抗高温强抑制性钻井液体系的研究与应用.pdf

第 2 9卷 2 0 1 2丘 第 6期 1 1月 钻井液与完井液 DRI L LI NG F L UI D ＆ COM P L ETI ON F LUI D V．o 1 ． 2 9 No． 6 NO v ．2 0 1 2 【 理论研究与应用技术 】 抗高温强抑制性钻井液体系的研究与应用 彭春耀 ， 樊洪海 ， 冯文强 ， 闻宝栋 1 ． 中国石油大学石油工程教育部重点实验室 ，北京 ； 2 ． 长城钻探工程有限公司钻井液公司，北京 ； 3 ． 大港油田公司工程造价中心，天津 彭春耀等 ． 抗高温强抑制性钻井液体系的研究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 6 3 1 3 4 ． 摘要 印尼J A B UNG油田的 G u ma i 泥页岩地层水敏性极强，因井壁失稳造成的井眼事故频繁发生。通过选用 新型抗高温聚合物包被抑制剂 G WT E MP 、沥青类抗高温降滤失封堵剂GWT E X，并引入油基钻井液用降滤失封堵 剂 G S L 黑色液态褐煤乳液 等高效处理剂，构建 了满足 J A B U NG油田钻井需要的KC I ． G WT E MP强抑制性钻井 液体系，其 中G WT E MP抗温在 2 0 5 c C以上，抗盐达饱和，分子量较其他聚合物包被剂分子量低，易溶于水。室 内实验和现场试验均证明，该钻井液具有良好的流变性、降滤失性、封堵和抑制性能，能保持井壁稳定 ； 极压润 滑系数在 0 ． 0 5以下 ，可很大程度地减少高扭矩和压差卡钻等 的发 生； 试验 井井眼规 则，电测井径扩大率仅为 3 ． 1 4 ％。 关键词 K C 1 聚合物强抑制性钻井液 ； 高温 ； 井眼稳定 ； 包被抑制剂 ； 降滤失封堵剂 ； J AB U NG油田 中图分类号T E 2 5 4 - 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 ， 5 6 2 0 2 0 1 2 0 6 ． 0 0 3 1 - 0 4 J AB U NG区块位于印度尼西亚苏门达腊岛的南 部 ，地质构造复杂 ，主要特点是断层多 、地层破碎 ， 微裂缝发育 ，尤其是 G u ma i 泥页岩地层 ，水敏性极 强 ，因井壁失稳造成 的井眼事故率居高不下 ，钻井 过程中 ，极易发生井壁坍塌 、漏失等复杂情况 以及 卡钻 、电测无法到底 等恶性事故 。该 区块 已钻井分 别使用过 K C 1 ． P H P A、硅酸盐等多种强抑制性水基 钻井液 ，但现场应用效果并不理想 ，钻井过程 中的 井壁失稳现象仍频繁发生。因此开发强抑制性、强 封堵性 的水基钻井液具有十分重要的战略意义 。 1 Gu ma i 地层 泥 页岩分析 1 ． 1 泥页岩黏土矿物组成分析 从 x射线衍射分析结果看出 ，G u ma i 泥页岩 中 非膨胀性黏土矿物，如伊利石、高岭石含量较多， 而不含膨胀性黏土矿物蒙脱石 ，伊 ／ 蒙混层 中蒙脱 石的混层 比也较低 ，因此 G u ma i 泥页岩的水化膨胀 能力较低 ，而脆性较大 ，钻进中如果滤液大量侵入 ， 极易导致该地层崩散剥落掉块 。 表 1 NE B、 WB D油 田Gu ma i 地层 泥页岩 的 x射 线衍射分析 井 号 井深 ／ 黏土矿物相对含量 ／ ％ 混层 比 ／ m I C K S U S％ S 1 ． 2 泥页岩孔隙结构分析 NE B 一 3和 NE B 一 1 3井 G u ma i 地层 的泥页岩样 品 的压汞分析表明 ①泥页岩中存在大量的微孔隙， 孔喉半径分布范围为 0 ． 0 0 3 8 ～9 ． 3 7 g m ； ②孔喉分 布呈 双峰 ，一个大峰和一小峰 ，2峰分别代表不同 粒径级别孔喉 的分布区间。大主峰孔喉半径分布范 围为 0 ． 0 7 3 2 ～0 ． 