家3-21X井仿生固壁钻井液技术.pdf

第 3 2卷 第 6期 2 0 1 5年1 1月 钨井液与 完井液 DRI LL I NG F L UI D COMP LE TI ON F LUI D V0I ． 3 2 No ． 6 NO V ．2 0 1 5 d o i 1 0 ． 3 6 9 6 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 0 7 家 3 ． 2 1 X井仿生固壁钻井液技术 程琳 ， 胡景东 ， 申法忠2 ， 商鹏辉 1 ， 熊亚萍 ， 张县民 1 ． 渤海钻探第四钻井工程公司，河北任丘 ； 2 ． 华北油田分公司，河北任丘 ； 3 ． 渤海钻探工程技术研究院 ； 天津 程琳等 ． 家3 - 2 1 X井仿生固壁钻井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 5 ，3 2 6 2 6 2 9 ． 摘要 家3 - 2 1 X井位于华北油田高家堡构造西北部家 3断块，该井含有多个断层，在沙河街组含有大段盐膏层， 出现过不同程度的井垮、井漏、缩径、电测遇阻甚至卡钻等复杂问题。为此提出了在原复合盐钻井液配方基础上引入 仿生处理剂，以增强井壁稳定，同时添加Na C 1 ，以抑制盐岩溶解的思路，并开展了室内配方优选和评价实验，形成了 仿生固壁 ． 复合盐钻井液体系。结果表明，该体系抑制性好，对复合盐岩屑的回收率高，其中盐膏岩的回收率达 8 5 ％， 膏泥岩的回收率达 9 5 ％， 较原体系明显提高； 室内加入 0 ． 6 ％C a C 1 污染， 钻井液流变性能变化不大， 综合性能易于调控。 该体系在家 3 - 2 1 X井应用，井壁稳定效果好 ，平均井径扩大率降低幅度达 6 2 ％，施工周期缩短。 关键词 仿生固壁钻井液 ； 复合盐钻井液 ； 盐膏层 ；抑制性 ；井壁稳定 ； 高家堡构造 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 5 0 6 ． 0 0 2 6 0 4 家 3 - 2 1 X井位于华北油田高家堡背斜构造西北 部家 3 断块，该井钻穿多个断层，沙河街组含有大段 盐膏、膏泥岩互层。该断块已钻井情况表明，在 E s 、 E 。 段不同程度地 出现过井垮、井漏、缩径 、电测遇 阻等复杂睛况， 扩划眼、倒划眼以及大段划眼现象频 出，甚至在划眼过程中出现过卡钻等问题。该区块开 发以来 ，应用复合盐钻井液体系在抑制盐膏层的垮塌 方面取得了一定的效果，但在钻穿盐膏层过程中起下 钻阻卡、井漏以及由于井径不规则导致电测阻卡频繁 等问题仍存在。因此通过模拟贻贝黏附蛋 白的化学 结构，研发了仿生固壁剂 G B F S 一 1 和仿生页岩抑制剂 Y Z F S ． 1 来增强钻井液的防塌能力 】 ，解决了高家堡 家 3区块的井壁失稳难题，在原复合盐钻井液体系的 基础上引入仿生处理剂进行改进和优化，形成了仿生 固壁 ． 复合盐钻井液 简称仿生钻井液 体系，并对 其流变性、滤失|性、页岩抑制性及抗钙离子污染进行 了评价， 评价结果显示新体系性能良好， 并在家 3 - 2 1 X 井三开使用取得了较好的应用效果 [2 -5 ] 。 1 室 内研 究 首先对所选仿生页岩抑制剂 Y Z F S ． 1 与另外几种 常用钻井液抑制剂进行了热滚回收和泥球浸泡对比实 验，之后开展仿生钻井液的配方优化和评价实验。 1 ． 1 仿生页岩抑制剂Y Z F S ． 1 的性能评价 泥岩在纯水和不同抑制剂溶液中的热滚回收实 验结果 见表 1 。 由表 1 可 以看 出，泥岩岩屑在 纯水 中经 1 2 0℃热滚 1 6 h后 ，回收率仅为 4 3 ． 0 5 ％。而在 I ％YZ F S 一 1 溶 液 中岩屑 的回收率达 到 8 4 ． 0 4 ％，明显 高于相同浓度的其他几种抑制剂溶液，说明了仿生页 岩抑制剂 Y Z F S 一 1 具有优异的泥页岩抑制性能。 