仿生固壁钻井液体系的研究与现场应用.pdf

第 3 1卷 2 01 4血 第 3期 5月 钴井液与 完井液 DRI LLI NG FLUI D ＆ COM PLET1 0N FLUI D V o 1 ． 3 1 NO ． 3 M a y 201 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 0 1 仿生固壁钻井液体系的研究与现场应用 蒋 官澄 ， 宣扬 ， 王金树 ， 张弘 ， 张振华 。 ， 彭春耀 。 1 ． 中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 ； 2 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院，山东青岛 ； 3 ． 中国石油长城钻探钻井液分公司，北京 蒋官澄等 ． 仿生固壁钻井液体系的研究与现场应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 3 1 5 ． 摘要 实验剖析，结果表明贻贝足丝线能够于水下牢固地黏附在岩石表面的最主要原因，是其含有一种特殊的官 能团，通过将这种官能团接栈到一种聚合醇骨架上 ，合成出了仿生固壁剂GB F S ． 1 。该处理剂能够在井壁泥页岩表面 固化形成具有较强黏附性和内聚力的凝胶 “ 仿生壳” ，从而起到提高井壁泥页岩强度的作用，而且实验发现其无法在 运移中的钻屑表面形成 “ 仿生壳” ，因而不会影响仿生钻井液的携屑效果。以GB F S ． 1为核心处理剂配制 出了仿生固 壁钻井液体系。性能评价结果表明，该体系的流变性、滤失造壁性以及润滑性等满足钻井要求，防塌抑制性强，泥页 岩岩屑在该钻井液中的热滚回收率达 9 0 ． 6 ％，岩心在该钻井液中热滚后抗压强度提高 1 0 ． 8 ％。该体系在苏里格气田苏 5 3 ． 8 6 一 I 5 HI 、苏 5 3 ． 8 6 。 I 5 H和苏5 3 ． 7 0 2 2 H井的现场试验情况表明，3口井在钻进过程中均没有发生泥岩段卡钻等复杂 情况，并且机械钻速明显高于邻井。 关键词 防塌钻井液 ； 仂生固壁剂 ； 井眼稳定 ； 胶结 ； 泥页岩 ；苏里格气田 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 0 0 0 1 0 0 5 井壁失稳一直是钻井过程 中一个难 以彻底解决的 问题 [ 1】 。目前，在针对井壁稳定的钻井液体系方面， 国内外学者主要关注于如何维持井壁泥页岩 的有效应 力 ，筛选或设计对泥页岩有效应力损害程度最小的钻 井液体系 [ 2 - 5 ] ，例如用于抑制黏土膨胀压的 KC 1 ． P H P A 钻井液体系 】 ，用于提高页岩膜效率的N a C 1 一聚合 醇钻井液体系 【 以及用于封堵页岩孔隙的硅酸盐钻 井液体系 [8 等。但是，由于很难有水基钻井液能够 完全抑制黏土膨胀压或阻止孑 L 隙压力传递，因而该方 法只能在一定程度上减轻井壁失稳事故发生的隐患。 笔者通过仿生学与钻井液化学的有机结合 ，研制 了能 够在井壁 表面形成具有较强 内聚力和黏 附性 的凝胶 “ 仿生壳” ，以提高岩石强度的仿生固壁钻井液体系， 并在苏里格气田进行了3口井的现场应用，3口井在 钻进过程中均没有发生泥岩段卡钻等复杂情况，并且 机械钻速明显高于邻井。对仿生钻井液的固壁机理、 性能评价及现场试验情况进行了详细的介绍。 1 仿生钻井液的室内研究 仿生钻井液体系以仿生固壁剂 G B F S 一 1 为核心处 理剂，并复配使用了其他几种必要的处理剂， 使整个 体系的流变性 、滤失造壁性 以及润滑性等性质符合钻 井要求 ，其基本配方如下。 4 ％ 钠膨润土 0 ． 3 ％Na ， C O 0 ． 2 ％N a O H 0 ． 6 ％ 两 性离子聚合物降滤失剂 2 ％磺化沥青 F T - 1 A 2 ％乳 化沥青 F D 一 1 2 ％ 仿生 固壁剂 GB F S ． 1 1 ％ 液体润 滑 剂 重晶石 密度为 1 ． 2 0 ～ 1 ． 3 0 g ／ c m3 1 ． 1 固壁作用机理 仿生钻井液的固壁作用源 白于其核心处理剂仿生 固壁剂 G B F S ． 1 。