川西中浅层长水平段井油基钻井液技术研究.pdf
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1、第 52 卷第 8 期 辽 宁 化 工 Vol.52,No.8 2023 年 8 月 Liaoning Chemical Industry August,2023 基金项目基金项目:中石化西南石油工程有限公司项目“川西沙溪庙组长水平段水平井优快钻井先导试验”,项目号:XN-2022-012。收稿日期收稿日期:2022-12-29 作者简介作者简介:张雪(1987-),女,工程师,硕士学位,四川自贡人,2014 年毕业于西南石油大学,研究方向:钻井液研发及管理。Add:四川省德阳市旌阳区金沙江西路 699 号,邮编:618099;Tel:13541168628;E-mail:lmxzx_。通信作
2、者通信作者:张雪(1987-),女,工程师,硕士学位,研究方向:钻井液研发及管理。川西中浅层长水平段井 油基钻井液技术研究 张 雪(中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院,四川 德阳 618000)摘 要:随着川西沙溪庙组气藏的开采,储层物性逐年变差,为取得水平井产量的突破,该层位开发井设计水平段长达 1 8003 000 m,且多采用三维轨迹。长水平段+三维轨迹井眼导致摩阻大,井眼清洁难度高,极易出现井壁失稳及阻卡复杂问题。为保证施工安全,针对以上难题,研发了配套的强封堵油基钻井液体系,该体系通过引入多级配油基微纳米封堵材料,利用油基钻井液体系所具有的强抑制性和优异的润滑性,同时合理钻井液
3、密度,并保证其良好的流变性。室内评价表明,该体系具有良好的润滑性、抗污染能力及封堵防塌能力。通过现场先导试验应用,该体系性能良好稳定,为后续川西中浅层长水平段井的安全高效施工提供了有力支撑。关 键 词:川西中浅层;长水平段;油基钻井液;封堵性 中图分类号:TE254.6 文献标识码:A 文章编号:1004-0935(2023)08-1220-06 川西中浅层致密砂岩气藏资源丰富,探明储量达 4 018.08 亿方,是中石化“十三五”增储上产的主要阵地。随着不断的开采,储层物性逐年变差,2016 年至今,经历了多种增产工艺,取得了一定的效果,但总体规模较小。为取得水平井产量的突破,该区块水平井段
4、长不断增加,目前设计水平段已长达 1 8003 000 m,同时多采用小三维或三维轨迹,给钻井工程施工带来极大的挑战。该区块前期已施工井水平段长均小于 1 500 m且以常规套管完井、一体化建井两种完井方案为主,但仍然存在二开241.3 mm 井段造斜效率低、井眼清洁性差,多数井钻井周期超设计等问题。2021年2022 年川西中江区块沙溪庙组水平井共施工 6井次,钻井周期超期率达 67%,且复杂故障率达50%,以断钻具和粘附卡钻故障为主。长水平段施工中的高摩阻和钻具尺寸小导致的排量受限1,同时沙溪庙组地层泥岩水化分散和裂缝发育,对钻井液的润滑性和封堵性能提出了极高的要求,而前期使用的常规的钾基
5、聚磺钻井液体系已无法满足长水平段钻井安全施工的需要2。油基钻井液具有强抑制性、强封堵性、优良润滑性、有利于井壁稳定和对油气层损害程度较小等多种优点3-4,同时,油基钻井液还具有配方简单、维护简易和重复利用率高等优势5-7,是目前川西中浅层长水平段水平井安全施工的首选。1 钻井液技术难点分析 1.1 井壁失稳机理分析 沙溪庙组气藏具有地层压力高,储层致密低渗透、裂缝发育、非均质性强等特点8,其地层岩性为砂岩泥岩不等厚互层,泥岩易水化膨胀,砂岩结构疏松,井筒流体在正压差作用下沿微裂缝压力穿透,可诱发井壁微裂缝形成“尖劈”效应,导致泥岩吸水膨胀伴随剥蚀性掉块9,进而起下阻卡频繁,造成周期性井壁失稳。
6、1.2 钻井液技术难点 1)沙溪庙组地层岩性以砂泥岩为主,稳定性较差,极易发生井壁掉块、坍塌,因此保证井壁稳定性,同时做好井眼清洁工作是钻井液的重难点10。2)水平段钻进过程中,由于重力作用,钻具与井下接触面积大,在压差作用下与泥饼之间粘附,造成起下钻摩阻大,且水平段越长,摩阻越大,易造成粘附卡钻11。因此防卡是该段钻井液技术的难点之一。3)按反演的摩阻系数计算可知,三维井轨迹类型摩阻最大,同时钻具易发生屈曲,加上长水平段油田化学 第52卷第8期 张雪:川西中浅层长水平段井油基钻井液技术研究 1221 施工,大大增加了施工的难度,因此润滑性能是该段钻井液施工的重点。表 1 反演摩阻系数计算情况
