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BIODRILL S合成基钻井液在垦利区块首次应用.pdf
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1、DOI:10.12358/j.issn.1001-5620.2024.01.006BIODRILL S 合成基钻井液在垦利区块首次应用彭三兵1,李斌1,韩东东2,徐磊1,程龙生1,黄贤斌3(1.中海油田服务股份有限公司,天津 300452;2.中国海洋石油有限公司天津分公司,天津 300459;3.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛 266580)彭三兵,李斌,韩东东,等.BIODRILLS 合成基钻井液在垦利区块首次应用 J.钻井液与完井液,2024,41(1):60-67.PENGSanbing,LIBin,HANDongdong,etal.Firstapplicationofth
2、esynthetic-baseddrillingfluidBIODRILLSinblockKenliofBohaioilfieldJ.Drilling Fluid&Completion Fluid,2024,41(1):60-67.摘要渤海油田垦利 9-1 区块地层岩性复杂,且存在断层带,钻井过程中易发生泥岩水化分散和砂岩层井眼缩径等问题,井壁垮塌风险极大。针对该区块地层岩性特点和技术难题并结合环保要求,制备了一种复合型封堵材料 PF-MOSHIELD,构建了 BIODRILLS 合成基钻井液体系。该体系流变性能良好,抗钙、抗岩屑污染达 26%和 15%,封堵性、沉降稳定性、润滑性优异,高温高
3、压砂盘滤失量 3.2mL,静置 7d沉降因子为 0.53,极压润滑系数 0.082。BIODRILLS 首次在渤海湾垦利 9-1 区块进行了现场应用,结果表明:该体系解决了垦利 9-1 区块泥页岩水化和砂岩层井眼缩径问题,垦利 9-1 北-3 定向探井三开井段上部地层钻屑完整,钻屑达 47cm;井眼清洁性能良好,钻井液动塑比超过 0.59Pa/mPas,6和 3读数均超过 9,剪切稀释性强,提高了井眼净化效率,有效避免形成“岩屑床”;润滑性能优异,在大井斜段(55、70、67)可实现直接起钻。关键词合成基钻井液;BIODRILLS;渤海油田;垦利区块中图分类号:TE254.3文献标识码:A文章
4、编号:1001-5620(2024)01-0060-08First Application of the Synthetic-Based Drilling Fluid BIODRILL S in Block Kenli of Bohai OilfieldPENGSanbing1,LIBin1,HANDongdong2,XULei1,CHENGLongsheng1,HUANGXianbin3(1.China Oilfield Services Limited,CNOOC,Tiainjin 300452;2.Tianjin Branch,CNOOC China Limited,Tianjin 30
5、0459;3.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qindao,Shandong 266580)Abstract DrillingoperationintheBlockKenli9-1oftheBohaiOilfieldhaslongbeenfacedwithhighrisksofboreholewallcollapseresultedfromcomplexformationlithologies,faultzones,shalesthatareeasytohydrateanddisperse,aswel
6、lassandstonesinwhichtightholeproblemisfrequentlyencountered.TodealwiththeboreholewallcollapseproblemaBIODRILLSsyntheticbaseddrillingfluidhasbeenformulated.TheBIODRILLSsyntheticbaseddrillingfluidisformulatedwithabaseoilwhichissyntheticoilofchoice,acompositepluggingadditivePF-MOSHIELD,aswellasotherdri
