一种复合钾盐聚合物钻井液的研究及应用.pdf

2 0 1 4年 9月 第 2 9卷第 5期 西安石油大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f X i a n S h i y o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n S e p．2 01 4 V o I ． 2 9 No ． 5 文章编号 1 6 7 3 - 0 6 4 X 2 0 1 4 0 5 -0 0 8 9 -0 4 一 种复合钾 盐聚合物钻 井液的研 究及应 用 张小平， 王京光， 王勇强， 刘 伟， 曹 辉， 赵海峰， 吴满祥 川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院长庆分院钻井液所 低渗透油气 田勘探开发国家工程实验室， 陕西 西安 7 1 0 0 1 8 摘要 在四川富顺 区块 页岩钻探过程 中使用水基钻 井液井段存在地层造浆、 泥 页岩 大量剥落、 井壁 失稳 、 严重井漏、 上部地层 出水、 起下钻 困难、 卡钻等难题 。针对以上 问题对钻井液存在的技术难点 进行分析 ， 对使 用的钾盐聚合物钻井液体 系进行优化， 对体 系的基本性能进行 了评价。优化后的体 系采用优选的复合钾盐配方作为核心抑制剂 ， 具有抑制性强、 抗温性好 、 抗污染能力强等特点， 在四 川富顺区块的页岩 气钻探 中取得 了良好的应用效果。 关键词 页岩 ； 钻井液 ； 复合钾盐聚合物钻井液； 坍塌抑制性 ； 抗污染性能 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A 作为中国首个页岩气开发对外合作项 目， 四川 富顺 区块页岩气 自2 0 1 0年 1 2月开始进行钻探 ， 目 前已完 成 2口直探井 、 3口页岩气水平井 的钻探。 该区块主要开发龙马溪组页岩气气藏。钻探井设计 均为三开井 ， 水平段使用油基钻井液钻探龙马溪组 的碳质页岩 ， 上部井段采用水基钻井液。水基钻井 液井段需钻穿侏罗系、 三叠系 、 二叠系、 志 留系韩家 店组等 1 3个层位 ， 最后在韩家店组上部的泥岩段下 9 7 ／ 8 ” 技术套管 。 在二开井段使用水基钻井液钻探过程 中， 多次 遇到了地层造浆 、 泥页岩剥落 、 井壁失稳 、 上部地层 出水、 起下钻困难、 卡钻、 井漏严重等难题， 这些都对 钻井液技术提出更高的要求。尤其是上部地层造浆 以及下部煤层和页岩剥落成为困扰安全快速钻井的 难题。钾盐钻井液 因其具有 良好 的防塌抑制性 ， 在 易造浆、 易塌地层的钻井 中得到了广泛应用 。因此 ， 在钾盐钻井液的基础上结合现场施工情况进行针对 性改进 ， 优化出复合钾盐聚合物钻井液体系 ， 取得了 良好的应用效果。 1 技术难点与解决思路 富顺 区块 页岩气井 钻探主要存在 以下技术难 点 1 上部层位存在大段泥岩 ， 易造浆 ， 导致低 固 相含量 高 ， 容 易 出 现钻 井 液增 稠 ， 流变 性 差 等 问 题 ； 2 下部层 位 的长兴 组 、 龙 潭组 和茅 口组裂 缝、 溶洞发育较多， 若钻井液流变性差或密度控制不 当可能引发大型漏失 ， 此前该区块所钻 的井均发生 了大型漏失 ， 泥浆漏失量均在 1 0 0 0 m 以上 ， 被迫 多次注水泥塞堵漏_ 4 ； 3 下部层位长兴 、 龙潭组大 段页岩和煤层夹层 容易失稳脱 落 ， 起 下钻遇阻 、 遇 卡； 4 嘉 陵江组和茅 口组含有硫化氢 ， 一旦侵入 ， 钻井液性能更难 以控制 ， 容易引起井下复杂情况的 发生 。 体系优化时重点考虑以下几个方面 1 在增 强体系抑制性方面， 优先考虑使用无机钾盐钻井液。 富顺区块人 口稠密环保要求较高， 由于含有氯离子 的钻屑、 废水 、 废钻井液难以处理 ， 对环境影 响较 大 ， 因此选用硫酸钾而不是通常用 的氯化钾 ， 选用氢 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 - 0 6 基金项目中国石油天然气集团公司科技项 目“ 西部大庆建设长庆钻完井整体提速及压裂一体化技术研究与现场试验 编号 2 0 1 3 T一 0 1 0 5 0 0 1 作者简介 张小平 1 9 7 9 一 ， 男 ， 硕士， 工程师， 从事钻完井液研究。