鄂尔多斯地区防塌钻井液技术.pdf

第 3 1 卷 第 4期 2 0 1 4年7月 钻井 液与 完井 液 DRI LL I NG F LUI D COM P L ET I ON F LUI D Vo 1 ． 31 N O ． 4 J u l y 2 0 1 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 8 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 2 6 鄂尔多斯地区防塌钻井液技术 魏殿举 ， 史沛谦 ， 王自民。 ， 王睛 ， 苏纪文 。 ， 马文英 郭千河 4 1 ． 中原石油工程有限公司钻井四公司，河南濮阳 ； 2 ． 中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮 阳 ； 3 ． 中原石油工程有限公司钻井一公司，河南濮阳 ； 4 ． 中石化中原钻井工程公司塔里木分公司泥浆站， 新疆库尔勒 魏殿举等 ． 鄂尔多斯地区防塌钻井液体系研究及应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 4 8 9 ． 9 1 ． 摘要鄂尔多斯地 区多采用水平井钻井，但在钻井施工中普遍存在造斜井段定向托压，泥页岩、碳质泥岩、煤层 地层垮塌严重等现象， 针对该技术难题开展了防塌钻井液体系研究， 选择 5 ％KC 1 、 2 ％～3 ％聚合醇和 0 ． 1 ％～0 ． 2 ％ 聚胺抑制剂F YZ ． 1协同防塌，选择 1 ． 5 ％氧化沥青、1 ． 5 ％超细植物纤维NMF和 1 ％超细凝胶 C NJ 作为封堵配方，聚 合醇和表面活性剂 S U B复配使用提高钻井液的润滑性能。实验表明，该钻井液具有良好的抑制性和封堵能力，一次页 岩滚动回收率达到9 8 - 3 ％，承压可达 2 0 MP a ，极压润滑系数达 0 ． 0 7 。该钻井液在靖南 7 2 ． 1 3 H1 和靖南7 0 ． 6 H井的三开 斜井段进行了现场应用，分别顺利钻穿 8套和 4套煤层，施工井段平均井径扩大率分别为4 ． 0 6 ％和 1 ． 7 1 ％。 关键词 水平井钻井 ；防塌钻井液 ； 煤层 ； 碳质泥岩 ；井眼稳定 中图分类号T E 2 5 4 - 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 40 4 - 0 0 8 9 ． 0 3 鄂尔多斯盆地是中石化重要的资源接替区和中原 钻井重要的外部市场，水平井钻井作为鄂尔多斯盆地 油气开发的两项关键技术之一得到了全面应用 ，但在 水平井钻井施工中普遍存在着造斜井段定向托压，泥 页岩、 碳质泥岩、煤层地层垮塌等现象，严重影响该 区块的钻井安全 ，据统计 因井壁失稳引起的井下复杂 使钻井周期平均延长约 3 3 d 。如靖平 6 9 1 2 井在造斜 段出现因煤层裂缝和坍塌引起的井漏、卡钻等事故， 施工周期 长达 4个月 ； D P 6 6 H井钻 至山西组碳 质泥 岩地层 ，井深 3 4 0 9 m 时泵压突然上升 ，上提 困难 ， 下放遇阻， 无法施工， 填井后钻至 3 3 5 4 m处的煤层， 起下钻后上提下放困难 ，填井侧钻 ，钻至井深 3 4 1 7 m遇碳质泥岩地层 ， 因碳质泥岩 、 煤层坍塌 ， 划眼困难 ， 发生井下复杂。3次填井侧钻，不仅影响钻井速度，还 增加了钻井费用。因此针对该技术难题， 开展了防塌钻 井 液体 系研 究 ，并在靖南 7 2 ． 1 3 H1 和靖 南 7 0 6 H井 的三开斜井段成功进行了现场应用， 取得了良好效果。 1 鄂尔多斯地 区斜井段钻井技术难点 鄂尔多斯地区井型一般为四开制，三开斜井段主 要为三叠系和二叠系上 ，主要 目的层为二叠系下石盒 子组、 山西组和石炭系太原组， 其中存在大量的煤层、 碳质泥岩 、泥岩地层 ，钻井施工过程中极易出现井壁 失稳及托压等情况。 1 ． 1 井壁失稳 1 三叠系的延长组 、二 马营组 、和 尚沟组 、刘 家沟组地层层理裂缝发育 ，遇水易剥落掉块 ，刘家沟 组地层承压能力弱 ，易发生井漏 。 2 二叠系及石炭系地层泥页岩 、 碳质泥岩岩性脆 ， 微裂缝发育，易发生掉块，并呈周期性垮塌。 3 山西组和太原组含多套煤层，煤层裂隙发育， 层理眭强 ，胶结松散 ，多含有泥岩物质 、性脆 ，且渗 透性好 ，易渗漏 ； 煤层上部 、下部泥岩易吸水膨胀 ， 造成煤层受力失衡 ，导致煤层垮塌 ，引起井下复杂。 