中亚K构造钻井液技术研究与应用.pdf

第 3 6卷 第 2期 2 0 l 4年 3月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG ＆ PR0DUCT1 0N TECHN0LOGY V0 1 ． 3 6 N0 ． 2 Ma r c h 2 01 4 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 4 0 2 0 0 5 20 3 d o i 1 0 ． 1 3 6 3 9 ． o d p t ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 1 3 中亚 K 构 造钻 井液技术研 究与应用 周海秋 段 敏 张培伦 1 ． 中国石油集团钻井工程技 术研究院 ， 北京 1 0 0 1 9 5 2 ． 川庆川西钻探公司， 四川 6 1 0 0 5 l ；3 ． 东华理工大学化学生物与材料科学学院． 江西南昌 3 3 0 0 1 3 引用格式周海秋 ， 段敏， 张培伦 ． 中亚K构造钻井液技术研究与应用 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 4 ， 3 6 2 5 2 ． 5 4 ． 摘要在分析中亚K构造地质特征、 钻井主要技术难题及对钻井液技术要求的基础上， 针对该地区深部高压盐水层矿化度 高、 地层压力系数高、 安全密度窗口窄、 易发生卡钻等井下复杂事故的特征， 研制出了密度 2 ． 4 1 g ／ c m 的两性离子欠饱和盐水聚 磺钻井液体系， 同时提出了针对深部盐下油气藏的储层保护措施， 并成功应用于现场， 效果显著。在该构造 4号探 井钻进过程 中， 随 深度 增加分别使 用了两性 离子聚合物体 系、 两性 离子聚磺欠饱和 盐水体 系、 两性 离子聚磺 欠饱 和盐水屏 蔽暂 堵体 系 3套 钻井液体 系。 通过对钻井液流变性的精细控制使得钻进过程安全快速， 无复杂事故发生， 最终完钻井深 6 5 9 6 m， 油气显示 良好， 为今后该地区的持续开发提供 了有力的技术保障。 关键词 深井；高压盐水层 ；高密度钻井液；流变性；储层保护 中图分 类号 T E 2 5 4 文献标识码 B Re s e a r c h a nd a ppl i c a t i o n o f t he d r i l l i ng flu i d t e c hn i q ue s i n K s t r uc t ur e o f M i ddl e As i a n Z H O U H a i q i u ， D U A N Mi n ， Z H A N G P e i h m 1 ． C NP CDr i l l i n gE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y R e s e a r c hI n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 1 9 5 ， C h i n a ； 2 We s t S i c hu a nDr i l l i n g＆ Ex pl o r a t i o nCo mpa n y， Ch u a n q i n gDr i l l i n g＆ Ex pl o r a t ionCo ． ， L t d． ， Si c hu a n 6 1 00 5 1 ， Ch i n a 3 De p a r t m e n t o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， Ea s t C h i n a I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ， Na n c h a n g 3 3 0 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Th r o u g h a n a l y z