聚胺钙盐润滑防塌钻井液在胜利单18区块的应用.pdf
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1、天 然 气 勘 探 与 开 发 NATURAL GAS EXPLORATION AND DEVELOPMENT 58 2023 年 6 月 第 46 卷 第 2 期聚胺钙盐润滑防塌钻井液在胜利单 18 区块的应用邱春阳1周建民2朱福军1王 伟1秦 涛1刘 伟11.中石化胜利石油工程有限公司钻井液技术服务中心2.中石化胜利石油工程有限公司渤海钻井公司摘要单 18 区块位于济阳坳陷东营凹陷滨县陡坡构造带。为提高该区块勘探开发效率及效益,保证钻井过程中井壁稳定,针对该区块地层岩性特点及施工中钻井液技术难点,确定了强抑制、强封堵、活度平衡三元协同稳定井壁钻井液技术思路,据此优选胺基聚醇、多级配封堵剂及
2、氯化钙等钻井液处理剂,研发了聚胺钙盐润滑防塌钻井液体系。评价实验表明,该体系流变性及润滑性好,抑制性及封堵性强,能够满足定向钻井的要求。聚胺钙盐润滑防塌钻井液体系在单 18 区块 8 口井进行了现场应用,应用结果表明:辅助现场钻井液施工工艺,满足了工程上安全顺利钻井的需求,体系应用井钻进过程中井壁稳定,解决了沙河街组油泥岩水化失稳和砂岩地层孔缝失稳而导致的井壁坍塌问题;体系应用井的井眼净化效果好,定向过程中摩阻和扭矩低,解决了该区块定向过程中存在的润滑防卡难题;体系应用井和前期已完钻井相比,平均完井周期缩短 27.08%,平均机械钻速提高 23.23%,平均井径扩大率降低了 34.82%,更好
3、地达成了优质高效钻井的目标。关键词单 18 区块井壁稳定聚胺钙盐强抑制强封堵机械钻速DOI:10.12055/gaskk.issn.1673-3177.2023.02.008Polyamine calcium salt drilling fluid with lubricating and anti-collapse functions and its application to Shan 18 block,Shengli oilfieldQIU Chunyang1,ZHOU Jianmin2,ZHU Fujun1,WANG Wei1,QIN Tao1,and LIU Wei1(1.Dril
4、ling Fluid Tech-Service Center,Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Dongying,Shandong 257000,China;2.Bohai Drilling Company,Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Dongying,Shandong 257000,China)Abstract:Shan 18 block is located in Binxian steep-slope structural belt,Dongying sag,Ji
5、yang depression.In order to improve its exploration and development efficiency and benefits in this block as well as ensure wellbore stability,a technical idea for stabilizing drilling fluid at the wellbore was proposed through a three-element(strong inhibition,strong plugging and activity balance)c
6、oopera-tion with regard to natures in formation lithology and technical difficulties in drilling-fluid operation.Accordingly,treatment agents of drilling fluid like amino polyalcohol,multi-graded plugging agent and calcium chloride were selected to prepare the polyamine calcium salt drilling-fluid s
