有机盐聚合醇钻井液在页岩气井中的应用.pdf

第2 8 卷 第6 期 2 0 1 1 年 1 1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D V_o l _ 2 8 No ． 6 No v ．2O1 1 文章编号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 1 0 6 0 0 2 I - 0 3 有机盐聚合醇钻井液在页岩气井中的应用 肖金裕 ， 杨兰平 ， 李茂森 ， 贾兴明 ， 钱凡 ， 李晓阳 1 ． 川庆钻探工程公司川东钻探公司，重庆 ； 2 ． 川庆钻探工程公司钻井处，成都 摘要针对页岩气开发 中面临的页岩极易吸水膨胀、缩径、破碎垮塌等特点，优选出了有机盐聚合醇钻井液 的配方。性能评价结果表明，与现场常用的聚合物和聚磺钻井液相比，该有机盐聚合醇钻井液具有较强的抑制性、 封堵性能和较低的渗透性及活度，能阻止滤液进入页岩地层，防止页岩吸水膨胀垮塌，充分体现 了体系的低活度 防塌性能。并通过在第一口页岩气专层井宁2 0 6井的现场应用表明，有机盐聚合醇钻井液能解决易塌页岩地层的 井眼稳定和页岩气井高伽玛碳质页岩的失稳问题。 关键词 页岩气井 ； 有机盐聚合醇钻井液 ； 抑制性 ； 封堵 ； 低渗透 ； 低活度 中图分类号 T E 2 5 4 _ 3 文献标识码 A 页岩气是一种重要的非常规天然气资源，页岩 气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，中国 页岩气资源非常丰富，具有巨大 的资源潜力和勘探 开发远景 ，页岩气的开发利用将成为实现中国能源 安全供给、多元化发展的重要战略选择，也是中国 向清洁能源经济模式转变的有效途径。 目前 ，中国 页岩气资源调查与勘探开发 已具备了一定基础 ，四 川盆地及其周缘将是近期页岩气开发主阵地，成为 第一批川渝黔鄂页岩气资源战略调查先导试验区。 其中宁 2 0 6 井就是四川盆地长宁构造上九老洞组第 一 口页岩气专层井，目的是获取九老洞组黑色页岩 的地化 、盐矿 、物性 、岩石力学等资料 ，了解寒武 系九老洞组页岩含油气情况，设计黑色高伽马页岩 连续取心 1 7 0 m，机动取心 3 0 m，共计 2 0 0 m。因 页岩尤其是碳质页岩存在层理和裂缝发育，只要钻 井液滤液浸人页岩中，就容易吸水膨胀 ，削弱井壁 附近岩石强度 ，导致应力释放 ，从而出现缩径 、垮 塌现象。所以页岩气钻井中重点解决的是井壁稳定 问题。结合川东地区以往钻井液使用经验，确定了 适应该井地层特性的有机盐聚合醇钻井液。经过现 场应用表明，有机盐聚合醇钻井液具有 “ 低黏度和 切力、低渗透、低固相、低活度”特性，对碳质页 岩有着很强的抑制封堵防塌能力 ，井壁稳定 ，钻井 液性能维护周期长 ，防卡性能好 ，能够较好地满足 工程和地质的需要 ，对于今后页岩气井开发提速钻 井具有很好的参考价值 [ 1 - 5 ] 。 1 有机盐聚合醇钻井液的性能评价 在优选钻井液处理剂的基础上， 优选出有机盐 聚合醇钻井液配方如下。 2 ％～3 ％膨 润 土 0 ． 1 ％～0 ． 2 ％ K P AM 1 ％～2 ％ L S ． 2 2 ％～3 ％酚 醛 树 脂 J D一 6 3 ％ ～ 4 ％ 阳离 子乳 化沥 青 S E B 8 ％～ 1 0 ％ 有 机盐 We i g h 2 3 ％～4 ％ 聚合醇 MS J 3 ％～4 ％ 水基润 滑剂 F K． 1 0 1 ． 1 抑制 性 用常用的聚合物钻井液 、聚磺钻井液和有机盐 聚合醇钻井液作比较，钻井液配方如下。 聚合物钻 井液 清水 4 ．0 ％膨 润土 0 ． 