i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f g e o l o g y ,d i ffi c u l ty i n d r i l l i n g e n g i n e e r i n g t e c h n i q u e i n t h e K S t r u c t u r e ， a n d t e c h n i c a l r e q u i r e me n t s f o r d r i l l i n g fl u i d ， t h e d r i l l i n g fl u i d s y s t e m o f a mp h i o n p o l y s u l f o n a t e ／ u n d e r - s a t u r a t e d s a l t wa t e r wi t h d e n s i t y o f 2 ． 4 1 g ／ c m i s d e v e l o p e d a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f d o wn h o l e c o mp l i c a t e d a c c i d e n t s s u c h a s h i g h mi n e r a l i z a t i o n o f d e e p s a l i n e a q u i f e r ， h i g h p r e s s u r e f a c t o r , n a r r o w s a f e t y d e n s i ty wi n d o w， a n d e a s y p i p e s t i c k i n g i n t h i s a r e a ． At t h e s a me t i me ， t h e me a s u r e s o f r e s e r v o i r p r o t e c t i o n a r e p u t f o r wa r d fo r r e s e r v o i r u n d e r d e e p s e a t e d s a l t ， wh i c h a r e t a k e n i n t h e fi e l d a n d h a v e s i g n i fi c a n t e f f e c t ． Th r e e k i n d s o f d r i l l i n g fl u i d s y s t e ms a r e u s e d wi t h t h e i n c r e a s e o f d e p t h i n d r i l l i n g o f we l l 4 i n t h i s s t r u c t u r e ， i n c l u d i n g a mp h i o n p o l y me r s y s t e m， a mp h i o n p o l y s u l f o n a t e ／ u n d e r - s a t u r a t e d s a l t wa t e r s y s t e m， p o l y s u l f o n a t e ／ u n d e r s a t u r a t e d s a l t wa t e r s y s t e m wi t h f o r ma t i o n p r o t e c t i o n s y s t e m ． Th e r e fi n e d c o n t r o l o f r h e o l o g i c a l p r o p e r t y o f d r i l l i n g fl u i d e n s u r e s t h e s a f e ， r a p i d a n d a c c i d e n t fle e d r i l l i n g ， fi n a l c o mp l e t i o n d e p t h o f 6 ， 5 9 