-1整體潤滑效果要優(yōu)于固體石墨類潤滑劑GRH-1,因此,所需潤滑劑確定為液體極壓潤滑劑JM-1。
圖4 潤滑劑高溫高壓下鉆井液泥餅對比
表4 不同體系的泥餅黏滯系數(shù)
2.2.4 封堵劑優(yōu)選
國內(nèi)外研究中,沒有從本質(zhì)上解決致密油儲(chǔ)層鉆井液封堵問題,封堵性差導(dǎo)致的坍塌、泥包和卡鉆等復(fù)雜問題較為嚴(yán)重。本文根據(jù)延長油田致密油儲(chǔ)層納、微米級巖石孔縫特性,優(yōu)選出適合該地區(qū)的封堵劑體系。對陜北致密油區(qū)現(xiàn)場常用的工業(yè)級納米乳液RL-2和無水聚合醇WJH-1兩種封堵劑單劑復(fù)配(表5),將其加入鉆井液基漿(4%鈉膨潤土漿),通過高溫高壓濾失實(shí)驗(yàn)測量滲透率降低率來評價(jià)封堵效果[15],結(jié)果見表6。
表5 封堵劑復(fù)配組合配方
表6 封堵劑復(fù)配后鉆井液性能參數(shù)
注:K0為不含封堵劑空白漿體的泥餅滲透率,K′為含封堵劑的評價(jià)漿體,Kr為滲透率降低率。
根據(jù)評價(jià)結(jié)果,優(yōu)選出適合致密油區(qū)鉆井液的封堵劑體系為:5%WJH-1+3%RL-2,封堵性相比原鉆井液提高51.7%,井壁穩(wěn)定性增強(qiáng)。
以靖邊致密油區(qū)長7為目的層的水平井為例,優(yōu)選出致密油水平井水平段強(qiáng)封堵型鉆井液體系基礎(chǔ)配方:4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+2% COP-FL聚合物降濾失劑+1.5%無熒光防塌潤滑劑FT342+1.0%液體極壓潤滑劑JM-1+5%WJH-1+3%RL-2,其他致密油區(qū)可在此配方基礎(chǔ)上,適當(dāng)調(diào)整部分處理劑加量,處理和維護(hù)簡單。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)同時(shí)證明,該體系可利用石灰石(120~150目)加重,且性能保持穩(wěn)定,滿足延長油田所有致密油區(qū)鉆井需要。
將優(yōu)化后的強(qiáng)封堵型鉆井液體系在延長油田致密油區(qū)杏平36井(東部淺層油區(qū))、羅平16井(西部深層油區(qū))兩口水平井進(jìn)行了應(yīng)用。
杏平36井位于鄂爾多斯盆地郝家坪南區(qū)鼻隆構(gòu)造內(nèi),是典型的致密油區(qū)塊水平井,鄰井鉆進(jìn)過程中存在較為嚴(yán)重的漏失、托壓和掉塊等現(xiàn)象[16]。該井設(shè)計(jì)井深2745.75 m,造斜段和水平段(1 350 m~2 745 m)應(yīng)用該鉆井液體系。施工過程中,該體系防漏失、封堵效果較好,井壁始終保持穩(wěn)定,機(jī)械鉆速相比鄰井提高37.5%。鉆井液性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表7。
定邊羅龐塬致密油區(qū)以長7儲(chǔ)層為主要目的層;巖性主要為黑色油頁巖、暗色泥巖夾灰黑色細(xì)砂巖;該區(qū)在2017年水平井鉆進(jìn)過程中,多口井接連發(fā)生嚴(yán)重掉塊、井塌等復(fù)雜情況,最嚴(yán)重的填井、側(cè)鉆三次,是延長致密油區(qū)最為復(fù)雜的區(qū)塊之一[17]。
表7 杏平36井現(xiàn)場鉆井液性能參數(shù)
羅平16井井深3 342 m,水平段長達(dá)1 200 m,該井鉆遇造斜段和水平段(2 200 m~3 500 m)選用該鉆井液體系。從應(yīng)用效果來看,鉆井液強(qiáng)封堵性和攜巖性能夠很好地解決該區(qū)塊出現(xiàn)的卡鉆、托壓等復(fù)雜問題,井下事故率相比鄰井降低85.7%,施工周期縮短35.1%,鉆井成本減少34.7%,整體應(yīng)用效果較好。鉆井液性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表8。
表8 羅平16井現(xiàn)場鉆井液性能參數(shù)
(1)延長油田致密油區(qū)塊長7地層巖樣黏土礦物均以伊利石為主,占比40.1%以上,含伊/蒙混層礦物,無蒙脫石;比表面積較低,為弱膨脹性地層,地層層理、宏觀裂縫、微觀裂紋均較發(fā)育,地層原巖強(qiáng)度較高、脆性較強(qiáng),對該區(qū)鉆井液技術(shù)提出嚴(yán)格要求。
(2)通過對延長油田各致密油區(qū)塊地層巖性和鉆井技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析,對現(xiàn)場用降濾失劑、抑制劑和潤滑劑等主要處理劑進(jìn)行了優(yōu)選,確定出適合該地區(qū)強(qiáng)封堵型鉆井液體系,封堵性相比優(yōu)化前提高51.7%。
(3)優(yōu)化后的鉆井液技術(shù)在延長油田致密油2口水平井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),機(jī)械鉆速相比鄰井提高30%,施工周期縮短35%,優(yōu)快鉆井效果顯著。致密油強(qiáng)封堵強(qiáng)型鉆井液技術(shù)為支撐“三低”油田千萬噸油氣產(chǎn)量發(fā)揮積極作用,具有很好的推廣價(jià)值。