1 5 ％ KP AM 0 ． 1 5 ％F A3 6 7 1 ． 5 ％LS ． 2 3 ． 0 ％S EB 聚磺钻井液清水 4 ． 0 ％膨润土 0 ．2 ％F A ． 3 6 7 第一作者简介 肖金裕，工程师，1 9 6 9年生，1 9 9 2年毕业干石油大学 华东 开发系泥浆专业，一直从事钻井液工作。 地址 重庆市江北区大石坝大庆村川东钻探公司钻井液作业部 ； 邮政编码 4 0 0 0 2 1 ； 电话 0 2 3 6 7 3 2 0 2 2 4 ／ 1 3 7 5 2 9 5 0 8 6 2 E ． ma i l 7 6 9 2 9 0 5 6 8 q q ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年1 1 月 0 ． 3u／ 0 Na OH3 u／ 0 S M C4u／ 0 S M P- l 3 u ／ 0 RS TF2 ％PPL 1 回收率。采用粒径为 2 ～5 mm的宁 2 0 6井 现场碳质页岩岩样做实验 ，测得该钻屑在清水 、聚 合物、聚磺、有机盐聚合醇钻井液中热滚 7 7℃、 2 4 h 后 的 回收率 分别为 9 2 ． 4 ％、9 8 ． 0 ％、9 8 ． 2 ％ 和 9 9 ． 0 ％。由此可知 ，有机盐聚合醇钻井液 的页岩 回 收率高于其它钻井液 ， 该钻井液具有较强的抑制性 。 2膨胀率。称取 1 2 g膨润 土，在 2 ． 8 MP a 压 力下压制 5 mi n成型后 ， 测定其膨胀率 ， 结果见表 1 。 从表 1 可 以看 ，有机盐聚合醇钻井液抑制页岩膨 胀的效果最好。 表 1 膨 润土在不 同体 系中的线性膨胀值 钻井液 线性膨胀量 ／ mm 类 型 1 h 2 h 3 h 4 h 5 h 6 h 7 h 8 h 聚合物 0 - 4 3 0 ． 6 2 O ．7 8 0 ． 9 3 1 ． 0 5 1 ． 1 9 1 ． 2 9 1 ． 3 9 聚磺 0 ． 3 4 0 ． 5 1 0 ． 6 5 O ． 7 6 0 ． 8 7 0 ．9 7 1 ． 0 6 1 ． 1 5 有机盐聚合醇 0 - 3 6 0 ． 5 1 0 ． 6 2 0 ． 7 1 0 ． 8 1 0 ． 8 9 O ． 9 7 1 ． 0 5 清水 0 ． 6 4 1 ． 0 8 1 ． 4 0 1 ． 7 1 1 ． 9 6 2 ．2 2 2 ．4 4 2 ． 6 4 1 ． 2封堵性 利用改造的高温高压失水仪 ，一端装滤纸及填 积层 ，另一端装钻井液 ，装置在垂直状态一定压力 下能形 成封堵层 。分别称 取 2 3 、2 3 、3 5 g粒径 为 0 ． 9 0 ～2 ． 0 0 、0 ． 4 5 ～0 ． 9 0 、0 ． 1 2 5 ～0 ． 1 5 4 mm 的石英 砂混配搅匀 ，填人装置在 0 ． 1 MP a 下轻压 ，以其作 为填积层 ； 装入封堵钻井液，在 9 0℃、3 ． 5 MP a 下 测定 3 0 mi n滤失量 ； 把所用钻井液换成清水 ，在相 同压差下单位时间内测定滤失量 ，结果见表 2 。 表 2 不同封堵 实验条件下的滤失量 mL 从表中可以看出，有机盐聚合醇钻井液所形成 的泥饼清水滤失量比其它钻井液要小，说明该钻井 液具有较强的封堵能力，有利于井壁稳定。 1 ． 3 滤液渗透性 测定不 同钻井液体系的中压可视砂床滤失量 和 侵入深度 ，结果见表 3 。从表 3可 以看 出，有机盐 聚合醇钻井液的侵入深度很小 ， 具有超低渗透特性 ， 能阻止滤液进入页岩地层 ， 防止页岩吸水膨胀垮塌 。 表 3 不同钻井液的渗透 眭实验 注 采用的砂床粒径为0 ．2 8 ～0 ． 