水平段弱凝胶钻井液体系的研究及应用.docx

水平段弱凝胶钻井液体系的研究及应用崔作风，陈长顺（中国海油 北京东润科石油技术股份有限公司，天津 塘沽 300457）摘要：针对传统水平段钻井液在应用中存在的振动筛跑浆和破胶难等问题,通过实验研究出了一种快速弱凝胶体系hwr d钻井液，可有效地控制固液相对储层的侵入深度, 最大限度地减 少对储层的损害。通过对绥中36- 1油田数口水平井段的现场应用，不但提高了油田的产油量，而且改善了开发效果，对今后的水平段井的钻井工作中具有一定的应用前景。关键词：钻井液；水平井；储层保护在水平井段的钻井作业中，井眼稳定性差、环空悬砂携砂和井眼清洁能力差，目前采用的传统水基 和油基钻井液都克服不了水平井段的静态悬砂和动 态携砂问题，在水平井钻井施工中很容易在井筒底 边形成岩屑床；形成的泥饼吸附在井壁上不易清除， 破胶解堵效果差，增加了对储层的伤害。基于钻井 施工中存在的问题，有效防止岩屑床的形成，保持井 眼清洁；达到快速破胶解堵的效果，保护储层，国内 外研究并应用了无固相弱凝胶钻井液，没能取得良 好的效果。凝胶1在石油工业上的应用主要在堵水调剖、压 裂方面，常规凝胶的形成条件主要是依赖于交联剂， 聚合物通过与交联剂的作用在一定的温度和一定的 时间下成胶。基于上述机理，通过室内实验，研制出 了一种快速弱凝胶钻井液hwrd钻井液体系，其 性能指标在某些方面更优于传统的无固相弱凝胶钻 井液2。所形成的弱凝胶具有独特的流变性：如表观 粘度低、动塑比高、低剪切速率粘度高；失水小，有效 地控制固液相对储层的侵入深度, 泥饼薄，易于清 除，快速破胶良好，最大限度地减少对储层的损害； 此外，良好的润滑性、抑制性、抗温、抗盐、抗剪切等。 解决了传统水平段钻井液在应用中存在的问题。1作用机理及配方优选1.1 作用机理间的协同效应，而不加交联剂，成胶温度和成胶时间要求低，所形成的弱凝胶具有独特的流变性，低剪切 速率粘度高；储层保护效果好。具体表现在：低浓 度溶液具有高粘度的特性（1%水溶液的粘度相当于 明胶的100倍），是一种高效增粘剂；具有良好的抗 剪切性（假塑性），在静态或低剪切作用下具有高粘 度，在高剪切作用下表现为粘度下降。例如，在0.3 r/min下其粘度可高达40 000100 000 mpas，在近 井壁处于相对静止状态，形成保护井壁的“滞流层” 以减轻钻井液对井壁的冲蚀，具有很强的悬浮岩屑能 力。在高剪切作用下粘度恢复正常，但分子结构不变， 有很强的携带岩屑能力，利于井眼清洁，阻止水平井 段岩屑床的形成3；良好的储层保护效果，hwrd 钻井液具有很高的低剪切速率粘度，故滤失到孔隙 介质中的滤失量低，能有效地控制污染带的深度，阻 止固、液相侵入地层，同时hwrd钻井液能在近井壁 形成含有聚合物的泥饼，易于破胶解堵。在完井作 业的后期，采用化学破胶技术可解除体系在井壁上 形成的滤饼，疏通油流通道，最大限度的减少对储层 的损害4- 5。1.2 hwrd弱凝胶钻井液体系的配方优选水平段钻井中，为了更好的解决静态悬砂和动态 携砂，保持井眼清洁，钻井液应具有优良的流变性， 低剪切速率粘度高。为了更好的保护油气层，钻井液 应具有滤失量低，能有效地控制污染带的深度，阻止 固、液相侵入地层；泥饼薄、易于破胶解堵、与完井工它与常规凝胶的形成机理不同,利用聚合物之收稿日期：2010- 12- 04作者简介：崔作风（1986-），男，河南商丘人，工程师，化学专业。联系电话 a pm000，1度 粘剪切速率，s- 1图1 粘度随剪切速率的变化吐 哈 油 气2011 年190作液配伍性良好等优点。