胜利油田页岩油水平井钻井液技术.pdf

第 3 4卷 第 5 期 2 0 1 2年 9月 石 油 钻 采 工 艺 o I L DRI L LI NG PR ODUCTI oN TECH No LoGY Vo 1 ． 3 4 NO． 5 S e p t ．2 01 2 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 2 0 5 0 0 4 5 0 4 胜 利油 田页岩油水 平井钻 井液技术 唐代绪 侯业贵 1 ． 中国石化集团 国际石 油勘探 开发有 限公 司， 北京 高 杨 明 玉广 赵怀珍 1 0 0 0 2 9 ；2 ． 胜利石油管理局钻井工艺研 究院， 山东东营2 5 7 0 1 7 引用格式唐代绪， 侯业贵， 高杨， 等 ． 胜利油田页岩油水平井钻井液技术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 5 4 5 4 8 ． 摘要胜利油田在罗家地区部署多口页岩油水平井。页岩与常规砂岩储层不同， 页岩 中含有膨胀矿物且微裂缝发育， 当钻 井液进入地层后 ， 与黏土矿物、 微裂缝发生综合作用， 井壁极易不稳定。因此， 对于页岩油水平井， 井壁稳定是其施工主要难点。 在对胜利油田罗家地区页岩矿物成分和裂缝分布情况分析的基础上， 开展 了钻井液井壁稳定性评价实验 ， 证明了油基钻井液更 有 利于 页岩 井壁稳定 。通过钻 井液体 系优选研 究， 确定 了油基钻 井液 配方。渤页平 l井现场试验证 实该体 系能够满足胜利油 田页岩 油水平 井钻 井施工 需要。 关键词 井壁稳定；油基钻井液；流变性；封堵 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A Dr i l l i n g flui d s t ud y o n ho r i z o n t a l we l l s f o r s h a l e o i l r e s e r v o i r s i n Sh e n g l i Oi l fie l d T A NGD a i x u ， H O UY e g u i 2 ，G A OY a n g 2，MI NGY u g u a n g ， Z H A O I - ha i z h e n 1 S i n o p e c I n t e r n a t i o n a f P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d P r o d u c t i o n C o r p o r a t i o n ， B e i i n g 1 0 0 0 2 9 ， C h i n a ； 2 Dr i l l i n g T e c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e ， S h e n gl i Pe tr o l e u m Ad mi n i s t r a t i v e Bu r e a u ， Do n g y i n g 2 5 7 01 7 ， Ch i n a Ab s t r a c t S h e n g l i O i l f e l d d e p l o y e d s e v e r a l h o ri z o n t a l w e l l s f o r s h a l e o i l i n L u o j i a a r e a ． T h e r e a r e s o me d i f f e r e n c e s b e t we e n s h a l e a n d o r d i n a r y s a n d s t o n e f o r m a t i o n s ， f o r e x a mp l e ， t h e s h a l e h a s a b u n d a n t s we l l i n g mi n e r a l s a n d d e v e l o p e d mi c r o c r a c k s ． Af t e r e n t e r i n