Em a i l Z h a n g ． x p v i p ． 1 6 3 ． c o m 一 9 0一 西安石油大学学报 自然科学版 氧化钾调节 p H值 ， 选用碳酸钾处理钙离子 ； 2 有 机钾盐既可以像无机钾盐一样提供钾离子通过晶格 镶嵌作用抑制黏土水化分散 ， 还可 以对 已经水化分 散的黏土进行包被絮凝 ， 减弱泥岩造浆对钻井液流 变性 的影响。因此， 针对地层大量造浆 的难题 ， 筛选 与硫酸钾复配效果好 的有机钾盐 ； 3 针对页岩和 煤层夹层的稳定性问题 ， 采用增强封堵、 降低滤失的 办法 ； 4 考虑到所钻地层含硫化氢 ， 选用粒度更小 的高效除硫剂 ， 克服 了以往除硫剂被振动筛除掉需 要大量补充的缺点。同时使用钻井液中硫化氢含量 快速测定仪及时检测硫化氢 测量精度 0 ． 1 1 0 ～， 时间 1 m i n ， 在确保 安全的前提下 ， 使 除硫剂用量 保持在较低水平 ， 降低钻井液成本 。 2 钻井液体系的优化 2 ． 1 抑制剂的复配优选 考虑到成本及硫酸钾的溶解度等因素确定体系 中硫酸钾质量分数 1 0 ％ ， 1 2 0 o C、 1 6 h热滚后岩屑一 次回收率为 8 3 ． 6 ％。为进一 步增 强钻井液的抑制 性 ， 选取硫酸钾与几种不 同的抑制剂复配 ， 通过对 比 岩屑回收率优选出体系的抑制剂。测试了硫酸钾与 不同抑制剂复配后 1 2 0 o C、 1 6 h热滚前后岩屑回收 率 ， 实验结果见 图 1 。配方 如下 0 ． 3 ％降滤失剂 0 ． 3 ％动切力提高剂 G 3 1 0一D Q T0 ． 3 ％抑制剂 0 ． 2 ％ K O H 1 0 ％ 硫 酸 钾 2 5 ％ 重 晶 石 适 量 K2 CO3 。 图 1 硫酸钾 与不 同的抑 制剂 复配后 岩屑 回收率 Fi g ． 1 Re c o v e r y r a t e o f c u t ti ng s wh e n p o t a s s i u m s u l f a t e c o mpo un d s wi t h d i ffe r e n t i n hi b i t o r s 由图 1 可知 ， 在相同加量下 ， 硫酸钾与有机钾盐 抑制剂 G 3 3 2一R B J的复配效果 最好 ， 一次 回收率 9 4 ％ 。与仅使用硫酸钾相比， 1 2 0℃ 、 1 6 h热滚后岩 屑回收率上升 1 0 ％， 有效增强 了体系的抑制性。因 此 ， 选用硫酸钾与有机钾盐抑制剂 G 3 3 2一R B J 作为 钻井液的抑制剂。 2 ． 2 降滤失剂的优选 分别将 P A C、 A S R一1 、 S MP 、 S P N H、 N a H P A N等 5种不同的降滤失剂 加入体 系 中考察 了降滤失 性 能 ， 对 比 1 2 0 o C、 1 6 h热滚后体 系的滤失量 ， 结果如 图 2所示。P A C的抗温性 能较好 ， 热滚前后体系的 滤失量变化不大 ， 因此 ， 优选 出 P A C作为体系的降 滤失剂。 图 2 降滤失剂 的优选 Fi g ． 2 Op timi z a tio n o f fl u i d l o s s a g e n t s 2 ． 3除硫剂 根据前几 口井的应用经验 ， 选择海绵铁作为体 系的除硫剂 ， 海绵铁与硫化氢的反应方程式如下 F e 3 O 4 4 H 2 S 3 F e S 4 H 2 OS 1 F e S S F e s 2 』 2 F e 3 O 4 6 H2 S } 3 F e S 2 4 H 2 O2 H2 3 其 中前面 2个反应 主要发生在 中性条件下 ， 最 后 1个反应发生在酸性条件 。平均 1 k g海绵铁 可 以除掉 0 ． 7 k g硫化氢。其反应速率可由下式表示 一 3 0 0 0 硫化物 z U c H ∞X 0 ． 3 5 1 p 海绵铁 其 中 W 硫化 物 为 滤 液 中硫 化 物 的 质量 分 数 ， 1 0 ～； t 为反应时间， mi n ； C H 为氢离子浓度 ， m o l ／ L； p 海绵铁 为海绵铁的质量浓度 ， k g ／ m ． 在钻进过程 中， 通过检测钻井液 中硫化氢含量 和钻井液 中海绵铁浓度来监测硫 化氢实 际控制情 况 ， 一旦发现硫化氢升高或海绵铁消耗加快 ， 增大钻 井液中海绵铁质量浓度 。