抗高温聚束钻井液在南堡3-15井的应用.pdf

第 3 1 卷 第 4期 2 0 1 4年7月 钻井液与 完井 液 DRI LL I NG F LUI D COMP LET I ON F LUI D Vo 1 ． 3 1 No ． 4 J u l y 2 0 1 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 8 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 0 5 抗高温聚束钻井液在南堡 3 1 5井的应用 王维 ， 杨波 ， 李 占伟 ， 党辉 ， 肖和 2 1 ． 中国石油冀东油田勘探开发建设项 目部 ，河北唐山 ； 2 ． 湖北汉科新技术有限公司，湖北荆州 王维等 ． 抗高温聚束钻井液在南堡 3 ． 1 5井的应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 4 1 5 ． 1 8 ． 摘要 南堡油田3号构造中深层东营组和沙河街组地层垂深在 4 0 0 0 m 以上， 地温梯度为 3 ． 6 6 ～4 ． 0 5。 c／ 1 0 0 m， 极易发生井壁失稳、井漏、C O 污染，同时储层水锁严重，地质要求对荧光进行严格控制。针对以上钻井液系列难题， 室内研究了一种抗高温聚束钻井液体系，该体系是在以往低 自由水钻井液体系的基础上，增强了钻井液高温条件下稳 定性及微纳米级泥岩孔缝封堵能力等特性。通过在南堡 3 1 5井的应用表明，该体系具有良好的流变性、润滑性、抑制 性和低滤失性，解决 了中深部地层井壁稳定和井漏问题，高温稳定，抗污染能力强，实现了长位移井段低荧光钻进， 且能提高机械钻速、缩短钻井周期。 关键词 高温 ； 聚束钻井液 ； 井壁稳定 ； C O ， 污染 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 40 4 0 0 1 5 0 4 南堡 3 ． 1 5 井位 于南堡油 田南 堡 3号构造 ，是一 口重点探井，该井设计井深为 4 9 9 9 m，井底位移为 2 2 3 2 m，预测井底温度在 1 6 0。 C以上 ，对钻井液的 润滑、抗温 陛要求极高 ； 钻遇的东营组和沙河街组地 层泥岩发育且存在微裂缝，水敏性强，易发生井壁 失稳和井漏 ，且含有 C O 气体 ，易造成钻井液污染 ； 沙河街 目的砂岩层属于中低孔 ． 低渗型储层 ，水锁伤 害严重， 此外探井地质录井对钻井液荧光控制要求高。 以上施工难点给钻井施工带来了一系列技术难题。结 合该区块的地质特征，决定采用抗高温聚束钻井液体 系。室内评价和现场应用表明 ，该体系性能稳定 、易 于维护，满足该区块快速、安全钻进要求 [1 -5 ] 。 1 抗 高温聚束钻井液体 系 通过室内实验研究，确定了抗高温聚束钻井液配 方如下。 2 ％～3 ％膨 润 土 0 ． 6 ％- - 1 ． 2 ％聚 束 剂 H MP 1 ％～2 ％ 有机铝络合剂 H O A 2 ％～3 ％ 胶 体稳定剂 H F L ． T 2 ％～3 ％ 封堵剂 HB J 2 ％～3 ％ 胶束封堵剂 HS M 2 ％～3 ％ 固壁剂 H G W 1 ％聚胺 抑制剂 H P A 5 ％ K c l 1 ． 5 ％～2 ％ 防水锁剂 H A R D 1 ％～1 ． 5 ％ 润 湿 反 转 剂 HWR 2 ％～3 ％ 润 滑 剂 H L B 0 ． 3 ％～0 ． 5 ％ 流型调节剂 HVI s 烧碱 纯碱 重 晶石 1 ． 1 聚束剂和有机铝络合剂的作用机理 聚束剂 H MP是一种高分子量聚合物 ，具有较高 的耐温和耐盐性 ，是剪切稀释性很好 的增黏剂 ，具有 很强的包被抑制能力、束缚力和封堵能力。