g t h e f o r ma t i on ，t he dr i l l i ng flui d wi l l g e ne r a t e c o mpr e h e ns i ve e f f e c t wi t h c l a y mi n e r a l s a n d mi c r o c r a c ks ，l e a di ng t o we l l bo r e e x t r e me l y u n s t a b i l i z e d ． Th e r e f o r e ， fo r s h a l e o i l h o r i z o n t a l we l l s ， h o l e s t a b i l i t y i s v e r y i mp o r t a n t ． Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o n s h a l e fra c t u r e d i s t r i b u t i o n a n d mi n e r a l c o mp o s i t i o n i n S h e n g l i L u o j i a a r e a ， e v a l u a t i o n e x p e r i me n t s f o r d r i l l i n g fl u i d h o l e s t a b i l i ty h a v e b e e n c o n d u c t e d ， w h i c h p r o v e d t h e s h a l e h o l e s t a b i l i t y b e n e fi t f r o m o i l b a s e d d r i l l i n g fl u i d ． T h i s r e s e a r c h h a s c o n fi rm e d t h e s h a l e o i l h o riz o n t a l we l l d r i l l i n g fl u i d s y s t e ms b y me a n s o f o p t i mi z a t i o n s t u d y ． Us e d i n Bo Ye H 1 we l l s u c c e s s f ul l y , t h i s s y s t e m i s p r o v e d t o me e t t h e d ri l l i n g c o n s t r u c t i o n n e e d o f d ril l i n g o r i z o n t a l we l l s f o r S h e n g l i s h a l e o i l f o rm a t i o n ． Ke y wo r d s h o l e s t a b i l i ty； o i l b a s e d d r i l l i n g fl u i d ； r h e o l o g y b e h a v i o r ； p l u g g i n g 胜利 油 田泥质 岩地 层含 油气 发现 于 2 0世纪 6 0年 代初 期 ， 直 到 近 年 才展 示 了盆 地 内泥质 岩 地层 含油气 潜力 。从 前期 勘探情 况分 析 ， 胜 利油 田页 岩 油 气 藏 具 有 巨大 的勘 探 潜 力 ， 埋 藏 深 度 在 3 5 0 0 m 以 内。随 着勘 探技 术 的不 断 发展 和 对 油气 成 藏条 件 、 控制 因素 、 分 布 规律 的深入 研 究 ， 极 有 可 能 发 现 中 、 大 型 页 岩 油 气 藏 ， 页 岩 油 气 藏 将 会是 胜 利 油 田增加 油 气储 量 的重要 方 向 之 一 。 l 页岩地质特征及钻井液难点分析 对 胜利油 田罗家地 区某井 的页岩井段进行 了 全岩矿物 、 黏土矿物含量分析 、 岩石样品扫描电镜分 析 ， 分析结果见表 1 、 表 2 、 表 3 。 作者简介唐代绪， 1 9 6 9 年生。