非常规油气藏水平井油基钻井液技术.pdf

第 3 0卷 2 01 3 血 第 2期 3月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLET1 0N FLUI D Vo 1 ． 3 0 No． 2 M a r ．2 01 3 【 理论研究与应用技术 】 非常规油气藏水平井油基钻井液技术 刘明华， 孙举 ， 王中华， 王依建 ， 王 阳， 吴建 ， 史佩谦 中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 刘明华等 ． 非常规油气藏水平井油基钻井液技术 【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 O 2 1 - 5 ． 摘要针对油基钻井液在非常规油气藏勘探开发 中存在的悬浮稳定性及封堵能力不好 、流变性对温度的敏感 性强、复杂条件下流变性控制困难等问题，形成 了一套新型油基钻井液体系，该体系采用对温度敏感性小的沥青 类降滤失剂和抗高温有机土，用粒径小于 6 ． 5岬 的超细碳酸钙和细 目海泡石复配作封堵材料，用细颗粒重晶石作 加重剂，并使用抗高温的润湿剂。通过设计正交实验，优化了油基钻井液配方。室内评价结果表明，该油基钻井 液具有 良好的流变性和热稳定性，可泵性及携砂能力满足施工要求，可抗 2 0 ％岩屑粉 、2 0 ％Na C 1 ，在 1 3 0℃静置 1 2 0 h的上下密度差小于 0 ． 0 2 g ／ c m 。在中原油田濮 1 - F P 1井水平段的应用表明，该油基钻井液的润滑防卡效果好， 无托压现象，通井、电测一次到底 ； 稳定井壁能力强，平均井径扩大率为 8 ． 2 ％ ； 钻井液性能稳定，机械钻速快， 平均机械钻速为 7 ． 0 5 m ／ h 。为油基钻井液在非常规油气藏应用提供 了技术支撑。 关键词 非常规油气藏 ； 水平井 ；油基钻井液 ；井眼稳定 ； 润滑性 ； 濮 1 - F P 1井 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 30 2 0 0 0 1 0 5 油基钻井液具有抗高温 、抗盐钙侵 、有利于井 壁稳定 、润滑性好和对油气层损害小等优点 ，在 国 外油基钻井液的应用约占 5 0 ％，其 中非常规油气藏 钻井 6 0 ％ 以上采用 油基钻井液 ，而在 中国油基 钻 井液 的应用仅 占 5 ％ 左右 川。中原油 田围绕 中石化 集 团公 司 “ 非常规大发展”的战略部署 ，加快 了非 常规油气资源的勘探开发步伐，部署了多口井，对 油基钻井液的需求也由此变得迫切。针对非常规油 气藏水平井钻井 的要求 ，油基钻井液应重点解决高 温悬浮稳定性 、封堵能力 、流变性对温度的敏感性 、 复杂条件下流变性 的控 制等问题 [ 2 - 5 ] o基 于此 ，经 室内研究形成 了一套油基钻井液体 系配方 ，并在中 原油田非常规油气藏水平井濮 1 - F P 1 井进行了应用 。 1 濮 1 - F P 1井地质工程概况 濮 1 - F P 1 井是部署在东濮凹陷中央隆起带濮 城 构造的一 口非常规油气藏水平井 ，该井完钻井深为 3 8 0 1 ． 1 m，水平段长 1 2 0 0 m，目的层以白云质泥岩 为主，完井方式为裸眼封隔器分段 压裂，钻探 目的 是落实濮 1 块沙一段 白云岩储集层性能及产能。 该井 钻井 液技术难点如下。①水平段 长 1 2 0 0 m，采取稳斜 一 降斜 ． 增斜的井身轨迹，要求定 向 施工不托压 、不黏不卡和井下安全 。②小井 眼、长 水平段 ， 要求钻井液具有 良好悬浮能力和携砂效果 ， 避免岩屑床的形成 ，保证井眼清洁。③ 目的层以 白 云质泥岩为主 ， 微裂缝发育 ， 地层稳定性相对较差 ， 对油基钻井液的封堵能力提出了较高的要求 。