官深1井超高密度钻井液性能调控关键技术.pdf

第 3 4卷 第 2期 2 0 1 2 年 3月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI LLI NG PRODUCTI ON TECHNOL OGY Vo 1 ． 3 4 No ． 2 Ma r c h 2 01 2 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 2 0 20 0 4 1 0 4 官深 1井超 高密度钻 井液性能调控关键技术 石 秉忠 蔡 利山 李 斌’柴 龙。李 智 斌 彭 商平 1 ． 中国地质 大学， 北京1 0 0 0 8 3 ；2 ． 中国石化石 油工程技 术研 究院， 北京1 0 0 1 0 1 ；3 ． 仁 智油田技 术服务 股份有 限公 司， 四川绵 阳6 2 1 0 0 0 引用格式石秉忠， 蔡利山， 李斌， 等 ． 官深 1井超高密度钻井液性能调控关键技术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 2 4 1 4 4 ． 摘要超高密度钻井液存在提 高密度困难、 流动性及沉降稳定性差、 性能调控难度高等多方面的技术问题。官深 1 井钻遇 超 高压层后 ， 采用重 晶石加 重成功 实施 了2 ． 5 0 2 ． 8 7 g ／ c m 超 高密度聚磺钻 井液钻进 ， 历 时 l 0 0多天 ， 总进尺 达 7 8 5 ． 9 m， 钻 井液 性能稳定， 循环泵压正常， 作业安全顺利。结合实际施工情况， 对钻井液密度、 流变性和沉降稳定性等性能的现场维护处理关键 技 术进行 了分析 ， 探 讨 了其技 术途径 ， 为超 高压复杂地层施工提供 了可借鉴 的超 高密度钻 井液 实用技术和方 法。 关键词官深 1 井；钻井液；超高密度；流变性；沉降稳定性；性能调控 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A Ke y t e c h n o l o g i e s o f u l t r a h i g h d e n s i t y d r i l l i n g fl u i d p e r f o r ma n c e a d j u s t me n t i n We l l Gu a n s h e n - 1 S H I B i n g z h 0 n g 1 2 ,C AI L i s h a n z，L I B i n ， C A I L 0 n g ， L I Z h i b i n 。 ，P E N G S h a n g p i n g 1 ． C h i n a Un i v e r s i ty o fG e o s c i e n c e s ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 S i n o p e e R e s e a r c h I n s t i t u t e o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， B e r i n g 1 0 0 1 0 1 ， C h i n a ； 3 ． R e n z h i Oi lfie l d T e c h n o l o g y S e r v i c e C o L t d ， Mi a n y a n g 6 2 1 0 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t T h e p r o b l e ms o f u l t r a - h i g h d e n s i t y d r i l l i n g fl u i d a r e d i ffic u l ty t o i mp r o v e t h e d e n s i ty o f d r i l l i n g fl u i d ， p o o r mo b i l i t y a n