1 9 9 3 年毕业于西南石油学院钻井工程专业， 1 9 9 6年获得西南石油学院钻井工程专业工学硕士学位， 现 在 中国石化集 团国际石 油勘探 开发 有限公 司工程部 工作 ， 主要从事钻 井技 术研 究和钻井工程 管理 工作 ， 高级工程师。 电话 0 1 0 6 9 1 6 5 3 6 8 。E ma i l d x t a n g ． s i p c s i n o p e c ． t o m。 石油钻采工艺 2 0 1 2年 9月 第 3 4卷 第 5 期 表 1 全岩矿物组分含量 黏土矿物组分相对含量 ／ ％ 井深 层位 石 高岭石 绿泥石 混 层 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯混 层 比 沙三 层 间可见 1 ～ 3 g m微孔分布 沙三 有 少量 2 ～ 7 g m 微孔分布 沙三 层理 结构 ， 伊利石沿层 理方向定 向排列 沙三 层 间可见 3 ～ 4岬 微缝不均 匀分布 沙三 层 间可见 3 4 m微缝不均 匀分布 沙三 层 间可见 3 4岬 微缝不均 匀分布 沙三 伊利石沿层 理方向定 向排列 沙三 2 ～ 4 g m 微孔和缝 分布较 多 沙三 可见 1 ～ 3 g m 层 间缝 沙三 微孔较发育 ， 大小 4 ～ 9岫 根据分 析 ， 储层 岩石类 型主要 为 ， 储层 黏土矿 物含量较 高 ， 同时储层微裂隙和层理发育。当普通 水基钻井液与这类岩石接触 时， 钻井液滤液在 毛细 管压力作 用下 ， 沿层理 、 裂缝而侵入地层 内部 ， 增大 了钻井液与地层 的接触面积 ， 加速 了地层 中黏土矿 物 的水化作用。此外 ， 当岩石 中的黏土矿物遇水后 吸水膨胀速率相差很大 ， 所产生的膨胀压力亦相差 很 大 ， 因而地层 受力不均 ， 这 种力超过地层水化后 的强度时 ， 地 层就会沿层理 、 裂缝 的断面发生 剥落 坍塌 4 ] 。因此 ， 井壁稳定难题是页岩油水平井钻井 液施工 的主要难点。 2 钻井液体系优选 为了选择更有利于胜利油田页岩地层井壁稳定 的钻井液体系 ， 选择了罗家地 区页岩井段岩心， 分别 使用油基钻井液和强抑制水基钻井液进行 了井壁稳 定对 比实验 。通过实验对 比， 证实油基钻井液更有 利于泥页岩的井壁稳定。 2 ． 1 声波传递速度测试实验 实验使用美 国岩心公 司 C WT 2 0 0 0声波传递速 度测试仪 ， 分别使用清水 、 地层水 、 柴油基钻井液 、 胺 基钻井液浸泡页岩井段岩块 ， 测定声波在岩块 中的 传递速度 ， 利用传递速度的变化分析岩块受各种流 体浸泡后的强度变化情况 。 根据表 4实验结果 ， 胺基钻井液 、 油基钻井液浸 泡后 的岩块 的声波传递速度降低率显著低于清水和 地层水浸泡后岩块的传递速度降低率。由于岩石的 强度和声 波传递速度成正比， 因此根据实验结果 可 以判断油基钻井液浸泡对岩石的强度影响最小。 表 4 不同时长声波传递实验结果 2 ． 2 岩屑 回收率实验 由于地层含有一定的膨胀矿物 ， 因此要求钻井 液具有较好的抑制能力。采用岩屑回收率实验评价 钻井液体系 的抑制性能 ， 所用 的岩屑为胜利油 田罗 家地区某井页岩井段的岩屑。 热滚 条件 1 2 0℃ 1 6 h 。该岩屑 的清水 回收 率达到 7 2 ． 4 ％， 说明该地层岩屑不易水化分散 ， 从实 验结果看 ， 油基钻井液的回收率高于胺基钻井液 回收 率。结果见表 5 。 表 5 岩屑回收率实验结果 2 ． 3 封堵性评价实验 根据胜 利油 田页岩井段地 质特征分 析 该 区 块页岩地层微裂缝发育 ， 需要提高钻井液 的封堵性 。 对于提高钻井液 的封堵性 ， 不能仅靠某一粒径 的封 堵材料 ， 必须综合选用多种粒径 ， 不同封堵原理的材 料 进行搭配。因此油基钻井液 的封堵材料 选用刚 3 2 5 3 3 0 0 O 5 7 8 4 7 7 7 8 2 9 7 8 3 6 2 9 0 5 6 O 2 8 4 4 7 9 O O 0 4 8 4 2 2 2 2 3 3 3 3 3 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 唐代绪等胜利油田页岩油水平井钻井液技术 4 7 性 、 柔性和树脂类成膜封堵材料相结合 ， 协同解决页 岩的井壁掉块和坍塌问题。