通过剖析海洋生物贻贝所分泌的足 丝蛋 白的化学成分 ，得知贻贝足丝线能够于水下牢固 地黏 附在岩石表面的最主要原因，是其含有一种特殊 的官能团。因此 ，将这种特殊的官能团接枝到一种聚 合醇骨架上，成功合成了仿生固壁剂 G B F S ． 1 。由于 基金项 目 国家自然科学基金项 目 5 1 0 7 4 1 7 3 、国家 自 然科学基金创新研究群体 5 1 2 2 1 0 0 3 、国家 自然科学联合基金项 目 U1 2 6 2 2 0 1 以及国家 8 6 3主题项 目 2 0 1 3 A A0 6 4 8 0 3 o 第一作者简介 蒋官澄，教授 ，毕业于西南石油大学，现在主要从事油气层损害与保护、油田化学等方面的教学和科研工作。 地址 北京市昌平区府学路 1 8号中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室； 邮政编码 1 0 2 2 4 9 ； 电话 0 1 08 9 7 3 2 1 9 6； E ． ma i l j g c 5 7 8 6 1 2 6 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 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 4年 5月 中热滚后结构保持得非常完整，说明仿生钻井液能够 较好地保持井壁岩石的完整性 。 表 3 为不同膨润土含量的岩心分别在清水、对比 钻井液以及仿生钻井液中热滚后的抗压强度对比。 表3 岩心在不同钻井液中于1 2 0 ℃热滚1 6 h 后的单轴抗压强度 从表 3可以看出，对于 2 0 ％膨润土含量 的岩心 ， 其在仿生钻井液中热滚后的抗压强度相对于在对比钻 井液 中提高了 1 0 ． 8 ％，定量地表明了仿生钻井液的固 壁效果 。 2 仿生钻井液的现 场应 用 2 ． 1 现场试验区块地质概况 仿生 固壁 钻 井液 在苏 里格 气 田苏 5 3 ． 8 6 1 5 H1 、 苏5 3 8 6 ． 1 5 H和苏 5 3 7 0 ． 2 2 H井进行了现场应用试验。 苏里格气 田 5 3区块与该气 田其他 区块相比，地层条 件更加复杂，虽然泥岩地层伽马值一般在 1 0 0 ～1 6 0 之间，但是地层极易发生坍塌、掉块。2 0 1 3 年长城 钻探工程有限公司在苏 5 3 区块共完井 1 2口，其中水 平段钻遇泥岩 的井有 9口，发生卡钻 、下钻遇阻、憋 泵等复杂情况 1 O井次 ，井漏 3 井次 ，说 明该 区块井 壁失稳问题严重。近两年来 ，长城钻探钻井液公司先 后在该地 区试用了聚磺钻井液体系、有机硅钻井液体 系、有机盐钻井液体系、油基钻井液体系等，但是控 制泥岩井段坍塌掉块效果都不明显 。 通过对钻井过程中出现 的复杂情况进行分析 ，得 出苏 5 3 区块钻井技术难点主要包括以下 2 个方面。 ①井壁稳定问题难以解决。二开井段直罗组易坍塌掉 块，延安、延长组易发生缩径，纸坊组地层易发生井 径扩大，造浆性强，造成起下钻柱阻卡严重 ； 由于窄 密度窗 口窄 ， 和尚沟、 刘家沟组地层易发生压差井漏 。 ②井眼净化问题难以解决。水平段裸眼段长， 摩阻大， 携砂困难 ； 井眼小 ，泵压高，排量受 限。石盒子组盒 8段含有红褐色 、灰色泥岩夹粉砂岩，容易发生水化 分散 、剥落和垮塌。 通过现场钻井液技术难点分析认为，该区的钻井 液体系必须具备强防塌抑制性 、低固相含量 、流变性 好及携岩能力强等特性。 2 ． 2 仿生钻井液现场应用效果 在苏 5 3区块 3口井 的应用效果表 明，仿生钻井 液体系不仅具有良好的流变性、稳定性、抗黏土污染 能力和携岩能力 ，而且对泥页岩井壁具有稳定作用。 以苏 5 3 8 6 1 5 H井为例介绍仿生钻井液的应用效果。 苏 5 3 8 6 1 5 H井共钻进泥岩 1 0 2 8 m，其 中造斜 段 6 4 4 m，水平段 3 8 4 m。表 4为苏 5 3 8 6 ． 1 5 H井钻 进过程中仿生钻井液的流变参数。 表 4 苏 5 3 ． 8 6 ． 1 5 H井现场仿生钻井液性能 从表 4可 以看出 ，在钻井过程中，仿生钻井液的 流变性和滤失量 比较稳定 ，润滑 陛好 ，随着井深的增 加 ，钻井液的黏度 、切力 、动塑比、流性指数和 AP I 滤失量等参数变化不大。