钻井液中海绵铁质量浓度 和钻井液中硫化氢含量见 图 3和图 4 。在前期几 口 井的试验中采用 的是 2 5 0目的海绵铁 ， 钻井液通过 固控系统时部分海绵铁会被除掉 ， 因此在钻井过程 中需要大量补充 ， 后期采用粒度更小的 3 2 5目海绵 铁 ， 各井海绵铁 用量见 图 5 。与先前使用 的海绵铁 相 比， 在保持钻井液 中海绵铁 质量浓度相 同的情况 张小平等 一种复合钾盐聚合物钻井液的研究及应用 一9 1一 下 1 0 2 0 k g ／ m ， 固控系统损耗量大幅降低 ， 全井 使用量降低 5 3 ． 9 ％。 3 4 0 0 3 6 0 0 3 8 00 4 0 00 420 0 4 40 0 46 0 0 4 8 0 0 5 0 00 井深 ／ m 图3 钻井液中除硫剂质量浓度 F i g ． 3 M a s s c o n c e n t r a tio n o f de s u i ph u r i z a tio n a g e n t i n d r i l l i n g fl ui d 3 4o o 3 6 0 0 3 8 o 0 4 0 oo 42 00 44 0 0 460 o 4 8 0 0 5 0 0 0 井深 ／ m 图 4 钻井液 中硫化氢质量浓 度 Fi g． 4 M a s s c o n c e n t r a tio n o f H2 S i n d r i l l i ng flu i d 图 5 各 井除硫剂用量对比 F i g． 5 Co m p a ris on o f u s a g e o f d e s uip hu r i z a t i o n a g e n t a m o n g d i ffe r e nt we l l s 3 钻井液体 系性能评价 通过大量室内实验得到优化后钾盐聚合物钻井 液体系配方 0 ． 3 ％降滤失剂 P A C 0 ． 3 ％动切力提 高剂 G 3 1 0一D Q T0 ． 3 ％ 抑 制 剂 G 3 3 2一R B J 0 ． 2 ％K O H1 0 ％K 2 S O 4 0 ． 0 5 ％K 2 C O 3重 晶石。 优化后的钻井液性能见表 1 。 3 ． 1 体 系抗温性能评价 由于井底温度较高， 测井显示井底温度 1 2 6℃， 表 1 钻 井液 主要性能指标 Ta b． 1 M a i n pe r f o r m a n c e i n d e x e s o f d r i l l i n g fluid 名称 指标范 围 1 ． 1～1 ． 9 3 58 0 1 O～1 l 3． 0～6 ． O 1 5 ． 0 1 2～3 O 8～2 0 有必要对体系的抗温性能进行评价。测试了 1 3 0 1 4 0℃热滚 1 6 h前 后体系的性 能， 结果见表 2 。实 验结果表明， 1 3 0℃热滚前后体系性能变化不大 ， 体 系可抗 1 3 0℃， 满足地层对钻井液体系抗温性能的 要求。 表 2 抗温性能 实验结果 Ta b ． 2 Te s t r e s u l t s o f t e m p e r a t u r e r e s i s t a n c e p e rfo r ma n c e o f t h e dr i l l i ng fluid s y s t e m 3 ． 2 抗钙污染评价 由于下部地层含有少量石膏， 因此对体 系的抗 钙污染性能进行了评价 ， 实验结果见表 3 。 表 3 抗 钙污染评 价 Ta b． 3 Ev a l ua ti o n o f c a l c i um p o l l uti o n re s i s tanc e o fth e dril l i n g flu i d s y s t e m 由表 3可知 ， 该钻井液体系具有较强 的抗钙污 染性能 ， 钻井液无沉淀 ， 无稠化 ， 流变性 良好 ， 虽然滤 失量有所增加但仍在可控范围内。 4 现场应用及效果 4 ． 1井身结构 该区块 目前所钻的井均为三开井 ， 其井身结构 见表 4 。