BZ29-4S油田软泥页岩钻井液技术研究.pdf

石油天然气学报2 0 1 2 年 1 0 月第 3 4卷第 l 1 期 J ou r na l o f Oi l a nd Ga s Te c hn o l o g y Oc t ． 2 O 1 2 Vo 1 ． 3 4 No ．1 0 B Z 2 9 4 S油 田软泥页岩钻 井液技术研 究 胡友林 岳前升 刘书杰 陈 良 长江大学石油工程学院 ，湖北 荆州 4 3 4 0 2 3 长江大学 化学与环境工程学院 ，湖北 荆州 4 3 4 0 2 3 中海油研 究总 院 ，北京 1 0 0 0 2 7 中海油服 油化 事业部 ，北京 1 0 1 1 4 9 [ 摘要]针对 B Z 2 9 4 S油田预探 井和评价井软泥 页岩地层钻井过程 中起 下钻不畅 、起 泥球 现象严 重、机械 钻进低 、钻 井液流 变性难 以调控 以及维护 困难的问题 ，通过 抑制作用机理 分析 ，优选 了 Na C I 作 为该 油 田 软泥 页岩钻 井液的抑制 剂；根据 泥球形成 条件和 形成机 理，研制 了一种 不影 响钻 井液 性能 的 防泥球 剂。 通过 抑制 荆和 防泥 球 剂 加 量 优 选 ，构 建 了适 用 于 B Z 2 9 4 S油 田 软 泥 页 岩 地 层 的 钻 井 液体 系 。 现 场 应 用 表 明．该钻 井液体 系能够有效 防止钻 屑形成泥球 ，缩短 了起 下钻 时间，降低 了倒 划眼难度 ，提 高 了机械 钻 谴 。 [ 关键词]钻井液；软泥页岩；抑制 性；泥球 ；B Z 2 9 4 S油 田 [ 中图分类号] F E 2 5 4 ． 3 [ 文献标 志码 ]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 o l 2 1 0 0 0 9 I i 一0 4 B Z 2 9 4 S油 田位于渤 海南 部海 域黄河 口凹陷 中 ，是 渤海 海域 油气 富 集最 有利 地 区之 一 。B Z 2 9 4 S油 田 门上而 下钻 遇依 次为第 四 系平 原 组 、新 近 系 明化 镇 组 和馆 陶组 。新 近 系 明下 段 为 油 田的 主力 含 油 层 段 ，B Z 2 9 4 S油 田从 明化 镇组 下段 至馆 陶组将 钻遇 大段泥 页岩 地层 ，上部 主要 为红 褐色 泥 岩 与浅 灰色 粉 砂 岩及细 砂岩 不等 厚互层 ，中部为大 段灰 褐色 泥岩 ，下部 为浅灰 色粉砂 岩及 细砂 岩与 绿灰 色泥岩 不 等厚 互层 。x射线衍射分析结果表明，该段地层黏土矿物含量很高 ，黏土矿物 以蒙脱石 、伊一 蒙混层为主 ， 其 次为 高岭石 和绿 泷石 ，另有 少量伊 利石 。 1 B Z 2 9 4 S油田已钻井作业情 况 B Z 2 9 4 S油 田已钻 2口预探井和 3口评价井。分析 B Z 2 9 4 S油 田已钻 5 I 1 井的资料 ，该油田的主要 问题集 中在 明化镇 组 的活性 软泥页 岩上 。在前 期 5口井 的施 【作业 中使用 的有 机 正 电胶 钻井 液 P E C 存 在 的主要 问题 为 起泥 球严重 、机 械钻速 低 、憋钻 具 、起 下钻 不畅 ，且钻 井液 的流 变 性难 以调 控 和 维 护 困难 。后 期钻井 过程 中在 钻井液 中加 入 一 T KC 1 ，起 泥球 程度 明显下 降 ，但 』 J 口 剧 了起 下钻 不畅 程度 ，且 倒 划 眼十分 冈难 。 