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阳离子聚合物钻井液 在乍得H区块的开发应用 I 姜 治 张 亮， 董学明z 郭 彬t 杨 洪1 I 1 ． 中国石油集团钻井工程技术研究院； 2 ． 中国石油海外勘探开发公司 摘要 乍得项目 在最初的钻井施工过程中曾经发生过井壁坍塌、 井眼缩径、 井漏等复杂情况， 甚至造成卡钻事故， 给 钻井施工和有效勘探开发带来很大麻烦。 通过分析岩样及室内大量实验， 开发出了适合乍得H区块的阳离子钻井液配方。 经 过现场试用，效果很好，再没有发生井壁坍塌情况；钻井液密度在其配方优化的基础上也显出合理性，未再发生井漏。采 用阳离子聚合物钻井液不仅保证 了钻进施工的顺利进行，降低 了钻井风险和钻井成本，而且由于避免 了钻井液漏失，进而 保护了油层。通过多口井现场试验 ，逐渐形成了适合乍得 H区块的钻井液体 系。该体 系应用范围较广，性能上可以和油基 钻井液媲 美。 关键词乍得阳离子聚合物钻井液井壁稳定储层保护 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 3 0 2 x ． 2 0 1 0 ． 0 4 ． 0 1 5 乍得 H区块打的第一口探井曾经发生过严重的井 眼坍塌情况，在我们承担乍得H区勘探项 目初期 ，钻井 过程仍发生井壁坍塌 、井跟缩径 、钻井液漏失等复杂。 为了安全顺利施工和保护油气层，通过室内研究和现场 应用试验，形成了适合乍得H区块地质情况的钻井液新 配方和使用措施。该钻井液 目前为国内钻井液领先技 术，水基钻井液性能达到了油基钻井液性能的水平。 1 区块地质概况及钻井情况 乍得 B o n g o r 盆地 H区块的地质分层主要有古近系 和新近 系 、B a o b a b 、上 R o n i e r 、下 R o n i e r 、K u b l a 、K i l a 、 Mi mo s a 、C a i l c e d r a ，岩性 以砂岩 、泥岩为 主。 H区块前期勘探钻井二开时使用 的是 B i O ～ P r o K P A M 钻井液体系，主要用 K P AM、P o l y c o l 、P AC、 N H 4 H P A N、X C 、G WJ 、R H 一 3 、R H 一 4 、Q S 一 2 等作为处 理剂 ，钻井过程出现如下问题 一 是井壁掉块和垮塌严重。在前期钻的 1 6口井中 有 6口井井壁坍塌严重 ，如 R o n i e r 一 1 井在9 7 0 m钻进时 发生的严重坍塌和 R o n i e r 一 2 井井眼扩大率在 1 6 0 ％以上。 二是井眼缩径严重。有 9口井缩径 ，占总井数的 5 6 ％，如 R o n i e r 一 1 井 ，起钻至 1 4 0 5 m时发生缩径卡钻。 三是 井 漏严重 。有 2 口井发 生严重 井漏 ，如 R o n i e r C N 一 1 在钻进至7 7 8 m时每小时漏失 1 7 m ，共漏失 1 5 0 m ，采用堵漏剂堵漏对储层有伤害。 以上复杂及事故 ，严重影响了乍得 H区块的勘探 和开发进程，钻井速度慢 ，油井产量低 ，开发成本大 量增加 ，因此急需研究一种新的钻井液以满足该区块 的钻井 生产 需要 。 2 钻井液实验和分析 2 ． 1 原钻 井液评价 评 价方法是在原钻井液 中分别加入胺基聚合物 S I AT和胺基 聚醇进行岩屑 回收率实验 。实验结 果表明 ，以前使用的钻井液体系其岩屑 回收率只有 5 8 ． 9 6 ％，即使在此基础上加入胺基聚合物 S I A T 、 胺基聚醇 ，回收率仍不理想 。这种情况说明 ，原钻 井液不太适合 H区块钻井施工 ，需要优选新的钻井 液体 系 第一作者简介姜治，1 9 6 6 年生，1 9 8 8 年毕业于大庆石油学院钻井专业，硕士，中国石油天然气集团公司钻井院专家、高级 工程师，中国石油集团钻井_ Y - 程技术研究院海外所钻井设计与动态分析室主任，主要从事海外疑难钻井完井技术研究和技术支持。 游私 苈给 ， 2 0 1 0车 * 。 。 | t ” * 。 l l | | * g t * 。 2 -2 优选抑 制剂 在钻井施工中，钻井液的滤失量 、流变性和密度 是评价钻井液优劣的基本且重要的因素。