在hwrd弱凝胶钻井液体系中优选流型调节剂zj- hw- 01，降失水剂zj- hw-02，润滑抑制剂zj- 02，氯化钾为加重剂保证了该体 系的无固相特点，起关键作用的是流型调节剂 zj- hw- 01，不同含量的zj- hw- 01对流变性能的影 响（表1）表1 不同含量的zj- hw- 01的流变性能zj- hw- 01 实验avpvypflapi lsrv（ml) （mpas）yp/pv 6/3加量条件 （mpas）（mpas）（pa）滚前2313100.776/84.843 0000.6%滚后2615110.738/94.452 378相对静止状态，形成保护井壁的“滞流层”以减轻钻井液对井壁的冲蚀，且滤失到孔隙介质中的滤失量 低，能有效地控制污染带的深度，阻止固、液相侵入 地层，减少对储层的伤害。1.4 抗温性能评价通过测定hwrd钻井液在不同温度热滚后性能 变化来评价其抗温能力，老化时间为16 h，以验证该 体系在井下不同温度状态下具有的流变性能（表3）。滚前28.51612.50.7810/84.059 5870.8%滚后3017130.7612/103.661 000滚前3823150.6512/104.267 0001.0%滚后4225170.6815/133.881 200注：热滚条件为80 下老化16 h；lsr v为低剪切黏度计brookfielddv- 在0.3 rmin时的读数通过室内动态实验，形成的hwrd弱凝胶钻井液体系配方如下：海水+0.4% naoh+0.3%na2co3+0.8% zj- hw- 01+3% zj- hw- 02+3% zj- 02+3% kcl，具有 较高的屈服值和动塑比，且滤失量低，低剪切速率粘度高。1.3 hwrd钻井液的流变性通过室内评价研究，确定hwrd钻井液的基本 配方，弱凝胶体系中zj- hw- 01的加量为0.8%时，钻 井液具有优良的流变性能和较高的低剪切速率粘 度，其流变性能和粘度随剪切速率变化（表2、图1）。表3 hwrd抗温性能温度 实验av pv ypflapi lsrv（） 条件（mpas）（mpas）（pa） yp/pv 6/3 （ml）（mpas）滚前28.51612.50.7810/84.059 58760滚后2916130.8110/94.062 000滚前28.51612.50.7810/84.059 58780滚后3017130.7612/103.661 000滚前28.51612.50.7810/84.059 587100滚后33.51716.50.9714/124.860 381表2 hwrd钻井液的流变性能滚前28.51612.50.7810/84.059 587120滚后3017130.7610/84.452 389实验av pv yp条件 （mpas）（mpas）（pa） yp/pvflapi lsrv（ml) （mpas）6/3滚前28.51612.50.7810/84.059 587从表5可以看出，hwrd钻井液具有良好的抗温能力，在120范围内hwrd体系的各项性能基本无 明显变化，能满足深井钻井的需要。1.5 hwrd抑制性评价1.5.1 岩屑滚动回收率实验取钻屑过610目烘干后, 称取50 g, 加入到350 ml钻井液中,在80下老化16 h后过40目筛,筛余后 在105下烘干,称重。计算热滚后钻屑回收率（表4）。滚后3017130.7612/103.661 000注：热滚条件为80下 老化16 h；lsr v为低剪切黏度计brookfielddv- 在0.3 rmin时的读数由实验结果，体系具有较高的屈服值，动塑比、6/3值比较高，具有良好的携岩、悬岩能力，可满 足水平井段的携岩要求，防止岩屑床的形成，保证井 下安全，并且较高的低剪切速率粘度，在近井壁处于低剪切速率粘度50 000 mpas低剪切速率粘度1 000 mpas图2 hwr d钻井液与普通钻井液的污染深度对比第 16 卷 第 2 期崔作风，等：水平段弱凝胶钻井液体系的研究及应用191表4 岩屑回收率滚动回收率（%）体系老化条件海水45.08016 hhwrd91.48016 h从钻屑滚动回收率实验中可以得出hwrd体系具有良好 的抑制性能，能够有效的抑制 钻屑的水化分散。