以 Y a n g 2 0 1井 为例 ， 须钻穿侏 罗系的沙溪 庙组和 自流井组 06 0 8 I n ， 三叠 系的须 家河组 、 嘉陵江组和飞仙关组 6 0 82 0 4 7 m ， 二叠系的长 兴组和茅 口组 2 0 4 7 2 5 3 3 n 1 ， 在志 留系 的韩家 店组着陆 2 5 3 3～ 2 5 5 3 m ， 下 9 7／ R 的技术套管。 上部侏罗系地层为紫红色泥岩层， 泥岩体积分数 叫 一 一 舶 一 ～ ～ ～ 加 O 一 ． ／ 璐删螟罹缮篷 撒帮 f _Ⅲ．嚣 【 、 嫒删峰骊 禧导攥采据 一 9 2一 西安石油大学学报 自然科学版 7 0 ％ ～8 0 ％ ， 地层造浆严重， 下部二叠系地层以煤层 和粉砂质页岩为主， 易引发井壁失稳。 表 4 Ya n g 2 0 1井井身结构 Ta b． 4 W e l l b o r e s t r u c t ur e o f Ya n g 2 0 1 we l l 4 ． 2 处理措施及效果 1 对上部地层 以有机抑制剂 为主， 抑制泥岩 水化 ； 对下部地层 以防塌为主， 逐步增大无机抑制剂 的含量 ， 增强体系封堵能力。由于体系的强抑制性 使得泥岩水化造浆问题得以解决， 流变性良好， 钻遇 二叠系地层时密度才能始终保持在适 宜的范 围内。 这样既保证了井壁的稳定又减轻 了诱发大型漏失的 风险， 顺利钻穿。 2 针对长兴 、 龙潭组 的大段 页岩和煤层适 当 提高黏切 ， 适时使用稠浆扫井确保井眼清洁， 降低滤 失并且增强体系的封堵性能， 保证安全快速钻进 ， 成 功穿越 3 0 0多米 的页岩和煤层夹层段 。井眼稳定 ， 起下钻顺利 ， 下 9 7 ／ 8 套管在未开泵循环的情况下 ， 一 次探底成功 ， 从完钻到套管到底的 4 d内井底沉 砂小于 l m， 体现了钻井液体系优 良的抑制性能 。 3 针对嘉陵江组和茅 口组 的硫化氢 ， 通过提 高钻井液的 p H值 、 使用高效钻井液除硫剂 、 使用钻 井液硫化氢快速测定仪监测钻井液中硫化氢含量等 多种措施并举 ， 有 效解决 了含 硫地 层 的安 全钻 进 问题 。 优化后的复合钾盐聚合物钻井液体系在富顺 区 块页岩气水平井 Y a n g 2 0 1 井的应用取得 了良好的效 果。该钻井液体系体现 出抑制性好、 抗污染性能强、 易于维护等优点。使用井段井径规则， 起下钻通畅， 测井 、 下套管顺利 ， 减少 了复杂情况几率 ， 提高 了钻 井施工效率， 降低了钻井液成本。Y a n g 2 0 1 井3 0～ 2 5 5 3 1T I 使用复合钾盐 聚合物钻 井液体系 ， 钻井 液 密度为 1 ． 1 ～1 ． 5 g ／ c m ， 黏度 5 0 7 2 S 。钻井周期 仅 1 7 d ， 较 甲方预定的施工周期提前 1 8 d ， 施工周期 缩短 5 1 ． 4 ％ 。钻井 液成本与邻井 Y a n g l 0 1井相 比 降低了 3 6 ． O 9 ％ 。 5 结 论 1 优化后 的复合 钾盐配方 ， 有效地增 强了体 系的抑制性能 ， 减少了泥页岩水化 ， 避免 了因泥页岩 水化带来的复杂问题 ； 2 优化 的钾盐聚合物钻井液体系具有较强的 抗温性能、 抗污染性能， 满足了含石膏及硫化氢地层 钻井对钻井液的要求 ； 3 体系性能稳 定、 流变性 良好 、 操作简单 ， 有 利于降低井下复杂事故， 缩短钻井周期， 降低钻井液 成 本 。 4 通过 降低钻井液滤失 ， 增强体 系抑制性 和 强化封堵性能等方法成 功钻穿页岩与煤层夹层 ， 为 将来使用水基钻井液安全钻进少量页岩段进行 了初 步探索。 参 考 文 献 [ 1 ] 王京光 ， 张小平， 王勇强， 等． 复合钾盐聚合物钻井液 的研制及应用 [ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 6 3 3 3 5． WANG J i n g g u a n g ，ZHANG Xi a o p i n g ，WANG Yo n g qi a n g，e t a 1 ．S t u d y a nd a p pl i c a t i o n o n c omp o u nd Po t a s s i u m s a l t p o l y m e r d ri l l i n g fl u i d [ J ] ．