表 1 泥岩岩屑在不同抑制剂溶液中的回收率 1 2 0℃、1 6 h 抑制剂 滚动回收率／ ％ 抑制剂 滚动回收率 ／ ％ 纯水 4 3 ．0 5 1 ％N、 ， - 1 4 9 ． 0 8 0 ． 2 ％YZF S ． 1 7 3 ． 5 8 1 ％KCl 5 4 ． 0 4 1 ．0 ％YZ FS ． 1 8 4 ． 0 4 1 ％Ul t r a h i b 7 7 ． 6 2 1 ． 5 ％YZF S 1 8 7 ．2 6 1 ． 2 仿生固壁剂GB F S ． 1 的性能评价 实验准备 3 块含 2 0 ％膨润土的人造岩心，考 察仿生 固壁剂对泥页岩 的加 固效果。其中 1 岩心 不作 处理 ，将 2 岩 心在 1 2 0℃下 于 0 ． 3 ％仿 生固壁 剂 G B F S ． 1 溶液中热滚 1 6 h； 将 3 岩心放在清水中 第一作者简介 程琳， 工程师， 2 0 0 5 年毕业干长江大学应用化学专业， 现在渤海钻探钻井四公司工程技术服务中心工作。 地址 河北省任丘市渤海钻探第四钻井工程公司工程技术服务中心 ；邮政编码 0 6 2 5 5 2；电话 1 5 9 6 4 7 2 5 6 8 9； E ma i l b h z t _c l 1 2 6 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 2卷 第 6 期 程琳等家3 ． 2 1 X 井仿生固壁钻井液技术 2 7 热滚。 由于清水 中浸 泡的 3 岩 心热滚后 完全分 散 ， 无法进 行 强度 测试 ，因此仅 将 1 岩心 和 2 岩 心在 T A W- 1 0 0 0岩石三轴力学试验仪上进行单轴破坏实 验，以评价仿生固壁剂对岩心的强化作用，结果见图 l 。由图 1 可知 ，l 岩 心在 6 ． 9 0 6 MP a时应 力达到最 大， 说明没有经过任何处理的岩心破坏强度约为 6 ．9 0 6 MP a； 而 2 岩心的破坏强度达到 8 ．0 6 1 MP a ，比原始 岩心强度高出约 1 5 ％，说明了仿生固壁剂具有 良好 的岩石加固能力。 轴向应变／ 0／ o 图 1 1 岩心 未处理 和 2 岩心 在仿生 固壁剂溶液中浸泡 轴向应力 ． 应变曲线 通过轴向应力 ． 应变曲线可以计算岩心的泊松比 和弹性模量 ，结果见表 2 。由表 2可知，1 岩心和 2 岩心的泊松 比分别为 O ．0 3 5 和 O ．0 5 3 ，弹性模量分 别 为 2 ． 2 5 9和 1 ． 8 5 5 G P a； 相对于 1 岩心 ，2 岩心的 弹性模量较小，泊松比较大，说明经仿生固壁剂溶液 热滚后的岩心抵抗应变能力较差 ， 且软可塑 ； 2 岩心 的破坏强度却明显高于原始岩心，这是因为仿生固壁 剂侵入岩心孔隙内部后形成了黏附性和内聚力较强的 凝胶 ，从而使岩心颗粒间的胶结发生了变化。 表 2 1 和 2 岩心的岩石力学参数 1 ． 3 仿生钻井液常规性能优化 新体系是在原复合盐钻井液体系配方 的基 础上，添加仿生固壁剂 G B F S ． 1 和仿生页岩抑制剂 YZ F S ． 1 等试 剂优化而得。加入 的仿生处理剂能够在 井壁表面形成较强内聚力和黏附陛的凝胶 “ 仿生壳” ， 起强化井眼稳定的作用 ] 。根据大量室内单剂评价实 验，确定仿生固壁剂 G B F S ． 1 加量为 3 ％、仿生页岩 抑制剂 Y Z F S 一 1 加量为 1 ． 5 ％。为控制体系的高温高 压滤失量，对体系中的一些试剂用量进行调节，如增 加降滤失剂 S MP ． II 的用量 ， 加入降滤失剂 s F ． 1 ，调 整抗盐降滤失剂 R e d u l 的用量等，结果见表 3 。 0 3 ％膨润土 0 ． 2 0／ 0 Na O H 1 ． 5 ％Re d u l 1 ％L HJ S _ 3 1 ． 5 ％K J A N 1 O ％We i 曲2 8 ％KC l 2 ％NF A 一 2 5 2 ％Y K H 1 ％GF R一 1 2 ％S MP ． Ⅱ ‘轮％Ba s 1 3 ％膨润土0 ． 