渤南区块页岩油地层油基钻井液技术.pdf

第 4 1 卷 第 6 期 2 0 1 3年 1 1月 石 油 钻 探 技 术 P ETROLE UM DRI LL I NG TE CHNI QUES Vo 1 ． 4 1 No ． 6 NO V ．， 20 13 ． _ 钻井完井 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 3 ． 0 6 ． 0 0 9 渤南 区块页岩 油地层油基钻 井液技术 万绪新 中国石化胜利油 田分公司勘探开发监督管理中心 ， 山东东 营 2 5 7 0 O O 摘要 渤南区块沙三储层以泥页岩为主， 层理和微裂缝发育， 采用常规水基钻井液水平钻进时， 维持井壁稳 定的难度很 大。室 内研 究形成 了柴油基钻井液和低 芳烃 油基 钻 井液配方 ， 考察 了其基 本性 能、 封堵 性能和抗 原油 污染性能。研制的柴油基钻井液在渤页平 1井进行 了现场应用， 低芳烃油基钻井液在渤页平 2井进行 了现场应 用。现场应 用中未出现 因钻 井液导致的井下故障 ， 起 下钻 通畅 ， 无掉 块 ， 电测 井段 井径扩 大率均 小于 3 。室 内评 价试验和现场应用表明， 强封堵油基钻井液具有性能稳定、 抑制性强、 井壁稳定性好、 润滑性强等特点， 适用于泥页 岩水平井钻 井施 工。 关键词 页岩油 油基钻井液 水平井 井壁稳 定 渤南区块 中图分类号 T E 2 5 4 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 3 0 6 - 0 0 4 4 - 0 7 Oi l _ Ba s e d Dr i l l i n g Fl u i d Ap p l i e d i n Dr i l l i n g S h a l e Oi l Re s e r v o i r s i n Bo n a n Bl o c k W a n Xu xi n E x p l o r a t i o n S u p e r v i s i o n De p a r t me n t ， S h e n g l i Oi l f i e l d C o mp a n y， S i n o p e c ， Do n g y i n g ， S h a n d o n g， 2 5 7 0 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t S h a 3 Re s e r v o i r i n B o n a n Bl o c k i s ma i n l y s h a l e wi t h r i c h b e d d i n g a n d mi c r o f r a c t u r e s ， i t i s d i f f i c u l t t o ma i n t a i n h o l e s t a b i l i t y o f h o r i z o n t a l we l l wh e n d r i l l i n g wi t h c o n v e n t i o n a l wa t e r - b a s e d r i l l i n g f l u i d ． Di e s e l b a s e d r i l l i n g f l u i d s y s t e m a n d l o w a r o ma t i c o i l b a s e d r i l l i n g f l u i d s y s t e m h a v e b e e n d e v e l o p e d i n l a b o r a t o r y ， a n d t h e i r b a s i c p r o p e r t i e s ， f r a c t u r e b l o c k i n g p r o p e r t i e s a n d a n t i o i l p o l l u t i o n p e r f o r ma n c e we r e s t u d i e d ． Di e s e l b a s e d r i l l i n g f l u i d s y s t e m