2 B Z 2 9 4 S油 田活性软泥 页岩钻井液需解决 的问题 目前 ，在钻 活 性 软 泥 岩 地 层 时 ，常 用 的 钻 井 液 体 系 有 多 聚 物 复 合 盐 欠 饱 和 钻 井 液 、UL TR AD R I I T M 水 基钻 井液 、饱 和盐水 钻井 液 、铝盐 聚合 醇钻井 液 、硅 酸盐 欠饱 和 盐水 钻 井液 、正 电胶 聚 合物 钻 井液 、阳离 子钻井 液 等 ，但 7 O 以上用 的是欠 饱 和／ 饱 和盐水 钻井 液 。 B Z 2 9 4 S油 田活性 软泥 岩地层 钻井 作业 的钻 井 液必 须 解 决 以下 问题 ① 冲蚀一 蠕 变平 衡 。钻 片 液 的 黏度 和动 切 力相对较 低 ，以利 于现 场采用 大排 量钻 井液 钻进 ，增大 钻井 液对井 壁 的 冲蚀 ，并 使井 径扩 大 [ 收稿 臼期]2 0 】 2 5 2 0 [ 作者简介]胡友林 1 9 7 8 ，男 ，2 0 0 2 年江汉石油学院毕业 ，硕 士 ，讲师 ，现主要从事钻井液与 完井液 的教学与科研工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 4卷第 1 O期 胡友 林等 B Z 2 9 4 S油 田软泥页岩钻 井液技术研究 率的速率与蠕变缩径 的速率基本保持在一个 动态平衡状态。②分散一 抑制平衡 。B Z 2 9 4 S油田活性活性 软泥岩地层钻井作业 的钻井液应具有很强 的抑制 性，能有效抑制钻屑和井壁泥岩水化 、分散 、膨胀 。 ③软抑制 。传统 KC 1 抑制剂并不适用于抑制 B Z 2 9 4 S油 田活性软泥岩地层 ，B Z 2 9 - 4 S油 田活性软泥页 岩 地层 岩样 具有 较 高 的阳离 子交换 容 量 ，会造 成 近井 壁 地 带硬 化 硬 抑 制 ，这 一 方 面 给起 下 钻 带来 一 系列 问题 ，另一 方 面又会 加 剧钻井 液 中 固 、液 相侵 入地 层 ，进 一步 加剧 地层 水化 膨胀 、失 稳 。采用 软抑 制 ，通过加入 Na C 1 产生化学势梯度 ，阻止水进人泥页岩颗粒而抑制黏土水化膨胀 ，在钻井液体系 中加 入一定量 的 Na C 1 降低钻井液 的活度，降低压力传递效应 ，从而提高井壁稳定性。④抑制钻 屑形成泥 球 。当钻遇 大段 活性 软泥 页 岩段 时 ，钻井 过程 中钻 屑会 形成 大 量 的泥球 ，影 响正 常钻 进 ，钻井 液 中必须 添加处理剂 ，有效防止钻屑形成泥球 。⑤无黏土相钻井液体系。为了减少黏土对抑制剂 、包被剂的消 耗 ，减少钻井液性能维护时钻井液 的黏度和切力上升对分散剂 的依赖性 ，减少钻井液对储层造成的伤 害 ] ， 同时钻 井 液 体 系 中 黏 土 含 量 影 响 钻 屑 形 成 泥 球 ，钻 井 液 中 黏 土 含 量 越 大 ，形 成 泥 球 现 象 越 严重 [ 3 3 。 3 B Z 2 9 4 S油 田活性软泥页岩钻井液体 系 3 ． 1抑 制剂 作用 机理 及加 量 优选 首先 配制 基液 A，其 组成 为 1 L海水 l g Na OH1 ． 5 g Na C O 。 