4造斜段钻具 与井壁接触 面较大 ，又有大段可 塑性强的泥岩 ，由于黏附造成托压 ， 对钻井液 的润滑 、 泥饼质量提出了更高要求。 1 ． 2 定向托压 ①浅井阶段定向，钻井液黏土含量较高，钻井液 基金项 目 中原油田科研项 目 “ 鄂尔多斯地区水平井钻井液技术研究” 2 0 1 3 1 0 7中的部分成果。 第一作者简介 魏殿举，高级工程师，1 9 8 8年毕业于中原石油学校钻井专业，现在主要从事技术管理工作。地址 河南省 濮阳市中原路 4 6 2号钻井工程技术研究院 马文英收 ；邮政编码 4 5 7 0 0 1；电话 1 3 6 0 3 8 3 4 2 6 6 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钴井 液与 完井液 2 0 1 4年 7月 护胶不足 ，泥饼质量不好 ； ②油质类润滑剂在钻井液 中分散差 ，润滑效果不理想 ； ③油质类润滑剂消耗快 ， 加量少时润滑效果差 ， 加量多时影响钻井液泥饼质量。 2 技术 思路及 室 内研 究 根据鄂尔多斯地区斜井段地层和岩性特点 ，从提 高钻井液的润滑减阻能力和泥岩、碳质泥岩、煤层井 壁稳定机理 [ 1 -3 ] 分析出发 ，研究 防塌抑制剂 、封堵材 料及高效润滑剂。 1抑 制 性 。将 KC 1 、 聚 合 醇 和 聚 胺 抑 制 剂 F YZ 1 复配使用 ，起到协 同防塌的作用 ，实验结果见 表 1 。由表 1 可知 ， 在 5 ％K C1 基础上加入 0 _ 3 ％F YZ 一 1 ， 页岩滚动 回收率可继续得到提高 ，在 5 ％K C l 基础上 复配 3 ％聚合醇 ，页岩滚动 回收率提高明显 ，继续复 配 F Y Z 一 1 ，页岩滚动回收率升高较多，表明 F Y Z l 与KC 1 、 聚合醇的协 同作用 良好。 确定抑制防塌方案为 5 ％K C l 2 ％～3 ％ 聚合醇 0 ． 1 ％～0 ． 2 ％ F YZ ． 1 。 表 1 页岩滚动 回收率 注 所用岩心为濮 1 3 1 井井深 2 4 4 4m处的灰色泥岩岩心， 粒径 为 2 ． 0 ～3 ． 8 mm。 2封堵性能 。对现场使用的封堵剂 氧化沥青 、 磺化沥青 、超 细碳酸钙 、青石粉 、海泡石绒 、石墨 、 F D 。 3和 F D ． 4和研发 的超 细植物纤维 NMF和超细 凝胶 C NJ 进行 了单 剂性 能实验 。实验方法 在现场 井 浆 5 ％ 膨润 土 O ． I ％L V - C MC 0 ． 1 ％ 聚合 物 降滤 失剂 C OP HF L中分 别加入 3 ％ 的封堵剂 ，采用可 视砂 床进行封堵 实验 ，其 中氧化沥 青、C NJ 、NMF 和 F D ． 4的加入使钻井液 的封堵能力提高 1 倍 以上。 因此选择这 4种材料进行复配研究 ， 实验结果见图 1 。 由图 1 可知 ，5 配方具有 良好 的封堵效果。 3润滑性 。针对鄂尔多斯定 向井井深浅 ，固相 控制难度大 ，油脂性润滑材料分散性差 ，影响泥饼质 量及润滑剂不配伍导致定 向托压的问题 ，进行了润滑 剂优选实验 ，结果见表 2 。 鑫 - ． 一1 一 2 挤入压力 a 注 1 1 ％ 氧 化 沥 青 1 ％c NJ 1 ％N MF 1 ％F D一 4； 2 1 ％氧化沥青 十 1 ． 5 ％C NJ 1 ． 5 ％NMF； 3 1 ％氧化沥青 1 ． 5 ％ NMF 1 ． 5 ％F D 一 4； 4 1 ％氧化沥青 1 ． 5 ％C N J 1 ． 5 ％F D一 4； 5 1 ． 5 ％ 氧 化 沥 青 1 ． 5 ％N MF 1 ％C N J； 1 ％ 氧 化 沥 青 1 ％ C N J 2 ％NMF； 7 2 ％ 氧化沥青 1 ％C NJ 1 ％NMF 图 1 不 同封堵 剂复配配方的封堵 实验 表 2 聚合醇及油脂性润滑剂润滑性评价实验 润滑剂 极乐润滑 系数 0 3 ％ CGY 3 ％聚合醇 1 ％OP ． 1 0 3 ％聚合醇 1 ％S P 一 8 0 3 ％聚合醇 I ％S P 一 8 0 1 ％O P ． 1 0 3 ％聚合醇 1 ％S U A 3 ％聚合醇 1 ％S UB 3 ％聚合醇 注 基 浆 为 4 ％膨 润 土 0 ． 3 ％L V - C MC 0 ． 2 ％C O P HF L 0 ． 1 ％Na OH 2 0 0 g重晶石 ； 实验条件为在 1 0 0℃老化 1 6 h 。 由实验结果及泥饼质量可知 ，现场使用 的润滑剂 C G Y润滑效果良好 ，但泥饼质量差 ； 单独使用聚合 醇润滑性不明显 ，通过引入表面活性剂进行吸附性能 改进 ，使润滑性得到了明显提高 ； 表面活性剂的种类 对提 高聚合醇 的润滑性影 响很 大 ，例 如 O P ． 