d e v e l o p e d wa s a p p l i e d i n W e l 1 Bo y e Pi n g 1 ， a n d l o w a r o ma t i c o i l b a s e d d r i l l i n g f l u i d wa s a p p l i e d a t W e l l B o y e Pi n g 2 ． Th e d r i l l i n g o f t h e t WO we l l s h a d n o c o mp l e x s i t u a t i o n s ， s mo o t h t r i p s a n d n o s l o u g h i n g， t h e b o r e h o l e e n l a r g e me n t r a t e s we r e a l l l e s s t h a n 3 ． L a b o r a t o r y e v a l u a t i o n e x p e r i me n t s a n d f i e l d a p p l i c a t i o n s h o we d t h a t s t r o n g b l o c k i n g o i l - b a s e d r i l l i n g f l u i d s y s t e ms l e a t u r e s t a b l e s y s t e m ， s t r o n g i n h i b i t i o n， g o o d we l l b o r e s t a b i l i t y a n d s t r o n g l u b r i c i t y ， s u i t a b l e f o r h o r i z o n t a l we l l d r i l l i n g i n s h a l e f o r ma t i o n s ． Ke y wo r d s s h a l e o i l ； o 订 b a s e d r i l l i n g f l u i d； h o r i z o n t a l we l l ； h o l e s t a b i l i t y ； B o n a n Bl o c k 渤南罗家地区罗 7井区沙三段地层发育有数百 米厚的暗色泥页岩 ， 新生界古近系地层被数条北 西 向延伸的盆倾断层切割， 该断层发育地带是泥质岩 裂缝储集层的主要发育 区， 泥页岩层理和裂缝非常 发育 ， 钻井过程 中极易发生井壁坍塌 ， 预测地层压力 系数高达 1 ． 7 5 。该 区块 以往采用直井、 定 向井钻探 沙三下亚段泥页岩储层性 能和含油气情况 ， 未采用 水平井进行钻探 。采用水平井钻进泥页岩地层 ， 施 工风险大， 钻井和完井工艺复杂， 且无已钻井资料借 鉴 ， 对钻井液性能的要求很高 卜 。渤页平 1井 、 渤 页平 2井为胜利油 田首次以水平井方式钻探非常 规页岩油藏 的 2口重 点井 ， 水平段钻 进层 位为沙 三下泥 页岩 段 ， 针对 黏 土矿 物 含 量高 、 微 裂缝 发 收稿 日期 2 0 1 3 ～ 0 8 2 0 ； 改回日期 2 0 1 3 1 1 1 2 。 作者简介 万绪新 1 9 6 6 一 ， 山东莒南人， 1 9 8 8年毕业 于西南石 油学院应 用化学专业 ， 高级 工程师 ， 主要 从事探 井钻 井监督 管理、 钻 井液技术研 究与应用工作。 联 系方式 0 5 4 6 8 7 6 5 2 5 6 ， wa n x u x i n 3 6 9 1 2 6 ． C O I n 。 第 4 1 卷第 6期 万绪新． 渤 南区块 页岩油地层油基钻井液技 术 育 、 易发生钻井液滤液侵入 的特点 ， 设计并采用 了 强封堵油基 钻井液 。分析 了 2口井 的应 用效果 ， 获得了一些有益的认识 。 1 钻井液适应性分析 1 ． 1 地质特征及地层物性 渤南 区块罗家地 区罗 7井区沙三下亚段泥页岩 储层岩性为深灰色泥岩、 灰褐色油泥岩、 油页岩不等 厚互层。其地层全岩矿物 和黏 土分 析结果分别见 表 1和表 2 ， 裂缝分析结果见表 3和图 1 。 