塔里木山前构造高密度油基钻井液固井技术.pdf

第 3 1 卷 第 2期 2 0 1 4年3月 钨井 液与 完 井 液 DRI L LI NG F LUI D COMP LET I ON F LUI D Vo1 ． 3l NO． 2 Ma t ．2 0l 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 2 ． 0 1 4 塔里木山前构造高密度油基钻井液固井技术 李健 ， 李早元 ， 辜涛 ， 袁 中涛 ， 张昌铎 ， 李晓春 ， 郭小阳 1 ． 塔里木油田分公司库车项 目经理部 ，新疆库尔勒 ； 2 ． 油气藏地质及开发国家重点实验室 西南石油大学，成都 李健 等． 塔里木山前构造高密度油基钻井液固井技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 2 5 1 ． 5 4 ． 摘要塔里木山前构造盐膏层及其以下层段大量使用高密度油基钻井液，给后续固井工作带来巨大挑战。为解决 塔里木山前构造高 密度油基钻井液固井技术难题 在分析相关固井难点的基础上，结合盐膏层固井和深井超深井固井 技术，开展了冲洗型加重隔离液和水泥浆的优选、管串结构设计和固井工艺优化研究，提出了相关应对技术措施。通 过引入粒径小、粒度分布集中的球形加重材料 Mi c r o MAX 主要成分为Mn O 和优选表面活性剂，得到 了一套冲洗 型加重隔离液 ； 通过优选外加剂和引入超高密度加重剂GM，得到了一套综合性能良好的高密度水泥浆 KS 2 5井的 现场应用表明，该套技术能较好地满足山前地区油基钻井液固井需求。 关键词 油基钻井液 ；固井技术 ； 盐膏层 ； 隔离液 ； K S 2 ． 5井 中图分类号T E 2 5 6 - 3 文献标识码A 文章编号l 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 4 0 2 - 0 0 5 1 0 4 塔里木山前构造下部第三系盐层、石膏层 、复合 盐层发育 ，具有盐膏层段长 1 6 0 ～ l 0 0 0 m 、埋藏 深 超过 5 0 0 0 m 、 上覆压力大、 塑性流动性强等特点， 并伴有易塌泥页岩层和高压盐水层 [I- 2 ] o为克服高密 度水基钻井液高温 陛能的不足以及避免在盐 、膏层钻 进中的缩径、垮塌、卡钻等复杂事故，山前地区大量 使用了高密度柴油基钻井液。在揭开盐膏层之前转换 为油基钻井液直到完钻 ，盐膏层钻进时密度在 2 - 3 g ／ c m 左右 ，盐层 以下 目的层钻进时密度在 1 ． 8 5 g ／ c m 左有。油基钻井液的使用保证了钻井的顺利进行，但 由于油基钻井液与水基同井液之间相容性差，并伴有 盐膏层、高温、高压、高密度等条件，对后续的固井 工作带来了极大的挑战。针对塔里木山前构造同井中 存在的难题，通过优选隔离液材料、改善水泥浆和浆 柱结构、 优化管串结构设计和相关固井工艺，并结合 现场实践 ，形成了适用于塔里木山前构造油基钻井液 的固井技术。 1 山前构造 高密度油基钻井液固井难点 1 井壁和套管清洗困难，滤饼难以清除，隔离 液设计困难。高密度柴油基钻井液中聚合物处理剂含 量大 、黏度高、附着力强，油基钻井液与水泥浆相容 性差，二者掺混后使水泥石强度降低，甚至导致水泥 浆无法凝结 ； 此外，油基钻井液长期浸泡使一 、二界 面润湿反转难度大 ，固井界面胶结质量难 以保证。针 对 山前高密度油基钻井液 的隔离液要求密度范 同在 1 ． 8 ～2 ． 5 g ／ c m 之 间可调 ，且具有 良好的稳定性和流 变性 ，同时要求隔离液具有很好的驱替 、隔离 、抗污 染以及高效润湿反转性能 ，隔离液体系设计困难 【 3 】 。 2水泥浆选型及配方调节 困难。封同段井深在 5 0 0 0 ～7 8 0 0 r n ，温度在 1 3 0℃以上 ，压力为 1 0 0 ～ l 5 0 MP a ，且存在大段的盐层、盐膏层及高压盐间水 层，c l一 含量高达 1 ．