图 6是该井返 出的泥岩岩屑 颗粒形貌。从图 6 可 以看 出，仿生钻井液在泥岩段钻 进时能正常地携屑 ，而且返出的泥岩岩屑也有较大的 粒径，说明仿生钻井液的携屑和泥岩抑制能力良好。 图6 苏 5 3 ． 8 6 ． 1 5 H井返出泥岩岩屑颗粒 苏 5 3 8 6 ． 1 5 H井完井后下钻通井和电测下套管均 一 次成功 ，未发生井壁垮塌现象 ； 三开完钻后 只下单 磨修整井壁 ，缩短了完井周期 ； 下采气管 串一次到底 ， 没有复杂情况发生。表明仿生钻井液体系具有较强的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1卷 第 3期 蒋官澄等仿 生固壁钻井液体 系的研究与现场应用 抑制泥岩水化分散能力 、 稳定井壁能力和抗污染能力 ， 能够满足水平井泥岩层钻进的施工要求。 应用仿生钻井液体系的苏 5 3 8 6 1 5 H井的测井井 径数据如表 5 所示。从表 5可以看出，该井平均井径 为 l 6 7 ．3 m m，平均井径变化率为 9 ． 4 2 ％，井身质量 良好，展示了仿生钻井液优异的井壁稳定性能。 表 5 苏 5 3 8 6 ．． 1 5 H井井径变化率数据 此外， 苏5 3 区块水平井平均机械钻速为7 ．5 2 m ／ h 。 应用仿生钻井液体系的 3口井平均机械钻速达到 9 ． 5 8 m／ h ，相 比提高了 2 7 ％ 见表 6 ，表明仿生钻井 液能够提高机械钻速 ，从而进一步说明仿生钻井液具 有良好的携岩、抑制钻屑分散和稳定井壁能力。 表 6 3口试验井机械钻速与同区块水平井对比 苏 5 3 ． 8 6 ．． 1 5 H1 3 8 4 4 ． 1 3 6 1 6 1 4 ． 6 8 1 3 ．4 2 苏 5 3 ． 8 6 ．． 1 5 H 4 7 8 3 ． 4 1 5 3 2 1 5 ． 4 7 9 ．4 5 苏 5 3 ． 7 O ．- 2 2 H 4 1 0 3 ． 8 7 7 6 3 7 ． 9 1 5 ． 8 9 注 苏 5 3区块水平井平均机械钻速为 7 ． 5 2 m／ h 。 3 结论 1 ． 仿生钻井液体系能够在岩石表面自 发固化形成 致密且具有黏附性的 “ 仿生壳” ，因而能够提高井壁 岩石的强度 ，极大程度上抑制泥页岩的水化分散 ，维 持井壁稳定性。 2 ． 仿生固壁钻井液体系在苏 5 3 8 6 -． 1 5 H井水平段 钻进泥岩 3 8 4 m，整口井共钻进泥岩 1 0 2 8 m 其中 造斜段 6 4 4 m，水平段 3 8 4 m o与 5 3 区块其他邻井 花费大量时间处理复杂情况相比，该井钻进过程没有 发生复杂情况，钻进工作顺利，机械钻速高。这说明 仿生固壁钻井液体系在抑制钻屑分散、稳定井壁、携 屑等方面作用效果显著。 参 考 文 献 [ 1 ] A n d e r s o n R L，Ra t c l i f f e I ， Or e e n we l l H C，e t a 1 ． C l a y s we l 1 i n g A c h a l l e n g e i n t h e o i l fi e l d [ J ] ． Ea r t h S c i e n c e R e v i e w s ，2 0 1 0 ，9 8 3 ／ 4 2 0 1 ．- 2 1 6 ． 【 2 ] 张克勤 ， 何纶， 安淑芳 ， 等 ． 国外高性能水基钻井液介绍 【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 7 ，2 4 3 6 8 ． 9 5 ． Z h a n g Ke q i n，He Lu n，An S h u f a n g， e t a 1 ． An i n t r o d u c t i o n t o t h e h i g h p e r f o r ma n c e wa t e r b a s e mu d s a b r o a d [ J ] ． D r 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 3 6 8 ．- 7 3 ． [ 3 】 冯京海，张克勤 ． 