苏里格气田53区块长水平段钻井液防塌技术.pdf

第 3 0卷 第 5期 2 0 1 3年9月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLET1 0N FLUI D V o 1 ． 3 0 No ． 5 S e p t ．2 01 3 【 理论研究与应用技术 】 苏里格气 田 5 3区块长水平段钻井液防塌技术 张祥， 侯万武， 曹晓晖， 刘榆 长城钻探钻井液公司，北京 张祥等 ． 苏里格气田5 3区块长水平段钻井液防塌技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 5 4 6 4 9 ． 摘要 苏5 3区块储层应力变化大，在长水平段钻遇大段硬脆性泥岩，易发生剥蚀、掉块现象，在 已钻斗中 出现多井次划眼、填井侧钻复杂情况。为解决防塌问题，用F A 一 3 6 7替换 了P A C H V并调整了聚合物用量，提高 了体系抗剪切性及 值，采用憎了水颗粒 十刚性颗粒 塑性颗粒的封堵配方，即 l ％乳化沥青 2 ％超细碳酸钙 1 ％F T F D 一 1 ，优选出了流变性具有紊流喷射、层流上返、低流速梯度下高黏度、高切力等特点且封堵防塌性能好的 钻井液，有利于快速钻进和并壁稳定。在该区块采用改进的钻井液技术后，划眼比例同比降低了5 0 ％，在钻遇泥 岩夹层时，较少出现因钻井液原因造成的起下钻异常、大段划眼等井下复杂情况。 关键词 苏 5 3区块 ； 水平段 ； 泥岩 ； 钻井液 ；防塌 ； 流变性 ； 封堵性 中图分类号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 30 5 0 0 4 6 0 4 苏里格气 田位于长庆靖边气 田西北侧 的苏里格 庙地区，区域构造属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部 中带。该气 田苏 5 3区块主要开发盒 8 段 ，气层 由 多个单砂体纵 向复合叠置而成 ，且气层砂岩体分布 零散，垂深变化大，局部隔泥岩夹层发育。为提高 单井产量 ，采用长水平段 1 2 0 0 m 水平井开发 ， 导致钻遇泥岩率增大 。目前 ，随着气 田的开发 ，井 网加密， 邻井完井频繁注水压裂，以及油气的产出， 使储层应力变化大，钻井过程中又钻遇大段泥岩， 防塌问题突出，出现多井次划眼、填井侧钻复杂情 况 ，造成了巨大的经济损失及施工困难 ，因此急需 完善钻井液防塌技术 ，优化工程措施 ，解决井壁失 稳 问题 。针对苏 里格气 田 5 3区块水平段井壁失稳 问题进行了分析 ，并探讨了解决办法 [ i - 8 ] 。 1 储层 地质 特点 苏 5 3区块 盒 8段 储 层岩 性 主要 为含 砾 中粗 粒 石 英 砂 岩 、岩 屑 砂 岩 ，粒 径 范 围 为 O - 3 ～ 1 ． 6 m m，最大粒径可达 1 0 mm，总体反映粒度较粗 ； 分选程 度多 为中等 ； 磨 圆度次棱 、次 圆 ； 砂岩孔 隙度 为 O ．8 ％～2 0 ． 1 ％，平 均为 7 ． 5 ％；渗透 率为 0． 3 7 1 0～-- 4． 1 6 2 1 0 。 。 b t m2 ， 平 均 为 0 ． 6 71 0 g m ，属低压 、低渗气藏。除此之外 ，泥岩夹层 主 要为灰色泥岩。用 x射线衍射分析泥岩坍塌物的结 果为 石英含量为 4 7 ％，高岭石为 l 8 ％，伊利石为 3 6 ． 6 ％，绿泥石 为 1 2 ． 6 ％，伊 蒙混层为 3 2 ％，问层 比为 2 6 ％，此类泥岩成岩性好，塑性差，硬脆性较 好 ，外力作用下易破碎 。 