我们因此围 绕影响钻井液的滤失量、流变性和密度开展了钻井液 岩样膨胀量、钻井液全套性能、岩屑回收率及钻井液 抗储层伤害能力 的实验研究。 2 ． 2 ． 大 阳离子 优选 实验 岩屑回收实验 在实验室分别配制多种不同浓度 的大分子抑制剂溶液进行 了岩屑回收率实验 ，实验数 据表明，0 ． 5 ％的 C HM浓度 ，岩屑回收率最高。 岩样膨胀量实验室内用0 ． 3 ％浓度的不同抑制剂对 岩样膨胀量进行了测试， 其结果表明，同浓度时， 在 C H M 中的岩屑膨胀量最小，抑制性优于其他大分子聚合物。 2 _ 2 _ 2 小 阳离子 的优 选 实验 实验时取的是水基钻井液中常用 的抑制剂 K C l 、 小阳离子抑制剂 C S W 和泥页岩抑制剂 S l A T 。 采用蒸馏水把所有 的抑制剂均配制成浓度为 2 ％ 的水溶液，并以蒸馏水为参照，然后添加膨润土。通 过测定各体系的流变性能来估算出相应溶液体系膨润 土的最大添加量 。实验 中，所有体系的p H值调至 9 ， 在中等剪切速率下，添加 2 ． 5 ％的膨润土，搅拌 3 0 mi n 后 ，于 7 0 ％下热滚 1 6 h ，样品冷却后 ，测试并记录其流 变性能。各体系每次添加 2 ． 5 ％的膨润土 ，实验步骤相 同，直到体系黏度太大无法测出数据为止。结果表明， S l A T溶液容纳膨润土的能力相对强于其他溶液 ，具备 作为钻井液抑制剂的 良好条件。 清水、K C 1 溶液、C S W溶液及 S l A T溶液等体系的 流变性能实验研究得出 在清水中膨润土很容易吸水膨胀分散，添加 1 2 ． 5 ％ 的膨润土后，体系因膨润土分散使得黏度显著增大而 无法测出其流变性能参数；而体系中添加 K C 1 、C S W或 S l A T后 ，体系均对膨润土的分散显示出了不同程度 的 抑制性能，其中添加泥页岩抑制剂 S l A T的溶液体系测 得的流变性能参数值小且前后非常接近，表明泥页岩 抑制剂 S l A T有良好的抑制性能，且在所评价的化合物 当中抑制性能最佳。原因是泥页岩有机抑制剂 S l A T分 子吸附在黏土颗粒表面，与水分子争夺黏土颗粒上的 连结部位 ，从而减少泥页岩的水化膨胀 。 通过分析研究 ，优选大阳离子 cHM、小 阳离子 S l A T为钻井液体系的主剂。 姜 治 等 阳离子聚合物钻井液在乍得 H 区块的开发应用 2 ． 2 ． 3 优选钻 井液体 系 为选择优异 的钻井液体系，以阳离子为主剂在 3 种浓度下配制了钻井液 ，将其和原钻井液及油基钻井 液进行 了性能对 比。 实验配方具体如下 1 为4 ． 0 ％土 0 ． 2 ％大阳离子 1 ． 0 ％P A C L V I ． 0 ％胺 基聚合物 S l A T 。 2 为 2 ． 0 ％K C I 0 ． 5 ％大 阳离子 0 ． 5 ％X C 1 ． 0 ％P A C L V 1 ．0 ％胺基聚合物 S l A T 1 ． 0 ％Q S 一 2 。 3 为0 ． 5 ％大阳离子 0 ． 5 ％X C 1 ． 0 ％P A C L V 1 ． 0 ％胺 基聚合物 S l A T 1 ． 0 ％Q S 一 2 。 为彻 土 1 D ％有机硅 2 O ％聚合醇 0 2 ％ K P A M 0 ． 1 ％ XY _ 2 ∞，o P A V。 5 为昌3 7井油基钻井液 ，密度为 1 ． 4 5 g ／ c m 。 。 根据实验结果 ， 3 配方的岩屑回收率达到8 6 ． 4 ％， 高 于 l 配方 回收率为7 4 ． 5 ％ 、 配方 回收率为 7 7 ． 1 ％ 和 配方 回收率为5 4 ．0 ％ ，仅次于5 油基钻井液 回 收率为 1 0 0 ％ 。3 钻井液性能很适合携带岩屑，并具有 清洗井眼和稳定井壁等功能，因此选择 3 配方作为新的 钻井液体系。 2 ． 2 ． 4 阳离子钻井液性能评价 1 抗储层伤害能力。在 3 配方的基础上分别加入 膨润土、钻屑、N a C 1 、C a S O ，在 1 0 0 ℃下滚动 1 6 h 后，冷 却至室温，测量钻井液的黏度 、切力、失水。从实验情 况来看 ，加入污染物后，钻井液性能无明显变化，这说 明体系的抗储层伤害能力和抑制性能够满足施工的需要。 2 流变性。把加重前后的 3 配方，在 1 0 0 ％下滚 动 1 6 h 后 ，冷却至室温，测量其性能。