ULTRADRIL水基钻井液在大庆致密油水平井中的应用

2018-07-09王发现陶官忠吕德庆

石油工业技术监督 2018年6期

王发现，陶官忠，吕德庆

随着新安全环保法的出台，大庆油田油基钻井液已全部被水基钻井液取代，受地层地质特性的影响及开发致密油藏井身结构的特殊性，利用聚合物水基钻井液钻打致密油水平井出现了井壁坍塌、摩阻大、下套管遇阻及固井质量差等问题，甚至造成部分井地质目的无法实现，严重影响致密油开发效率和效果。通过国内外水基钻井液技术的调研发现：ULTRADRIL水基钻井液具有较强的页岩抑制性和井眼稳定性，较低的结块和泥包趋势，且性能相对稳定，易于维护，该体系在地层塑性极高的渤海区域得到了成功，并得以大范围应用于该区域的水平井钻井。通过室内实验检测证实该体系可有效提高大庆油田青山口地层活性强、易分散泥页岩的稳定性，且润滑性接近油基钻井液。ULTRADRIL水基钻井液在大庆致密油藏开发应用可行。

1 地层地质情况

源211致密油水平井采用二开井身结构，设计封固嫩江组；三开裸眼段主要姚家组、青山口及泉头组。

姚家组主要是由大段绿灰、黑灰、灰黑色泥岩、灰色粉砂质泥岩组成，底部夹薄层灰色泥质粉砂岩。青山口上部以绿灰、深灰、黑色泥岩为主，夹灰黑色粉砂质泥岩；中部为黑色泥岩；下部为黑色泥岩及灰黑色粉砂质泥岩、黑褐色油页岩呈不等厚互层。泉头组主要是灰绿、绿灰、紫红灰绿杂紫红、紫红杂灰绿、深灰色泥岩、粉砂质泥岩、灰白色钙质粉砂岩、绿灰、灰褐、棕、棕褐、黑褐色油迹、油斑、油浸泥质粉砂岩、粉砂岩、含油粉砂岩，呈不等厚互层，属下白垩统泉头组四段及泉头组三段上部。

扶余油层顶界岩性界限确定在青一段底部油页岩以下与下部灰绿色泥岩的分界。扶一油层组岩性为灰色、灰绿色砂泥岩不等厚互层，夹紫色薄层泥岩，锆石含量高（一般40%～60%）；扶二油层组岩性主要以紫、紫红色、肉红色等氧化色为主，磁铁矿含量高（一般70%～90%）。

2 技术难点

1）青山口大段泥岩，且微裂缝发育，易吸水膨胀，造成井壁大段垮塌，导致下钻发生阻卡等复杂情况。

2）钻进过程中地层中的泥质成分易水化分解进入钻井液，一方面造成钻井液固相含量的增高，钻井液携砂及流动性能变差，井眼清洁能力降低；另一方面井壁泥岩的不断崩落造成井壁的规则度差，岩屑易在井径较大处形成回流，增加岩屑返出的难度[1]。此外，较差的井壁规则度严重影响固井的顶替效率[2]。

3）长水平段水平井在水平段钻进摩阻较大，拖压严重，大部分钻压被钻具摩阻消耗，无法加到钻头上，造成机械钻速较慢，钻井周期较长。

4）水平段钻进，钻具对钻屑的重复碾压，破坏了钻屑的完整性，使得固控设备效率下降，加剧了有害固相对泥浆污染，同时也增加了钻具在水平段的粘卡风险[3]。

3 ULTRADRIL水基钻井液体系

ULTRADRIL体系中页岩抑制剂是ULTRAHIB，它也具有水化抑制作用；聚合物ULTRACAP是第2种页岩抑制剂具有钻屑稳定作用。通过阻止黏土吸附水抑制页岩，获得完整的钻屑。第2种抑制作用可以通过配方中K+和Ca2+置换地层中的阳离子获得。该体系还包括ULTRAFREE防粘结和钻速增强剂。

3.1 钻井液体系配方

针对大庆油田地层泥质含量高，易发生井壁垮塌、钻井液润滑性无法满足水平井钻井施工需要等问题，对ULTRADRIL水基钻井液体系进行了室内评价，在实验基础上确定了该体系针对大庆油田致密油藏的钻井液配方（表1）。

表1 ULTRADRIL水基钻井液体系配方

3.2 钻井液性能评价

3.2.1 室内高温老化性能实验

考虑扶余油层地层温度在90℃左右，设定UL⁃TRADRIL水基钻井液体系室内实验温度为100℃。16 h的老化实验（表2）表明：初始钻井液性能与16 h后的钻井液性能变化不大，流变性能稳定，动塑性比基本未变，高温高压失水保持较低水平，该体系完全能够满足目前100℃作业环境的要求。

表2 ULTRADRIL水基钻井液性能表

3.2.2 室内抑制性实验

收集现场钻遇的灰绿色泥岩、红棕色泥岩、黑褐色油页岩，分别对ULTRADRIL水基钻井液、油基钻井液及聚合物水基钻井液进行钻屑滚动回收实验，实验结果见表3。聚合物水基钻井液的黑色油页岩岩屑回收率较低，仅有74.33%，灰绿色泥岩及红棕色泥岩在95%左右，ULTRADRIL水基钻井液与油基钻井液对3种泥岩的回收率相近，均优于聚合物水基钻井液。ULTRADRIL水基钻井液体系对灰绿色泥岩、红棕色泥岩及黑褐色油页岩具有较强的抑制作用。

