樁66 區塊長裸眼防塌鉆井液技術

邱春陽,趙紅香,秦 濤,郝澤君,劉 偉

(中石化勝利石油工程有限公司 鉆井液技術服務中心,山東 東營 257000)

樁66 區塊位于濟陽坳陷沾化凹陷五號樁披覆構造帶,儲層位于沙河街組沙三段,埋深近4 000 m。為完善樁66 單元井網,提高該區塊的井網控制程度,提高油藏采收率,工程上采用定向方式鉆進,定向過程中以增斜-穩斜-降斜-穩斜方式鉆進。 由于該區塊地層巖性特征復雜,上部地層發育較厚,泥頁巖水化分散嚴重;下部沙河街組地層井壁穩定性差,導致施工過程中復雜情況頻發。 通過采用聚胺強抑制潤滑防塌鉆井液體系,配合現場鉆井液維護處理工藝,保證工程的順利施工,為該區塊后續開發提供了技術保障。

1 地質工程概況

樁66 區塊地層自上而下發育平原組、明化鎮組、館陶組、東營組、沙一段和沙三段,中間缺失沙二段。 其中平原組發育近350 m;明化鎮組、館陶組和東營組發育較厚,地層總體厚度發育近3 000 m;沙一段發育近100 m;沙三段發育近700 m。 工程上采用定向方式施工,一開采用Φ444.5 mm 鉆頭鉆進至400 m,下入Φ339.7 mm 表層套管;二開采用Φ215.9 mm 鉆頭鉆進至3 800 m,在井深3 000 m 處開始造斜,最大井斜近15°,下入Φ139.7 mm 油層套管完井。

2 鉆井液施工難點

1)明化鎮組、館陶組和東營組地層總體厚度發育近3 000 m。 地層中黏土礦物含量高,蒙脫石含量達到50%以上,水化膨脹分散特強。 地層中泥頁巖水化后膨脹嚴重,導致縮徑,造成起下鉆遇阻等復雜情況;另外,黏土礦物水化后,侵入到鉆井液中,造成鉆井液體系黏切劇增,流變性惡化。 由于使用的聚合物潤滑防塌鉆井液體系和地層不匹配,前期已完鉆8 口井施工過程中鉆井液體系黏切劇增,流變性惡化,被迫多次放掉鉆井液,造成巨大的經濟損失;有5 口井在起下鉆過程中多次遭遇阻卡,被迫反復劃眼,嚴重滯緩施工進程。

2)沙河街組沙一段和沙三段之間存在不整合面,不整合面地層破碎,施工中易發生破碎性坍塌;沙三段地層中層理及微細裂縫發育,鉆頭破開地層后,鉆井液濾液在壓差作用下滲透到層理和微細裂縫中,導致其中膠結的黏土礦物水化,在鉆具碰撞及起下鉆等激動壓力下造成坍塌。 前期施工過程中,使用的聚合物潤滑防塌鉆井液體系封堵性薄弱,有6 口井發生井壁失穩,特別是在斜井段井壁失穩更加嚴重。 電測后,井徑擴大率最大值達到45%,嚴重影響固井質量。

3)儲層巖性以長石石英砂為主,含量達到75%。 儲層中黏土礦物平均含量為6.9%,其中伊利石含量較高,為55% ~87%,其次是綠泥石和高嶺石,伊蒙間層在9% ~45%,孔隙度平均為14.2%,滲透率為1.19 ×10-3μm2,屬于特低滲油藏。 前期使用的聚合物潤滑防塌鉆井液體系抑制性及封堵能力差,導致鉆井液濾液滲入地層,儲層污染嚴重。

3 鉆井液體系研究

3.1 鉆井液體系要求

1)強效抑制,使用的鉆井液體系抑制性強,能夠抑制明化鎮組、館陶組和東營組大段地層中黏土礦物的水化,防止其膨脹分散;能夠抑制沙河街地層中泥頁巖的水化,保護井壁穩定及防止儲層污染。

2)封堵性強,鉆井液體系能夠在井壁上形成致密泥餅,有效封堵沙河街地層層理及微細裂縫,防止鉆井液濾液侵入地層,防止井壁失穩及保護儲層。

3)潤滑性好,該區塊定向井水平位移只有100 m,為短半徑定向井,設計顯示在增斜及降斜過程中會形成兩個“狗腿度”,因此要求鉆井液體系潤滑性好,降低定向過程中形成的摩阻和扭矩,保證定向施工順暢。

