川东北地区抗高温超高密度钻井液研究.pdf

第 2 6卷 第 2期 2 0 0 9年 3月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI I I I NG FI UI D C MPI ETI ON F I UI D V l I 2 6 NO ． 2 M a r ． 2 0 0 9 文 章 编 号 1 o o 1 5 6 2 0 2 0 0 9 0 2 0 0 3 9 0 4 川东北地 区抗 高温超 高密度钻 井液研 究 张军 罗健生 彭商平 温银武 周雪 杨飞 于志纲 吕宝 四J I 『 仁智油田技术服务股份有 限公 司， 四川 I 绵 阳 摘要 川东北地 区海相碳 酸盐岩高含硫气藏存在硫化 氢含量高、 盐膏侵严 重、 易发 生井漏 、 井壁 失稳 、 井底 温 度高 、 压力大等难 点． 通过对抗高温处理剂、 加重 剂、 膨 润土 限量进行优选， 形成 了满足川东 北地 区深井超深 井钻 井 要 求 的抗 高 温 超 高 密 度 复 合金 属 离子 聚 磺 钻 井 液 。该 体 系抗 温 可 达 1 8 0℃ ， 可 控 密 度 达 2 ． 7 0 g ／ c m 储 备钻 井 液 密度 达 3 ． 0 g ／ c l l ， 具 有 良好 的高 温 稳 定 性 、 润 滑 性 和 抑 制 性 能 ， 具 有 较 好 的抗 污 染 能力 ， 抗 Na Cl 达 1 0 ， 抗 C a 达 2 0 0 0 mg ／ I ． 抗岩谒达 2 O ； 使用复 合储层保护剂后 ， 屏蔽暂堵 率在 9 9 ． 5 以上， 压力返排 恢复率超过 8 O ， 酸 化返排恢复率达到 2 0 0 左右， 能有效地保护油 气储层。在河坝 1井和金溪 l井的现场应用结果表明， 该体 系具育 良好 的高温稳定性、 流 变性能、 润滑性能、 抑制性能和抗污 染性能 ， 满足 了川 东北 地 区高 温超 高 密度压 井修井液和 钻 井 完 井 液 的 各项 要 求 ， 且 储 层 保 护 效 果 良好 。 关 键 词 高 温 钻 井 液 ； 超 高 密度 钻 井液 ； 抗 污 染 ； 井 眼 稳 定 ； 钻 井 液 性 能 ； 深 井 钻 井 ； 川 东 北 地 区 中 图分 类 号 TE 2 5 4 ． 3 文 献 标 识 码 A 川 I 东北地 区是 中国 天然 气 最 富集 的 区域 之 一 ， 近 年来 中石 化 已将 川东北地 区作为 重要 的天然 气资 源勘探 开 发区域 。川东北地 区海相储 层 以碳 酸盐 岩 为 主 ， 存在地层 温度 高 、 压力 梯度大 、 盐膏侵 严重 、 硫 化 氢含量高 等难点 ， 对 钻 井液 技 术提 出 了极 高 的要 求 。如金溪 1 井最 高温 度 为 1 4 0 C， 最 高 钻井 液 密 度 为 2 ． 1 6 g ／ c m ； 河 坝 1井 最高钻 井液 密度达 2 ． 4 5 g ／ ／ c m。’ ， 最 高温度 为 l 6 O℃ 。因此 。 需要 研 究 出抗 温 达 l 6 0 ～1 8 O C、 可控 密 度达 2 ． 4 5 ～2 ． 7 0 g ／ c m。的 抗高 温超高 密度钻 井 完井 液 ， 以 满足 川 I 东北 地 区深 井 、 超 深井安 全 、 高效 、 快速钻 井的要求 。 l 研 究 思 路 钻 井 液处 理 剂在 高温 高压 下 可能 会发 生 降解 、 发酵 、 增 稠 及失 效 等 反 应 ， 从 而导 致 钻 井 液性 能恶 化 ， 甚 至将 导致 无 法 正常 钻进 。