高密度水包油钻井液在川西深水平井的应用.pdf

第 3 O卷 第 1 期 2 0 1 3年1月 钻井液与完井液 DRI L LI NG F L UI D C0MP LE TI ON F L UI D V 0 l _ 3 0 No ． 1 J a n ．2 0 1 3 【 理论研究与应用技术 】 高密度水包油钻井液在川西深水平井的应用 霍宝玉， 彭商平， 于志纲 四川仁智油田技术服务股份有限公司，四川绵阳 霍宝玉等 ． 高密度水包油钻井液在川西深水平井的应用 [ J 1 ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 1 4 5 4 8 ． 摘要须家河组气藏为川西坳陷主力气藏之一，地层页岩、煤线、砂砾岩互层频繁，井壁极不稳定，尤其是 水平井施工，井下复杂情况频发。针对现用聚磺钻井液在深井井壁稳定、润滑防卡等方面存在的不足，室内通过 乳化剂优选等大量实验，研究出了适合深井水平井钻进的高密度水包油钻井液体系。该体系抗温 1 3 0 ，可控密 度为 1 ． 6 0 ～2 ． 2 0 e g c m ，具有较好的流变性、抑制性以及润滑性，对储层的损害率低于现用聚磺钻井液体系。该体 系成功应用于新 8 1 H井造斜段及水平段，与前期施工井新 1 0 ． 1 H井相比，钻井周期缩短了3 5 ． 1 2 ％，机械钻速提 高 了 3 7 ． 7 5 ％，二开 、三开平 均井径扩大率降低 了4 1 ． 4 3 ％。 关键词川西 ； 深水平井 ；高密度 ； 水包油钻井液 ； 机械钻速 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 1 ． 0 0 4 5 0 4 川西须家河组地质条件复杂，目的层埋藏深、 地层各 向异性强 、地层压力高 、易漏失 ，严重影响 了水平井的应用。其施工难点主要有 ①地层砂泥、 页岩 、煤层互层频繁 ，井壁稳定性差 ，易发生井壁 坍塌、 掉块、 甚至卡钻等井下复杂情况； ②高温高压、 高密度 高固相 条件下，钻井液稳定性差、维护困 难 ； ③钻井液润滑防卡、降摩减扭难度大 ； ④井眼 净化差，易产生岩屑床。现用聚磺混油钻井液在稳 定性、 预防井壁坍塌、 润滑防卡方面表现较多不足， 室内实验在聚磺混油钻井液基础上，通过界面张力 实验 、油水乳化实验 ，展开 了乳化剂优选 ，确定 了 最佳油水比，并对体系防塌封堵性能及润滑性能进 行 了评价，最终研制出了高密度水包油钻井液体 系 [ 1 - 4 ] ，并首次在川西须二段深水平井 中进 行 了应 用，解决了聚磺混油钻井液分层、 油析、井壁失稳、 井下阻卡等技术难题。 1 室 内研 究 水包油钻井液与聚磺混油钻井液相比，有如下 优点 ①体系性能稳定，流动性好，滤失量低，稳 定井壁能力较强，性能上容易监测、控制和调整 ； ②有助于防止井漏的产生和机械钻速的提高，不影 响电测和核磁测井 ； ③润滑性好，降摩减阻能力强。 室内实验通过乳化剂优选、油水比的确定，结 合聚磺混 油钻井液部分处理剂 S MP ． 1 、S MC 、 F T 3 4 2 、F G L 、L F ． 2 ，初步形成了水包油钻井液基 本配方。 1 ． 1 乳化剂优选 1 界面张力分析 。利用脱环式 Z L 2 1 0 0全 自动 界面张力仪对备选乳化剂 H L B值为 8 ～1 8 进行了 油水界面张力的测定， 结果见表 1 。 从表 1 可以看出， 加入表面活性剂后，油水界面张力都有所降低，其 中油酸钠在水中溶解性不好，且易起泡 ； 而乳化剂 T W- 8 5 、T W- 8 0 、OP ． 1 0和 R Z 一 0 1 效果较好 R Z ． 0 1 为 O P 一 1 0与 S P 一 8 0复配 。 2高温稳定性分析。将优选 出的乳化剂分别 配制成水包油型乳状液 油水 比为 2 0 8 O ，于 1 3 0 oC 下滚动 1 6 h ，采用离心法测量 4 种乳状液在 基金项 目 中石化石油工程先导和推广项 目 “ 川西须家河致密气藏水平井钻井技术先导试验”部分内容。 