d s e t t l e me n t s t a b i l i t y , a n d d i ffi c u l t y t o c o n t r o l t h e p e r f o r ma n c e ． W h e n u l t r a h i g h p r e s s u r e l a y e r i s p e n e t r a t e d i n d r i l l i n g We l l Gu a n s h e n 一 1 ， b a r i t e i s u s e d a s t h e we i g h t i n g a g e n t ， a n d t h e u l t r a h i g h d e n s i ty p o l y s u l fon a t e d r i l l i n g fl u i d i s i mp l e me n t e d wi t h t h e d e n s i t y o f 2 ． 5 0～ 2 ． 8 7 g ／ c m ． I t i s l a s t e d mo r e t h a n 1 0 0 d a y s ， a n d t h e t o t a l f o o t a g e a mo u n t e d t o 7 8 5 ． 9 m， wi t h s t a b l e p e r f o r ma n c e ， n o rm a l c i r c u l a t i n g p u mp p r e s s u r e ， a n d s a f e o p e r a t i o n ． T h i s i s t h e r e c o r d o f t h e h i g h e s t d r i l l i n g d e n s i t y , t h e s h o r t e s t o p e r a t i o n t i me a n d t h e g r e a t e s t f o o t a g e ． Co mb i n e d wi t h t h e a c t u a l o p e r a t i o n c o n d i t i o n ， t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f h o w t o c o n t r o l t h e d e n s i ty, r h e o l o g y a n d s e d i me n t a t i o n s t a b i l i ty o f dri l l i n g f l u i d a r e a n a l y z e d． I t p r o v i d e s u s e f u l t e c h n i q u e s a n d me t h o d s f o r t h e a p p l i c a t i o n o f u l t r a h i g h d e n s i t y d r i l l i n g fl u i d i n u l t r a h i g h p r e s s u r e c o mp l e x f o rm a t i o n ． Ke y w o r d s We l l G u a n s h e n - 1 ； d r i l l i n g fl u i d ； u l t r a h i g h d e n s i ty； r h e o l o g y ； s e d i me n t a t i o n s t a b i l i ty； p e r f o rm a n c e a d j u s t me n t 官渡构造带位于四川盆地川南低褶带赤水地 区 东部， 2 0 世纪 8 0 年代以来， 进行了 1 0 多口井的钻探 施工 ， 均因钻遇超高压盐水层而未钻达设计井深 _ 1 。 j 。 