7、 剖面类型 摩擦系数 摩阻(t)套管 裸眼 双二维 0.20 0.3 20 二维+小三维 0.20 0.3 23 三维 0.25 0.4 26.7 1.3 油基钻井液体系思路 通过沙溪庙组井壁失稳机理分析,考虑水平段长,且为三维轨迹,结合前期已施工井的实钻情况,钻井液具有以下特性:1)润滑性。油基钻井液以油相作为主要组成部分,具有优异的润滑性能。2)封堵性能。引入与油基钻井液体系配伍好,且与地层孔隙匹配的多种堵漏材料,实现多级复配,保证强封堵性能12,降低滤液侵入量,减少泥岩的水化,达到井壁稳定的目的。3)流变性。引入流性调节剂调控动塑比,提高钻井液的携砂能力13,保证井眼清洁。2 钻井液配方
8、研究 2.1 油基钻井液基础配方优选 通过实验优选了应用较好的 3 种油基钻井液体系,按照各自样品和比例配制基浆,油水比:80:20(3#白油:25%氯化钙盐水),不添加重晶石和封堵剂。实验对 3 种体系的全性能进行了评价。体系 1 配方:2.5%主乳+2.0%辅乳+2.5%有机土+2%生石灰+4%降滤失剂;体系 2 配方:0.6%主乳+1.5%辅乳+0.8%润湿剂+3%有机土+2%生石灰+8%降滤失剂;体系 3 配方:2.5%乳化剂+0.5%润湿剂+2%有机土+2.5%生石灰+2%降滤失剂+1%流型调节剂。对比 3 种体系老化不同时间后的流变性能、电稳定性、润滑系数和高温高压滤失量等关键参数
9、,结果如图 1-图 4 所示。通过上述 4 项关键参数对比,同时考虑川西中浅层长水平段密度较高,但井底温度不高(约 100),从性能和成本综合考虑体系 3 为优选体系。结合沙溪庙组地层密度,优选出密度为 1.90 g/cm3的油基钻井液基础配方:3#白油水相(25%CaCl2)=8020+1.75%有机土+3.0%乳化剂+1.0%润湿剂+2%降滤失剂+2.5%CaO+1.0%流型调节剂。图 1 流变性能参数对比图 图 2 电稳定性参数对比图 图 3 润滑系数参数对比图 图 4 HTHP 滤失量对比图 1222 辽 宁 化 工 2023年8月 2.2 封堵剂优选 2.2.1 封堵剂单剂优选 以上
10、述优化后的密度为1.9 g/cm的油基钻井液基础配方作为基浆,通过高温高压滤失量对不同的堵漏剂进行了优选,具体配方如表 2 所示。表 2 封堵剂的高温高压滤失量数据表 序号 配方 配方 1 基浆+2.0%超细碳酸钙 I 型 配方 2 基浆+3.0%超细碳酸钙 I 型 配方 3 基浆+1.0%氧化沥青 配方 4 基浆+2.0%氧化沥青 配方 5 基浆+0.5%磺化沥青 配方 6 基浆+1.0%磺化沥青 配方 7 基浆+1.0%天然沥青 配方 8 基浆+2.0%天然沥青 配方 9 基浆+1.0%成膜封堵剂 配方 10 基浆+2.0%成膜封堵剂 配方 11 基浆+1.0%纳米乳液 配方 12 基浆+
11、2.0%纳米乳液 配方 13 基浆+1.0%球状凝胶 配方 14 基浆+2.0%球状凝胶 按照油基配方的顺序,依次加入材料高速搅拌配制基浆乳液,再低速搅拌加重至 1.90 g/cm。分别加入不同种类、不同比例的封堵剂,在温度100 滚动 16 h,再用 GGS42 型高温高压滤失仪测量温度 100,压差 3.5 MPa 的滤失量。通过每隔5 分钟观察记录滤失量来比较各种配方的差异性,实验结果如下表所示。表 3 封堵剂评价配方 序号 滤失情况 mL(每 5min 记录滤失量)5 10 15 20 25 30 配方 1 2.2 4.2 6.2 7.8 9.0 10.6 配方 2 1.8 2.0 3
12、.4 3.8 4.8 5.8 配方 3 0.8 1.2 1.6 2.0 2.2 2.8 配方 4 1.0 1.2 1.4 1.4 1.6 2.0 配方 5 2.2 4.2 5.8 6.6 7.4 10.4 配方 6 2.0 3.4 4.6 6.4 7.0 8.4 配方 7 2.2 4.0 5.6 6.0 6.4 6.8 配方 8 2.0 2.8 3.2 3.6 4.0 4.6 配方 9 1.4 2.2 3.0 3.4 3.8 4.4 配方 10 0.4 0.8 1.6 2.0 2.0 2.4 配方 11 1.8 2.6 4.0 5.2 6.4 7.8 配方 12 1.2 2.4 3.2 4.6
