高密度柴油基鉆井液的研究及應(yīng)用

秦波波，趙世貴，葉禮圓，周 博，章楚君

(荊州市學(xué)成實(shí)業(yè)有限公司,湖北 荊州 434009)

威遠(yuǎn)地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，漏層、高壓層、含硫化氫氣層較多，井控風(fēng)險(xiǎn)高，施工難度大，特別是水平段鉆進(jìn)，極易發(fā)生卡鉆、剝落掉塊等事故。威204H34-3井是中國石化在該區(qū)塊部署的一口頁巖氣開發(fā)井，該井設(shè)計(jì)井深5440m，設(shè)計(jì)水平段2200m，地層壓力系數(shù)1.85。該地區(qū)水平段為龍馬溪組，以脆性泥頁巖為主，井底溫度高，地層壓力系數(shù)大，水基鉆井液很難滿足現(xiàn)場要求。相對于水基鉆井液，油基鉆井液具有抗高溫、強(qiáng)抑制、流動(dòng)性好、低摩阻、井壁穩(wěn)定等優(yōu)良的性能，所以該井采用柴油基鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)[1-9]。

1 技術(shù)難點(diǎn)及對策

1.1 高密度

該井水平段地層壓力系數(shù)達(dá)1.85，水平段鉆井液密度大于2.10g/cm3。密度高意味著固相含量高，過高的固相含量會(huì)提高鉆井液粘度，降低鉆速，增加泥漿泵的負(fù)擔(dān)。

針對這個(gè)問題，筆者開發(fā)出一種聚酰胺類的潤濕劑。該潤濕劑有很多的吸附基團(tuán)，能很好地吸附在加重材料和鉆屑的表面，使其均勻地分散在油基鉆井液中，降低固相對鉆井液性能的影響。

1.2 井壁穩(wěn)定

該井水平段為龍馬溪組，為脆性泥頁巖地層，泥頁巖的穩(wěn)定性不僅與起支撐作用的鉆井液密度有關(guān)，而且與鉆井液的成膜封堵性有很大關(guān)系。

采用和該地區(qū)孔隙度相當(dāng)?shù)某?xì)剛性材料與可變形材料開發(fā)出效果良好的封堵劑，該封堵劑能在井筒周圍的泥頁巖表面、微裂縫和孔隙中形成封堵膜，降低鉆井液的濾失量，防止泥頁巖水化剝落，穩(wěn)定井壁。

1.3 井眼清潔

該井水水平段2200m，井眼環(huán)空空隙小，泵壓高，排量受限，加上巖屑自身的重力效應(yīng)，容易在水平段形成巖屑床，引起井下復(fù)雜情況。

配漿開始時(shí)，配制低油水比的油基鉆井液，使體系在鉆井前期具有較好的粘度，能更好的攜帶和懸浮巖屑，保證井眼的清潔；隨著鉆井深度及水平位移的增加，逐步提高油水比，以此保證鉆井液體系的切力不會(huì)過大，而造成開泵困難等問題。

2 配方優(yōu)選與性能評價(jià)

根據(jù)威204H34-3井的地質(zhì)地層情況，在自主開發(fā)的柴油基主輔乳化劑、潤濕劑、降濾失劑、潤濕劑等處理劑的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)開發(fā)出高密度柴油基鉆井液體系。鉆井液配方為：0#柴油+2.5%主乳化劑+1%輔乳化劑+1%潤濕劑+0.8%有機(jī)土+3%CaO+2%降濾失劑+2%封堵劑+ CaCL2鹽水(CaCL2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%)。

2.1 配方優(yōu)選

室內(nèi)配制油水比80∶20和90∶10的鉆井液體系，用重晶石加重至2.1g/cm3，150℃下滾動(dòng)16h，在65℃下測定鉆井液老化后的表觀粘度(AV)、塑性粘度(PV)、動(dòng)切力(YP)、動(dòng)塑比(YP/PV)、靜切力(GEL)、破乳電壓(ES)和高溫高壓濾失量(FLHTHP)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 150℃熱滾后體系的基本性能

從表1中可以看出，該體系在溫度為150℃、油水比80∶20和90∶10時(shí)均具有良好的乳化穩(wěn)定性、較低的濾失量、較好的流變性。

2.2 抗污染性能評價(jià)

隨著鉆井的進(jìn)行，超細(xì)的有害鉆屑會(huì)不斷累積，從而對體系產(chǎn)生不良影響。室內(nèi)選用油水比為8∶2，密度為2.1g/cm3的鉆井液，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組的巖屑粉(過200目篩)，在150℃老化后其性能見表4。