从结果看出，3 配方的流变性和悬浮性在温度 、密度发生变化时，仍 然保持较稳定的态势。 2 ． 3 阳离子聚合物钻 井液 的作用原 理 黏土水化膨胀机理主要有两方面 一是表面水 化 ，是黏土晶体表面上水分子的吸附作用引起的 ，引 起表面水化的作用力是表面水化能。第一层水是水分 子与黏土表面的六角形网络的氧形成 H键而保持在平 面上。水分子也通过氢键结合为六角环 ；下一层也以 类似情况与第 一层 以氢键连接 ；以后的水层照此继 续 。二是渗透水化，由于晶层之间的阳离子浓度大于 溶液内部的浓度 ，水发生浓差扩散 ，进入层 间，在双 电层斥力作用下层 间距增大 ，渗透膨胀引起的体积增 2 0 1 0年第 4期 石油科技论坛6 1 j 加 比晶格膨胀引起 的膨胀大得多。 泥页岩中黏土矿物带负电荷是引起黏土矿物水化 分散，进而引起井下复杂情况的一个重要原因，所以 能中和或减小黏土负电荷量，黏土水化分散必然能得 以控制。阳离子聚合物具有稳定黏土、防止黏土水化 分散的作用。其主要原理是 由于阳离子聚合物分子 中带有大量的正电荷 ，能够中和黏土表 面的负 电荷 ， 降低黏土的水化和运移。这就是小阳离子聚合物 S I A T 作用。同时 ，还能包被岩屑 ，防止其分散 ，从而抑制 地层造浆。这就是大分子阳离子聚合物的作用。 阳离子聚合物钻井液具有优于其他钻井液的优 点岩样膨胀量小、性能稳定 、岩屑 回收率高、抗储 层伤害能力强和 良好的流变性。 3现场应用效果 阳离子钻井液体系的现场配制要求是 由于该体系为无膨润土相体系 ，所以在钻完表层 下表套固井候凝期间，需要彻底清洗地面循环罐 ，然后 再配制该钻井液。用隔离的上水罐循环钻完表套水泥塞 后，再用循环罐中的阳离子钻井液顶替表套内清水，并 在震动筛上放掉 ，然后用阳离子钻井液钻开二开地层。 在乍得 H区块实际应用情况 1 未出现坍塌现象。已使用新钻井液体系共完 钻 2 6口井，无一出现坍塌情况 。 2 缩径现象减少。原来每钻进 1 0 0 m或 3 0 h 短起下 一 趟钻，起下钻时往往遏阻遇卡，有时很严重。自从使 用该钻井液之后没有发生一次因为缩径原因引起的卡钻。 3未再发生井漏。使用优化后的钻井液体系之 后 ，由于缩径现象减少 ，并根据地层压力合理控制钻 井液密度 ，没有再发生井漏 ，有效保护了储层 。 使用改进后的钻井液施工，每 口井原油产量是以 前同区块邻井同层产量的 1 ． 5～1 ． 8 倍。 4结论与认识 1 实验研究所优选的阳离子体系具有较好的抑 制性、流变性，可以避免钻井作业时掉块甚至井壁坍 塌，避免缩径 ，减少起下钻次数和缩径卡钻事故的发 生。在技术上实现了安全钻井的目的，2 0 0 9年与 2 0 0 7 年相比，节约成本大约 5 4万多美元。 2 降低了井眼扩大率，2 0 0 9年固井材料消耗节 6 2 石油科技论坛 2 0 1 0年第 4期 约大约 8万美元，为提高固井质量提供 了基础，减少 了修井几率 、增加 了油井寿命。 3 使用阳离子聚合物钻井液 ，机械速度平均提 高 1 ． 8 2 m，其他施工环节也顺利了。平均钻井周期缩短 4 ． 8 天。2 0 0 9 年共钻井 4 2口，钻井 日费 1 9 0 0 0 美元。节 约钻井成本约 3 8 0多万美元 。 4由于钻井周期的缩短和正常维护钻井液日费 用的降低 ，2 0 0 9 年钻井液维护费用降低 3 1 万美元。 5由于缩短了钻井周期 ，减少了钻井液对油层 的浸泡时间 ，降低了对储层的伤害程度 ；钻井液性能 改进后相对侵入地层的滤液减少，对油层引发水锁的 机会大大降低 ，采油速度可以提高 ；减少甚至避免了 井漏复杂的发生 ，减少对储层孔隙堵塞的机会，从而 起到保护油气层的效果。 6该钻井液体系在乍得可以在直井和水平井钻 井施工中应用。根据非洲西部地层及其岩性相同、相 似的情况，适合乍得 H区块的阳离子聚合物钻井液体 系可以推广用于其他与乍得相邻具有相同岩性的地层。 7在部分油 田，可以替代油基钻井液钻井，降 低了成本，减少对储层的伤害，还可应用于探井中，提 高油气藏发现几率 。 【 参考文献 】 [ 1 】 张金波， 彭小红， 高峰， 等． 环保钻井液B i o - 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