④水 平井后期采取分段压裂完井 ，要求井壁稳定和井径 规则 ，满足下人管柱和封隔器 的需要 。⑤非常规油 气藏地质条件复杂 ，具有非均质性 ，同时油基钻井 液循环 当量密度小于水基钻井液 ，施工过程 中难 以 确定合适的密度，平衡地层压力。 基金项 目 中原石油勘探局科研项 目 “ 油基钻井液技术研究” 2 0 1 1 3 1 2和中石化先导项 目 “ 高密度油基钻井液技术” J P J 1 2 0 0 6 。 第一作者简介 刘明华，高级工程师，1 9 9 7年毕业于西南石油学院油田化学专业，现在主要从事钻井液处理剂和钻井 液技术研究及应用工作。地址 河南省濮阳市中原路 4 6 2号钻井院油化所 ； 邮政编码 4 5 7 0 0 1 ； 电话 0 3 9 3 4 8 9 9 5 4 8； E ma i l l mi n g h u a 2 0 0 2 1 6 3 ． c 0 m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3 年 3月 2 室 内研 究 2 ． 1 技 术思路 针对非常规油气藏水平井钻井的需要 ，室内研 究需 围绕解决 以下问题进行 ①采用抗高温润湿剂 ， 改善重晶石的亲油性 ， 提高重晶石在油中的分散性 ； 采用细颗粒 粒径为 0 ． 0 3 0 ～0 ． 0 3 8 mm的重晶石 ， 提高重 晶石在高温下的悬浮稳定性 ； ②采用对温度 敏感性小的沥青类降滤失剂和抗高温有机土 ，减弱 钻井液对温度 的敏感性 ，保证钻井液在低温 、低剪 切速率下黏度不能过高 ； 在高温 、低剪切速率下必 须具有一定的黏度 ，具有 良好 的携砂能力 ； ③通过 使用超细颗粒材料 、纤维材料 ，确定合理 的粒径级 配 ，提高钻井液封堵能力。 2 ． 2 钻井液配方的确定 选择 5 白油作为基液 ，油基钻井液的性能主要 受乳化剂 、有机土和降滤失剂的影响 ，所 以由这 4 个因素设计正交实验 见表 1 ，正交实验结果见表 2 ，各因素对钻井液表观黏度和切力 的影响见图 1 。 表 1 因素 一 水平表 表 2 正交实验结果 注 钻井液密度为 1 ． 6 g ／ c m ，测定温度为 4 5℃。 主乳化剂／ ％有机土／ ％辅乳化剂， ％降滤失剂， ％ 图 1 各 因素对油基钻井液表观黏度 和初切 的影响 从表 2和图 1 可知， 影响钻井液表观黏度最大的 是因素 C 辅乳化剂的加量 ， 其次是因素 A 有机土 的加量 、 因素 B 主乳化剂的加量 和因素 D 降滤 失剂的加量 ， 各因素对钻井液表观黏度影响次序为 CAB D， 优位级组合为 A B C D ； 从钻井液初 切看， 影响钻井液最大的是因素 A 有机土的加量 ， 各因素对初切的影响次序为 ABCD， 优位级组 合为 A B ， C ， D 。从油基钻井液综合性能考虑，确定 1 0 实验 A1 B C D 为该钻井液 的优化配方 ，重复 进行 l 0 实验 ，结果表明该配方钻井液性能优于其 他 9 个实验 ， 因此确定 l 0 实验为钻井液基本配方。 在 l 0 实验 的基础上 ，根据对钻井液流变性 和 滤失量 的综合考虑 ，形成全 油基钻井液配方如下 ， 钻井液基本性能见表 3 。 基油 2 ％主乳化剂 1 ％辅乳化剂 4 ％有机土 4 ％降滤失剂 1 ％润湿剂 5 ％氧化钙 重晶石 表 3 油基钻井液的基本-眭能 注 钻井液密度为 1 ． 6 g ／ c m ， 老化后 的测定温度为 4 5℃。 2 ． 3 钻井液性 能评价 2 ． 3 ． 1 不同温度对流变性的影响 考察 了温度对钻 井液性 能的影响 钻井液 在 1 3 0℃下热滚 1 6 h后 ，在不同温度下评价钻井液的 性能 ，结果见表 4 。