沙11井下部地层井壁稳定钻井液技术.pdf

2 0 1 5年 5月 邱春阳等． 沙 1 1 井下部地层井壁稳定钻井液技术 沙 1 1井下部地层 井壁稳定钻 井液技术 邱春阳， 温守云， 张海青 中国石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司， 山东东营 2 5 7 0 6 4 摘要针对沙 1 1 井区块下部地层岩性复杂， 确定使用聚胺润滑防塌钻井液 ， 室 内试验结果表 明， 其抑制性强 ， 8 h岩心膨胀高度仅 1 ． 3 7 m m， 岩屑回收率达 9 2 ． 6 ％， 并具有良好的封堵性和润滑 性。施工中采用合理密度支撑 一强抑制 一强封堵 一 辅助润滑措施， 解决了吐谷鲁群组地层水敏性 泥页岩垮塌、 侏罗系煤层和硬脆性泥质岩垮塌的难题， 顺利钻至目的层。 关键词沙 1 1 井聚胺钻井液井壁稳定 沙 1 1 井位于准噶尔盆地达巴松凸起沙窝地斜 坡， 是一 口重点预探井 ， 设计井深 4 7 7 0 ． O 0 i n ， 钻探 目的为了解中部 1区块沙窝地地区侏罗系三工河 组及八道湾组砂体含油气情况。采用三开制井身 结构钻进。一开 卅4 4 ． 5 i n l n钻头钻深 7 0 6 ． O 0 m， 4, 3 3 9 ． 7 t ri m表套下深 7 0 5 ． 7 5 m； 二开 4, 3 1 1 ． 2 m m 钻头 钻 深 3 3 7 6 ． O 0 m， 4 , 2 4 4 ． 5 m m 技 套 下 深 3 3 7 4 ． 8 6 m； 三 开 4, 2 1 5 ． 9 m i n钻 头 钻 至 井 深 4 7 0 0 ． O 0 m 完钻， 4, 1 3 9 ． 7 ra in 技套下深4 6 9 4 ． 5 9 m 完井 。该区块上部地层钻进顺利 ， 钻速快 ， 但 由于 白垩系吐谷鲁群组及以下地层地质情况复杂 ， 井壁 失稳频发生 ， 严重延长钻井周期。为保证钻井施工 顺利， 提高勘探开发效率， 优选了聚胺润滑防塌钻 井液， 配合相应的钻井液现场维护处理工艺， 顺利 钻至目的层 ， 为该区块下步勘探开发奠定了基础。 1 钻井液技术难点 沙 1 1 井 自上而下钻遇新近系沙湾组和紫泥 泉子组 、 白垩系东沟组和吐谷鲁群组 、 侏罗系西山 窑组 、 三工河组和八道湾组 、 三叠 系白碱滩组 ， 复 杂情况多发井段主要在 白垩系吐谷鲁群组及其下 部地层 ， 钻井液技术难点如下 1 吐谷鲁群组沉积较厚 ， 上部地层泥页岩水 敏性强， 吸水后膨胀分散， 造成起下钻阻卡； 下部 地层泥页岩和砂岩互层频繁 ， 砂岩吸水后强度 降 低， 造成其上支撑的泥岩垮塌， 最终造成互层砂岩 垮塌的恶性循环。 2 西山窑组煤层发育， 泥页岩中夹杂煤线， 局部泥岩和煤岩互层 。煤层性脆 ， 抗拉及抗压强 度低 ， 在外力撞击 下易破碎 、 坍塌 ； 煤岩坍塌促使 其上支撑的泥页岩坍塌 ， 形成“ 大肚子” 井眼。 3 三工河组和八道湾组地层岩性坚硬 ， 研磨 性强 ， 地应力作用 强l 1 ] ， 施 工 中如果钻 井液密度 低 ， 液柱压力不能平衡地应力 ， 地应力释放导致井 壁掉块严重， 且掉块不易破碎， 易造成卡钻事故。 4 二开井眼大， 使用大尺寸钻头钻进产屑量 大 ， 由于钻井液环空返速低 ， 岩屑在上返过程中会 黏附在井壁上 ， 形成虚厚泥饼 ， 造成起下钻遇阻或 沉砂卡钻事故。 5 三 开地层 可钻性差 ， 导致钻 井施工周 期 长， 裸眼井段在钻井液中长时间浸泡、 各种工况下 钻进液液柱压力变化及未知因素严重影响三开裸 眼井段 的井壁稳定。 2 井壁稳定技术措施 1 钻至吐谷鲁群组， 使用大分子聚合物和抑 制剂 ， 保证抑制剂和大分子 聚合物在钻井 液中含 量充足， 使聚合物能有效包被絮凝钻屑 ， 防止泥页 岩发生水敏性垮塌 ； 防止岩屑分散在钻井液中形 成虚泥饼导致缩径卡钻。 2 钻至侏罗系地层， 使用封堵剂， 通过钻井 液在井壁上形成 良好泥饼 ， 对煤层 、 孔隙及裂缝进 行严封堵 ， 防止钻井液滤液侵入地层孔隙和微裂 缝 ； 有效发挥钻井液液柱压力对井壁 的物理支撑 作用 ， 稳定井壁。 