全油基钻井液在油页岩地层钻井中的应用.pdf

2 0 1 6年 2月 第 3 5卷第 1期 大庆石油地质与开发 Pe t r o l e u m Ge o l o g y a n d Oi l f i e l d De v e l o p me n t i n Da q i n g F e b ．，2 01 6 Vo 1 ． 3 5 No ．1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． I S S N． 1 0 0 0 ． 3 7 5 4 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 3 4 全油基钻 井液在 油页岩地层钻井 中的应用 钱志伟 吴娇 阳 李建成 洪 伟 马 俊 匡绪兵 1 ．中国石油长城钻探工程有限公 司工程技术研究院 ，辽 宁 盘锦1 2 4 0 1 0 2 ，中国石油辽河油 田高升采油 厂，辽宁 盘锦1 2 4 0 1 0 摘要S P 一 1 井是以油页岩和泥质白云岩互层为目的层的辽河油田第一 口预探水平井。由于油页岩地层的特殊性 ， 解决井壁失稳现象严重、油层段轨迹控制难、钻井时效低问题是钻井工程的重点。通过处理剂研发 ，形成 了适 用于 s P 一 1 井的抗温 1 5 0℃、密度为 1 ． 5 5 g ／ c m 的全油基钻井液体系。现场应用结果表明全油基钻井液体系的 综合性能优良，具有良好的流变性 、抑制性、封堵性、抗污染性 、润滑性及高温稳定性 ，能够有效控制油页岩 水化膨胀，解决井壁失稳的难题。与同类型井相比，机械钻速提高 1 ． 6倍 ，生产时效提高 3 0 ％。 关键词 全油基钻井液；抑制性；封堵性；现场应用；S P 一 1 井 ；油页岩 中图分类号T E l 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 ． 3 7 5 4 2 0 1 6 0 1 ． 0 1 7 0 ． 0 5 APPLI CATI oN OF THE ALL oI L． BAS ED DRI LLI NG FLUI D I N OI L S HALE ATI oN Q I A N Z h i w e i ’ ， wU J i a o y a n g ， L I J i a n c h e n g ， H O N G We i ，M A J u n ， K U A N G X u b i n g 1 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y ， P e t r o C h i n a G r e a t Wa l l D r i l l i n g C o ． L t d ． ，P a n j i n 1 2 4 0 1 0 ， C h i n a ；2 ． G a o s h e n g O i l P r o d u c t i o n P l a n t ， P e t r o C h i n a L i a o h e O i e l d C o m p a n y ， P a n j i n 1 2 4 0 1 0 ，C h i n a Ab s t r a c t We l l S P一 1 i S t h e fi r s t w i l d c a t h o r i z o n t a 1 we 1 l i n L i a o h e Oi l fi e l d t a k i n g t h e i n t e r b e d d i n g s b e t w e e n t h e o i l s h a l e a n d a r g i l l a c e o u s do l o mi t e a s t h e t a r g e t l a y e r s ．