留西地区钻井液工艺技术.doc

留西地区钻井液工艺技术赵江印1 吴廷银1 商鹏辉1 刘建广1 王芬荣1 赵增春2(1.华北石油管理局第四钻井工程公司，河北晋州；2.华北油田第三采油厂，河北河间)摘要为解决留西地区在钻井过程中出现的严重井壁失稳问题，开展了一系列的研究工作。本文介绍了该地区典型断块的地层特征，分析了发生井壁不稳定的原因，并基于钻井实际需求，通过室内试验，建立了适应于地层特点的钻井液工艺技术。该工艺技术特点是操作简单、维护方便、经济使用。6口井的现场应用表明，所选择的钻井液工艺技术较好地满足了留西地区的钻井要求，取得了良好的应用效果。关键词华北油田井壁稳定抑制性聚合物钻井液工艺留西地区位于华北油田的冀中坳陷饶阳凹陷留西构造带。近年来在该地区钻井发现，埋藏较深的沙河街地层极易垮塌，从而导致大段划眼，甚至卡钻事故的发生。井壁失稳的发生，不但使现场施工变得相当复杂，而且钻井周期延长，钻井费用增加，从而造成了较大的经济损失。通过开展留西地区钻井液工艺技术的研究，建立了适应于该地区地层特点的钻井液工艺技术，6口井的现场应用取得了良好的效果。1 地层特点路43断块就是留西地区典型代表断块之一，以往完成井钻至沙河街地层后井下垮塌严重，划眼困难。其地质分层自上而下依次为平原组、明化镇组、馆陶组、东营组和沙河街组地层。平原组：0330m，岩性为土黄、棕黄色粘土及未成岩流砂。岩性疏松，成岩性差。明化镇组：3301550m，岩性为棕红色泥岩、浅灰色砂岩、含砾砂岩不等厚互层。岩性较软，可钻性较好。馆陶组：15502030m，岩性以浅灰色砂岩、棕红色泥岩为主，底部为杂色砾岩。杂色砾岩易发生漏失。东营组：20302280m，岩性为紫红色泥岩、灰绿色泥岩、浅灰色砂岩不等厚互层。泥岩造浆性较强。沙河街组：22803650m，上部地层岩性以紫红色、灰色泥岩、浅灰色、灰白色砂岩为主；中部地层岩性以紫红色泥岩夹薄层浅灰色细砂岩、局部有绿灰色泥岩为主；下部地层岩性以绿色、深灰色泥岩、灰褐色油页岩、泥灰岩夹浅灰色细砂岩为主。泥岩、油页岩易水敏垮塌。路43井是该断块开发的第一口井，该井钻至沙河街地层、井深2933米起钻后，下钻至井深2763米遇阻划眼至井底；钻至3086米起钻后，下钻至2800米遇阻划眼，划眼过程中发生严重垮塌，曾先后两次发生卡钻。尽管该井曾先后四次申请提高钻井液密度，并加入ZHF防塌剂8.5t、NSHmK防塌剂5t、FT342防塌剂3t、醋酸钾防塌剂0.8t，但在施工过程中每次下钻至沙河街地层时几乎都要遇阻划眼，并且划眼相当困难。完井后电测资料表明，该井沙河街组地层的最大井径扩大率达135.5，平均井径扩大率达43。2井壁不稳定原因分析通过对近年来留西地区完成井资料以及对路43井地层粘土矿物组分分析认为，导致该地区井壁不稳定的原因如下：2.1 存在水敏性极强的岩层是发生井壁不稳定的主要原因从留西地区已完成的、沙河街地层埋藏较深的探井留462、留423、路43、路44等井的实钻情况来看，在沙河街组地层均出现井壁大量掉块和垮塌现象,而易垮塌井段主要为灰绿色硬脆性和紫红色较松散这两种泥岩。从路43井易塌段地层粘土矿物组份分析看出：从2602米开始至3763米，粘土矿物中蒙皂石含量逐渐降低（由69降至22）,伊利石的含量逐渐增加（由20升至55），特别是伊/蒙混层的含量较高（35以上，最高达65）。钻遇该层位后，由于蒙皂石吸水后膨胀，按层理产生较多的微裂缝，进而从裂缝处剥落掉块；伊利石吸水后不膨胀，而伊/蒙混层微裂缝发育，当钻井液滤液进入微裂缝后，由于矿化度的巨大差异，造成微裂缝附近的蒙皂石部份吸水膨胀，内应力逐步增大，当内应力增大到一定量后，就发生较大面积的坍塌，而这种坍塌具有周期性。