2 水平段井下复杂情况及原因分析 水 平井 水 平 段 钻 遇 大 段 泥 岩 时，多 出现 泥 岩掉块 、垮塌 ，进而造 成遇阻 、遇卡 、憋泵和井 漏等井 下复杂情况。在 目前完成 的水 平井 中，苏 5 3 ． 7 8 ． 4 2 H井 累计钻 遇泥岩长达 2 0 0 m，造成大段 划 眼 ，最 终填 井侧 钻 ，共 损失 时 间 约 2 6 0 h；苏 5 3 ． 7 8 ． 6 5 H井累计钻遇泥岩长达 3 8 3 m，造成划 新 眼 ，填井侧钻 ，共损失时间约 1 0 0 h； 苏 5 3 7 4 2 4 H 井钻 至井深 4 2 8 0 m，泥岩段长 2 0 1T I ，造成划眼 ， 并发生憋漏 ，共损失时间约 1 8 0 h 。 综合分析 ，造成该 区块水平段井下复杂的原因 主要为泥岩失稳 ，失稳原因主要 为地质 、物理化学 和工艺原因。 第一作者简介 张祥，助理工程师，1 9 8 8年生，毕业于西南石油大学，现在主要从事钻井液研究工作。地址 辽宁省 盘锦市兴隆台区生态园7区 1 1 3 4 0 2；邮政编码 1 2 4 0 0 0；电话 1 3 9 9 8 7 6 5 7 6 9； E ma i l 2 8 3 1 5 8 6 5 5 q q ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 O卷 第 5 期 张祥等苏里格气田5 3 区块长水平段钻井液防塌技术 4 7 1 地质原 因。该 区块 泥岩夹层 成岩性好 ，水 化能力较弱 ， 外力作用下易破碎。经过因地质构造 、 邻 井压裂和气 层压力下 降等原 因造成 的应 力变化 后，泥岩理论上存在不同程度的破碎变化。 2物理化学原因。该 区块主要体现为物理 因 素 主导 ，具 体为钻井 液密度影 响。 由于泥岩微 裂 缝 、裂缝 的存在 ，引起毛细管效应 吸水 ，颗粒间和 层面间连结力 削弱 ，并且水平段井斜约为 9 0 。 ，侧 向压力大 ，钻井液密度偏低 时，产生物理崩解 。在 水平段钻进后期 ，为稳定泥岩 ，钻井液密度控制过 大 现场统计表明钻井液密度普遍高至 1 ．2 5 ～1 ． 3 0 g ／ c m ，钻井液在正压差作用下进入地层 ，甚至发 生漏失，由于水力尖劈作用，引发井壁坍塌。除此 之外 ，侵入液长时间作用会引起层面水化 ，强度降 低，亦诱发井壁坍塌。 3工 艺 原 因。 苏 5 3 ． 7 8 4 2 H、苏 5 3 7 8 6 5 H、 苏 5 3 7 4 ． 2 4 H井复杂井段钻井液性能见表 1 。综合 分析表 明，现场为最大化发挥钻头水马力 、降低环 空压耗 ，水平段钻井液在地温条件下表现为低黏度 和切力 、高的流性指数 ，紊流洗井 按钻井液泵排 量为 1 4 L ／ s ， 1 5 2 ．4 m m钻头， 井眼扩大率为 1 ．0 5 ， 钻杆 西8 8 ．9 m m ／ 1 0 1 ． 6 m m计算，雷诺数值普遍高 于或近约 2 0 0 0 ，对井壁冲刷严重 ，不易形成有效 的封堵层 ，而且六速旋转黏度计 值普 遍低 于 3 ， 长水平段层 流后携带能力不足 ，环 空易发生憋堵 。 除此之外 ，钻具扰动撞击 ，也容易导致泥岩段井壁 失稳 。 表 1 现场复杂井段钻井液性能 苏 5 3区PV ／ Y P ／ Y P ／ PV ／ MB T ／ 块井号mP a ． s P a P a ／ mP a ． s mP a ． s n g ／ L 注 钻井液井底循环温度为 8 0 c C； 使用无固相复合 盐钻井液钻井 ，另外一口井使用有机硅钻井液。 