4)流變性好,該區塊儲層溫度達到160 ℃,要求鉆井液體系流變性好,抗溫性強,能夠在高溫下具有良好的懸浮攜帶能力,將定向過程中產生的巖屑攜帶出井眼,防止產生巖屑床。

3.2 鉆井液體系配方

通過調研國內水平井及大位移井鉆井液施工情況[1-5],針對樁66 區塊地層巖性和施工中的技術難點,通過處理劑優選及加量優化,形成了聚胺強抑制潤滑防塌鉆井液體系,基本配方:

(4 ~5)%膨潤土+(0.1 ~0.25)%燒堿NaOH +(0.15 ~0.50)%聚丙烯酰胺PAM +(0.5 ~1.5)%聚胺抑制劑+(2.0 ~5.0)%磺化酚醛樹脂SMP-1 + (1.5 ~3.0)%復合鹽水降濾失劑+ (2.0 ~4.0)%多級配封堵劑+(1.5 ~3.5)%形變封堵劑+(2.0 ~5.0)%聚合醇潤滑防塌劑

3.3 鉆井液體系作用機理分析

聚胺抑制劑能夠與黏土礦物表面硅氧烷基形成氫鍵,在黏土礦物顆粒表面吸附并覆蓋在其表面,使黏土礦物顆粒表面親水性減弱,疏水性增強,阻止水分子在黏土礦物顆粒表面吸附,抑制其表面水化。聚胺小分子能夠進入黏土礦物層間,置換出無機陽離子,降低黏土顆粒的電動電位。 在靜電引力和氫鍵共同作用降低黏土礦物層間水化斥力,并排擠出層間部分吸附水,進一步抑制其滲透水化[6]。

多級配封堵劑[7-8]由納米至微米級的剛性粒子組成,能夠對地層納米級孔隙進行封堵;形變封堵劑在壓力作用下能夠變形,對不同形狀及不同直徑大小的孔隙和微細裂縫進行封堵,防止鉆井液濾液滲入地層,達到穩定井壁及保護儲層的目的。

聚合醇具有“濁點”效應,當地層溫度低于濁點溫度時,聚合醇吸附在鉆具和固體顆粒表面形成憎水膜,阻止泥頁巖水化分散,并改善潤滑性,防止鉆頭泥包。 當地層溫度高于其濁點溫度時,聚合醇從鉆井液中析出,黏附在鉆具和井壁上,封堵巖石孔隙,阻止濾液滲入地層,實現穩定井壁的作用[9]。

4 現場應用

4.1 現場鉆井液施工工藝

聚胺強抑制潤滑防塌鉆井液體系在樁66 區塊12 口井進行了現場應用,現場鉆井液施工工藝如下:

1)一開采用膨潤土漿鉆進,工程上保證大排量,鉆完進尺后,用低黏羧甲基纖維素LV-CMC 配制漏斗黏度為60 ~80 s 的稠漿凈化井眼,保證表層套管順利下到位。

2)二開先用一開完井井漿鉆水泥塞,放掉被水泥污染的鉆井液;開動四級固控設備,去除鉆井液體系中的劣質固相,調整膨潤土含量至45 g/L 左右;加入1.5%聚胺抑制劑和2%聚合醇潤滑防塌劑,保證鉆井液體系的抑制性和潤滑性;加入磺化酚醛樹脂SMP-1、復合鹽水降濾失劑和多級配封堵劑,將鉆井液體系的中壓濾失量控制在8 mL 左右,性能調控好后開始鉆進。

3)鉆進過程中配制聚合物膠液維護鉆井液性能,聚合物膠液濃度保持在0.4%,使其能夠有效包被巖屑;定期補充聚胺抑制劑,強化鉆井液體系的抑制性,抑制地層中黏土礦物水化膨脹。 進入沙河街組,地層中黏土礦物含量降低,抑制劑的含量隨之降低,聚合物PAM 含量控制在0.25%,聚胺抑制劑的含量控制在1.0%,保證鉆井液體系的抑制性。

4)上部地層壓實性差,孔隙度大,加入粒徑為800 ~1 500 目的多級配封堵劑,封堵地層孔隙和裂縫;隨著地層埋深逐漸增加,地層孔隙度逐漸減小,多級配封堵劑顆粒粒徑隨之降低。 進入沙河街組,一次性加入3%顆粒粒徑為3 000 ~5 000 目的多級配封堵劑和2%形變封堵劑,封堵地層不同大小及不同形狀的孔隙和微細裂縫,防止鉆井液濾液侵入地層,保證井壁穩定。