实验采用井壁稳定测试 装置对水基钻井液和油基钻井液进行了压力传递实 验 ， 实验结果见图 1 、 图 2 。 时间m 图 1 水基钻 井液压力传递 曲线 图 2油 基 钻 井 液 压 力 传 递 曲 线 根据实验结果 ， 油基钻井液上下有压力差基本 保持不变 ， 说明油基钻井液具有 良好的封堵性能 ， 能 够有效地封堵微裂缝 ， 有利于井壁稳定 。 2 ． 4 动滤失实验 实验条件 温度 1 2 0℃， 剪切速率 0 ． 7 7 m／ s ， 压 差 3 ． 5 MP a ， 围压 6 ． 0 MP a 。实验结果见表 6 。 表 6 动滤失实验结果 根据动滤失实验结果 ， 油基钻井液 的动滤失较 小 ， 这会大大减少长时间浸泡后进人地层 的钻井液 滤液总量 ， 有利于井壁稳定。 2 ． 5 钻井液体系优选结论 与水基钻井液相 比， 油基钻井 液有利 于保持井 壁稳定 ， 因此推荐采用油基钻井液体系。如果配合 回收利用技术， 可以降低区块钻井采用油基钻井液 的费 用 。 3 油基钻井液配方研究 根据实验研究 ， 确定 了油基钻井液 配方 0号 柴 油 2 0 ％Ca C 1 ， 溶 液 油 水 比 8 0 2 0 3 ％ 主 乳 化 剂 2 ％ 辅 乳 化 剂 2 ％ 润 湿 剂 4 ％ 有 机 土 3 ％ 降滤 失 剂 2 ％ Ca O 0 ． 5 ％ 提切 剂 。其 常 规 性能见表 7 。 表 7 钻井液常规性能 热滚条件P V ／ mP a S Y P ／ P a 6 ／ 3 凡 A P I／ mL ／ v 滚前 3 7 8 ． 5 1 1 ／ 9 2 ．0 8 2 4 滚 后 3 5 8 1 0 ／ 9 1 ． 8 7 9 5 3 ． 1 油基钻井液抗污染评价 在确定油基钻井液配方后 ， 针对钻井液可能受 到 的污染分别 进行 了抗 劣质土 、 抗盐 、 抗 水污染实 验 ， 其结果见表 8 ～ 1 0 。根据实验结果 ， 该配方具有较 好的抗污染能力。 表 8 抗劣质土污染实验结 果 劣质 土加量 ／ ％ P V ／ P a ‘ S Y P ／ P a 6 ／ 妒 3 F L ／ L E s ／ V Na C l 加 量 ／ ％ PV ／ mP a ‘ S P a 咖 6 ／ 咖 3 F L A P l ／ L ／ V 3 ． 2 油基钻井液流变性调控实验 由于页岩油水平井水平段较长 ， 对钻井液的动 态携砂能力 和静态悬砂能力要求较高 ， 钻井液性能 的好坏直接影响钻井效率。见表 1 1 。通过实验 ， 优 选了相配套 的流型调节剂 提切剂 ， 进一步增强 了 油基钻井液的动态携砂能力和静态悬砂能力， 能够 较好地满足长水平段水平井对钻井液携岩和井眼清 洁能力的需要 J 。 表 1 1 流变性调控 实验结果 注老化条件 1 2 0℃ 1 6 h ， 测试温度 5 0℃。 通过加入 提切剂 ， 可提 高油基钻井液 6转 和 3 转读数 ， 同时保持一定低剪切速率下的黏度 ， 以提高 4 8 石油钻采工艺 2 0 1 2年 9月 第 3 4卷 第 5期 岩屑携带和悬浮能力 ， 防止停泵时形成岩屑床 。 3 ． 3 油基钻井液高温高压流变性实验 油基钻井液 的高温高压流变性 测试采用 由美 国 G r a c e 仪器公司制造的 M7 5 0 0型超高温高压流变 仪 ， 测定条件分别为 3 0℃ ／ 常压 、 6 0 c c／ 3 0 MP a 、 9 0 ℃／ 4 0 MP a 、 1 2 0。 【 二 ／ 5 0 MP a 、 1 5 0 ／ 5 0 MP a ， 实验结 果如图 3 所示。 7 0 6 O 5 O 4 0 纠 3 0 2 O l 0 0 剪切速率／ s 图3 油基钻井液高温高压流变性曲线 3 ． 3 ． 1 温度 对流 变曲线 的影响在一 定剪切速 率 下， 随着温度的升高， 剪切应力降低。当温度升至 1 5 0 o C 时， 剪切应力随温度的升高降低幅度减小， 在 1 5 0℃时， 油基钻井液仍有一定 的剪切应力。 从流变曲线上来看 ， 当温度为 3 0℃时 ， 油基钻 井液属于典型的塑性流体 ， 可以用宾汉模式来描述 ； 当温度在 6 0 ～ 1 5 0 o C 范 围内， 油基钻井液接近于假塑 性流体 ， 可以用宾汉模式或幂律模式来描述 。 