5 g P L US 部 分 水解 聚 丙 烯 酸 盐 2 0 g F L O 改 性 淀 粉 1 0 g S MP 磺 甲基 酚醛 树脂 1 5 g L UB E 润滑剂 1 5 g TE X 低荧 光磺 化 沥青 ， 然后在 1 L基液 A 中分别 加入 1 O 、2 O 、3 O 、 4 0 、 5 0 g 的 Na C 1和 KC 1 ，再 加 入 8 0 g 的 B Z 2 9 4 S 一 1 井 明化 镇 组 下 段 泥 岩 钻 屑 烘 干 粉 碎 过 1 0 0 目筛 ， 以 下 简 称 钻 屑 粉 。 在 8 O ℃条件 下 热滚 1 6 h后 测 其 表 观 黏 度 ，结 果 见 图 1 。 由图 1可 见 ，加 入 不 同 质 量 的 N a C 1 和 K C I 能 够有 效 抑 制 B Z 2 9 4 S 一 1井 明 化 镇 组 下 段活性软泥岩钻屑造浆 。尽管在较低浓度条 件 下 Na 的抑 制 性 不 如 K 的 强 ，然 而 随 着 每升基液A ON a C I 、K C I 质量 图 1 钻 井液表观黏度与 N a C l 、KC i 质量 的关系曲线 50 加量的增加 ，其抑制能力相 当，每升基 液 中加人 5 0 g的 Na C 1 和 KC 1 后 钻井 液的表观黏度基本相 当。 B Z 2 9 4 S油 田明化 镇组 地 层黏 土矿 物 含 量 高 ，且 黏 土 矿 物 以 蒙脱 石 、伊 一 蒙 混 层 为 主 ，B Z 2 9 - 4 S油 田明 化 镇组 地 层岩样 具 有较 高 的 阳离子 交 换 容 量 。加 入 KC 1 能提 高 钻 井 液 的抑 制 性 ，但 由于 B Z 2 9 - 4 S油 田 明化镇 组地 层存 在 大段 的活 性软 泥岩 ，在 近井 壁 地带 由于 K 的交 换 而 硬化 ，一方 面影 响 了起 下钻 如 渤 中 2 5 1南油 田一 期工 程 和 B Z 3 4 1油 田钻 进 过 程 中起 下 钻 不 畅 ，且 倒 划 眼 十分 困难 ，另 一方 面 加 剧 了孔 隙压力 传递 作用 以及 滤 液 的侵入 ，同时水 化 离子 的局 部浓 集会 增加 黏 土颗 粒界 面 间的短 程斥 力 ，从 而 造成 水化 膨胀 压 升高 ，不 利于 井壁 稳定 ] 。Na C l 抑 制泥 页岩 分 散作 用 机 理不 同于 KC I ，Na C 1 主要 是 通 过阻 止水 进入 泥 页岩颗 粒 而起作 用 ，不 是通 过 与 泥 页岩 中 的黏 土发 生 离 子 交换 而起 作 用 。使 用 Na C 1 抑 制活 性泥 页岩 在某 种程 度 上解决 了 由于 K 的镶 嵌作 用 ，阳离子交 换 的地层 会 变硬 等 问题 _ 5 ] 。 通过以上研究 ，选用 Na C 1 作为 B Z 2 9 - 4 S油 田明化镇组地层大段的活性软泥岩抑制剂 。在每升基液 中分别 加入 3 O 、5 0 、8 0 g Na C 1 ，再 加入 8 0 g钻 屑粉 ，在 8 O ℃条件 下 热滚 1 6 h后 测其 流 变 性 。加 有 5 O ～ 8 0 g N a C 1 的 钻井液 其 表观 黏度 和动 切力 变 化 相对 较 小 ，能有 效 抑 制 B Z 2 9 4 S油 田 明化镇 组 地 层 大段 的 活性 软 泥岩水 化 分散 ，结 果 如表 1 所示 。 ． 