7、ystem with lubricating and anti-collapsing functions.Evaluation experiments show that,this system boasts good rheology and lubricity,strong inhibition and plugging performance,meeting requirements of directional drilling.Moreover,it has been applied to 8 wells in this block.Application results revea
8、l that(i)the system can assist on-site drilling-fluid operation to ensure safe and smooth drilling with stable wellbore,thus avoiding wellbore collapse due to instability in sandstone of Shahejie Formation in-duced from oil-shale hydration and coexistence of pores and fractures;(ii)better hole clean
9、ing effects and low friction and torque can be achieved in those wells employed the polyamine calcium salt drilling-fluid system during the directional drilling without lubricating and anti-sticking problems occurred;and(iii)compared with the other drilled wells,the average completion period reduces
10、 by 27.08%for the wells employed the polyamine calcium salt drilling-fluid system,the average ROP enhanced by 23.23%,and the average hole enlargement rate decreased by 34.82%,indicating a better performance in quality and efficient drilling.Key words:Shan 18 block;Wellbore stability;Polyamine calciu
11、m salt;Strong inhibition;Strong plugging;ROP作者简介:邱春阳,男,1978 年生,高级工程师,硕士;主要从事钻井液体系研究和废弃钻井液处理工作。地址:(257000)山东省东营市东营区德州路 369 号。E-mail:邱春阳等:聚胺钙盐润滑防塌钻井液在胜利单 18 区块的应用 59 2023 年 6 月 第 46 卷 第 2 期0引言胜利油田单 18 区块位于济阳坳陷东营凹陷滨县陡坡构造带,储层位于沙四段,油气埋深约 2 500 m,是胜利油田油气储量丰富的浅藏油气区。为完善该区块主体注采井网,提高储量控制程度和油气藏采收率,设计采用二开定向井方式钻
12、进。由于地质构造复杂,而前期 6 口井钻井使用的聚合物润滑防塌钻井液体系与地层岩性不匹配,导致钻进过程中复杂情况时有发生,严重滞缓该区块的勘探开发进程。国内浅层大位移井1-8和水平井9-15主要使用聚合物润滑防塌钻井液体系、聚合醇防塌钻井液体系及有机胺强抑制防塌钻井液体系施工,使用聚合物大分子、聚合醇或胺基抑制剂来抑制泥页岩的水化分散,采用超细碳酸钙封堵地层孔隙和微细裂缝,保证井壁稳定。借鉴其经验,优选胺基聚醇、单向压力封闭剂和多级配封堵剂等防塌剂,采用氯化钙调节水活度,研发了聚胺钙盐润滑防塌钻井液体系,并在单 18 区块8 口井进行了现场应用,施工中井壁稳定,钻井周期短,机械钻速高,取得了优