3 保持钻井液具有合适 的流变性 ， 使钻井液 具有适宜的悬浮携带能力 ， 能将井底掉块带出， 净 化井眼 ； 在煤层段保证钻井液在环空 实现“ 平板 层流” ， 减少流体对井壁的冲刷 ， 防止井壁失稳 。 4 适宜的钻井液密度 ， 保证钻井液液柱压力 对井壁形成正压差 ， 依靠钻井 液液柱压力平衡地 收稿 日期 2 0 1 5 0 31 9 。 作者简介 邱春阳， 工程师， 硕士， 主要从事钻井液体系研究 和技术服务工作 。 2 精 细 石 油 化 工 进 展 A D V A N C E S I N F I N E P E T R O C H E M I C A L S 第 l 6卷第 3期 层坍塌压力， 保证井壁稳定。 3 钻井液体系研究 3 ． 1 钻井液体 系配方 通过调研 国内深井 及煤层 钻井 液使 用情况 ， 结合邻井钻井液使用情况 ， 针对沙 1 1井 地层岩性及施工 中钻井液技术难点 ， 经钻井液优 选 ， 确定使用聚胺润滑防塌钻井液 ， 基本配方为 3 ． 0 ％ ～5 ． 0 ％ 膨润土 0 ． 3 ％ 一0 ． 5 ％ N a O H 0 ． 2 ％ ～0 ． 3 ％N a 2 C O 3 0 ． 3 ％ ～ 0 ． 4 ％ 聚丙烯 酸钾 K P A M 0 ． 5 ％ ～1 ． 5 ％ 有 机胺 1 ． 5 ％ ～3 ． O ％ 无 水聚合 醇 WJ H一1 2 ． 0 ％ 一 3 ． 0 ％ 耐温抗盐防塌降滤失剂 K F F一2 2 ． 0 ％ ～3 ． 0 ％ 磺化酚醛树脂 S M P一2 3 ． O ％ ～4 ． 0 ％ 抗 盐抗 钙降 滤失 剂 J Z C一1 2 ． 0 ％ ～3 ． 0 ％ 阳离 子 防塌 剂 wF T一6 6 6 2 ． 0 ％ ～3 ． 0 ％ 井壁稳定剂 H Q一1 1 ． 0 ％ 一 2 ． 0 ％ 非渗透处理剂 L W 一7 2 ． 0 ％ 一 4 ． 0 ％ 超细碳酸钙 2 ． 0 ％ ～3 ． 0 ％ 白油 0 ． 5 ％ 一 1 ． 0 ％ 硅氟稀释剂 。 3 ． 2 作 用机 理 有机胺分子 中含多个独立的胺基 ， 其可充填 在黏土颗粒晶层间 ， 并将他们束缚在一起 ， 有效减 少黏土的吸水倾向； 另有机胺在体系中显碱性， 并 使体系 p H长时间保持在碱性范围内， 使钻井液 中各处理剂效能得到有效发挥 ， 因此 ， 其抑制作用 具有长效性 』 。 聚合醇具有“ 浊点效应” ， 当地层温度低于浊 点温度时 ， 聚合醇吸附在钻具和固体颗粒表面 ， 形 成憎水膜 ， 阻止泥页岩水化分散 ， 稳定井壁 ， 改善 润滑性 ， 防止钻头泥包。当地层温度高于其浊点 温度时 ， 聚合醇从钻井液中析出， 黏附在钻具和井 壁上 ， 封堵岩石孔隙， 阻止滤液渗入地层 ， 实现稳 定井壁的作用 J 。 阳离子防塌剂 由于带高的正 电荷 ， 中和能力 强 ， 架桥作用好 ， 能以较快的速度和较强 的静 电作 用力 ， 以单分子层形式覆在黏土上 ， 使黏土 比表面 和表面负电荷大大下降， 使黏土的水敏性基本丧 失 ， 起到稳定黏土的作用 1 o ] 。 非渗透处理剂 的引入增强 了体系 的封堵 性 能， 因为非渗透处理剂能在井壁岩石表面形成致 密非渗透封堵薄膜， 有效封堵不同渗透性地层和 微裂缝泥页岩地层 ， 稳定井壁 。 4 钻井液性能评价 4 ． 1 抑 制性 能 采用 页岩线性膨胀实验 和抑制 岩屑分散 实 验 ， 考察聚胺润滑防塌钻井液的抑制性 ， 结果见表 l 。聚胺润滑防塌钻井液抑制性强 ， 8 h岩心膨胀 高度仅 1 ． 3 7 m m， 岩屑回收率达 9 2 ． 6 ％， 显著高 于聚磺防塌钻井液。这说明聚胺润滑防塌钻井液 的抑制性强于聚磺 防塌钻井液 ， 有机胺抑制剂和 无水聚合醇 的加入增强 了体系抑制性 ， 防止泥页 岩 的水化膨胀分散。 表 1 钻井液的抑制性能 钻井 液8 h岩心膨胀高度／ mm 岩屑 回收率／ ％ 4 ． 2封堵性能 按配方配制聚磺防塌钻井液和聚胺润滑防塌 钻井液， 聚磺防塌钻井液配方 4 ． 0 ％ 一 5 ． 0 ％ 膨润土 0 ． 2 ％ 一0 ． 