6 m a n d g o o d s h o w o f g a s a n d o i l ， wh i c h p r o v i d e s p o we r f u l t e c h n i c a l g u a r a n t e e f o r futur e d e v e l o p me n t i n t h e K S t r u c t u r e ． Ke y wo r d s d e e p we l l ； h i g h p r e s s u r e s a l t wa t e r f o rm a t i o n ； h i g h d e n s i t y d r i l l i n g fl u i d ； r h e o l o g i c a l p r o p e r t y ； f o r ma t i o n p r o t e c t i o n 中亚K构造油气藏属于典型的 “ 四 高一超” 地 层压力高， 酸性气体含量高， 含盐量高， 产量高， 埋藏 超深 油气藏 ， 钻探难度非常大。该地 区钻井复杂情 况主要 表现为 卜第三系上部是一套成岩性差 、 弱 胶结的砂泥岩互层， 水化后易发生垮塌 、 漏失；目的 层晚第三系下部和早第二 三 系上部为高压油藏， 喷漏 同层 、 孔隙压力与漏失压力接近 、 钻井液安全密度窗 口小 ， 极易造成严重井漏 或井喷， 引发坍塌和卡钻 。 作者简介 周海秋 ， 1 9 7 8年生。 2 O 1 3年毕业于中国石油大学 华东 钻井工程专业 ， 现从事钻 井工程技 术研 究， 工程师。 E - ma i l Z l1 。 u h a j q i c n p c ．C O I 1 ] c n 。 周海秋等中亚 K构造钻井液技术研 究与应用 5 3 在已钻成的 1 5口井 中， 8口成功， 5口工程报废 ， 2口 地质报废 ， 成功率仅 为 5 5 ％。事故多发生在盐层和 盐下油气层段。如 2 号井， 先后发生了 1 0 次黏卡， 5 次落鱼， 5 次侧钻， 爆炸松扣 1 次， 断钻具事故 1 次。 从对现场资料 的采集分析来 看 ， 大多数井 因该地 区 地质条件复杂造成钻井难度大 、 风 险高 ， 有的井虽已 钻成 ， 但投产也十分 困难 ， 常发生套管挤毁 、 变形 ， 严 重砂堵等现象。例如在 同一区块钻探 的 5号井就 曾 发生强烈井喷 ， 引发事故和盐堵而报废 ；1 4号井 因 钻井液密度过高发生严重漏失造成液柱压力低于地 层压力而发生井喷。为解决 中亚 K构造油气藏钻探 技术难题 ， 开展了钻井液技术攻关研究 。 1 地质概 况 中亚 K构造的储集层为上第三系、 下第三系、 白 垩系和中下侏罗统。烃源岩为下第j系始新统苏扎 克组灰色泥岩 、 上 白垩统土伦一赛诺曼组灰 色泥岩 和介壳灰岩及 中下侏罗统含煤岩系。该构造上第三 系下部为陆相河流一 冲积一 浅湖相沉积 ， 储集性能 较好 ；下第j系上部为陆相砂岩 ， 下部为海相灰岩 储层 。 对 比研究与之毗邻的L、 M构造地质特点发现 ， 区域储层分布比较稳定 ， 单层厚度平均为 1 0 ～ 1 2 m， 预计上第三系储层孑 L 隙度为 1 0 ％ ～ l 4 ％， 下第三系储 层 为 1 0 ％～ 1 2 ％。油源构造落实 ， 主要 目的层为上第 三 系下部砂岩 K K c 和下第三系上部灰岩储层 E 2 、 E 3 ， 埋深 5 7 0 0 ～ 6 5 0 0 m， 主要勘探潜力位于深层 的 断阶带和中央拗陷带。 2 钻井液技术难点 在该构造 的中浅层井段易发生缩径 、 垮塌导致 复杂事故 ， 其中在 2 7 0 0 ～ 3 5 0 0 m地层压力可能不稳 定 ；在中部地层 3 9 0 0 ～ 4 6 5 0 m段钻进易发生阻卡； 深层钻井过程 中最常见 的地质问题是 出油 、 气 、 水 ， 这与存在异常高压带有关 地层压力系数 1 ．