长宁页岩气水平井固井前置液体系研究及应用_刘明利.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-18修回日期 2019-12-19 作者简介 刘明利 （1981-） ，男 （汉族） ， 内蒙古通辽人， 工程师， 现从事固井方面工作。 长宁页岩气水平井固井前置液体系研究及应用 刘明利* （中国石油集团大庆钻探钻技一公司， 黑龙江 大庆 163000） 摘要 页岩气水平井井壁失稳一直是钻井工程的难题， 在钻井过程中， 普遍采用油基钻井液。为提 高顶替效率， 保证安全施工， 分析了页岩气固井前置液须具备的特点上， 设计了高密度冲洗型抗污染 隔离液体系， 并进行了润湿反转性能、 冲洗效率及相容性等性能评价， 其电导率可达0.99， 冲洗效率 可达98， 可有效反转、 隔离、 驱替油基高密度钻井液， 现场应用后取得了较好的效果。 关键词 固井； 页岩气； 前置液； 油基钻井液 中图分类号 TE256.6 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0041-04 川渝页岩气藏资源量丰富， 随着常规天然气资源的 不断枯竭， 页岩气等非常规天然气资源正成为开发的热 点。页岩气水平井井壁失稳一直是钻井工程的难题， 因 此在页岩层钻进过程中， 普遍采用具有润滑性好、 抑制 性强、 以及储层保护性好等特点的油基钻井液[1]。 但油基钻井液与常规水基钻井液相比， 一般具有 高粘、 高切以及高附着性等特点， 油基钻井液附着在井 壁和套管上形成的泥饼更加难以清除， 同时会使井壁 和套管表面由原来的亲水性转变为亲油性， 水泥浆同 地层与套管之间胶结质量变差， 严重影响固井质量， 对 后期的储层改造极为不利[2]。此外油基钻井液对与水 泥浆之间的相容性差， 会对固井施工安全带来较大的 风险。 1前置液体系设计 从现场实践可知， 若要提高油基钻井液条件下的 固井质量， 须将残留在套管和地层上钻井液顶替干净， 而采用具有润湿反转和剥离作用的前置液体系是解决 上述问题的关键。 固井前置液按照作用特点可以分为冲洗液和隔 离液。冲洗液主要作用就是调整、 稀释钻井液的流 变， 冲刷井壁和套管壁的虚泥饼； 隔离液的主要作用 就是缓冲、 隔离钻井液， 避免水泥浆与钻井液发生接 触污染。 针对页岩气页岩层固井的特殊性， 前置液体系须 具备以下特点 ①具有良好的润湿反转能力， 将地层与 套管壁上的油基钻井液由亲油特性转变为亲水特性。 ②具有较强的剥离作用， 有效清除油基钻井液， 提高固 井质量。③具有一定的抗污染能力， 防止水泥浆与钻 井液接触后， 浆体变稠， 给固井施工带来安全风险。④ 与钻井液、 水泥浆之间可形成切力梯度， 防止流体窜 槽， 提高顶替效率。⑤为防止页岩层膨胀， 须尽可能不 采用冲洗液， 防止页岩层膨胀， 造成井壁失稳。 根据以上原则， 本文设计了冲洗型抗污染隔离液， 将冲洗剂直接加入隔离液中， 提高隔离液对钻井液的 润湿反转能力和冲洗能力， 同时通过合理设计稀释剂 和悬浮剂的加量， 保证隔离液稳定性和流变性能， 具体 组成见表1。 2冲洗型抗污染隔离液性能评价 2.1润湿反转性能评价 本文利用润湿反转测试仪 （如图1所示） ， 通过测定 隔离液与钻井液混合相的电导率， 测试前置液对固井界 面的润湿改性效果。具体测试方法 浆杯转速固定 1000r/min， 将隔离液体系电导率标定为1.0， 倒出浆杯 中隔离液冲洗干净并晾干， 将一定量的油基钻井液倒入 浆杯， 搅拌1min， 电导率为0， 此时每隔一定时间分别加 入不同量的隔离液， 或加入定量的隔离液， 测定不同时 间下电导率， 其电导率越接近于1， 其润湿反转程度越 高。 冲洗剂加量一定的情况下， 不同接触时间下， 其电 导率试验结果不同 （如表2所示） 。在加入定量隔离液 后， 随着接触时间的延长， 其电导率逐渐增大， 在15min 时后电导率趋于稳定， 并达到最大， 因此现场应尽可能 41 2020年第10期西部探矿工程 让隔离液接触钻井液的时间达到15min以上。 