5)上部地層鉆進過程中,鉆井液體系的漏斗黏度保持在40 ~ 45 s 之間,工程上保證排量在30 L/s 以上,提高環空鉆井液的上返速度,增強鉆井液流體的沖刷能力,讓井徑適當擴大,防止發生起下鉆遇阻等復雜情況;進入沙河街組,鉆井液漏斗黏度提高至55 ~65 s 之間,增強鉆井液體系的懸浮攜帶能力,降低環空流體對井壁的沖刷。

6)合理控制鉆井液體系的濾失量,鉆進中逐漸加入磺化酚醛樹脂SMP-1 和復合鹽水降濾失劑,逐漸降低鉆井液濾失量,至東營組底部,中壓濾失量控制在5 mL 以內。 進入沙河街組,加入磺化酚醛樹脂SMP-1,控制鉆井液體系的高溫高壓濾失量低于12 mL,防止泥頁巖水化;進入目的層,繼續加入磺化酚醛樹脂SMP-1,高溫高壓濾失量控制在10 mL 以內,防止儲層污染。

7)保證鉆井液體系的潤滑性不但對于斜井段鉆進至關重要,對于直井大段泥頁巖的鉆進也尤為重要。 明化鎮組底部,一次性加入1.5%聚合醇潤滑防塌劑,保證鉆井液體系的潤滑性;館陶組底部,一次性加入1.0%聚合醇潤滑防塌劑,增強鉆井液體系的潤滑性,防止泥包鉆頭及起下鉆遇阻等復雜情況發生;定向前,繼續加入2.0%聚合醇潤滑防塌劑,并在定向過程中不斷補充,保證定向施工順暢。

8)合理使用固控設備,上部地層造漿性強,開動四級固控設備,去除鉆井液中的劣質固相,特別是去除低密度黏土固相,保證鉆井液流變性穩定;鉆井液密度提高后,間斷開動離心機,即當劣質固相含量增加時,及時開動離心機,后面補充預水化重鉆井液,保持鉆井液密度穩定,防止發生復雜情況。

9)工程上密切配合,上部大段泥頁巖造漿地層鉆進時,每鉆進300 m 進行短起下鉆一次,刮掉吸附在井壁上的虛厚泥餅,暢通井眼;定向前,進行一次長起下鉆,下鉆到底后,配制稠漿泵入井中,凈化井眼;定向過程中,時刻監測摩阻和扭矩的變化,并適當倒劃眼,修復井眼,保證定向軌跡平滑。

10)完鉆后,下通井鉆具通井,配制漏斗黏度為85 s 的稠漿凈化井眼;待振動篩沒有返砂后,配制潤滑封井漿封閉井底2 000 m 裸眼井段,封井漿配方:井漿+2%磺化酚醛樹脂SMP-1 +1.5%聚合醇潤滑防塌劑,保證后續完井作業順利。

4.2 現場應用效果

1)抑制性強,解決了上部近3 000 m 強水敏地層鉆進過程中易發生的起下鉆遇阻等復雜情況;鉆進過程中井壁穩定,起下鉆暢通無阻。

2)封堵性好,解決了沙河街地層層理及微細裂縫發育導致的井壁失穩難題;施工中井壁穩定,特別是定向過程順暢,無掉塊出現。

3)井身質量好,應用聚胺強抑制潤滑防塌鉆井液體系施工的12 口井井身質量好,二開井段平均井徑擴大率為8.92%,目的層井段平均井徑擴大率僅為3.81%,儲層保護性好。

4)機械鉆速高,應用聚胺強抑制潤滑防塌鉆井液體系施工的12 口井全井平均機械鉆速高,較應用前(見表1)平均值提高了21.81%,達到了優快鉆井的良好效果。

表1 體系應用前后鉆完井時效

5 結論和建議

1)通過樁66 區塊地層巖性和施工難點分析,優選了聚胺強抑制潤滑防塌鉆井液體系,體系應用12口井,施工中井壁穩定性好,井身質量好,機械鉆速高。

2)樁66 區塊上部地層發育大段強水敏泥頁巖地層,施工中必須強化鉆井液體系的抑制性,開動四級固控設備,凈化鉆井液體系,保證鉆井液體系的流變性。

3)樁66 區塊沙河街組層理及微細裂縫發育,必須保證鉆井液體系的封堵性,保證鉆井液體系能夠在近井壁地層形成薄而致密的泥餅,有效封堵地層,保證井壁穩定并保護儲層。