Be c a u s e o f t h e p a r t i c u l a rit y o f t h e o i l s ha l e f o r ma t i o n，t h e d ril l i n g p r o j e c t d i ffic u l t i e s a r e p r e s e n t e d a s f o l l o w s s e r i o u s w e l l b o r e w a l l i n s t a b i l i t y ， u n c o n t r o l l a b l e r e s e r v o i r t r a j e c t o r y a nd l o we r d ril l i n g a g i n g a n d e f f e c t i v e n e s s ．Ba s e d o n t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f t h e t r e a t i ng a g e n t s，t h e f o r me d a Ⅱ o i l ． b a s e d d ri l l i n g fl u i d s y s t e m o f a n t i t e mp e r a t u r e 1 5 0℃ a n d t h e d e n s i t y o f 1 ． 5 5 g ／ c m i s e s t a b l i s h e d f o r We l l S P一 1 ． Th e a p p l i e d r e s u l t s i n t h e f i e l d s ho w t h a t t h e d ril l i n g fl ui d s y s t e m i s c h a r a c t e r i z e d b y e x c e l l e n t c o mp r e h e n s i v e p e rfo r ma n c e，mu c h b e t t e r t h e o l o g y，i n h i b i t i o n，s e a l i ng a n d a n t i po l l u t i ng pr o pe r t i e s，l u b r i c i t y a n d h i g h - t e mp e r a t u r e s t a b i l i t y ．So i t c a n e f f e c t i v e l y c o n t r o l t h e s h a l e h y d r a t i o n e x p a n s i o n a n d s o l v e t h e p r o b l e m o f b o r e h o l e wa l l i n s t a b i l i t y ．Co mp a r e d wi t h t he s a me t y p e o f t h e we l l ，t h e me c h a ni c a l d ril l i n g r a t e h a s i nc r e a s e d b y 1 ． 6 t i me s a nd p r o d u c t i o n a g i n g h a s e n h a n c e d b y 3 0 ％ ． Ke y wo r d s a l l ／ f u l l o i l b a s e d d ri l l i n g fl u i d；i n h i b i t i V e ／ i n h i b i t i n g p r o p e r t y；s e a l i n g c h a r a c t e ri s t i c ／ p r o p e rt y；fi e l d a pp l i c a t i o n；W e l l S P- 1 ；o i l s h a l e 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 - 1 3 改回 日期 2 0 1 5 - 0 6 2 8 基金项 目国家科技重大专题项 目 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 1 0 0 4 、中国石 油天然 气集 团公 司重点科技 攻关 项 目 2 0 1 1 F 一 2 9 、长 城钻探工程有限公司科技项 目 2 0 1 4 A 0 1 3 。 