1 0对提 高润滑性基本无作用，s P 一 8 O可有效提高聚合醇的润 滑作用，表面活性剂 S U B的润滑效果良好。因此决 定应用水溶性润滑剂聚合醇，提高泥饼质量，改善润 滑性 ，减少因钻井液原因引起的定向托压 。 通过对现场钻井液 的研究 ，利用 F YZ 一 1 和氯化 钾的协同作用，采用正交实验确定鄂尔多斯防塌钻井 液配方如下 [ 4 - 5 ] 。 3 ％～5 ％膨 润 土 0 ． 3 ％～0 ． 7 ％ L V - C MC 0 ． 5 ％～ 1 ． 0 ％ C O P H F L 2 ％～5 ％聚 合 醇 3 ％ ～ 7 ％ KCI 0 ． 2 ％ ～0 ． 5 ％ F YZ 一 1 1 ． 0 ％～ 2 ． 0 ％ 氧 化 沥 青 1 ． 0 ％～2 ． 0 ％ NMF 1 ％～ 1 ． 5 ％ C NJ 1 ． 0 ％～1 ． 5 ％ S UB 0 ． 1 ％～0 ． 3 ％ Na OH 重晶石 “n ∞ 0 O 0 0 0 O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 l 卷 第 4 期 魏殿举等鄂尔多斯地区防塌钻井液技术 9 1 3 现 场应 用4 结论 与认 识 研究的防塌钻井液体系在鄂尔多斯靖南地区的靖 南 7 2 1 3 H1 井和靖 南 7 0 6 H井 的三开斜 井段进行 了 现场应用， 煤层、碳质泥岩易失稳地层井壁稳定效果 良好， 其中靖南 7 2 ． 1 3 H1 井斜井段顺利钻穿 8 套煤层， 靖南 7 0 6 H井 钻穿 4套煤层 ，施工井 段平均井径 扩 大率分别为 4 ． 0 6 ％ 和 1 ． 7 1 ％。 1 靖南 7 2 1 3 H1 井概况。靖南 7 2 ． 1 3 H1 井是位 于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡构造的一 口开发水平井 ，目 的层为马家沟组，设计井深为 5 2 7 2 1T I ，造斜段为 2 9 2 8 ～3 7 7 2 m。该井三开斜井段煤层 、碳质泥岩层 多段长，互层频繁，煤层有 8 层，共计 1 2 i n ，碳质 泥岩层有 5 层共计 2 1 m。 2现场应用效果。该井二开采用聚磺钻井液 ， 在 三开前 5 0 m开始转换为聚胺 防塌钻井液 ，施工过程 中保持适当的密度 、较低 的滤失量 ，为达到强抑制性 和封堵能力 ，保持钻井液中 5 ％～6 ％ KC 1 、 0 ． 2 ％ ～ 0 ． 3 ％ F YZ 1 、l ％ 氧化沥青 、 0 ． 7 ％～1 ％N MF 、 1 ％～1 ．5 ％ C N J 、3 ％聚合醇和 I ％S U B ，并及时使 用固控设备进行机械清砂 ，以保持钻井液的润滑性能 良好 。三开钻井斜井段分段钻井液性能见表 3 。 表 3 靖南 7 2 ． 1 3 H1井三开钻井液分段性能 聚胺 防塌钻井液 在靖南 7 2 ． 1 3 H1 井 三开斜井段 钻井 、完井过程 中取 得了 良好防塌效果 ，钻进过程 顺利，岩屑均匀，几乎没有掉块 ，顺利穿过 8 套煤层 和 5 套碳质泥岩地层 ，起下钻 、 通井顺利 ， 井径规则 ， 三开平均井径扩大率为 4 ．0 6 ％； 中途完钻钻井液密度 为 1 ． 3 4 g ／ c m ，较邻井靖南 7 0 ． 6 H1 井三开斜井段使 用的钻井液密度 1 ． 3 7 g ／ c m3 低 0 ． 0 3 g ／ c m ； 润滑性好 ， 中途完钻下套管摩阻为 5 ～6 t ， 取得 良好的应用效果。 1 ． 研究的防塌钻井液复配使用 K C 1 、聚合醇、聚 胺 F YZ ． 1 提高钻井液 的抑制性 ，用氧化沥青 、超细 凝胶 C N J 和超细植物纤维 N MF提高封堵能力 ； 聚合 醇和表面活性剂 S U B复配使用提高润滑性能。 2 ． 通过调高钻井液抑制性 、封堵性及润滑性能 ， 形成了适用于鄂尔多斯地 区煤层钻进的聚胺 防塌钻井 液 ，钻井液 的一次页岩滚动回收率达到 9 8 ． 3 ％，承压 能力可达 2 0 MP a ，极压润滑系数仅为 0 ． 0 7 。 3 ． 聚胺防塌钻井液在靖南 7 2 1 3 H1 和靖南 7 0 ． 6 H 井的三开斜井段成功进行 了应用 ，通过对钻井液封堵 性 、抑制性及密度 的控制 ，解决了造斜段煤层垮塌的 复杂情况 ，分别顺利钻穿 8套和 4套煤层 ，施工井段 平均井径扩大率分别为 4 ． 