有机盐强抑制润滑钻井液研究及应用.pdf

石油天然 气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 7 月 第 3 6 卷 第7 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J p I j u 1 ． 2 o 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 7 有机盐强抑制润滑钻 井液研 究及应用 冯云春 中石化东北油气分公司工 程技术处， 吉林长春1 3 0 0 6 2 来梅花 中石化东北油气分公司勘探 开发研究 院， 吉林长春1 3 0 0 6 2 [ 摘要]胜利油 田滨 4 3 5块 目的层为沙 河街组 四上、下亚段 ，为 滩坝砂油藏 ，储 层属低 孔、特低 渗储 层， 经探井试油评价 ，只有采用水平 井压裂投产 才有开采价 值。 由于 上部 地层 疏松，沙三、 四段地 层黏 土矿 物 质量分 数高，油泥岩较为发育 ，水 化膨胀严 重，易掉块 、垮塌 ，井壁易 失稳，普通钻 井液不 能满足 该 区块 水平井施工 要求 。为解决这些难题 ，通过对地层岩样进 行 一系列试验 研 究，最终研 制 出了适合 该 区 块 的有机盐强抑制润滑钻 井液体 系，并在该 区块第 一 口水平井 滨 4 3 5 1 HF井得 到 了成 功应用 ，为该 区块 以及类似油藏的开发做 出 了积极贡献 。 [ 关键词]有机盐 ；润滑；水 平井；强抑制钻 井液 [ 中图分类号]T E 2 5 4 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 O 7 一O l l 2 一O 5 胜利油田滨南采油厂滨 4 3 5块位于济 阳坳陷东营凹陷西北部 ，主力含油层系为沙河街组 四上、下亚 段，埋深 3 2 0 0 3 5 0 0 m，为滩坝砂油藏。沙四上亚段砂体沉积类型为滩坝砂沉积，地层 由上到下依次是 平原组 、明化镇组 、馆 陶组 、东营组 、沙河街组 。据该 区块 3口井 取心资 料分析 ，目的层 为岩屑 质长石 砂 岩 ，其中石英质量分数 4 4 ． 8 ，长石质量分数 2 8 ． 5 ，岩屑质量分数 2 1 ． o ，泥质质量分数 6 ． 7 ，磨圆 为次棱角状 ，胶结类型为孔隙式胶结。据滨 4 1 0 井 x衍射分析黏土矿物总质量分数 8 ． 5 ，其中储层绿泥 石质量 分数 2 9 ，伊 利石质量分数 2 7 ． 7 ，高岭石质量分数 2 3 ． 3 ， ． 伊 蒙混层质量分数 2 O 。 该 区块 埋 藏 深 ，储 量 丰 度 低 ，全 区 平 均 3 5 1 0 t ／ k m ，平 均 孔 隙 度 】 2 ，平 均 空 气 渗 透 率 1 ． 8 mD，属低孔、特低渗储层。常规直井开发难以获得经济效益 ，试油井初期采用常规求产 ，平均单井 日产油 0 ． 8 8 t ，基本无 自然产能；压裂后初期平均单井 日产油 7 ． 4 t ，增产效果 明显 。因此 ，该 区块采用 长 水平 段裸 眼多级 压裂 水平井 开发 。但 由于 明化镇组 至东 营组 地层胶 结疏 松 ，沙河街 组黏 土矿 物 以绿 泥 石 质量 分数 为主 ，因此 该 区块 水平 井开发 存在 以下难 点 ①上 部地 层疏松 ，沙 三 、四段地 层黏 土矿 物质 量分数高，油泥岩较为发育 ，水化膨胀严重 ，易掉块、垮塌 ，井壁易失稳 ；②水平段较长 平均水平位 移1 5 0 0 m ，钻井液携岩困难，钻柱摩阻大 ；③油层保护难度大；④钻井、压裂投产成本 高。