乍得H区块井壁失稳及钻井液技术浅析.pdf

第 2 8卷第 5期 2 0 1 1 年 9月 钻井液与完并液 DRI LLI NG FLUI D COM PLET1 0N FLUI D V_0 1 ． 28 NO． 5 S e p t ．2 01 1 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 1 0 5 0 0 3 1 - 0 3 乍得 H 区块井壁失稳及钻 井液技术浅析 杨海军 ， 屈沅治 ， 张毅 ， 齐国忠 ， 徐江涛 ， 黄兴龙 ， 赵云飞 4 1 ． 中国石油集团钻井T程技术研究院，北京 ； 2 ． 中国石油西部钻探公司克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依 ； 3 ． 中国石油新疆油田分公司开发公司，新疆克拉玛依 ； 4 ． 渤海钻探第二钻井工程分公司，河北廊坊 摘 要 乍得 H 区块 钻井过程 中发生 的井壁坍塌 、井眼缩径 等井壁失稳 问题极大地 影响 了该 区块 的开发进程。 因此，对乍得 H区块发生的井下复杂情况进行了梳理，采用 x射线衍射法进行了岩心黏土矿物组分分析，结合现 场使用情况 ，优化 了 B i o P r o钻 井液配方 ，加 强 了体 系抑制性、减少 了钻屑水化分散 、及时清除有害 固相 ，并提出 了适合该 区块 有关钻井液的部分合理 建议。 关键词 乍得H 区块 ； 泥页岩 ； 黏土矿物组分 ； 缩径 ； 井壁垮塌 中图分 类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 2 0 0 4年，中油国际乍得有限公司在乍得 H区块 钻成第 1口探井 [ 1 ] ，取得 了重要油气发 现，随后在 该 区块进行 了持续滚动开发。H区块 自上而下地质 分 层 主 要 有 Q u a t - T e r t 、B a o b a b 、R o n i e r 、K u b l a 、 C a i l c e d r a 、Ki l a 、P r o s o p i s 、Mi mo s a组等，上部地层 有流 沙层 、砂砾层 、泥页岩层 ，井 深 5 0 0 --8 0 0 m 以 下地层岩性逐渐以泥岩、泥页岩、砂质泥岩为主，储 层主要分布在 R o n i e r 组的下段、 Ku b l a 、 Mi mo s a组 J 。 在钻井过程中该区块时有发生井壁坍塌、井 眼 缩径等井壁失稳问题，影响了开发进程。乍得采用 欧洲环保标准，油气钻井明确禁止使用油基钻井液 及盐 水钻 井液，要求 氯离子浓度小于 3 0 0 0 mg ／ L ， 钻井液的使用因此受限，导致乍得 H区块井壁失稳 问题一直没能有效解决。对乍得 H区块钻进过程中 发生的井下复杂进行了梳理，分析了现用钻井液体系 的性能 ，提出了适合该区块钻井液的部分合理建议。 1 井壁失稳情况 目前乍得 H区块已完井井例中， 最大深为 3 3 0 0 m，平均井深 为 2 0 0 0 m。钻井过程 中，一般采用 二开井身结构 ，一开用 3 1 1 ． 2 mm钻头钻至井深 3 0 0 m左右 ，二开用 西2 1 5 ． 9 mm钻头钻至 目的层 。 钻井过程中发生的井下复杂问题大多与井壁失稳有 关 ] 。 1 井壁掉块和垮塌严重 ，易形成大肚子井眼、 井径不规则 ，导致起下钻不顺畅 、电测一次成功率 低等复杂 问题 。截至 2 0 1 1 年 6月 ，该 区块累计 完 井 1 4 7口，完井 电测一次成功率 为 8 7 ％，完井电测 遇阻 l 9口，电测遇阻多发生在 K u b l a 、 Ro n i e r 层段。 例如 ，R o n i e r - 1 井 在 7 8 0 ～ 1 0 6 0 m、1 6 5 0 ～ 1 8 0 0 m 井 段 出 现严 重 的井 壁 坍 塌 ； Mi mo s a 一 3井 9 2 0 ～ 1 1 0 0 m 及 1 3 5 0 m至 井 底 出现 严 重 的 井壁 坍 塌 ，钻进 和完钻通 井过程 中返 出大量 的薄片状或 长条状 页岩掉块 ，下 电测仪 器困难 ，起下钻过程 中多次严 重遇阻 ； R o n i e r S 一 1 井 井 壁坍塌现象严 重 ，6 0 0 ～8 6 0 I 1 3 、1 0 8 0 ～ 1 2 2 0 m井段的井径扩大 率分别达到 4 0 ． 