強(qiáng)抑制低傷害水基鉆井液在臨興區(qū)塊的應(yīng)用

夏忠躍， 蔣官澄， 范志坤， 賈 佳， 解健程, 沙妮婭

1中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2中國(guó)石油大學(xué)(北京) 3中國(guó)石油青海油田井下作業(yè)公司

0 引言

臨興區(qū)塊屬于鄂爾多斯盆地東緣致密氣藏，位于山西省臨縣和興縣境內(nèi)，橫跨伊陜斜坡和鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶，面積2 620.29 km2，地形破碎，溝壑縱橫。該區(qū)域是中海油重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的非常規(guī)區(qū)塊，鉆井和壓裂數(shù)量逐年增多[1- 2]。目前臨興致密氣區(qū)塊已取得較好的勘探開(kāi)發(fā)效果，但由于地層泥巖砂巖發(fā)育、儲(chǔ)層低孔低滲、水敏性強(qiáng)、孔喉半徑小、鉆完井摩阻扭矩大[3- 4]，存在漏失與坍塌等復(fù)雜層段，導(dǎo)致鉆井風(fēng)險(xiǎn)較高，井壁失穩(wěn)、儲(chǔ)層損害、提速、提效等問(wèn)題都有待進(jìn)一步提高[5- 7]。

為降低臨興區(qū)塊開(kāi)發(fā)成本,提高鉆探效率，在分析現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、儲(chǔ)層特征的基礎(chǔ)上，明確了該區(qū)塊的鉆井技術(shù)難點(diǎn)，研發(fā)并完善了雙疏型強(qiáng)抑制低傷害水基鉆井液體系，在臨興部分區(qū)塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用并取得了顯著效果，為該井區(qū)低成本下的安全高效鉆井提供了可借鑒的方法和經(jīng)驗(yàn)。

1 臨興井區(qū)儲(chǔ)層特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)組成

該區(qū)地層1 500～2 160 m由上到下分別為二疊系上統(tǒng)石千峰組、中統(tǒng)上石盒子組、中統(tǒng)下石盒子組、下統(tǒng)山西組、下統(tǒng)太原組。巖性主要為泥巖、細(xì)—中砂巖、泥質(zhì)砂巖和粉砂巖及其不等厚互層;自2 000 m左右下統(tǒng)地層開(kāi)始出現(xiàn)黑色煤層,2 200 m處為石炭系上統(tǒng)本溪組，其頂部為厚層黑色煤；中部為泥巖和碳質(zhì)泥巖與灰?guī)r、細(xì)砂巖及黑色煤不等厚互層；底部為鋁土質(zhì)泥巖。深度2 265 m處屬于奧陶系中統(tǒng)馬家溝組，巖性為灰質(zhì)白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r。

1.2 儲(chǔ)層基本特征

臨興區(qū)塊屬于鄂爾多斯盆地東緣致密氣藏，儲(chǔ)層孔隙度在0～14.2%范圍內(nèi)分布，平均孔隙度為6.1%左右；儲(chǔ)層滲透率為0.01～25 mD，平均達(dá)0.32 mD，屬于典型的低孔低滲致密砂巖儲(chǔ)層。儲(chǔ)集空間屬微孔-微吼型，孔隙滲透性和孔喉連通性差。黏土礦物成分包括伊利石、高嶺石、綠泥石和伊蒙混層，體積分?jǐn)?shù)在2.1%～44%范圍內(nèi)，平均為14.69%，分布較寬，含量相對(duì)較高，存在中等偏強(qiáng)水敏和應(yīng)力敏感(7.0 MPa)[6]。該區(qū)域儲(chǔ)層井底溫度較低，最高為70 °C。

1.3 鉆井技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施分析

(1)石千峰組和石盒子組泥巖地層井壁垮塌嚴(yán)重，水敏性、周期性、硬脆性和破碎性井塌方式同時(shí)存在，預(yù)防與處理難度大；泥巖水敏性較強(qiáng)，在鉆井液長(zhǎng)期浸泡下容易因水化膨脹不均勻?qū)е戮诳逅糠志文鄮r存在層理和微裂縫，鉆井液濾液侵入地層造成泥巖水化膨脹，加劇了層理和微裂縫的發(fā)展，一旦在起下鉆過(guò)程中濾餅被破壞，破碎巖體會(huì)失去屏障造成垮塌。需加大鉆井液的抑制性和封堵性，減少黏土礦物的水化分散與運(yùn)移，避免井壁坍塌掉塊。

(2)區(qū)塊低孔低滲儲(chǔ)層水敏性強(qiáng)，孔喉半徑小，喉道過(guò)細(xì)，且連通性較差；極易發(fā)生固相顆粒堵塞、毛細(xì)管效應(yīng)和水鎖效應(yīng)進(jìn)而降低儲(chǔ)層滲透率。因此應(yīng)該增強(qiáng)鉆井液封堵性和儲(chǔ)層保護(hù)能力，降低儲(chǔ)層損害。