因此 制定 了 以下 的 研 究 思 路 筛 选 适 用 于 超 高 密 度 钻 井 液 的 加 重 剂一 ； 优选 出合适 的抗 高 温 处理 剂 ； 确 定 膨 润土 限 量 ； 综合研 究后形 成基本体 系并进 一步 优化 ； 评 价钻 井液性 能 ， 通 过高 温稳定性 、 润滑性 、 抑制 性 、 抗 污染 性 等室 内实验评价 并 进 一步 完 善体 系配 方 ， 最终 形 成适合于 J l l 东北地 区的抗 高温超 高密度 钻井 液 。 2 室 内研 究 2 ． 1 体系组成的优选 通过 前期 室 内实 验研 究 以及 现 场试 验 ， 形 成 了 川 I 东 北地 区抗高 温超高 密度钻 井液 复合 金属离 子 聚磺钻井 液 ， 其基 本 配方如下 。 膨润 土浆 0 ． 1 ～O ． 3 复合金 属离子 聚合 物 0 ． 1 ～0 ． 3 聚合 物 降 黏 剂 2 ～ 4 S MP 一 1 2 ～ 5 S MC 4 - 1 ～2 稀 释 剂 1 ～2 防塌润 滑剂 4 - 1 ～2 增 黏护壁 封堵 剂 0 ． 2 ～0 ． 5 K H 十 1 ～3 聚合 醇 0 ． 2 ～0 ． 5 乳化 剂 3 ～5 抗盐 抗高 温润 滑剂 RH 2 2 0 改性重 晶石 粉 2． 1 ． 1 加重 剂 的优 选 超 高密度钻井液流变性能 的维护处理 异常困难 ， 经常会陷入恶性循环 ， 体系 的流变性 和沉降稳定 性之 间的矛盾突 出， 因此 加 重剂 的种类 、 粒度 分布 选择 就 成 为研究 的重点 。考虑 到钛铁 矿粉 的成 本高 以及 现 场维 护处理 的难 度较 大 ， 选用 重 晶石粉 密度 不小 于 4 ． 3 0 g ／ e m。 、 碱土金 属含 量不 大 于 3 0 rag ／ I 作 为 加 重剂， 使用特殊的工艺将重晶石粉进行改性， 改变重 晶石粉 的粒度 分布和 表面 活性 ， 降低 其黏 度效应 ， 以 第 一 作 者简 介 张 军 ． 高 级 工 程 师 ， l 9 7 0年 生 ， 1 9 9 6年 毕 业 于 西 南 石 油大 学 油 田化 学 专 业 。地 址 四 川 省 绵 阳市 临 园路 西 段 5 3号 邮 政 编 码 6 2 1 0 0 0 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 9年 3月 降低钻井液的黏度和切力、 改善钻井液的流变性能。 表 1 不同改性加重剂加重的钻井液老化后 的性能 注 将钻井液在 1 6 0。C老化 1 6 h后 ， 在 6 0℃下 测定其 流变性能 ； △p 表示上下钻井液密度差 。 从 表 1可 以看 出 ， Ⅲ号 加重 剂 加 重 的钻 井 液在 老 化后具 有 良好 的流变性 能 ， 滤失量 小 、 沉降稳 定性 好 ， 故选择Ⅲ号作为超高密度钻井液的加重剂 。 2 ． 1 ． 2膨 润土 限量 的选择 高温超 高密 度下 ， 如钻井 液 膨润 土含量 过高 ， 高 温作 用会促 进 黏土水 化分散 ， 使 钻井液 黏度 、 切 力增 大 ， 甚至使其失去流动性 ， 且这一作用不可逆 ； 如果 膨 润土 含量 过低 ， 钻 井 液 中 的高 价 阳离 子 会 在 高 温 条件下挤 压 黏土扩 散 双 电层 ， 使黏 土易 于高 温聚结 ， 削弱 钻井液 基本 的凝 胶强度 ， 破 坏其稳 定性 ， 极 易使 重 品石粉 、 岩屑 等 固相 沉 降从 而 引发井 下 复杂事 故 。 