第一作者简介 霍宝玉，工程师，1 9 8 0年生，2 0 0 9年毕业于大庆石油学院并获硕士学位，现在主要从事钻井液完 井液技术研究工作。地址 绵 阳市高新 区路 南工业 区仁智科技产业 园 ； 邮政编码 6 2 1 0 0 0； 电话 1 3 4 5 8 0 9 5 6 8 1 ； E ． m a i l f wy f p g Y g Y 1 6 3 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年1月 不 同时间段 的析油量 ，结果见表 2 。由表 2可 知， 复合乳化剂 R Z ． 0 1 具有较好 的高温稳定性 ，2 4 h析 油量仅为2 ． 5 m L 。因此，选则 R Z 一 0 1 为水包油钻井 液的乳化剂。 表 l 不 同乳化剂 的界 面张力测定结果 界面 界 m 面 N 张 ／ m 力 ／ 界面 界面 力 mN／ m 水 ／ 空气 7 2 ． 2 1 ％T W8 0 ／ 油 3 ． 9 水 ／ 油 2 I ． 3 1 ％O P 1 0 ／ 油 3 ． 0 1 ％T W- 8 5 ／ 油 3 ． 5 1 ％T W2 0 ／ 油 6 ． 8 l ％油酸钠 ／ 油 2 ． 4 I ％R Z ． 0 1 ／ 油 2 ． 4 1 ％AB S ／ 油 6 ． 3 1 ％S N． 1 ／ 油 5 ． 8 表 2 4种乳状液的析油量对比 注 油水比为 2 0 8 0； R Z ． 0 1 为 O P ． 1 0与 s P ． 8 0复配。 1 ． 2 油水比的确定 选择不 同油水 比配制密度为 2 ． 2 0 g ／ c m 的水包 油钻井液 乳化剂加量为油量的 9 ％～ 1 0 ％ ，考查 钻井液 的稳定性及流变性 ，结果见表 3 ，钻井液配 方如下。 2 ％NV ． 1 1 ． 1 5 ％RZ ． 0 l 原 油 2 ％S MP 一 1 3 ％ S M C2％ FT3 4 20． 5％ FGL0． 5 ％ LF一 2 0． 5 ％ C a O B a S O 油水比为 3 0 7 0 、 2 0 8 0 、1 6 8 4 时， 原油加量分别为 1 9 ％、1 2 ． 5 ％和 1 0 ／0 表 3 不同油水比水包油钻井液的性能 油水比 g F V ／ PV ／ Y P ／ 泥饼 注 泥饼质量为致密。 从 表 3可 以看 出 ，油 水 比为 3 0 7 0时 ，钻井 液的稳定性较好，但其黏度和切力较大，流动性较 差 ； 油水比为 1 6 8 4时 ，破乳变稠，失去流动性 ； 而油水 比为 2 0 8 0时，钻井液 的流变性 较好 ，动 塑 比大于 0 ． 3 6 ，中压滤失量小于 2 mL，泥饼 薄且 致密。因此，对于高密度水包油钻井液而言，选择 低油水比 2 0 8 0 方能满足水包油钻井液体系流 变性及失水造壁性的要求。 1 ． 3 水包油钻井液基本配方 室 内通 过 对 所 优选 出 的乳 化 剂 、油 水 比及 各处理 剂 的合理配 比优 化 ，确定 出 了可控 密度为 2 ． 2 g ／ c m 的水包油钻井液的基本配方如下 。 2 ％ ～4 ％ NV． 1 1 2 ． 5 ％～ 1 6 ． 5 ％ 原 油 1 ． 1 5 ％～ 1 ． 5 0 ％ RZ一 01 1 ％～3 ％ S MP ． 1 1 0／0～2 ％ S MC 2 ％F T 3 4 2 0 ． 5 ％～0 ． 8 ％ F GL 十 0 ． 5 ％～1 ． 0 ％ L F ． 2 0 ． 3 ％～0 ． 5 ％ C a O重 晶石 2 水包油钻井液性能评价 2 ． 1 流变性 室内根据上述配方配制了不同密度水包油钻井 液，考察其老化后的 1 3 0 oC、1 6 h 流变性 ， 。从 表 4可知 ，水包油钻井液具有较好的流变性 ，动塑 比适中 ； 滤失造壁性好，高温高压滤失量小于 9 ．0 mL，泥饼薄且致密。 表 4 不同密度水包油钻井液老化后 1 3 0 c c 、1 6 h 的性能 2 ． 