7、llingfluidadditives,takingintoaccounttheformationlithologyandenvironmentalprotectionrequirement.TheBIODRILLSdrillingfluidhasgoodrheology,andisresistantto26%calciumcontaminationand15%cuttingscontamination.Furthermore,ithasexcellentpluggingcapacity,settlingstabilityandlubricity.TheHTHPfilterlosstested
8、onasandplatetesteris3.2mL.Thesagindexofthemudafterstandingfor7dis0.53,andtheextremecoefficientoffrictionis0.082.BIODRILLSwasfirstusedintheBlockKenli9-1.Theapplicationshowedthat:1)theBIODRILLScanbeusedtosolvetheshalehydrationproblemandthetightholeprobleminthesandstoneformationencounteredpreviouslyint
9、hisblock;thedrilledcuttingsproducedindrillingtheformationsinandabovethethirdsectionareintact,withsizesdistributedbetween4cmand7cm.2)HolecleaningiswelldonewiththeBIODRILLSdrillingfluid,theratioofYP/PV基金项目:国家自然科学家基金面上项目“油基钻井液中细微劣质固相选择性絮凝机制及控制方法研究”(52174014)。第一作者简介:彭三兵,工程师,现在主要从事钻完井液技术支持与研发工作。电话1361219
10、1469;E-mail:。第41卷第1期钻井液与完井液Vol.41No.12024年1月DRILLINGFLUID&COMPLETIONFLUIDJan.2024isgreaterthan0.59Pa/mPas,the6andthe3readingareallgreaterthan9,andthedrillingfluidhasgoodshearthinningproperty.Allthesepropertiesresultingoodholecleaningandthepreventionoftheoccurrenceofcuttingsbed.3)Thedrillingfluidhase
11、xcellentlubricity,makingpossiblethedirecttripping(outofhole)throughthehighangle(55,70and67)wellsections.Key words Syntheticbasedrillingfluids;BIODRILLS;Bohaioilfield;BlockKenli随着渤海油田经过 50 多年的开发,剩余油气资源正面临“边、小、难、深”的挑战,对油田的各项工程作业提出了高指标要求。渤海油田垦利9-1 区块多为大位移井12,地层岩性种类复杂,传统水基钻井液面临着无法突破的技术瓶颈,封堵性差、抑制性弱、润滑性低,
12、不能有效地抑制泥岩的水化膨胀及砂岩蠕变,降低钻具间摩阻和扭矩能力较差34。油基钻井液虽然抑制和润滑性能优异,但在国家出台新环保法对含油废物处理要求不断提高的背景下,传统难降解油基钻井液面临极大的环保压力,低毒且可生物降解的合成基钻井液技术带来了很大的发展机遇57。合成基钻井液是采用合成基油作为基础油的一种油基钻井液体系811。该体系相对于水基钻井液体系具有较强抑制性、优良的环保特性、润滑性能优异。本次在渤海油田垦利区块首次试用 BIODRILLS 合成基钻井液体系,在当前“新优快”作业需求、渤海大位移井作业难度加大及新环保形势要求下,对于提高渤海油田新老油井的增质增效具有重要意义。1 工程概况
