川西知新场地区稀硅酸盐防塌钻井液技术.pdf

第 2 9卷 第 2期 2 0 1 2年 3月 钻井液与完井液 DRI L LI NG F LUI D COM P LE TI ON F LUI D V_0 1 ． 2 9 No ． 2 M a t ．2 01 2 【 理论研究与应用技术 】 川西知新场地区稀硅酸盐防塌钻井液技术 于志纲， 吕宝， 杨飞， 李斌 四川仁智油田技术服务股份有限公司，四川绵阳 于志纲等．川西知新场地区稀硅酸盐防塌钻井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 2 3 2 ． 3 4 ． 摘要川西知新场地 区泥页岩发育，特别是同一裸眼段，含有多层硬脆性泥页岩，极易发生井壁失稳，给钻 井施工带来极大的影响。针对现用聚磺钻井液体系防塌封堵能力难以满足需要的实际情况，在深入研究井壁失稳 机理的基础上，通过正交实验，研究形成一套以聚磺钻井液为基础的稀硅酸盐防塌钻井液技术。经过性能评价， 稀硅酸盐钻井液克服了以往流变性难控制的难题 ，可控密度为 1 ． 4 O ～2 ． 2 0 g ／ c m ，并具有较强的防塌封堵能力。研 究成果在 Z X 3 l 井进行了现场应用，实钻三开井径扩大率远低于邻井，表明稀硅酸盐钻井液具有较好的防塌封堵 能力，解决了川西知新场地区井壁失稳问题，为知新场一 石泉场构造带的勘探开发积累了经验。 关键词 钻井液 ； 硅酸盐 ； 防塌 ；井壁稳定 ； 川西地区 中图分类号T E 2 5 4 _ 3 T E 2 8 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 20 2 ． 0 0 3 2 ． 0 3 知新场 一 石泉场勘探区块构造位置位于川西坳 陷中段东部斜坡带上，构造带上共发育有知新场、 石泉场、龙宝梁 3 个次一级正向构造，主体位于温 江 一 中江油气勘查区块。区域地层微裂缝发育，存 在异常的坍塌应力，稳定性很差，极易发生井壁掉 块和坍塌 ，在 以往 中江地区的钻探过程中，使用了 传统的聚磺钻井液体系，但井壁失稳现象严重，造 成非生产时间增大，影响了生产效率。2 0 世纪 3 0 年代，硅酸盐钻井液开始在墨西哥湾地区用于解决 大段易坍塌泥页岩地层钻井过程中的卡钻等问题， 硅酸盐使用浓度为 2 0 ％～3 0 ％， 后来因为浓度过高， 钻井液流变性难以维护导致体系停止应用。6 0 年代 中期稀硅酸盐 含量 为 5 ％～1 0 ％ 钻井液开始在现 场使用，并采用稀硅酸盐 ． 盐溶液加固潜在的不稳 定泥页岩，取得较好的稳定井壁效果。9 0 年代随着 各国对环境保护要求越来越严格，美国、英国等国 家的钻井液公司也开始研究该钻井液。目前其已在 北海、阿拉斯加、纽芬兰、墨西哥湾等地区使用。 硅酸盐钻井液通过多年的室内研究，正在进行逐步 推广应用，但高密度硅酸盐的使用仍然较少 [ 1-4 ] 。 1 井壁失稳机理分析 1 ． 1 黏土矿物分析 室内选取了知新场地区完钻井的岩屑进行了黏 土矿物的x衍射分析实验。分析结果表明，知新场 地区失稳井段岩屑中黏土总量为 2 5 ％ 3 0 ％，黏土 矿物组成主要以伊利石为主，伊蒙混层为辅，其次 为绿泥石，高岭石含量较低。随着埋深的增加，伊 利石含量还呈渐增趋势， 而伊蒙混层则呈无序状态。 1 ．2 泥页岩水化分散性分析 以 C Q1 8 3井实钻掉块 为实验对象 ，以蒸 馏水 为介质 ，测得蓬莱镇 、遂宁组 、上沙溪庙组 、沙溪 庙组掉块的线性膨胀率 8 0℃、8 h 分别为 1 ．