2.2 地层压力异常，钻井过程中形成负压钻进是造成井壁不稳定的重要原因留西地区的地层压力梯度一般不超过1.17 MPa/100m，但相邻区块、相同层位的地层压力差异较大，而留462井、路43井经试油测试存在1.27 MPa/100m以上的异常高压。从实钻资料来看，路43井最高设计密度为1.28g/cm3,实钻过程中钻至3086米井壁垮塌严重，综合录井也发现欠压实地层的存在。该井曾先后四次提高钻井液密度以平衡地层压力，最终将钻井液密度提高至1.37 g/cm3才勉强完井。由此可见，留西地区的地层压力异常，准确预测地层压力困难，钻井过程中形成负压钻井是导致井壁不稳定发生的原因之一。2.3 地层水矿化度高，钻井液滤液与地层水配伍性不好，是造成井壁不稳定的原因之一经过调查，留西地区沙河街地层水基本为CaCl2水型，而且矿化度较高，最高达70000mg/L。由于测井及录井要求配浆用水为淡水，其矿化度很低，与地层配伍性差，钻井液滤液进入地层后很容易造成地层吸水膨胀和垮塌。综上所述，留西地区东营以下地层存在异常高的地应力和次生应力，而同时岩石的水敏性极强，这两种因素的共同作用是造成留西地区井壁不稳定的主要原因。3 留西地区钻井液实施方案3.1 技术路线针对留西地区探井施工中出现的问题，开展了邻井地层压力系统的统计分析、地层水物性分析以及地层粘土矿物组份的分析，从而确定解决留西地区井壁不稳定问题的技术途径：依据地层坍塌压力和破裂压力确定合理的钻井液密度合理的钻井液密度是力学上保证井壁稳定的关键。提高钻井液的密度，一方面可以降低井眼围岩的应力，有利于井壁稳定，但同时又会导致钻井液滤失量增大，加剧泥页岩的水化，从而加剧井壁垮塌，尤其是留西地区沙河街地层的泥页岩中伊/蒙混层含量较高，微裂缝发育，更应控制合理的钻井液密度。从已完成的探井分析来看，完井最高钻井液密度控制在1.38g/cm31.40 g/cm3比较合理。提高钻井液的抑制能力，同时，保持良好的流变性能。采用封堵技术，提高钻井液造壁性能；严格控制高温高压滤失量，减少滤液的侵入。既有利于井壁稳定，又有利于油气层保护。搞好钻井液维护处理，保持钻井液性能相对稳定。3.2 钻井液方案制订由于留西地区的井相对较深，井底温度高，地层压力系统复杂，且裸眼段长，再加之上部井段造浆较强，下部井段垮塌严重。因此，对钻井液工艺提出了更高的要求。钻井液体系的选择近年来在该地区使用的钻井液体系有两类：一类是聚合物钻井液体系；另一类是有机黑色正电胶钻井液体系。虽然这两类钻井液体系都具有一定的防塌能力，但前一类钻井液的抗温能力以及抑制能力均强于后者。因此，选用聚合物钻井液体系比较适应地层特点。聚合物钻井液体系的主体聚合物（包被剂）常用的有PAC141、KPAM和PHMA，辅助聚合物以NPAN为主。用路43井2890米的岩芯在120、滚动16h的条件下进行岩屑滚动回收率试验表明，5膨润土0.3KPAM0.7NPAN的岩屑滚动回收率最高。比5膨润土0.3PAC1410.7NPAN的岩屑滚动回收高2.7个百分点；比5膨润土0.3PHMA0.7NPAN的岩屑滚动回收高4个百分点。因此，在辅助聚合物处理剂加量相同前提下，分子量最大且含有一定钾离子的KPAM抑制性最好，故使用KPAMNPAN聚合物钻井液体系。抗高温降滤失剂的选择根据多年来使用聚合物钻井液的经验，在钻井液中加入一定量的磺化处理剂，有利于增加钻井液的抗温能力和改善泥饼质量。室内试验表明，钻井液中加入1左右的SPNH和SMP，高温高压滤失量的降低率近50，且泥饼质量明显改善。防塌剂的选择优选适应地层特点的防塌剂是封堵和解决水敏性地层的关键。室内试验表明，新型防塌剂BYL的防塌效果较好。防塌剂的对比试验详见表1。