1.5.2 页岩膨胀性实验称取10 g土粉在105下烘2 h压制5 mm岩心取 hwrd钻井液滤液20 ml，用非接触式高温高压页岩 膨胀仪测其8 h的线性膨胀量，结果见表5。1.6.1 岩心损害实验hwrd钻井液体系中大分子链长，一旦被挤入 储层极易被岩石吸附，滞留在孔隙中,降低储层的有 效渗透率，导致油井产能下降。为了评价该体系保护储层的效果，进行了岩心 渗透率恢复值评价6- 7 ，通过岩心损害实验来评价封 堵效果和解堵效果。岩心损害实验主要测岩心损害前盐水和煤油的 渗透率kw1、ko1。3.5 mpa压力下反向损害岩心120min后，测定盐水的反向渗透率kw2和煤油的正向渗 透率ko2。从而计算出封堵率和渗透率恢复值。评价程序是按照中国石油天然气行业标准sy/t6540- 2002钻井液完井液损害油层室内评价方 法执行的，采用高温高压静态失水仪模拟钻井条件 下以及jhst- iv岩心渗透率梯度测试仪对hwrd钻 井液的储层保护效果进行评价。表5 页岩膨胀性实验岩心初始高度膨胀量膨胀率钻井液类型 (mm) (mm) () 清水5.2561.67631.9hwrd5.3210.4308.1从上述实验结果可以看出，hwrd钻井液滤液对页岩的膨胀率很小，说明hwrd钻井液体系能够 有效的抑制地层以及钻屑的水化膨胀。1.6 保护储层性能评价由于hwrd钻井液具有很高的低剪切速率粘 度，滤失到孔隙介质中的滤失量低，能有效地控制 污染带的深度，阻止固、液相侵入地层（该体系与表6 hwrd钻井液的储层保护效果普通钻井液的污染深度对比如下图），避免对井壁的冲蚀，起到稳定井壁、保护储集层的作用；同时损害前k(103m2)损害后k(103m2)渗透率恢复值(%)封堵率(%)岩样煤油ko2/ko1ko3/ko1ko4/ko1盐水煤油盐水钻井液能在井壁形成内外滤饼，易于破胶hwrdko2ko3ko4解堵。在完井作业的后期，采用化学破胶技术可解除体系在井壁上形成的滤饼，疏通油流通道，能有 效保护储层。由于hwrd钻井液具有很高的低剪切速率粘 度，滤失到孔隙介质中的滤失量低，能有效地控制45#49# g4# ln2#12#15.35133.40.05 114.1122.7130.799.785.5929849.5557.30.0346.653.855.699.981.494971.8612.71.8611.411.8012.57100.089.893.3990.965.90.954.85.385.6699.0 81.391.29613.45128.50.04 109.2 115.60 127.2098.0 85.090.099污染带的深度，阻止固 液相侵入地层（该体系与普、通钻井液的污染深度对比如图2），避免对井壁的冲从表6可以看出，hwrd钻井液对岩心的封堵率接近100%,说明体系具有很好的暂堵能力，能够有 效的阻止固相和液相对储层的侵入，从而更好的保护储层；破胶前渗透率恢复值在80以上，说明钻井蚀，起到稳定井壁、保护储集层的作用；同时hwrd钻井液能在井壁形成内外滤饼，易于破胶解堵。在完井 作业的后期，采用化学破胶技术可解除体系在井壁上 形成的滤饼，疏通油流通道，能有效保护储层。吐 哈 油 气2011 年192液对储层伤害小；破胶后渗透率恢复值在90以上，表明破胶液破胶效果明显，能够有效的解除聚合物 大分子对岩心的损害；破胶后截去岩心损害端1 cm后岩心渗透率恢复值接近100，表明钻井液损害深度浅，在完井后期可用射孔解除。