盐227非常规区块水平井钻井液技术

邱春阳, 赵红香, 刘 伟



盐227非常规区块水平井钻井液技术

邱春阳*, 赵红香, 刘 伟

(胜利石油工程有限公司 钻井工程技术公司, 山东 东营, 257064)

针对盐227区块地层岩性及非常规水平井钻井液技术难点, 优选铝胺强抑制润滑防塌钻井液体系, 该体系抑制性及封堵性好、润滑能力强, 在盐227区块进行了现场应用, 配合相应的维护处理工艺, 解决了大位移井段井壁稳定、井眼净化及润滑防卡的难题, 为加快该区块开发进程奠定了基础.

盐227区块; 非常规; 水平井; 井壁稳定; 井眼净化; 润滑防卡

盐227区块位于东营凹陷北部陡坡带铲式断裂上, 构造相对简单, 呈北东-南西展布的单斜形态, 地层西南低东北高, 地层倾角20°左右, 油藏中深3 432 m, 含油面积1.5 km2, 地质储量270 × 104t. 由于储层埋藏深, 钻井成本高, 常规开发技术效益较差. 为提高区块储量动用程度, 本设计采用长水平段水平井进行开发, 有效动用盐227区块沙四段4～5砂砾岩体特低渗油藏, 大幅度提高了单井产能. 盐227区块下部地层地质构造复杂, 在前期直井和定向井勘探开发中, 使用常规聚磺(润滑)防塌钻井液体系施工, 由于体系的抑制性弱, 封堵造壁性差, 造成施工中井壁失稳严重, 被迫反复划眼, 严重者卡钻, 造成了巨大的经济损失. 为加快该区块的勘探开发进程, 解决大位移井施工中的井壁稳定、井眼净化及润滑防卡问题, 迫切需要研发与之相适宜的钻井液体系.

1 工程概况

盐227区块轨道剖面为直-增-稳-增-平式, 一开采用Ф444.5 mm钻头钻深约200 m, 下入Ф339.7 mm套管; 二开采用Ф311.2 mm钻头钻深约2 300 m, 下入244.5 mm套管; 三开用Ф215.9 mm钻头开钻, 2 600 m左右开始定向, 至井深4 600 m左右完钻, 下入Φ139.7 mm套管完井.

2 钻井液技术难点

该区块地质构造复杂, 施工中自上而下钻遇平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙二段、沙三段和沙四段, 由于地层缺失沙一段, 沙河街组地层埋深较浅, 钻井液施工难度更大, 具体来说, 主要有以下3个方面的技术难点: ①井壁稳定. 沙三段和沙四段砂泥岩互层, 局部地层泥岩微裂缝、层理发育, 井壁失稳严重; 施工中在沙三段进行定向, 定向中上井壁悬空, 仅仅依靠钻井液液柱支撑, 易发生井壁垮塌; 三开裸眼段长达2 400 m以上, 工程施工时间长, 裸眼井段浸泡时间长, 井壁失稳几率增大. ②井眼净化. 设计在2 750 m开始定向, 斜井段及水平段长, 岩屑在上返过程中易沉积在下井壁形成岩屑床, 不易清除, 井眼净化难度大. ③润滑防卡. 沙三段下部砂岩段易形成虚厚泥饼, 造成起下钻阻卡; 定向过程中, 钻具紧贴井壁前进而使摩阻和扭矩增大, 润滑防卡难度大; 岩屑床的形成, 导致摩阻和扭矩更大, 定向中造成“拖压”现象, 更加剧了润滑防卡的难度.

3 钻井液体系研究

3.1 钻井液选择

通过调研国内水平井及大位移井钻井液施工情况[1—7], 针对盐227区块地层特点及施工中的技术难点, 通过优选处理剂, 优化其加量, 形成了适合该区块的铝胺强抑制润滑防塌钻井液, 基本配方如下: 5%～7%膨润土+ 0.4%～0.6%聚丙烯酰胺PAM + 0.5%～1.5%有机胺+1.5%～2.5%纳米乳液+ 1.0%～1.5%聚合铝抑制剂+1.0%～1.5%磺酸盐共聚物降滤失剂+2%～4%磺化酚醛树脂SMP-1 +3%～4%胶乳沥青+2%～4%超细碳酸钙+1%～1.5%硅氟稳定剂+5%～12%原油(斜井段及水平段).

3.2 钻井液作用机理

3.2.1 抑制机理

有机胺分子上含有多个独立的胺基, 可充填在粘土颗粒的晶层之间, 把它们束缚在一起, 有效地减少粘土的吸水倾向, 其抑制作用具有长效性, 抗冲刷能力强, 保证钻井作业结束后也具有长时间的抑制效果[8]; 聚合铝在pH值为9时以液态存在, 渗入地层后与粘土结合形成具有固结作用的硅铝酸盐不渗透层, 阻止滤液侵入; 进入页岩内部后, 与地层中多价阳离子发生化学反应生成沉淀, 增强其在页岩孔喉或微裂缝内的井壁稳定性[9]. 有机胺和聚合铝抑制剂协同作用, 有机胺深入粘土颗粒的内部, 通过“晶层镶嵌”即物理作用抑制粘土的水化, 而聚合铝和粘土端面的硅、铝离子结合, 通过“化学键合”即化学作用抑制粘土的水化膨胀. 二者结合, 分别从粘土的内部和外部去抑制粘土的水化, 抑制作用强.