如 加 2 m O m ／ 糯曝僻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 油气田开发工程 2 0 1 2 年 l 0月 表 1 每升基液中的不同 N a C 质量对应 的钻 井液 的眭能 N a C 1 质 量 ／ g d ／ mP a p ／ mP as r l ／ P a 注 ， 为表观黏度 ； 为塑性黏度 ； r I 为动切力。 3 ． 2 泥球 形成 机理 及 防泥球剂 研制 3 ． 2 ． 1 泥球形 成机 理 前期 5口井存钻 进过 程 中起泥球 现象 严重 ，泥球 将 使井 下 环 空 间隙 变 窄 ，起 下 钻 不 畅 ，划 眼 困 难 ； 同时 ，泥 球还 堵塞井 口及 出 口管汇 ，造成 大量 钻井液 溢 出 ，污染 钻井 平 台 ，恶化 作业 环境 。钻 屑形成 泥 球 的条件 主要 有 ①钻 遇活性 软泥 页 岩地 层 。活 性 软 泥 岩地 层 是 B Z 2 9 4 S油 田钻 屑 形 成 泥 球 的 主要 物 质 米源 。②钻 悄黏 土发 生水 化 。B Z 2 9 4 S油 田 明化 镇 组 地 层 黏 土 矿 物 含 量 高 ，且 黏 土 矿 物 以蒙 脱 石 、 伊 ／ 蒙混 层为 主 ，钻 屑 黏土易 发生水 化 。③钻 屑 的表 面特 征 与表 面 亲水 性 质 。经 机械 破 碎后 的钻 屑颗 粒 表面有 S i H、S i 一 S i 、S i 和 Al H 官 能 团 ，这些 官能 团与水 分 子形 成氢 键 联结 产 生水 化 作 用 ．同时 具有化 学反 应活性 ，能够与 钻井液 中的某些 处理剂 作用 形成新 的亲水或 者疏水 点 。如在 前期 5口井 钻进 过程 中使 用抑 制能力 较强 的有机 正 电胶 钻井 液 P E C均存 在 起泥 球 现象 严重 的问题 ，后期 钻 l片过 程 中在钻 井液 巾添加 r KC 1 ，在 一 定 程度 上 防止 了泥球 的形 成 ，但 效果 不 明显 ，其 主 要 原 因 是 K 许小能 使钻 屑 的表 面性 质发 生质 的变化 ，无 法从 根本 上 改变 钻 屑 表面 的水 化 作 用 。④ 较差 的井 眼净 化能 。⑤较高的钻井液黏度和切力。⑥存在钻屑颗粒相互吸引的电化学环境【 l 。在钻井液体系中，南 l『含有 多种 有机 和无 机处理 剂 ，电化学 环境 非常 复杂 ，高分 子链 及 无机 盐影 响钻屑 表 面的 电动 电位 和水 化 膜厚 度 ，改变 J ， 钻 倩表 面特性 ，为钻 屑颗 粒之 间相互 黏结创 造 了条件 ] 。同时破 碎后 的钻 屑表面 积 增 加 ，表面能 量剧 增 ，为降低 体 系能量 ，钻 屑会 自动吸 附黏结 在一起 形成 泥球[ } 。 3 ． 2 ． 2防泥球 剂的研 制及 机理 分析 单 纯通 过 添加盐 类抑制 泥球 的形成 是 不 科 学 的 。只有 通 过 改 变 B Z 2 9 4 S油 田钻 屑 表 面 性 质 ，抑 制 钻屑 相互 黏结 成球 ，才能从 根本 上解 决泥球 形成 的问题 。通 过大 量试 验 ，研 制 了一种 具有快 速 吸附作 用 的 防泥球剂 F N Q。F NQ 的分 子结构 带有 一定 正 电荷 的强 吸附基 团 ，能 在 钻 屑表 面 快 速 吸附 ，同时 F NQ 具有 较 长的烃 基侧链 ，能在 F N Q 吸 附 到钻 屑后 ，使 钻 屑 的 表 面润 湿 性 由强 亲 水 向弱 亲水 方 向转 变 ，从 而改变 了钻 屑表 面的性 质 ，阻 止了钻眉相 互黏 结 。 