3 工 艺技 术调 整及 改进 在区块开发前期 ，长水平段采用紊流洗井与稠 浆携带的工艺技术施工，较好地满足了钻井需求， 但是随着储层应力的改变及泥岩夹层的频繁钻遇， 针对井下 出现的井壁失稳等复杂情况 ，需优化钻井 液工艺技 术。通过进行室内实验，从改善钻井液的 流变性和封堵性 2方面对钻井液配方进行了优化。 3 ． 1 钻井液流变性 为减少钻井液对井壁的冲蚀，且不影响洗井效 率，要求钻井液具有紊流喷射、层流上返、低流速 梯度下高黏度 、高切力的特点 ，对水平段钻井液流 变性提出了以下需求 。 1 层 流上返 。提高钻井液流变参数 ，增大钻 井液呈现紊流时的临界剪切应力 ，即增大钻井液动 切力。由 于水平井钻井存在偏心环空，流变参数复 杂，综合分析现场工程参数及钻井液性能 密度为 1 ． 2 5 ～1 ． 3 0 g ／ c m 表 明 ，动切力为 5 P a 近似 为流 态临界值 。 2良好 的剪切稀释性和触变性 。要求钻井液 在高速剪切后具有低黏度和低切力，以利于喷射钻 井 ，但黏度 和切力能快速恢复，避免经钻头水 眼剪 切后钻井液在较长井段紊流冲蚀井壁。 3低流速梯度下的携带能力 。不 同于直井段 的层流携带，水平段岩屑沉降方向与钻井液流动方 向不在同一轴线，理想状态下为垂直方向，低速相 对运动。所以为减少岩屑的沉降，要求钻井液在低 流速梯度下有较高的黏度和切力，即六速旋转黏度 计 仍读数较大，根据美国T u l s a 大学 B e c k e r 等人 室 内的实验研究表 明，一般 地温状态下 的理论 值应不小 f 4 。 3 ． 1 ． 1 基础配方的确定 通过实验室研究初步确定了改进配方 1 、2 ， 与现场使用的钻井液配方相比较，用 F A ． 3 6 7 替换 了P A C H V，调整了聚合物用量，且 1 配方复合盐 体系在现场配方中引入了膨润土，提高了体系抗剪 切性及 值 ，其性能见表 2 。 有 土 相 复 合 盐 钻 井 液 1 3 ． 0 ％ 膨 润 土 0 ． 3 ％纯 碱 0 ． 3 ％F A． 3 6 7 0 ． 1 5 ％XC 3 ％S MP ． 1 I 3 ％S P NH I ％K H一 9 3 1 8 ％K C l 1 5 ％Na c l 2 ％ 固 体 聚 合醇 有 机 硅 钻 井 液 2 3 ． O ％ 膨 润 土 O ． 3 ％ 纯 碱 0 ． 2 5 ％F A一 3 6 7 0 ． 1 ％XC 2 ％S MP 一 Ⅱ 2 ％KF T 1 ％复合硅降黏剂 1 ％高聚硅稳定剂 2 ％ 固体聚 合醇 实验数据显示，改进配方在 8 0℃的动切力大 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年 9月 于 5 P a ， 雷诺数小于 1 4 0 0 ， 且与现场钻井液相比较， 和 ， 值均相应提高，符合水平段钻井液性能的 要求 。 表 2 改进配方的流变性能 注 配方根据现场实际密度指标均加重至 1 ． 2 0 g ／ c m 。 3 ． 1 ． 2 水眼剪切后黏度和切力的恢复能力 为考察钻头水眼高速剪切对钻井液黏度和切力 的影响 ，设计 了黏度和切力恢复实验 分别将 1 、 2 配方加热到 8 O℃，以 1 0 0 0 0 r ／ mi n高速搅拌模拟 钻头水眼剪切 1 mi n ，测定动切力 ，并在低速搅拌 6 0 0 r ／ mi n 模拟环空剪切状态下研究黏度和切力 的 恢复速率，实验结果见图 1 。 t ／ rai n 图 1 高速剪切后动切力随时间的变化 数 据表 明，拟定 的 2种 配方在 高速剪切状 态 下的动切力远小于 5 P a ，有 良好的剪切稀释性 ，有 利于优化 喷射钻井 ，并且在低速剪切状态下 ，约 2 mi n内切力恢复至约 5 P a ，避免了紊流对大段井壁 的冲蚀 。 