6 ％、 5 ． 6 ％、5 ． 5 ％ 和 7 ． 5 ％，滚 动 回收率 8 0℃、1 6 h 分别为 2 7 ． 0 ％、3 9 ． O ％、5 3 ． 1 ％ 和 6 2 ． 0 ％。从以上结 果分析可知，知新场地区泥页岩水化膨胀性较弱， 分散性较强。综合上述分析结果 ，知新场地区易垮 塌地层垮塌机理主要为分散性较强的泥页岩剥落导 致井壁掉块、垮塌。因此需对钻井液的封堵性能进 行强化， 提高泥饼质量，同时合理控制钻井液密度。 基金项目 中石化西南油气分公司科研项目 提高钻井速度的钻井液防塌技术研究 GJ ． 1 4 1 ． 0 9 9 1 部分研究内容。 第一作者简介 于志纲，工程师， 2 0 0 6年毕业于西南石油大学应用化学专业，主要从事钻井液技术方面研究与应用工作。 地址 绵阳市高新区路南工业园仁智科技产业园 ； 邮政编码 6 2 1 0 0 0；电话 1 5 9 8 4 6 1 0 0 3 6； E - ma i l y z g s wp u 1 6 3 ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 2期 于志纲等 川西知新场地区稀硅酸盐防塌钻井液技术 3 3 2 钻井液配方确定及其性能评价 2 ． 1 配方确定 针对知新场地层易坍塌的特点 ， 根据上述机理 ， 在处理剂优选的基础上 ，利用正交试验方法 ，得到 基础配方如下，其性能见表 1 。从表 1 可知，密度 为 1 ． 4 0 ～2 ． 2 0 g ／ c m3 的硅酸盐钻 井液老化后 的流变 性 良好，高温高压滤失量较低 ，满足川西地区不同 密度 、不同温度的钻井需要 。 2 ％ ～ 3 ． 5 ％ NV 1 5 ％ ～ 7 ％ Na 2 S i O3 0 ． 1 ％～ 0 ． 2 ％ XC 斗 1 ％～2 ％ P AC ． L V 1 ％～2 ％ S MC 1 ％ ～ 2 ％ S P N H 1 ％ ～ 2 ％微米级封 堵材料 F G L 3 ％K C l 重晶石 表 1 不 同密度硅酸盐钻井液 的流变性能 实验条件 PV ／ ． Y P ／ F m LA L p FL m H L T H g ／ c m mP a S P a p H ℃ mL mL 6 0 1 ．4 0 3 7 l 2 4 ．2 l 1 ．O 1 1 6 0 1 ． 60 40 1 2 3 ． 6 11 ．4 1 1 6 0 1 ． 8 0 5 1 l 5 3 ． 2 1 0 ．2 1 1 60 2． 0 O 48 l 6 3． 0 1 0．0 11 6 O 2_ 2 0 41 20 4． 2 1 0 ． 8 1】 8 0 c c、1 6 h 1 0 0 ℃ 、 1 6 h 1 0 0℃ 、 l 6 h 1 2 O℃ 、 l 6 h 1 2 0℃ 、 1 6 h 2 ． 2 性能 评价 2 ． 2 ． 1 抑制性能 室 内以川西知新 场遂 宁组 页岩岩 屑为实验 对 象 ，称 取 5 0 g粒 径 为 2 ． 0 0 ～3 ． 2 0 rai n的风 干岩 屑 颗粒加 到 配方 中，做 滚动 回收 8 0℃、1 6 h实 验。测得岩屑在清水、复合金属离子钻井液 配方 如下 和硅酸盐钻井液中的回收率分别为 4 9 ． 6 2 ％、 9 0 ． 1 0 ％ 和 9 3 ． 0 0 ％。 