作者简介钱志伟，男，1 9 8 5 年生 ，工程师，从事钻井液技术研究与技术支持。 E ma i l q z w0 41 7 1 2 6 ． c o n 第 3 5卷第 1 期 钱志伟等 全油基钻井液在油页岩地层钻井中的应用 l 7 1 S P ． 1 井是辽 河油 田第一 口以油 页岩 和泥质 白 云岩互层为 目的层 的预探水平井。钻探 目的是探索 辽河油田致密油勘探途径 ，进一步落实大民屯凹陷 静安堡地区沙 四段致密油含油气情况 ，扩大辽河油 田的产能接替 区，提高单井产能。该区块沙 四下亚 段泥岩和油页岩发育 ，泥页岩在水力压力传递作用 下会出现掉块 、坍塌。该地层水化坍塌周期 为 7 ～ 1 0 d ，由于水平井 的施工周期长 ，泥页岩和油页岩 内部因水化产生的膨胀压力对井壁破坏作用 比较突 出⋯ 。在二开使用普通水 基不分散 聚合物钻井 液 的钻井过程中，多次发生掉块 、卡钻等事故 ，多次 划眼施工 。为确 保 S P 一 1井 的钻 井过程优 质高效 、 安全顺利 ，三开 目的层采用 了全油基钻井 液体 系。 以全油基钻井液处理剂研发为基础 ，形成了适用于 油页岩水平井 的全油基钻井液体系 ，解决了油页岩 水化膨胀 、井壁失稳及钻井时效低的难题 。 1全油基钻井液体 系研发 1 ． 1油基钻 井液处理剂的研发 1 ． 1 ． 1有机 土 G W． G E L 有机土由不同结构的季铵盐阳离子或具有离子 交换能力的有机改性剂与钠基膨润土发生阳离子交 换而制得 J 。采用长碳链 的季铵盐 作为有机改 性 剂 ，通过单 因素逐一考察和优化实验工艺 ，获得了 较佳 的实验制备操作条件 ，制备 出油基钻井液用季 铵型有机土。有机化改性的基本步骤为 将精选 的钠土和预先配制好 的有机改性液直接 混合 ，用加热混合器混合均匀 ，在高于季铵盐熔点 的温度下反应 1 5 0 mi n后加入有机化增强剂 、插层 剂 ，继续反应 3 0 mi n 。膨润土有机化改性 的较佳实 验条件 为 有 机改 性剂 的用 量 为 0 ． 2 6 g ／ g钠 土 ， 反应时间为 1 8 0 mi n ，有机 改性液 的 p H值为 l 2 ， 反应温度为 8 O ～ 9 0℃。 1 ． 1 ． 2有机 土激活剂 G W O G A 有机土在 白油中不能有效造浆 的原因可能是有 机土在制备 中改性不彻底造成的 ，其亲油性不能使 其在 白油 中充分分散也影 响了体系 的粘度和动 切 力 。因此 ，研发 了能够改善有机土成胶率的多官能 团小分子聚合物有 机土激活剂。基浆配方为 白油 质 量 分 数 为 3 ％的 G W． G E L质 量 分 数 为 0 ． 8 ％的 G W． O G A。国 内外 不同有 机土加入激活剂 前 、后成胶率的对比结果见表 1 。从表 1可见 研 发的有机土激活剂对提高有机 土成胶率有 明显作 用 ，并具有广普性 ，但对不同用途的有机土作用效 果有差异 ，这可能是 由于不 同产地的有机土所用原 料土、改性剂及改性方法不同所致。 表 1 不同有机土加入激活剂前 、后成胶率对 比 Ta bl e 1 Cont r as t s o f t he g e l l i n g r a tios f or d i ffe r e nt or g a ni c c l a ys be f or e a nd a f t e r a ddi ng t he a c tiv at o r 1 ． 1 ． 3聚合 物降 滤 失剂 G W O F L I 全油基钻井液滤失量控制比逆乳化钻井液滤失 量控制的难度更大 ，全油基钻井液降滤失剂 的分子 结构设计应使其具有 良好的油溶性或分散性、抗温 性及对有机 土粒子 的吸附性 ，为此研制 的油溶 性多元共聚降滤失剂在全油基钻井液中具有显著的 降滤失效果 表 2 。基浆配方为 白油 质量分数 为 3 ％的 G W G E L 质量分数为 0 ． 