大港油田埕海二区钻井液技术研究.pdf

第 2 7卷 第 6 期 2 0 1 0年 1 1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D V0l _ 2 7 NO ． 6 Nov e ．20l O 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 0 0 6 0 0 3 8 0 4 大港油田埕海二区钻井液技术研究 王鹏 ， 王建华 ， 孙金声 ， 冯光彬 ， 屈沅治 1 ． 中囝地质大学 北京 丁程技术学院，北京 ； 2 ． 中国石油集团钻井丁程技术研究院，北京 ； 3 ． 中同石油大港油 田公司井筒工程处 ，天津 摘要针对 大港 油田埕海二 区沙一段大位移钻进过程 中常出现的倒划眼 、卡钻和井塌等 复杂钻井问题，对该 地层进行了黏土矿物分析和泥页岩理化性能实验，得出该井段中硬泥页岩地层微裂缝发育和易发生水化膨胀是导 致井壁失稳问题的主要原因。根据井壁失稳机理，研制出一套高性能水基钻井液。评价实验结果表明，该体系抑 制性强，能抑制岩屑分散及中硬泥页岩的水化膨胀，并能显著降低由钻井液侵入导致的对泥页岩强度的影响 ； 具 有较强 的抗温 1 2 O℃ 和抗污染能力 。该体 系总体性能与 目前现场使用 的国外一种高性能钻井液体 系性能相 当，能 满足大位移钻 井的需要 关键词 井跟失稳 ； 强抑制性钻井液 ； 高性能水基钻井液 ；中硬泥页岩 中图分类号 T E 2 5 4 - 3 文献标识码 A 大港油田埕海二区位于河北省黄骅市张巨河村 以东的滩涂海域 ，该地区的水平井钻遇地层从上到 下依次为明化镇组 、馆 陶组 、东营组和沙河街组。 东营组 、沙一段地层为中硬泥页岩 ，其 中黏土矿物 含量较高，且主要 以伊蒙问层为主 ，地层岩性十分 脆弱 ，因此在大斜度井段钻进该地层时，由于泥页 岩的水化膨胀 ，容易发生井壁剥落掉块 ，造成井眼 不规则，严重时将导致卡钻 、井壁坍塌等井下复杂 情况。 针对上述井壁失稳复杂情况，对该地区泥页 岩地层的井壁失稳机理进行了研究 ，通过在室 内对 处理剂进行优选和评价实验 ，研制 } H 了与 目前现场 使用 的国外一种高性能钻井液体系性能相当的高性 能水基钻井液 ，为该地区的下一步顺利钻进奠定 了 理论与技术基础。 1 井壁失稳机理研究 1 ． 1 全岩和黏土矿物分析 在大港油 田埕海二 区沙一段地层钻进过程中， 常 出现泥页岩掉块现象 见图 1 ， 严 重时将 导致 卡 钻 、 井塌 等事故 。 对张海 1 1 - 2 2 L井沙一段钻屑进行 了 x一 射线衍射分析 ，结果见表 1 。 图 1 从张海 1 1 - 2 2 L井沙一 段处返 f j { 的岩屑 表 1 张海 l 1 2 2 L井岩屑的 x ． 射线衍射分析结果％ 注 岩屑取 自井深 2 5 0 0m处 ，为泥页岩 。 基金项目 C NP C重大专项 2 0 0 8 E 一 0 6 0 7 “ 歧 口富油气凹陷大油气田勘探及综合配套技术研究” 。 第一作者简介 王鹏，在读硕士研究生，1 9 8 9年生，现在主要从事钻井液储层保护和井壁稳定技术研究工作。地址 北京市海淀区学院路2 9号中国地质大学 ； 邮政编码 1 0 0 0 8 3；电话 1 5 1 2 0 0 8 6 5 2 5； E ma i l s c u b a c h e l o r s i n a ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 6期 王鹏等大港油田埕海二 区钻井液技术研究 3 9 由表 1 可知 ，该岩 屑 中黏土 矿物含 量超过 了 4 0 ％，黏土类型以伊蒙混层为主，而且伊蒙问层 比 达 3 5 ％。根据美 国 I MC O公 司 R ． D． J o n e s 提出的泥 页岩分类方法 ，该地层泥页岩属于第 3类中硬泥页 岩 ，具有剥落趋势 _ 】 J 。 1 ． 2 理化性能实验 张海 1 1 ． 2 2 L井井深 2 5 0 0 i n处 的岩 屑 C E C值 为 7 2 mmo l ／ g 。