3.2.2 封堵机理

纳米乳液颗粒尺寸小, 呈正电性, 能更快地吸附在井壁及粘土颗粒表面, 并在其表面形成油膜, 阻止井壁及粘土颗粒的水化, 并能提高钻井液的润滑性; 纳米乳液更容易挤入地层孔隙、层理及微细裂缝中, 起到有效的封堵作用[10]; 胶乳沥青在井底温度作用下, 沥青颗粒相互聚结, 通过分子链与岩石表面进行物理吸附, 在井壁岩石表面形成一层牢固的沥青薄膜, 阻止滤液向地层渗透; 正压差下, 沥青乳液颗粒进入地层的微孔隙和微裂隙中, 配合超细碳酸钙, 封堵地层微孔隙和微裂隙, 稳定井壁[11]. 纳米乳液和沥青复合使用, 能够对尺寸从纳米级以上的裂缝及孔隙进行封堵, 封堵效果好.

4 钻井液体系性能评价

4.1 常规性能评价

钻井液体系常规性能见表1. 由表1可知, 高温老化后, 铝胺强抑制润滑防塌钻井液体系的流变性好; 加重后高温高压滤失量小于10 mL; 摩阻系数低, 表明体系流变性及润滑性好, 能够降低施工中产生的摩阻和扭矩, 满足水平井钻井的需求.

表1 钻井液常规性能

注: 实验条件为150 ℃/16 h. a为10 s时静切力, b为10 min时静切力.

4.2 抑制性能评价

采用岩心膨胀实验和岩屑回收率实验对钻井液的抑制性进行了评价, 结果见表2.

表2 抑制性能评价

注: A—清水; B—常规聚磺钻井液; C—铝胺强抑制润滑防塌钻井液.

表2表明, 铝胺强抑制润滑防塌钻井液体系抑制性强, 16 h岩心膨胀高度为0.73 mm, 远远小于岩心在常规聚磺钻井液体系中的膨胀量; 体系岩屑回收率为91.6%, 高于常规聚磺钻井液的回收率. 表明铝胺强抑制润滑防塌钻井液体系抑制性强, 能够抑制泥页岩的水化膨胀, 保持井壁稳定.

4.3 封堵性能评价

采用中压砂床(砂子直径为40～60目)滤失实验和高温高压砂床(砂子直径为40～60目)滤失实验评价了体系的封堵性能(表3).

表3 封堵性能评价

表3中看出, 加压15 min及60 min, 常规聚磺钻井液中压砂床侵入深度分别为1.8 cm和4.7 cm, 高温高压砂床滤失量为15 mL; 而铝胺强抑制润滑防塌钻井液侵入砂床的深度分别为1.6 cm和2.1 cm, 高温高压砂床滤失量仅为4.8 mL, 说明铝胺强抑制润滑防塌钻井液封堵性能好, 能够在井壁上快速形成屏蔽暂堵层, 封堵地层孔隙、层理及微细裂缝, 保持井壁稳定.

5 现场钻井液施工工艺

5.1 井壁稳定工艺

①加入1.5%聚合铝、1.0%有机胺和2.0%纳米乳液, 提高钻井液的抑制防塌能力, 有效抑制泥页岩水化;

②使用3%胶乳沥青和2%超细碳酸钙, 使之在井壁上形成薄而致密的泥饼, 提高地层的防塌能力;

③严格控制中压滤失量小于3 mL, 高温高压滤失量在10 mL以内, 降低泥页岩的水化趋势;

④加入硅氟类稳定剂, 稳定钻井液性能, 同时提高井壁的稳定性;

⑤直井段密度控制在设计下限, 进入水平段后密度控制在设计上限, 并根据地层压力监测情况实时调整, 保证井壁稳定.

5.2 井眼净化工艺

①保证有足够的泵排量, 增加钻井液环空返速, 使钻井液能够将钻屑充分携带到地面;

②控制钻井液的动塑比在0.4左右, 保证钻井液在环空进行平板型层流, 提高钻井液的携岩效果;

③加强短起下钻措施, 特别是在水平井段, 更要加密短起下钻次数, 扰动并破坏岩屑床; 下钻到底后, 配制150 s以上的稠浆清扫井眼;

④钻进过程中采用定向钻进和复合钻进的方式, 将新形成的岩屑床破除, 降低岩屑床形成的几率.