对不同冲洗剂加量的隔离液进行了电导率测试， 其结果如表3所示。随着冲洗剂加量的提高， 同一时间 下电导率逐渐增大。在冲洗剂加量为10时， 其电导 率为0.99， 基本将钻井液由亲油反转为亲水。 序号 1 2 3 BCS-010L 0 5 10 电导率 1min 0 0.15 0.20 2min 0.12 0.64 0.78 5min 0.15 0.70 0.85 10min -- 0.72 0.90 15min 0.15 0.74 0.99 表3不同冲洗剂加量下电导率试验结果 隔离液组成 水 加重剂 驱油冲洗剂 悬浮剂 稀释剂 降失水剂 缓凝剂 消泡剂 规格型号 现场水 重晶石 BCS-010L BCS-040S BCS-021L BXF-200L （AF） BXR-200L G603 作用 调节隔离液密度 提高隔离液密度 润湿反转钻井液 保证隔离液稳定性 调节隔离液流变性能 降低隔离液失水 保证相容性试验 消除隔离液气泡 表1抗污染冲洗型隔离液组成 图1润湿反转测试仪 2.2冲洗效果性能评价 选用ZNN-D6型六速旋转粘度计进行冲洗效率模 拟实验， 其具体评价程序为 ①将油基钻井液倒入六速旋转粘度计杯中， 称取 粘度计杯子及钻井液重量W0； ②将旋转粘度计外筒浸 入油基钻井液中 （如图 2 所示） ， 在 200r/min 下搅拌 5min， 静滴3min， 称取杯子及钻井液重量W1； ③将配好 的隔离液倒入旋转粘度计杯中， 称取杯子及隔离液重 量W2； ④将沾满油基钻井液的旋转粘度计外筒在隔离 液中冲洗8min， 静滴3min， 称取杯子及隔离液重量W3 η （冲洗率） ＝冲掉钻井液质量/附着钻井液质量 100＝[W3-W2/W0-W1]100 冲洗型隔离液具有良好的冲洗效果 （如表4和图3 所示） ， 驱油冲洗剂可有效渗透到油基钻井液内部， 有 效地降低井壁和套管壁上钻井液的粘附程度， 使其在 接触时间内脱落清除， 从而提高界面胶结质量。 表2不同接触时间电导率试验结果 测定时间min 1 5 10 15 20 电导率 0.20 0.60 0.65 0.72 0.72 42 2020年第10期西部探矿工程 表4不同密度下隔离液冲洗效率 隔离液密度g/cm3 2.0 2.10 2.20 冲洗效率 95 97 98 2.3流变及相容性性能评价 隔离液流变性能设计是页岩气产层固井的关键， 良好的流变性能有利于降低摩阻、 提高施工排量和顶 替效率， 保证固井质量。通过加入稀释剂、 悬浮剂等外 加剂， 在保证高密度隔离液稳定性的基础上， 根据钻井 液、 水泥浆的流变性能， 合理设计和调整隔离液流变性 能， 保证顶替效率。 依据壁面剪切应力复合理论原理钻井液、 隔离液、 水泥浆要保持一定的切力 （如表5所示） ， 在一定程度上 可防止流体窜槽， 有利于提高顶替效率。 流体 钻井液 隔离液 领浆 尾浆 Φ600 125 138 -- -- Φ300 75 85 200 232 Φ200 56 65 153 171 Φ100 34 44 91 107 Φ6 7 15 13 23 Φ3 4 10 7 15 PV （mPas） 50 53 163 188 YP （Pa） 12.8 16.4 18.6 22.7 表5固井流体流变性能 图2附着油基钻井液图3隔离液冲洗后效果 通过合理设计隔离液稀释剂的加量， 不仅可以改 善隔离液的流变性能， 还可提高隔离液、 水泥浆、 钻井 液之间的相容性， 降低混浆的稠度， 延长混浆稠化时 间， 保证施工安全。 3现场应用效果 宁209H10-X为长宁区块一口页岩气水平井， 该 井完钻井深5130m， 水平段长1800m， 139.7mm套管 下深5127m， 完钻油基钻井液密度2.00g/cm3。 设计注入2.10g/cm3高效冲洗隔离液20m3， 利用固 井模拟软件进行了顶替效率分析 （图4所示） 和钻井液残 留风险分析 （图5所示） ， 顶替效果较好， 钻井液残留风险 低。