4 5 mm。 1 ． 4 活 度 用智能水份活度测试仪 型号 HD ． 3 A 测量页 岩岩心 活度为 0 ． 5 8 3 在不 同介质 中浸泡 2 4 h后 的 岩心活度。测得 宁 2 0 6井现场页岩岩心在聚合 物 、 聚磺 、有机盐聚合醇钻井液、清水 中的活度分别为 0 ． 5 7 1 、0 ． 5 6 9 、0 ． 5 4 1和 0 ． 6 6 9 。 由此 可 以看 出 ，页 岩岩心在有机盐聚合醇钻井液中浸泡后活度降低更 多 ，说 明该钻井液 比其 它钻井液具有更低的活度 ， 减少了水分子进入泥页岩的破坏作用，充分体现出 该钻井液的低活度、防塌特性。 2现 场应 用 宁 2 0 6 井一开使用 4 4 4 ．5 m m钻头钻至井深 1 3 9 I I 1 ，下入 西3 3 9 ． 7 mm 套 管 至 1 3 7 ． 4 1 r n ，二 开 使用 3 1 1 ．2 m m钻头充气钻进至井深 6 5 0 1T I 产水， 转化为聚合物低固相钻井液，钻至井深 1 1 2 2 I I1 出 现垮塌卡钻 ，将钻井液密度提高至 1 ． 2 5 g ／ c m ， 采用 爆炸松扣、 套铣、 打捞解除事故。钻至井深 1 8 6 0 r n 下人 西 2 4 4 ．5 m m套管至井深 1 6 7 8 ． 2 6 n l ，固井。三 开主要对九老洞碳质页岩井段进行取心作业 ，页岩 的抑制 、封堵防塌是工作 的重点 ，采用有机盐聚合 醇钻井液抑制页岩的吸水膨胀和垮塌，确保连续取 心的安全。宁 2 0 6井三开钻井液性能见表 4 。 2 ． 1 钻井液维护工艺 1 固井后全面清洗循环罐，并按照室内配 方 配 制 胶 液，加 入 We i g h 2 、MS J 、 L S 一 2 、J D ． 6 、 S E B、F K 一 1 0 、K P A M。钻完水泥塞后，替出部分井 浆，均匀补充胶液人井。 2 重点突出钻井液的 “ 低黏度和低切力 、低 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 8 卷 第6 期 肖 金裕等有机盐聚合醇钻井液在页岩气井中的应用 2 3 渗透、低固相、低活度、强抑制、强封堵”特性， 要求钻井液密度不大于 1 ． 1 0 g ／ c m。 、 黏度为4 0 ～4 5 s 、 滤失量不大于 3 mL 。 3 钻进中加强净化，全面开启固控设备，振 动筛使用孔径小于 0 ． 1 8 0 m m的筛布，要求离心机 使用率达 1 0 0 ％，及时清除劣质固相 。 4 按照配方配制胶液，以细水长流的方式加 入以维护钻井液，保持各类处理剂的有效含量。 5 钻进 至高伽 马碳 质页 岩需要连 续取心 时，将钻井液密度提高至 1 ． 1 5 g ／ c m ，并适当加大 We i g h 2 、MS J 、S E B的用量 ，进一步增强钻井液的 抑制、封堵能力，确保取心顺利。 表 4 宁 2 0 6井三开钻井液的性能 1 6 8 0 ．0 0～ 1 7 3 0 ． 7 3 1 7 30．73～ 1 73 9． 73 1 7 3 9 ． 7 3 ～ 1 9 2 0 ． 0 0 24- 3 7． 5 1 ． 5 24． 3 8．0 1． 5 2 4 ． 3 9 ．0 2 ． 0 2 ． 2 效果评价 1 抑制性强 。三开使用有机盐聚合醇钻井液 钻进中，没有出现页岩吸水膨胀、缩径现象，起下 钻顺利，摩阻一般在 3 t 以内， 返出岩屑形态清晰， 非常成形， 砂样不杂。完井电测井径曲线非常平滑， 井眼规则 ，井径扩大率仅 为 1 ． 1 9 ％ ， 说 明钻井液抑 制性强 ，防塌效果好。 2封堵效果好 。