表1 防塌剂对比试验结果序号钻井液配方PVmPasYPPaFLmLFL HTHPmL滚动回收率，120、滚动16h1清水17.02聚磺基浆19128.41671.03基浆2NSHmK17116.413.080.04基浆2FT10318127.414.082.05基浆2FT34218117.613.879.56基浆2SBI17117.814.085.57基浆2ZFJ18106.214.082.58基浆2BYL18115.012.089.55经过大量室内试验，我们确定钻井液体系的基本配方为：清水5膨润土0.30.5KPAM0.50.8NPAN1SMP2BYL。4 现场应用及效果4.1 钻井概况 路43断块完钻井深一般在33983650m，目的层为沙河街地层。应用的6口井，二开后的裸眼段均在3200m以上，其中定向井5口，井斜角在1523.7、水平位移在449668m。一开采用445mm钻头钻至井深196298m，下入340mm表层套管；二开采用216mm钻头钻至设计井深，完钻后下入140mm油层套管。4.2 维护处理要点一开采用预水化膨润土浆开钻，确保表层套管顺利下入。二开搞好预处理，尤其是要加足NPAN和KPAM，有效地控制地层造浆。上部地层以NPAN和KPAM维护为主，下部地层配合SMP维护，提高钻井液的抗温能力，改善泥饼质量。进入沙河街地层前加入防塌剂BYL，并保持其在钻井液中的有效含量达2以上，提高钻井液的防塌能力。钻井过程中根据井下情况及钻井液摩阻系数大小及时加入液体润滑剂防卡，如果钻机负荷加重可适当补充固体润滑剂塑料球，完井电测及下套管前各加入0.5t塑料球，确保施工作业顺利。进入油层前150米左右加入2超细碳酸钙、2油层保护剂以及防塌剂对油层进行屏蔽暂堵，将油层保护和防塌工作相结合，控制API滤失量5mL，HTHP滤失量10mL，从而达到良好的应用效果。进入沙河街地层逐渐将钻井液密度提高至1.351.36 g/cm3，确保平衡地层压力。同时，及时补充防塌剂，并严格控制高温高压滤失量，保持井壁稳定。 表2 路43断块钻井液性能井深 FV FL Gel PV YP FLHTHP m g/cm3 s mL Pa/Pa mpas Pa mL1000 1.10 32 8 0/0.5 6 2 1550 1.13 35 7 0.5/1 10 3.52280 1.20 39 5.5 1/3 13 52610 1.32 48 5 2/4 16 7 103000 1.36 50 4.5 3/5 20 8 9.23650 1.40 58 4 3/5 25 11 84.3 应用效果解决了井壁不稳定引起的井壁垮塌问题先期完成的路43井钻遇沙河街地层后垮塌严重，曾先后七次下钻至沙河街地层后划眼，其中划眼最长井段达688.33m，并且划眼相当困难。该井最大井径扩大率达135.5，易塌层的平均井径扩大率达43；而目前完成的6口井除2口井有轻微的划眼外，其余4口井均无划眼的发生，且最大井径扩大率小于15，易塌层的平均井径扩大率小于10。尤其值得提出的是路43-28X井的井径相当规则，易塌层的平均井径扩大率只有6.9钻井、建井周期明显缩短由于解决了井壁垮塌问题，划眼损失时间明显减少，完井电测成功率提高了33个百分点，再加之工程技术水平的提高，钻井周期缩短了近一半。井下安全，事故复杂减少没有因井壁不稳定问题，而导致井塌卡钻以及大段划眼的发生。钻井液使用简单，维护方便在常用聚合物钻井液的基础上，选用适应于地层特点的防塌剂，现场施工简单、操作方便、经济使用。5 认识与建议1.压力系统异常是发生井壁不稳定的重要因素。留西地区个别区块的压力系统异常，若钻井液密度不能平衡地层压力，极易发生井壁不稳定，因此，钻井过程中必须保持正压差钻井。留西地区路43断块进入沙河街地层后钻井液密度应控制在1.351.36g/cm3，完钻钻井液密度应控制在1.40g/cm3左右。2.特殊的粘土矿物组分是发生井壁不稳定的主要因素。留西地区沙河街地层粘土矿物的蒙皂石伊蒙间层（无序有序）伊利石的沉积变化及其不均质性是发生井壁不稳定的重要根源。钻进过程中必须选择适应地层特