铵盐氯化钙钻井液在苏丹泥页岩井段的应用.pdf

第 2 7卷 第 3期 2 0 1 0年 5月 钻井液与完并液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D 、 ， o 1 ． 27 NO ． 3 M a y 201 0 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 0 0 3 ． 0 0 4 7 0 4 铵盐氯化钙钻井液在苏丹泥页岩 井段的应用 莫绍兵 ， 宋建源 ， 鲁先振 ， 陈建 民 ， 何纶 1 ． 中石油长城钻探工程有限公司钻井液分公司，北京 ； 2 ． 四川石油管理局退休办，成都 摘要通过对苏丹富北构造 T e n d i s e n n a 地层岩性特性分析，总结了泥岩中黏土水化膨胀的规律。采用 了铵盐 氯化钙钻井液，对其作用机理进行了探讨。经在富北油田的F N1 2 0 、F N1 0 8和 F N9 0定向井中应用表明，铵盐氯化 钙钻井液的表观黏度为 2 3 ～2 7 mP a S ，动塑比为 0 ． 4 5 ～0 ． 6 0mP a s ／ P a ，携岩能力强，并有利于快速安全钻进 ； 该 钻井液抑制性强，钻屑规则，振动筛清爽干净，钻井液固相容易控制，起下钻顺利，井径规则 ； 适合 T e n d i ． s e n n a 砂岩地层的防漏要求，在易发生漏失的F N表层漏失率减少 了5 0 ％ ； 解决了富北油田T e n d i s e n n a 地层泥岩水化膨 胀 缩径和井壁失稳垮塌 的问题 ，满足 了安全 、快速钻进 的要求。 关键词 铵盐 氯化钙钻 井液 ； 井眼稳定 ； 井 眼净化 ；苏丹 富北 油田 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 苏丹富北构造 T e n d i s e n n a 地层有一段长约 3 0 0 ～ 5 0 0 m 的不稳定软泥岩 ，在该井段钻进过程 中发 生钻头泥包的可能性为 5 0 ％，而几乎每 口井均发生 了起下钻遇阻 、遇卡问题 。一般采取频繁短程起下 钻 的方法清除膨胀缩径和黏附的细小钻屑 ，但直至 快完井 时，该井段仍存在超拉问题。特别是该地层 下部存在大量易漏和易塌地层 ，钻进过程中经常发 生起钻时拔活塞而抽吸使下部井眼垮塌和下钻遇阻 产生压力激动而压漏井眼的问题 ，井径极不规则 ， 甚至导致井眼报废。分析了该构造黏土的水化膨胀 特性 ，介绍 了使用铵盐氯化钙钻井液安全快速钻穿 该地层的钻井液工艺技术 。 1 地层 特点与黏土矿物浸泡 实验 1 ． 1 地 层特点 T e n d i s e n n a 地层从地表 以下 2 1 0 m开始 ，先后 出现红褐色 、灰 白色、灰绿 、灰色泥岩 ，以灰 白色 和灰色泥岩段最长 ，这些不同矿物组成 的泥岩相互 交替甚至混杂 ，显示 出不同的水化膨胀特性 。红褐 色泥岩膨胀性最大，沉降在泥浆槽低凹处 的钻屑膨 胀尺寸高达一倍 以上 ，并且黏性强 ，2块钻屑一碰 就黏在一起。在起下钻过程 中黏附在井壁上的该种 泥块受钻头和扶正器 的挤压 而增大直至超拉遇阻。 灰 白色与灰色泥岩具有水化分散与膨胀特性 ，根据 地质资料 ，该泥岩蒙脱石含量高达 6 0 ％～7 0 ％，极 易发生泥包钻头 、缩径 、起下钻遇阻遇卡等复杂情 况。灰绿色泥岩为层理状发育 ，硬度较高，如钻井 液造壁性不好 ， 会有不 同程度的垮塌 ，使井径扩大。 1 ． 2 黏土矿物浸泡实验 配制胶液 配方如下 ，在胶液里加入不同浓度 的K C 1 、 NH 4 HP A N C a C 1 ， ， 进行浸泡实验。 结果见表 1 。 