2防塌封堵 性能 选取新 l 0 1 H井须五段泥页岩，分别评价了 清水、聚磺混油钻井液、水包油钻井液的抑制和防 塌封堵性能，实验方法参照 S Y - T 5 6 1 3 2 0 0 0 泥页 岩理化性能测试 进行评价，实验结果如表 5 所 示。由表 5 可知，室内研制的水包油钻井液泥页岩 滚动回收率达 9 5 ％以上，膨胀率仅为4 ．6 0 ％，0 ．6 9 MP a 砂床封堵 3 0 rain 钻井液侵入深度只有 0 ． 8 c m， 抑制防塌封堵性能均优于现用聚磺混油钻井液。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 O卷 第 l 期 霍宝玉等高密度水包油钻井液在川西深水平井的应用 4 7 表 5 抗温稳定性实验数据 2 ． 3 润滑性能 针对川西须家河组的大斜度井段及水平段降摩 减阻的需要 ，对水包油钻井液的润滑性能进行 了室 内实验评价 ，并对极压润滑剂展开 了优选 ，实验结 果见表 6 。 表 6 水包油钻井液的润滑-陛能 从表 6 可以看出， 在不加任何润滑剂的情况下， 水包油钻井液的摩 阻系数只有 0 ． 0 8 8 5 ，当加入极压 润滑 剂 R H1 0 2和高 效乳化油 GX J M 后 ，极压 润滑 系数小于 0 ． 1 ， 降低 了刚性摩擦 ， 对于延长钻具寿命 、 提高机械钻速较为有利。 2 ． 4 抗污染性能 川西深层偶见地层水 ，在钻井液 中加入不 同量 的 Na C 1 ，考查钻井液的抗盐污染能力 ，实验条件为 1 2 0℃、1 6 h ，结果见表 7 。实 验数据表 明，加 人 5 ％ N a C I 时，高温高压滤失量由6 m L增至 8 ．6 m L ， p H值 由9 ．5 降至 9 ．0 ，分析原因为 N a 取代了黏土 颗粒上的H _ ， 由于 H 十 的存在致使钻井液p H值降低。 因此 ，遇到盐 污染 ，首先 要加人一定量 C a O调 高 p H值，以确保体系的稳定。 表 7 水包油钻井液的抗盐污染能力 2 ． 5 储层保护性能 选 取新场 8井须 四段 天然岩心 ，经过 人工 造 缝后重新 合并在 一起 ，用 水包油钻井 液和聚磺 钻 井液进行储层损害评价对 比实验 ，结果见表 8 。表 6 实验数据表明，水包油钻井液对储层的损害率为 2 2 ．2 3 ％，低于川西使用的聚磺体系。 表 8 不 同体 系储 层损 害对 比数 据 3 现 场 应 用 新 8 1 H井是新场地区第 2口以须二段地层为 目的层的深水平井，设计井深为 5 8 1 5 m。该井三 开裸 眼段 长达 2 5 0 0 m，钻遇多个 不 同压力 层系 ， 且地层压力跨度大，存在井喷、井漏、井壁坍塌的 风险 ； 定向钻进大斜度、大井眼清洁难度增加 ； 高 温高密度钻井液的性能控制与维护难度加大，故防 塌 、防卡 、防漏 、润滑减阻是该井钻井液工作的重 点和难点。 3 ． 1 体系转换方案 1 根据水包油钻井液配方将井浆的膨润土含 量控制在合理范围，并调节井浆的p H值为 9 ～1 0 。 2 向井浆中加入复合乳化剂 R Z 一 0 1 中亲水性 乳化剂 O P 一 1 0 ，循环一周 ，总加量为 5 ％～6 ％ 原 油体积 。 3进行原油乳化 ，即 向原油 中加入 R Z ． 0 1中 亲油性乳化剂 s P ． 8 0 ，总加量为 3 ％～4 ％ 原油体 积 ，充分搅拌 3 0 m i n 。 4将乳 化好 的原油 按 一个 循环 周加 入 井浆 中 ，根 据井浆性 能 ，以现场 小型实 验为准 ，补充 S MP 一 1 、F G L等复合胶液。 3 ． 2 技术措施 1 进人造斜段前 1 0 0 2 0 0 m，将井浆转换为 水包油钻井液。 2加 大改性 沥青 F G L、F T - 3 4 2的用量 ，改善 泥饼的质量，降低滤饼的摩阻系数。 3 根据井斜角的变化及井下摩阻情况，调整 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 1月 含油量，提升体系的润滑性能。 4水平段为降压段 ，需将三开井浆 稀释至所 需密度，补充原油、复合乳化剂，调整井浆性能达 到水平段钻进需要。 