13、垦利 9-1 区块已钻 7 口预探井,使用聚合物分散体系以及氯化钾聚合醇抑制性体系。钻遇第四系平原组、新近系明化镇组和馆陶组,7 口井完钻后均发生倒划眼复杂情况,未实现直接起钻。垦利9-1 北-3 定向探井,完钻井深 2213m,最大井斜71,采用三开井身结构:一开762mm 井眼(0 128 m),下 入 609.6 mm 套 管。二 开406.4mm 井眼(129492m),下入339mm套管。三开215.9mm 井眼(4922213m),地质预测 2 个断层(垂深 770800m、10621095m)。2 钻井液技术难点及对策2.1 技术难点垦利 9-1 区块北-3 定向探井井身结构设计
14、为三段式,从现场资料获知一开和二开井段地层稳定性良好,但进入三开井段,地层岩性复杂,且存在断层区,井壁稳定性差。钻井液设计的主要技术难点表现在以下方面。1)地层岩性复杂,易产生井壁失稳风险。渤海油田垦利 9-1 区块钻遇第四系平原组、新近系明化镇组和馆陶组,地层岩心以泥页岩、砂岩为主。三开井段上部地层岩石主要为红褐色泥岩,水化作用显著,易引起钻井液性能恶化,造成起下钻压力波动。井壁周围泥岩的持续水化会引起岩石周围应力失衡,造成局部垮塌,进而产生井壁失稳风险。中部和下部主要岩石类型为细砂岩和泥质粉砂岩,岩石胶结性能差,具有一定的塑性特点,在钻开井眼后,易发生蠕变,产生井眼缩径,造成卡钻、遇阻等事
15、故。此外,泥页岩和砂岩含有大量微裂缝,水相沿裂缝的的侵入,极易造成裂缝扩展、内部岩石水化等问题。2)含有断层带,易漏失。三开井段地质预测有 2 个断层,分别位于垂深 770800m 和 10621095m 处,存在井漏风险。3)垦利 9-1 北-3 定向探井是极为少见的深层大位移井。大位移井段井眼清洁难度大,岩屑上返受到重力作用易沉积在井壁,形成“岩屑床”,降低钻压传递,提高了钻具的扭矩和摩阻,导致钻进困难。钻井液本身具有较高的固相含量,润滑防卡难度大。此外,该区块地层岩性极其复杂,大位移井裸眼段较长,井壁岩石与钻井液作用时间长,极易引起岩石水化,造成井壁失稳风险。2.2 钻井液体系构建技术对
16、策垦利 9-1 区块多为深层大位移井、且在钻井过程中一次性要钻穿多种类型地层,导致井眼面临着井壁易垮塌、地层易漏失,扭矩高和井眼清洁难等诸多难题,对钻井液提出了高性能要求,不仅要提高井眼清洁效率,同时还需具备稳定井壁和降低钻具摩阻扭矩等作用,钻井液构建应满足以下要求。1)提高井壁稳定性。合成基钻井液连续相是第41卷第1期彭三兵等:BIODRILLS 合成基钻井液在垦利区块首次应用61油相,与地层具有良好的配伍性,可防止岩石水化分散。改善钻井液水活度,优选钻井液体系为合成基,该体系可在页岩表面形成较为理想半透膜,选取 CaCl2调节钻井液的水活度低于或近于地层水活度,抑制钻井液中水相的侵入,稳定
17、井壁。提高钻井液的封堵性,优选可随钻型钻井液封堵材料,封堵充填岩石微裂缝和断层,协助钻井液形成致密、光滑的井壁泥饼,减少钻井液对地层的侵入。2)增强钻井液携岩性能。为预防在大位移井钻井过程中产生岩屑床,合成基钻井液应具备良好的携岩性能。应着重对钻井液提切剂进行优选,在保证体系具备良好流变性能的同时获得较高的动塑比和剪切稀释特性。3)摩擦阻力和扭矩控制。大位移井钻井作业中通常选用油基、合成基或高性能水基钻井液,本文基于对成本、环保和性能 3 方面对比分析,合成基钻井液体系最优。该体系在提高润滑钻头和钻具的同时可有效抑制泥岩水化,有效减少了高摩阻、高扭矩和岩石水化问题产生。3 封堵剂 PF-MOS
18、HIELD 的制备及钻井液体系构建3.1 PF-MOSHIELD 的研制三开井段地层岩性复杂,主要为泥页岩和砂岩地层,岩石微裂缝分布广泛,为了提高钻井液的封堵性,通过乳液聚合法制备了改性苯乙烯凝胶,并以此产物复配刚柔复合型封堵材料制备了一种复合型封堵剂 PF-MOSHIELD。3.1.1 实验药品及仪器实验药品:苯乙烯(ST,纯度99.0%)、甲基丙烯酸十八酯(SMA,纯度99.0%)、甲基丙烯酸月桂酯(LMA,纯度99.0%)、二乙烯基苯(DVB,纯度80.0%)、丙烯酰胺(AM,纯度99.0%)、乳化剂 OS(纯度 40%)、偶氮二异丁腈(AIBN,纯度98.0%)。刚柔复合型封堵材料(磺
19、化沥青、亲油性 SiO2、亲油性 Ca2CO3,工业品)和其他钻井液处理剂均由中海油田服务股份有限公司提供。实 验 仪 器:数 显 强 力 恒 速 电 动 搅 拌 机(TYSH110-S),数显恒温水浴锅(HH-8);六速 旋 转 黏 度 计(ZNN-6 型);滚 子 加 热 炉(BGRL-45);电稳定性分析仪(FANN-23E);高温高压滤失仪(GGS-71)。3.1.2 PF-MOSHIELD 的制备在烧杯中加入一定量水,搅拌条件下,向烧杯依次加入称量好的 AM,得到水相。向水相加入少量乳化剂 OS,搅拌均匀,继续向烧杯中加入溶解有 DVB、LMA、的 ST 溶液,磁力搅拌 20min,