13、快钻井的良好效果。1单 18 区块地质及钻井工程概况单18区块地层自上而下发育平原组、明化镇组、馆陶组、沙一段、沙三段、沙四段和太古界前震旦系,地层缺失沙二段和东营组。单 18 区块油气埋深约 2 500 m,设计二开制井身结构,定向采用直斜稳 轨迹。一开用 346.1 mm 钻头钻至井深 250.00 m,下 入 273.1 mm 表 层 套 管 至 250.00 m;二 开 用215.90 mm钻头开钻,在井深约400.00 m进行造斜,钻至设计井深完钻,下入 139.70 mm 油层套管。2制约优快钻井之钻井液技术难点在单 18 区块的钻井过程中,钻井液体系若与地质条件不匹配,必将制约优
14、快钻井。钻井液体系设计所面临的技术难点如下。1)明化镇组及馆陶组发育较厚,泥岩中黏土矿物含量高,易吸水膨胀分散,轻则黏土水化后分散在钻井液中,造成钻井液黏切增高,恶化钻井液流变性;重则钻井液中的固相黏附在渗透性强的砂岩井壁上,井眼变小,造成起下钻遇阻,严重阻碍钻井施工进程。2015 年以前采用清水大循环钻进,依靠大排量冲刷井壁,确保大井径,能够保证施工顺利。2015 年新环保法实施后,要求井队采用泥浆不落地技术,禁止废弃钻井液排入大循环池,钻井液必须在泥浆罐中循环,施工难度增大。2)沙一段岩性以泥岩和油泥岩为主,油泥岩易吸水膨胀,产生剥蚀掉片及掉块,造成起钻遇卡、下钻遇阻,被迫反复划眼,严重滞
15、缓施工效率,增加施工成本。沙三段上部主要以砂岩为主,孔隙及微细裂缝发育,前期使用的聚合物润滑防塌钻井液体系封堵性差,不能在近井壁地带形成严密的封堵层,致使钻井液滤液在压差及毛细管力的作用下渗入孔隙及微细裂缝,继而在“水力尖劈”作用下导致滤液向孔隙及裂缝的深部扩展,加剧井壁坍塌。3)单 18 区块钻井工程设计为二开制定向井,在井深约 400 m 开始造斜,上部地层松软,机械钻速快,钻进过程中定向轨迹不易控制;砂岩地层渗透性强,容易形成虚厚泥饼,定向过程中容易造成“托压”,轻则在定向钻进过程中产生大的摩阻和扭矩,重则导致钻压不能传递到钻头上,降低施工效率;二开裸眼长达 2 000 m,钻井液润滑防
16、卡及井壁稳定技术难度大。4)根据单 18 块取心井及电测成果进行孔隙度和渗透率统计分析,沙三下和沙四上亚段储层总体上表现为中孔隙度、中低渗透率的特征;根据区块内多口井地层水取样分析,区块水型均为氯化钙型。前期开发中使用聚合物润滑防塌钻井液体系,由于钻井液体系滤液和储层流体不配伍,造成储层渗透率降低,影响油气井产能,钻井液储层保护技术难度大。3钻井液体系研究3.1钻井液体系优选思路根据单 18 区块地层岩性和钻井液技术难点,总结前期开发中钻井液体系施工经验,确定了强抑制、强封堵、活度平衡三元协同稳定井壁钻井液技术思路,选择的钻井液体系必须符合以下要求。1)抑制性强。钻井液体系需要具备强抑制性,不
17、但能够抑制上部易造浆地层中黏土矿物的水化膨胀,而且能够对下部地层中的油泥岩具有很强的抑制作用,防止泥岩水化,保证井壁稳定。因此,优选胺基聚醇作为抑制剂。胺基聚醇16-19中的胺基能够嵌入黏土矿物晶层之间,阻止钻井液滤液中的水分子进入,防止黏土矿物膨胀分散;并且胺基聚醇的抑制作用具有长效性。邱春阳等:聚胺钙盐润滑防塌钻井液在胜利单 18 区块的应用 60 2023 年 6 月 第 46 卷 第 2 期2)封堵性好。钻井液体系能够在井壁上形成薄、韧而致密的泥饼,一则能对上部疏松地层进行封堵,防止形成虚厚泥饼而使定向过程中摩阻和扭矩增高;二则能对沙河街组地层进行封堵,防止钻井液滤液渗入孔隙及微细裂缝
18、中而导致井壁坍塌。因此,采用单向压力封闭剂和多级配封堵剂作为体系的防塌剂。多级配封堵剂20-21由纳米至微米级的刚性粒子和柔性粒子复配而成,其中的柔性粒子在压力作用下可变形,配合单向压力封闭剂,能对不同形状及不同直径大小的孔隙和微细裂缝进行封堵,防止钻井液滤液渗入地层,保护井壁稳定,并保护储层。3)储层保护性好。区块内多口井地层水取样分析显示,地层水总矿化度为 2 000 7 000 mg/L,水型为氯化钙型。要求施工中使用的钻井液体系和储层流体配伍性好,防止储层受钻井液体系污染而损害油气层,造成储层渗透率下降,降低油气产量。因此,采用氯化钙调节水活度,调节钻井液滤液中的氯化钙浓度,使之和地层
19、水中的氯化钙浓度相平衡,防止钻井液滤液中的水分子渗入地层,即通过活度平衡机理22-23防止井壁坍塌,并保护储层免受流体污染。3.2钻井液体系配方根据单 18 区块钻井液技术难点和钻井液体系优选思路,结合邻井钻井液体系施工经验,经过体系配方优化,形成了聚胺钙盐润滑防塌钻井液体系,配方如下:3.0%4.5%膨润土 0.2%0.3%烧碱 NaOH 0.2%0.4%聚丙烯酰胺 PAM 0.5%1.5%胺基聚醇 2.0%3.0%抗温抗盐防塌降失水剂 1.0%2.5%磺化酚醛树脂 1.0%1.5%单向压力封闭剂 1.5%3.5%多级配封堵剂2.0%4.0%油基润滑剂 1.5%2.5%固体润滑剂 2.5%4