官深 l 井为中石化部署在官渡构造西翼的重点预探 井 ， 是继官 2 、 官 3等井后又一 口钻遇超 高压流体的 井 ， 超设计加深钻 至井深 4 1 8 8 1 T I 完钻 。三开采用 2 ．5 0 g ／ c m 以上 的超高密度聚磺抗盐钻井液体系， 成功钻穿了嘉陵江组超高压盐水层， 实钻总进尺达 7 8 5 ．9 m， 其中采用密度 2 ．8 4 ～ 2 ．8 7 g ／ c m 3 脱气最高密 度 2 ． 9 1 g ／ c m 的超高密度钻井液实钻进尺 2 2 1 m， 施 工周期超过了 1 0 0 d ， 经受 了高压盐水污染 的考验 ， 各项性能基本稳定 ， 顺 利实现 了采用重晶石加重 的 超高密度钻井液体系在 1 9 ～ 2 1 MP a 正常循环泵压下 的施工 ， 对同类地层的施工具有很好的借鉴意义 。 1 施工简况 官深 1 井 2 0 1 0 年 9 月 6日下钻至 2 8 6 4 ．6 6 m， 用密度 2 ． 4 5 g ／ c m 的聚磺抗盐钻井液一次性替换井 基金项 目中国石化 重点科技攻 关项 目 “ 官渡地 区超 高密度钻 井液技 术研 究” 编号 P 0 9 0 0 6 资助 。 作者简介石秉忠， 1 9 6 6 年生。1 9 9 1 年毕业于长春地质学院， 中国地质大学 北京 在读博士研究生， 主要从事深井与超深井钻井液技术 研究工作， 高级工程师。电话0 1 0 8 4 9 8 8 1 9 0 。E - m a i l b z 6 6 0 4 2 0 1 6 3 ．c 0 m。 4 2 石油钻采工艺2 0 1 2年 3月 第 3 4卷 第 2期 筒内二开密度为 1 ．7 0 g ／ c m 的钻井液， 使用 3 1 6 ． 5 m i d 钻头开始三开钻进 。 钻至嘉二段井深2 9 1 4 ． 1 1 m， 气测值异常， 节流循环混入 2 ．8 5 g ／ c m 。 储备重浆提钻 井液密度至 2 ． 5 0 g ／ c m。 以上后恢复正常钻进 ；钻至 井深 2 9 5 5 ．4 2 m遇高压盐水层， 关井求压后使用密 度 2 ． 8 5 g ／ c m 的重浆成功压稳 ， 并保持该密度钻进 ， 期间钻井液密度控制在2 ． 8 5 ～ 2 ．8 7 g ／ c m 3 ；正常钻进 至飞仙关组井深 3 3 2 2 ． 6 7 m发生微 裂隙性井漏 ， 静 止堵漏成 功后 ， 出口密度下调至 2 ． 7 9 g ／ c m3 脱气 密 度 2 ． 8 4 g ／ c m ， 共 漏失 密度 为 2 ． 8 5 ～ 2 ． 8 7 g ／ c m 的钻 井液 6 ．6 8 m。 ；钻至井深 3 3 2 4 ．0 5 m再次发生裂隙 性井漏， 采用加胶液降钻井液密度及刚性材料桥堵 浆承压堵漏成功， 当时钻井液出口密度2 ．7 8 g ／ c m 3 脱 气密度 2 ． 8 7 g ／ c m3 ， 共漏失 密度 2 ． 8 3 ～ 2 ． 8 5 g ／ c m3 的 钻井 液 8 9 ． 1 7 m ；1 2月 2 1日钻 至 井 深 3 7 0 0 m 三 开完钻 ， 随后 的通井 、 测井顺利 。2 0 1 1 年 1月 1 4日 顺 利下人 0 2 7 3 ． 1 mi l l 的技术尾管至井深 2 6 4 1 ． 2 3 ～ 3 6 7 5 m， 悬挂固井顺利 。 2 现场钻井液配制 在充分分析超高密度钻井液存在的技术难点基 础上， 从新型高固相分散剂等处理剂的合成与试验、 特种加重剂的研制、 体系构建、 流变性及沉降稳定性 的协调优化等方面进行室内攻关研究 ， 形成了超高 密度聚磺抗盐钻井液体系配方。 现场配制超高密度钻井液基本配方为1 0 ／ 旷 一 1 ． 5 ％ 膨润土 1 ． 0 ％～ 1 ． 5 ％分散剂 0 ． 5 ％～ 1 ． 0 ％超低黏降滤 失剂 1 ． 5 ％- 2 ． 0 ％抗盐抗高温降滤失剂 1 ． 0 ％～ 1 ． 5 ％ 抑制 防塌剂 0 ． 1 ％ 0 ． 3 ％ 表面活性剂 1 ． 0 ％- 1 ． 5 ％ 润 滑剂 ， 采用密度为 4 - 3 重晶石加重。 钻井液严格按照试验研究 的配方和工艺配制。 根据要配制的钻井液总量 ， 首先按照配方配制一定量 的处理剂胶液， 然后再逐步加重至要求密度。