(3)鉆井摩阻扭矩大，水平段超過(guò) 900 m 以后，易出現(xiàn)托壓、加壓困難等情況，軌跡控制難度加大，安全鉆井風(fēng)險(xiǎn)增加。

(4)井眼縮徑與坍塌嚴(yán)重，砂巖井段厚濾餅、含泥質(zhì)井段易井塌掉塊，導(dǎo)致鉆頭泥包、沉砂卡鉆，造成起下鉆困難、頻繁憋卡，影響井下安全，延長(zhǎng)鉆井時(shí)間。

由此可知，臨興區(qū)塊主要存在井壁失穩(wěn)、儲(chǔ)層傷害和高摩阻等問(wèn)題，需要加強(qiáng)鉆井液的封堵性、抑制性和儲(chǔ)層保護(hù)能力[8]。目前現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能尚無(wú)法完全滿足現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)快鉆井難題，需要對(duì)鉆井液性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，特別是降低鉆井液濾失量、提高濾餅致密性和封堵性，避免鉆井液濾液進(jìn)入井壁微孔縫造成井壁失穩(wěn)；同時(shí)鉆井液要有合適的黏度和切力，提高鉆井液攜巖能力，降低摩阻扭矩，從而穩(wěn)定井壁并防止儲(chǔ)層損害。建議滿足臨興區(qū)塊長(zhǎng)裸眼段的高效能低傷害鉆井液體系關(guān)鍵性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)裸眼段高效能低傷害鉆井液體系核心性能設(shè)計(jì)一覽表

2 強(qiáng)抑制低傷害水基鉆井液

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況和施工難點(diǎn)，以雙疏材料為核心處理劑，建立了一種雙疏型強(qiáng)封堵強(qiáng)抑制低傷害水基鉆井液體系，以解決裸眼復(fù)雜層段的高摩阻、井壁失穩(wěn)、漏失與坍塌和儲(chǔ)層損害等問(wèn)題。

2.1 雙疏材料的制備與性能

以豬籠草口緣區(qū)超雙疏納米晶體的組成和結(jié)構(gòu)為模本，發(fā)現(xiàn)低表面自由能和微納米乳突結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)超雙疏的關(guān)鍵，由此形成了雙疏處理材料研發(fā)思路，使油/水接觸角由小于90°反轉(zhuǎn)為大于90°。雙疏處理劑是在堿性條件下，通過(guò)含氟硅烷和氨丙基硅烷等對(duì)納米二氧化硅顆粒進(jìn)行表面接枝改性制備而成，是尺寸介于50～100 nm之間的納米流體(如圖1)。改性后的納米顆粒表面有許多凹凸不平的粗糙結(jié)構(gòu)，同時(shí)顆粒之間存在著互相連接的枝杈，這是由于表面接枝改性的特殊官能團(tuán)將顆粒連接在了一起[9]。同時(shí)納米顆粒分散較好，無(wú)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，這是由于接枝的全氟辛基使得納米二氧化硅顆粒間位阻增大，相互之間排斥力變大，從而相對(duì)單純的納米二氧化硅具有更好的分散性能。

圖1 雙疏處理劑TEM形貌[6]

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)巖心表面經(jīng)過(guò)3%的雙疏處理劑處理后，巖心表面自由能(表面張力)可由62 mN/m降低到12 mN/m。巖心表面經(jīng)過(guò)0.3%雙疏劑處理后，其表面水相接觸角由34°增大至150°；正十六烷接觸角由0°增大至93.47°，表明雙疏劑能夠改變巖石表面潤(rùn)濕性，使其表面由親液向疏液轉(zhuǎn)變。這是由于雙疏劑可在巖石表面均勻鋪展、形成“乳突”并適當(dāng)提高其表面粗糙度，降低巖石表面自由能。雙疏劑的這種低表面自由能和雙疏特性可使毛細(xì)管吸力反轉(zhuǎn)為毛細(xì)管阻力，阻止井眼中的液相侵入井壁巖石內(nèi)部，有效抑制外來(lái)液相或固相對(duì)巖石表面的污染，降低低滲儲(chǔ)層自吸水鎖效應(yīng)和水堵效應(yīng)，減小低滲儲(chǔ)層的傷害。與此同時(shí)，3%的雙疏劑可以使黏土的線性膨脹高度由5.74 mm降低至1.59 mm，120 ℃頁(yè)巖滾動(dòng)回收率由清水的14.26%提高至78.79%，表現(xiàn)出了較好的抑制性能。

2.2 建立的強(qiáng)抑制低傷害水基鉆井液

2.2.1 常規(guī)性能

基于鉆井液性能設(shè)計(jì)，以雙疏劑為核心處理劑，配套淀粉、白瀝青等降濾失劑，優(yōu)化形成的雙疏體系配方如下：1.0%膨潤(rùn)土+0.3%PAC-LV+0.1%XC+2.5%淀粉+3.0%白瀝青+2.0%碳酸鈣+1.5%雙疏劑+5.0%KCl+38.4 g重晶石。其基本性能如表2所示。