0 1 0 ～1 ． 8 1 0 m g ／ L ，这些因 素对水泥浆性能有较大的影响，对浆体抗高温、抗 盐性能要求 高 ； 盐膏层段 固井水泥浆密度平均在 2 _ 3 g ／ c m 左右且施工时间长 、循环摩阻大 ，要求水泥浆 具有 良好的混拌性 、稳定性和流动性 ； 裸眼段油气 显 示活跃 ，固井及候凝过程中易发生油气窜 ，对水泥浆 防气窜性能要求高。 3 盐膏层蠕变导致管串设计和下套管困难。山 基金项目 塔里油田公司项 目 “ 提升山前高压气井和台盆区块水泥环层间封固能力的固井技术研究” 2 0 1 0 1 2 1 1 0 3 1 3 ； 国 家 9 7 3项 目课题 “ 页岩气水平井钻完井关键基础研究” 2 0 1 3 C B 2 2 8 0 0 3 o 第一作者简介 李健，工程师，2 0 0 2年毕业于西南石油大学石油工程专业，现在主要从事固井管理与现场监督工作。地址 新疆库尔勒市塔里木油田库车项 目经理部 ； 邮政编码 8 4 1 0 0 0；电话 0 9 9 6 2 1 7 3 4 6 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 钻井液与完 井液 2 0 1 4年 3月 前构造盐膏层厚度大、埋藏深，上覆压力大，高温高 压条件下，易蠕变导致下套管遇阻或下不到位，甚至 导致井眼垮塌卡套管。注水泥完成后盐膏层蠕变还会 导致水泥环变薄，对套管产生挤压力，使套管安全系 数降低，易造成套管挤毁、变形，严重影响井的生产 寿命 。 4 井眼不规则，顶替效率低。钻井过程中的盐 膏层溶蚀、垮塌形成大肚子井眼，而缩径段直径小于 钻头直径，井眼呈犬牙状，注水泥过程中形成宽窄流 道，影响顶替效率和水泥环质量。此外，由于井深、 环空间隙小，施工压力高，排量受限，水泥浆与钻井 液密度差小，驱替效果差，顶替效率低， 容易发生水 泥浆窜槽、污染等风险 [5 】。 5 固井过程中漏失风险大。异常高压盐水层地 层压力系数高，有时甚至需要用密度超过 2 ．5 0 g ／ c m 的钻井液来处理，而下部地层压力系数低，使得同一 井段易漏易喷。地层压力窗口窄， 下套管及固井施工 过程 中易发生井漏 ，影响注水泥安全及封 固质量 _ 6 】 。 2 固井液配方及性能 2 ． 1 冲洗型加重隔离液配方优化及性能 性能良好的隔离液是解决油基钻井液条件下固井 难点的关键，为满足高密度隔离液具有良好的混配能 力、 稳定性、 润湿反转和冲洗驱替能力等性能的要求， 在塔里木常规隔离液 的基础上开展了表面活性剂和加 重材料优选。 2 ． 1 ． 1 表面活性剂优选 油基钻井液 固井用隔离液 中需加入 高效表面活 性剂 ，才能在较短 的接触时间 内有效驱替油基钻井 液 ，冲洗 和润湿反转井壁与套管壁 。根据表面活性 剂性质与H L B值的关系以及表面活性剂配合使用原 理 】 ，通过对表面活性剂优选和复配，得到了清洗剂 G YW- C L，其组成见表 1 。 表 1 清洗剂 G Y W- C L的表面活性剂组成及其一眭能 对清洗剂 G YW- C L进行了接触角评价实验 ，将 清水滴在干净玻璃板上，接触角为 3 0 ． 1 。； 将清水滴 在油基钻井液浸渍后的玻璃板上 ，接触角为 7 5 。 ，表 明水润湿性很差 ； 将 1 0 ％浓度的 G Y W- C L溶液滴在 油基钻井液浸渍后的玻璃板上 ，接触角为 2 5 ． 7 。 ，表 明清洗剂 G Y W- C L能够降低油水界面张力 ，提高隔 离液对油基钻井液的冲洗效果和界面水润湿性。 2 ． 1 ． 2 加重材料优选 加重材料 的颗粒 大小 和形状对 隔离液 的混 配能 力 、稳定性和流动性有很大的影响。