由表 1 一表 3和 图 1可知 ， 该 区块储层具有以 下特征 1 储层岩石类型主要为泥质岩类 ， 储层黏土 矿物含量较高 ， 要求钻井液具有较强的抑制性， 以减 少黏土水化膨胀 ； 2 沙河街组地层存在大段油页岩 ， 且层理裂缝发育 ， 沙三段 泥质岩 中主要存在 4种裂 缝 即构造缝、 层间页理缝 、 成岩收缩缝和异常压力 缝 [ 5 ] ， 与致密的泥页岩相 比， 微裂缝和层理发育的 泥页岩储层比表面积更 大， 钻井液沿层理进入地层 内部后 ， 接触地层中黏土矿物水化膨胀的面积增大， 更大范围内改变了地应力 的分布 ， 加剧了页岩地层 的井壁失稳程度 ， 因此要求钻井液具有强封堵性 。 表 1 全岩矿物分析 Ta b l e 1 Ana l y s i s o f wh ol e r o c k mi n e r a l s 2 3 ． 7 2 2 ． 3 1 O ． 2 1 3 ． 9 4 2 ． 7 1 1 ． 9 低一 中 低一 中 低一 中 低一 中 低一 中 低一中 注 ①表示地层纹理开启角度 。 第 4 1 卷第 6期 万绪新． 渤南 区块页岩油地层油基钻井液技 术 4 7 2 ． 2 油 基 钻 井 液 的 封 堵 性 能 结 果 詈 。可 知 普 通 油 基 钻 井 液 的 高 温 高 压 滤 失 进行了普通油基钻井液和强封堵油基钻井液的 量为 6 ． 5 mL， 泥饼抗压强度为 6 ． 5 MP a ； 强封堵油 性能对 比试验 、 泥饼抗压强度试验和压力传递试验， 基钻井液 的高温高压滤失量为 1 ． 0 mL， 泥饼抗压强 表 6 不同配方油基 钻井液的性 能 Ta bl e 6 Pe r f o r ma nc e o f di f f e r e nt o i l b a s e dr i l l i ng f l u i d 注 普通油基钻井液配方为精制 白油2 O ． 0 C a C l z溶液 油水 比 8 2 3 ． O 主乳化剂 2 ． O 辅乳化剂2 ． O 润湿剂 4 ． O 有机膨 润土3 ． O 降滤失剂2 ． O C a O 0 ． 5 ％提切剂； 强封堵油基钻井液配方为精制白油2 O ． o C a C 1 2 溶液 油水比 8 2 3 ． O ％主乳化剂 2 ． O 辅乳化剂 2 ． O 润湿剂 4 ． O 有机膨润土3 ． O 降滤失剂 5 ． O 复合封堵剂2 ． O C a 0O ． 5 oA提切剂 。 度为 1 2 ． 8 MP a 。这表明强封堵钻井液体系形成 的 泥饼致密、 强度高， 具有 良好的封堵性能 。压力传递 试验 中， 上 、 下游压力差基本保持不变 ， 也说 明该钻 井液具有 良好的封堵性能 见图 3 。 上游压 力 一 下游压 力 _ ● l l 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 时间／ h 图 3 强封堵油基钻 井液压力传递试验结果 Fi g ． 3 Pr e s s u r e t r a n s mi s s i o n e x pe r i me nt o f s t r o ng b l o c ki ng o i l ba s e dr i l l i ng flu i d 2 ． 3 油基钻井液的抗原油污染性能 油基钻井液抗原油污染的性能评价试验结果见 表 7 。由表 7可知 ， 随着原油含量 的增大 ， 钻井液体 系的黏切略有增加 ， AP I 滤失量基本保持不变 ， 破乳 电压有所增大 ， 综合性能比较稳定 ， 这表 明油基钻井 液在原 油加 量为 1 5 的情况 下仍 能保持 良好 的 I生能 。 3 钻井液技术难点及工艺措施 3 ． 1 钻井液技术难点 根据强封堵油基钻井液体系的特点 ， 现场三开 水平段施工中主要存在以下技术难点 1 泥页岩井壁易失稳。三开长水平段均为泥 页岩 ， 层理裂缝发育 ， 受机械力和化学作用后极易产 7 6 5 4 3 2 1 日 ＼ 出 ’4 8 ‘ 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 3 年 1 1月 生掉块 ， 从而影响工程施工安全[ 1 。 1 引。 2 高密度油基钻 井液性能调控难度大。与水 基钻井液处理剂不 同， 油基钻井液处理剂首先必须 具备油溶 特性 ， 渤 页平 1井 三开 钻井液 密度 达到 1 ． 