13、 5.4 5.8 配方 13 2.0 2.8 3.6 4.8 6.0 6.4 配方 14 1.8 2.2 3.2 4.4 5.0 5.8 实验数据表明:添加氧化沥青和成膜封堵剂的高温高压滤失量较低。2.2.2 封堵剂复配优选 在钻井液体系中,单一的封堵材料一般效果欠佳,需要优选多级粒径和合适浊点、软化点的封堵类处理剂进行复配,通过“多元协同”封堵作用增强地层的封堵性能,实现广谱封堵,稳定井壁的目的。因此对封堵剂进行复配优选评价。配方1:基浆+2%超细碳酸钙I型+2%氧化沥青;配方 2:基浆+1%超细碳酸钙 I 型+2%氧化沥青+1%成膜封堵剂;配方 3:基浆+1%超细碳酸钙 I 型+2%氧化沥
14、青+2%成膜封堵剂;配方 4:基浆+2%超细碳酸钙 I 型+2%氧化沥青+2%成膜封堵剂;配方 5:基浆+2%超细碳酸钙 I 型+1%氧化沥青+1%成膜封堵剂;配方 6:基浆+2%超细碳酸钙 I 型+2%氧化沥青+1%成膜封堵剂。实验结果如下图所示:图 5 封堵剂复配的高温高压滤失量对比图 2.3 体系配方综合评价 2.3.1 常规性能评价 通过堵漏剂的优选,确定了最终的油基钻井液配方为:3#白油水相(25%CaCl2)=8020+1.75%有机土+3.0%乳化剂+1.0%润湿剂+2%降滤失剂+2.5%CaO+1.0%流型调节剂+1%超细碳酸钙 I 型+2%氧化沥青+1%成膜封堵剂+重晶石加重
15、至 1.90 g/cm。其性能如表 4 所示。表 4 优化后钻井液性能 测试条件 ES V PV mPa.s YP Pa Gel Pa/Pa FLAPI ml FLHTHP ml EP 润滑系数 滚动回收率%老化前 1 241 33 19.5 8/11 0.2/10016h 1 184 35 11 4.5/8 0 0.4 0.070 96.2 第 52 卷第 8 期 张雪:川西中浅层长水平段井油基钻井液技术研究 1223 A.API 泥饼 B.HTHP(3.5MPa/100)泥饼 图 6 油基钻井液滤失泥饼 A 实验前钻屑 B 回收后钻屑 图 7 钻屑在油基钻井液中滚动回收前后外形对比 实验数
16、据表明,该油基钻井液体系破乳电压达118 4 V,EP 润滑系数和页岩滚动回收率分别为0.070 和 96.2%,表明体系具有良好稳定性、优异的润滑性能和良好的抑制性。此外体系的高温高压滤失量为 0.4,且泥饼致密,在 3.5MPa 的压差条件下滤失量极小,从图 6 泥饼图可发现 API 泥饼薄,实验中发现该泥饼致密而且很硬,表现为滤失量很低,同时高温高压形成的泥饼也很薄,而且 HTHP 泥饼易从滤纸上剥离,这对于实际钻井过程中低层表面泥饼的洗脱,提高固井质量具有积极的意义。2.3.2 润滑性能评价 室内使用极压润滑仪和泥饼粘附系数测定仪对不同密度的油基钻井液的 EP 润滑系数和泥饼粘附系数
17、Kf 进行了测定,实验结果见下表。表 5 润滑性能评价结果 密度/(gcm-)EP 润滑系数 Kf 备注 1.50 0.074 0 粘不住 1.70 0.081 0.02/2.00 0.083 0.03/通常 EP 值越低,钻井液的润滑性越好。数据表明,该油基钻井液题的 EP 润滑系数随着密度的增加而逐渐增加,在 2.0 g/cm密度以下该体系的 EP润滑系数均小于 0.085,这表明该体系具有良好的润滑性能,这对于长水平井钻井降低摩阻具有重要的意义。2.3.3 抗污染性能评价 1)抗水污染评价 室内以密度 1.90 g/cm体系配方为例,评价外界水的侵入对该油基钻井液性能的影响,实验结果见下
18、表。表 6 抗水污染评价实验结果 水加量,%ES V PV mpa.s YP Pa Gel pa/pa HTHP mL 0 1 051 39 12.5 5/8 2.6 5 1 068 42 15.5 6/8.5 2.6 10 1 034 50 18 7.5/10 2.8 15 714 57 17 8/13.5 3.2 实验结果表明,随着水加量增加,体系塑性粘度和动切力都逐渐增高,在 10%侵入量范围内,二者变化不大,当侵入量达 15%时,此时该油基钻井液的油水比已经高达 6040,体系仍具有良好的乳化稳定性,此时的高温高压滤失量仅为 3.2 mL,说明该钻井液体系具有良好的抗水污染效果。2)抗
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- 川西中浅层长 水平 段井油基 钻井 技术研究
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