20、.0%氯化钙3.3钻井液性能评价3.3.1常规性能评价聚胺钙盐润滑防塌钻井液常规性能评价参数见表 1。由表 1 看出,该钻井液体系流变性好,高温高压滤失量低,并且钻井液动塑比(即动切力与塑性黏度之比)不低于 0.5,说明钻井液体系悬浮携带能力强,能够满足定向过程中井眼净化的要求,可防止形成岩屑床。表 1常规性能评价表密度/(gcm-3)实验条件塑性黏度/(mPas)动切力/Pa动切力/塑性黏度/Pa(mPas)-1静切力/(PaPa-1)API 滤失量/mL高温高压滤失量/mL(120)1.14室温147.00.502.0/5.52.29.0120 /16 h179.00.533.0/6.02
21、.01.50室温2714.00.525.0/9.02.08.0120 /16 h2915.00.526.0/10.51.63.3.2抑制性能评价采用线性膨胀实验和岩屑回收率实验,对聚胺钙盐润滑防塌钻井液体系的抑制性进行对比评价,结果如表 2 所示。从表 2 可知,与清水、聚合物润滑防塌钻井液相比,聚胺钙盐润滑防塌钻井液 16 h岩心膨胀高度为 1.42 mm,岩屑回收率高达 89.6%,两项指标均明显优于另两种实验介质,说明聚胺钙盐润滑防塌钻井液体系抑制性强,能够预防泥页岩水化分散,保持井壁稳定。3.3.3封堵性能评价采用高温高压可视砂床实验,对聚胺钙盐润滑防塌钻井液体系的封堵性能进行对比评价
22、。实验使用粒径为 60 90 目的石英砂作为过滤介质,表 2抑制性能评价表实验介质16 h 岩心膨胀高度/mm岩屑回收率清水3.9747.0%聚合物润滑防塌钻井液2.5368.0%聚胺钙盐润滑防塌钻井液1.4289.6%加入配制好的钻井液,加温至 120,然后加压至 3.5 MPa,测量较短时间内钻井液侵入砂床的深度,以检验钻井液的封堵能力,结果见表 3。如表3 所示,聚胺钙盐润滑防塌钻井液体系在高温高压下 15 min、30 min 侵入砂床的深度分别为 3.8 cm、5.6 cm,远低于聚合物润滑防塌钻井液体系相对应邱春阳等:聚胺钙盐润滑防塌钻井液在胜利单 18 区块的应用 61 2023
23、 年 6 月 第 46 卷 第 2 期表 3封堵性能评价表实验介质钻井液侵入砂床深度/cm15 min30 min聚合物润滑防塌钻井液6.411.4聚胺钙盐润滑防塌钻井液3.85.6制在 3.0 mL 以内;进入沙四段油气层,中压滤失量降低至 2.0 mL 以内,减缓泥页岩水化,保护油气层。4)抑制性控制:馆陶组以上地层中黏土矿物含量高,需要强化钻井液体系的抑制性,胺基聚醇的含量控制在 1.0%,聚丙烯酰胺含量控制在 0.35%以上;进入沙河街组,黏土矿物含量降低,胺基聚醇含量控制在 0.5%,聚丙烯酰胺含量控制在 0.2%;全井保证氯化钙含量在 3.0%,定期监测,及时补充。5)封堵性控制:
24、上部地层疏松,加入 1.5%单向压力封闭剂,封堵多孔隙砂岩地层,防止形成虚厚泥饼;馆陶组底部,地层逐渐压实,孔隙和微裂缝变小,加入 2.0%多级配封堵剂和 0.5%单向压力封闭剂,封堵微纳米级孔隙和裂缝,防止钻井液滤液渗透,保证井壁稳定。6)润滑性控制:造斜前,加入 1.5%油基润滑剂,保持钻井液体系的润滑性;随着斜井段的增长,根据定向过程中摩阻和扭矩的变化情况补充润滑剂,不断增强钻井液的润滑性,保证定向施工顺利。7)流变性控制:上部地层钻进中,控制钻井液体系以低黏度低切力流型钻进,漏斗黏度控制在40 s 左右;造斜后,逐渐提高钻井液黏度和切力,漏斗黏度逐渐提高至 50 s 左右,以增强钻井液
25、体系的悬浮携带能力,净化井眼。8)钻井液密度控制:上部地层钻进过程中,钻井液密度控制在自然密度内;进入沙河街组,逐渐提高钻井液密度至设计中限;至沙三段后,逐渐提高钻井液密度至设计上限,保证井眼的力学平衡。9)固相控制:合理使用固控设备,上部地层钻进过程中,振动筛、除砂器、离心机和除泥器使用率达到 100%,最大限度降低钻井液中的固相含量;随着稳斜段的增长,钻井液密度提高,间断开动离心机,除去钻井液中的劣质固相,保持钻井液流变性。10)工程措施:上部地层钻进,控制泵排量在36 L/s,提高钻井液的环空上返速度,适当冲刷井壁,保证井眼扩大率,防止缩径;定向时,适当降低排量,保证定向轨迹圆滑顺畅;随
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