川西高庙子防塌钻井液技术研究及应用

2017-01-13李丽刘伟

天然气技术与经济 2016年6期

关键词：高庙井段钻井液

李丽刘伟

（1.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川德阳 618000；2.中国石化西南油气分公司工程技术管理部，四川德阳 618000）

川西高庙子防塌钻井液技术研究及应用

李丽1刘伟2

（1.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川德阳 618000；2.中国石化西南油气分公司工程技术管理部，四川德阳 618000）

高庙地区施工井普遍出现长井段井壁失稳，影响安全顺利成井。通过实钻、测井分析，在室内试验基础上，明确了该地区井壁失稳层位。通过抑制封堵剂种类优选、加量优化和钻井液密度合理取值等研究，形成一套防塌钻井液技术，并在两口高庙水平井中进行了成功应用。现场应用表明，通过强化钻井液抑制封堵性，能使施工井的起下钻时间和下套管前通井时间有效缩短，提高钻井时效，降低复杂事故率。

高庙子构造井壁稳定钻井液防塌技术

0 引言

川西坳陷高庙子构造位于川西坳陷中段孝泉―丰谷NEE向大型隆起构造带的东段，主要分布在合兴场构造区和丰谷构造区之间，沙溪庙组是该区的主要含气层，主要砂组中JS33-2为主力开发层，砂体总体呈北东向展布。

高庙子实钻井施工中最常见的复杂工况主要是遇阻卡、划眼掉快，如GM2井第二次开钻井段发生长段划眼，返砂量达35 m3以上，划眼时间超过12 d；GM103D井钻至3 311.31 m，井下发生井下垮塌，后填井侧钻，后钻进恢复至原井深，耗时64.65 d。井壁失稳是高庙地区钻井施工面临的主要技术难题。

1 高庙地区失稳因素分析

高庙地区实钻井井径分析显示（图1），高庙区块易失稳层段主要集中在沙溪庙组，尤其以上沙—下沙交界和下沙层段为主。

图1 GM2井和GM4井井径对比图

失稳岩石中黏土矿物含量为29%～47%，非黏土矿物以石英为主，斜长石、方解石次之，由于石英、长石为脆性矿物，易于形成裂缝。黏土矿物中不含有蒙脱石，以伊利石和绿泥石为主，高岭石次之，其中伊/蒙混层含量为3%～15%，间层比为15%。图2为扫描电镜显示，局部地方黏土排列具有一定方向性，易于剥裂；泥岩表面有较多微裂缝和微孔，局部发育溶蚀孔隙。高庙区块沙溪庙组失稳泥页岩在蒸馏水中滚动回收率为69.14%，属于硬脆性泥页岩中的4～5类，即良好定向不易膨胀分散泥页岩—高度定向低膨胀弱分散泥页岩类［1］。

图2 GM33-4井电镜扫描图

高庙区块井壁失稳机理为力学和化学的耦合作用，其中力学失稳作用明显：①高庙子构造属于应力敏感区域，蓬莱镇组中下部—须五段地层坍塌压力主体高于地层孔隙压力，低于地层破裂压力，安全钻井液密度窗口下限受控于地层坍塌压力，上限受控于破裂压力。从GM2井和GM4井的施工情况可以看到，当第三次开钻井眼施工井尺仅12 m就发生井壁失稳，显示出显著的力学失稳特征；②蓬莱镇—沙溪庙组泥岩黏土矿物以伊利石和绿泥石分散性黏土矿物为主，泥岩自身微裂缝发育，当岩石浸泡于钻井液中时，不会迅速发生膨胀和变软，但随着钻进时间延长，钻井液滤液沿微裂隙侵入，减弱泥岩之间的结合力，降低岩石强度，导致掉块垮塌。

2 井壁稳定钻井液技术研究

针对高庙地区井壁失稳因素，高庙地区井壁稳定采用物化封固井壁阻缓压力传递—加强抑制水化—化学位活度平衡—合理密度的有效应力支撑”的“多元协同”技术［2］。

2.1 抑制剂优选

K+的无机盐有KCl、K2SO4和K3PO4，在聚磺浆中加入不同钾盐和石灰的配比，室内实验浆的基础配方为：3%NV-1＋0.3%FA367＋0.2%XY-27＋2% SMC＋3%SMP-2＋1%SMT＋2%FT-342＋适量BaSO4，密度为1.8 g/cm3，如表1所示。试验浆体中加入3种钾盐＋生石灰复配抑制剂后，钻井液滚动回收率提高明显，其中KCl、K2SO4性能较优。相比Cl-和SO42-离子，PO43-离子严重影响聚磺钻井液的滤失性能，使聚磺浆80℃老化后滤失量上升至35 mL，兼顾性能和经济性评价考虑，选择KCl和生石灰作为抑制剂。