理论上 ，为防止 沉淀，高密度隔离液所用加重剂的颗粒越小越好 ，但 通过研磨和撞击得到的超细颗粒呈不规则形状 ，有大 量 的边角 ，比表面积过大 ，容易造成颗粒聚集 ，且颗 粒间的摩擦力大 ，在加重剂加量较大的情况下 ，容易 引起隔离液浆体黏稠、流动性变差，导致驱替效率降 低 ，甚至引起混浆性能恶化，引起复杂事故。基于上 述分析 ，选用 颗粒呈球形 的进 口加重剂 Mi c r o MA X 代替部分常规加重剂作为辅助加重剂和流性调节材 料，其主要成分是 Mn O ，平均相对密度为 4 ． 8 l8 】 。 Mi c r o MAX与重晶石 、铁矿粉粒径分析结果见图 1 。 薰 暴 盖 糖 粒径／ 1 图 1 Mi c r o MA X与重晶石、铁矿粉粒径分析结果对比 由图 1 可以看出，Mi c r o MA X 的表面积平均粒径 为 0 ． 2岬 左 右 ，相 比于重 晶石和铁 矿粉 的粒径要小 得多， 具有较好的加重能力， 且粒径分布范围更集中， 说明其颗粒均匀度高。 Mi c r o MA X不仅具有加重能力，并且因其颗粒 呈球形，颗粒之间的摩擦力小，可在固体颗粒之间起 到微轴承作用，大幅改善水泥浆的流动性。表 2 为只 用铁矿粉加重和用铁矿粉与Mi c r o MA X联合加重对 隔离液流变性的影响，从表 2 可知， 掺人 Mi c r o MA X 的隔离液相比于只用铁矿粉加重的隔离液，其稠度系 数和表观黏度较小，流性指数接近于 1 ，这有助于提 高隔离液的冲洗效率。 隔离液配方如下。 1 淡水 1 ．2 ％悬浮剂 1 8 8 ％铁矿粉 1 ％缓凝 剂 3 0 ％清洗剂，密度为 1 ． 8 8 g ／ c m 2 淡 水 1 ． 2 ％ 悬 浮 剂 2 5 ％Mi c r o MAX 1 6 1 ％ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 1 卷 第2 期 李健等塔里木山前构造高密度油基钻井液固井技术 5 3 铁矿粉 1 ％缓凝剂 3 0 ％清洗剂，密度为 1 ．8 8 g ／ c m 表 2 Mi c r o MA X加入情况对隔离液流动性的影响 2 ． 1 ． 3 抗污染能力评价 利用 D B 1 0 2 井油基钻井液和固井水泥浆考察了 冲洗型加重隔离液的抗污染能力，如表 3 所示。从表 3可 以看 出，该套隔离液能解除水泥浆与油基钻井液 之间的接触污染 ，确保 固井施工安全 。 表 3 DB 1 0 2井 1 3 9 ． 7 r n l T l 尾管固井领浆大样污染稠化实验 通过上述材料优选和性能评价，得到了一套综 合性能优 良的冲洗型加重隔离液，其应用密度范围 在 1 ．7 5 ～2 ． 5 0 g ／ c m ，使用温度可达 1 8 0℃。密度为 1 ． 8 0 ～2 ． O 0 g ／ c m 的常规密度隔离液主要用 于盐膏层 下部的目的层，其主要配方如下。 1 0 0 ％ 水 O ． 8 ％～1 ． 2 ％ 悬浮剂 1 8 0 ％～2 3 0 ％ 铁矿粉 2 0 ％～3 O ％ Mi c r o Ma x 1 ％～3 ％ 缓凝剂 2 0 ％4 0 ％ 清洗剂 0 ．2 ％消泡剂 密度 大于 2 ． 0 g ／ c m 的高密度 隔离液主要用 于盐 膏层及高压盐水层，其主要配方如下。 1 0 0 ％ 水 1 ％～2 ％悬 浮 剂1 5 ％～2 0 ％ 工 业 盐 2 5 0 ％4 5 0 ％铁 矿 粉 4 0 ％～6 0 ％ Mi c r o Ma x 1 ％～3 ％ 缓凝剂 5 ％～1 0 ％ 分散剂 3 0 ％-5 0 ％ 清洗剂 0 ．5 ％消泡剂 目前该套冲洗型加重隔离液体系已在塔里木山前 构造固井中推广应用，取得了良好的效果。 2 ． 2 高温防气窜水泥浆及其性能 针对山前构造油基钻井液固井存在盐膏层、高 温、高压 、高密度、油气活跃等特点，选择了抗温抗 盐性能良好的 H X系列和 L a n d y 系列水泥外加剂，同 时添加了防气窜剂 F lo k 一 2 ，以提高水泥浆的防气窜性 能。对于盐膏层段固井所需的密度为 2 ．