高钙盐-多元聚合物钻井液应用研究

2010-09-29胡金鹏卢云康刘兴俭乐全为

石油地质与工程 2010年6期

关键词：处理剂膨润土粘土

李剑,胡金鹏,卢云康,刘兴俭,乐全为

(中国石化河南石油勘探局钻井工程公司,河南南阳473132)

高钙盐-多元聚合物钻井液应用研究

李剑,胡金鹏,卢云康,刘兴俭,乐全为

(中国石化河南石油勘探局钻井工程公司,河南南阳473132)

为了解决南阳凹陷魏岗、张店区块中上部地层泥岩分散造浆和泌阳凹陷双江区块井壁掉块垮塌难题,室内通过岩屑膨胀性、分散性实验,优选出一套抑制防塌能力强,配制、维护处理简单的高钙盐-多元聚合物钻井液体系。该体系利用Ca2+,使地层中的蒙脱石等高活性粘土矿物部分转化为低活性的钙土,降低其在钻井液中的分散度;同时选择抗钙、镁能力强的PMHA为絮凝包被剂,使钻井液具有较强的抑制性和防塌能力及良好的流变性。南102井、双平6-1两井的现场试验证明,该体系能较好地解决魏岗区块地层强造浆顽症和江河区块井壁掉块垮塌难题。

高钙盐多元聚合物钻井液;抑制造浆;流变性;低固相;低粘切

河南油田东部老区南阳凹陷魏岗、东庄、张店区块的泥岩地层中含有较高比例的蒙脱石和伊/蒙混层(个别区块蒙脱石含量高达70%),钻井过程中,控制钻屑分散造浆和稳定井壁是钻井液工作的难点;泌阳凹陷双江区块的核三段以上泥岩地层中蒙脱石、伊/蒙混层含量也相当高,钻井液维护处理措施稍有不当,就会诱发井壁失稳、井眼不畅、卡钻、卡电缆、甚至埋钻具等恶性事故。为了解决上述问题,优选配制了高钙盐-多元聚合物钻井液。

1 高钙盐-多元聚合物钻井液作用机理[1-2]

高钙盐钻井液是一种粗分散体系。在钻井液中加入CaCl2和CaO,通过离子交换作用,使高活性蒙脱石、绿泥石部分转化为钙土,降低其分散能力;钙离子压缩粘土颗粒表面的扩散双电层,使水化膜变薄、电位下降,引起粘土晶片面-面和端-端聚结,改变粘土的水化性能,使钻井液中的粘土处于适度絮凝和分散状态;钙离子可与泥页岩中的 SiO2和Al3+结合形成不可水化膨胀的钙铝硅酸盐[3-4],控制粘土的分散、造浆,使钻井液的性能稳定;多元聚合物处理剂还能通过包被作用抑制粘土分散,即同时吸附多个相邻的粘土颗粒,将多个粘土颗粒桥联在一起阻止粘土分散,使岩屑尽可能保持原有形状,有利于固控设备清除。

2 高钙盐-多元聚合物钻井液室内实验及评价

2.1 高钙盐钻井液处理剂选择原则

无论是主处理剂还是护胶剂都应具备良好的抗钙能力,同时护胶剂不能对粘土有过强的分散作用。

2.2 配方确定

经过室内优选,确定高钙盐-多元聚合物钻井液基本配方如下:3.5%膨润土+0.3%PMHA+1.0%GT-98+0.3%CaO+0.8%CaCl2+(0.5～1.0)%GX-1+石灰石粉。该配方钻井液性能见表1。

表1 高钙盐-多元聚合物钻井液性能

2.3 防塌抑制性对比评价

2.3.1 膨胀抑制性评价

将无水石膏和钠膨润土以4∶6的比例混和均匀,称10g混合物在4MPa下压实5min,制成泥膏岩。用NP-01页岩膨胀仪测定结果:泥膏岩样在高钙盐-多元聚合物钻井液(3.5%膨润土+0.3%PMHA+1.0%GT-98+0.3%CaO+0.8%CaCl2)和PAC聚合物钻井液(3.5%膨润土+0.3%PAC141+0.5%PAC142)中的膨胀率分别为27.8%和75.3%,同比下降了47.5%(图1)。

图1 高钙盐体系与PAC体系膨胀率比较

2.3.2 岩屑回收率实验

分别取40g粒径为2.0～2.8mm的V294井(1146～1150m井段)岩样,加入水及PAC钻井液和高钙盐钻井液的介质中,在120℃下滚动16h,用孔径为0.45mm的筛子测回收率。结果清水回收率为17%,PAC聚合物钻井液为57.4%,高钙盐钻井液为93.6%(图2)。