0 0 4 6“ m，孔喉很微小 ，对渗透率 的贡献基本没有，而这部分孔隙占全部孔喉体积的 9 0 ％ 以上 ； 小主峰孔喉分布范围为 0 ． 5 9 ～4 ． 6 8 9 m， 基金项 目 国家科技重大专项 “ 高温高应力定 向井井壁稳定技术及应用”；中石油长城钻探重大科技专项 “ 印尼 J AB U NG油田井壁稳定技术研究” 。 第一作者简介 彭春耀，1 9 7 1 年生，现为中国石油大学 北京 石油天然气工程学院在读博士生，主要从事油气井工程、 油田化学和油气层保护方面的研究。地址 北京市昌平区府学路 l 8号 ； 邮政编码 1 0 2 2 4 9； E ma i l p c y c p d f v ． s i n a ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年1 1月 这部分孔隙 占全部孔喉体积的 4 ． 5 6 ％，而对渗透率 的贡献为 9 7 ％，这部分孔隙主要是页岩片理间的页 岩层面缝和层理缝 ，以及部分粒间孔 ，这部分孔缝 是钻井液等外来流体侵入 、漏失的主要通道。根据 泥页岩 中的微孔喉分布特点 ，以及它们对渗透率 的 贡献情况 ，不难判断要解决泥页岩的漏失问题 ，重 点是解决小 主峰的漏失问题 ，因此要求钻开 G u ma i 地层的钻井液应该具有非常好 的降滤失作用。 但是 ， 在较高的钻井压差条件下 这些微裂缝会被迫张开 ， 发生钻井液漏失 ，使泥页岩水化加剧 ，导致地层垮 塌 ； 同时井内液柱压力降低后，也容易导致井壁垮 塌 。因此 ，要求钻井液具有非常强的封堵作用 ，可 以很好地封堵张开的微裂缝 ，防止发生钻井液漏失 的现象 2 新型强抑制性钻井液体 系的构建 许 多钻 井 液 技 术 服 务公 司， 曾致 力 于解 决 J AB U NG区块井 壁不稳定问题 ，分别应用 过 K C 1 一 P HP A、KC 1 一 P AC 高黏 等 KC 1 聚合物体系，但 即 使体 系中 KC 1 浓度提高到 8 ％～ 1 0 ％，现场应用效 果也并不理想 ，井壁失稳仍频繁发生 ，而且导致钻 井液成本大幅度攀升。其主要原因是这些体系中聚 合物的抗温性没有满足使用要求。在大量实验研究 的基础上 ，最终设计 出了一套 KC 1 一 G WT E MP强抑 制性钻井液体系 ，其基本配方如下 。[ 1 - 6 ] 1 ． 5 ％膨润土 O ． 5 ％G WT E MP 3 ． 0 ％K C I I ． 0 ％GS L 1 ． 2 ％GWT E X K OH 调 p H值 重晶石 体系中， KC 1 的使用浓度是 由 C S T实验确定的， 如 图 1 所示。另外 ，由岩性分析可知 ，G u ma i 地层 中的黏土矿物 以伊利石、高岭石及伊蒙混层矿物为 主 ，一般来说 ， 需求量随蒙脱石含量的增加而增 大 ，随伊利石含量 的增加而减少 ，因此使用较低浓 度 的 KC 1 的理论分析结果和实验结果是一致的。 KCI 图 1 KC 1 含量对 NE B ． 6 2 井 9 9 9 ～ 1 0 0 0 1 2 2 泥页岩 C S T的影响 GWT E MP是新近开发出的一种抗 温聚合物包 被抑制剂 ，分子量相对较低 ，为 白色晶体颗粒 。与 P H P A、K P A M 等高分 子量聚合 物相 比，该处理剂 具有以下优点 ①抗温能力强 ，在 2 0 5℃以上 ，可 以单独作为高温降滤失剂 ； ②抗盐能力强，在海水、 饱和N a C 1 和 C a C 1 盐水等多种盐水体系中均表现 出不错的效果 ； ③高温 、高矿化度下提切效果明显 ， 弥补了高温盐水体系黄原胶无法有效提切的问题 ； ④易溶于水 ，配制简单 。 GWT E X是 一 种沥 青类 衍 生 品，用作 抗 高温 降滤 失封 堵剂 ，其不 同于 国内 的磺 化沥 青 F T ． 1 ， G WT E X极易分散 于水 中，在较低浓度下 即可表现 出优越的降滤失、润滑和封堵性能。