2 g ／ c m 以上 的高密度水 泥浆 ，选择密度为 7 ． 2 g ／ c m 的还原铁矿 粉 G M作为加重剂，同时加入无机盐提高水泥浆的 抗盐能力，水泥浆配方如下。 阿克苏 G级水泥 2 0 ％～3 0 ％ 硅粉 斗 1 ％～2 ％ F l o k ． 2 8 0 ％～1 3 0 ％ G M 3 ％～5 ％ 降失水剂 2 ％44 ％ 高温缓凝剂 2 ％～4 ％ 分散剂 3 ％～ 5 ％ 工业盐 O ． 2 ％ 消泡剂 ，液 固比为 0 ． 2 8 ～0 ． 3 8 由于自身密度较高，G M可以降低水泥浆的固相 含量，改善水泥浆的混配能力和流动性，满足山前构 造高温、高密度 、 小间隙固井的要求。盐下层段固井 中所用的常规密度水泥浆配方如下。 阿克苏 G级水泥 3 0 ％～3 5 ％ 硅粉 2 ％--4 ％ F l o k - 2 5 ％～7 ％ 降失水剂 1 ％～3 ％ 高温缓凝剂 1 ％～3 ％ 分散剂 0 ． 2 ％ 消泡剂， 液固比为 0 ． 4 ～0 ． 4 8 该套水泥浆具有抗温抗盐能力高、稳定性和失水 控制性能好、密度和稠化时间可调、防气窜能力和早 期抗压强度高等优点，已在山前高密度油基钻井液固 井中得到应用，最高应用密度为 2 ．4 5 g ／ c m ，最高应 用循环温度为 1 5 2℃。 3 现 场应 用 K S 2 5 井是克深气田克深 2 井区东部的一口开发 井 ，该井 四开采用密度为 2 ． 3 0 g ／ c m 的油基钻井液钻 进 ， 采用 2 4 1 - 3 mm钻头钻至井深 6 6 6 3 m中途完钻 ， 下人 2 0 1 ．7 mm套管至井深 6 6 6 2 m进行尾管悬挂 固井，设计采用密度为 2 ．3 5 g ／ c m 的高温防气窜半饱 和盐水水泥浆封固已钻开盐膏层，为下步钻进提供有 利的保障。本次固井具有井深、 高温、 高压、 高密度、 井下易漏失、裸眼段盐层长、地层易蠕变缩径 、下套 管易发生黏卡或阻卡、环空间隙小、施工压力高等难 点 。固井采用加重隔离液配方如下。 水 1 ． 2 ％悬浮剂 1 5 ％工业盐 6 0 ％Mi c r o MA X 4 3 5 ％铁矿粉 1 ． 3 ％缓凝剂 6 ．5 ％分散剂 3 O ％清洗 剂 0 ． 5 ％消泡剂 该加重隔离液密度为 2 ． 3 2 g ／ c m ，表观黏度为 5 9 mP a S ， 静切力为 1 1 ／ 2 8 P a ／ P a ， 6 0 o 、 3 0 o 、 2 o o 、 1 o 0 、 、qo 3 读数分别为 l 1 8 、7 8 、5 8 、3 8 、1 7 、1 6 ，流性 指数 为 0 ． 6 0 ，稠度系数为 0 ． 9 6 P a S ” ，流动度为 2 3 c m。 固井采用水泥浆配方如下。 阿 克 苏 G级 2 3 ％ 硅 粉 9 0 ％GM 1 ． 5 ％F l o k ． 2 3 ．2 ％降失 水剂 2 ．3 ％高温缓凝 剂 1 ．7 ％分散剂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 钴井液与 完 井液 2 0 1 4 年 3月 3 ． 5 ％工业盐 0 ．2 ％消泡剂，液固比为 0 - 3 1 ，造浆率 为 0 ． 5 7 。该水泥浆的密度为 2 ．3 5 g ／ c m ，析水量为 0 ， A P I 失水量 为 6 8 mL，稠化时间为 5 5 0 mi n ，4 8 h抗 压强度为 l 6 ．2 MP a ，流性指数为 0 ． 7 7 ，稠度系数为 0 ． 3 2 P a s ，表观黏度为 6 9 mP a s ，静切力为 1 6 ／ 3 1 P a ／ P a 。 现场应用时首先注入 l 2 ．5 r n 3 加重隔离液，改变 井壁及套管表面润湿性，提高顶替效率和胶结质量 ； 然后注人水泥浆 4 0 r f l ，最高密度为 2 ．3 8 g ／ c m 3 ，最 低密度 为 2 ． 