从表 4可以看出 ，温度对钻井 液流变性 的影响较大 ，随着温度升高 ，表观黏度和 切力逐渐 降低 ，但是 当温度为 3 0 时 ，表观黏度 为 7 0 mP a S ，动切力为 1 2 ． 0 P a ； 当温度为 1 0 0℃时， 表观黏度为 3 6 mP a S； 动切力为 6 ． 0 P a 。实验结果 表明，该油基钻井液在低温下黏度并未过高 ，高温 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷 第 2期 刘明华等 非常规 油气藏水平井油基钻 井液技术 3 下切力也没有过低 ，在可控范 围内 ，钻井液具有 良 好的可泵性和携砂能力。 表 4 油基钻井液老化后在不同温度下的-眭能 注 钻井液密度为 1 ． 6g ／ c m ，老化条件为 1 3 0℃、1 6 h 。 2 ． 3 ． 2 热稳定性 考察 了油基钻井液在 1 3 0 c 下老化不 同时间的 性能变化 ，结果见表 5 。从表 5可看 出，随着老化 时间的增加 ，钻井液表观黏度略有升高 ，切力基本 没有变化 ， 说明该油基钻井液具有 良好的热稳定性。 表 5 油基钻井液的热稳定性实验 1 3 0℃ 注 钻井 液密度为 1 ． 6 g ／ c m ，测定温度 为 4 5℃。 2 ． 3 ． 3 抗岩屑粉污染能力 考察 了岩屑粉对油基钻井液性能的影响 ，实验 结果见表 6 。从表 6可以看 出，随着岩屑粉加量 的 增大 ，钻井液黏度增加幅度小 ，性能在可控范围内， 表明油基钻井液抗钻屑污染性能好 ，有较高的钻屑 容量限 ，其岩屑粉侵污限为 2 0 ％。 2 ． 3 ． 4 抗Na C 1 污染能力 为考察盐污染对钻井液性能 的影 响，分别设计 了 5 ％～2 0 ％ 的 Na C 1 固体 污染加量 ，实验结果 见 表 7 。 由表 7可以看 出，钻井 液受 Na C 1 污染 后 性 能变化不大 ，在受 2 0 ％Na C 1 污染后钻井液仍 能 保持 良好 的流变性 ，说 明该体系具有 良好的抗盐污 染能 力。 表 6 油基钻井液抗岩屑粉污染性能 注 钻井液密度为 1 ． 6 g ／ c m。 ，老化 条件为 1 3 0℃、1 6 h 老化后 的测定温度为 4 5℃。 表 7 密度为 1 ． 6 g ／ c m 油基钻井液抗 Na C 1 污染性能 注 老化条件为 1 3 0℃、 1 6 h ， 老化后的测定温度为4 5 0 C。 2 ． 3 ． 5 抗水污染能力 考察 了该钻井液被水污染后 的性能变化 ，结果 见表 8 。由表 8可知 ，随着水侵入量 的增大 ，钻井 液切力和黏度逐渐增大 ，破乳电压逐 渐降低 ，而滤 失 量基本不 变 ，水侵入 量为 2 0 ％ 时，破乳 电压为 9 8 6 V，说明该体系具有 良好的抗水污染能力。 2 ． 3 ． 6 悬浮稳定性 悬浮稳定性实验结果表 明，密度为 1 ． 6 g ／ c m 的 该钻井液在 1 3 0 下静置4 8 h 后 ， 上下密度差为 0 ． 0 1 g ／ c m ，静置 1 2 0 h后上下 密度差 为 0 ． 0 2 g ／ c m ，表 明该油基钻井液有 良好 的高温悬浮稳定性 ，见图 2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年 3月 表 8 油基钻井液抗水污染能力 注 钻井液密度为 1 ． 6 g ／ c m ，老化条件为 1 3 0℃、1 6 h ， 老化后的测定温度为4 5℃。 V 图 2 油基 钻井 液在 1 3 0 下静置不同时间的密度差 2 ． 4 封堵 问题 2 ． 4 ． 1 封堵材料优选 选用粒径小于 6 ． 5 g m 2 0 0 0目 的超微细碳 酸钙和细 目海泡石进行复配作封堵剂，其 中超微细 碳酸钙对微裂缝起填充作用 ，细 目海泡石具有纤维 状结构 ，对微裂缝起封堵作用。