2 6 ％ 和 4 1 ． 6 0 ％，最大井径为 6 1 2 ． 3 8 mm／ l 1 1 1 ． 9 1 m ； R o n i e r - 5井 坍 塌 井 段 为 4 2 6 ～ 7 7 1 m，井径扩大率为 1 8 ． 2 7 ％，最大井径为 3 8 2 ． 5 2 mm／ 4 2 7 ． 3 3 m ； R o n i e r - 6井 6 0 7 ～8 6 8 m、1 3 7 0 1 9 2 3 1 T I 、2 2 5 6 ～ 2 4 3 1 m、2 5 8 7 ～2 7 1 8 m 井 段 井 径 扩 大 率 分 别 达 到 1 8 ． 5 4 ％、6 ． 8 6 ％、5 ． 0 5 ％ 和 1 1 ． 7 l ％，最 大井 径 为 4 0 3 ． 8 6 mm／ 1 7 0 5 ． 6 7 i n ，通井后 下入 1 7 7 ． 8 mm套 管过程 中在 井深 1 7 0 0 in遇 阻， 开泵困难 ，循环建立后 出现很多掉块 ，大的掉块长 第一作者简介 杨海军 ，工程 师，1 9 6 7年 生，现在 主要从事钻井液技术现场服务工作。地址 北京市学院路 2 0号钻 井 液所 ； 邮政编码 1 0 0 0 8 3；电话 0 1 08 3 5 9 7 2 6 4； E ma i l y a n g h j_d r i c n p c ． c o m． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年 9月 7 c m。套管下到井底后 ， 无法建立循环 ， 不得不起钻 ， 甩掉所有套管 ，通井用 时 1 2 d； R o n i e r N ． 1 井 坍 塌井段 为 3 0 5 ～8 8 9 m，井径扩大率为 4 1 ． 4 9 ％，最 大井径为 3 9 9 ． 0 3 mm／ 4 0 0 ． 2 1 m ； R o n i e r 6 1 井 从测 井 曲线 图上可以看出 3 0 0 ～9 1 5 m为大井径段 ，在 8 7 5 ～9 1 8 m井段有井径达 4 3 1 ． 8 mn l 的大肚子 平 均约为 3 8 1 mi l 1 ，第 1 次电测遇阻 ，第 2次 电测在 1 1 1 1 m遇阻，通井后第 3次测井成功 。 2缩径严重。钻遇泥岩段时易发生水化缩径 ， 而钻遇大段砂岩时 ，易形成厚泥饼缩径 。对 1 4 7口 已完钻井起下钻超拉的统计结果表明，超拉井段多 集 中在 K u b l a 、Mi mo s a 、R o n i e r 层 段 ，其 中 Ku b l a 层段超拉最为严重。K u b l a 层段 以泥岩为主，黏土 含量高，钻屑吸水膨胀后黏性大 、易相互黏接成块， 在钻具旋转拍打及泵排量不能满足及时携带情况下 黏附井壁形成假泥饼 ，使井眼缩小 ，起下钻困难 。 例 如，R o n i e r - 1 井 在 1 1 5 0 ～1 5 0 0 m井 段 发 生严重的井眼缩径。钻至井深 1 4 5 7 m， 起钻换马达， 遇到严重的井眼缩径 1 4 0 5 ～9 8 7 m ，在井深 1 0 4 8 m处卡钻 ； R o n i e r - 2井 在 8 5 0 1 0 0 0 m井段也出 现井眼缩径现象 ； R o n i e r S 。 1 井 发生的井眼缩径使 井下经常发生下钻遇阻起钻遇卡现象，缩径井段为 9 7 4 ～l 0 6 6 m，遇阻负荷为 1 3 ～2 3 t ，1 2 4 0 ～1 3 3 1 m遇阻负荷为 5 ～1 2 t ；1 4 0 0 1 6 0 0 m遇阻负荷为 2 7 t ； Mi mo s a 一 4井 在 8 2 5 ～1 2 0 5 m井段划眼起钻 过程中发现多个缩径点，而缩径井段多为新井段 ； R o n i e r C 一 1 井 短程起下钻时在 1 4 7 5 ～1 0 3 7 m井段 出现井 眼缩径现象，遇卡负荷为 1 4 t ； R o n i e r C N． 