其作用原 理是利用分子聚合物胶束中的疏水基团以类似表面活 性剂憎水基团相互聚集形成胶束方式 ，相互聚集成疏 水微区 ，导致分子内和分子问缔合 ，分子内缔合可增 加分子刚性， 而分子间缔合则可形成连续的网状结构。 因为这种分子在水溶液中由静电、氢键或范德华力作 用而在分子间产生具有一定强度但又可逆的物理缔 合，形成巨大的三维网状结构，实现对钻井液中自由 水的束缚， 降低钻井液的滤失量， 并利用其分子刚性， 在地层孔隙中形成疏水膜 ，阻隔滤液进入地层 ，因而 使胶束聚合物具有较强 的束缚水和封堵孔 隙能力 。 有机铝络合剂 HO A是通过将铝化 合物 H AC和 胶束成膜剂 H C M按一定比例共聚合成，具有铝化学 和成膜特性 利用铝化合物生成的铝沉淀在成膜剂 H C M 的胶结成膜作用下在孔喉或微裂缝 中沉积 ，达 到显著提高页岩井壁稳定性 的能力。铝化合物在 p H 值较高时，它会生成水溶性的四羟基铝阴离子，而当 第一作者简介 王维， 1 9 8 9年生， 2 0 1 0年毕业于西安石油大学石油工程系， 现在主要从事钻井液方面的监督管理工作。地址 河北省唐山市唐海县新城大街勘探开发建设项目部 ； 邮政编码 0 6 3 2 0 0；电话 0 3 1 5 8 7 6 5 7 3 7； E ma i l w w2 0 1 0 p e t r o c h i n a ． c o m．c r l 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 6 钻井液与 完井液 2 0 1 4年 ’ p H值下 降时 ，它会生成氢 氧化铝沉淀，因此利用铝 基聚合物 的这种特性来稳定井壁 。由于钻井液一般呈 碱性 ，故 当在钻井液中加入铝聚合物时 ，它是 以溶解 的络合离子形式存在。而当铝离子随钻井液滤液进入 地层时 ，遇到地层水即会生成氢氧化铝沉淀。成膜剂 Hc M 是一种可 自由流动的聚合物 白色粉末 ，很容易 乳化分散于水 中，形成稳定 的乳液 。它能显著提高铝 化合物沉淀 、 固体颗粒与页岩的黏结性及吸附成膜性 ， 增强页岩的稳定性和承压能力 。 HO A对 中深层 岩屑 的抑制性 评价 结果 见表 1 。 实验数据表明 ，有机铝络合剂 H O A对中深层岩样具 有较好 的抑制能力和稳定作用 ，大块岩样滚动后未发 生破碎 ，非常完整 ，同时回收率达 9 8 ％。 表 1 H OA对中深层岩屑 的抑制性评价 1 4 0。 C、1 6 h 注 使用 NP 2 8 8井井深 3 3 7 5 1 T I 处大块岩样 ； 用孑 L 径为 0 ． 1 8 0 mm的筛回收。 1 ． 2 胶束封堵剂和固壁剂的作用原理 胶束封堵剂 HS M 和 固壁剂 HG W 均属于微纳米 级的封堵剂 ， HS M 胶束 的形状可呈球状 、 层状 、 棒状 ， 其尺寸大小在 1 ～ 1 0 0 0 t i m之间。而固壁剂 HG W 是 憎水性的微纳米乳液，其颗粒尺寸在 0 ． 1 ～1 0 p m之 间。他们 的特点 主要是利用表面活性剂 的作用机理 ， 其 中 HS M 中含有亲水和疏水基 团，亲水 的极性基团 向着水，疏水的碳氢键聚集在一起形成疏水内核的有 序组合体 ，可以保证在钻井液中均匀分散 ，而进入井 壁后 ，在温度和压力 的作用下 ，该有序组合体破裂 ， 亲水基 团通过多点 吸附缠绕在井壁上 ，而疏水表面 膜裸露在外并互相黏结 ，在井壁上形成一层疏水膜 ； H G W 覆盖井壁岩石表面后，在压力作用下发生粒子 变形，堆积形成一层憎水胶膜。2 种材料是利用聚合 物胶束的弹性以及刚性材料的封堵特点配合使用，在 近井壁地带快速形成封堵膜 ， 从而封固井壁，阻止压 力和滤液的传递，避免微裂隙开启，提高地层承压能 力，大幅度降低井漏和避免井壁失稳。 