以上难 点就要求该区块的钻井液必须具备优 良的抑制性、润滑性 、封堵防塌性 、携岩能力 、保护油气层 、低成 本等特性 ，普通的钻井液体系不能满足实际生产需要 ，因此研 制适合滨 4 3 5块 的钻 井液体系显得尤 为紧迫 。 1 强抑制钻井液体系优选 针 对滨 4 3 5区块 明化镇 组至 东营组 岩性 胶结疏 松 ，沙 河街 组 黏 土矿 物 质量 分 数 高 ，井壁 极 易 失稳 、 垮塌，长水平段导致摩阻大 ，携岩困难等，优选出适合的钻井液体系 ，利用其强抑制 、高效润滑的特点 来 保证 正常钻 进 。 考虑成本因素首选水基钻井液体系，通过岩屑膨胀性试验 、页岩 回收试验和抑制剂优选试验等确定 滨 4 3 5块钻井液体系类型。 1 ． 1 岩 屑膨 胀 性试验 取滨 4 3 8井泥岩岩屑，分别加入淡水配的聚合醇 、聚乙二醇 、有机盐 、HYJ A 一 1 和 HJ A一 1溶液 中， [ 收稿日期]2 0 1 3 1 2 2 0 [ 作者简介 ]冯云春 1 9 7 9一 ，男 ，2 0 0 3年大学毕业 ，硕士 ，工程师 ，现主要从 事钻井与完井研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 7期 冯云春 等 有机盐 强抑 制润 滑钻井液研究 及应 用 静置 2 h和 1 6 h 。 2 。 1 8 1 6 1 4 2 篓1 0 8 6 4 2 0 口2 h 膨胀率广 口1 6 h 膨胀率 广 r7 7 ] 1 【 淡水 淡水 2 ％ 聚合醇 淡水 2 0 ％ 有机盐 淡水 2 ％ 聚合醇 2 ％ K C 1淡水 O ． 3 ％ H Y J A 一 1 淡水 0 ． 端H J A 一 1 淡水 2 ％ 聚乙二醇 注配方中的百分数为质量分数。下同。 图 1不 同 配 方 有 机 盐 抑 制 膨 胀 试 验 结 果 试验证明有机盐的抑制岩屑膨胀能力较强 。其机理是 ①有机盐钻井液 中水的活度远 比岩石中水的 活度小得多 ，这将产生一个渗透压力使岩石 中的水保持渗流入钻井液 的趋势 ，钻井液 中的水不会渗流入 岩石 ，这 有利 于井 壁稳 定 及钻 屑 、黏土 的不 分散 ；②有 机 盐 溶 液 中 电离 出的 大 量 的 阳离 子 K 、NH 、 [ NH R 一 ] 一 1～ 4 可通过静 电引力吸附进入黏土晶格 尤其是蒙脱石 晶格 中 ，抑制黏土表面水 化及 渗透 水化 膨胀 ；③ 有机 酸根 阴 离子 可吸 附在 带 负 电 的黏 土边 面 上 ，抑 制 其 水 化分 散 ；④有 机 盐 阳 、 阴离 子对 黏土颗 粒 的 吸附扩 散双 电层 具有 较 强 的压 缩 作用 ，从 而抑 制 黏土 分散 _ 】 ] 。 1 ． 2页岩 回收 试验 取 滨 4 3 8 井 3 6 4 8 ． 3 m 处 页岩 岩屑 进行 滚 动 分 散 回 收试 验 ，并 与清 水 、聚磺 钻 井 液 、有 机 盐 混 油 钻 井液、油基钻井液体系进行对 比。 试 验步 骤 ①取 6 ～1 0目的滨 4 3 8井 干燥 岩样 5 0 g 准确 至 0 ． 1 g ，分 别装 入盛 有 3 5 0 mi 清水 和 不 同钻 井 液 的泥浆 罐 中 ，加 盖旋 紧 。② 将 泥浆 罐 放 入 设 定好 温度 的滚 子 炉 中 ，恒 温 滚动 1 6 h 。③滚 动 后 ， 取出泥浆罐 ，冷至室温，将罐内的液体和岩样全部倾倒在 4 0目分样筛上 ，在盛 自来水 的槽 中湿式筛选 l mi n 。④将 4 0目筛余 岩样 放入 1 0 5 3 ℃ 的恒 温干 燥箱 中烘 干 4 h ，取 出冷 却 ，并 在 空气 中静 放 2 4 h ，然 后称量 准确至 0 ． 