另外，体系中 还引入 了一种油基钻井液降滤失封堵剂 G S L，它是 一 种黑色液态褐煤乳液，兼具高温降滤失作用的同 时 ，还具有较好的封堵、润滑作用。 3 KC1 ． GWT E MP钻井液的性能评价 对 K C 1 ． GWT E MP钻 井液 的性 能进行 了评价 ， 并 与 J A B U NG区块使用过 的 KC 1 一 K P AM 体 系 其 典型配方如下 进行了对比。 2 ． 5 ％～ 3 ． O ％膨 润 土 0 ． 2 ％KP A M 0 ． 5 ％P AC 高黏 1 ． 0 ％P AC L V 8 ％ ～1 0 ％ K C I 0 ． 2 ％ 黄原 胶 2 ％S MP ． 1 6 ％F T - 1 与 KC 1 ． K P AM体系相 比， 新体系具有 以下特点 ①在聚合物包被剂的选择上 ，用抑制性更好的较低 分子量的 GW- T E MP取代 了 K P AM ； ②降低 了膨润 土加量，由2 ．5 ％～ 3 ．0 ％降低至 1 ．5 ％，降低了体系 的固相含量 ； ③ K C 1 加量降低至 3 ．0 ％，成本大幅 度降低 ； ④新体系取消了流型调节剂黄原胶 ，因为 当井底温度超过 1 2 0 o C时，XC D 已经基本丧失流型 调节 的作用 ； ⑤ 使用低浓度 的 GWT E X和 GS L替 代了高 、低黏聚阴离子纤维素 以及 S MP 1 和 F T - 1 ， 配方更简单 ，体系的降滤失 、防塌、润滑性能进一 步增强 ，而且 消除了磺化产品 S MP ． 1 和 F T - l 起泡 严重给钻井液密度维护带来 的不利影响。 3 ． 1 流变性能评价 依 据 基 本 配 方 配 制 密 度 为 1 ． 2 g ／ c m 的 KC 1 ． G WT E MP钻井液 ，经 1 4 0 c c、1 6 h热滚后 ，按照 A P I 标准测试钻井液 的流变、滤失性能 ，并对现场 K C 1 ． K P AM 井浆 进行平 行测 试 ，考察 2种体 系 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 6期 彭春耀等． 抗高温强抑制性钻井液体 系的研 究与应用 3 3 区别 ，结果 如表 2所 示。可 以看 出 ，现 用的 KC 1 一 K P A M 钻井液黏度偏高，动塑比偏低，A P I 及高温 高压滤失量均 偏高 ； 相 比之下 ，KC 1 一 GWT E MP表 现出了非常好的流变性及降滤失性。 表 2 K C 1 ． G WT E MP体 系流 变性 能评 价 体系 F s V／ P V ／ ． Y P P／ 1T l l a S a S ‘ 上 J Ge l {F L ／F L | C1 一 ／ P a ／ P a mL m L mg ／ L KCL ． GW TE M P 4 3 1 8 2 0 5 ／ 1 0 4 ． 0 1 4 ． 6 2 2 0 0 0 1 井浆 5 8 2 0 9 2 ／ 5 8 ． 2 2 6 ． 2 4 2 0 0 0 2 井浆 6 0 2 4 8 3 ／ 7 7 ． 0 2 8 ．3 4 0 0 0 0 注 1 井浆取 自N E B ． 7 4 井井深 1 7 6 4 ． 5 m处 ； 2 井浆 取 自NE B一 3 井井深 1 6 8 2 ． 5 m处 。 3 ． 2 抗温 性能 J AB U NG区块 的地层温度梯度很高 ，达到 6 ～ 7℃ ／ 1 0 0 m，因此要 求钻 井液 具有 良好 的抗 温性 能。对密度为 1 ． 2 g ／ c m 的 KC 1 一 G WT E MP钻井液 的 抗温性进行了评价 ，结果见表 3 。从表 3可以看出， KC 1 一 GWT E MP体系经不 同高温热滚后 ， 黏度 、 切力 、 胶凝强度仍旧保持了非常好的性能指标，表明该体 系的高温稳定性好。