钾铵基聚合物钻井液抑制性研究

2015-01-01王智洪

钻探工程 2015年7期

徐波，王智洪

(1．中石化华北石油工程有限公司西部分公司，河南新乡453000;2．中石化华北分公司工程技术研究院，河南郑州450006)

0 引言

大牛地气田钻井揭露的地层有第四系，白垩系志丹群，侏罗系安定组、直罗组、延安组，三叠系延长组、二马营组、和尚沟组、刘家沟组，二叠系石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组，石炭系太原组、本溪组，奥陶系上马家沟组，钻井平均揭露地层厚度3000 m。石盒子组发育泥岩，钻井过程中常发生缩径以及“大肚子”的情况，直接影响工程进度。如2012年实施的DPS－8井，在石盒子组造斜井段钻遇泥岩，发生遇阻，测井前通井遇阻，直接损失时间达90.5 h。因此，解决好石盒子组泥岩井壁稳定问题，是大牛地气田水平井实现优快钻完井的重要保障。

国内学者对泥岩井壁问题进行了大量研究［1－4］，认为井壁稳定是复杂的力学与钻井液化学耦合问题，从钻井液方面来说，维护井壁稳定主要是控制好钻井液密度、提高钻井液抑制性和封堵性。本文主要从钻井液抑制性方面入手，提高钾铵基聚合物钻井液维护井壁稳定能力。

1 石盒子组泥岩段失稳机理分析

1．1 石盒子组粘土矿物及含量

选取大牛地气田石盒子组3个层位的代表性岩样进行了粘土矿物的抽提，并进行了X衍射分析，分析结果如表1所示，该区粘土矿物总含量较小，不超过10%，主要的粘土矿物类型有伊利石、高岭石、绿泥石以及伊蒙间层矿物，伊利石和高岭石相对含量最高，绿泥石次之，伊蒙间层矿物相对含量最低。

表1 石盒子组储层岩石粘土矿物含量XRD分析结果

1．2 石盒子组泥岩段失稳机理分析

钻井过程中引起井壁失稳的原因主要有2个方面:一是钻井液密度低，钻井液液柱压力低于地层孔隙应力，难以支撑力学不稳定地层;二是钻井液液柱压力高于地层孔隙应力，驱使钻井液进入泥页岩孔隙，产生压力穿透效应，使井眼附近的泥页岩含水量增加，孔隙压力增大，泥页岩强度降低。由后一种地层不稳定因素引起井壁失稳的原因是钻井液中的滤液进入泥页岩地层后在引起的泥页岩膨胀力和泥页岩的运移，它也是最受关注的井壁稳定问题。这是因为钻井液侵入泥页岩地层后会导致泥页岩地层3个方面的变化:(1)钻井液压力侵入，孔隙压力升高，减少有效应力;(2)膨胀力升高(如:由于粘土层发生阳离子交换)，有效应力下降;(3)粘土矿物粘结键的化学改变及减弱。它的影响可能通过调节泥页岩强度及破坏如内聚力及摩擦角等参数而引起井壁失稳。

石盒子组泥岩段井壁失稳也正是如此。以DPS－8井为例，钻井液液柱压力高于地层孔隙压力，在泥岩和砂岩过渡带渗透率较大，钻井液大量滤液长驱直入进入该层孔隙。由于滤液抑制性不足，造成粘土矿物膨胀、分散、运移、剥落，在工程上表现为缩径，超过一定时间而剥落，最后形成“大肚子”井眼。导致通井遇阻，钻具不能到底而进入“大肚子”内，反复划眼通过，但也损失大量时间。

在钻井过程中钻遇泥页岩地层时，当钻井液滤液侵入泥页岩中，使泥页岩膨胀力降为零和最大限度减少钻井液滤液在泥页岩中的运移是钻井液具有优越抑制性的目标。具体做法就是减小钻井液滤失量，保证钻井液滤液具有足够的抑制性，侵入该层的钻井液和其中的流体、岩石配伍而降低泥页岩膨胀力。因此，对钻井液抑制性的研究具有循序渐进的现实意义。

2 钾铵基聚合物钻井液优选实验研究

2．1 泥页岩抑制剂单剂的优选

泥页岩中引起粘土水化膨胀的矿物主要是蒙脱石和混层矿物。现场提供钻屑和碎岩心的数量有限，且干扰大。因此采用人造岩屑进行实验分析，放大蒙脱石以及伊蒙混层矿物含量进行线性膨胀率实验和滚动回收率实验。常用的粘土稳定剂有KCl、KPAM、KPAN、CHM、XYL －1、SINT，其类型可简单的分为提供K+和阳离子型抑制剂。不同浓度的粘土稳定剂对蒙脱石的抑制能力不同，实验研究表明，KCl、SINT、KPAM、KPAN、CHM、XYL －1 浓度分别在8%、2%、0.2%、1%、0.3%、1%具有最佳抑制效果。不同优选抑制剂对实验样品的线性膨胀率如表2所示。不同泥页岩抑制剂对钠蒙脱石矿的抑制效果由好依次递减的顺序是8%KCl＞2%SINT＞0.2%KPAM＞1%KPAN ＞0.3%CHM ＞1%XYL－1，对实验样品1(高伊/蒙间层)2%SINT＞0.3%CHM＞1%XYL－1＞8%KCl和0.5%KPAM＞1%KPAN。