这些都进一步说 明hwrd钻井液对储层基本无伤害，其储层保护性 能好。1.6.2 砂床滤失实验2现场应用目前，水平井弱凝胶钻井液体系已在渤海湾钻水 平井段成功应用，并解决了钻长裸眼水平井段和打开 油气层时所遇到的井眼稳定性差、环空悬砂携砂和 井眼清洁能力差及油气层保护等问题，钻进正常、井 内畅通，下完井管柱 (筛管或尾管)和生产管柱过程 均顺利。如在绥中36- 1区块l平台施工的sz36- 1l18h、 sz36- 1l19h 和 g 平 台 施 工 的 sz36- 1g36h、 sz36- 1g37h、sz36- 1g38h水平井段的使用情况与用 传统的弱凝胶体系在nb35- 2a北侧a9m、a10m对比（1）中压封堵实验选取4060目石英砂模拟储层孔隙度；使用便携式可视渗透中压虑失仪测定砂床滤失量结果（表7）。表9 l平台和g平台与a平台施工数据表7中压滤失量平均机械钻速（m/h）纯钻时间（h）钻井周期（d）设计周期（d）侵泡时间（h）完钻井深 水平段长滤失时间(min)0.69mpa下砂床滤失量（ml)井号实验项目（m）（m）钻井液650c下滚动16 h后保留滤饼，将钻井液换成清水300.02l18h2 229.5230.565.93.492.622.834301.0l19h2 087.0280.071.03.941.292.373g36h2 335.0440.066.06.671.832.464实验结果表明：hwrd弱凝胶钻井液体系，在常温常压下，具有良好的封堵性。本实验所用仪器为 青岛胶南仪器厂生产。（2）高温高压防渗漏实验选取4060目石英砂模拟储层孔隙度；使用便携式可视渗透高温高压 虑失仪测定砂床滤失量结果见表8。g37h2 536.0342.054.76.251.752.464g38h3 452.0311.036.08.642.092.963a9m1 688.0626.030.920.264.254.3524a10m 1 978.0543.045.312.003.713.8032（表9）。（1）现场配方海水+0.4%naoh+0.3%na2co3+0.8%zj- hw- 01+3%zj- hw- 02+3%zj- 02+3%kcl（2）现场配置和维护 开钻时按设计的配方进 行配置胶液，正常钻进过程中，根据地层和钻井液性 能变化情况适当地补充处理剂和胶液来维护钻井液 的性能，以补充新配制的胶液为主，直接处理为辅，使 用 zj- hw- 01 调 节 钻 井 液 屈 服 值 及 切 力 ， zj- hw- 02降低失水，zj- 02提高钻井液抑制性、润 滑性。使用布氏粘度计检测钻井液lsrv数值变化, 使钻井液具有较高的低剪切速率粘度（lsrv40 000mpas），保证钻完井作业顺利完成。（3）水平段钻完井程序 采用海水钻水泥塞，钻 穿水泥塞后替入hwrd钻井液，完钻后转入裸眼完 井作业。整个钻井过程中为三开结构，该三开井段所使用的新型无固相快速弱凝胶钻井液体系，主要性能 见表10。该井整个三开井段钻井顺利，井内畅通，井眼相表8 高压滤失量压力（mpa）滤失时间（min）砂床滤失量（ml）4.21.004.27.51.04.2151.64.2302.0实验结果表明，在井底温度和压力下，hwrd弱凝胶钻井液体系具有较低的滤失量，可以满足渗透 性地层钻井作业的需求，有效地保护储层。实验所用仪器为青岛胶南仪器厂生产。由室内实验结果可知：hwrd钻井液体系具有 独特的流变性：如表观粘度低、动塑比高、低剪切速 率粘度高；良好的抑制性、抗温、抗剪切；失水小，成 膜封堵率高，有效地控制固液相对储层的侵入深度, 泥饼薄，易于清除，快速破胶良好，渗透率恢复值高， 最大限度地减少对储层的损害，保护储层等优点。