为此 ， 开展 了超 高密 度钻 井液膨 润土 限量 的研究 ， 实 验结 果见 表 2 。 表 2密 度 为 2 7 0 g ／ c m。的 钻 井 液 的 膨 润 土 限 量 的 选 择 由表 2看 出 ， 该 钻 井液 老 化 后没 有 发 生 高温 固 化 或高 温减稠 现 象 ， 随膨润 土含量 增加 ， 钻 井液漏 斗 黏 度 、 切力增 加 ， 滤失量 降低 ； 膨 润土 含量 过高 ， 钻井 液黏度 、 切 力增 幅 大 、 流 动性 变 差 ， 因此 要 选 择合 适 的膨润 土 含 量 。现 场 维 护 过 程 中 ， 超 高 密 度 2 ． 7 O g ／ c m 钻 井 液 的膨 润 土含量 保持 为 1 2 ～2 0 g ／ L 。 2 ． 2 钻井 液性 能 评价 2 ． 2 ． 1 高温 稳定 性 分 别 考 察 了 密 度 为 2 ． 7 0 g ／ c m。的 钻 井 液 在 U0 ～ 1 8 0 C老 化后 的流 变性能 以及 不 同密 度 2 ． 3 O ～ 3 ． 0 g ／ c m。 在 1 8 0℃ 老化 后 的流 变 性 能 ， 实 验结 果见 表 3 、 表 4 。由表 3 、 表 4可 知 ， 超 高 密度 2 ． 7 ～ 3 ． 0 g ／ C I T I 。 钻井 液在 1 8 0℃下老 化后 具有 较好 的流 变性 能 ， 老化 3 2 h后钻 井 液 的流 变 性 能 稳 定 ， 沉 降 稳定 性好 ， 滤 失量 小 ， 黏 度 、 切力低 ， 说 明该 钻井 液在 高温 、 超 高 密度下 具有 良好 的 高温稳 定性 和流 变性 。 表 3密度为 2 7 0 g ／ c m。 的钻井液 的高温稳定性 表 4 不 同 密 度 钻 井 液 在 1 8 0℃ 下 的 高 温 稳 定 性 注 将钻井液住 1 6 0 C老化 1 6 h后， 在 6 0 C下测定其 2． 2 2 润 滑性 流变性能； △p 表示上下钻井液密度差。 在 金 属 离 子聚 磺 钻 井液 中加 入 不 同类 型 、 不 同 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 2期 张 军等 川 东北地 区抗 高温超 高密度钻 井液研 究 4 1 加量 、 不同组合 的润 滑 剂 ， 用 泥饼 黏滞 系数 NZ 测 定仪 、 泥饼黏 附系数 K r 测 定 仪 、 极 压润 滑 仪 E P 测定其 润滑性 能 ， 实验 数 据如 表 5所 示 。由表 5可 知 。 各种润 滑剂与 钻井液有 良好 的配伍性 ， 特 别是 固 体 润滑剂 与液体润 滑 剂 复合 使 用 ， 能 有效 降 低 钻井 液 的摩擦 系数 。针 对起下 钻 、 电测 、 下 套管等 易阻卡 情 况 ． 复合 使用玻 璃微珠 、 RH1 O 2等 固体润 滑 剂 ． 能 大 幅度降 低摩擦 阻力 ， 保证 井下 作业顺 利 。 表 5 金 属离 子 聚 磺 钻 井 液 的润 滑性 实验 评 价 配 PV ， j G ， F L K ． z E尸 力‘ mI a s P a P a P a ml 注 密 度均 为 2 ． 7 o g C I ] I 。； Kf为 黏附 系 数 ， NZ 为 滑 块 式 黏 滞 系 数 El 为儆 压 润滑 。 2 ． 