4 ％ 聚丙 烯酸钾 K P A M 3 ． 0 ％ ～5 ． 0 ％磺 化 酚 醛 树 脂 S MP一2 2 ． 0 ％ 一 4 ． 0 ％ 褐 煤 树 脂 S P N H 3 ． 0 ％ ～ 5 ． O ％ 低 荧 光 磺 化 沥 青 Z X 一8 3 ． 0 ％ 一 5 ． 0 ％ 超细碳酸钙 ， 加入直径为 3 0～ 4 0目的石英 砂管中， 固定后加压 0 ． 6 9 MP a ， 考察钻井液 的封 堵防塌能力 ， 结果见表 2 。聚磺 防塌 钻井液加压 1 5 ，6 0 m i n后 侵 人 砂 床 的深 度 分 别 为 1 ． 3 ， 4 ． 2 c m； 而聚胺润滑 防塌钻井液相对应 的深度分 别为 1 ． 2 ， 2 ． 6 c m， 说明聚胺 润滑 防塌钻井液封堵 能力强 ， 短时间内形成承压封堵带 ， 施工中能防止 钻井液滤液向地层渗透 。 表 2 钻 井液的封堵性能 4 ． 3 润滑性能 采用滑块摩 阻系数测定仪 ， 考察 聚胺润滑 防 塌钻井液的润滑性能 ， 结果见表 3 。与聚磺防塌 钻井液相 比， 聚胺润滑防塌钻井液摩阻系数低 ， 具 有良好的润滑性， 施工中能降低产生的摩阻和扭 矩 ， 防止卡钻事故的发生 。 2 0 1 5年5月 邱春阳等． 沙 1 1 井下部地层井壁稳定钻井液技术 3 表 3 钻井液的润滑性能评价 钻井液 摩 阻系数 聚磺 防塌钻井液0 ． 0 8 聚胺润滑 防塌钻井液0 ． 0 5 5 现场聚胺润滑防塌钻井液施工工艺 聚胺润滑防塌钻井液从二开下部吐谷鲁群组 开始使用 ， 在东沟组底部钻进 中， 按照配方低 限加 人各种钻井液处 理剂， 将钻井 液由聚合物钻井液 转变为聚胺润滑防塌钻井液 ， 施工 中钻井液维护 处理工艺如下 5 ． 1 吐谷鲁群组钻井液维护处理 1 钻井液密度控制在 1 ． 1 5 g ／ c m。内， 钻进 中 根据实钻情况及地层压力监测情况及时调整 ， 完 井时密度提高至 1 ． 2 0 g ／ c m ， 从力学上保持井壁 稳定 。 2 漏斗黏度控制在 5 0 s ， 在保证钻井液悬 浮 携带能力的前提下 ， 保持钻井液的低黏低切 ， 增加 钻井液环空返速 ， 适当冲刷井壁 ， 防止形成虚厚泥 饼 。二开中完 ， 配制高黏高切钻井液泵人井 中， 将 井底掉块及岩屑带出， 净化井眼。电测前 ， 配制润 滑封井浆封住井深 2 4 0 0 m 以下 9 0 0 m裸 眼段 ， 保证中完作业顺利进行。 3 上部地层 中压滤失量控制在 68 m L ， 适 当冲刷水敏性泥页岩地层 ； 下部 地层 中压滤失量 控制在 5 m L以内， 减弱泥页岩的吸水倾向。 4 大分子聚合物 K P A M 含量大于 0 ． 4 ％， 保 证聚合物包被并絮凝钻屑 ， 防止其分散在钻井液 中而导致钻井 液流变性差 。有机胺含量 控制在 1 ． 0 ％， 无水聚合醇含量控制在 3 ． O ％ ， 抑制水敏 性泥页岩膨胀 。 5 使用 1 ． 5 ％低荧光井壁稳定剂 、 2 ． 0 ％超细 碳酸钙和 0 ． 5 ％非渗透处理剂 ， 封堵二开上部疏 松地层 ， 增加地层 的承压能力 ， 防止井漏 。 6 加入 1 ． 5 ％ 白油润滑剂 ， 增 强钻井液润 滑 性 ， 降低施工中产生的摩阻和扭矩 ， 防止发生起下 钻阻卡 。 7 钻进 中使用好 固控设备 ， 振动筛 、 除砂 器 和除泥器的使用率达 1 0 0 ％， 钻井液密度提高后， 合理使用离心机 ， 控制钻井液 中劣质 固相和低 密 度 固相含量 ， 保持钻井液具有 良好的流变性 。 8 加强短程起下钻措施 ， 每隔 2 0 0 m进行一 次短起下钻， 钻进水敏性泥岩时提高短起下钻次 数 ， 刮掉吸附在井壁上虚厚泥饼 ， 防止造成起下钻 遇阻等复杂情况。 5 ． 2 侏罗系及白碱滩组钻井液维护处理 1 密度控制 。钻井液密度控制在下 限开钻 ， 根据实钻情况及时调整 ， 西 山窑组地层出现掉块 后， 提高钻井液密度至 1 ． 2 5 g ／ c m ， 保持钻井液液 柱压力对地层 的正压差。三工河组 、 八道湾组及 白碱滩组钻进时钻井液密度控制在设计上 限， 井 下 出现掉块后 ， 提高钻井液密度 ， 平衡地应力 ， 防 止地层发生硬脆性垮塌。 