第 16 卷 第 2 期崔作风，等：水平段弱凝胶钻井液体系的研究及应用193表10l18井hwrd钻井液性能表13产量统计结果井深配产（m3/d）产液量（m3/d）产油量（m3/d）fvavpvypyp/pv6/3flapi lsrv（ml）（mpas）井号（m） (g/cm3) (s) （mpas）（mpas） pa2 0051.0855432617.40.679/73.843 000l18h7097.9795.502 1001.085443.52617.90.6911/93.852 530l19h71102.4398.002 1401.0955442618.40.7112/103.864 520g36h6998.9896.882 2291.095543.52518.90.7612/103.469 890g37h75115.75111.61g38h68102.2398.00表11l平台和g平台时效数据完钻井深（m）平均机械钻速（m/h）纯钻时间（h）钻井周期（d）设计周期（d）储层的效果。井号3结论l18h2 229.565.93.492.622.83（1）hwrd快速弱凝胶钻井液为无固相体系，消除了黏土对油气层的损害，应用于钻油气层的水平 井段。（2）剪切力的时间无依赖性，能有效地阻止岩屑 床的形成，现场结果表明，hwrd弱凝胶钻井液低剪 切速率下的粘度在42 00070 000 mpas内，动塑比0.70左右，很好的解决了水平井的携砂悬砂和清除 岩屑床问题。（3）钻井液性能稳定，在钻进过程中，该钻井液 漏斗粘度能够长时间稳定在一个固定值上，漏斗粘度波动仅在2 s以内，每次起下钻非常顺利，没有出 现增粘、坍塌、拔活塞和下钻不到底等现象。（4）钻进速度快，hwrd无固相弱凝胶钻井液体 系密度低，能大大提高钻头破岩的能力，使钻井效率 明显提高。（5）hwrd快速弱凝胶钻井液现场配置简单、维 护方便，在现场使用过程中过筛性能良好，现场振动 筛布为175210目，没有出现跑浆现象，建议推广应 用。（6）破胶效果好，当破胶剂替入井下后，能够迅速形成对井壁泥饼破胶，随着侵泡时间的延长，井下 漏失量明显增加，2 h后漏失速率大都在27 m3/h， 则说明井下形成的泥饼能快速被破胶剂清除，节约 完井周期。参考文献：l19h2 087.071.03.941.292.37g36h2 335.066.06.671.832.46g37h2 536.054.76.251.752.46g38h3 452.036.08.642.092.96对规则，井壁稳定，净化良好。钻井时效见表11。（4）破胶破胶液替入井下后，破胶随着浸泡时 间延长，井下漏失量变大，井壁上形成的泥饼被破胶液清除，且破胶速度快效果良好。如完井的使用情表12破胶时间段滤失量数据不同井的漏失量（m3/n）浸泡时间（h）l18hl19hg36hg37hg38h10.501.001.200.850.9022.002.502.702.452.3032.604.503.503.204.2044.00/4.985.00/况（表12）。根据投产日报，统计了一段生产时间内的平均 产液量（表13），从表中可以看出，日均产液量均超过甚至大大超过odp配产量，说明hwrd钻井液及其破胶技术在5口水平井中的应用，达到了良好的保护王昌军，张春阳. prd弱凝胶钻井液性能评价与试用效果j. 石油天然气学报，2008，30（6）：143.马 超，赵 林，等. 新型无固相弱凝胶钻井液体系研究 与应用j. 石油天然气学报，2009，3(31):246.王 荐，张 荣. hrd弱凝胶钻井完井液研究与应用j.123吐 哈 油 气2011 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