1 g 。⑤计算结果 ，按下式计算岩屑回收率 R 一 l O O ％ ． 1 式 中 R 为泥页岩的回收率， ； 为回收 4 0目筛余岩样质量 ， g 。 由表 1 可 知 ，有机 盐混 油钻 井液 体 系的岩 屑一 次 回收 表 1 岩屑回收试验结果 率达到 9 0 ％以上 ，与油基钻井液相差不 多，远高于清水 体系 岩屑回 收率／ 和聚磺钻井液体系 ，试验证明有机盐混油钻井液体系具有 良好 的抑制 页岩 膨胀 和保 持井 壁稳 定 的作 用 。 1 ． 3抑 制剂 优选 试 验 清水 聚磺钻井液 有机盐混油钻井液 油基钻井液 试验选取 聚合醇 、聚合物增黏剂、多元共聚物、生物 聚合物 、氨基抑制剂等进行评价 ，评价结果 如表 2所示 ，胺基抑制剂抑制泥岩岩心膨胀 能力最强 ，2 h 和 1 6 h岩心膨胀率均远低于其他抑制剂，岩屑 回收率高 ，岩屑一次 回收率达到 9 6 ． 3 。 经过试验研究 ，初步确定滨 4 3 5块钻井液选用有机盐聚合物体系 ，其中有机盐是碱金属低碳有机酸 盐 、有机酸铵 、有机酸季铵的复合物 ，该类有机盐可用通式 X R C OO M 表示 ，其 中 x为杂原子及 杂原子基团，R为 C ～c 。 的饱和烃基，C OO为羧基 ，M 为 1价 阳离子。它们在水 中有很高溶解度 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天 然 气工程 2 0 1 4 年 7 月 能形成密度较高的水溶液 。该钻井液强抑制性 ，可有效抑制泥岩、钻屑水化分散、膨胀 ；动、静切力 低 ，流变性好 ；造壁性好 ；对钻具无腐蚀 ，对环境无污染，保护油气层效果好 ；但该体 系润滑性能不 佳 ，还需 添加 一些 润滑剂 才 能满足该 区块 实 际需要 。 表 2抑制剂优选评价试 验结果 配方 2 h膨胀率／ ％ 1 6 h膨胀率／ 一次 回收质量／ g 一次 回收率／ 淡 水 淡水2 聚合醇 淡水 5 KC l 淡水 2 聚合醇5 KC 1 淡水 0 ． 3 强抑制聚合物增黏剂 淡水0 ． 3 乙烯基单体多元共 聚物 淡水0 ． 3 生物聚合物 淡水1 胺 基抑制剂 5 ． 6 3 8 ． 43 1 5 ．1 2 5 ． 2 8 2 ． 3 9 4 ． 4 0 3 ． 5 1 2 ． 4 4 1 5 ．6 8 1 7 ． 4 8 1 7 ．1 4 1 1 ．6 7 8 ． 4 4 1 2 ． 01 1 2 ． 3 8 8 ． 7 6 8 ． 4 3 3 O ． 6 5 3 7 ． 1 5 4 5 ． 3 8 1 9 ． 1 0 3 O ． 8 7 1 2 ． 5 5 4 8 ．1 5 2 强抑制润滑钻井液体系配方研制 钻井液的润滑能力是保证长水平段安全顺利延伸 的一个关键 因素。使用 的水基钻井液摩阻因数在 0 ． 2 O ～O ． 3 5之 间 ，加 有油 晶或各 类润 滑剂后 ，可 降到 0 ． 1 0左右 ，对 大多 数水 基 钻井 液来 说 ，摩 阻 因 数 维 持在 0 ． 2 0左右 时可 以认为 合格 。根据 以往探 井 的实 际情 况分 析 这个 标 准并 不 能满 足 该 区块 长 水 平段 水平井的要求。 基浆 的配方 7 膨 润 土 0 ． 5 Na C O。 4 - 0 ． 2 聚 丙 烯 酰 胺 P AM 0 ． 3 羧 甲 基 纤 维 素 C MC 1 降失水剂 S D J A一 12 ～3 磺甲基酚醛树脂 S MP 一 Ⅱ0 ． 5 防塌剂 S D 2 0 2 配方 中的百分数为质 量分 数 ，下 同 。 ． 2 ． 1 有 机盐质 量分数 的确 定 将有机盐与钻井液基浆进行配伍 ，试验结果如表 3所示 ，加入有机盐后钻井液 的黏度整体有所下 降 ，滤失量降低，而且随着有机盐质量分数的增大，钻井液的黏切变化不大，最佳质量分数为 2 0 。 表 3有机盐 与钻 井液 的配伍性试验结果 配方p ／ g c m一 。 ／ mP a s ／ mP a。s ／ P a VA P I ／ mL Vh th p／ mL 基浆 现场取 基浆5 ％有机盐 基浆 1 O 有机盐 基浆 1 5 有机盐 基浆 2 O 有机盐 基浆 2 5 有机盐 基浆 3 O 有机盐 1 ． 4 0 1 ． 4 3 1 ． 4 3 1 ． 4 3 1 ． 4 4 1 ． 4 4 1 ． 4 4 2 5 21 1 9 1 8 l 8 1 7 1 7 7 ． 1 5 4 ． 0 9 5 ． 1 1 6 ． 1 3 5 ． 1 1 6 ． 1 3 5 ．1 1 注 1 P为密度 ； 为表观黏度 ； p为塑性黏度 ； V d为动切力 ； VA P I 为 AP I 滤失量 ； Vh th p 为高温高压滤失量。下同。 注 2 试验条件为 2 4 ℃常压 。 2 ． 2 混 油 比例 的确 定 为了提高钻井液的润滑性能，在基浆 中混入原油、白油和极压润滑剂来提高润滑性能，通过试验优 化其质量分数 。试验结果如表 4所示 ，体系中混入原油或 白油 ，两者的摩阻因数差别不大 ，但是原油与 极压润滑剂的复配效果要优于白油与极压润滑剂的复配 ，考虑施工成本等因素 ，因此该体系润滑剂选择 在体系中混入 1 5 ％原油4 ％原油乳化剂 3 ％极压润滑剂 。配方 中加入重晶石调整密度后 ，摩 阻因数 几乎没有变化 ，完全能满足施工要求。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 7期 冯云春 等 有机盐强抑制润滑钻 井液研究及应用 2 ． 3 提 高 泥饼质 量 从提高滤饼质量出发 ，通过调整钻井液中固相颗粒 的粒度级配 ，形成致密的、薄的、润滑性好的滤 饼 ，这对预防压差卡钻 、降低静态摩阻与扭矩有利 。 在基浆中分别加入一定量的超细 C a C O 。和纳米材料 ，测定其流变性 能、滤失性和润滑性 ，结果如 表 5所示 。基浆 中加入超细 C a C O 。和纳米材料后 ，流变参数无明显变化 ，而常温常压滤失量 明显降低 ， 另外摩阻因数均明显减小 ，说 明通过改变钻井液中固相颗粒的粒度级配不但可以改善滤饼质量 ，而且可 以提高 钻井 液 的润滑 性 。 表 4 不 同混油比下的钻井液性 能 注 k f 为极压润滑系数 。下 同。 根据上述试验 研究 ，确定 了强抑 制有机 盐钻 井液体 系的 配方 5 膨 润 土浆 0 ． 5 Na 。 C O 。 0 ． 1 5 oA聚丙烯酰胺 P AM0 ． 3 水解聚丙烯晴铵盐 0 ． 5 ～1 降失水剂 S D J A一 1 O ． 3 ～O ． 5 羧 甲 基纤维素 C MC 2 9 ／ 5 ～3 磺 甲基酚醛树脂 S MP 一 Ⅱ1 5 有机盐 1 5 ％原油4 oA原油乳化剂 3 ％极 压润滑 剂 3 超 细 C a C O。 3 纳 米 材料 0 ． 5 防塌 剂 S D2 0 21 ％抗 盐 防塌 降滤失 剂 0 ． 1 乳 化 剂 。 3 钻井液性能评价 3 ． 1抗高 温试 验 考察了强抑制润滑钻井液体系的抗高温性能，试验结果如表 6 所示 ，该钻井液体系在高温老化前后 性能变化不大，表明该钻井液体系具有 良好 的抗温能力 ，满足高温高压地层的钻探要求 。 