水基钻井液配方组合的回顾与展望 [ J 】 _ 油田化学，2 0 0 5 ，2 2 3 2 6 9 ． 2 7 5 ． Fe n g J i n gha i ，Zha ng Ke qi n． An o ve r vi e w o n f o rm ul a t i on of w a t e r b a s e d r i l l i n g fl u i d s [ J ] ． O i lfie l d C h e m i s t r y， 2 0 0 5 ， 2 2 3 2 6 9 ． 27 5 ． [ 4 】 高莉 ，张弘，蒋官澄，等 ． 鄂尔多斯盆地延长组页岩气井 壁稳定钻井液 [ J ] ． 断块油气田，2 0 1 3 ，2 0 4 5 1 4 5 1 8 ． Ga o Li ，Z h a n g Ho n g，J i a n g Gu a n c h e n g，e t a 1 ． Dr i l l i n g flu i d f o r we l l b o r e s t a bi l i t y o f s h a l e g a s i n Ya n c ha n g f o r ma t i o n ，O r d o s B a s i n [ J ] ． F a u l t ．．Bl o c k O i l ＆ G a s F i e l d， 2 0 1 3 ，2 0 4 5 0 8 5 1 2 [ 5 】 谢水祥，蒋官澄，陈勉 ，等 ． 破解塔里木盆地群库恰克 地区井壁失稳难题的钻井液技术 [ J ] ． 天然气工业，2 0 1 1 ， 3 1 1 0 6 8 ． 7 2 ． Xi e Sh u i xi a n g， J i a ng Gu a n c he n g， Ch e n M i a n， e t a 1 ． Dr i l l i ng flu i d t e c h n o l o g y i n p r e v e n t i n g t h e we l l bo r e i n s t a b il i t y i n t h e Q u n k u q i a k e Ar e a ，T a r i m B a s i n [ J ] ．Na t u r a l G a s I n d u s t ry，2 0 1 1 ，3 1 1 0 6 8 - 7 2 ． 【 6 】 C l a r k R K． P o l y a c r y l a mi d e ／ p o t a s s i u m- c h l o r i d e mu d f o r d r i l l i n g wa t e r - ．s e n s i t i v e s h a l e s [ J ] ． P e t T e c h n o l ，1 9 7 6 ，2 8 4 7 1 9 - 7 2 7 ． [ 7 ] R e i d P I ， Do l a n B，C 1 i f f e S ． Me c h a n i s m o f s h a l e i n h i b i t i o n b y p o l y o l s i n wa t e r b a s e d d r i l li n g fl u i d s [ C ] ． S P E 2 8 9 6 0 ， 1 9 95． [ 8 】 Gu o J i a n k a n g ，Ya n J i e n i a n ，F a n We i f a n g ，e t a 1 ． No v e l KC1 ／ Si l i c a t e d r i l l i n g flui d s fo r a l l e v i a t i n g p r o b l e m s i n t r o u b l e s o me s h a l e f o r ma t i o n s i n S u d a n [ J il ． Pe t r o l e u m S c i e n c e ，2 0 0 5 ，2 4 3 4 4 0 ． 收稿 日期2 0 1 4 ．． 0 2 - -2 5 ；HG F 1 4 0 2 C3 ；编辑付羽颖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m