3 ． 2 ． 3 防泥球 剂 F N Q陛能评价 1 试验 装置 常规 热滚炉 及老 化罐 在滚动 过 程 中速度 慢 、转 动半 径 小 ，岩 样 总是 处 于底 部 ，岩样 颗粒 之 间相互 碰撞 的机会 较少 ，不 容易 生成泥 球 。试 验采 用 了能有效 模拟 泥球 生成 的 翻转 加 热炉及 相 应 的老 化罐 。与 常规热 滚 炉相 比 ，翻转 加 热 炉 的优 点 在 于翻 转 加热 炉 中老化 罐 沿径 向 3 6 0 。 翻转 常规 热 滚 炉 中老化罐 是轴 向转 动 ，岩样在 老化 罐 中可 以上下 翻转 ，增加 了 岩样 颗粒 之 间相互 碰 撞 、黏 结 的 机 会 ，与现 场钻 井过 程 中井 下钻 屑 的运动 状态非 常相 似 。 2 F NQ 对钻 井 液性 能的影 响在 钻井液 体 系 中分 别加入 不 同质量 的 F NQ，研究 F NQ对 钻井 液 性 能及 防泥球 的影 响 。钻 井 液 配 方 为 1 L海水 l g N a OH 1 ． 5 g Na C O。 5 g P I US 2 0 g F I 1 0 g s MP 1 5 g I uB E1 5 g TE x5 0 g Na C 1 ，在该钻井液中加入 8 0 g钻屑粉 ，配制成基液 B 。在每升基液 B中分别 加入 5 、l O 、1 5 、2 0 g的 F NQ，测试 其在 8 0 ℃条 件 下 热滚 1 6 h后 的性 能 ，结 果 见 表 2 。 由表 2 可以看出，加入不同质量的 F NQ后 ，钻井液体系的表观黏度、滤失量变化不大，滤饼 的黏滞 因数逐渐 降低 。F NQ 对钻 井 液 体 系 的 流 变 性 能 、滤 失 量 均 无 不 良影 响 ，且 在 一 定 程 度 上 提 高 了 钻 井 液 的 润 滑性 能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 4卷第 1 O期 胡友林等 B Z 2 9 4 S油 田软泥 页岩 钻井液技术研究 9 7 表 2每升 钻井液中不 同 F N Q质量对应的钻 井液性能 注 V⋯ 为 AP I 滤失量 ； K 为滤饼 的黏滞 因数 。 3 F NQ 防 止泥球 效 果评 价在钻井 液 体 系 中分 别加 入不 同质量 的 F NQ，研究其 防泥球的效果。根据配方配制好钻井 液 ，并 在 1 L钻井 液 中分 别 加入 不 同质 量 的 F NQ 和 1 5 0 g的 B Z 2 9 4 S 一 1井明化镇组下段泥岩钻屑 过 6 ～1 0目筛 ，8 0 。 C 条件 下热 滚 1 6 h后 观 察 是 否 有 泥 球形 成 ，结 果 见 表 3 。随着 F NQ 质量 的不 断 增 大 ，钻 井 液 抑 制 泥 球 形 成 的效 果 逐 渐 增 强 ，当每 升钻 井 液 中加 入 1 5 g F NQ 时 ，钻 井 液 中 无 泥 球 形 成，F N Q吸附在钻屑表面后 ，改变了钻屑表面性质 ，阻止 了 钻屑 之 间的相 互黏 结 。推 荐每 升钻 井液 加入 1 5 ～ 2 0 g F NQ。 4 现场应用 表 3防 泥球 的 试 验 结 果 每升钻 中 防泥球形成效果 F NQ质量／ 0 5 1 O l 5 2 0 有泥球形成 有少量泥球形成 略 有 少 量 泥 球 形 成 无泥球形成 无泥球形成 通过 大量 室 内试 验 ，研 究 了 B Z 2 9 4 S油 田活性 软泥 岩 钻井 液体 系 ，其 配方 为 1 L海水 l g Na OH 1 ． 