由此可知 ，硅酸盐钻井液 的滚 动 回收率较复合金属离子钻井液高 出 3 ％，针对川 西易垮塌地层显示出较好 的抑制性能。 3 ． 0 ％NV- l 0 ． 3 ％M M AP 3 ％S MP． 1 3 ％ S M C 1％ X K 一 01 0． 1 ％ N a2 CO 3 0． 1 ％ N a O H 1 ％ FST- 2 0- 3 ％ S P． 8 0 3 ％ RH2 2 0 2 ． 2 ． 2 封堵性能 室内选用川西地区深井须四段岩心，模拟地层 微裂缝 人造裂缝缝宽为 5 O ～3 0 0 g m ，在 2 MP a 压力下用钻井液封堵 3 0 rain 后 ， 计算封堵率，评价 其对微裂缝以及孔喉的封堵性能，结果见图 1 。从 图 1 可 以看出 ，随着人造裂缝的增大 ，钻井液的封 堵率大幅降低，说明没有支撑剂钻井液本身难以对 较大尺寸的孔喉进行封堵。但是，在同等尺寸下， 硅酸盐钻井液封堵率却高于复合金属离子钻井液， 并且形成的滤饼质量薄而致密。 人造裂缝宽度／ u Ⅱ I 图 1 钻井液封堵率与人造裂缝宽度的关系曲线 2 ． 2 ． 3 抗污染性能 在川西钻井过程 中，地层水进入钻井液后 ，会 一 定程度地影响钻井液的稳定性。为评价硅酸盐钻 井液的抗盐 污染性 ，分别加入不 同量 的 Na C 1 来考 察钻井液 的流变性 ，结果见 图 2 。从 图 2可以看出， 随着 Na C 1 加量 的不断增大 ，硅酸盐钻井 液的中压 滤失量略有增加但波动 范围不大 ，Na C I 最 大加量 为 5 ％ 时，中压滤失量小于 6 mL，说 明该体系具有 较强的抗盐污染能力。 a CJ ／ J／ 0 图 2 中压滤失量与Na C 1 加量的关系 2 ． 2 ． 4 配伍性能 川西地 区深层微裂缝 一 裂缝发育 ，钻进过程 中 容易钻遇裂缝 ，发生漏失。室 内采用防漏材料在常 温下与硅酸盐钻井液进行配伍性实验，结果见表 2 。 由此可知，加人防漏堵漏材料后 ，硅酸盐钻井液的 切力有轻微降低 ，漏斗黏度变化较小 ，总体性能稳 定 ， 因此硅酸盐钻井液与防漏堵漏材料配伍性较好。 表 2 防漏堵漏材料与硅酸盐钻井液的配伍性能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 钻 井 液与 完 井液 2 0 1 2年 3月 3 现 场应 用 硅酸盐钻井液在川西中深井的多口井进行了现 场试验，下面介绍Z X 3 1 井的应用情况。Z X 3 1 井 位于川西坳陷东坡知新场构造高部位，完钻井深为 2 8 6 0 m，完钻层位为千佛崖组地层。中江地区地层 在钻井过程中一直存在比较严重的垮塌现象，给该 区钻井施工带来较大的技术难题和经济损失。 为此， 该井三开使用硅酸盐钻井液，强化井壁稳定性，实 钻井深为 2 8 6 0 m，最高密度为 1 ．6 9 g ／ c m 。 ，整个硅 酸盐钻井液施工期间，钻井液整体性能稳定，井壁 稳定性 良好 ，没有出现掉块和阻卡情况 ，钻进顺利。 3 ． 1 施工工 艺 1 预水化膨润土浆 ， 水化 2 4 h后加入 3 ％～7 ％ 模数为2 ．7 ～2 ．9的硅酸盐，搅拌混合均匀。 2 将 0 ． 1 ％～0 ． 1 5 ％ X C配制成胶液，再依次 加 入 1 ％～2 ％ L V - P AC等材料 ，通 过加重漏斗缓 慢加入基液中，让其充分溶解混合均匀后再入井。 3根据井下情况及时调整性 能，及时补充胶 液 0 ． 1 ％xC 0 ． 5 ％L V - P A C 控制钻井液 滤失量 、切 力和动塑比，提高悬浮和携带能力。 