为了尽 可能降低配制成本和减少上部钻井液排放量， 配方中 的膨润土采用净化处理的部分钻井液 膨润土含量 1 ． 4 2 ％ 提供 ， 按照钻井液 中膨润土含量 的测定结果 ， 采用 了混 2 0 ％、 3 0 ％钻井 液的方式 ， 分两次 配制 了 2 ． 8 5 - 2 ． 8 8 g ／ c m 的超高密度钻井液 2 0 0 m3 。加重时 ， 边加重边加入稀释液。性能测定结果表明， 配制的超 高密度钻井液具有 良好的流动性和稳定性 ， 1 2 0 c C、 1 6 h老化后 ， 漏斗黏度 1 7 5 S ， 高温高压失水量为 7 ． 6 m L ， 初切 1 1 P a ， 终切 3 2 ．5 P a ， 沉降稳定性 △ p≤0 ．0 3 g ／ c m 。采用常规搅拌机搅动， 具有很好的流动状态， 且浆面光亮。 配制好后， 定期实施性能检测和预维护， 确保了超重钻井液的胶体稳定性和流动性。 3 性能调控关键技术分析 超高密度钻井液的固相含量高达 4 0 ％ 以上 ， 常 用稀释分散剂对加重材料作用很小 ， 甚 至不起作用 ， 离心机的限制使用导致有害固相难以清除， 内摩擦 力大 ， 剪切稀释性差 ， 再加上高压盐水层的污染和井 底高温的影响， 固相很容易聚结沉淀， 钻井液性能调 控与维护处 理十分复杂 ， 经常陷入 “ 加重一增稠一 降黏一加重剂沉降一再次加重”的恶性循环 ， 影响钻 井 的正常施 工。钻井液 密度 的维护与调控 、 流变性 和沉降稳定性 之间的矛盾 、 极高固相含量条件下钻 井液中的膨润土最佳限量调控、 高温增稠及降稠的 双重危险、 防卡润滑等是技术关键 。 。因此， 要求 超高密度钻井液应具有较好的流变性、 沉降稳定性 和抗温性 ， 能保持适当的黏度和切力 ；抑制性强 ， 能 控制低密度固相的造浆 ， 调节亚微米粒子的含量 ， 利 于钻井液流变性的控制 ；抗盐水等污染能力强， 能 够有效控制钻井液的流变性和沉降稳定性；密度易 于维护和调控 ；润、滑陛良好等。 3 ． 1 密度的调控与维护 密度 的维护与调控是超高密度钻井液体系现场 作业 中的一项重要 内容， 密度波动会造成流变参数 的恶化， 随着浆体密度的不断提高， 维护与调控的难 度和工作量将成倍增加。 施工中维护密度的主要手段为合理选择使用 筛布， 在保证低密度固相清除率的同时， 减少加重材 料的损耗量；按照加入胶液的数量添加加重剂， 保 持体系密度的稳定；遇到地层流体侵入时， 直接加 重；合理掌握膨润土含量等。 现场实践中发现 ， 加重材料的非正常消耗 、 使用 胶液维护流动性和地层流体侵入是引起密度降低的 主要因素。日常维护中的固控操作主要依靠使用振 动筛来实现。根据相关研究结果， 认为分离粒径为 2 5 0 ～ 2 8 0目的重 晶石具有 比较低 的黏度效应 。现 场使 用 了 2 5 0目分 离粒径 的重 晶石 ， 采用 l 5 0目、 1 2 0目、 1 0 0目筛， 日损耗约 4 o 一 5 0 1 0 k g 。为了 平衡 固相分离效率与钻井液 消耗 量二者之 间的矛 盾， 以6 0目、 8 O目筛布为主进行劣质固相的分离， 基 本上满足 了现场需要 ， 正常情况下 ， 重晶石损耗量可 以控制在 1 0 1 0 k g 左右， 有效降低了重晶石的非 正常损耗， 杜绝了因加重剂的损耗所导致的大循环 加重作业 ， 一般正常循环钻进时 ， 每隔 6 4 h补充一次 超重浆即可保持密度的稳定。 由于超高密度体系中高密度固相占绝大多数， 常规的固控方式 如离心机等 不再适合， 一级固控 石秉忠等官深 1 井超高密度钻井液性能调控关键技术 4 3 即振动筛成为唯一的低密度 固相控制主体 。重晶石 非正常损耗的原因主要是现场配置的振动筛陈旧， 达不到高频振 动高效分离效果 ， 以及开单筛过流面 积小等导致 的。同时 ， 由于一级固控效果不理想 ， 也 导致细小岩屑尤其是泥岩岩屑不能及 时被清除 ， 影 响了流变性的稳定 。 另外 ， 为 了保 持体 系密度 的稳 定 ， 加 入胶液 维 护流动性 的同时补充加重剂或者是高于钻井液密度 的超重浆进行密度维护， 地层流体侵入时直接动用 2 ． 