而 K C 1 ． K P AM 体系在温度超过 1 4 0℃后 ，切力 、胶凝强度下降 ，高温高压滤失量 大幅度上升 ，整体性能无法达到要求 的指标。 表 3 KC 1 ． GWT E MP体系的抗温实验结果 注 P 、 及 Ge l 的测定温度为 4 9 q C， 高温高压滤失 量的测定温度与热滚温度一致。 3 ． 3润滑性 能 利用数显式泥饼黏滞系数测定仪和 E P极压润 滑仪 ，测试 了 KC 1 ． GWT E MP的润滑系数 ，并与该 区块曾经使用过的几种钻井液体系进行了对比，结 果见表 4 。由表 4可 以看出，由于 G WT E X和 G S L 具有 良好的润滑作用，加之体系中膨润土、F T - 1 、 S MP 一 1 等固相颗粒的含量显著降低 ，K C 1 ． G WT E MP 体系的润滑性比K C I K P A M体系大幅度提高， 也好 于聚合醇体系。 表 4 润滑性实验结果 3 ． 4 抑制性能 选取 G u ma i 地层泥页岩样 品，在 4 9℃下测定 样品在 4 种流体中的动态线性膨胀量， 测定时钻井 液始终 在样 品 四周不 问断循环 ，实验结果 见图 2 。 由此可知，新型K C 1 ． G WT E MP 体系对岩样的膨胀 抑制 效果 明显 优 于 KC 1 一 P AC、KC 1 一 K P AM 及 K C 1 ． P HP A体系 ，岩样在 4 h左右即基本达到膨胀平衡。 2 ． 5 2 ． 0 酱 1 ． 0 避 o ． 5 O 。 0 钻井澶类璺t 一{I I 水 -- ● 一 X C I ． P C 一 K a- 唧 一 III- l 【 CIJ la M 坤 一 KCI G、 7 n M - 一油纂 0 4 8 l 2 1 6 2 O 2 4 图 2 动态膨 胀量测试结果 4现 场 应 用效 果 4 ． 1 试验井概况 通过大量 的室 内实验 ，建 立了 KC 1 ． G WT E MP 高 温 强 抑 制 性 钻 井 液 体 系 ，选 取 NE B ． 7 1 井 进 行 了现 场 试 验。该 井 位 于 J AB U NG区块 中部 的 No r t h e a s t B e t a r a 气 田，设计井深为 2 2 4 9 ． 4 I I 1 ，垂深 为 1 8 2 0 ． 9 I T I ， 最大井斜为 4 4 o ，是一 口定 向开发井。 No r t h e a s t B e t a r a主要 目的层 为 L o we r T a l a n g A k a r ， 埋深 为 1 7 6 7 ． 8 m。T a l a n g Ak a r 上部地层 是易垮塌 的 G u ma i 泥页岩地层 ，因此二开钻进 的重点是保证 井壁稳定。 该井 一开 西4 4 4 ． 5 mm井 眼采用碱水钻 进、黏 土稠钻 井液清扫井 眼的方式进行施 工作业 ；针对 G u ma i 地层泥页岩易垮塌的特点 ，二开 西3 1 1 ． 1 mm 井 眼使用 3 ．0 ％K C 1 ． G WT E MP体系 ；三开继续使 用 K C 1 一 G WT E MP体系，并复配使用理想充填暂堵 剂，以有效保护储层。其邻井 N E B 一 7 0 井使用 1 0 ％ KC 1 一 K P AM 体系，二开电测资料表明其平均井径扩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年 I 1月 大率为 1 4 ． 6 ％，在 G u ma i 地层 出现 了较严重垮塌 ， 振动筛掉块较多。随后 ，增加了钻井液密度 ，掉块 消失。 4 ． 2 现场应 用效果分析 NE B ． 7 1 井 的 现场 应 用结 果 表 明 ，所研 制 的 K C 1 一 G WT E MP强抑制性钻井液体系具有较好 的流 变性、降滤失性、润滑性和封堵抑制性能，起下钻 畅通 ，下套管 、测井顺利 ，一次成功。