2 3 抑 制性 取川东北 地 区沙溪庙 、 干佛崖 、 须家河组 的泥页 岩 ， 通过热滚 动 回收 实验 、 线性 膨胀 试验 ， 考察 复 合 金 属离子聚磺 钻井 液对泥 页岩 的抑 制性 能 。金 溪 1 井 l 6 0 0 ～ 1 8 0 0 m 井 段 的岩 屑 在蒸 馏 水 和金 属 离 子 聚磺钻 井液 中的膨 胀率 分 别为 2 3 ． 7 ％ 和 2 ． 8 ， 热滚 回收率 分别 为 5 8 ． 0 和 9 6 ． 2 ； 马 1井 2 5 0 0 ～ 2 8 0 0 m井 段 的岩 屑在蒸 馏 水 和金 属离 子 聚磺 钻 井液 的膨胀 率 分别 为 1 8 ． 4 和 1 ． 2 ， 热 滚 回收 率 分 别为 7 2 ． 2 和 9 6 ． 6 ％。可 以看 出 。 复合金 属离 子 聚磺钻 井液 对泥页 岩 的膨 胀 、 分散 性 都有 较 好 的抑 制作用 ， 其热 滚 动 回收 率 大 于 9 O ， 线 性 膨 胀 降低 率大 于 8 8 ． 说 明该 钻井 液具有强 抑制性 。 2 2 ． 4抗盐钙 侵污 能力 对该钻井液 分别进 行抗 盐 、 抗 钙 、 抗钻 屑 污染 实 验 ， 结果见表 6 。由表 6 看 出 ． 复合 金属 离子聚磺钻井 液具有很强的抗污 染能力 ， 在 岩屑浓 度达 2 0 、 Na C I 浓度达 1 0 、 钙离子浓度 达 2 0 0 0 m g ／ I 的情 况下 ， 钻 井 液各项性 能指 标变化不大 ， 性能保持稳定 。 2 ． 3 储层保护性能 在复 合金属 离子 聚磺 钻井 液 中加入 复 合型储层 保护剂 ， 将 金属离子聚磺 钻井 液转化成 为金属离子 聚 磺非渗透屏蔽 暂堵钻井完井液 ， 取川东北地 区飞仙 关 组 、 长兴组地层 岩心 进行储 层保 护 实验评 价 ， 结 果 见 表 7和表 8 。表 7 、 表 8中钻井 液配方如下 。 聚磺钻 井液 0 ． 6 WS T 1 0 0非 渗透 处 理 剂 1 ． 5 裂缝暂堵剂 I F _ 2 1 ． 5 高效 封堵剂 F D 1 表 6金属离子聚磺钻井液的抗盐钙侵 污实验 K ， K一 暂堵率 岩 心 号 层 位 1 0 ／i L m z 1 m ． ．． K． ． K一 暂堵率 Ka 恢 复率 岩 心 号 1 I L m 2 1 0-／ 1 h i 2 l tz r n 2 2 1 3／ ／ 3 7 22 ．5 00 0 2 2 2 0／／ 35 0 ．1 2 5 9 2 2 8／ 37 28 ．8 61 5 1 8 13／ 41 0 ．3 3 6 7 99 ． 9 l 8 ．O 68 0 8 0． 3 99 ． 5 0．1 0 5 3 0 8 3． 6 99 ． 6 6 1 ．7 O6 O 2 1 3 ． 6 99 ． 5 0．6 6 2 3 1 96 ． 7 注 K a 为 在 6 ． 0 MP a压 力 下 返 排 1 2 h * 或 酸 化 解 堵 ** 后渗透率 。 由表 7 、 表 8可 知 ， 该 钻 井 完 井 液 的暂 堵 率 在 9 9 ． 5 以上 。 压 力 返排 恢 复 率 超 过 8 O ， 酸 化 返 排 恢 复率 达到 2 0 0 左右 ， 能有效 地保护 油气储 层 。 3 现 场试 验 河 坝 1 井 是 中石 化南方 公 司部 署在 四川盆地通 南 巴构 造带南 阳断鼻 东北 端河坝场 高点 的第一 口重 点 区域 探井 ， 完 钻 井 深 为 6 1 3 0 1 T I 。 