通过室 内实验 ，在基础配方 2 ％淡水膨润土浆 O ． 2 ％Na OH 0 ． 2 ％HMP 2 ％HFL T 2 ％HBJ 2 ％HLB 3 ％KC I 重 晶 石 1 ． 3 2 g ／ c m ， 增 加 了 3 ％HG W 2 ％HS M ，2组实验对 比数据见图 1 和图 2 。由此可 知 ，添加微 纳米封堵 材料后 ，滤纸 6 h滤失量 降低 3 6 ． 9 ％，滤膜 6 h滤失量降低 3 4 ． 9 ％，在滤纸 和滤膜 都表现出很好的封闭性 。 人工岩心封堵性实验表 明 见 图 3 ，添加微纳米封堵材料后，可以明显降低钻井 液 的压力传递 ，阻止钻井液对泥页岩井壁的侵入。 4 0 3 5 3 O 2 5 2 O l 5 l O 5 r - 失 ／ h 图 1 微纳米封堵剂在高温高压滤纸上的滤失特性 l 6 l 4 l 2 l 0 8 6 4 2 0 图2 微纳米封堵剂在高温高压滤膜上的滤失特性 7 oo 6ID o 50 o 4 oo 30 o 20 o l 0 o O 压 力传迥 时同m 1 ps i 6． 8 95 k Pa 图 3 人工岩心封堵实验压力传递情况对比图 2 钻井液性能评价 2 ． 1 抗温和热稳定性能 南堡 3号构造区块地温梯度在 3 ． 6 6 ～4 ． 0 5。 C ／ 1 0 0 m，所以对体系抗高温性能和热稳定性能进行了 评价 ，结果见表 2 。由表 2可知 ，抗高温聚束钻井液 具有较好的抗温能力 ，在不同温度热滚后都具有较好 的流变性和滤失造壁性 ； 该钻井液热滚 6 4 h性能无 明显变化，说明在高温环境中具有较好的稳定性。 2 ． 2润滑性 实验数据表 明，由于润湿反转剂 HWE T的润滑 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 l 卷 第 4期 王维等 抗高温聚柬钻井液在南堡3 ． 1 5 井的应用 l 7 作用， 使体系中润滑剂、 白油和减阻剂协同配伍性好， 能够降低钻进中的摩擦系数和扭矩。表 3 表明抗高温 聚束钻井液中钢筒黏附的钻屑极少 ，说明该钻井液可 防止岩屑在金属表面的黏附聚结 ，有利于提高钻速 。 表 2 抗高温聚束钻井液的抗温热稳定性能评价 注 凡 H 在 1 8 0。 C 下测定。 表 3 钢筒在不同钻井液中黏附量比较 注 室 内使用不 同类型钻井液 2 O ％中深层钻屑粉 过 0 ． 1 5 4 1 T l l n筛 ，将钢筒在其中静置 1 6 h后测定黏附量。 2 ． 3 抗酸性气体污染能力 通过在体系中配合加入储备碱 H A S ，利用胺基 聚硅 H A S中缓慢释放 O H 一 离子稳定钻井液的p H值， 起到抗酸性气体污染的作用。从表 4 可以看出，通入 3 3 ％的C O 气体并加入储备碱的钻井液， p H值从 7 ．2 5 升至 9 ． 2 6 ，抗污染效果明显。 表 4 抗酸性气体污染 能力实验 1 5 0 、1 6h C O ／ i 渡P v| P | P l P v | F L ％ 定剂 条件 mP a ． s P a P n P a． s妒 mL p H 3 现场应 用与维护 南堡 3 ． 1 5 井三开使用抗高温聚束钻井液，使用 井段为 3 2 7 0 ～4 9 6 1 m，裸眼段长 1 6 9 1 m，垂深为 4 3 7 8 ． 7 m，完井测井温度为 1 5 7。 C，最大水平位移为 2 2 0 9 ． 1 6 m，钻遇的层位主要有东营组和沙河街组地 层。因此该构造的钻井难点全部集 中在该井段。① 流 变性和抗温性 。