3 ． 3 ． 2 温度 对流 变参数 的影响 运用 O r i g i n 7 ． 5软 件对图3中油基钻井液高温高压流变曲线按照宾汉 模式进行拟合 ， 拟合结果如图 4所示。 温 度 ／ ℃ 图4 温度对油基钻井液流变参数的影响 由图 4可以看出， 随着温度的升高 ， 表观黏度和 塑性 黏度均呈减小的趋势 ， 这是 因为一方 面温度 的 升高造成液相黏度的降低， 另一方面处理剂对固相 颗粒 的吸附、 成网和絮凝作用随温度 的升高而降低。 而动切力随着温度的升高而升高 ， 可能是在 高温条 件下乳化剂在有机土颗粒的表面吸附能力逐渐降 低 ， 造成有机土颗粒的高温分散作用增强。 4 现场应用及效果 渤页平 1 井是中石化集团公司部署在济阳坳陷 沾化凹陷罗家鼻状构造带的第 1口深层页岩油开发 水平井 ， 也是胜利油 田第 1 次针对非常规页岩油气藏 采用长水平段开发的重点施工井 。该井采用三开井 身结构 ， 完钻井深 4 3 3 5 ． 5 4 m， 垂深 2 9 6 9 ． 7 5 m， 水平 段长 1 1 7 4 ． 0 5 m。在三开施工过程中采用室内研究 的油基钻井液体系成功解决了页岩井壁稳定难题， 在钻井施工过程中未出现任何复杂事故 ， 电测井段 的井 眼扩大率控制在 3 ％ 以内， 井壁稳定效果显著。 同时解决 了长水平 井的润滑和摩阻难题 ， 三开水平 井段钻进过程 中摩阻 6 ～ 7 t 、 平均扭矩小于 1 2 k N m。 5 结论及认识 1 通过分析胜利油 田页岩储层特征 ， 储层岩石 类 型主要 为泥质岩类 ， 要求钻 井液有较强 抑制性 ； 同时储层微裂缝发育 ， 极易造成井壁不稳定 ， 要求钻 井液有强封堵能力。 2 为了选择更有利于胜利油 田页岩地层井壁稳 定的钻井液体系 ， 分别使用油基钻井液和强抑制水 基钻井液进行了声波传递速度测试实验、 封堵实验、 动失水实验 、 岩屑回收率实验等 ， 通过实验证实油基 钻井液更有利于页岩井壁稳定。 3 渤页平 1 井现场试验证 明油基钻井液有利于 解决页岩地层井壁稳定难题， 为了扩大油基钻井液的 应用范围， 建议对油基钻井液回收再利用 ， 同时开展低 毒基液研究， 进一步降低油基钻井液成本和环保影响。 参考文献 l 1 j A T T I A M， E L S OR A F Y W．Ne w e n g i n e e r e d a p p r o a c h t o r e p l a c e o i l b a s e d d r i l l i n g fl u i d s wi t h h i g h p e r f o r m a n c e wa t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d s i n me d i t e r r a n e a n s e a[ R]． S P E 1 2 7 8 2 6 ， 2 0 1 0 ． [ 2] 王建华 ， 鄢捷 年， 苏山林 ． 硬脆性 泥 页岩 井壁稳 定评价 新方法 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 6 ， 2 8 2 2 8 ． 3 0 ． [ 3] 李炎军， 萧林， 黄熠 ． 井壁稳定技术在涠洲 1 1 - 1 油田的 应用 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 7 ， 2 9 6 1 9 2 1 ． [ 4] 刘晓栋， 王宇宾， 宋有胜， 等 ． 活性泥页岩快速钻井钻井 液技术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 1 ， 3 3 2 5 6 6 1 ． [ 5 ] 崔思华， 班凡生， 袁光杰， 等 ． 页岩气钻完井技术现状及 难点分析 [ J ]． 天然气工业， 2 0 1 1 ， 3 1 4 7 2 7 5 ． [ 6 ] 赵正尧 ． 低毒性油基钻井液的使用[ J ] ． 石油钻采工艺， 1 9 9 8。 2 0 2 7 3 8 3 ． 收稿 日期2 0 1 2 - 0 6 1 0 [ 编辑薛改珍 ]