厄瓜多尔TARAPOA区块上部欠压实地层钻井液技术

2018-11-21赵向阳李宝军崔贵涛

石油钻采工艺 2018年4期

赵向阳李宝军崔贵涛

1.川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室

Tarapoa区块位于厄瓜多尔Oriente盆地东北部，属于海相环境新生界砂泥岩沉积，从上至下主要地层为晚第三系、第三系、白垩系。晚第三系和第三系沉积时间短，地层较新，欠压实、稳定性差［1］。地层主要为吸水性强极强的大段泥岩，钻井施工过程中井壁失稳、造浆严重，极易引起发生钻头泥包、泥块堵塞井筒、起下钻遇阻、卡钻，甚至造成填井或报废等一系列井下复杂。同时该层段为大尺寸、长裸眼井眼设计，井壁稳定问题更为突出。该区块处于亚马逊热带雨林区域，环保要求苛刻，部分钻井液材料使用受限。为此开展了钻井液技术分析和室内实验，利用硝酸钙的絮凝作业和环境友好的特点，形成了钙基强封堵钻井液体系，并在现场应用，取得良好的效果，满足了安全钻进的需要。

1 技术难点

上部井段主要地层为Chalcan和Orteguaza地层。Chalcana地层位于第三系中—上新统，岩性以咖啡色黏土泥岩、泥质砂岩为主，含有砾石，偶尔含有钙质结块。层位欠压实，成岩性差，稳定性较差，泥岩极易水化膨胀，造成井壁失稳，引发坍塌和泥包卡钻。Orteguaza地层主要岩性为绿色页岩，中部存在砂岩和薄煤层。该层位页岩具有片状结构、易破碎等特点，属于软至中硬地层。地层中部泥质胶黏的砂岩夹层胶结疏松，易分散，部分含砾石。薄煤层地层较软，以煤块为主，部分夹杂黄铁矿，力学性能不稳定。由表1地层矿物分析可看出，2个地层黏土矿物含量超过一半，且蒙脱石含量高，同时含有伊利石，进一步说明地层易水化、造浆。该区块大多为S型井眼轨迹定向井，井身三开结构，具有大位移、大尺寸井眼、裸眼段长的特点。

表1 地层矿物分析Table 1 Analysis on formation minerals %

综合以上因素，钻井液施工存在以下难点：（1）上部井段井眼大，地层胶结松散，环空返速低的条件下解决井眼清洁的难度较大；（2）地层造浆严重，固相含量增加快，利用聚合物钻井液体系固相聚结，易引起泥包、阻卡，且钻井液流变性能不易控制；（3）页岩夹杂砾石层和煤层，易破碎，井壁垮塌风险大；（4）该井段大尺寸、长裸眼以及造斜点高的特点，导致井壁失稳几率增大，钻井液处理难度加大。

2 技术分析及室内研究

该区块施工井队普遍采取细分散或不分散钻井液体系，采取强抑制、高黏切、稀释除钙、甚至高密度等措施，但效果不甚理想。地层造浆性强，固相污染严重，钻井液性能难以控制，钻头泥包、缩径时常发生。经过分析和反复实验，利用硝酸钙的高价阳离子絮凝、抑制和低活度引起的渗透压作用［2］，确定了以“低黏高切、粗分散、强封堵”为特点的粗分散钙基强封堵钻井液体系，基础配方为：1%～3%硝酸钙+1%～3%乳化封堵剂G325+0.3%～0.5%防泥包剂G318+0.1%～0.3%提黏剂XC+石灰石（根据密度）。该体系关键技术在于：以粗分散模式防止钻屑聚集，低黏度形成紊流冲刷钻具和井壁，适当的切力悬浮加重材料，封堵下部破碎地层，结合工程措施保持井底清洁，井壁稳定。

硝酸钙是一种化学肥料，极易溶于水，且不含氯离子，作为钙处理剂的优点是环境可接受性好，满足厄瓜多尔环保要求。

2.1 抑制性评价

进行滚动回收率实验，与其他体系进行对比，结果表明（图1），钙基强封堵钻井液体系一次和二次回收率分别为88.28%和73.54%，具有较高的回收率，说明该体系抑制泥页岩分散的能力强，能有效控制泥页岩水化分散、控制膨润土含量和固相。

图1 钻井液回收率测试对比Fig. 1 Measurement and comparison of drilling fluid recovery ratio

同时测试了常温常压下16 h人工岩心膨胀量，实验结果表明（图2），钙基强封堵钻井液的黏土膨胀量仅为4.287 mm，大大低于复合盐钻井液，说明该钻井液体系能抑制黏土遇水膨胀。

图2 钻井液膨胀量测试对比Fig. 2 Measurement and comparison of drilling fluid swelling capacity

2.2 封堵性评价

进行了钻井液封堵性评价实验，钙基强封堵钻井液体系对岩心平均封堵率95.77%，切掉伤害端1 cm后，钻井液的平均伤害率为13.47%，平均恢复率为86.53%，说明钻井液体系能实现对地层的有效封堵［3］。