8 ％的 G W O G A 表 2 不同油基钻井液降滤失剂效果对比 Ta b l e 2 Co n t r a s ts o f the e ffe c ts o f t h e l o s s r e d u c e r s f o r d i ffe r e n t o i l - b ase d d r i l l i n g flu i d s 1 7 2 大庆石油地质与开发 质量分 数为 2 ％的降滤失剂 质量 分数为 0 ． 5 ％的 C a O 质量分数为 3 ％的 C a C O 。 1 ． 1 ． 4有机褐煤降滤失剂 G W． O F L Ⅱ 有 机褐煤降滤失 剂是 常用 的油基钻井液处理 剂 ，该处理剂在降低滤失量的同时对全油基钻井液 有一定 的降 黏、降切 效 果 ，并 具 有 优 良的抗 温 殖酸和有机胺为主要成分的降滤失剂化学结构 ，对 研发的 2种降滤失剂进行复配试验的结果见表 3 。 基浆配方为 白油 质量分数为 3 ％的 G W． G E L 质 量分数为 0 ． 8 ％的 G W O G A 质量分数为 2 ％的 G W． O F L I 质量分数为 5 ％的 G W． O F L I I 质量分数为 0 ． 5 ％的 C a O 质量分数为 3 ％的 C a C O 。实验结果 性 ，在降低失水的同时有利于全油基钻井液流 表明，两种降滤失剂复配后体系的流变性和降失水 变性的控制。根据分子设计和试验结果确定 了以腐 效果都有所改善。 表 3 不 同油基钻 井液 降滤失剂效果对 比 Ta b l e 3 W a t e r r e d u c e d e ffe c t s o f t h e r e - p r e p a r e d l o s s r ed u c e r s 1 ． 1 ． 5润 湿剂 GW- WE T 油基钻井液是以油为连续相、多种物质组成的 分散相 、热力学不稳定的多相复杂体系。在油基钻 井液中，润湿剂是必不可少的添加剂之一 J 。油 基钻井液润湿剂是将油基钻井液中固相物质的表面 由亲水性转变为亲油性 ，从而让其在油基钻井液中 能够悬浮 、分散开来 ，维持体系的稳定性 ，调节和 前 、后及 1 5 0℃老化 1 6 h前、后的性能进行对 比 的结果如表 4所示 ，基浆配方为 白油 质量分数 为 3 ％的 G W G E L 质量分数为 0 ． 8 ％的 G W． O G A 质量分数为 2 ％的 G W O F L I 质 量分 数 为 5 ％的 G W- O F LⅡ 质量分数为 0 ． 5 ％的 C a O 质量分数为 3 ％的 C a C O 质量分数为 0 ． 1 ％的提切剂 重 晶石 加至密度为 1 ． 5 5 g ／ c m 。从表 4可 以看 出，加 控制钻井液 的各项 性能。对体 系加入 1 ％润湿 剂 人润湿剂前重晶石表面为水润湿 ，体系中重晶石分 表 4 润湿剂对体系性能的影响 Ta bl e 4 I nflue nc e s o f t he we t t i n g a g en t on t he s y s t e m p e r f o r m a nc e s 散不均匀 ，致使体 系的稳 定性较差 ，破乳 电压较 小 ；加入 1 ％的润湿剂后发生润湿反转 ，重 晶石颗 粒均匀的分散在体系中，整个性能趋于稳定。 1 ． 2全油基钻井液体系研究 在研发 了 5种油基钻井液用处理剂 的基础上 ， 形成了适合 S P 一 1 井 的全油基钻井液配方。该体系 的主要配方为白油 质量分数为 3 ％的 G W． G E L 质量分数为 0 ． 3 ％的 G W O G A 质量分数 为0 ． 2 5 ％ 的 G W． O F L I 质量分数为 5 ％的 G W． O F LⅡ 质量 分数为 0 ． 5 ％的 C a O 质 量分 数 为 5 ％的 C a C O 0 ． 1 ％的增黏提切剂 质量分数 为 1 ％的 G W WE T 重晶 石 加 至 密 度 为 1 ． 5 5 g ／ c m ，该 配 方 经 1 5 0℃、1 6 h老化前、后性能见表 5 。 实验数据表明 ，全油基钻井液体系具有 良好的 流变性及乳化稳定性。形成全油基钻井液体系后 ， 对其抑制性 、抗污染性及封堵性进行了实验评价。 1 ． 2 ． 