5钻进 中注意观察钻杆接头和钻铤是否有偏 磨或非正常磨损现象，可加大极压润滑剂 R H1 0 2 和高效减摩剂的用量。现场随时检测含油量，补充 消耗的原油和乳化剂 。 6须二段微裂缝 发育。具 体井壁稳定方 案 一 是严格控制滤失量不大于 3 m L 、高温高压滤失 量不大于 1 0 m L； 二是加入不同软化点沥青、裂缝 封堵剂 L F 2 、F T F D 一 1 ，充填和封堵泥页岩微裂缝 ， 提高钻井液防塌封堵能力 。 7 水平段应根 据实钻压力监控与循环摩阻的 计算，做好微超平衡钻井，防止又喷又漏的复杂情 况出现。钻遇裂缝气层时， 在未求得立压的情况下， 每循环周钻井液密度增加值不超过 0 ．0 3 g ／ c m 。 3 ． 3 应用效果评价 1 井壁稳定。通过合理控制钻井液密度 、高 效 防塌封堵剂 F GL、F DF T - 1的应用 ，强化了须家 河硬脆性页岩、煤线裂隙的封堵，提高了井壁承压 能力。试验井造斜段 、 水平段井径规则 ， 起下钻顺利 ， 未 出现明显掉块。新 8 1 H井 二开、三开井径扩大 率为 9 ． 1 6 ％ 和 6 ． 6 4 ％，而前期施工井新 1 0 1 H井二 开、 三开井径扩大率为 1 0 ．8 ％和 1 6 ． 1 8 ％。由此可知， 与前期施工井新 1 0 1 H井相 比，试验井二开平均井 径扩大率降低了 1 5 ． 1 9 ％，三开平均井径扩大率降 低了 5 8 ． 9 6 ％。 2润滑 防卡 。进人造斜段后 ，通过调整含油 量和添加高效减摩剂 G X J M，使水平段钻井液泥饼 摩阻系数控制在 0 ． 1以下 ，并在起下钻过程中加入 极压润滑剂 R H1 0 2以降低刚性摩擦，该井最高钻 井液密度为 2 ． 0 8 g ／ c m ，钻进期 间井下正常 ，扭矩 平稳 ，起下钻正常， 摩阻小于 1 2 t 。 3 机械钻速。新 8 ． 1 H井钻井周期为 3 1 0 ． 4 2 d ， 平均机械速为 2 ．0 8 m ／ h ，共发现气层 5 4 个 ， 最大井 斜角达 9 1 ． 2 0 。／ 5 6 7 7 ． 1 9 I n ，最大位移达 l 0 5 5 ． 3 8 m， 水平段钻进 中发现大量次生矿物 ，且具有很好的油 气显示。如表 9 所示，较新 1 0 1 H井使用聚磺混油 钻井液相 比，机械钻速提高 了 3 7 ． 7 5 ％，井下复 杂 及事故率降低 6 7 ． 8 9 ％ ； 较好的满足了川西须二气 藏的顺利开采。 表 9 试验井与前期施工井实钻数据对比 4结论 与认 识 1 ． 研制 出了可控密度为 2 ． 2 0 g ／ c m 的高密度水 包油钻井液体系，该体系性能稳定、抑制性强、润 滑性好 。 2 ． 现场应用表明，高密度水包油钻井液能较好 地稳定井壁 、降摩减阻、提高钻速 、减少井下复杂 情况及事故，保证了井下安全、快速钻进的需要。 3 ． 高密度水包油钻井液突破 了以往定 向井 、水 平井以混油方式引起井浆分层 、油析现象 ，提高 了 钻井液的高温稳定性，在川西地区具有广阔的应用 前景。 参 考 文 献 [ 1 ] 钱殿存，王晴，王海涛，等 ． 水包油钻井液体系的研制 与应用 [ J 1 ． 钻井液与完井液，2 0 0 1 ， 1 8 4 3 - 6 ． [ 2 】 耿晓光，郑涛，郝立志 ． 水包油钻井液在宋深 1 0 1 井负 压钻井中的应用 [ J 】 ． 石油钻采工艺，2 0 0 1 ， 8 4 4 ． 4 5 ． 【 3 】 马勇，崔茂荣，孙少亮 ． 水包油钻井液国内研究应用进 展 [ J ] ． 断块油气田，2 0 0 6 ，1 3 1 4 - 6 ． [ 4 ] 续丽琼 ，赵翰宝 ． 用于钻水平井的低密度水包油乳化钻 井液 [ J ] ． 油田化学，1 9 9 3 ，1 0 3 2 0 4 2 0 8 ． 收稿 日期2 0 1 2 ． 8 ． 1 7 ；H GF 1 3 0 1 N1 0 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m