4 ％Na OH3 ％GBFS ． 1 1 ％ Re d u l 1 ． 5 ％KJ AN6 ％S MP Ⅱ1 0 ％We i g h 2 8 ％KCl 1 ． 5 ％YZF S 一 1 2 ％NF A一 2 5 2 ％YK． Hl ％GF R一 1 4 2 ％ Ba S 04 2 5 ％Na Cl 2 1 2 ％ SF． 1 3 3 ％膨 润土 0 5 ％N a O H 1 ． 5 ％R D d u l 3 ％G B F 1 1 ． 5 ％KJ AN 2 ％S MP I [ 2 ％S F l 1 0 ％We i g h 2 8 ％KCl 1 ．5 ％YZF S l 2 ％NF A． 2 5 - 卜 2 ％YK- H 1 ％GFR 一 1 4 2 ％B a S O4 2 5 ％ Na C1 表 3 不同钻井液老化后性能 1 5 0 o C、1 6 h 测 试／配 ／ F L ／F L H T H P ／ AV ／ P G P f ／ o C方2 ／ c m mL mL mP a． s mP a． s P a P a ／ P a p H 1 1 ． 4 5 2 ． 4 6 0 ． 0 2 1 ． 5 1 9 2 ． 5 0 ． 5 ／ 2 ． 0 7 ． 5 5 0 2 1 ． 4 5 2 ． 4 1 2 ． 8 2 2 ． 0 2 0 2 ． 0 0 ． 5 ／ 1 ． 0 8 ． 0 3 1 ． 4 3 1 , 9 3 ． 2 4 0 ． 5 3 3 7 , 5 1 ． 0 ／ 2 ． 5 8 , 5 由表 3 可知 ，仿生固壁剂 G B F S ． 1 和仿生抑制剂 Y Z F S ． 1 与原复合盐钻井液体系配伍性良好 ； 3 钻井 液具有良好的流变性和较低的滤失量，因此选为基础 配方 。 1 ． 4 仿生钻井液抑制性能评价 为了考察钻井液对井壁的稳定性，采用仿生钻井 液体系对家 3 区块的岩屑做滚动回收实验，并与原复 合盐钻井液体系进行对比。取 2 0 g 家 3区块的岩屑 2 ． 0 0 2 ． 8 0 r ll l n ，在 1 5 0℃滚动 1 6 h ，用饱和盐水 洗涤岩屑 ，烘干称重 ，结果见表 4 。 表 4 岩屑滚动回收率 1 5 0℃、1 6h 由表 4可知，无论是盐膏岩还是膏泥盐岩屑的滚 动回收率，仿生钻井液体系都远高于未加仿生处理剂 臼 f f 盟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 钻井液与完 井液 2 0 1 5 年 1 1 月 的体系， 说明仿生钻井液体系具有较强井壁稳定作用。 1 ． 5 仿生钻井液抗钙侵能力评价 对家 3区块 已完成井在盐膏段钻进过程 中的钻 井液滤液进行分析，发现滤液中 c a 2 含量在 1 5 0 0 2 0 0 0 mg ／ L之间，因此用 0 ． 6 ％C a C 1 2 来评价体系的抗 钙性能。在 3 配方 中加入 0 ． 6 ％C a C 1 4 配方 ，之 后在 配方中加入 1 ．5 ％K 2 S O 控制钻井液中c a 2 含 量 5 配方 ，最后在 5 配方基础上调整 Re d u l 的含 量 6 配方 ，控制体系的高温高压滤失量，结果见 表 5 。钻井液配方如下。 4 3 0 ． 6 ％CA C1 2 5 4 1 ． 5 ％K2 SO4 6 3 ％膨润土 0 ．4 ％Na 0 H 2 ％R e d u l 3 ％G B F S 一 1 十 1 ． 5 ％KJ AN2 ％S MP I I 2 ％S F - 1 1 0 ％We i g h 2 8 ％ KCI I ． 5 ％YZ FS 一 1 1 ． 5 ％K S O4 2 ％NF A一 2 5 2 ％YK H I ％GF R一 1 4 2 ％BA S O4 2 5 ％Na Cl 0 ． 6 ％Ca C 1 2 表 5 仿生钻井液抗钙侵能力评价 1 5 0℃老化 1 6 h 注 测试温度为 5 0 。 由表 5 可知，加入 0 ． 