4 ～ 2 - 3 ， 特别是 5 5 0 0 ～ 5 7 0 0 m井段含有大段盐膏层或高压 盐水 层 Cr含 量最 高 达 到 2 4 4 0 0 0 mg ／ L ，C a 含 量最高达到 1 2 2 0 0 mg ／ L、 Mg 含量最高达到 4 5 6 0 rag ／ L ， 极易发生溢流、 盐结晶 、 卡钻等井下复杂和事 故 ； 目的层段安全密度窗 口窄 ， 易发生井喷或漏失 ， 特别是高渗砂岩地层的钻井液渗漏。 由于上部地层易发生水化膨胀缩径及垮塌等问 题， 需要选用高黏切钻井液体系， 通过合理控制钻井 液密度及流型 ， 解决大井眼钻井液的携岩 和井壁稳 定问题 ， 以保证 中上部地层的安全快速钻进 。 该地区已钻井在 3 0 0 0 ～ 4 6 0 0 m井段 常发生垮 塌 ， 所 以在 中深部井段钻进时要求钻井液在保持一 定流变性 的前提下具有强抑制性 、 高抗盐性和 防塌 性能 ， 同时需要增加磺化处理剂 以增强钻井液 的抗 温性和稳定性 ， 并通过调整合理的钻井液密度 、 加入 优质 的封堵防塌和降滤失剂 ， 严格控制 AP I 滤失量 和 HT H P滤失量 ， 保持井壁稳定 ， 有效 防止压差和井 壁坍塌引起的卡钻 ， 提高机械钻速。 B P C和 K KC层含有大段高压盐水层 ， 为了平衡 地层压力 ， 防止溢流 、 垮塌 、 掉块 和卡钻等井下复杂 和事故的发生 ， 需要将钻井液密度提高至 2 ． 3 ～ 2 ． 4 g ／ c m 。高密度钻井液的流变性控制一直是钻井液界 研究 的热点和难点 ， 而该地层的高矿化度给钻井液 性能的控制和维护带来 了更加严峻的挑战。因此研 制和现场维护密度 2 ． 4 0 g ／ c m 以上 的抗盐抗钙强抑 制性钻井液是该构造钻井液技术的主要难题之一。 深部储层 的地层压力低于其上部的盐膏层 ， 在 钻进过程 中， 同一裸眼井段将会 遇到上高下低 的复 杂压力系统 ， 如何在保证安全钻进的前提下 ， 保护好 储层也是该构造钻井液技术面临的难题 。 3 钻井液体 系研究 3 ． 1 高密度盐水聚磺钻井液体系 B P C、 K KC层含有大段高压盐水层 ， 矿化度和密 度是影响该地层钻进时钻井液性能的重要 因素 J 。 为了平衡地层压力 ， 防止溢流 、 卡钻等事故 发生 ， 需 要通过加入加重材料将钻井液密度提高到地层孔隙 压力以上。而在高温 、 高压 、 高盐及多压力系统环境 中， 固相含量大量增加导致高密度钻井液黏度 、 切力 过高变稠 ， 同时又可能产生加重剂沉降问题 。施工 中经常因钻井液流动困难 、 循环阻力大 、 激动压力高 而发生井漏 、 钻井液失稳 、 固化 、 高温胶凝等复杂情 况。若采用稀释剂减稠会进一步恶化加重剂沉 降， 若采用结构稳定剂提高切力 以悬浮加重材料又会导 致流变性变差 ， 陷入 “ 加重一增稠一降黏一 加重剂 沉降一密度下降一再次加重” 的恶性循环 。当地 层富含膏盐等无机盐时， Na 、 K 、 C a 等阳离子大量 侵入钻井液中， 会影响黏土表面双电层性质 ， 发生絮 凝 ， 使钻井液流变性能急剧下降 ， 给钻井液性能调控 带来 了更加严峻的挑战 。 深 井高温作用会 促进 钻井液 中黏 土的水 化分 散， 从而引起黏度、 切力升高， 且此作用不可逆， 因此 配制高密度钻井液首先需要降低体系的黏土含量。 通过调研 ， 选用两性离子欠饱 和盐水 聚磺钻井液体 系作为该地 区中深部地层钻进时的基本体系 J 。其 中的两性离子聚合物能 以较快 的速度牢固吸附在黏 5 4 石油钻采．7 - 艺 2 0 1 4年 3月 第 3 6卷 第 2期 土表面 ， 一方面中和黏土表面电荷 ， 另一方面依靠聚 合物链的多点吸附 发生缔合形成链束 更为完全地 包被黏土颗粒 ， 使黏土颗粒 的水化分散趋势得到有 效抑制。通过先在钻井液 中加入一定量 的盐 Na C 1 和 KC 1 使钻井液处于欠饱和状态 ， 后利用无机 阳离 子压缩双 电层作用使黏 土粒子絮凝 ， 再 向其 中加入 稀释剂利用其解 絮凝作用抵消一部分絮凝 ， 把黏土 分散度控制在合理的范围内， 提高体系抑制性和抗 盐能力；加入磺化处理剂和表面活性剂， 可以改善 钻井液 的流变性和失水造壁性 ， 提高体 系的抗高温 性 能 ， 使钻 井液在高密 度条件下 流变性保持稳 定 ； 再加入磺化沥青 ， 改善滤饼质量 ， 提高钻井液的润滑 速 ；活性重 晶石对体系失水造暨 I生的控制具有积极 的影响， 但其密度较铁矿粉低 ， 流变 I生的调控难度相对 较大， 而铁矿粉具有与重晶石相反的性质， 因此将重晶 石和铁矿粉优选一定比例混合作为该体系的加重材料。 