1 井 短 程起下钻过程 中在 1 9 1 1 m、1 8 8 9 m、1 8 8 6 m、 1 8 5 3 m、1 3 9 9 m、1 1 0 5 m、1 0 9 9～1 0 7 7 m 出现 井眼缩径现象，遇卡负荷为 1 8 t ； R o n i e r - 5井 短程 起下钻过程中在 1 3 9 8 m、1 3 4 5 m、l 5 0 5 m、1 5 2 4 m出现井眼缩径现象，遇卡负荷为 1 4 t ； R o n i e r - 6井 1 1 7 5 ～1 4 6 2 m 缩径 井段 遇卡负荷为 5 ～1 8 t ；1 8 9 2 ～ 1 9 6 8 m和 2 1 1 5 ～2 1 2 4 m井段遇卡负荷为 2 3 t ； 在 2 7 9 0 2 7 8 5 m起钻时超拉达到 2 7 t ； P a l mi e r - 1 井 在 1 4 0 8 ～1 3 5 4 m井段起钻时超拉达到 3 0t 。 2地层 岩 性分 析 乍得 H区块地层层理 面和微裂隙发育丰富，质 脆易断，岩石整体稳定性差。对乍得 H区块不同井 不同井段的岩心及岩屑进行了X_ 射线衍射分析，实 验结果见表 1 。 表 1 中结果表明， 岩样中均含黏土矿物， 所含黏土矿物与地层埋深层位有关，其黏土矿物总 量为 1 2 ． 3 ％- - 4 7 ． 1 ％ ； 黏土矿物组分多为伊 ／ 蒙混层， 不含蒙脱 石组分，伊利石和高岭土 的含量也较少， 伊 ／ 蒙混层中蒙脱石的混层比占 1 5 ％4 5 ％，说明岩 样遇水均会水化膨胀，且蒙脱石的混层 比数值越大， 岩样越易吸水膨胀，导致钻井过程中地层坍塌压力 升高，当钻井液液柱压力不能平衡坍塌压力时，井 壁失稳，出现掉块 、坍塌现象。这一点与乍得 H区 块钻井现场发生井壁失稳的井下复杂情况相符。 表 1 黏土矿物组分相对含量分析 井号～ 混层 比 ／ ％ I ／ S 注 黏土中 C ／ S的含量为 3 3 ％，其混层 比为 3 0 ％。 由于乍得 H区块地层泥页岩中伊 ／ 蒙混层组分 多 ，易吸水水化 ，造成钻进过程 中井壁剥落掉块， 甚至引起井壁坍塌等井下复杂事故。除采取提高钻 井液密度平衡压力外，还可以通过抑制泥页岩的水 化膨胀 、封堵地层微裂缝 、降低钻井液滤失量等方 法协同综合处理 。 3现场钻 井液技术 乍得 H区块 地 温梯 度 为 2 3～3 ． 5 o C／ 1 0 0 m， 使用钻井液密度为 1 ． 0 8 ～1 ． 5 g ／ c m 。一开井段采用 膨 润土 ． 聚合物钻井液，二开井段采用 B i o P r o钻 井液 ，处理剂包括 KP A M、P A C、NH HP A N、XC、 S MP 一 1 、S P NH、G WJ 、P o l y c o l 等。B i o ． P r o 钻井液 用有机硅和聚合醇作主抑制剂。统计结果表明，该 钻井液部分解决 了钻井过程中井壁掉块的问题 ，但 井壁垮塌 、缩径等井下复杂事故仍时有发生。为解 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 5期 杨海军等 乍得H区块井壁失稳及钻 井液技术浅析 3 3 决现场出现的井下复杂情况 ，并结合 Bi o P r o钻井 液的现场应用及维护情况 ，提出应从 以下 3个方面 改进该钻井液性能 。 3 ． 1 流变性 在现场应用 中，B i o ． P r o钻井液 的黏度切力会 随着井深的增加而增大 ，甚至失去控制。为了维持 钻井液的流动性 ， 不得不排放高黏度 、切力的老浆 ， 补充新配制 的低黏度 、切力的新浆。而新补充的钻 井液性能不能即时满足地层的需要 ，使井壁失稳的 几率大大增加 。 B i o P r o钻井液采用有机硅 和聚合醇为 主抑 制 剂 ，不 能有效控 制钻屑造 浆 ，钻 屑在钻井 液 中水 化分散 ，泥页岩孔 隙流体 中的多价离 子 如 Ca 2 ， Mg 进 入钻井液 中 ，与现场用 的有机硅 处理 剂 形成不溶性沉淀 『4 】 ，且 p H值为 中性到酸性的孔 隙 流体能引发 有机硅凝胶 化 ，凝 胶及形成 的沉淀对 B i o ． P r o钻井液 的流变性能产生 了极大的影响 ，随 着钻井井深 的增加 ，钻井液的流变性能越来越难以 调控。