该 区块 嘉 陵 江 组 二段 和飞 仙 关 组 产 层 存 在 压 力 高 、 温 度 高 、 高 含 H S 、 易井漏 等难点 ， 特别是 飞仙 关组 三 段产层 地 层 压 力高 ， 地压 系数高 达 2 ． 2 8 、 地 层温 度高达 1 6 0℃。 该 井使 用保护储 层 的超高 密度复合 金属离 子聚磺 钻 井 完井 液 。在 应用过 程 中 ， 该 钻 井液 漏 斗黏 度 为 5 O ～ 6 5 S ， 最 高密度 为 2 ． 4 5 g ／ c m。 ， 具有 良好 的高温 稳 2 6 4 7 4 O 5 1 m ∞ ∞ O 0 O 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 9年 3月 定性 、 流变性 能 。在 压井 过 程 中未 出现 其 它 井 下 复 杂事故 ， 且 达到 良好 的储 层保 护效 果 ， 经测试 无 阻流 量达 到 4 0 21 0 m。 ／ a 。 金溪 1 井 为川东北 金 溪构 造带 安家 营 背斜 高点 上 的第 一 口区域探 井 ， 设 计井 深 为 4 7 9 5 m。气 层 压 力异常高 ， 茅 15 1 组 、 栖霞 组地 层设 计 最 高钻 井 液密 度 达 2 ． 6 5 g ／ c m。 、 储备的重浆密度达 3 ． 0 g ／ c m 3 在实际 钻井过程 中， 吴家平组 地层钻井液密 度最高仅为 2 ． 1 6 g ／ c m。 ， 地层温 度高 达 1 4 0℃ 。在应 用 过程 中， 加大 抗盐钙 处 理 剂 S MP 一 2 、 S P NH 等 的加 量 、 加 强 钻井 液 的抗 盐钙侵污 性能 ， 在 扫水 泥塞 、 穿雷 口坡 组 等 盐 膏层时钻井液都保持 良好的流变性 和稳 定性能 ； 全井 钻井液服务质量优 良， 满足 了安全 高效 钻井 的需要 。 4 结 论 1 ．形成 了一 套可控 密度 达到 2 ． 7 0 g ／ c m。 储 备 密 度达 3 ． 0 g ／ c m。 、 抗 温达 1 8 0℃ 的复合 金 属 离 子 聚磺 钻 井液 ， 该体 系具 有 良好 的高温稳 定性 、 润 滑性 和抑 制 性 能 ， 具 有 较 好 的 抗 污 染 能 力 ， 抗 Na C 1 达 1 0 ， 抗 C a 达 2 0 0 0 mg ／ L， 抗 岩 屑达 2 0 。 2 ．复合金 属离 子聚 磺钻井 液使 用 复合储 层保 护 剂， 屏蔽暂堵率 大于 9 9 ． 5 ％， 压力 返排恢 复率超过 8 0 ， 酸化返排恢 复率为 2 0 0 ， 有效地保护油气储层 。 3 ．在 河坝 1井 和 金 溪 1井 的 现 场 应 用 结 果 表 明 ， 复合 金属 离子 聚 磺 钻井 液具 有 良好 的 高 温稳 定 性 、 流 变性 能 、 润 滑性 能 、 抑 制性 能 和抗污 染性 能 ， 满 足 了川 东北 地 区高 温超高 密度 压井 修井 液和 钻井 完 井液 的各 项要求 ， 且 储层 保护 效果 良好 。 参 考 文 献 [ 1 ] 胡德云．超高密度 p ≥3 ． 0 0 g ／ c m 钻井液 的研究与应 用[ J ] ． 钻井液 与完井 液 ， 2 0 0 1 ， 1 8 1 6 - 1 1 E 2 ] 余 加 水 ， 李 竞孔 ， 孔德 强． 超 高 密 度 钻井 液 技 术 研究 [ J ] ． 