根 据 以上技 术路线 ， 通过 室 内实验 研究优 选 ， 得到 了两性离子聚磺欠饱 和盐水钻井液体系配方 2 ％ 膨润 土 1 ％Na 2 C O 0 ． 5 ％Na O H 0 ． 1 ％～ 0 ．2 ％F A ． 36 70． 2 ％ J T一88 8 0． 1 ％ LV PAC1 ％-2 ％ NH PAN 2％ ～3％ SM P-2 0． 5％ ～l ％ SR一301 4％ SPN H 0． 5 ％ S P-8 01 ％ HZN～1 0 2 l 0 ％ Na C1 2％GR STAB 重 晶石 铁矿粉 重晶石 铁矿粉质量 比为 1 3 ， 密度可 以达到 2 ． 4 0 g ／ c m 以上 ， 能够满足该地区钻井 性能， 预防压差 、 缩径引起的卡钻事故， 提高机械钻 工程对钻井液技术的要求。体系性能见表 l 。 表 1 钻井液体系基本性能 注 老 化 条件 为 1 8 0 、 1 6h。 3 ． 2 油气层保护技术 K构造 主要油气储层为 E 2 、 E 3 层 ， 其上部 K KC、 B P C层含有大段高压 且易发生塑性变形的含盐膏泥 页岩 ， 地层孔隙压力高 ， 破裂压力低 ， 钻进过程 中， 高 低压地层在 同一裸眼井段 ， 具有典型的窄安全密度 窗口特征。为了保障在中深部地层的安全快速钻进 ， 同时及 时发现和保护油气层 ， 在储 层段上部 和储层 段使用屏蔽暂堵保护储层技术 J ， 主要措施如下 。 1 使用屏蔽暂堵钻井液体系 ， 封堵易漏和高渗 砂岩地层 ， 提高地层 的承压能力。 2 在保证钻进安全 的前提下 ， 尽可能降低钻井 液密度， 减小有害固相和自由水向地层的侵入， 实现 近平衡钻进。 3 降低钻井液的荧光性， 减小对油气显示的 干 扰 。 4 增加钻井液 的润 滑性 ， 降低滤饼摩阻 ， 提高 小井 眼钻进 的机械钻 速 ， 减 小钻 井液 对储 层 的浸 泡 时 间 。 4 现场应 用 部署 在该构 造 的 4号探井是 中国石 油在海 外 施钻的最深井。该井位于构造东高点 ， 采用五开井 身结构 ， 设计 井深 为 6 3 5 0 m， 最终 完钻井深 6 5 9 6 r rl 。在钻井过程中， 主要采用了两性离子聚合物体 系、 两性离子聚磺欠饱和盐水体系 、 两性离子聚磺欠 饱 和盐水屏 蔽暂堵体 系， 其 中在 四开高压盐水层钻 进时， 使用高密度两性离子聚磺欠饱和盐水钻井液 体系。在钻遇含盐地层前， 提高钻井液含盐量， 并 实时监控氯根含量 ， 根据钻井液 中的氯根含量 和地 层压力 ， 精 细调控钻 井液密度 和流变性 ， 钻井液 密 度最 高达 2 ． 4 1 g ／ c m 。钻 井液 流变性 能稳定 ， 遇 阻 情况与相邻的 3号井同一井段相 比大幅减少 ， 无卡 钻 、 断钻具等井下复杂 和事故发生 。五开段进入油 层前 5 0 m时 ， 在钻井液 中补充加入 2 ％ 油溶性暂堵 剂 GWH S T AB， 并随井深每增加 2 0 0 1 1 1 补 充 1 t ， 提 高体系的封堵和防塌能力 ， 实现保护油气层 的 目的； 同时根 据地 层 压力 情况 ， 将 钻 井液 密度 从 2 ． 3 2 g ／ c m。 逐步降低到 1 ． 8 8 g ／ c m ， 钻井液性能稳定， 井下作 业正常。该钻井液体 系很好地满足 了钻井需要 ， 同 时发现了油气显示层位 2 7 层 ， 共计 3 2 m， 实现 了防 止井下复杂事故和及 时发现 、 保护油气层两个主要 工程 目标。图 1 为 4号井钻井液性能变化曲线 。 图 1 4号井钻井液性能 变化 曲线 下转至第 5 9页 董殿彬等新型处理剂在 H a l f a y a油田高密度钻井液 中的应用 5 9 黏切作用， 稳定了钻井液流变性， 避免过高的黏度和 静切力 。 2 对于含高浓度 C a 2 的高压水层 ， 预防措施是 起钻时钻井液密度适当高， 防止盐水侵入；在 C a 2 浓度过高的情况下， 应从提高抗 C a 2 能力和加入有 效的除 C a 2 剂人手。 