图2 页岩回收率对比试验

从上述实验可以看出:高钙盐-多元聚合物钻井液的抑制防塌能力远优于阴离子聚合物PAC钻井液体系。

3 高钙盐-多元聚合物钻井液现场应用

高钙盐-多元聚合物钻井液分别在评价直井南102井和水平井双平6-1井进行了现场应用,其应用情况及效果如下。

3.1 南102井现场试验情况

该井位于南阳凹陷魏岗鼻状构造南34断块西翼,是一口评价直井,设计井深2200m,完钻井深2250m,实际钻井周期15.81d,平均机械钻速10.88 m/h。

一开采用预水化膨润土钻井液,Φ394钻头钻至206.46m下入Φ273表套至井深205.46m,施工顺利。

二开Φ215.9井眼采用高钙盐-多元聚合物钻井液体系,按照配方:(3.5～4.5)%膨润土+(0.3～0.4)%PMHA+(0.4～0.6)%PAC141+(0.5～1.0)%GT-98+(0.2～0.5)%CaO+(0.5～1.0)%CaCl2+(0.5～1.0)%GX-1+润滑剂(适量),对现场钻井液进行维护、处理其施工过程为:

将一开回收钻井液40m3与1.0%PAC141胶液40m3充分混和均匀后,开始钻水泥塞和快速钻进,启用“三级”净化设备、效果良好,钻至井深815 m,累计补充 35m3PAC141胶液(折合干剂 150 kg),其性能:FV:39s、ρ:1.07g/cm3。在此基础上,进行高钙盐-多元聚合物钻井液转换。用3个循环周期均匀混入30m3含有250kgPMHA和500kg-GT-98及500kgCaCl2和250kgCaO的复合胶液;正常钻进时,每天进尺约200m补充复合胶液25 m3(含 75kgPMHA、150kgPAC141、150kgCaCl2、50kgCaO)进行维护,以确保钻井液内处理剂含量相对稳定,另在井深1200m、1535m和2100m处补充 GT-98各350kg控制滤失量。进入目的层前50m为保护油气层,将API滤失量降至5mL以下,不再补充CaCl2和CaO;整个钻进过程中钻井液性能稳定,起下钻及完井电测、下套管顺利,实钻性能见表2。从中可以看出,钻井液性能及膨润土含量稳定,表明高钙盐-多元聚合物钻井液抑制性较强。该井二开井段井径规则、平均扩大率仅为1.07%,也说明该体系抑制、防塌效果显著。

表2 南102井钻井液性能

1600m以前井段仅用振动筛、除砂器和间断使用离心机,就能把钻井液密度控制在(1.04～1.11)g/cm3的理想范围,与使用 PAC系列钻井液体系施工的邻井南34井相比,其密度平均降低了(0.06～0.08)g/cm3;在井深增加264.60m的情况下,机械钻速由5.07m/h增至10.88m/h,增幅达114.60%,井眼畅通无阻,无任何井下复杂情况;与设计相比,钻井液成本节约46.7%、建井周期提前了14.0d。

3.2 双平6-1井现场试验情况

双平6-1井是泌阳凹陷双江区块第一口水平井,设计井深2135m。与下二门、安棚、井楼等区块己钻水平井相比,存在以下技术难题:①上部泥岩地层极易分散造浆;②中部 H2段泥岩井壁吸水掉块垮塌,采用常规钻井液措施难以奏效,不良井眼状况容易诱发钻具事故,完井电测作业困难;③目的层强渗透性砂岩超采欠压极易粘卡;④油层卡不准,大斜度井段填井侧钻,水泥污染钻井液等,钻井施工难度较大。

3.2.1 直井段(393.29～1594.83m)

采用高钙盐-多元聚合物钻井液体系,配方为:

(3.5～4.5)%膨润土+(0.3～0.4)%PMHA+(0.4～0.6)%PAC141+(0.5～1.0)%GT-98+(0.2～0.5)%CaO+(0.5～1.0)%CaCl2+(0.5～1.0)%GX-1

3.2.2 定向-水平井段(1594.83～2130m)

采用高钙盐-多元聚合物混油钻井液体系,配方为:(4～5)%膨润土浆+(0.1～0.2)%PMHA+(0.4～0.6)%PAC141+(1.0～1.5)%K J- Ⅲ+CaO(适量)+(0.5～1.0)%GX-1+(2.0～3.0)%STF(乳化沥青)+2.0%ZRH-2+(2.0～8.0)%白油+石灰石粉,实钻过程的钻井液性能见表3。

表3 双平6-1井钻井液性能

3.2.3 现场应用效果

易造浆井段没有暴露出严重造浆特性(粘切急剧上升、密度快速上涨等),井壁掉块现象大为缓解,井眼畅通无阻,完井软/硬测井均一次成功(软测仪器下至1970m/78°),下套管固井作业顺利;定向施工井段,钻井液粘切稳定、保持在(55～70)s之间,流型适中、携岩能力强;钻具最大附载保持在上行(50～100)kN/下放(40～60)kN的理想范围;全井施工安全顺利,建井周期提前7.5d。