3 ． 2 高效封堵技术 苏里格 气 田储层 属低压气藏 ，气层压力 约为 2 9 - 3 MP a ，压 力系数 为 0 ． 8 7 ～0 ． 9 4 ，为稳定 泥岩 ， 现场钻井液密度提高至 1 ．2 5 ～1 ．3 0 g ／ c m ，导致储 层保护问题严峻。 同时针对防硬脆性泥岩剥蚀掉块、 钻井液封堵性能要求高的问题 ，现场多用低软化点 沥青护壁 ， 但其在低温时不易在钻井液中均匀分散 ， 需用柴油作为溶剂，使用效果不佳 。结合现场应用 情况 ，提 出了 “ 憎水颗粒 刚性颗粒 塑性颗粒 ” 的封堵构想 ，通过实验确定 了封堵配方 3 为 1 ％乳化沥青 2 ％超细碳酸钙 I ％F T F D一 1 。 常温下 ， 3种处理剂均能均匀分散在钻井液 中，不易被振动 筛筛除。在 1 、 2 配方 的基础上 ， 利用中压滤失量 、 高温高压滤失量 、砂床侵入深度对加入封堵剂前 、 后 的钻井液性能进行了室内实验对 比分析。 3 ． 2 ． 1 AP I 中压、高温高压滤失量 AP I 中压 、高温高压滤失量 的评价结果见表 3 。 由此可知 ，3 配方的加入降低了复合盐钻井液 、有 机硅钻井液的高温高压滤失量 ，且滤饼相对密 、实 ， 但 中压滤失量 降低 不明显。分析 原因为 ，F T F D一 1 的 自身网架结构强度较高 ， 抗压能力较强，在常温 、 0 ． 6 9 MP a实验条件下 ，其在滤纸上形成的滤饼颗粒 空隙相对增大，渗透率增大，进而中压滤失量小幅 回升。在 1 5 0℃、 3 ． 5 MP a的实验条件下 ， 颗粒软化 ， 且压力较大 ，塑性变形封堵空隙 ，滤饼密实 ，滤失 量显著下降。 表 3 A P I 中压、高温高压滤失量的对比实验 注 凡 H T H P 在 1 5 0 c C 下测定。 3 ． 2 ． 2 砂床侵入深度测试 实验条件 粒径为 0 ． 4 5 ～0 ． 9 0 m l T l 的砂子 3 0 0 g 模拟储层砂岩粒径为 0 ． 3 ～1 ． 6 mm 、F A型无渗 透钻井液滤失仪 、常温 、0 ． 6 9 MP a 。在 1 、2 配方 的基础上 ，测试 了 3 封堵配方加入前 、后滤液的侵 入深度 ，实验结果见 图 2 。 曩 念 l 0 8 6 4 2 O ／ 一 一 一 一 一 1 2 } 1 哗 3 2 3 ， i o 2 4 6 8 l O 1 2 1 4 1 6 1 8 t ／ mi n 图2 无渗透钻井液滤失仪砂床模拟实验 2 5℃、 0 ． 6 9 MP a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 0卷 第 5 期 张祥等苏里格气田5 3 区块长水平段钻井液防塌技术 4 9 数据表明，1 、2 配方在未加人 3 配方 的情况 下， 虽然形成了内外滤饼， 滤失速率亦呈下降趋势， 但由于滤饼仍存在一定渗透率， 滤液继续侵入砂床； 加入封堵剂后 ，由于液相黏度 的提高 ，瞬时侵入减 少 ，且超细碳酸钙刚性颗粒进入表层空隙、微裂缝 堵孔 ，F T F D一 1 、乳化沥青塑性颗粒在正压差作用下 进一步变形封堵空隙 ，而且乳化沥青在外泥饼形成 憎水膜，增大了水的渗透压力，封堵带形成后，几 乎无渗透或微渗透。 总体分析，该封堵配方适合有土相复合盐钻井 液、有机硅钻井液在苏 5 3区块的应用 ，在对体系 流变性影响不大 的情况下 ， 可改善体系的封堵性能。 3 3 防塌 工艺 针对 苏 5 3区块水平段钻遇泥岩 防塌 ，仅仅依 赖于钻井液 防塌性能的提高和加强 ， 不能解决问题。 