4随着井段 的加深 ，逐步加入 5 ％～1 0 ％ 混 合胶液 s Mc s P N H ， 维护钻井液较强的抗温能力。 5硅酸盐钻井液 的井壁稳定 能力 主要来源于 硅酸盐的含量， 应该不断补充以保持其含量的稳定， 硅酸盐钻井液的p H值应保持在 1 1 ～1 3 。 6 如果硅酸盐含量过高导致钻井液滤失量升 高时，应事先用降滤失剂处理。硅酸盐钻井液提高 密度可采用混重浆加重，但须提前做好小型实验。 7 当配制钻井液黏度过高时，应加胶液稀释。 3 ． 2 效果评价 1 流变性能。如表 3 所示，随着 Z X 3 1 井深 和钻井液密度 的增加 ，钻井液 的黏度为 5 0 ～5 8 S 、 动塑比为0 - 3 ～0 ．4 5 P a ／ m P a S ，满足了该井小井眼 井段携砂的要求，高温高压滤失量为 8 ～1 0 m L； 同时随钻在井浆中补充硅酸盐，保证足够的游离 S i O 一 离子， 使该钻井液具有较好的防塌效果。 2 封堵性能。三开 1 8 8 8 ～2 8 6 0 m 采用小井 眼钻进， 钻头尺寸为 1 5 2 ．4 m ．m。该井段机械钻速 较慢，钻井周期长达 4 4 d ，期间 3 次取心，井壁长 时间受钻井液浸泡， 其中井径扩大率最大为6 ．8 6 ％， 平均井径扩大率为 6 ． 4 3 ％，远低于设计井径扩大率 1 5 ％，也较邻井 C Q1 8 3 井 井径扩大率为 1 4 ． 7 0 ％ 降低 5 6 ．2 6 ％。同时，该井实钻进过程中没有因井 壁失稳问题引起井下复杂情况发生， 说明该体系具 有良好的防塌封堵性。 表 3 Z X 3 1 井硅酸盐钻井液的性能 4结论 与建议 1 ． 室内研究 出的稀硅酸盐防塌钻井液，可控钻 井液 密度 为 1 ．4 0 ～2 ． 2 0 c I n 3 ，抗 温达 1 2 0 o C，具 有较强的防塌封堵性和抗污染能力，配伍性好。 2 ． 通过现场试验 ，不同密度下的稀硅酸盐钻井 液流变性稳定易控制，防塌封堵性能较强，实钻平 均井径扩大率 为 6 ． 4 3 ％，无掉块发生 ，与聚磺钻井 液配伍性能较好 。 3 ． 稀硅酸盐 防塌钻井液易受膨润土含量影响 ， 因此 ，在配制初期和实钻过程 中要注意控制膨润土 含量，避免黏度和切力过高。 4 ． 稀硅酸盐钻井液中加入无机盐，有助于提高 综合抑制性， 但加量过多易导致钻井液结构遭破坏 ， 造成钻井液絮凝，引起井下复杂情况。 参 考 文 献 [ 1 】 郭健康，鄢捷年 ． 硅酸盐钻井液体系的研究与应用 [ J ] ． 石油钻采工艺，2 0 0 3 O 5 2 0 ． 2 4 ． 【 2 ] 蔡利山，郭才轩 ． 中国硅酸盐钻井液技术面临突破 [ J 】 ． 钻井液与完井液，2 0 0 7 ，2 4 2 1 - 4 ． [ 3 ] 袁建强，王松，刘二平 ，等 ． 深水水基钻井液的室内研 究 [ J 】 ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 1 1 4 ． 1 6 ． [ 4 ]4 蓝强 ，邱正松 ． 硅酸盐钻井液实验研究 【 J ] ． 钻井液与完 井液 ，2 0 0 7 ，2 7 1 2 0 ． 2 2 ． 收稿 日期2 0 1 1 - 0 8 ． 0 2 ；H GF 1 2 0 1 N9 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m