5.3 润滑防卡工艺

①通过加入胶乳沥青、超细碳酸钙和纳米乳液对地层进行有效封堵, 使钻井液在井壁或近井壁带形成低渗透的泥饼, 阻止液体压力向地层传递, 从而提高井壁的稳定性, 降低粘卡的几率;

②定向过程中保证原油含量在5%～8%, 油基润滑剂的含量在2%左右, 配合乳化剂, 保持钻井液的润滑性; 水平段后, 原油含量不低于12%, 油基润滑剂含量不低于4%, 增强钻井液的润滑性;

③每趟钻起钻前, 用SMP-1、胶乳沥青和油基润滑剂封井, 以提高钻井液的润滑防卡能力;

④在保证高密度钻井液沉降稳定性的前提下, 尽量控制钻井液的粘切, 降低环空压耗, 提高排量, 配合工程上的短程起下钻措施, 避免岩屑床的形成.

6 应用效果

铝胺强抑制润滑防塌钻井液在盐227区块中盐227-2HF井、盐227-3HF井和盐227-5HF井3口井进行了现场应用, 取得了良好的应用效果. 对3口非常规水平井进行统计表明, 平均完钻井深4 650 m, 水平段平均长度为1 800 m, 平均钻井周期73.5 d, 平均机械钻速为6.5 m/h, 施工中井壁稳定, 特别是在水平段钻进过程中, 虽然水平段比较长, 但是钻井液润滑性能好, 携岩能力强, 井眼净化效果好; 施工中摩阻和扭矩小, 无复杂事故发生, 电测顺利, 下套管一次到底.

7 结论和建议

①针对盐227区块非常规水平井钻井液技术难点, 优选出了性能优良的铝胺强抑制润滑防塌钻井液, 给出了钻井液配方及现场钻井液施工技术措施;

②铝胺强抑制润滑防塌钻井液具有抑制、封堵性强及润滑性好等优点, 满足了盐227区块的钻井要求, 解决了沙河街组井壁失稳及长水平段水平井井眼净化及润滑防卡的难题;

③长水平段钻进过程中必须保证钻井液具有良好的流变性, 保证具有足够的携岩能力, 同时需要工程措施给予配合, 及时破坏岩屑床, 这样才能达到井眼净化的效果;

④长水平段施工中必须加入足量的润滑剂, 随钻监测摩阻和扭矩的变化情况, 以便及时补充润滑剂.

[1] 徐同台, 洪培云, 潘世奎. 水平井钻井液与完井液[M]. 北京: 石油工业出版社, 1999.

[2] 张蔚. 北布扎齐油田浅层小井眼短半径开窗侧钻水平井钻井液完井液技术[J]. 新疆石油科技, 2010, 20(1): 24—26.

[3] 邓增库, 左洪国, 夏景刚, 等. 冀东油田水平井钻井液技术[J]. 钻井液与完井液, 2005, 22(4): 72—73.

[4] 万绪新. 水平井钻井液优化的几点思考[J]. 石油钻探技术, 1999, 27(2): 28—29.

[5] 袁立鹤. DF2井水平井钻井完井液技术[J]. 钻井液与完井液, 2008, 25(6): 74—77.

[6] 张民立, 李再均, 张津林, 等. DH1-H3深阶梯水平井钻井液技术[J]. 钻井液与完井液, 2007, 24(4): 85—88.

[7] 陈波, 张杰, 李炀辉, 等. DSF2多底多分支水平井钻井液技术[J]. 钻井液与完井液, 2010, 27(3): 55—59.

[8] 张启根, 陈馥. 国外高性能水基钻井液技术发展现状[J]. 钻井液与完井液, 2007, 24(3): 74—77.

[9] 郭京华, 田凤, 张全明, 等. 铝络合物钾盐强抑制性钻井液的应用[J]. 钻井液与完井液, 2004, 21(3): 23—26.

[10] 王佩平. 聚磺纳米乳液钻井液在临盘街棽棸椂井的应用[J]. 石油地质与工程, 2001, 21(2): 75—77.

[11] 王铁军, 鲍春雷, 王子龙, 等. 聚合物沥青钻井液的性能及其应用[J]. 大庆石油学院学报, 2004, 28(6): 95—98.

The drilling fluid technology of unconventional horizontal well in Yan 227 block

QIU ChunYang, ZHAO HongXiang, LIU Wei

(Drilling Engineer Technology Corporation, Shengli Petroleum Engineer Co LTD, Dongying 257064, China)

According to the petrography character in Yan 227 block and the technology difficulty of horizontal well, aluminium and amine drilling fluid with high inhibition, lubrication and anti-caving ability was researched and developed. The drilling fluid had good inhibition, lubrication property and high formation sealing performance. The drilling fluid was applied in Yan 227 block, and these problems occurred in long horizontal interval of wellbore stability, hole cleaning and lubricating to anti-sticking were solved with the cooperation of wellsite drilling fulid technology and technics. At last, the successfully of drilling laid the foundation for further accelerating the development process in the block.

Yan 227 block; unconventional; horizontal well; borehole stability; hole cleaning; lubrication to anti-caving

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.04.012

TE 254.3

1672-6146(2014)04-0048-04

email: drillingwell@163.com.

2014-02-28

(责任编校:刘刚毅)