0 6 ％ 和 1 ． 7 1 ％． 参 考 文 献 [ 1 ] 李志刚，付胜利，乌效鸣，等 ． 煤岩力学特性测试与煤 层气井水力压裂力学机理研究 【 J ] ． 石油钻探技术，2 0 0 0 ， 2 8 31 0 ． 1 3 ． L i Z h i g a n g ，F u S h e n g l i ，W u Xi a o mi n g，e t a 1 ． Re s e a r c h o n me c h a n i c a l p r o p e r ty t e s t a n d me c h a n i s m o f h y d r a u l i c f r a c t u r e o f g a s we l l i n c o a l b e d s [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 0 0 ，2 8 3 1 0 ． 1 3 ． [ 2 】 陈再君，刘顶运，李登前 ． 煤层垮塌机理分析及钻井液 防塌探讨 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 7 ，2 4 4 2 8 ． 2 9 ，3 6 ． C h e n Z a ij u n ，L i u Xi a n g y u n ，L i De n g q i a n ． Me c h a n i s m a n a l y s i s o f c o a l b e d c a v i n g a n d a d i s c u s s i o n a b o u t t h e c a v i n g p r e v e n t i o n b y d r i l l i n g fl u i d s [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 7 ，2 4 4 2 8 2 9 ，3 ． [ 3 ] 王福印，王海涛，武少英，等 ． 煤层防塌钻井液技术 [ J ] ． 断块油气田，2 0 0 2 ，9 5 6 6 ． 6 9 ． W a n g F u y i n， W a n g Ha i t a o， W u S h a o y i n g ， e t a 1 ． Re s e a r c h o f d r i l l i n g fl u i d f o r c o a l l a y e r s l o u g h p r e v e n t i o n [ J ] ． F a u l t B l o c k Oi l ＆Ga s F i e l d ，2 0 0 2 ，9 5 6 6 ． 6 9 ． [ 4 ] 陈楠，张喜文 ，王中华 ，等 ． 新型聚胺抑制剂的实验室 研究 [ J 】 ． 当代化工 ，2 0 1 2 ，4 1 2 1 2 0 ． 1 2 2 ，1 2 5 ． Che n Na n，Zha ng Xi we n，W a n g Zho n g h ua，e t a 1 ． L a b o r a t o r y s t u d y o n p o l y a mi n e i n h i b i t o r [ J ] ． C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t D ，2 0 1 2 ，4 1 2 1 2 0 - 1 2 2 ，1 2 5 ． 【 5 1 鲁娇，方向晨 ，王安杰 ，等 ． 国外聚胺类钻井液用页岩 抑制剂开发 [ J ] ． 现代化工，2 0 1 2 ，3 2 4 1 - 5 ． L u J i a o ，F a n g Xi a n g c h e n ，Wa n g A n j i e ，e t a 1 ． D e v e l o p me n t o f p o l y a mi n e s h a l e i n h i b i t o r for o v e r s e a d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． Mo d e r n C h e m i c a l I n d u s t r y，2 0 1 2 ，3 2 4 I - 5 ． 收稿 日期2 0 1 4 ． 3 2 ；H GF 1 4 0 3 F 5 ；编辑付明颖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m