强抑制钻井液体系研究与应用

2022-09-10

“双石层”井壁坍塌问题是困扰靖边气田钻井施工的难题, 特别是靖边南部“双石层”坍塌尤为严重, 是钻井事故频发区块。靖边南部气井在钻进过程中出现了多次严重的井壁坍塌、卡钻等复杂情况, 还存在着粘土含量高造成的粘切过高影响机械钻速、蹩漏地层、钻头泥包等问题, 严重影响了安全、高效、经济的勘探开发进程。为此, 我们通过在南部双石层井段取坍塌层岩心, 与石油大学等高校科研单位合作, 开展了地层岩性分析试验, 研究开发的强抑制聚磺钻井液性能优良, 能满足靖边气田钻井安全施工的需要, 同时满足钻井提速的要求。

1 地层岩性分析

为了便于研究双石层的坍塌机理, 得出地层坍塌的原因, 寻求解决防塌钻井液配方, 在气田南部的陕923井进行了工程取心, 石千峰组取心井段2923m~2927m, 石盒子组取心井段3207m~3211m, 取得“双石”层石千峰组和石盒子组泥岩岩心各1筒。

1.1 双石层岩心浸泡试验

对陕923的石千峰和石盒子2个层位的岩芯放入水中进行浸泡前后岩芯变化试验, 浸泡0.5h后岩芯无明显变化, 岩芯上的裂缝有增大的趋势;浸泡4.5h后, 岩芯的一侧坍塌;浸泡30h后, 岩芯已基本全部垮塌, 说明该岩心易于水化分散。通过分析地层岩心发现, 南部“双石”层段泥岩裂缝极为发育, 存在大量垂直裂缝和水平裂缝, 岩芯的表面和内部都有裂缝, 导致岩芯容易破碎, 在钻井液的浸泡冲刷下更易发生破碎垮塌。

1.2 双石层粘土矿物相对含量的测定

对陕293井岩样粘土矿物相对含量进行测定, 结果如表1。

从表1可以看出, 双石层岩样中以粘土矿物为主, 总量含量大于50%;而粘土矿物中的主要成分为伊/蒙混层, 含量均大于50%, 说明双石层主要以硬脆性泥页岩为主。由于硬脆性泥岩主要由伊利石组成, 其地层的泥岩压实程度较高, 水平层理发育, 泥岩裂隙发育。在钻井过程中, 泥浆滤液沿层理面或微裂隙侵入, 大大加剧了泥岩的水化和分散, 减弱了泥岩的结合强度, 减弱了层理面之间的结合力, 使泥岩沿层理面或微裂隙裂开。在钻具、钻头的碰撞作用下和钻井操作时的波动压力作用下, 出现掉块坍塌。研究双石层的坍塌机理还得出, 发生坍塌的基本原因为其中的粘土矿物与钻井液及其滤液接触后发生的一系列变化, 所以如何抑制泥页岩水化是防塌钻井液技术中的重点。

1.3 抑制性无机盐K C l加量的测定

对陕293井双石层岩心按照CST值的标准测试程序, 测定了不同浓度KCl溶液的CST值。试验结果表明, 随KCl浓度的增加, 岩屑CST值急剧下降, 而后趋于稳定。说明较低浓度的K+离子就可以与粘土矿物发生接近于饱和的离子交换, 使得粘土矿物在其溶液中的分散性能下降。KCL的加量以5%~7%为宜。由于KCL国内货源的不足且价格昂贵, 因此现场实际配方中达不到此含量, 或者采用NaCl部分代替。

1.4 各种处理剂防塌性能评价

用陕293井双石层岩心, 对下列处理剂防塌性评价, 测定处理剂的滚动回收率, 结果如表2。

由表2可见, 高聚物包被剂KPAM、CMP和小阳离子抑制剂的抑制效果最好。优选钻井液配方时, 应尽量选用页岩抑制剂KPAM、CMP、CWD-1等中的一种或几种进行复配, 以进一步强化提高钻井液的抑制性。

1.5 优化聚合物配方

在二开上部地层聚合物钻井过程中, 为了减小缩径现象, 减轻起下钻遇阻;增强体系防塌性, 杜绝上部地层坍塌;增强体系抑制性, 对聚合物配方进行优化。

在以前配方的基础上, 对上部聚合物钻井液进一步优化, 并提出以下两组配方进行优选。

1#基本配方:0.2%PAM+0.2%KPAM+0.5%KCL+0.2%CWD-1+0.2%CMP。

2#基本配方:0.3%PAM+1%KCL+0.3%CMP。

对以上2个配方进行室内浸泡对比试验、滚动回收率试验, 评价该2种配方。通过试验可以得出, 优化后的基本配方:0.2%P A M+0.2%K P A M+0.5%K C L+0.2%C W D-1+0.2%C M P, 在该配方中P A M作为絮凝剂, K C L、C W D-1抑制防塌剂, 同时有防缩径的作用。

2 强抑制钻井液应用及评价

2.1 二开聚合物泥浆维护要点

(1) 聚合物钻井液处理要有针对性, 避免出现配方没有针对性一成不变的撒胡椒面现象, 在安定、直罗、延长中下部以下地层以防塌为主, 配方以KCL+CMP+KPAM防塌为主;在延安、延长中上部地层以PAM絮凝防缩径为主。 (2) 保证总聚合物的浓度, 要求漏斗粘度在30s以上;在聚合物泥浆使用井段用5tKCL。 (3) 为保证聚合物体系浓度及避免材料浪费, 二开泥浆量控制在200m3左右。 (4) 上部聚合物体系钻进过程中为了保证井底干净, 要求每钻进1天用凝胶稠胶液清扫井底一次。 (5) 中途电测采用在聚合物体系中加入0.5%~1%CMP的封闭液封裸眼井段后进行电测作业。 (6) 用聚合物泥浆钻进过程中出现掉牙轮、断钻具等井下复杂, 须频繁起下钻, 空井时间太长时, 应彻底转化泥浆后在处理事故复杂, 转化时应保持PH值在7.5~8.5较低范围, 避免影响后期泥浆处理。