7 5 k g ／ L， 使用包括重 晶石粉在 内的常规处理剂 前 ， 必须对钻井液体系进行相应 的处理 ， 尤其在高密 度条件下固相含量 高， 必须合理调整油水 比及处理 剂含量 ， 调控钻井液性能， 以达到安全钻进的目的。 3 长水平段井 眼清洁难度较大。油基钻井液 尤其是柴油基钻井液 ， 在高温条件下的切力较低 ， 长 水平段下的携岩能力差 ， 容 易形 成岩屑床 ， 造成 憋 泵、 摩阻增大等复杂情况。 4 对油基钻井液封堵性能 的要求高。虽然毛 细管作用不是导致泥页岩膨胀 的主要 因素 ， 但是泥 页岩裂缝导流能力强 ， 油基钻井液进入裂缝后会长 距离地进入地层 ， 造成损耗量增大、 成本升高 ， 也会 加剧井壁不稳定程度。 5 适度的活度控制非常重要 。泥页岩水化膨 胀产生的应力极易导致裂 缝膨胀 ， 致使井壁失稳 ； 但是太低 的活度 会表现 出较高 的表面 张力 ， 导致 泥页岩产生收缩裂缝 ， 也会使井壁失稳 ， 所 以控制 油基钻井 液 的活 度也 是 防止 泥 页岩井 壁 失稳 的 关键 。 3 ． 2 开钻前油基钻井液性能调整 1 顶替钻井液。精确计算油基钻井液 的返 出 时间 ， 顶替过程 中， 固定顶替排量 ， 准确计时。顶替 完成后 ， 充分循环 1 ～2周， 准备实施加重 。 2 加重措施 。以 1 、 2 、 3号循环罐参与循环加 重 ， 保证每个循环周密度增量在 0 ． 0 5 k g ／ L左右， 密 度每提高 0 ． 3 0 k g ／ L充分循环 1周。加重过程 中随 时补充润湿剂和 C a C 1 溶液、 乳化剂 ， 加重完成后充 分循环钻井液 2 ～3 周 。 3 ． 3 钻井液维护处理措施 1 油基钻井液流变性调整 。现场通过减少无 用 固相 ， 降低塑性 黏度 ， 控制 油水 比， 同时加入 润 湿剂改 变其钻井液 中 固相 的润湿性 能 ， 从 而破 坏 颗粒间通过氢键结合形成 的网状结构 以达 到调 整 流变性的 目的。前期 油基钻井 液 的黏切要 较低 ， 钻进期间钻井 液漏斗黏度控 制在 4 6 S 左右 ， 后 期 随井深增加 、 水平段增 长 ， 调整油水 比， 增 加亲 油 胶体含量 的同时 ， 通过 加入提 切剂提 高油基钻 井 液的黏切力 ， 以保证钻井液 的携岩能力。 2 油基钻井液乳化稳定性调整 。钻井液 的乳 化稳定性能是 油基钻井 液 的基 本性能要 求 ， 钻进 期间钻屑及 加重材料 等 固相 不断进入 钻井液 中， 为保证油基 钻井液 的乳化稳 定性 ， 在现场要 针对 性地补充 乳化剂及 润湿剂 ， 以保证 油基钻 井液 的 乳化稳定性 。 3 油基钻井液活度及油水 比调控 。现场采用 合理的钻井液密度及钻井液滤液 的活度 ， 以防止地 层水的侵入及油基钻井液 中水相 的缺失， 保证钻井 液油水 比的合理 。在 日常维护中， 根据所测的钻屑 活度及油水 比实时调整 ， 使油基钻井液 的活度始终 保持在与钻屑活度基本平衡 的状态。 4 油基钻井液封堵能力调控。由于长水平段页 岩地层裂缝发育， 较低的滤失量及有效的封堵对于保 持井壁稳定具有重要作用 。钻进期间， 渤页平 1井先 期钻井液的消耗量为 1 5 1 8 m3 ／ d ， 在借鉴提高封堵 能力室内试验结果的同时， 增加惰性封堵材料含量 ， 使后期 日消耗量 明显减少 减至 8 ～1 0 m3 ／ d 。渤页 平 2井采用低芳烃油基钻井液， 钻进期 间日消耗量为 1 O ／ d ， 低于柴油基钻井液的 日消耗量 。 5 抗污染性 能调控 。适 时调整钻井液的油水 比， 增加钻井液体系中的乳滴含量 ， 使其能够在泥页 第 4 1 卷 第 6期 万绪新． 渤南区块 页岩 油地层油基钻 井液技术 岩微裂缝处形成有效 的封堵层 ， 降低滤失量 。同时 补充柴油基液 ， 可以溶解原油中的胶质沥青质成分 ， 稳定钻井液的乳化封堵效果和润湿、 流变性能。 4 现场应用 渤页平 1 井三开于 2 0 1 1 年 l 1 月 1 1日采用柴油基 钻井液钻进， 1 2 月 1 2日完钻， 完钻井深 4 3 3 5 ． 5 4 m， 油 基钻井液钻进进尺 1 3 5 1 ． 5 4 m， 水平段长 1 2 2 5 ． 0 4 m， 水平段平均机械钻速 4 ． 8 1 m ／ h 。