8 5 g ／ c m 储备液， 并结合循环加重， 将全部钻井液 密度提高到 2 ． 8 5 ～ 2 ． 8 7 g ／ c m 。 3 ． 2 流变性和沉降稳定性的调控 对于高或超高密度钻井液 ， 存在着流变性 、 沉降 稳定性 、 安全性等问题 ， 如何保证高密度钻井液体 系 具有 良好流变性 、 悬浮性等特性成为困扰现场安全 施工 的难 题之一 l 】 。密度达到 2 ． 8 2 ． 9 g ／ c m 的钻 井液中， 固相加重剂的质量分数 占到 8 0 ％、 体积分数 占到 5 0 ％ 以上 ， 巨大的固相粒子 比表面积通过润湿 和吸附作用使体系中的自由水含量大幅度减少， 而 盐在体系中溶解形成离子， 也势必争夺润湿固相的 自由水 ， 使 固相粒子表面的水化膜减少或破坏 ， 增大 固相粒子间的摩擦力 ， 造成黏度和切力增大。为此 ， 在保持体系流动性 良好 的前提下 ， 重点优化 了胶体 稳定性 ， 确保体 系一旦受到较严重地层水污染 ， 不会 因沉降稳定性破坏而引发加重剂沉淀埋钻事故。 官深 1 井三开超高密度钻井液总体上流变性能 变化较大 ， 漏 斗黏度低 时控 制在 1 2 0 ～ 1 3 0 S ， 最高时 达 3 7 0 S 。黏切上升的主要原因是 1 嘉三段钻遇膏 质 白云岩和石膏地层 ， 石膏 污染钻井液 ； 2 飞仙关 组及 长兴组 以泥岩和灰质泥岩为主 ， 龙潭组为泥灰 岩夹杂煤层， 泥岩易水化分散， 加上振动筛固控效果 差 ， 岩屑不能有效清除， 在井 内长时间研磨 ， 粒度分 布变化较大 ， 细微粒越来越 多， 形成恶性循环 ， 黏切 增大 ； 3 地层流体的侵入污染 ， 先后钻遇高压含气水 层 、 高压盐水层和龙潭组煤层气 ； 4 井底高温影响。 针对 石膏污染 引起 的黏切升高 ， 依据小 型试验 加入石灰乳及抗钙处理剂处理钻井液 ， 并加入 KO H 提高钻井液 p H值 ， 提高钻井液抗石膏污染能力， 使 失水变小 ， 流变性能改善 。 一 般超高密度条件下 ， 因密度差影响， 钻屑受到 上 浮力作用 ， 加上一定排量下形成的钻井液环空返 速 ， 钻屑极易上返 ， 难 以下沉 ， 不会导致在井 内重复破 碎和长时间研磨水化 ， 现场实践也证实了这一点。振 动筛上返 出的泥岩岩屑棱角清晰， 形状较为完整 。各 种低密度固相的含量是影响高温下高密度体系流变 性能的主要因素 ， 对于钻头切削下来的较细小岩 屑如果不能被振动筛及时有效清除或体系抑制性差 的话 ， 就会再次甚至反复进入钻井液 中， 造成水化分 散 、 研磨等 ， 进而影响到钻井液的流变性。 对此 ， 现场采取 了适量增加硅醇抑制剂用量至 1 3 - 1 4 k g ／ m 进行处理 ， E t 常维护以低浓度聚合物抑 制剂 MMA P胶液等 为主 ， 提高钻井液化学抑制性 ， 尽量减少岩屑的水化分散， 维持较低的膨润土含量， 坚持使用胶液来维护体系流变性能。胶液配伍组合 和胶液维护量根据小型试验结 果确定 ， 正常情况下 保持钻井液消耗量 胶液用量 1 1 ， 1 2 h胶液添加 量控 制在循环浆体总量 的 2 ％左右 ， 并根据进 尺以 胶液形式补充 S MP 2 、 S P NH、 S MT等抗 高温抗盐磺 化处 理剂 、 超高密度分散剂和少量纤维素类或聚合 物类处理剂 。p H在 1 0 ～ 1 1 之间 ， 适度保持浆体的分 散性， 以维护钻井液流变性能、 抗污性能和体系的胶 体稳定性 ， 并在不影响流变性 能的前提下以适量 的 R H2 2 0 保持超高密度钻井液的润滑性 。因添加胶液 引起的密度降低一般采用补充更高密度浆体进行平 衡 ， 施工中未因流动性 问题而导致人工排放 ， 保持 了 高 、 低密度 固相的平衡 ， 很好地调整控制 了钻井液流 变性能并兼顾 了超高密度体系 的沉降稳定性 ， 且有 效防止 了密度的大幅波动 。 3 ． 3 膨润土含量的调控 膨润土含量的控制对超高密度钻井液性能的维 护起着至关重要的作用。为了保证体系具备足够的 悬浮能力 ， 作业时必须保证体 系中含有一定数量 的 活性土 ， 而高 的膨润土含量与胶体浓度和极高 固 相含量之间又存在矛盾， 应保持合理的膨润土含量。 