3 2 g ／ c m ，平 均密度 为 2 ． 3 5 g ／ c m3 ；注后 置液 1 ． 5 n l ， 密度为 2 ． 3 2 g ／ c m ，控制排量为 1 ． 3 ～ 1 ． 6 1 T I ／ mi n ，泵压为 8 ～ 1 5 MP a 。注水泥完成后关井憋压 3 MP a ，候凝 2 4 h ， 再开井候凝 2 4 h 后， 钻塞电测固 井质量，固井质量优质率为 8 6 ％，优良率为 1 0 0 ％。 4结论 与认 识 1 ． 塔里木山前构造油基钻井液固井技术需结合盐 膏层固井技术和深井超深井 固井技术 ，准确分析地质 特点，优选相关材料，合理设计浆体性能，制定出针 对性强的固井工艺技术措施，提高固井质量。 2 ． 通过引人球形加重材料 Mi c r o MA X 和优选表 面活性剂，得到了一套冲洗型加重隔离液，通过优选 外加剂和引入超高密度加重剂 G M，得到了一套综合 性能良好的水泥浆。现场应用表明，该套冲洗型加重 隔离液和水泥浆能较好地满足山前地区油基钻井液钻 井后的固井需求。 3 ． 需进一步开展综合配套技术研究，形成塔里木 山前地区油基钻井液钻井后的固井技术规范，为塔里 木山前地区提供可靠的制度保障。 参 考 文 献 [ 1 】 刘振通，李利军，宋元洪，等 ． KS 2 0 4井盐膏层长封固段 尾管固井技术 [ J 】 ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 3 6 1 ． 6 3 ． L i u Z h e n t o n g ，L i L i j u n ，S o n g Y u a n h o n g ，e t a 1 ． L i n e r c e me n t i n g t e c h n o l o g y o f l o n g c e me n t g y p s u m f o r ma t i o n i n We l l KS 2 0 4 [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n Fl u i d ，2 0 1 2 ， 2 9 3 6 1 ． 6 3 ． [ 2 ] 郑力会，乐法国，宋周成 ． 塔里木盆地克依构造带固井 研究与实践 [ J 】 _ 钻井液与完井液，2 0 0 1 ，1 8 3 1 8 ． 1 9 ． Zh e n g Li h u i ，Le F a g u o， S o n g Zh o u c h e n g ． Ce me n t i n g i n Ke l a s u Yi q i k e l i k s t r u c t u r a l b e l t i n T a r i m B a s i n [ 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 1 ，1 8 3 1 8 ． 1 9 ． 【 3 ] 王荐 ，岳前升，吴彬 ，等．油基钻井液井筒清洗技术室 内研究 [ J ] ．海洋石油，2 0 0 8 ，2 8 4 7 3 ． 7 6 ． Wa n g J i a n ，Yu e Qi ans h e n g ，Wu Bi n ，e t a 1 ． L a b s tud y o n c l e ani n g o i l b a s e d d r i l l i n g fl u i d i n b o r e h o l e [ J ] ． O f f s h o r e O i l ， 2 0 0 8 ，2 8 4 7 3 ． 7 6 ． [ 4 ] 张春涛．盐膏层固井技术及应用 [ J 】 _钻采工艺，2 0 0 8 ， 3 1 3 1 4 6 ． 