1抑 制性评 价 室内对全油基钻井液 、油包水钻井液、硅酸盐 钻井液 、聚合物钻井液及 K C 1 钻井液进行了东营组 灰绿色泥页岩 5 0 g 滚动 回收率实验 ，其结果见 第 3 5卷第 1 期 钱志伟等 全油基钻井液在油页岩地层钻井中的应用 1 7 3 表 6 。由表 6可知 ，全油基钻井液 的泥页岩 1 5 0℃ 老化 1 6 h回收率高达 9 8 ． 6 ％，抑制性 良好 。 表 5 全 白油基钻 井液室 内性能 Tabl e 5 I ndo or p erfor m a nc e s o f t he f u l l - whi t e- o i l - ba s e d d r i l l i ng flu i d 表 6 钻井液体系的抑制性能对比 Ta bl e 6 Co nt r a s t s o f t he i nh i bi t i ng - pe r f orm an c e s f o r t h e d r i l l i n g fl uid s 1 ． 2 ． 2抗 污染性 能评 价 在全油基钻井液体系的现场使用过程 中，不可 避免的会遇到水侵 、岩屑侵入等 问题 ，会导致钻井 液 『生能不稳定 ，因此在实 验室在 1 5 0 o C老化 1 6 h 条件下对上述污染情况进行了模拟实验，以评价全 油基钻井液 的抗 劣质土 、抗水 污染 能力 及 电稳定 性。结果表明 ，全油基钻井液体系被水和岩屑污染 后 ，虽然性能参数有波动 ，但整体性能没有遭到破 坏 ，表明该体系具有 良好的抗污染性能。 1 ． 2 ． 3封 堵性评 价 通过 F A N N渗透堵漏仪器 P P A进行封堵性 测试 ，所用岩心板 的渗透率为 1 5 1 0 fx m 、1 2 0 X 1 0 一 m ，在 1 2 0 MP a、2 5 MP a条件下进行实验时 根据封堵滤 失量调整封堵剂 超 细 C a C O 的添 加量。当封堵 剂 的添 加量 为 5 ％时 ，滤失量 均为 基钻井液具有 良好的封堵性能。 2全油基钻 井液体 系的现场应用 应用全油基钻井液在沙 四下 亚段 东 营组一 沙河街组 钻至井深为 3 2 4 0 i n ，裸眼段长 7 7 2 m， 水平段 井斜最大 为 7 9 ． 8 。 ，通井 、电测、下套 管、 固井等工序一次性成功，油层钻遇率为 1 0 0 ％。与 同类井相 比，机械钻速提高 1 ． 6倍 ，生产时效提高 3 0 ％ 。 全油基钻井液体系在油页岩水平井 中的应用成 功 ，主要是有效 控制 了油 页岩水化膨胀 、井壁 失 稳。现场钻井液维护措施主要包括 5点 ①严格控 制体系中固相含量 ，减少 固相对储层造成 的伤害； ②随时监测振动筛 出砂情 况，判断是否需要加重， 以保证井壁稳定；③观察钻井液返出量及池体积的 变化 ，判断是否需要补充降滤失剂及封堵剂 ，防止 钻井液渗透地层而引起井壁失稳 ；④适 当补充有机 褐煤降滤失剂及润湿剂 ，调控体系流变性 ；⑤做好 导流管及导流槽的保温措施 ，避免因温度低引起事 故。 2 ． 1油基钻井液在现场的性能 通过钻井液流变性及滤失性能测试统计 的现场 不同井深的全油基 钻井液性 能见表 7 。从 表 7可 见 ，在全井过程中全油基钻井液的性能始终保持稳 0 ． 5 m L，能够有效 封堵岩 心 的微 裂缝。说 明全油 定。实际上 ，钻井液温度随着井深的增加而升高 ， 表 7 S P - 1井全 白油基钻井液性能 Ta b l e 7 P e r f o rm a n c e s o f t h e f u l l - wh i t e - o i l - b as e d d r i l l i n g fluid f o r W e l l S P- 1 1 7 4 大庆石油地质与开发 钻井液体系的黏度及动切力应有所下降。但是 ，现 场数据却表明随着井深的增加 ，井 口返出的钻井 液黏度虽有升高，但动切力变化较小 ，这是 由于施 工季节是在冬季，室外温度变化较大，影响了返出 地面时钻井液体系的性能 ，现场多次验证了此现象 的存在。 2 ． 2油基钻井液的润滑性 三开时，S P ． 1井用 钻头 2只、三牙 轮钻头 1 只、P D C钻头 1只。对 比其钻 时并 分析钻头损耗 率的结果表明，使用 P D C钻头 的最快钻时为 1 ． 