2.3 抗黏土污染性评价

在基浆中加入不同含量的膨润土，测试配方抗黏土污染性能，结果见表2，加8%膨润土时，黏切明显增大，表观黏度是2%膨润土的一倍；加10%膨润土时，出现挂壁现象，但流动性较好；膨润土含量12%时，高搅杯壁附近不能搅动，流动性变差，表明该配方最大抗黏土量为10%。

表2 抗黏土污染性能测试Table 2 Clay resistance test

2.4 粒径分布测试

测试了在钙基钻井液和复合盐钻井液中分别加入8%的膨润土后粒度分布变化，结果见图3，可以看出，复合盐钻井液中黏土颗粒分布宽泛，钙基钻井液体系中，黏土亚微米颗粒减少，颗粒聚集趋势明显增大，有利于固控清除［4］，降低钻井液的黏滞性，提高机械钻速。

3 现场应用

图3 钻井液粒度分布测试Fig. 3 Test of particle size distribution of drilling fluid

在Tarapoa区块应用十多口井，效果显著。钻进上部欠压实地层应用钙基强封堵钻井液，井壁稳定，起钻下顺畅，不通井，下Ø339.7 mm套管至2 000 m一次到位。钻进过程中钻井液性能稳定，流变性能、密度都普遍低于相同地层钻进的其他钻井液体系，易于控制，且维护简单。其中2口井分别刷新了安第斯项目当地水平井和定向井机械钻速记录。

3.1 技术措施

针对上部第三系欠压实地层造浆严重、钻速快、钻井液密度和固相上升快等特点，应用钙基强封堵钻井液技术钻进，主要利用钙离子建立粗分散、强抑制、低流变体系的特点，结合大排量冲刷井底，确保井底清洁，避免钻头泥包、缩径和循环管线系统堵塞，同时利于机械钻速的提高［5］。一开钻进后，清水钻进，地层自然造浆。根据地层和钻井液性能，转化钻井液为钙离子处理，逐渐提高钙离子浓度，维持体系的钙离子有效含量在1 600～2 000 mg/L，防止黏土聚集［6］，特别是Chalcan地层，井壁缩径趋势明显。下部地层加入G325封堵剂，加大石灰石粉用量，逐渐提高封堵能力。同时控制钻井液密度，依靠地层造浆稳步提高，避免过快或过慢提高，观察振动筛返出情况和钻进情况，保持密度在1.20 g/cm3以下，在完钻时为保证下套管顺利将密度至1.24 g/cm3。保持低流变值，漏斗黏度控制在40 s左右，动切力2～3 Pa，随井深增加逐渐提升至6～7 Pa，结合60 L/s大排量，能有效清洗钻具和冲刷井壁，保证井眼净化良好，避免钻头泥包和循环管线堵塞。钻进期间利用三级固控设备，有效清除粗分散体系的劣质固相，降低体系内的低固相（LGS）比例小于10%，MBT小于70 kg/m3。

工程措施方面，注意开泵方式，防止憋漏地层。每打完2柱后，用膨润土和提黏剂配制稠浆循环一周，倒划眼一次，划眼过程中提高排量和转速至最大值。在定向工具开始滑动钻进后，每钻进100 m再加一次稀释浆，用架桥堵漏材料配制，冲刷井壁减少虚泥饼，防止井下沉砂和PDC钻头泥包。

3.2 取得效果

（1）在安第斯项目Tarapoa区块利用钙基强封堵钻井液体系，在低黏度、低密度情况下，实现了良好的防塌效果，造浆率低，井壁稳定，有效解决了上部欠压实地层缩径、部分地层夹杂砾石层坍塌引起的起下钻遇阻、下套管不到位的井下复杂情况。使用钙基强封堵钻井液有效地抑制了地层造浆，从而控制钻井液密度和黏度，保持钻井液密度基本在1.20 g/cm3以下，黏度小于40 s。

（2）上部地层除了易分散的泥岩，部分井还夹杂砾石层，研磨性强，如果不能及时从井筒清除，极易导致阻卡。充分利用该体系粗分散、低黏高切的特点，充分循环，定期清扫井底，同时结合工程措施大排量循环，满足了消除沉砂、井眼净化的要求。

（3）由于地层造浆严重，使用其他钻井液体系时，黏土易聚结成块，导致钻头泥包无进尺，甚至卡钻；胶结黏泥堵塞井筒或循环管线，引起泥浆泵泵压升高、停泵等问题。在应用钙基强封堵钻井液体系后，分散的大黏土颗粒经低流变的高剪切，消除了聚结的可能性，再利用少量的防泥包剂G318，解决了上部井段钻进时钻头泥包及管线堵塞问题，提升了生产时效。

（4）Tarapoa区块施工过程中，一开使用钙基强封堵钻井液结合PDC钻头，低黏度、低密度，钻头射流冲击力强，利于破岩，提高了机械钻速。完成的十几口井，上部井段平均机械钻速大于20 m/h，实际钻井时间和完井时间明显缩短，都小于设计天数。

（5）钙基强封堵钻井液的絮凝作用，使该钻井液能利用离心机进行良好的固液分离，而不需要添加任何其他处理剂。分离的液相含有钙离子等有效成分，再次用于配制钻井液，实现了一开钻井液的有效直接回收利用。