表3 岩屑滚动回收实验对比数据表 /%

3.2.3 抗污染性能

抗污染实验主要验证ULTRADRIL水基钻井液对膨润土、水泥抗污染能力，在加入膨润土及水泥后，除水泥对钻井液的pH影响较大外，表观黏度、塑性黏度等性能变化不大，具体结果见表4，说明该钻井液具有较强的抗污染能力。

3.2.4 润滑性

钻井液润滑对水平井提速、钻完井施工顺利尤为重要[4]。使用OFI测试仪做金属与金属润滑性能测量，ULTRADRIL水基钻井液的滑块摩阻系数为0.09，与油基钻井液相近，略高于聚合物水基钻井液体系，具体数据见表5。

综合评价ULTRADRIL水基钻井液体系性能，该体系的抑制性、润滑性优于聚合物水基钻井液体系，这两项性能介于油基钻井液与聚合物水基钻井液之间。但是，它的环保性更优于油基钻井液，能够满足现场试验的要求。

表4 ULTRADRIL水基钻井液污染实验数据表

表5 各类钻井液摩阻系数对比表

4 现场试验措施

2017年4月，ULTRADRIL水基钻井液逐步在源211区块进行投井试验，该体系主要用在二开以后的造斜段和水平段。截至2017年8月，完成了在该区域的4口水平井的试验工作，达到了预期的效果。

4.1 强化固控，减少污染

二开前，加强对固控设备的维护保养，避免固控设备“带病”工作。坚持狠抓振动筛第一固控的工作，做到了每次接立柱全面检查筛布，并尽可能用高目数筛布。坚持离心机24 h工作，最大限度地发挥离心机功能。

4.2 抑制包被常抓不懈，保证抑制性充分

在保证KCl浓度6%的基本抑制前提下，通过有机抑制剂ULTRAHIB和有机包被剂ULTRACAP对钻屑进行更进一步地抑制与包被，确保钻屑的完整性。钻进过程中，坚持根据进尺和地层岩性的不同，足量补充抑制剂和包被剂。检查振动筛返出情况是观察抑制性效果的基本方法。

4.3 加强润滑性，保证钻井正常作业

为保证在水平段的正常钻进，泥浆好的润滑性是前提。钻进中，除按配方加入润滑剂，根据井下情况，坚持每天补充必要的润滑剂。

4.4 工程措施积极配合，做钻井液的坚强后盾

为保证水平井钻进的正常作业，除了泥浆方面需要有与地层匹配的钻井液体系外，恰当的工程措施是钻井液充分发挥作用的坚强后盾[5]。在4口水平井的作业过程中，重点做到：①充分的循环排量，保证钻屑能及时带出井内；②满足井眼清洁的钻具转速，在条件允许的情况下，钻具转速控制在100～120 r/min，以提高井眼的清洁度；③坚持低黏度塞与重塞交替清扫井底，有利于搅动和清洁井壁附着钻屑；④坚持定期短起钻，通常钻进200 m进行一次必要的短起，有利于修复井壁和清除钻屑；⑤起钻前，坚持循环3～4个上返时间，直接振动筛清洁[6]。

5 现场应用效果

使用ULTRADRIL水基钻井液体系在源211区块4口致密油水平井进行了现场试验，现场表现良好，阻卡情况大幅度降低，井身质量、固井质量及机械钻速均有提高。

5.1 提高了机械钻速

在源211区块使用ULTRADRIL水基钻井液施工4口水平井造斜段平均机械钻速5.69 m/h，较未使用该体系施工的5口井造斜段机械钻速提高11.8%；水平段平均机械钻速8.37 m/h，提升34.8%，该体系有效提高了该地区机械钻速。

5.2 降低了复杂事故发生率

ULTRADRIL水基钻井液的井壁稳定能力有效地阻止了井壁的剥落、坍塌，确保井径具有较高的规则度，是防止复杂情况发生的重要保障。使用该体系施工的4口井平均每口井发生复杂情况为1.75次，未使用该体系施工的井平均发生复杂情况4.4次，减少2.65次，大幅度缩短了施工周期。

5.3 完善了固井质量

源211区块9口水平井均采用水平井综合固井技术实施固井，使用聚合物水基钻井液施工的5口井平均固井优质水平段占总水平段的22.1%，合格水平段占总井段42.5%，不合格水平段占总水平段35.4%。使用ULTRADRIL水基钻井液施工4口井平均固井优质水平段占总水平段的79.2%，合格水平段占总井段13.6%，不合格水平段占总水平段7.2%，固井质量明显优于聚合物水基钻井液体系施工的水平井。主要是因为ULTRADRIL水基钻井液较聚合物水基钻井液体系具有更强的泥岩抑制性，可有效抑制地层中的泥岩水化分解，防止井壁垮塌，形成的井壁规则度较高。另外该体系的超强悬浮剂携砂能力，携砂效果好，有效防止了岩屑床的形成，保证了井眼的清洁。良好的井眼环境，为提高顶替效率提供了有利条件。