6 能 ，P D C钻头共进尺 6 4 4 ． 1 6 m，钻头起 出后完整 ， 无掉齿 ，无缩径 ，磨损率小于 5 ％ 表 8 。 2 ． 3油基钻井液的抑制性 S P 一 1 井三开裸眼段长 7 7 2 m， 2 4 5 0 ～ 2 5 0 0 m时 井径为 2 2 3 ． 5 2 mm 钻头尺寸为 2 1 5 ． 9 m m ， 井眼扩 大率为 4 ％。达到 2 5 0 0 m后 ， 由于井斜增加快 ， 每 钻进一根钻杆需划眼 5遍来减少井斜 ， 导致划眼井 段的井径扩大率平均为 1 0 ％。S P ． 1井的泥页岩钻 遇率超过 9 5 ％， 使用全油基钻井液体系满足 了井壁 稳定的要求 ， 不仅保证 了三开顺利完钻 ， 而且井径规 m i n ／ m，可见全油基钻井液体系具有 良好 的润滑性 则 ， 体现了全油基钻井液极强的抑制性 。 表 8 钻头 时效 Ta b l e 8 Ag e i n g s o f t h e d r i l l i n g b i t s 2 ． 4油基钻井液的携岩性 在 S P ． 1 井 ，由于 2 5 7 5 ～ 2 6 0 0 m深度段的设计 密度偏低 ，出现了掉块现象 ，最大掉块 的长、宽均 达到 6 c m，厚为 1 c m。掉块被顺利携 带到地 面， 棱角分明、完整 ，磨损较小 ，体现出油基钻井液 良 好的携岩性能。全油基钻井液在沈平 1井的试验结 果体现 了全油基钻井液技术的 4个特点 1 钻速高。在 3 t 的钻压下 ，P D C钻头 的最 快钻时为 1 ． 6 m i n ／ m。 2 防塌效果好。该 区块泥岩段所用油基钻井 液的密度为 1 ． 5 4 g ／ e m。 左右时井壁稳定 ，无掉块。 3 钻头磨损小。P D C钻头进尺 6 4 4 ． 1 6 m 的 钻头损耗率小于 5 ％，钻头几乎无磨损 。 4 润滑性好。磨阻小 ，起 、下钻附加拉力最 高 为 1 0 t 。 3结 论 1 全油基 钻井液具有 良好 的流变性、封 堵 性 、抑制性 、抗污染性 、润滑性及高温稳定性 ，有 效锯决 了井壁失稳的难题。与同类型井相 比，机械 钻速提高 1 ． 6倍 ，生产时效提高 3 0 ％。 2 应该继续通过实验和现场试验完善全油基 钻井液技术 ，对现场维护、处理工艺进行摸索和改 进。 参考文献 [ 1 ]蔡儒帅 ，郭建春，邓燕 ，等．页岩储 层可压性剖面模型研究及 应用[ J ]．大庆石油地质与开发 ，2 0 1 4，3 3 6 1 6 5 - 1 7 0 ． [ 2 ]杨彦东 ． 渤海湾盆地北段辽河坳陷馆陶组地层沉积模式 [ J ]． 特种油气藏 ，2 0 1 4 ，2 1 4 6 7 ． 6 9 ． [ 3 ]崔 明磊．抗 高 温 白油 基钻 井 液 用有 机 土 的研 制 及性 能 研 究 [ J ]． 广州化工 ，2 0 1 4 ，4 2 6 7 O 一 7 2 ． [ 4 ]钱 志伟 ，吴娇阳 ，余婧．全油基钻井液 降滤 失剂的研制 与性 能 评价[ c]／ ／ 全 国 钻 井 液 完 井 液 技 术 交 流 研 讨 会 论 文 集 ， 2 0l 4 ． [ 5 ]李建成 ，杨鹏 ，关键 ，等 ．新 型全 油基钻井 液体 系 [ J ] ．石 油勘探与开发 ，2 0 1 4 ，4 1 4 4 9 0 4 9 6 ． [ 6 ]赵泽 ，王茂功 ，蒋官澄 ，等．国 内外油基钻井液 降滤失剂研究 进展 [ J ]．应用化工 ，2 0 1 4，4 3 6 1 1 1 2 - 1 l 1 5 ． [ 7 ]狄毅 ，张喜文 ，鲁娇．油基改性腐植酸降滤失剂 的制 备及性能 评价 _ [ J ]．当代化工 ，2 0 1 4 ，4 3 2 1 6 8 1 7 0 ． [ 8 ]王富华 ，谭 学超 ，高鲁军．基于油基钻井液提高钻速 的原理 和 方法[ J ]．钻井液与完井液 ，2 0 1 2 ，2 9 3 6 - 8 ． [ 9 ]李建成 ，关键 ，王晓军 ，等 ．苏 5 3区块全 油基钻井 液 的研 究 与应用 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 1 4 ，4 2 5 6 2 ． 6 7 ． 编辑宋 玉梅