不同加量封堵剂对 钻井液性能的影响见表 9 。由表 9可知 ，加入不 同 量封堵剂后 ，该油基钻井液 的黏度和切力降低 ，变 化幅度小 ，切力基本无变化 。说 明封堵剂对该油基 钻井液l生 能影响小，具有较好的配伍性。 表 9 封堵剂配伍性 能评价结 果 注 钻井液密度 为 1 ． 6 g ／ c m ，测定温度 为 4 5℃。 2 ． 4 ． 2 封堵能力评价 考察 了油基钻井液的封堵能力 ，实验使用孔径 为 0 ． 4 5 ～0 ． 9 0 1 T I 1 T I 砂床 ，封堵剂加量为 5 ％，实验 结果见 图 3 。从 图 3可以看 出，随着挤 入量加大 ， 挤注压力逐渐升高 。 挤入量为 4 0 0 mL时 ， 压力为 8 ． 0 MP a ，挤人量再次增大 ，压力稳定在 8 ． 5 MP a ，表 明该油基钻井液具有较强的封堵能力。 矗 室 R 幽 挤注t／ mL 图3 挤注压力随挤人量变化曲线 3 现 场应 用 3 ． 1 施 工工艺 3 ． 1 ． 1 钻井液配制 濮 1 - F P 1 井三开水平段共配制 2 4 0 m 油基钻井 液 ，其配方为 基油 2 ％ 主乳化剂 1 ％辅乳化剂 4 ％ 有机 土 4 ％ 降滤 失剂 1 ％ 润湿 剂 5 ％ 氧化 钙 2 ％ 堵漏剂 重 晶石。配制工艺过程为 ①清 洗干净循环罐 ，检查管汇连接处和阀门的密封性 ， 然后加入 白油 ； ②按配方量在循环罐内加入有机土 和降滤失剂 ，搅拌循环 2 h ，然后加入主乳化剂 、辅 助乳化剂和润湿剂， 搅拌 2 h ， 再加入石灰、 防漏剂、 海泡石绒和重晶石 ； ③循环 3 h后调整钻井液l生能， 使其密度为 1 ． 2 5 g ／ c m’ ，黏度为 5 6 S ，表观黏度为 4 5 mP a S ，塑『生 黏度为 3 7 mP a S ，动切力为 8 P a ，滤失 量为 0 ． 2 mL，含砂量为 0 ． 2 ％，切力为 4 ． 0 ／ 5 ． 5 P a ／ P a 。 3 ． 1 ． 2 钻井液技术措施 1 钻井过程 中，控制钻井液初始漏斗黏度为 5 6 ～6 0 S ，静 切力 为 4 ～5 ／ 5 ． 5 --7 ． 0 P a ／ P a ，随 着井深增加，钻井液循环温度逐步增加，这时需适 当提高钻井液黏度和切力，在钻井后期保持漏斗黏度 为 8 5 ～9 5 S ，静切力为 3 ～6 ／ 5 ～1 2 P a ／ P a ，以 保证油基钻井液在高温下的携砂效果 ； 钻进 5 0 ～1 0 0 m，泵人黏稠钻井液段塞清扫钻屑，保持井底清洁。 2根据钻遇地层 的实 际情况 ，控制合适 的钻 井液密度 ，将泥页岩地层钻井液密度附加 0 ． 3 ～0 ． 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0 卷 第2 期 刘明华等非常规油气藏水平井油基钻井液技术 5 g ／ c m ， 泥岩地层附加 0 ． 1 ～0 ． 2 g ／ c m ， 平衡地层压力 ， 保持井壁稳定。初始钻井 液密度控制为 1 ．2 5 ～1 ． 2 6 g ／ c m ，钻 至井深 2 8 9 0 m时发 生井 漏 ，配制堵 漏 浆 成 功堵 漏 ，同时降低 钻 井液 密 度至 1 ． 1 8 ～ 1 ． 1 9 g ／ c m ，钻井过程中无坍塌掉块。 3油基钻井液 以油为外相 ，润滑性极佳 ，定 向施工无托压、黏附现象，同时降低了钻进及起下 钻时的钻具扭矩 、阻力和张力 ，减少了由阻卡引起 的井下复杂事故。 4 加强钻井过程中的固控工作，使用孔径为 0 ． 0 7 6 mm的振动筛布 ，除砂器运转率为 1 0 0 ％，间 断使用离心机 ，使含砂量小于 O ． 2 ％。 5井漏 发生 以后 ，选 用可 通过 孔径 为 0 ． 