2 流变性控制。以胶 液形式维护钻井液 流 变性 胶液配方 0 ． 3 ％聚丙烯酸钾 K P A M 5 ． 0 ％ 磺化酚醛树脂 S MP一 2 4 ． 0 ％耐温抗盐防塌降滤 失剂 K g I 6 ． O ％耐温抗盐钙 降滤失剂 4 ． 0 ％无 水聚合醇 1 ． 0 ％有机胺 ， 适当加入硅氟稀释 剂 ， 西山窑组钻进 中漏斗黏度控制在 6 0 S ， 在保证 钻井液悬浮携带能力的前提下 ， 控制流体 的环空 压耗 ； 进入三工河组后漏斗黏度提高至 6 5 S ， 增加 钻井液的悬浮携带能力 ， 净化井眼。 3 滤失量控制 。中压滤失量控制在 5 m L以 内， 高温高压滤失量控制在 1 2 m L以内； 随着井深 增加降低滤失量 ； 进入三工河组后 ， 中压滤失量控 制在 3 m L以内， 高温高压滤失量控制在 1 0 m L以 内， 防止泥页岩膨胀分散 。 4 抑制性控制。保证 大分子聚合物有效含 量大于0 ． 2 5 ％， 增加钻井液滤液黏度， 保证泥饼 致密性 ； 控制有机胺 含量小于 0 ． 5 0 ％ ， 保证 钻井 液具有一定 的抑制性 ， 防止有机胺加量过多弱化 钻井液的封堵性。 5 封堵性控制。使用 2 ． 0 ％ 阳离子防塌剂 、 3 ． 0 ％井壁稳定剂 、 3 ． 0 ％超细碳酸钙和 1 ． 0 ％非 渗透处理剂 ， 在钻进过程中以干剂形式补充 ， 使钻 井液能在井壁上形成严封堵层 ， 封堵煤层 、 裂缝和 微细裂缝； 隔绝钻井液液柱压力和地层压力的传 递 ， 保证钻井液液柱压力有效支撑井壁。 6 润滑性控制 。保证钻井液 中 白油含量达 2 ． 0 ％ ， 保证体系润滑性 ， 确保起下钻顺 畅。 7 固相控制 。振动筛 、 除砂器和除泥器使用 率达 1 0 0 ％， 根据钻井液中固相含量情况启动离 心机 ， 及时清除钻井液中的有害固相。 8 工程配合措施 。每钻进 2 0 0 m或每钻进 2 4 h进行一次短起下钻 ， 配合长起下 钻， 刮掉井 壁上吸附的虚厚泥饼， 修整井壁； 控制起下钻速 度 ， 下钻过程中避免在煤层段开泵 ； 开泵时先转动 4 精 细 石 油 化 工 进 展 A D V A N C E S I N F I N E P E T R O C H E M I C A L S 第 l 6卷第 3期 转盘再小排量开泵 ， 防止激动压力过大造 成井下 复杂情况。 9 完井作业 。完井后 ， 充分循环 ， 待振动筛 无返砂后， 用 1 ． O ％白油润滑剂、 2 ． 0 ％磺化酚醛 树脂 S MP一 2 、 0 ． 5 ％非渗透处理剂和 2 ． 0 ％井壁 稳定剂配制润滑封井浆封井， 确定电测及下套管 作业顺利。 6 结 论及 建议 1 聚胺润滑 防塌钻井液抑制性强 ， 配合 白油 润滑剂， 解决了白垩系吐谷鲁群组水敏性泥岩起 下钻遇阻的难题， 施工中井壁稳定， 起下钻顺畅， 中完电测及下套管一次成功率 1 0 0 ％ 。 2 聚胺润滑防塌钻井液封堵性强 ， 解决 了侏 罗系煤层垮塌及硬脆性 泥岩垮塌 的难题 ， 施工 中 井壁稳定 ， 起下钻无 阻， 井下安全 ， 完井 电测及下 套管一次成功率 1 0 0 ％。 3 全 井共 取 岩心 6桶 ， 取 岩 心顺 利 ， 进 尺 4 8 m， 岩心长 4 6 ． 8 m， 收获率 9 7 ． 5 ％ ； 二开平均井 径扩大率为 6 ． O ％， 井身质量 良好 。三开平均井 径扩大率为 1 7 ． 6 ％， 井下略有掉块， 但钻井液悬 浮携带能力强 ， 及时将掉块带出， 没有引发复杂情 况 。 4 吐谷鲁群组泥岩水敏性强 ， 施工中易造成 起下钻遇阻， 必须加强钻井液的抑制性 ， 适当加入 润滑剂， 同时配合工程短起下钻措施， 适当增加排 量冲刷， 保证井眼畅通。 5 侏罗系地应力作用强 ， 煤层及 硬脆性泥岩 垮塌严重 ， 保证井壁稳定 的关键是钻井液具有 良 好的封堵性 ， 前提是合适的钻井液密度 ， 基础是钻 井液具有 良好 的流变性 。 