5 g Na 2 C O3 - } - S g P L US2 0 g F L O1 0 g S MP 1 5 g L UB E 1 5 g TE X5 0 g Na C l 1 5 g F NQ。研 制 的钻井液体系在 B Z 2 9 4 S油 田成功应用 ，该体系明显改善了一期作业 中存在起溏球严重，机械钻速慢 、 憋泵 、起 下钻不 畅等 问题 ，有效 抑 制 了泥球 的形 成 ，缩短 了起 下钻 时 间 ，降低 了倒划 眼难 度 ，提 高 了机 械钻 速 。 5 结 论 1 通过抑制剂作用机理分析及加量优选试验 ，每升钻井液中加入 5 ～8 g Na C 1 作为 B Z 2 9 4 S油田明 化 镇组 地 层大段 的活性 软 泥岩抑 制 剂 。 2 通 过改 变 B Z 2 9 4 S油 田钻屑 表 面性 质 ，才 能从 根 本 上 防止 B Z 2 9 - 4 S油 田钻 屑 形成 泥 球 。根 据 改 变钻屑表面性质这一技术思路 ，研制了一种不影响钻井液性能并具有较强防泥球能力 的防泥球剂 。 3 通 过大 量 室 内试 验 ，研 制 出 了 B Z 2 9 4 S油 田活 性 软 泥岩 钻井 液 体 系 ，其 配 方 为 1 L海 水 1 g Na OH 1 ． 5 g Na 2 CO3 5 g PLUS 2 0 g F LO 1 0 g S M P 1 5 g LUBE 1 5 g TE X 5 0 g Na C1 1 5 g F NQ。现 场应 用表 明 ，该体 系有效 抑 制 了泥 球 的形 成 ，缩 短 了起 下 钻 时 间 ，降低 了倒 划 眼 起 钻 难 度 ， 提 高 了机械 钻速 。 [ 参考文献] [ 1 ]艾贵成 ，梁志印 ，赵雷青 ，等 ．软泥岩钻井技术探讨 [ J ]．西部探矿工程 ，2 0 0 9 ，2 1 4 1 1 o ～1 1 2 ． [ 2 ]梁文利 ，赵林 ．适合海洋钻井无土相强抑制性钻井液体系 的研究 [ J 3 ． 海洋石 油，2 0 0 8 ，2 8 1 8 8 9 2 ． [ 3 3刘海水 ，王超 ，魏子路 ，等 ．钻井过程 中泥球形成的影响因素探讨 [ J ]．化学 与生物工程 ， [ 4 ]张岩 ，吴彬 ，向兴金 ，等 ．B Z 2 5 1油田软泥页岩井 壁稳 定机理及其应 用 [ J 1．钻井液与完井液 ，2 0 0 9 ，2 6 3 2 0 2 2 ． [ 5 ]鄢捷年 ．钻井液工艺学 [ M]．东营 中国石油大学 出版社 ，2 0 0 6 ． [ 6 ]蒲晓林 ，粱大川 ，王平全 ，等 ．抑制 钻屑形成 泥球 的钻井 液研究[ J ]．西南石油学院学报 ，2 0 0 2 ，2 4 2 4 6 ～4 9 ． [ 7 1张岩 ，向兴金 ， 鄢捷 年，等 ．快速钻井 中泥球形成的影响因素与控制措施 [ J ]．中国海上油气 ，2 0 1 l ，2 3 5 3 3 5 ～3 3 9 ． [ 8 ]岳前升 ，刘 书杰 ，黄凯文 ，等 ．钻井液提速剂性能研究 [ J ]．石油天然气学报 ，2 0 1 1 ，3 3 4 5 ～ 1 1 7 ． [ 编辑] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m