鉴于柴油基钻井液在 现场施工中存在易挥发、 较低气温下流变性难以控制 的问题 ， 渤页平 2 井于 2 0 1 2 年 4 月 2 2日采用低芳烃油 基钻井 液钻进 三开井段 ， 5月 4日完钻 ， 完钻 井深 3 6 4 5 ． O 0 m， 油基 钻井液 进尺 1 0 6 5 ． O 0 m， 水平 段长 8 8 1 ． 8 8 m， 水平段平均机械钻速 8 ． 2 2 m ／ h 。 4 ． 1 钻进期间的钻井液性能控制 渤页平 1井和渤页平 2 井所使用油基钻井液的 性能见表 8和表 9 。从表 8和表 9可 以看 出， 随井 深增加黏切略有增大 ， 破乳电压有所增大 ， 整个钻进 期间流变性能基本保持稳定， 同时高温高压滤失量 极低 ， 表 明该钻井液体系具有 良好的封堵性能 。 表 8 渤页平 1井柴油基钻井液性能 T a b l e 8 Di e s e l b a s e d r i l l i n g f l u i d p e rfo r ma n c e i n W e l l B o y e P i ng 1 4 ． 2现场施工效果 1 2口井钻进施工期间起下钻均正常， 长水平 段下平均摩阻保持为 8 0 1 0 0 k N， 具有水基钻井液 难 以比拟的润滑性 。 2 三开所钻井段为油泥岩、 油页岩 ， 裂缝发育 ， 极易出现坍塌掉块 。使用油基钻井液钻进期 间， 钻 屑上返及时、 均质 、 棱角分明， 无掉块返出， 电测井段 井径扩大率小于 3 ， 井壁稳定效果明显。 3 油基钻井液具有较好的抗污染能力及高密 度条件下的性能调控能力 ， 施工极为顺 利， 渤页平 1 井在大量油气污染及高密度 1 ． 9 3 k g ／ L 条件下 ， 经 过针对性 的调整 ， 钻井液一直保 持着稳定而合理 的 流变性 。 5 结论及建议 1 强 封堵油基钻井液具有性 能稳定 、 抑制性 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 3年 月 强 、 井壁稳定性好 、 润滑性强等特点 ， 适用于泥页岩 水平井钻进施工。 2 柴油易挥发 ， 在胜利探 区地层温度梯 度较 高的情况下 ， 日损耗量较高 ； 在冬季又因其凝点低 易使钻井液黏切升高， 导致开泵压力较高。因此， 建议采用低芳烃的精制 白油作为油基钻井液 的基 础油 。 3 油基钻井液受地层流体污染后 ， 可用于流变 性能调控的手段单一， 应进一步研究并 开发适用于 油基钻井液的流性调节剂 。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 慈兴华 ， 刘宗林 ， 王志战． 罗家地 区泥质岩裂缝性储集层综合研 究E J ] ． 录井工程， 2 0 0 6 ， 1 7 I 7 1 7 4 ． Ci Xi n g hu a ， Li u Zo n g l i n， W a n g Z hi z h a r L Co mp o s i t e s t u d y o n f r a c t u r e d r e s e r v o i r o f a r g i l l a c e o u s r o c k i n L u o j i a A r e a [ J ] ． Mu d Lo g g i n g En g i n e e r i n g， 2 0 0 6， 1 7 1 71 7 4 ． E 2 ] 张抗， 谭云冬． 世界页岩气资源潜力和开采现状及中国页岩气 发展前景E J ] ． 当代石油石化 ， 2 0 0 9 ， 1 7 3 9 - 1 2 ． Zh a ng Ka n g， Ta nYu n d o n g ． Th e s t a t u s o f wo r l d s h a l e g a s r e s o ur c e s p o t e nt i a l a n d p r o d u c t i o n s t a t u s a s we l l a s de v e l o p me n t p r o s p e c t o f C h i n a ’ s s h a l e g a s 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