6 ％ C a C 1 除对钻井液高温高 压滤失量有一定影响外 ， 其他各项性能指标变化不大 ； 通过加入 K 2 S O 控制c a 含量和调整 R e d u l 加量，钻 井液滤失性和流变性即可满足盐膏层井段钻井的要求。 2 现 场 应 用 2 ． 1 地质概况 该区块馆陶组地层中的细砾岩易垮、易漏，二 开套管下至馆陶组底部 ，三开地层为东营组和沙河街 组。东营组上部软泥岩易造浆，东营组下部灰黑色碳 质泥岩和沙一段油页岩硬脆 ，易垮塌。垂深 3 3 0 0 ～ 3 6 3 5 1T I 的沙二段地层主要为盐膏层井段，为盐岩和 膏泥岩混层 ，易发生盐溶 、吸水膨胀和蠕动缩径 ，导 致井下复杂。沙一下和沙二上断层多 ，沙三为主力储 层， 砂岩孔隙发育，地层压力系数低，易发生井漏。 2 ． 2 现场钻井液处理情况 在三开前彻底清理地面循环罐沉砂，并测定二开 完钻钻井液的膨润土含量，留出部分二开老浆，用抗 盐大分子包被剂 I N D 一 1 0 和抗盐降失水剂R e d u l 配成 稀胶液稀释循环罐及井内钻井液，降低钻井液膨润土 含量 至 3 0 4 0 mg m，再 加入 1 0 ％We i g h 2和 7 ％K C 1 将钻井液转化成 K C 1 一 有机盐钻井液体系并加重，调 整钻井液密度为 1 ．2 5 ed c m 3 ，表观黏度为 5 0 ～5 5 S ， A P I 滤失量小于 6 mL，开钻。 ①钻进至东营组下部见灰黑色碳质泥岩前，在 使 用 I N D ． 1 0和 R e d u l 维 护钻 井 液性 能 的基 础 上 逐 步 以 胶 液 的 形 式 加 入 1 ． 5 ％K J AN、3 ％G BF S 一 1 、 1 ．5 ％ Y Z F S ． 1 、2 ％ N F A ． 2 5； 同时降低 I N D 一 1 0 的含量 至0 ． 1 ％ 以下 ， 并逐步提高钻井液密度至 1 ．3 5 g ／c r I1 3 。 ②进入沙一段后，对照室内3 配方的比例，不断补 充各种处理剂加量至相应范围，除 3 种盐以固体方 式直接加人钻井液外，其他处理剂均配成胶液加入， 并保证钻井液密度不低于 1 ．4 3 g ／ c r n 3 。③进入盐膏层 井段，钻井液密度提高至设计上限 1 ．4 8 g ／ c m ，以增 强钻井液对井壁的力学支撑 ； 每 8 h测一次钻井液 的c r含量，要求不低于 1 5 1 0 m g ／ L ，以保证钻 井液微欠饱和，若偏低，则及时补足 N a C 1 含量，以 平衡盐岩层的盐溶速率和缩径速率，确保井径规则。 根据钻井液消耗情况，及时补充钻井液中仿生固壁 剂 G B F S ． 1 和仿生抑制剂 Y Z F S ． 1 及封堵类防塌剂的 含量不低于 3 配方中的比例，以确保钻井液的封堵 能力，提高井壁岩石强度 ； 使用 R e d u l 配合 K J A N、 S MP ． 1 1 、S F 一 1 控制钻井液高温高压滤失量不大于 1 0 mL，以减小钻井液滤液对地层 的侵入 ，进一步减小 由水化作用造成的井壁失稳。在盐膏层钻进时 ，工程 方面采取降转速、降排量和 “ 进一退二”的措施，同 时每打完一个单根，坚持正划眼、 倒划眼， 在确保起 下畅通无阻后再接单根，要求每钻进 1 0 0 -- 1 5 0 1T I 短 程起下钻一次，防止地层缩径卡钻。④加强四级固控 设备的使用，用好离心机，降低钻井液的劣质固相含 量。⑤钻完进尺后 ， 充分循环钻井液， 保持井 眼清洁 ， 加入润滑剂和防塌剂封闭沙一至井底 ，为电测和下套 管固井做好准备。 2 ． 3 应用效果 家 3 - 2 1 X井三开使用仿生钻井液性能及返砂 况见表 6和图 2 。由表 6和 图 2可知 ，仿生钻井液舅 有 良好的流变性和较低的滤失量 ，造浆井段返出岩 成型，盐膏层井段返出岩屑棱角分明，代表性强，井 见较大剥落掉块。说明仿生钻井液可有效抑制东 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m