表 1 不同流体对泥岩的水化膨胀抑制性 第一作者简介 莫绍兵，工程师，毕业于西南石油学院应用化学专业，现在从事钻井液技术服务工作。地址 北京市 朝阳区安立路 1 0 1 号名人大厦 1 3 1 1室 ； 邮政编码 1 0 0 1 0 1；电话 0 1 0 5 9 2 8 5 8 0 4； E ma i l t l ms b x j t x n s i n a ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 钻 井 液 与 完 并 液 2 0 1 0年 5月 0 ． 3 ％ Na OH0 ． 5 ％ St a r c h- CM 0． 2 ％ XY- 2 70． 8 ％ P lA I V 0 - 5 ％Kf 6 在一 定浓度降滤失剂 和聚合 物抑制剂 的配合 下 ，K C 1 和 2 ％NH ． C a 2 均 具有 更 强 的抑 制 能力 ， 但从水化速度来 看，2 ％NH 一 C a 较慢 ，这恰好是 工程措施可以利用的。 1 ． 3 回收率实验 将粒径为 2 ． 0 0 ～5 ． 2 7 n q l T l 的掉块岩样加入 K C1 钻井液和 NH 4 HP A N． C a C 1 2 钻井液 中，在 6 O。 C 下滚 动 1 6 h后过孔径为 0 ． 5 0 m i l l 的筛 ，结果见表 2 。 表 2 不同钻井液对泥岩的回收率 实验 2 钻井液应 用情况 该油 田长时间 内使用 KC 1 ． P o l y me r 钻井液 ，由 于近 2年 KC l 价格上涨过快而改用有机铵盐聚合物 钻井液。 1 K C I P o l y me r 钻井液。该体系从使用至停止 使用期 间，一直没有很好地解决 T e n d i s e n n a地层 的泥包钻头 、起下钻遇阻遇卡的问题。电测结果显 示 ，井径极不规则 ，表明因泥岩水化膨胀引起 的工 程措施受阻进一步对井壁造成伤害。 2 NH4 H P A N P o l y me r 钻井液。使 用该体系钻 开地层 2 4 h内井眼正常 ，钻进 4 8 h 后 泥岩就 出现 了膨胀缩径 ，原因是 NH g HP A N在钻井 液中的水解 度和 NH 的稳定性受 p H值影响较大，与井壁黏土 作用的平衡建立时间较长。 3 N a C I P o l ym e r 钻井 液。该体 系能使井 壁快 速膨胀缩 径 ，直 至水化 分散 扩大井径 ，使 T e n d i s e n n a 地层 出现 “ 大肚子”井眼， 其稳定井壁能力差 ， 造成下部井眼多处井壁垮塌 ， 电测时 9 0 ％ 的井遇阻。 3 黏土水 化膨胀 的几点认 识 1 泥岩的水化膨胀性与钻井液 中水 的活度有 关 ，井壁、钻屑的黏土颗粒在钻井液中浸泡时的水 化应力与钻井液中水的活度成正比，与岩石中水的 活度成反 比，因此钻井液 中水 的活度应尽量小 ，通 过提高浓度并不能完全解决问题。K e y i． S 1 井使用 KC I 钻井液钻遇长达 6 0 0 m的软泥岩 ，在钻头泥包 情况下将 浓度提高至 6 0 0 0 0 m g ／ L ，仍不能解决 钻头泥包 的问题 ，表 明过量提高 浓度也不能有 效增强 K 的抑制能力，而在低浓度下的也未表现 出抑制能力不足。相反， 钻井液中离子浓度的减少 ， 保持在一个合适的浓度，反而还能有效地控制黏土 的水化分散及钻井液密度。 2 阳离子影响黏土水化的能力。打开泥页岩地 层时，黏土断面和层间微缝暴露在钻井液中，如果钻 井液中水的活度小于黏土层中水的活度，同时如果泥 饼能形成有效半透膜 ，则钻井液中的水会有向地层中 运移的趋势。