3 ． 2 抗 黏土 污染 试验 从表 7 结果可以看 出，随着钻井液中黏土质量分数的增大 ，塑性黏度 、动切力略有增加 ，AP I 滤失 量减小 ，表明该体系具有较强的抗黏土污染能力 ，钻井液仍有较好的流变性能。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ． 1 1 6． 石 油天 然气工程 2 0 1 4 年 7 月 组成 基浆3 ％黏土 基浆5 黏土 基浆8 黏土 4 现场应用 滨 4 3 5 1 HF井 为滨 4 3 5块 第 一 口长 水 平 井 ，井 底 水 平 位 移 1 6 5 2 m，水 平 段 长 1 1 6 3 m，最 大 井 斜 8 8 ． 7 。 ，为三开井深结构 ，完钻井深 5 0 0 7 m，最 大井斜 8 8 ． 7 O 。 。一开表层套 管下深 4 0 0 m，下入 钢级 J 5 5 3 3 9 ． 7 mm9 ． 6 5 mm 表层套 管 ，二开 导 眼井深 3 6 3 7 ． 5 8 m，导眼 电测完 后 回填至 2 6 9 0 m，然 后 实 施主 井 眼 。 二 开技 术套管 下深 3 8 3 4 m ，下 入 钢级 P 1 l 0 2 4 4 ． 5 mm1 1 ． 9 9 mm2 0 0 9 ． 9 7 m，P 1 I O T T 2 4 4 ． 5 mm 1 1 ． 9 9 mm 2 0 0 9 ． 9 7 3 8 4 3 ． 0 m技 术 套 管 。三 开 油层 套 管下 深 5 0 0 2 ． 8 4 m，下 人 钢 级 P 1 1 0 1 3 9 ． 7 9 ． 1 7 mm 油层套 管 。 二开上部地层岩性胶结疏松 ，易掉块 、坍塌，钻井液的主要作用是抑制地层黏土造浆 ，针对该井段 地层特点和满足快速钻进 的需要 ，使用聚合物钻井液体系，二开造斜点 以及三开使用有机盐强抑制润滑 钻井液体系。该钻井液体系以其优异性能保证 了该井的顺利完成 ，为该 区块 以及类似油藏的开发奠定 了 坚 实 的基础 。 ’ 5 结论 与建议 1 有机盐强抑制润滑钻井液体系具有抑制性强、润滑性能好 、携岩能力强、性能稳定、成本 低的 特点 ，能有 效抑 制滨 4 3 5 块 黏土 矿物水 化膨 胀 、分散 、掉 块 ，保 证 了该 区块第 一 口水平 井 的成功 实施 。 2 通过一系列试验研究，研制出了适合滨 4 3 5 块 的有机盐强抑制润滑钻井液体系配方 。经现场应 用取得了成功 ，为该区块以及类似油藏的开发寻求到了经济适用的钻井液体系。 3 有机盐强抑制润滑钻井液体系的降解性能未作评价 ，有待下一 步研究 ，以提高该体系对油气层 的保 护能 力。 [ 参考文献] [ 1 ]姚少全，汪世 国，张毅 ，等 ．有机盐钻井液技术 E J 3．西部探矿工程 ，2 0 0 3 ， 8 6 7 7 3 ～7 6 ． [ 2 ]刘志 良，戎克生 ．有机盐钻井液在 T4 0 3 1井三开井段 的应用 I- J ]．新疆石油天然气 ，2 0 0 9 ，5 1 3 8 4 0 ． [ 3 ]周建东 ，李在均 ，邹盛礼 ，等 ．有机盐钻井液在塔里木 东河油 田 DH1 ～ 8 6井 的应用 [ J ]．钻井液 与完井液 ，2 0 0 2 ，1 9 4 2 1 ～ 2 3 ． E 4 3贺伦俊 ．有机盐强抑制可降解钻 完井液在胜利油 田的应用 E J 3．新疆 石油地 质，2 0 1 2 ，3 3 3 3 7 o ～3 7 2 ． [ 编辑] 帅群 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m