20、高速剪切 20min,得到水包油乳液。将乳液转移至三口烧瓶,置于油浴锅中,通氮气 20min,待温度到达设定温度后,加入引发剂偶氮二异丁腈,反应 8h 得到改性苯乙烯产物。以改性苯乙烯产物为主复配其它刚性和柔性封堵材料(亲油性SiO2、亲油性 Ca2CO3、磺化沥青等)得到了复合型封堵剂 PF-MOSHIELD。3.1.3 PF-MOSHIELD 对合成基钻井液性能影响1)基浆的配制。合成基油20%CaCl2溶液(体积比 82)+10kg/m3主乳化剂PF-FSEMUL+10kg/m3辅乳化剂 PF-FSCOAT+12kg/m3润湿剂PF-FSWET+25 kg/m3 有 机 土 PF-MOG
21、EL+25kg/m3碱度调节剂PF-MOALE。2)PF-MOSHIELD 对基浆性能的影响。流变性及电稳定性:取 400mL 步骤(1)配制的基浆多份,向其中分别加入不同质量的 PF-MOSHIELD,于 80 老化 16h,冷却至室温,测定其流变和破乳电压数据,实验结果如表 1 所示。表1不同加量的 PF-MOSHIELD 对钻井液流变和电稳定性影响加量/(kgm3)AV/mPas PV/mPas YP/Pa Gel/(Pa/Pa)ES/V011.09.02.02.5/4.57851012.09.52.53.0/5.08502013.010.03.04.0/5.09673015.012.0
22、3.04.0/5.5975封堵性能:为了更准确地模拟 PF-MOSHIELD对钻井液的封堵性能的影响,选用高温高压滤失实验(HTHP)和高温高压砂盘(HTHP)实验进行封堵性评价,测试条件为 80、3.5MPa,陶瓷砂盘孔径为 10m,实验结果如图 1 所示。62钻井液与完井液2024年1月由表 1 可知,经过 80 老化 16h 后,添加不同量 PF-MOSHIELD 的钻井液体系黏度、切力和破乳电压均有所上升,随着 PF-MOSHIELD 加量的增加,黏度、切力和破乳电压随之增大,但是整体增量不大,表明 PF-MOSHIELD 与钻井液配伍性良好,并且有助于提高体系乳液稳定性。由 图 1
23、可 知,在 基 浆 中 添 加 不 同 量 PF-MOSHIELD,可明显减小高温高压滤失量和高温高压砂盘滤失量,20kg/m3加量可使基浆的高温高压滤失量和高温高压砂盘滤失量分别由 7.6 减小至4.3mL、9.5 减小至 5.5mL,表明 PF-MOSHIELD可明显提升钻井液对滤失介质的封堵性能。此外,由流变、破乳电压和封堵实验结果可知,PF-MOSHIELD 的最优加量为 20kg/m3。3.2 BIODRILL S 合成基钻井液体系构建根据垦利 9-1 区块技术难点和对钻井液的性能需求,以PF-MOSHIELD 为核心,复配PF-EZCARB(桥堵剂)组成复合型封堵架桥材料,达到协同
24、增效,提高钻井液形成的泥饼质量及对地层岩石微孔缝的封堵充填效果,提高井壁稳定性。优选流型调节剂 PF-FSVSI,提升合成基钻井液体系携岩性能。基于上述体系优选结果,构建了 BIODRILLS合成基钻井液体系:合成基油20%CaCl2溶液(82)+10kg/m3PF-FSEMUL+12kg/m3PF-FSWET+10kg/m3PF-FSCOAT+25kg/m3PF-MOGEL+25kg/m3PF-MOALE+30kg/m3PF-MOHFR+20kg/m3PF-MOSHIELD+20kg/m3PF-EZCARB+5kg/m3PF-FSVSI。4 BIODRILL S 室内性能评价4.1 基础性能
25、评价测定了 BIODRILLS 合成基钻井液体系基础配方的流变性能和电稳定性,实验结果如表 2 所示。由表 2 可知,在室温和 65 下,BIODRILLS 钻井液体系流变性能良好,黏度低,但是具有较高切力,有助于提高大位移井段钻井液对岩屑清洁效率。此外,体系破乳电压均超过 400V,乳液稳定性优异。表2BIODRILLS 钻井液性能T/AV/mPasPV/mPasYP/PaGel/(Pa/Pa)ES/V2517.5143.55/146156512.5102.55/126484.2 水相中 CaCl2的含量对合成基钻井液性能影响水相中 CaCl2的含量对合成基钻井液体系的流变性、滤失性和抑制性
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