表2 雙疏鉆井液體系性能

由表2可知，該體系濾失量較低，切力足夠，動(dòng)塑比合適，便于攜帶巖屑；頁(yè)巖滾動(dòng)回收率高，抑制性好；同時(shí)高溫高壓濾餅薄而致密，韌性較強(qiáng)，黏附系數(shù)小，有利于降摩減阻。

2.2.2 儲(chǔ)層保護(hù)性能

進(jìn)一步通過(guò)巖心動(dòng)態(tài)污染滲透率恢復(fù)值來(lái)評(píng)價(jià)該體系的儲(chǔ)層保護(hù)效果。具體方法為：將低滲巖心使用現(xiàn)場(chǎng)地層水抽真空飽和24 h后，利用氮?dú)庹蝌?qū)替測(cè)得巖心初始滲透率K1后，再用鉆井液體系對(duì)巖心出口端面進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切損害125 min，再次利用氮?dú)庹蝌?qū)替測(cè)得巖心損害滲透率K2，則損害前后巖心氣測(cè)滲透率比值(K2/K1×100%)即為巖心滲透率恢復(fù)值(表3)。

由表3可知，對(duì)于低滲巖心，經(jīng)過(guò)鉆井液動(dòng)態(tài)損害后在巖心端面形成了一層極薄且致密的封堵帶，通過(guò)射孔完全可以解除封堵，損害前后巖心滲透率恢復(fù)值大于90%，污染小于10%，具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

表3 鉆井液損害前后低滲巖心的滲透率恢復(fù)值

2.2.3 抗污染性能

向鉆井液體系中分別加入10% NaCl和0.5%的CaCl2測(cè)試其抗污染性能，測(cè)試結(jié)果如表4、表5所示。

表4 加入10%NaCl后鉆井液體系性能

表5 加入0.5% CaCl2后鉆井液體系性能

體系中加入10% NaCl后，黏度切力有所上升，但高溫高壓濾失量仍在9.6 mL以內(nèi)，中壓濾失量在2.2 mL以內(nèi)，且濾餅黏附系數(shù)低、薄而致密、柔韌性好。體系中加入0.5%CaCl2后，黏度切力變化不大，高溫高壓濾失量仍在8.8 mL以內(nèi)，中壓濾失量在2.6 mL以內(nèi)，但濾餅黏附系數(shù)略有上升，仍薄而致密，柔韌性好。總體來(lái)看，鉆井液體系抗污染能力較強(qiáng)，可抗鹽10%、抗鈣0.5%。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

2021年至今，雙疏水基鉆井液在鄂爾多斯盆地臨興井區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，效果顯著。該井區(qū)的試驗(yàn)水平井使用雙疏型鉆井液后，造斜段、水平段施工均沒(méi)有出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、垮塌、卡鉆等情況，最長(zhǎng)水平段總進(jìn)尺達(dá)1 170 m。現(xiàn)場(chǎng)水平段鉆井液性能為：密度為1.10～1.23 g/cm3,API失水量為1.5～2.0 mL，塑性黏度為10～15 mPa·s,固相含量為7%～13%,動(dòng)切力為5～8 Pa,膨潤(rùn)土含量為2.5%～3.5%,摩阻系數(shù)為0.1～0.275。

如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)返出巖屑完整性較好，無(wú)水化分散，進(jìn)一步表明雙疏高效能體系封堵性好、抑制性強(qiáng)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)返出巖屑

4 結(jié)論

(1)臨興區(qū)塊泥巖砂巖互層發(fā)育，儲(chǔ)層低孔低滲且水敏性強(qiáng)，孔喉半徑小，水平井裸眼段摩阻大；存在井壁失穩(wěn)、儲(chǔ)層傷害和高摩阻等問(wèn)題，需要加強(qiáng)鉆井液的封堵性、抑制性和儲(chǔ)層保護(hù)能力。

(2)以雙疏材料為核心處理劑，建立了一種雙疏型強(qiáng)抑制低傷害水基鉆井液體系。雙疏劑可將低滲儲(chǔ)層毛細(xì)管吸力反轉(zhuǎn)為阻力，且具有較好的潤(rùn)滑性、抑制性、封堵性能。該體系濾失量較低，濾餅薄而韌，黏附系數(shù)低，頁(yè)巖滾動(dòng)回收率和巖心滲透率恢復(fù)值均大于90%。

(3) 在臨興區(qū)塊成功應(yīng)用雙疏型水基鉆井液，解決了現(xiàn)場(chǎng)井眼反復(fù)垮塌問(wèn)題，確保了施工完鉆。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，雙疏高效能體系性能優(yōu)良，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的潛力。