该岩屑在清水 、P R D钻井液 、国外 钻井 液体系 I、同外 钻井 液体系 Ⅱ中，在 1 0 0 热 滚 1 6 h的 同收 率 分 别 为 9 0 ％、9 6 ． 3 ％、9 9 ． 1 ％、 9 9 ． 5 ％。在常温常压下 ，泥页岩在清水 中的最高膨 胀率为 5 ． 9 9 ％， 前 1 0 mi n内岩样膨胀率增大得很快， 2 h后 岩样膨胀速度减缓 ，最后趋于稳定 ，如图 2 所示 。表明陔地层易水化膨胀且水化速度较快 ，但 不易分散。钻井液配方如下。 国外钻井液体系 I 6 ％～7 ％ K2 S O 3 ％ v ／ v UL T R AHI B 5 ． 7 ％ ～ 8 ． 6 ％ k g ／ m UL T R AC AP 1 0～ 1 4 k g ／ m P AC L V 2 ． 1 ～ 4 ． 3 k g ／ m MC- Vi s 3 ％ v ／ v UL T R AF R EE重 晶石 国外 钻 井 液体 系 Ⅱ 1 ％ 膨 润土 6 ％KC 1 2 ％ 聚合物抑制剂 C L A Y S E A L P L U S 2 ％醇类抑制剂 G E M G P 3 ％封堵防塌剂 B R X L 沥青类产品 P R D钻井液3 ％ 海水膨 润土浆 0 ． 5 ％P L US 2 ％ FI ， 01 5 ％ P AC I tv0 ． 5 ％ GRA3 ％KCl 0 ． 1 ％XC 糌 避 图 2 岩屑在清水中的膨胀性实验 常温常压 1 ． 3 泥页岩井壁失稳机理 泥页岩井壁失稳 的实质是泥页岩 的吸水水化问 题 [ 2 - 3 ] o钻井液侵入泥页岩内部使井 眼附近 的泥页 岩含水量增加 ，黏土矿物产生水化膨胀 ，孔隙压力 增大，井壁附近力学性质变化 ，导致泥页岩强度降 低 l4 1 。实验分析结果以及现场钻井资料表明，该泥 页岩地层发生井壁失稳有以下原因。①大港油 田埕 海二区沙一段地层泥页岩微裂缝发育 ，一方面为渗 透水化提供 了渗流通道 ，另一方面增强了毛细管力 作用 ，进一步促进 了渗透水化 ，降低了井壁岩石强 度 ，导致泥页岩水化膨胀 、剥落掉块 】 。②该地区 泥页岩黏土矿物以伊蒙问层为主，由于伊利石、蒙 脱石的水化膨胀能力不同，因此泥页岩水化后 内部 受力不均 ，导致 出现掉块 、井塌等事故 [ 6 ] 。③该地 层泥页岩为不易分散 、易膨胀且膨胀速度较快 的泥 页岩 ，钻井液抑制能力差 ，导致在钻井过程 中不能 及时有效地抑制泥页岩水化。 因此 ，需要降低钻井 液的滤失量 ， 同时提高其抑制能力以保持井壁稳定。 2 高性能水基钻井液体 系构建 高 性 能水 基 钻 井 液 由主抑 制 剂 胺基 抑 制 剂 S I A T、辅 抑制 剂 KC 1 、大分 子包 被 剂 K P AM、降 滤失剂 P AC ． L V、增 黏剂 MC ． VI S 、润滑剂 l u b e和 J L X B组成 。 2 ． 1 胺基抑 I] t] S I AT 的作 用机理 实验室 自行研制的胺基抑制剂 S I A T由聚合度 不同、结构单元相同的低分子量聚合物组成 ，其中 聚合物的最大分子量不超过 1 0 0 0 。S I A T能嵌入黏 土片层 ，与水分子争夺黏土颗粒上 的连结部位 ，连 接在 胺基上面 的疏水 基团阻止水分子进 入，抑制 泥页岩膨 胀 ； 辅助 抑制剂 K C1 通过嵌 入式的 阳离 子 钾离子 交换作用防止页岩膨胀 ； 聚合物包被剂 K P AM 起包被钻屑 、抑制钻屑水化分散的作用 ，达 到强 抑制 、强包被 的效果 ； 润滑 剂 l u b e和 J L X B 起到降低摩阻系数 、改善泥饼质量 、提高钻速的作 用。增黏剂 MC V I S能使钻井液体系具有优良的流 变性能 ，提高动塑比，具有 良好 的携岩效果 。 将馆陶组钻屑分别加入 1 、 1 1 ％S I A T配方中， 其 在 1 0 0 o C下热 滚 1 6 h后 的 回收率 分 别 为 7 4 ％、 9 0 ． 5 ％。由此可知，加入 S I A T后钻井液的抑制能力 明显增加。