表 2是 B a o b a b 一 5井二开各井段采用 Bi o ． P r o 钻井液 配方如下 钻进时的性能参数 ，该井完钻 井深为 1 9 5 0 1 T I 。 3 2 m 一开井浆 8 0 1 T I 清水 1 ％G WJ 2 ％P o l y c o l I ％ P AC L 0． 5％ KPAM 0． 5 ％ N H H P AN 0． 1 5 ％ P A C ． RL 重 晶石 表 2 B a o b a b 一 5井二开各井段钻井液性能 3 50～ 1 0 01 1 ． 1 9～ l _ 26 45～ 6 0 1 5～ 25 5～ 1 0 1 2～ 29． 5 1 0 0l～ 1 6 3 5 1 ． 2 6～ 1 ． 38 56～ 78 2 2～ 30 1 0～ 1 5 28 ． 5～ 40 1 6 3 5～ 1 95 0 1 - 3 8～ 1 ． 45 57～ 8 0 2 7～ 35 1l ～ 1 3． 5 40～ 55 3 5 0～ 1 0 0 1 0 ． 5 ～ 2 ． O ／ 1 ． 0 ～ 5 ． 0 5 ． 0～ 5 ． 8 0 ． 3～0 ． 4 1 0 0 1 ～1 6 3 5 1 ． 0 ～3 ．0 ／ 5 ． 5 ～ 1 0 ． 0 3 ．5 ～4 ． 5 0 ． 5 ～1 ． 0 1 6 3 5 ～ 1 9 5 0 1 ． O～3 ． 5 ／ 1 0 ． O ～ 2 5 ． O 3 ．0～4 ． 5 1 ． 0 -- 1 ． 4 可以看出，随着钻井深度的增加， B i o ． P r o钻井 液的黏度切力明显增大。因此，在现场应用中，应简 化钻井液配方，加强体系对钻屑的抑制包被 l生能，尽 可能减小钻屑的水化分散，增加固控设备对钻屑的清 除效率 ； 加强对有机硅等处理剂 的质量监控，或在 B i o P r o钻井液中避免使用有机硅等处理剂。 3 ． 2钻井液 配方的优 化 乍 得 H 区块设 计 井深 从 1 1 5 0 ～3 3 0 0 n l 不 等 ， 井底条件不尽相同 ，加上乍得远离国内，运输补给 线漫长 ，须及时储备和补充各种处理剂。 目前，在现场应用的 B i o P r o钻井液中添加了液 体胺基抑制剂 S l A T ， 该处理剂含有极性胺基， 易被黏 土优先吸附，对泥页岩水化具有良好的抑制效果 [3 , 5 1 0 在乍得现场， 采用井浆添加不同浓度 S I A T进行实验， 测试钻井液 l生能的变化，结果见表 3 ， 井浆配方如下o 3 2 1 T I 。 一开基浆 8 0 m 清水 I ％P AC L V 0 ． 5 ％ K P AM O ． 5 ％NH HP A N 0 ． 1 5 ％P AC R L 重 晶石 表 3 现场 井浆添加不 同浓度 S I A T前后的性 能变化 表 3中结 果 表 明 ，在 井浆 中加 入 0 ． 5 ％S I A T， 黏度有小幅增长 ，当 S I A T的浓度增至 1 ． 0 ％、1 ． 5 ％ 后 ，钻井液的黏度基本没有变化 ； 体系中添加 S I A T 后 ，A P I 滤失量基本没有变化 ，观察所形成的泥饼 发现 ， 添加 S I A T可改善泥饼质量 ， 形成的泥饼坚韧 。 用以上井浆相同的配方及乍得现场 的钻屑，进 行室 内添 加 S I AT前 后钻井液 的钻屑回收率 实验。 未 添 加 S I A T的 B i o P r o钻 井 液 的钻 屑 回收 率 为 5 8 ． 9 ％，添加 0 ． 5 ％S I AT的 B i o P r o 钻井 液的钻屑回 收率为 7 6 ％，结果表 明，添 加 0 ． 5 ％S I A T后 B i o P r o 钻井液的钻屑回收率 明显提高， 抑制性能相应增强。 在该 区块 的 B a o b a b N一 8 、N一 9和 N． 1 0井 的现 场应用 中，添加 了 0 ． 5 ％～ 1 ． 0 ％S I A T以优化 原 有 B i o P r o钻 井液。钻进 过程 中，返 出钻屑规则 ， 钻 屑可见 清 晰切削 齿痕 。 与邻 井 B a o b a b N一 4 井 比较 ， 采用添加 S I A T的 B i o P r o钻井液钻进的 3口井在泥 岩含量多 的上部井段 的井 径更加规则 ，S I A T的添 加明显增强 了 B i o P r o钻井液抑制泥岩水化的能力 。 