表1 不同盐类中试验浆滚动回收率对比评价表

2.2 KCl加量优选

随K+浓度增加，钻井液滚动回收率逐渐增加，当K+浓度超过15 500 mg/L后，钻井液滚动回收率超过90%，随K+浓度继续增高，滚动回收率变化缓慢。当KCl加量超过7%后，钻井液滤失量剧增，滤失性能不可控，因此控制KCl加量4%～5%。

2.3 封堵剂优选

2.3.1 高压砂床实验评价

对目前常用的封堵剂如纳米乳液、超细碳酸钙、FGL等进行室内评价，室内评价采用了高压（5 MPa）砂床测试方法，测试步骤：先将500 g河砂（20～40目）装入高压滤失杯，再加入适量测试浆；将压力从0增加至0.7 MPa，稳压30 min；然后在60～90 s内将压力从0.7 MPa增加至5 MPa；在5 MPa下稳压30 min，观察试验浆承压情况，较常规的砂床实验而言，能够定量测试钻井液的封堵抗压性。

表2显示现场取样井浆通过石英砂床，随即击穿砂床发生漏失，显示井浆无法在石英砂床快速有效地形成封堵层；其中碳酸钙、井眼强化封堵剂和FGL能在5 MPa下承压30 min无漏失。由于碳酸钙作为架桥离子增大了井浆的粒径尺寸；井眼强化封堵剂中的纤维及可膨胀树脂复合物可有效填充地层裂缝；FGL（多软化点沥青）粒径分布较宽，加入井浆后可使井浆的整体粒径降低，但由于其能变形封堵，有利于封堵地层中不同缝宽的裂缝。

表2 井浆中加入封堵剂后粒径分布及高压砂床实验评价表

2.3.2 变形封堵剂不同温度下滤失评价

由于变形封堵剂与温度关系密切，室内对沥青和乳化石蜡的封堵剂进行了不同温度下的作用效率评价。在实验浆中加入不同变形封堵剂，然后在60℃、90℃、120℃下测试实验浆的高温高压滤失量，通过滤失量的变化描述不同变形封堵剂发生有效作用的温度范围。实验浆配方：3%膨润土＋0.12%纯碱＋0.4MMAP＋3%SMC＋3%SMP-1＋1%SMT。

表3的实验结果显示，变形封堵剂能显著降低实验浆高温高压滤失量，3种变形封堵剂在井浆温度60～90°使用时效果均较好，而当井浆温度升至120℃时，FGL、FT342效果更优。

表3 3种变形封堵剂滤失量数据对比表

2.4 合理密度值分析

图3显示，在前期施工复杂井中如CG561、GM2、GM3、GM103井等井中，上沙溪庙和下沙溪庙钻井液密度普遍低于后期施工井，同时复杂施工井在下沙溪庙井段密度调整幅度大；而施工较顺利的井，下沙溪庙井段钻井液密度值变动范围较小。鉴于上沙溪庙井段为易塌井段，进入上沙溪庙组时，推荐钻井液密度值达1.85 g/cm3，进入下沙溪庙组时，推荐钻井液密度值提至设计高限值，维持钻井液施工密度值，降低钻井液密度值的变化对井壁稳定的影响。

图3 上沙溪庙组钻井液统计值图

3 现场应用

高庙防塌钻井液技术在GM33-5HF井和GM33-6HF井进行了现场应用，两口井均为开发水平井，完钻层位沙溪庙组（J2x），目的层为JS33-2。现场采用的钾石灰体钻井液体系中KCl加量4%～5%，并保证了滤液中K+高于15 500 mg/L；上部井段采用FDFT-1、FT342、FGL封堵剂，水平井主要使用了FGL封堵剂，进入上沙前在强化钻井液封堵性的情况下，将钻井液密度提至1.85 g/cm3以上。

表4的室内评价显示两口井的滚动回收率均超过90%，失稳岩样在GM33-6HF井钻井液中24 h后滚动回收率为92.18%，32 h后滚动回收率为92.12%，几乎无变化，显示钻井液抑制防塌性能较强。

现场应用表明，防塌钻井液技术有利于井壁稳定，能有效降低复杂事故率（井壁失稳、卡钻等）［3］。前期高庙地区水平井的复杂事故率为3.76%，而GM33-5HF井和GM33-6HF井均未发生复杂事故，安全顺利钻至目的井深。

防塌钻井液也有利于起下钻具和套管，前期完钻井平均井深3 650 m，平均起下钻时间292.3 h，下套管前通井时间103 h，而实验井的平均井深3 739 m，其中平均起下钻时间258.5 h，下套管前通井时间30.5 h，