1 5 4 1 T l n l 筛 的短纤维 一 可变形颗粒复合堵漏剂 ，堵漏成 功。并在钻井过程中根据堵漏剂消耗情况随钻进行 补充 ，保持堵漏剂含量为 5 ％左右。 3 ． 2 应 用效果 1 稳定井 壁能力强 ，井径 规则。濮 1 - F P 1 井 目的层段岩性虽然为 白云质泥岩 ，但钻井过程 中无 掉块 和复 杂情况 ，井径规 则 ，平 均井径 扩大率 为 8 ． 2 ％。图 4为濮 1 - F P 1 井三开井径情况 。 目 奁 欺 井 深 ， m 图 4 濮 1 - F P 1 井三开井径曲线 2钻井液性能稳定 ，易于维护。该 油基钻井 液抑制性强，钻屑在钻井液中不分散 ， 亚微米离子含 量低 ，性能几乎不受低密度固相影响，钻井、 夜陛能稳 定， 容易维护。表 1 0 为濮 1 - F P 1 井钻井液分段性能。 3润 滑 防卡效果好 。濮 1 - F P 1 井定 向施工过 程 中无拖压 、黏附现象 ，起下钻顺利、无遇阻。钻 井过程 中摩擦阻力控制在 7 t 以内，完井通井摩擦 阻力为 3 ～4 t ，完井 管柱下人摩擦 阻力为 3 ～4 t ， 油基钻井液表现 出很强的润滑性 。 4循环压耗小 ，机械钻速快 。采用 1 4 L ／ s 泵 排量钻进 ，循环钻进泵压为 2 1 MP a ，循环压耗小 ， 机械钻速快 ，三开平均机械钻速为 7 ． 0 5 m／ h，而在 相 同地层使用水基钻井液的平均钻速为 1 ． 8 3 m／ h 。 表 1 0 濮 1 - F P 1 井钻井液分段性能 4 结 论 1 ． 通过设计正交实验 ，优化出了油基钻井液配 方为 基油 2 ％ 主乳化剂 1 ％辅乳化剂 4 ％ 有机 土 4 ％ 降滤失剂 1 ％ 润湿剂 5 ％ 氧化钙 2 ％堵 漏剂 重晶石 。室内评价结果表 明，该油基钻井液 具有 良好 的流变性 、悬浮稳定性 、封堵能力和抗污 染 能 力 。 2 ． 现场应用证明 ，该油基钻井液润滑防卡效果 好 ，在水平段长 1 2 0 01 T I 条件下无托压现象 ，通井 、 电测一次到底 ； 稳定井壁能力强 ，水平段平均井径 扩大率 为 8 ． 2 ％ ； 机械钻速快 ，水平段 平均机械钻 速为 7 ． 0 5 m／ h ，而在 同一层位水基钻井液 的平 均机 械钻速为 1 ．8 3 m ／ h； 减少井下复杂，降低钻井成本 ； 同时为非常规油气藏开发提供技术支撑。 3 ． 油基钻井液在现场应用 中施工工艺简单 ，维 护容易 ，可 回收循环利用。 参 考 文 献 [ 1 】 王 中华 ． 国内外油基钻井液研究 与应用进展 [ J ] _ 断块油 气 田 ，2 O l 1 ，1 8 4 5 3 3 5 3 7 ． [ 2 】 张宇，陈在君 ，杨斌 ，等 ． 抗高温高密度低毒油包水钻 井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 O l 1 ，2 8 1 3 3 ． 3 5 ． [ 3 】 刘进京 ，李彦琴 ，刘军彪，等 ． 抗高温高密度低毒油包 水钻井液的研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 2 1 5 ． 1 6． [ 4 ] 蒋卓 ，舒福昌，项兴金，等 ． 全油合成基钻井液的室内 研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 2 1 9 2 0 ． [ 5 ] 王中华 ． 关于加快发展我国油基钻井液体系的几点看法 [ J ] ． 中外能源 ，2 o 1 2 ，1 7 2 3 6 4 2 ． 收稿 日期2 o 1 2 一 l O 一 2 3 ；HG F 1 3 0 2 M1 ；编辑马倩芸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m