对使用不同钻井液钻过软泥岩段后起 下钻的井壁水化情况进行比较， 得到水化速度的顺序 为 Na C I ． P o l y me r 体 系 KC I P o l ym e r 体 系 C a C I 2 ． P o l y me r 体 系 NH 4 HP A N P o l y me r 体系 ； 得 到水化 程度的顺序为 Na C 1 - P o l y me r 体系 C a C 1 2 - P o l y me r 体 系N H 4 HP A N． P o l y me r 体系 K C 1 - P o l y me r 体系。 水化速度顺序与各种离子饱和溶液中水 的活度 大小一致 ，水化程度顺序是由阳离子水化能与离子 交换能力大小决定的，特例是 N H4 和 的半径与 黏土 晶层 内环半径 的匹配程度 、镶嵌作用 ，使水化 程度减小 。与通过无机离子浓度来压缩黏土双 电层 相比，影响井壁稳定和黏土膨胀 的因素关键在于离 子种类而非离子浓度 。 3 阳离子在对黏土起抑制作用前都必须先通 过黏土晶层间阳离子与钻井液中阳离子发生离子交 换 ，因此初期较小幅度的水化是不可避免的。钻井 液处理的重点不仅是在初期 的抑制 ，同时还要在发 生离子交换后 ，减少静态过程中发生的离子交换速 度和程度。 4 在泥岩性的碎屑易塌地层 中，l 的稳定井 壁能力是其他离子无法替代的，但在其他防塌处理 剂的配合下 ， I 十 的浓度可以控制在一个较低范围内。 实践 中还可以采取分段处理方式 ，对需要的井段增 加 而不需要的井段可以不用。 4 钻井液配方优选 针对泥岩特性和满足 甲方对钻井液电导率的要 求 ，选择 NH 4 HP A N和 C a C 1 复配作软泥页岩 的主 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 3期 莫绍兵等 铵盐氯化钙钻井液在 苏丹泥 页岩井段的应 用 4 9 抑制剂 ，通过大幅提升钻井液造壁性 ，形成近似于 零渗透率的泥饼 ，减少静态平衡时离子的交换量 。 4 ． 1 有机 铵盐主 抑制剂 有机盐钻井液中水 的活度远比岩石中水 的活度 小，能产生一个渗透压力，使岩石中的水有渗人钻井 液的趋势，而钻井液中的水不会渗入岩石，从而有利 于井壁稳定及保持钻屑、黏土 的不分散趋势。井壁、 钻屑的黏土颗粒在钻井液中的水化应力计算式为 水化4． 6T i n 6 c ／ a 式 中， 为绝对温度 ，仅 为钻井液 中水 的活度 ，6 c 为岩石 中水 的活度 。 越接近 ，水化应 力越小 。 不同流体 中水 的活度见表 3 。 表 3 不 同流体 中水 的活度 流体 活度 流体 活度 纯水 1 ． O 0 2 0 ％ 甘油 0 ． 9 0 饱 和 N a C 1 水 溶 液 0 ．7 5 5 翟 c 0 ．1 5 铵 盐 水 溶 液 ⋯ 饱 和 K C 1 水溶液 0 ． 7 O 铵盐水溶液 2 ⋯ 饱 和 C a C I 水溶液 0 ． 2 9 5 由表 3可 以看 出，有机铵盐水溶液中电离出大 量的阳离子 N H 、[-N H R 4 一 r ，它们可通过静电引 力吸附进入黏土 晶格 ，抑制黏土表面水化及渗透水 化 ； 有机酸根阴离子可吸附在带正电的黏土端面上 ， 抑制其水化分散 ； 有机盐阴 、阳离子对黏土颗粒的 吸附扩散双 电层具有较强 的压缩作用 ，从而抑制黏 土的分散 。 4 ． 2 Ca C I 2 辅抑制 剂 井壁上 的 C a 利用其二价特性可挤在黏土层间 的微裂缝 中充当桥接粒子 ，但需要相应的其他非离 子型处理剂和密度的配合， 否则起不到应有的作用。 