B a o b a b N一 1 0井与 B a o b a b N一 4井的井径曲线对比见 图 1 和 图 2 。 下 转 第3 7 页 ‰ 札 一 一 ㈣ 一 一 n 一 一 舢 T■ 一 一 卯 咖 一 M ％ 一 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 5期 肖金裕等川东地 区高陡构造vT K垂直钻 井配套钻 井液技 术 3 7 6认 识 及 结 论 1 ． 在川东地 区高 陡构造高倾角井使用 VT K垂 直钻井技术能解决直井段的防斜问题 ，并能大幅度 提高机械钻速 ，为下步深井段的安全快速钻井打下 坚 实基 础 。 2 ． 高倾角易塌井段采用活度平衡防塌钻井液体 系能防止泥页岩垮塌 ，确保 VT K设备的安全。 3 ． 通过优化活度平衡防塌钻井液体系配方 ，充 分突出体系的 “ 强抑制 、超低渗透 、平衡滤液活度” 特性 ，成功实现了化学防塌 ，并较大程度地降低 了 使用钻井液密度 ，从而提高了钻井速度 。 4 ． 活度平衡防塌钻井液体系具有很强的抑制封 堵防塌能力 ，能有效解决川东地区高地层倾角井及 易坍塌泥页岩地层井塌技术的瓶颈难题。 参 考 文 献 [ 1 ] 冯 学荣 ． 川 东地 区得杂 地质条 件下 的深 井钻井 液技 术 [ J ] _ 钻井液与完井液，1 9 9 9 ，1 6 1 4 2 4 5 ． [ 2 ] 王仕水 ． 川东复杂地层防塌技术初探 [ J ] _ 钻井液与完井 液 ，1 9 9 9 ，1 6 2 4 2 4 4 ． 收稿 日期2 0 1 1 - 0 6 2 0 ；H GF I 1 0 4 F 6 ；编 辑付 碉颖 注 1 i n 2 5 ．4 n a r f l 。 图 1 B a o b a b N 4井的井径 曲线 毒 婊 注 图 2 Ba o b a b N． 1 0井的井径曲线 3 ． 3控制 固相 含量 乍得 H区块从地表至井底泥岩含量高 ，几乎全 井段钻进过程 中产生的钻屑均容易分散和造浆 ，应 强化 四级固控设备的高效使用 ，避免有害 固相 的积 累 ，实现 B i o ． P r o钻井液的低 固相 ，保持 良好 的钻 井液性能 ，降低起下钻过程中阻卡的严重程度。 4 识 与建 议 乍得 H区块钻井现场发生的井壁失稳 ，除采取 提高钻井液密度平衡压力外 ，还应通过抑制泥页岩 的水化膨胀 、封堵地层微裂缝 、降低钻井液滤失量 等方法协 同应对。优化 B i o ． P r o钻井液配方 ，强化 B i o P r o钻井液 对钻屑的抑制包被性 ，减小钻 屑的 水化分散 ，增加 固控设备对钻屑的清除效率。 参 考 文 献 【 1 】 张金波， 彭小红， 高峰， 等 ． 环保钻井液 B i o P r o 体系在 乍得 的成 功应用 【 J J ． 钻井 液与完 井液 ，2 0 0 9 ，2 6 1 6 7 68 ． [ 2 ] 史玉玲，侯读杰，窦立荣，等 ． 乍得 H区块 B o n g o r 盆地 原油母质生源特征 [ J 】 ． 石油地质与工程， 2 0 1 1 ， 2 5 1 5 - 9 ． [ 3 ] 姜治 ，张亮 ，董学 明，等 ． 阳离子聚合物钻井液在乍得 H区块的开发应用 [ J 1 ． 石油科技论坛 ， 2 0 1 0 4 6 0 6 2 ． [ 4 ] v a n O o r t E． On t h e p h y s i c a l a n d c h e mi c a l s t a b i l i t y o f s h a l e s [ J ] ． J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ． 2 0 0 3． 3 8 3～42 2 8 2 2 9 ． [ 5 】 屈沅 治 ． 泥页岩抑 制剂 S I A T的研 制与评价 [ J ] ． 石油钻 探技术 ，2 0 0 9 ，3 7 6 5 3 5 7 收稿 日期2 0 1 1 - 4 1 0 ；H GF I 1 0 5 Ml O ；编辑 马倩芸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m