钻井液 与完井液 ， 2 0 0 5 ， 2 2 增刊 1 7 2 0 收稿 日期 2 0 0 8 1 2 2 1； HGF一 0 9 0 2 W2； 编 辑 汪 桂 娟 上接 第 3 6页 测试结 果 表 明 ， 该 配方 在 高 温 高 压 条 件 下 的 流 变 性能不 会 明显 变 化 ， 钻 井 液 的黏 度 和切 力 值 能 基 本满 足悬浮 和携 岩的需 要 。 7 O 6 0 5 0 -R 4 0 3 0 滴 2 O l O O 剪切速率 图 3 2 2 0。 C 下 超高温 水基钻井液流变曲线 幂律模 型拟合 当漏 斗黏度超过 8 6 S 时 ， 加入 1 ． 2 的 S F - 2 6 ； 当摩 阻 系数大于 0 ． 1时 ， 维 持 白油加 量为 3 。 该井 四开 下 部 井 段 钻 井 液 塑 性 黏 度 为 3 9 ～ 5 4 mP a S ， 动切 力为 1 7 ～2 l P a ； 滤失量 为 1 ． 8 ～3 。 6 mL， 高温高 压滤失量 为 9 ． O ～ 1 0 ． 5 mL； 摩阻 系数 为 0 ． 0 6 0 ～ O ． 0 7 8 ， 钻井 液流变性较好 ， 满足 了钻 井需要 。 优 选 出 的 抗 2 4 5 C高 温 水 基 淡 水 钻 井 液 配 方 ， 在泌深 l 井 四开 井 段 的现 场 应 用 取 得 了 以下 效 果 。①体 系抑 制性 强 ， 井 壁 防塌 能 力强 ； ② 起 钻无 挂 卡 ， 下钻 能 顺利 到 底 ， 没 有 发 生 长 段 划 眼 情 况 ； ③ 在 井底 超 高 温 2 4 1 。 C条 件下 钻 井液 性 能 稳 定 ； ④ 钻 井 周期 短 ， 钻井 液成 本较 低 ， 技 术 经济效 益 显著 。 3 现 场 应 用 4 结论 及 建 议 针对 泌深 1井 现 场 实 际情 况 ， 制 订 了 四开 钻 井 液施工 工艺措 施 。 同时考虑 到 四开前 期 井底 温 度不 是特 别高 ， 约 为 1 8 0℃ ， 为节 约 成 本 ， 以稀 释 三 开 井 浆 为基础 ， 对 四开 钻井液 转化 室 内试 验 。 泌深 l 井 四开钻井 液维护处 理 的主 要措 施如 下 ①始终将膨 润 土含 量 控制 在 3 O ～ 3 5 g ／ L范 围 内； ② 钻进中按室内井浆转化试验结果配制处理剂胶液 ， 以 1 2 1 5 m3 ／ 1 2 h的速 度 加入 实 际钻 井液 中。随着 井 深增 加 ， 适 当提高 超高 温处理 剂 H TP 1 和 HT P - 2的 加量， 控制钻井液高温稳定性， 降滤失并调节流型 ； ③ 1 ．针对 超 深 井 泌 深 1井 超 高 温 水 基 钻 井 液 技 术难 题 ， 研 制 出 了抗 高 温 抗 盐 聚 合 物 降 滤 失 剂 和 降 黏 剂 ， 其性 能均优 于 国 内外 同类 产 品 。 2 ． 研 制 出 的抗 2 4 5℃高 温 水 基 淡 水 钻 井 液 配方 具有 高温 稳 定 性 强 、 润 滑 性 好 以 及 页 岩 抑 制 能 力 、 封堵 能力及 抗 污染 能力 强等 优点 。 3 ．在 泌深 1 井 的 现场 应 用 表 明 ， 优选 出 的超 高 温 水基 钻井 液 能较 好 地 解 决 超 高 温 、 井 壁 稳 定 及 润 滑 防卡等 技术难 题 。 收稿 日期 2 0 0 8 1 2 2 l ； HG F 0 9 0 2 Wl 3 ； 编辑 汪桂娟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m