配浆和维护过程 中保持钻井液中含有 2 ％H MP和 2 ％HOA，东二段前维持护胶剂 H F L T含 量为 2 ％，进入东二段 以后增 加至 3 ％ ； 在钻进过程 中， 加入 H V I S 调节钻井液流型， 提高钻井液动切力， 从而提高钻井液的悬浮和携砂能力。②滤失量控制。 在配浆时按配方加足各种处理剂 ，东二段 以后确保 3 ％H B J的含量 ，控制 AP I 滤失量在 4mL以内，泥饼 厚度小于0 ．5 mm， 高温高压滤失量控制在1 2 mL 以内。 ③抑制封堵性。 抑制剂以5 ％K C 1 和 1 ％ H P A配合使用， 并保持有效加量 ； 封堵剂主要 以 2 ％HG W 、2 ％HS M 和H O A中的铝离子沉淀配合使用， 封堵泥岩微裂缝 ， 针对东 二段 、东三段大 段泥岩保 持 HG W、HS M 的 含量，进一步提高钻井液的防塌和防漏能力。④润滑 性。随着井深的增加 ，根据摩阻扭矩情况 ， 逐步增加 钻井液中润滑剂 H L B的有效含量， 完钻时保持在 5 ％ 左右，配合使用 1 ％～2 ％的白油，摩擦系数始终小 于 0 ． 1 。⑤抗污染能力。东三段以后有 C O ， 气体或是 地层气体进入井筒污染钻井液 ，随钻加入 1 ％ 储备碱 H AS ，提高钻井液 的抗污染能力 。⑥油层保护。进入 沙河街油层前 1 0 0 m，加入 2 ％H AR D和 1 ． 5 ％H WR， 控制 A P I 滤失量在 3 mL以内，清除有害 固相含量 ， 从而减小液相和固相对油层的伤害。 4效果分析 南堡 3 ． 1 5 井的现场应用效果表明，该体系在高 温条件下性能稳定 ， 表现为 良好的流变性 、 降滤失性 、 润滑性、抑制封堵性和抗污染性 ，具有良好的油层保 护效果 ， 全井无复杂事故发生 ， 起下钻无遇阻卡现象 ， 与该构造邻井相比，钻井周期、事故复杂时效都明显 减少 ，如表 5 所示。 4 ． 1 钻井液的稳定性 ①抗温性。取井深 4 8 2 0 m处抗高温聚束钻井液 进行室 内检测 ，测得钻井液塑性黏度 为 1 9 mP a S ， 动切力为 9 ．6 P a ， A P I 滤失量为 1 ．3 m L ，高温高压滤 失量 1 5 0。 C为 1 1 m L； 在 1 5 0。 C 热滚 2 4 h 后测 得钻井液塑性 黏度 为 2 1 mP a S ，动切力为 1 0 ． 5 P a ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 钻井液与 完井液 2 0 1 4年 7月 A P I 滤失量为 1 ．9 m L ，高温高压滤失量为 l 0 ．8 m L ， 热滚后流变性和滤失性未发生大 的变化。②抗污染能 力。测得该井深下钻井液滤液中H C O ， 一 含量为 6 2 4 5 mg m ，C O }含量为 1 2 5 0 mg ／ L，实钻过程中钻井液 性能稳定 ，说 明该钻井液的抗污染能力较好 。 表 5 南堡 3 ． 1 5井与邻井施工情况对比 4 ． 2 钻井液抑制封堵性 该井在实钻过程中未发生井漏、井壁坍塌掉块等 复杂事故 ，起下钻顺畅 ，无遇阻卡现象 ，定向钻进无 托压，返出岩屑能明显看出钻头刮痕。井径扩大率情 况如图 4所示 ，3 2 7 5 ～4 1 2 5 m井段的平均井径扩大 率为 7 ． 7 ％，此段钻速较快 ，井径规则 ； 而井深 4 1 2 5 m 以后平均 井径 扩大率 为 2 0 ． 3 3 ％，最 大达 到 5 l ％。 其主要原因是进入东三段 以后 ，地层可钻性变差 ，且 取 心用牙轮卡层 ，起下钻次数频繁 ，且钻进至 4 8 5 8 m更换顶驱组停 2 3 3 h，多次在 4 6 0 0 44 8 0 0 t n井段 循环 ，冲刷井壁严重 ，造成下部井径不规则。 6 O 5 0 4 o 3 O 2 。 0 O 3 井深， m 图 4 南堡 3 1 5井钻井井径扩大率情况 4 ． 