固井施工过程正常， 施工过程中未出现激动压力， 返出正常， 最终产层水平段固井质量优质率达97.7。 4结论 （下转第46页） 图4顶替效率分析 43 2020年第10期西部探矿工程 数和地质参数， 避免工程复杂问题并提高中靶率[6-7]。 水平井水平段优化设计钻具组合 215.9mm钻 头165.1mm 旋转导向钻具浮阀165.1mmL- WD127.0mm无磁加重钻杆9.30m127.0m斜 坡钻杆127.0mm加重钻杆334.80m127.0mm 钻杆。 设计水平井一开R235H钻头平均机械钻速最高为 31.71m/h； 二开 M1656RS 钻头平均机械钻速最高为 7.67m/h。 6.4钻井液体系优选 一开采用膨润土钻井液体系， 成本低且保护浅水 层； 二开采用ULTRADRILL水基钻井液体系， 该体系 施工时摩阻低、 扭矩低， 现场返砂效果好， 无阻卡等复 杂情况， 该体系可有效稳定嫩江组和青山口组泥页岩 井壁， 且具有良好的润滑性及泥岩抑制性， 能够满足环 保要求和钻井施工安全。 7应用效果 X区块共设计12口水平井， 共5个平台， 实际平均 完钻井深2763m， 设计平均水平段长度967m， 实钻平 均水平段长度932m， 平均钻遇砂岩长度724m， 钻遇率 达到78。 设计平台布井节省费用 一是征地费用； 二是钻井 液可以进行重复利用； 三是平台井搬迁节省费用， 每口 井节省搬迁0.3d； 保证了工序及时衔接， 提高工厂化钻 井施工时效， 缩短钻井周期， 降低钻井成本， 累计节省 800余万元。 8结论 （1） 平台水平井技术适用于X区块低渗透、 薄油层 油藏， 可以较大程度地改善油藏的生产效果。 （2） 合理的井眼轨道设计、 钻具组合设计， 有利于 井眼轨道控制并精确中靶， 提高机械钻速， 缩短钻井周 期， 降低钻井成本。 （3） 按照 “完钻一口， 评价一口， 设计一口” 的指导 思路， 积极开展储层研究工作， 对储层重新进行评价， 进而提高储层钻遇率。 （4） 通过平台井总体优化设计、 井口布局优化设 计、 防碰绕障设计、 工厂化施工， 达到提速、 提质、 增效 的目标。 参考文献 [1]杲传良.水平井钻井技术在石油勘探开发中的应用与发展 [J].山东科技大学学报 自然科学版， 2000， 19 （2） 117-119. [2]张春梅.英台地区黑帝庙油层勘探评价水平井技术及应用 [J].大庆石油地质与开发， 2015， 34 （3） 29-35. [3]葛云华.从式水平井钻井平台规划[J].石油勘探与开发， 2005， 32 （5） 94-100. [4]王现华.致密砂岩油水平井 “平台化” 设计关键技术及应用 以松辽盆地北部扶余油层为例[J].石油化工高等学校 学报，2016， 29 （1） 21-30. [5]靳金荣， 滕春鸣， 刁意舒， 赵冬云， 周建设.赵东平台C∕D区块 水平井钻井完井配套技术[J].石油钻探技术， 2011， 39 （5） 27-30. [6]孙明光.钻井、 完井工程基础知识手册[M].北京 石油工业出 版社， 2002 257-260. [7]巴树松， 许孝顺.应用随钻测井技术提高水平井开发效果[J]. 石油钻探技术， 2003， 31 （4） 12-14. （上接第43页）（1） 针对页岩气页岩层固井的特殊性， 提出了页岩 气产层固井前置液体系须具备的特点。 （2） 针对页岩气固井前置液体系设计原则， 设计了 冲洗型抗污染隔离液， 并对其润湿反转效果、 冲洗效率 进行了评价， 电导率最高可达0.99， 可将油基钻井液由 亲油特性反转为亲水特性， 且对油基钻井液的冲洗效 率可达98。 （3） 冲洗型抗污染隔离液流变性能可调， 与油基钻 井液、 水泥浆具有良好的相容性， 现场应用效果良好。 参考文献 [1]袁进平，于永金，刘硕琼，等.威远区块页岩气水平井固井技术 难点及其对策[J].天然气工业，2016，363. [2]童杰，李明，魏周胜，等.油基钻井液钻井的固井技术难点与对 策分析[J].钻采工艺，20146. 图5钻井液残留风险分析 46