表4 巖屑含量對鉆井液性能影響

表4(續(xù))

由表4可知，隨著巖屑的加入，體系的破乳電壓，表觀粘度、塑性粘度、靜切力、高溫高壓濾失量、泥餅厚度逐漸上升，動(dòng)塑比變化不大。巖屑加量大于8%時(shí)表觀粘度、靜切力、高溫高壓濾失量、泥餅厚度明顯增大，特別是靜切力和泥餅厚度增加明顯。說明該體系巖屑污染極限為8%。

2.3 封堵性能評價(jià)

圖1 鉆井液對不同滲透率砂盤的封堵性

頁巖微裂縫及孔隙的模擬是鉆井液封堵性能評價(jià)的難點(diǎn)，通過查詢文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)采用不同滲透率的人造砂盤來進(jìn)行鉆井液的封堵實(shí)驗(yàn)具有較好的代表性和重復(fù)性。在室內(nèi)分別配制了油水比為8∶2，密度為2.1g/cm3的兩杯油基鉆井液，一杯加入了2%的封堵劑，另一杯不加封堵劑。在 150℃下滾動(dòng)16h，選擇滲透率為400mD、750mD和2D的人造砂盤，用鉆井液封堵測定儀(PPT)測定鉆井液在壓力為3.5MPa、溫度150℃、30min砂盤濾失量(PFL)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出：加入封堵劑的砂盤濾失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未加的。砂盤滲透率越小，砂盤濾失量越小，說明加入封堵劑后體系具有良好的封堵性能。

2.4 沉降穩(wěn)定性評價(jià)

沉降穩(wěn)定性一直是油基鉆井液所面臨的一大難題，尤其是在井底溫度高、地層壓力大的頁巖氣水平井，對高溫穩(wěn)定性的要求更加突出。采用靜態(tài)沉降法來檢測油基鉆井液的沉降穩(wěn)定性，具體實(shí)驗(yàn)方法為：按照配方配制油基鉆井液，在150℃條件下老化16h，高速攪拌20min，倒入高溫老化罐中，充入1.5MPa的氮?dú)猓?50℃下靜置0,24,48,72,96,120h，檢測鉆井液上部和下部密度。

表5 不同靜置時(shí)間下的鉆井液上部和下部密度

由表5中可以看出，所配制的油基鉆井液體系靜置120h，上下密度差僅為0.030g/cm3，由此說明該鉆井液體系在高溫下仍然具有良好的沉降穩(wěn)定性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

威204H34-3井三開采用柴油基鉆井液，施工井段為2801～5555m，A點(diǎn)垂深為3179m，B點(diǎn)垂深3437m，設(shè)計(jì)井深5440m，設(shè)計(jì)水平段井長2200m，實(shí)際完成水平段2315m，目的層為黑色頁巖的龍馬溪組，完鉆井深5555m(垂深3469m)。

表6 威204H34-3井三開井段油基鉆井液性能

威204H34-3井三開井段實(shí)鉆結(jié)果表明，該柴油基鉆井液乳化效果好，破乳電壓高，在三開中后期，破乳電壓穩(wěn)定在1000V以上，性能穩(wěn)定；隨著鉆井的進(jìn)行，體系油水比不斷提高，從而保證體系在整個(gè)鉆進(jìn)過程中均具有較低的表觀粘度、塑性粘度，較高的動(dòng)塑比、靜切力；具有較低、較穩(wěn)定的漏斗黏度，表明體系具有良好的流動(dòng)性能；防塌封堵能力強(qiáng)，濾失量低，井壁穩(wěn)定。平均井徑擴(kuò)大率3%，井眼規(guī)則，鉆井過程中無剝落掉塊現(xiàn)象，下套管和電測順利。

5 結(jié)論

(1)筆者研制出一種高密度柴油基鉆井液體系，在油水比為80∶20和90∶10時(shí)均具有良好的乳化穩(wěn)定性、適宜的粘度和切力、較低的高溫高壓濾失量，能滿足現(xiàn)場的需要。

(2)該體系具有良好的抗巖屑污染能力，抗巖屑污染達(dá)8%。

(3)該體系對不同滲透率砂盤具有很好的封堵性。

(4) 該體系具有良好的高溫沉降穩(wěn)定性。

(5)該體系在威204H34-3井成功應(yīng)用，破乳電壓高，穩(wěn)定性好；流變性滿足攜砂和懸砂要求；高溫高壓濾失量低于3mL，泥餅質(zhì)量好，封堵性強(qiáng)，井壁穩(wěn)定。