钻井液中黏土含量较高时 ，加入 C a C 1 后产生高度 絮凝状态 ，因此二开转化钻井液时 C a C 1 的加量达 到设计要求 ，通过 C a C 1 与铵盐配合 ，形成强抑制 性溶液 ，保持钻井液低固相 ，使钻井液始终处于一 种适度的絮凝状态。综合考虑其对水活度 的影响和 环境保护 的要求 ， C a C 1 ， 的浓度控制为 2 ％～3 ％。 4 ． 3 造壁、屏蔽封堵与降滤失剂 由于 C a 与 NH 阻止黏土水化 的能力不如 K ， 在层理发育和水化分散较强的泥岩与砂岩混层 中， 需提高钻井液屏蔽封堵能力、降低滤失量 ，以形成 滤失量相 当于零 的封 固带。根据多年 的应用经验， 2 ％～3 ％ QS ． 2与 3 ％F T - 1 能适 应 地层 孔 隙尺 寸 ， 再加入足量的纤维素 ，可形成致密薄韧的泥饼 ，钻 井液滤失量能很快降低至 1 ～2 m L 。随着钻井液中 C a C 1 的增加 ，钻井液 中水 的活度低于先进人地层 的钻井液或滤液 中水 的活度 ，可阻止钻井液中的水 进一步进人地层 ，降低黏土水化膨胀程度。以下方 法至少在 3口定 向井应用 中取得效果 以 C l 一 定量 分析 Ca C I 2 的含量 ，初 期 C l 一 浓度为 2 0 0 0 0 mg ／ L， 在维护钻井液的同时 ，逐渐提高 C a C 1 ， 的浓度 ，至 完井时 C l 一 浓度增加至 3 5 0 0 0 mg ／ L， 结果井壁稳定 ， 泥岩井壁没有出现随时间增加而缩径的现象 。 4 ． 4 控制合适的黏度以保持对井壁的冲刷 减 少钻 井液 的黏弹性 、黏 滞力 ，以提高 钻井 液的 自净能力 。在易水化膨胀的井壁 ，不合适 的钻 井液黏度、切力和流态 ，会使井壁上黏附越来越多 的细小钻屑 ，导致缩径 ，在环空形成多个 “ 水眼” ， 造成泵压升高 ，要提高排量 、降低黏度来清洁井眼。 对易膨胀黏土地层，需降低钻井液黏度时，要提高 排量 ，单调整钻井液流变性 已不能满足剪切井壁与 携带钻屑的矛盾 。 4 ． 5 p I -I 值控制剂的适宜加量 在碱性条件下 ，p H值越高黏土 的水化速度 和 程度越大 ，这可能与使用 Na O H增加了钻井液 中的 Na 有关 ，过高的 p H值还使 NH 的损耗增加 ，增 大了体系中水的活度。 4 ． 6合理 的密度 钻井液密度不但补偿 地层应力释放，还可控制 黏土水化。在应用该体系时，重要的是保 持一定的 正压差， 将封堵粒子压人地层孔隙中， 确保井壁稳定。 4 ． 7铵盐氯 化钙钻 井液 配 方及性能 4 ％膨 润 土 3 ％～5 o ／ o C a C 1 ， 1 ％～2 ％ NH 4 HP A N 1 ． 0 ％～1 ． 5 ％ P AC L V 0 ． 6 ％～ 0 ． 8 ％ S t a r c h ． CM 3 ％QS 一 2 2 ％F T 一 1 0 ． 6 ％Na OH 0 ． 1 ％ ～0 ． 2 ％ XC O- 3 ％ KPAM Ba r i t e 该钻井液密度 为 1 ． 0 8 ～1 ． 2 5 g ／ c r n ，黏度为 4 3 ～ 4 6 S ，表观 黏度 为 2 1 ～2 6 mP a S ，塑性 黏度 为 1 2 ～ 1 7 m P a S ， 动切力为 5 ～9 P a ， 滤失量为 2 ． 0 ～2 ． 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 5月 F N， 1 1 1 2 0 1 ～4 5 9 4 6 2 0 8 ． 5 3 0 0 0 0 遇阻划 眼 F N 一 1 2 1 2 9 1 ～4 1 3 KC I P o l y me r 4 5 1 9 9 ． 0 2 9 0 0 0 遇阻划跟 缩径率为 7 ． 