O i l D ri l l i n gP r o d u c t i o n T e c h n o l o g y ， 2 0 1 2 ， 3 4 6 3 3 3 5 ． [ 2 ] 王京光 ， 张小平， 杨斌 ， 等． 一种抗高温高密度饱和盐 水钻井液的研制[ J ] ． 天然气工业， 2 0 1 2 ， 3 2 8 7 9 81，1 3 3． WANG J i n g g u a n g ，Z HANG Xi a o p i n g ，YAN G B i n，e t a 1 ． R e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f a s a t u r a t e d s a l t wa t e r d ri l l i n g fl u i d s y s t e m wi t h h i g h d e n s i t y a n d h i g h t e mp e r a t u r e r e s i s t a n c e [ J ] ．N a t u r a l G a s I n d u s t r y ， 2 0 1 2 ， 3 2 8 7 9 81．1 33． [ 3 ] 张献丰， 边继组． 正电钾盐钻井液的应用[ J ] ． 钻井液 与完井 液 ， 2 0 0 9 ， 2 6 1 2 6 2 8 ． Z HANG Xi a n - f e n g ，B I AN J i Z U ．A d ri l l i n g fl u i d t r e a t e d w i t h c a t i o n i c mu d a d d i t i v e a n d P o t a s s i u m s a l t [ J ] ．D ri l l i n g F l u i d＆C o mp l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 9， 2 6 1 2 6 2 8 ． [ 4 ] 黎金明， 陈在君， 杨斌 ， 等． 复合钾盐生物聚磺钻井液 在长庆水平气井的应用[ J ] ． 西安石油大学学报 自然 科学版 ， 2 0 0 9， 2 4 6 3 6 3 8 ． L I J i n mi n g ， C H E N Z a i j u n ， Y A N G B i n ， e t a 1 ．A p p l i c a t i o n o f b i o l o g i c a l p o l y s u l f o n a t e P o t a s s i u m d r i l l i n g fl u i d i n t h e h o ri z o n t al g a s w e l l s i n C h a n g q i n g G a s fi e l d [ J ] ．J o u r _ na l o f Xi “a n S hi y o u Un i v e r s i t y Na t ur a l S c i e n c e Edi t i o n， 2 0 0 9 ， 2 4 6 3 6 - 3 8 ． [ 5 ] 高金云， 郭明贤， 庄义江， 等． 文 3 0 1井钾基聚磺饱和盐 水钻井液技术[ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 3 ， 2 0 4 5 5 ． 5 6． G A O J i n y u n ，G U O Mi n g x i a n ，Z H U A N G Y i j i a n g ，e t a 1 ． P o t a s s i u m po l y s u l f o na t e s a t u r a t e d s a l t wa t e r dr i l l i ng fl u i d t e c h n o l o gy i n w e l l We n 3 0 1 [ J ] ．D ri l l i n g F l u i d C o mp l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 3 ， 2 0 4 5 5 - 5 6 ． [ 6 ] 马廷雷． 钻屑、 废钻井液无害化处理技术研究[ D] ． 大 连 大连海事大学， 2 0 0 3 ． 责任编辑 董瑾