3 纯 碱 、 硅 酸 钠 水 玻 璃 、 草 酸 钠 、 E DT A和 B Z ． D C A等除 c a 2 实验结果表明 纯碱 、 水玻璃可 用于盐水钻井液除 C a z ， 它们不足之处是静切力高 ； 以B Z ． D C A作为除钙剂， 不但除 c a 2 十 效率高， 而且 兼有一定的降黏、 降H T H P 滤失量作用， 除 C a 2 后 静切力低 ， 适合现场施工需要。 参考文献 [ 1 ] 常连玉 ． 巴什托 油气田高密度钻 井液技 术研究 [ J ] _ 石油钻采工艺 ， 2 0 1 1 ， 3 3 1 4 9 5 2 ． [ 2] 屈沅治， 赖晓晴， 杨宇平 ． 含胺优质水基钻井液研究进 展 [ J ]． 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ， 2 6 3 7 3 7 5 ． [ 3] 张洪伟， 左凤江， 田野， 等 ． 聚胺盐泥页岩抑制剥的研究 及应用 [ J ]． 钻井液与完井液， 2 0 1 1 ， 2 8 1 1 4 ． 1 7 ． [ 4] 岳前升， 黄熠， 向兴金， 等 ． 高密度钻井液在缅甸合作区 块中的应用 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 0 5 5 6 ． 5 9 ． [ 5] 鄢捷年 ． 钻井液工艺学 [ M]． 东营石油大学出版社， 2 0 0 5 ． 修 改稿收到 日期2 0 1 4 0 3 ． 0 3 [ 编辑朱伟 ] 垂 ． 孝 ． | ． | ． 上接 第 5 4页 井液性能稳定 ， 实现安全生产的关键。 5 结论 参考文献 1 研制 出了适合 K构造 、 密度 高达 2 ． 4 1 g ／ c m 的高密度两性离子欠饱和盐聚磺钻井液体系， 使钻 井液在高密度条件下流变性保持稳定， 同时具有较 强 的抑制性 和抗盐抗温能力 ， 良好的润滑性 和优 良 的滤饼质量， 满足了该 区块复杂条件下的钻井需求 ， 在该构造 4 号探井得到了成功应用， 现场试验取得 了良好效果。 2 为了在保证安全钻进的前提下， 及时发现和 保护好油气层 ， 在储层段上部和储层段使用屏蔽暂 堵保护储层 技术 ， 发现了油气显示层位 2 7层 ， 共计 3 2 m， 实现了防止井下复杂事故和及时发现 、 保护油 气层两个主要工程 目标。 3 由于中亚 K构造油气藏典型的 “ 四高一超” 特点 ， 钻进过程 中钻井液性能极易受 到地层影响而 发生变化 。在钻遇含盐地层前 ， 提高钻井液含盐量， 并实时监控氯根含量。根据钻井液中的氯根含量和 地层压力 ， 精细调控钻井液密度和流变性 ， 是保持钻 刘永福 ． 高密度钻井液的技术难点及其应用 [ J ]． 探 矿工程 岩土钻掘 工程 ， 2 0 0 7 ， 2 6 5 4 7 ． 4 9 ． 陈平 ． 钻井与完井工程 [ M]， 北京石油工业出版社， 2 0 0 5 ． 蒲晓林， 黄林基， 罗兴树， 等 ． 深井高密度水基钻井液流 变性、 造壁性控制原理 [ J ]． 天然气工业， 2 0 0 1 ， 2 1 6 48 ． 51 ． 鄢捷年 ． 钻井液工艺学 [ M]． 北京中国石油大学出 版 社 ， 2 0 01 ． 徐同台， 赵敏 ， 熊友明， 等 ． 保护油气层技术[ M ] ． 北京 石 油 工 业 出版 社 ． 2 0 0 2 ． 常连玉 ． 巴什托油气田高密度钻井液技术研究 [ J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 l 1 ， 3 3 1 4 9 ． 5 2 ． 赵江印， 陈永奇， 刘志广， 等 ． 务古 4井复杂深井钻井液 技术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 5 6 3 6 ． 3 8 。 修改稿收到 日期2 0 1 4 0 2 ． 2 7 编辑朱伟 ] 1 1 j 1 j 1 2 3 4 5 6 7 r L rL r L r L r L r rL