1 4 8 ． Zh a n g Ch u n t a o ． T h e t e c h n o l o g y a n d a p p l i c a t i o n s o f s a l t - g y p s u m c e me n t i n g[ J 】 ． Dr i l l i n g＆ P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ，3 1 3 1 4 6 ． 1 4 8 ． [ 5 】 尹飞，高宝奎，张进，等．盐膏层固井技术在塔河油田 的应用 [ J ] ．长江大学学报 自然科学版 ，2 0 1 2 ，9 5 96 ． 98． Yi n F e i ， Ga o Ba o k u i ， Z h a n g J i n， e t a 1 ． Th e a p p l i c a t i o n s o f s a l t - g y p s u m c e me n t i n g t e c h n o l o g y i n T a h e Oi l fi e l d [ J ] ． J o u r n a l o f Y a n g t z e U n i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ， 2 0 1 2 ．9 5 9 6 ． 9 8 ． [ 6 ] 尹达，叶艳 ，李磊，等 ． 塔里木山前构造克深 7井盐问 高压盐水处理技术 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 1 2 ， 2 9 5 6 ． 8 ． Yi n Da，Ye Ya n， Li Le i ， e t a 1 ． Hi g h p r e s s u r e s a l t wa t e r t r e a t me n t t e c h n o l o g y o f W e l l Ke s h e n 7 i n F o o t h i l l S t r u c tur a l Z o n e o f T a r i m [ J ] ．Dr i l l i n g Fl u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ， 2 0 1 2 ，2 9 5 6 ． 8 ． [ 7 ] 赵世民． 表面活性剂一原理、 合成、 测定及应用 [ M] ． 北京 中国石化出版社，2 0 0 51 8 ． 1 9 ． Zh a o S h i mi n ．S u r f a c e a c t i v e a g e n t p r i n c i p l e s ，s y n t h e s i s ， d e t e r mi n a t i o n a n d a p p l i c a t i o n [ M] ．Be i J i n g C h i n a P e tro c h e mi c a l P r e s s ，2 0 0 51 8 - 1 9 ． [ 8 ] 周仕明，李根生，王其春．超高密度水泥浆研制 [ J ] ．石 油勘探与开发，2 0 1 3 ，4 0 1 1 0 7 ． 1 1 0 ． Z h o u S h i mi n g ，L i Ge n s h e n g ，Wa n g Q i c h u n ． R e s e a r c h and p r e p a r a t i o n o f u l t r a - h e a v y s l u r r y [ J ] ．P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ，2 0 1 3 ，4 0 1 l 0 7 ． 1 1 0 ． 收稿 日期2 0 1 3 ． 1 2 ． 1 0 ；HG F 1 4 0 2 M6 ；编辑马倩芸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m