除加强钻井液防塌性能之外 ，在钻井过程 中，防塌 工艺措施亦起着关键作用。 1 在起下钻过程 中，应尽量避免有动力钻具 时开泵。 由于螺杆 的弯度 ，致使钻头转动及水 眼喷 射时破碎井壁，造成井眼不规则，再起下钻易遇阻 划眼，进一步扰动破碎井壁。如果起下钻过程中发 生阻卡，应尽量采用提拉或转动钻具干通的方式解 决。 下钻遇阻严重， 划眼段长时， 坚决使用划眼钻具， 避免井壁被严重破坏。 2水平 段钻具 组合应减 少扶 正器 的使 用量 ， 以减小钻具对井壁 的扰动撞击。 3控制钻井液密度 。在保证不漏失 的条件下 ， 适当提高钻井液密度，但也不宜过高，以减小正压 差作用及水力尖劈作用，允许有轻微掉块的存在。 4钻遇泥岩 ，尽 量 以钻代定 ，尝试快速钻过 泥岩段 。严格控制井身轨迹 ，避免井身轨迹复杂造 成起下钻对井壁冲击大 ，导致井壁失稳。 4 应 用效 果 2 0 1 2 年苏 5 3区块完成井 2 6口，年初划眼比例 趋 近 9 0 ％，损失时 间 1 6 0 2 h ，回填进尺 1 9 1 5 m， 采 用改进 的有 土相复合盐 钻井液 和有 机硅钻井液 后 ，划眼比例同比降低 5 0 ％，在钻遇泥岩夹层时， 较少 出现 因钻井液原因造成的起下钻异常 、大段划 眼等井下复杂情况。而且平均建井周期缩短，水平 段最快 日 进尺 1 8 3 IT I ，单钻头最长钻进 5 8 7 1T I ，同 比钻井周期 累计节约 7 6 0 d ，适合优化钻井 ，较大 幅度节约了钻井成本 。 5结论 与建 议 1 ． 苏 5 3区块长水平段泥岩属硬脆性泥岩 ，易 发生剥蚀 、 掉块现象 。针对苏 5 3区块新的地质特点 ， 要求钻井液具有紊流喷射 、层流上返 、低流速梯度 下高黏度、高切力的特点 ，以有利于快速钻进、井 壁稳定 。 2 ． 以憎水颗粒 、塑性颗粒和刚性颗粒作复合封 堵剂， 较好地满足了苏5 3 区块泥岩封堵防塌的要求， 能有效地护壁，且减少了钻井液液相、固相侵入地 层深度 ，有利于储层保护。 3 ． 有机硅钻井液体系在苏里格水平井钻井得到 了广泛应用，复合盐钻井液也得到了较好的现场试 验验证 ，但随着储层特性 的变化 ，仍需 不断完善。 针对现场应用，提出以下几点建议 ①机械固控设 备配套齐全且高效运转 ； ②水平段钻进后期，勤配 聚合 物稠浆洗井 ，增 大钻井 液的 值 ，保证层流 洗井携带岩屑 ； ③建议在体系中引入其他两性离子 聚合物处理剂简化配方，增加体系抗剪切能力，提 高高速剪切后黏切恢复速率，同时提高抑制性。 参 考 文 献 [ 1 】 黄兰倩，谷雪曦 ． 苏 5 3区块储集层岩石微观空隙结构 特征研究 [ J ] ． 录井工程，2 0 1 0 ，2 1 3 6 2 ． 6 4 ． [ 2 ] 朱新佳 ． 苏里格气 田苏 5 3区块合理井 网井距研究 [ J ] ． 石油地质与工程 ，2 0 1 0 ，2 4 1 7 3 ． 7 5 ． [ 3 ]3 刘乃震，王延瑞 ． 现代侧钻井技术 [ M】 ． 北京 石油工 业出版社 ，2 0 0 9 ． [ 4 ] 李平 ． 低速梯下钻井液流变性和触变性研究 [ D] ． 西南 石 油大学硕士论 文 ，2 0 0 9 ． [ 5 ]5 李春霞，黄进军，崔茂荣 ． 评价钻井液完井液对裂缝性 地层封堵效果的新方法 [ J ] _ 西南石油学报， 2 0 0 3 ， 2 5 5 57 ． 59． [ 6 】 崔贵涛，陈在君 ． 复合盐水低伤害钻井液在桃 7 - 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