表2 抑制剂优选实验结果

2．2 线性膨胀率实验评价

泥页岩抑制剂单剂评价是形成性能更优的钻井液配方的基础，但是综合性能才是钻井液配方的根本。通过钻井液配方的线性膨胀率，确定最佳配方更能有助于在目前现场钻井液配方的基础上，提高钻井液的抑制性，再进行滚动回收率的研究，进一步证实钻井液具有良好的抑制性。改进前后钻井液配方线性膨胀实验结果如表3所示。由实验结果可知，在改进前后的钻井液中加入一定量的抑制剂后，对蒙脱矿和高含伊蒙混层样品1的线性抑制性均得到增强。然而，改时后的B+0.3%KPAN在后续的滚动回收率实验中有良好表现。

2．3 滚动回收率实验研究

滚动回收率是评价在一定温度、时间和5 r/min条件下对泥页岩的抑制效果，即研究在一定热稳定性条件下对泥页岩的抑制效果。二次回收率是研究钻井液中泥页岩抑制剂在钻屑表面的吸附效果，它能更好地表达泥页岩抑制剂对泥页岩的抑制作用。实验结果如表4所示。由表可知，改进后的钻井液配方的一次、二次回收率比改进前的钻井液配方均有较大程度的提高，在改进后的配方中加入0.3%KPAN，体系的一次回收率达到最大值88.9%，二次回收率也有较好显示。

通过由线性膨胀率、滚动回收率实验研究钻井液配方性能，改进后的钾铵基聚合物钻井液性能稳定(见表5)、抑制性明显增强。线性膨胀率由59.73%下降到30%以内(见表3);页岩一次滚动回收率由47.7%上升到88.9%，二次回收率由4.3%上升到33.9%(见表4)。改进后的钾铵基聚合物钻井液体系抑制性均得到很大程度的改善。

表3 改进前后钻井液配方线性膨胀实验结果

表4 改进前后钻井液配方滚动回收率实验结果

表5 改进前后钻井液配方性能

3 钾铵基聚合物钻井液现场应用

3．1 钻井液参数优化

根据大牛地气田地层特性以及实钻情况，分段优化设计了水平段水平井的钻井液参数，避免井壁冲刷形成坍塌，并适当降低当量循环密度，避免产生压力“激动”。严格控制斜井段和水平段钻井液失水，防止地层含水量的快速升高，延长井壁坍塌周期，有效稳定井壁。DPH－17井分段设计如表6所示。

表6 DPH－17井分段钻井液性能及流变参数

3．2 钻井液技术措施

为了保证钾铵基聚合物钻井液具有较好的应用性能，在具体钻进过程中，应做到以下几点。

(1)调整好钻井液性能，物理防塌和化学防塌并重，做到低失水、高矿化度、高滤液粘度、适当密度和粘度，有效地控制钻井液中自由水向地层渗透，严禁负压钻进。

(2)钻入易塌层段前，按钻井液设计要求加入防塌剂，以后钻进中要注意不断补充。

(3)起钻必须连续向井内灌入钻井液，保持液柱压力。

(4)起钻遇阻，应下放钻具到畅通井段开泵重新循环，避免因抽吸引起井塌。

(5)钻进中发生泵压升高、悬重下降、扭矩增加时应停止钻进，及时上提钻具到畅通井段循环处理泥浆，采取冲、通、划的方法处理。

(6)应避免长时间定位循环，循环时避开井塌层段。

(7)因井塌造成起钻遇卡，不能强提，要开泵活动钻具，解卡起出后下钻划眼，处理阻卡井段。

(8)垮塌严重井段，应提高钻井液粘度和切力，提高钻井液护壁与携砂能力。

(9)钻进过程中应注意井口返出情况，起下钻应及时灌浆并密切注意钻井液液面变化，避免漏失或灌浆不及时造成井壁失稳，使井下始终保持一定的液柱压力。

(10)完井液性能满足工程要求，保证安全快速钻进，缩短油气层浸泡时间。具体实施方案依实钻区块储层特性、所用钻井液体系等确定。

3．3 现场应用情况

表7为DPH－17井水平段实钻钻井液性能。从表上可以看出，通过精细控制水平段各项钻井液性能，实现了低密度、低失水、低切力、适当动塑比钻进。DPH－17井水平段长1195.9 m，水平段钻井周期7天，全井钻井周期35.21天，平均机械钻速达到了14.08 m/h，水平段连续钻遇210 m泥岩未发生遇阻现象，表明钾铵基聚合物钻井液能有效抑制泥岩水化，实现水平井安全快速成井。