3 ％、扩径率为 4 8 ％ 缩径率为 5 ． 3 ％、扩径率为 4 1 ％ F N． 1 1 2 2 7 0 4 7 2 4 5 2 1 9 ． 5 2 6 0 0 0 遇阻 电测 垮塌扩径率为 9 8 ％ mL，p H值为 8 ． 5 ，C 1 一 含量为 3 0 0 0 0 m 。 5现 场应 用及 效 果对 比 5 ． I 现场应用 1 钻井液转化。在转化为复合阳离子钻井液 前 ，按一开膨润土聚合物钻井液的膨润土含量值 ， 根据铵盐氯化钙钻井液配方在地面罐 中配制新浆。 由于罐中刚配制的钻井液黏度不均匀，开始时应低 排量循环，使套管内原浆与新浆充分混合后逐渐提 高排量至正常。 2 钻井液性能稳定 。根据地 面罐 中钻井液 的 量补充由 2 ％N H4 H P AN、降滤失剂和包被剂配成 的 胶液 ，采用细水长流的方法加入钻井液中，再根据 胶液补充量 ，按比例加入屏蔽剂 、氯化钙 、润滑剂 ， 以保证钻井液性能稳定 。 3 井眼稳定。保持钻井液中含有 2 ％NH 4 HP A N、 2 ％～3 ％ C a C I ，以降低水相活度，保持对泥岩 的 强抑制性，观察振动筛上返出钻屑的完整性，及时 补充钻进过程 中消耗的屏蔽剂。根据地层及时调整 钻井液密度，保持一定正压差，使架桥粒子与充填 粒子充分进入地层，增加井壁承压能力与抗塌能力。 用 C a C I 逐渐提高钻井液矿化度，使井壁渗透平衡 向有利于井壁稳定的方向转化， 保持已钻井眼井壁的 稳定。 4 井眼清洁。铵盐氯化钙钻井液具有 良好的流 变性 ，较低的表观黏度和较高的动塑t t o ． 4 5 ～0 ． 6 0 P a ／ m P a s ，形成平板流型，使井眼得到充分清洁。 复合阳离子钻井液在较低的表观黏度下具有较高动 切力和动塑 比，形成的泥饼黏弹性小。相比 KC 1 钻 井液，铵盐氯化钙钻井液的井眼清洁能力更强。 5 固相控制。现场配备的3 台D E R R I C K筛网 孔径为 0 ． 1 0 5 ～0 ． 1 4 0 m i l l 的振动筛 、除砂器和除泥 器 ， 钻进期间 2 4 h运转 ， 中速离心机每天运转 8 ～ 1 0 h ，保持钻井液处于净化状态。 5 ． 2应用效果对 比 铵盐氯化钙钻井液解决了富北油 田T e n d i ． s e n n a 地层泥岩水化膨胀缩径和井壁失稳垮塌的问题 ，满 足了安全、快速钻进的要求。与 K C I 钻井液相比， 使用铵盐氯化钙钻井液钻井钻速加快， 起下钻顺畅。 井 径规则 ，钻井 液费用较 低 ，更 适合 T e n d i 一 e n l l a 砂岩地层 的防漏要求 ，在易漏的 F N表层漏失率减 少 了 5 0 ％。在 T e n d i s e n n a 地层使用 KC 1 钻井 液与 N H4 H P AN钻井液的性能与工程效果对 比见表 4 。 6结论 1 ． 铵 盐 氯化 钙 钻 井 液 的表 观 黏 度 为 2 3 ～2 7 mP a S ， 动塑比为 0 ． 4 5 ～0 ． 6 0 P a ／ mP a s ， 携岩能力强 ， 利于安全快速钻进。 2 ． 铵盐氯化钙钻井液抑制性强 ，钻屑规则 ，振 动筛清爽干净 ，钻井液固相容易控制 ， 起下钻顺利， 井径规则。 3 ． 铵盐氯化钙钻井液稳定井壁能力强 ，电测后 的井径数据表明，该井段井壁稳定 。 4 ． 铵盐氯化钙钻井液适应下部地层 ，钻井液性 能易于调整转化 ，起下钻、电测顺利 ，满足了该地 区钻井施工的要求 。 收稿 日期2 0 0 9 ． 1 1 ． 2 5 ；HG F 1 0 0 3 A3 ；编辑张炳芹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m