从碳质页岩取 出的岩心表面 呈蜂窝状 ，非常破碎 ，水平层理发育 ，只要用榔头 轻敲一下岩心 ，就会横 向呈块脱落。通过控制钻井 液滤失量在 3 mL以内，强化钻井液的滤失造壁性 ， 加入聚合醇、沥青类防塌剂改善泥饼质量，封堵微 裂缝 ， 充分体现钻井液 “ 超低渗透、 强封堵”特I生， 井壁稳定，无掉块，起下钻无拉挂现象，无沉砂， 钻进中无憋钻现象。 3 流变性好。从钻井液的转化开始，控制较 低膨润土含量，保持钻井液黏度在 4 0 s 左右、切力 为 0 ． 5 ～1 ／ 2 ～3 P a ／ P a ，钻井 液性能非常稳定 ， 维护周期长， 充分体现出钻井液良 好的流变性。 4 润滑性能好，连续取心顺利。通过强化钻 井液低滤失量、低渗透、强封堵，滤饼薄而致密， 无虚泥饼，从而减少了压差卡钻的可能性，同时维 持 2 ％左右润滑剂含量，钻井液摩擦系数低，润滑 性能好 ，连续取心和起下钻作业均没有压差卡钻现 象 ，确保了取心安全 。 5提速效果显著 。该井三开 聚磺钻井液的密 度为 1 ．3 2 ～1 ．4 0 g ／ c m ，为了更好地发现油气显示 和提高钻井速度，改为有机盐聚合醇钻井液体系， 同时控制钻井液的密度在 1 ． 1 0 g ／ c m。 以内，取心时 提高密度至 1 ． 1 5 g ／ c m 。从实钻情况看，井下顺利， P DC钻 头机械钻 速达 l 0 ． 9 7 m／ h ，牙轮钻头机械钻 速达 6 ． 2 9 m／ h ， 钻井液密度比设计低 0 ． 2 g ／ c m 以上 ， 钻井速度显著提高。 3认 识 及 结论 1 ． 有机盐聚合醇钻井液具有 “ 低黏度和切力、 低渗透、 低活度、低固相、 强抑制、 强封堵”特性， 在页岩气井中能阻止页岩的吸水膨胀 、缩径垮塌， 确保钻井施工安全 。 2 ． 有机盐聚合醇钻井液具有很强的抑制、封堵 和防塌能力，可解决页岩气井高伽玛碳质页岩的失 稳问题。 3 ． 通过优化有机盐聚合醇钻井液配方，可成功 实现化学防塌 部分 解放钻井液密度，对页岩气 井开发提速钻井具有很好的参考价值。 参 考 文 献 [ 1 ] 艾贵成，邱佩瑜，王宏 ，等 ． 有机盐聚合醇氯化钾钻井 液的应用 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 6 ，2 3 3 5 1 ． 5 3 ． [ 2 ] 刘彦妹，左凤江，高丽娟，等 ． 聚合醇与有机盐的协同 效应 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 2 3 2 ． 3 3 ． [ 3 ] 虞海法，左凤江，耿东士，等 ． 盐膏层有机盐钻井液技 术研究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 4， 2 1 5 8 ． 1 1 ． [ 4 ] 陈乐亮，汪桂娟 ． 甲酸盐基钻井液完井液体系综述 [ J 】 ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 3 ，2 0 1 3 1 ． 3 6 ． [ 5 ] 匡韶华，蒲晓林，罗兴树，等 ． 超高密度有机盐钻井液 流变l陛和滤失量控制技术 [ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 1 0 2 3 0 ． 3 3 ． 收稿 日期2 0 1 1 - 0 2 1 1 ；H GF I 1 0 5 N8 ；编辑王小娜 5 7 7 7 3 3 8 4 4 0 O O 0 O 0 9 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m