3 油层保护效果 抗高温聚束钻井液具有强的封堵性和低滤失性， 并配合使用防水锁剂 H A R ． D和润湿反转剂 H WR ， 减少滤液及有 害固相进入储 层 ，避免储层 的水锁伤 害 ，实验 室 选用 露 头岩 心 M一 0 0 6 ，取井 深 4 6 6 5 m 钻井 液测 得岩 心气相 渗透率 为 5 1 ． 3 7 1 0 g m ，液 相 渗透率 为 2 8 ． 7 8 1 0 岬 ，污染后 岩心 渗透率 为 2 8 ． 7 8 1 0 ～g m2 ，渗透率恢复值为 1 0 0 ％。在实钻过 程中荧光始终控制在 7 级以内，满足地质综合录井要 求 ，同时实现了油气层的发现和保护。 5 结论 与认 识 1 ． 抗高温聚束钻井液是针对南堡 3号构造钻井难 点 ，通过增加抗高温处理剂及其他相关处理剂 ，在低 自由水钻井液体系基础上研制的新型钻井液体系。 2 ． 高温稳定剂 H F L T解决 了钻井 液高温增 稠或 减稠的问题，保证了钻井液的抗温性 ； K C 1 、聚胺抑 制剂和胶束封堵剂、固壁剂等联合使用有效解决井壁 稳定性问题 ，保证了井下施工 的安全。 3 ． 该体系应用井未发生井塌 、井漏 、钻井液污染 等该区块经常发生的复杂事故，生产时效为 1 0 0 ％， 但下部井段井径极不规则 ，建议在应用过程中尽量减 少裸眼段的浸泡时间和定点循环时间。 参 考 文 献 【 1 ] 赵亚宁，陈春来，秦博，等 ． 改进型低 自由水钻井液在 NP 4 5 5井的应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ， 2 9 5 3 0． 3 2． Z h a o Ya n i n g ，C h e n C h u n l a i ，Qi n B o ，e t a 1 ．Ap p l i c a t i o n o n i n n o v a t i v e l o w f r e e wa t e r d r i l l i n g fl u i d i n w e l l n p 4 5 5 [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d a n d Co m pl e o n Fl u i d ，2 01 2，2 95 3 0 3 2 ． [ 2 ] 张岩，向兴金，鄢捷年，等 ． 低 自由水钻井液体系 【 J 】 ． 石 油勘探与开发 ， 2 0 1 1 ， 3 8 4 4 9 0 4 9 4 ． Z h a n g Ya n ，X i a n g X i n g j i n，Ya n J i e n i a n ，e t a 1 ． A n o v e l d r i l l i n g fl u i d wi t h l e s s f r e e wa t e r [ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n dDe v e l o pme n t ，2 01 1 ，3 8 4 4 9 0 4 9 4 ． [ 3 ] 赵秀全， 李伟平 ， 王中义 ． 长深 5井抗高温钻井液技术 [ J ] ． 石油勘探技术 ，2 0 0 7 ，3 5 6 6 9 ． 7 2 ． Zha o Xi uq u a n，Li W e i pi n g，W a n g Zho ng y i ． Hi g h t e mp e r a t u r e d r i l l i n g fl u i d s i n C h a n g s h e n - 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