2.2 聚合物效果评价

(1) 该技术措施在南部区块应用9口井上部地层没有出现一起井塌遇阻遇卡、起下钻遇阻, 中途电测2口井无遇阻, 没有一口井因井下复杂而提前转化泥浆。 (2) 在南部上部聚合物钻井过程中, 加入KCl与不加的钻井液体系的抑制差别非常明显, 防塌效果差别也非常大, 下边是南部两口水平井二开直井段, 钻井液处理效果比较。

2.3 聚磺泥浆维护要点

(1) 聚磺泥浆性能控制:粘度:45s~60s;失水:4.5m L~9m L;密度:1.04kg/cm3~1.13kg/cm3;P H:8~9;动切力:4Pa~15Pa;静切力2~8/4~20Pa, [CL-]6000~15000kg/cm3, 坂含:30g/l~45g/l。 (2) 三磺泥浆使用单一的泥饼降失水防塌为特点, 聚磺泥浆在三磺泥浆低失水的基础上, 引进了化学防塌, 用强抑制 (即采用KCL等无机盐, 提高泥浆矿化度, 降低渗透压) 防塌。因此在原三磺泥浆的基础上加入KCl、NaCl等无机盐。 (3) 在降失水防塌材料以酚醛树脂SMP、沥青类产品FT-1 (FT-342) 为主处理剂。 (4) 在进入气层前转化泥浆, 转化前先对白土等预水化, 即先配2~3罐泥浆加入:4%~6%白土+0.3%~0.4%烧碱+0.1%~0.2%CMC+0.5%~1.5%稀释剂。转化时为防止泥包钻头, 应均匀的将预配好的泥浆与磺化材料胶液混合后, 将泥浆性能调整好后才入井。转化时将白土量控制在5%以内, 磺化材料的总量控制在2%以内, 防止由于加入过多的处理剂造成钻头泥包。 (5) 钻进中胶液维护时, 胶液中加入一定量的包被剂 (KPAM、CMP) , 以增强体系的抑制性, 防止钻屑中的劣质土相混入泥浆中, 控制坂土含量在30~45kg/cm3较低范围, 正常钻进漏斗粘度维持在45s~60s范围, 完钻维持在70s~80s, 避免泥浆太稠而引起的压力激动, 以减少井漏等井下复杂的发生。保持较低粘度, 但要保证泥浆有较高的切力, 即要求泥浆动塑比在0.45以上, 动塑比达不到时可加入改性石棉SM-1等材料。 (6) 泥浆转化上罐后严格控制无用固相含量的升高, 应定期开启离心机、除砂、除泥器等固控设备, 清除钻屑等无用固相。 (7) 在坍塌严重的双石层钻进中, 泥浆密度保持在1.08kg/cm3以上, 以平衡地层坍塌压力。

2.4 效果评价

聚磺泥浆在南部应用9口井取得了良好效果, 所有应用井无一起卡钻、卡套管事故, 电测无遇阻, 一次成功率100%, 无一起因泥浆粘切过高而引发的井漏、井塌事故。因此聚磺体系的应用整体还是好的。

由于该体系处于初始试验应用阶段, 加上一些其他非技术的原因 (如阶段性泥浆材料质量出现问题) , 9口井中有一口井出现泥包钻头, 一口井出现井壁坍塌造成起下钻遇阻:陕301井由于加入过多的处理剂造成钻头泥包, 该井转化泥浆加入18t土、6t三磺材料, 2t改性石棉, 造成在石盒子地层三趟PDC钻头泥包。

3 结语

(1) KCl、NaCl等无机盐的加入提高了体系的矿化度, 增强了泥浆的抑制性, 提高了泥浆的防塌性能, 由于KCl的价格与货源等问题, 可以用NaCl代替, 在聚磺泥浆中已经采用部分代替了, 在聚合物泥浆中还没有尝试用NaCl代替KCl。 (2) 聚磺体系的技术核心在于“聚”, 既磺化体系中要有一定的聚合物包被剂 (KPAM、CMP) , 增强体系的包被性, 以防止钻屑水化分散。 (3) 聚磺体系中, 以包被、抑制、降失水为防塌三要素, 因此作为降失水提粘的基本材料白土的加量就要适当不是越高越好, 只要能起到降失水, 提粘 (聚合物也能起提粘作用) 。 (4) 聚磺由于有多种防塌功用, 因此聚磺泥浆具有含土量低、粘切低、防塌抑制性更强的特点。

摘要：靖边气田深层石千峰、石盒子地层富含易水化泥岩、泥页岩, 此两层位在钻井过程中出现剥落掉块、井壁坍塌, 井径扩大形成大肚子井段, 坍塌严重的井甚至造成起下钻遇阻、遇卡。通过对双石层岩性的深入研究, 在原有聚合物、三磺体系的基础上, 研制出以突出抑制为主的聚合物、聚磺钻井液体系, 加入KCL提高泥浆的矿化度、加入聚合物增强体系的包被性。现场实践表明, 该体系克服了原三磺体系粘度过高易泥包钻头、易造成压力激动蹩漏地层等局限性, 在该区块没有出现一起卡钻事故, 复杂率大幅降低, 防坍塌性明显提高, 适合靖边气田双石层井壁稳定的要求。

关键词：强抑制,防塌,KCL,双石层