模拟试验结果表明， 加 重体 系中膨润土含量保 持在 7 - 9 g ／ L时， 可 以保证浆 体具有 比较好 的稳定 性 ， 考虑到亚 甲基蓝吸附方法测定值一般高于实际 值 ， 按照 9 g ／ L的高限掌握 。 官深 1 井实施情况表明， 密度 2 ． 5 0 g ／ c m 以上 的超重钻井液其有效膨润土含 量不宜高于 1 2 g ／ L ， 从体系维护角度讲， 随着密度的 进一步升高， 膨润土含量应合理降低， 降低幅度应视 实际情况而定 ， 以利于保持浆体 的流动性 ， 并能够给 流变性能 的维护提供处理余地 ， 最低时甚至可以保 持在 2 g ／ L 。官深 1 井三开期问使用超高密度钻井 液体系时 ， 一直没有添加膨润土， 体系的亚 甲基蓝膨 润土含量始终保持在 8 - 9 g ／ L， 最低时达到 5 g ／ L左 右。由于体系中膨润土含量基值较低， 给钻屑中黏 土矿物的混入留出了充分的容纳余量。飞仙关二段 3 1 8 0 ～ 3 5 0 0 m钻遇大段水化分散性很强的软泥岩 ， 1 1 0 c C、 1 2 h下清水 中的滚动 回收率仅为 1 ． 2 ％， 且纯 石油钻采工艺2 0 1 2年 3月 第 3 4卷 第 2期 泥岩层 占到 8 5 ％以上， 钻进期间， 浆体膨润土含量 由原来的 2 - 3 g ／ L逐渐升高 至 5 - 8 gL， 使得采用超 高密度体系钻进软泥岩地层时未发生流变性能失控 问题 ， 具有一定 的劣质 固相容纳能力， 流变性能始终 保持 良好。 严格遵循了由模拟试验得出的配伍方案， 确保了浆 体具有较好的胶体稳定性和良好的流动性 表 1 ， 日常维护 时只有 自然更新量 ， 一般 为 6 ～ 1 0 r n 3 ／ d ， 未 因流动性问题而导致人工排放 。三开实现了超高密 度钻井液下 0 ． 5 m／ h以上 的较高机械钻速钻进 ， 平均 官深 1 井超高密度钻井液在配制与使用过程中 0 ． 5 6 m／ h ， 平均井径扩大率 3 ． 5 ％。 表 1 三开井段钻井液性能 4 结论 1 采用抗温抗盐能力强、 高效的分散剂等处理 剂并合理配伍， 严控膨润土含量， 灵活采用多种手段 维护超重钻井液密度， 切实保持钻井液的稳定， 加强 整体调控， 是超高密度钻井液体系现场施工成功的 关键。 2 采 用重 晶石加重 的 2 ． 5 0 ～ 2 ． 8 7 g ／ c m 超高密 度钻井液成功钻穿了超高压盐水层 ， 实现 了正常泵 压下施工的重大突破， 对今后官渡地区及其他油田 类似复杂地质条件下钻井具有重要的参考价值。 3 解决 了超高密度钻井液在高温下流变性 、 沉 降稳定性及滤失量等不能兼顾的技术难题， 形成了 一 套可控密度达 2 ．8 5 g ／ c m 的超高密度钻井液体系 及综合工艺措施 。 4 施工过程中， 钻井液流变性能 良好 ， 抗温 、 抗 污染和沉降稳定性强， 满足了钻进、 测井、 下套管固 井等作业要求 ， 未因钻井液性能问题引发复杂情况。 5 配备高效 的一级固控设备更有利于超高密度 钻井液体系性能的调控和稳定 。 参考文献 [ 1 ] 房舟， 欧彪 ， 管虹翔， 等 ． 官渡构造异常超高压深井钻井 新思路 [ J ]． 钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 2 3 3 1 3 3 ． [ 2 ] 程启华， 杨青廷 ． 赤水地区深井超高密度钻井液技术问 题的研究及应用 [ J ]． 钻采工艺， 2 0 0 6 ， 2 ff2 1 1 0 ． 1 1 1 ． [ 3] 蔡利山， 林永学， 田璐， 等 ． 超高密度钻井液技术进展 [ J ]． 钻井液与完井液， 2 0 1 1 ， 2 8 8 7 0 7 7 ． [ 4 ] 张东海， 马洪会 ． 超高密度钻井液在官 7井的应用 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 6 ， 2 3 5 8 - 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