该井钻井液 的各项性能指标满足钻井要求 ，如表 3所示 ，具体 表现在以下几个方面 ①该钻井液的 AP I 滤失量低 ， 始终维持在 5 mL以下 ； 高温高压滤失量始终保持 在 1 5 mL以下 ； ②该钻井液 的流变性能易于控制 ， 流动性好 ，能有效携岩 ； ③该钻井液 的抑制性强 ， 能很好地抑制泥页岩的水化分散 ，保持井壁稳定 。 从现场照片可以看出，钻屑成均匀颗粒状返 出，用 手瓣开岩屑 ，里面仍然保持原始状态 ，钻屑表面的 钻头切削痕迹清晰。钻进 中未 出现任何 因钻井液而 引起的井塌、卡钻、漏失等井下复杂情况 ； ④ K C 1 一 G WT E MP钻井液 的极 压润滑系数 在 0 ． 0 5以下 ，润 滑性好 ，未发生压差卡钻事故 ； ⑤二开井段的电测 井径扩 大率如 图 3所示 ，可 以看 出，相对 于邻 井 N E B 一 7 0井来 说 ，NE B ． 7 1 井 在 1 2 8 0 ． 2 ～ 1 5 5 4 ． 5 m G u ma i 地层 井径规则 ，没有形成 “ 大肚子” ，整 个二开井段的平均井径扩大率仅为 3 ． 1 4 ％。 表 5 NE B 一 7 1 井钻井液性能 并深触 图3 NE B一 7 1 井与 N E B 一 7 0井二开电测井径剖面图 5 结论 1 ． 通 过选用 G WT E MP 、G WT E X及 GS L等高 效处理剂 ，重新构建 了 J A B UNG区块的 KC 1 ． 聚合 物钻井液体系。 2 ． 室内实验和现场试验均证 明，所研制的 KC 1 一 G WT E MP水基强抑制性钻井液体 系具有 良好 的流 变 、降滤失和封堵抑制性能 ，能很好地抑制泥页岩 地层 的水化分散 ，保持井壁稳定 ； 具有优 良的润滑 性 ，极压润滑系数在 0 ． 0 5以下 ，可极大地降低高扭 矩 、压差卡钻等井下事故发生的机率 。 3 ． 试验井 NE B一 7 1 井 的井眼轨迹规则 ，电测井 径扩大率仅为 3 ． 1 4 ％。 4 ． 该体系在优化钻井液性能 的同时 ，适 当降低 了 KC 1 用量 ，不仅节 约了成本 ，而且 使体系的 C l l 离子含量有所降低，符合由于环境保护 日 趋严格 ； 油公司更倾 向于在印尼使用低氯强抑制性体系的技 术要求 ，具有重要的战略意义和广阔的应用前景。 参 考 文 献 [ 1 ] 徐同台 ． 国外不稳定性泥页岩分类简述 [ J ] ． 钻井液与完 井液 ， 1 9 9 6 ，1 3 6 4 - 7 ． [ 2 ] 张高波 ，史沛谦，何国军 ，等 ． 高温抗盐降滤失剂 S P X 树脂 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 1 ，1 8 2 1 - 5 ． [ 3 ] 王 中华 ． 对中国钻井液处理剂及钻井液体系发展 的认 识 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 1 ，1 8 4 3 2 3 5 ． [ 4 ] 张麒麟 ． 国内新型钻井液处理剂研究进展 [ J ] _ 钻井液与 完井液 ，2 0 0 0 ，1 7 5 3 1 - 3 5 ． [ 5 ] 万绪新 ， 刘绍元， 王树强 ． 耐温耐盐深井钻井液技术 [ J 】 ． 钻井液 与完井液 ，2 0 0 2 ，1 9 6 5 9 ． 6 1 ． [ 6 ] 周辉，郭保玉，江智君 ． 深井抗高温钻井液体系的研究 与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 5 ，2 2 4 4 6 ． 4 8 ． 收稿 日期2 0 1 2 ． 8 ． 2 8 ；I N DD 1 2 0 6 w2 ；编辑 汪桂娟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m