参考文献 [ 1 ] 曲江秀， 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u C h u n y a n g ，We n S h o u y u n ， Z h a n g Ha i q i n g D r i l l i n g E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y C o m p a n y o f S i n o p e c S h e n g l i P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o ．L t d ． ， D o n g y i n g ， S h a n d o n g 2 5 7 0 6 4 Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e c o mp l e x l i t h o l o g y o f t h e l o we r s t r a t u m a t S h a 1 1 We l l B l o c k，a p o l y a mi n e l u b ri c a t i n g a n d a n t i c o l l a p s e d ri ll i n g fl u i d wa s c h o s e n a n d u s e d ．T h e r e s u l t s o f l a b o r a t o r y e x p e rime n t h a v e s h o w n t h a t t h i s l u b ric a t i n g a n d an t i c o l l a p s e d ril l i n g flui d h a s g o o d i n h i b i t i o n p r o p e r t y wi t h t he s we l l i n g h e i g h t o f c o r e o f o n l y 1． 3 7 mm i n 8 h an d the c ut t i n g r e c o v e r y pe r c e n t o f 9 2． 6％an d tha t i t h a s g o o d p l u g g i n g p r o p e y a n d l u b ric a t i n g p r o p e r t y a s we l 1 ． T h e p r o b l e ms o f wa t e r s e n s i t i v e s h a l e c o l l a p s e o c c u r r e d fre q u e n tl y i n t h e f o r ma t i o n o f T u g u l u g r o u p a n d t h e c o l l a p s e o f J u r a s s i c S y s t e m c o a l s e a n l a n d h a r d b ri t t l e s h ale h a v e b e e n s o l v e d an d t arg e t f o r ma t i o n ha s b e e n r e a c h e d s uc c e s s f u l l y b y u s i n g r e a s o n a b l e de n s i t y p r o p p a n t ， s tro n g i n h i b i t o r ，s o n g b l o c k i n g a g e n t a n d a u x i l i a r y l u b ric a n t i n the c o n s t r u c t i o n ． Ke y wo r d s S h a 1 1 We l l ；p o l y a mi n e ；d ri l l i n g fl u i d；w e l l b o r e s t a b i l i t y