1 配方如下 。 1 2 ％膨润土 3 ％KC I 0 ． 5 ％K P A M 1 ％L V - P AC 2 ． 2 钻井液 体系优 化 为考察流型调节剂 MC VI S 、包被剂 K P AM 以 及膨润土的加量对钻井液性能的影响，设计了 4个 不同钻井液配方并考察其基本性能。在 1 0 0 o C 下热 滚 1 6 h 后，不同配方钻井液的性能见表 2。由表 2 可知 ，该钻井液的最佳配方为 3 。表 2中的钻井液 配方 如下 。 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 1 0年 1 1月 0 0 ． 2 ％Na ， CO 3 ％KCI 1 ％L 、 P AC1 ％l u b e l ％儿X B I ％S I A T 重晶石 加重至 1 ． 2 g ／ c m 2 0 1 ％ 膨润 土 0 ． 3 ％K P AM 0 ． 2 ％MC ． VI S 3 0 2 ％ 膨润土 0 ． 5 ％K P AM 0 ． 3 ％MC V I S 4 0 1 ％ 膨润 土 0 _ 3 ％K P A M 0 ， 3 ％MC V I S 5 0 2 ％ 膨 润土 0 ． 5 ％KP A M 0 ． 2 ％MC V I S 表 2 不同配方钻 井液 常规性能 注 热滚条件为 1 0 0 、1 6 h ，2 配方热滚后静置 2 4 h 后分层析水，5 配方热滚后有少量重晶石析出。 3 高性能水基钻井液性能评价 3 ． 1 抑 制性 3 ． 1 ． 1 热滚回收率实验 钻 屑取 自大港 油 田埕海二 区馆 陶组地层 ，其 在清水、国外钻井液体系 I、国外钻井液体系Ⅱ、 高性能水基钻井液 中的滚动 回收率分别为 2 ． 4 5 ％、 9 4 ． 5 ％、8 3 ． 1 ％和 9 3 ． 3 ％，可见岩屑在高性能水基钻 井液中的热滚 回收率为 9 3 ． 3 ％，高于国外钻井液体 系 Ⅱ，与国外钻井液体系 I的性能相 当。表明该钻 井液具有很好的抑制分散能力。 3 ． 1 ． 2 大块泥页岩浸泡实验 1 常温常压浸泡实验 。选取形状规则 、厚度 相差不大的沙河街组钻屑 ，将其分别浸入不同的钻 井液中，3 0 mi n后放人压制岩心的容器 中测试其破 碎压力 ，结果见表 3 。由表 3可知 ，钻屑在油基和 国外钻井液体系 I中浸泡后 的破碎压力基本不变 ； 在清水 、盐水 聚合物钻井液和国外钻井液体系 Ⅱ中 浸泡后 的岩石结构强度和破碎压力降低 ； 而采用高 性能水基钻井液浸泡后的岩石破碎压力下降较小。 表 3 常温常压 下岩屑在不 同钻井液 中浸泡后 的强度 浸泡介质P ／ MP a 浸泡介质P破 ／ MP a 无浸泡 1 ． 6 盐水聚合物钻井液 0 ． 4 ～0 ． 6 清水0 ． 6 ～0 ． 8 国外钻井液体系 I 1 ． 5 高性能水基钻井液 1 ． 2 国外钻井液体 系 Ⅱ 0 ． 6 ～0 ． 8 油 基 钻 井 液 1 ． 5 注 盐水聚合物钻井液 2 ％膨润土 O ． 2 ％Na C O， 3 ％ K C I O ． 5 ％MC V I S I ％L V - P AC I ％l u b e 1 ％J L X B 重晶石 。 2高温高压下浸泡实验。取大港油 田埕海二 区大小 、形状相似的泥页岩钻屑 ，分别放人装有清 水 、国外钻井液体系 I、高性能水基钻井液的高压 容器中，在浸泡介质温度均为 9 0 的条件下， 测得 在高温高压条件下钻屑在清水 中的破裂压力最低， 为 7 ． 0 MP a ，而当压力加至 2 2 MP a 时 ，在国外钻井 液体系 I与高性能水基钻井液中的钻屑仍未破裂。 通过钻 屑在不 同条件下的强度实验可以看出， 泥页岩浸泡在清水 、盐水聚合物和国外钻井液体系 Ⅱ中时 ，钻井液在压力及扩散作用下侵人泥页岩内 部 ，并 与黏土矿物发生水化作用 ，从而降低了泥页 岩的强度 ； 而现场 国外钻井液体系 I、高性能水基 钻井液均能够阻止钻井液侵入泥页岩 ，降低滤液对 泥页岩水化 的影响 ，保持泥页岩的强度稳定。因此 该高性能水基钻井液抑制能力强 ，能够有效稳定泥 页岩井壁。 3 ． 2 抗盐、劣质土污染能力 高性能水基钻井液的抗污染能力见表 4 。 表 4 高性能水基钻井液抗污染能 力评价 注 热滚条件为 1 0 0℃、1 6 h； 钻井液 p H值均为 9； 钻井液密度为 1 ． 2 0 1 ． 2 3 g ／ c ； 钻屑 为粒径为 0 ． 1 5 4 mI n的 馆 陶组钻屑 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 6期 王鹏等 大港油田埕海二区钻 井液技 术研 究 4 l 由表 4可 以看出，加入各种污染物后 ，钻井液 的流变性和滤失量变化不大 ， 表明该钻井液的抗盐 、 抗钻屑污染能力好。 3 ． 3抗温性能 实验测定 了该体 系分别在 1 2 0 、1 4 0℃下老化 l 6 h前后的钻井液性能 ，结果见表 5 。由表 5可知， 该钻井液在 1 2 O 时表现出良好的抗温性能 ，塑性 黏度与切力降低幅度均在正常范围， 滤失量也较小 ， 能满足埕海二 区的钻井需要。 表 5 不同温度 热滚后钻 井液性能 实验条件 m A P V ／ ．。m P P V／ ． Y P P ／ F m LA L p／ 注 高温 1 2 0 高压滤失量为 1 4 ． 8 mL 在 3 0 ～9 0 范 同内选取 4个点测定 了该钻井 液的塑性黏度和动切力的变化，结果见图 3 。 对 室 重 2 图 3 不同温度下钻井液热滚前后的性能变化 由图 3可知 ，随着温度的升高 ，钻井液 的塑性 黏度下降较明显 ，而动切力下降 比较平缓 ，表明随 着温度的升高该体系的黏度下降明显 ，但携岩能力 并未下降很多。 3 ． 4润滑性与 凝胶性 高性能水基钻井液 、国外钻井液体系 I、国外 钻井液体系 Ⅱ的E ． P极压润滑系数分别为 0 ．0 1 3 8 、 0 ． 0 1 3 9和 0 ． 0 3 1 3 ，表明该 高性能水基钻井液完全 满足大位移井润滑的需要。高性能水基钻井液静止 不同时间后的静切力变化见图 4 。由图 4可知 ，该 钻井液静切力在 1 0 rai n内迅速升高， 然后缓慢增加 ， 表现出良好的弱凝胶特性。 t ／ mi n 冈4 钻井液静切力随时f H J 的变化『 f l l 线 4 结 论 1 ． 大港油田埕海二区沙一段地层在大位移钻进 过程中发生井壁失稳的机理为地层微裂缝发育 ，属 于易水化 、易膨胀且水化速度较快的地层。 2 ． 针对沙一段地层井壁失稳 问题而优选 的高性 能水基钻井液具有抗温 、 抗污染能力强、抑制性强 、 良好的弱凝胶特性等优点 ； 总体性能与 目前现场使 用 的国外一种 高性能钻井液体系性能相当，能满足 现场钻井使用要求 。 参 考 文 献 [ 1 ] 徐同台． 国外不稳定性泥页岩分类简述 【 J ] ． 钻井液与完 井液 ，1 9 8 9 ，6 2 3 2 3 4 ． [ 2 ] 杨振杰 ． 泥页岩构成及泥页岩井壁表面和岩屑表面特 征对 井壁 稳定 性 的影 响 [ J ] ． 油 田化 学 ，2 0 0 0 ，1 7 1 7 3 ． 7 7 ． [ 3 ] 姚新珠 ，时天钟，于兴东 ． 泥页岩井壁失稳原因及对策 分析 [ J 】 ． 钻井液与完井液，2 0 0 1 ，1 8 3 3 8 4 1 ． [ 4 】 杨振杰 ． 井壁失稳机理和几种新型防塌泥浆的防塌机理 [ J ] ． 油 田化学 ，1 9 9 9 ，1 6 2 1 7 9 ． 1 8 4 ． [ 5 ] 陈丽萍，张军，温银伍 ． 中江地区井壁失稳机理及对策 研究 [ J ] ． 天然气工业，2 0 0 5 ，2 5 1 2 1 0 0 1 0 2 ． [ 6 】 鄢捷年 ． 钻井液工艺学 [ M】 ． 东营 中国石油大学出版社， 2 0 0 13 2 3 ． 3 2 7 ． 收稿 日期2 0 l 0 ． 0 6 2 5 ；H G F 1 0 0 5 N1 ；编 辑 王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m