渤海A 油田φ311 mm 井眼钻井液钾离子加量评价与应用

2022-11-06陈建宏沈德新吕广乔中山

石油化工应用 2022年9期

陈建宏，沈德新，吕广，乔中山

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

渤海A 油田位于渤海南部海域，明化镇组、馆陶组及东营组均有油层钻遇。A 油田明化镇组岩石单轴抗压强度基本小于10 MPa，属于软弱地层。东营组火成岩较为发育，有安山岩、玄武岩，也有凝灰岩等；受凝灰岩压实程度影响，东营组和沙河街组地层单轴抗压强度波动剧烈，一些层位单轴抗压强度仅5 MPa，不利于井壁的稳定，钻井作业面临井壁失稳坍塌等难题[1-2]。

1 作业难点

渤海A 油田明化镇组地层压实程度较低，平均机械钻速可达115 m/h，明化镇下部存在大段软泥岩，泥质胶结较为疏松，倒划眼短起钻期间频繁憋泵蹩扭矩，同时下钻遇阻易出新井眼，振动筛处多见黏软泥团及细碎岩屑。东营组地层火成岩空间分布复杂，跨越井段长千余米，火成岩地层围压高，钻开地层后裂缝易延展，且内部泥质易水化膨胀，井眼极易失稳造成坍塌，振动筛处返出大量硬质泥岩钻屑及黏软泥岩，钻进及倒划眼短起钻期间频发井壁失稳坍塌掉块、井径扩大现象，严重影响作业。

2 实验方法

渤中A 油田φ311 mm 井眼钻遇明化镇组、馆陶组及东营组地层，使用改进型PEC 钻井液体系，该体系对泥页岩的抑制以适当抑制为主。通过向钻井液中加入KCl，加入的氯离子本身具备一定的抑制性，再加上钾离子的抑制作用，能够有效抑制泥岩水化膨胀，解决火成岩地层坍塌掉块问题。通过室内实验，确定最优的钾离子加量范围[3]。

采用页岩线性膨胀法或页岩滚动回收率法来研究、优化钻井液的抑制性能，其中泥页岩线性膨胀可以直接体现出地层岩屑在受到钻井液侵入后的膨胀程度，页岩滚动回收率可直接体现钻屑在钻井液中浸泡不同时间后的状态变化情况。同时采用两种方法进行实验分析，并相互验证。

2.1 页岩线性膨胀法

将泥页岩样粉（过100 目筛）在105 ℃条件下烘干4 h 以上，冷却至室温；用天平称取10 g 样品装入压模内，用手拍打压模，将做好的岩样模置于油压机平台上，加压至4 MPa，10 min 后泄压，取出压制好的岩样；将制备好的泥岩样品放入测试杯中，置于膨胀量测定仪底座上，按下确定，开始实验。仪器会自动记录岩样的原始厚度，并且持续记录下岩样的膨胀情况。

2.2 页岩滚动回收率法

将粉碎后的明化镇组岩屑过6～10 目筛，在105 ℃烘箱中加热干燥4 h；待温度降至室温后称取20 g 烘干的岩屑，装入老化罐中。向老化罐中加入350 mL 的待评价钻井液，在100 ℃下热滚16 h；热滚完毕，用40目筛子回收岩屑。将回收的岩屑转移到已干燥称重的玻璃片上，烘干4 h。取出后放入干燥器，待温度降至室温，称重。滚动回收率计算方法为：

式中：M1-滚动后，称取岩屑和玻璃片的质量，g；M2-滚动前，称取岩屑的质量，g；M3-玻璃片干重，g。

2.3 岩样

采用现场录取的岩屑进行实验。录取的明化镇组泥页岩、东营组泥岩、东营组沉凝灰岩、东营组玄武岩见图1。

图1 从左至右为明化镇组泥页岩、东营组泥岩、东营组沉凝灰岩、东营组玄武岩

2.4 实验结果及数据分析

2.4.1 实验结果明化镇组泥岩在蒸馏水、盐水中的线性膨胀实验结果见表1、表2。

表1 明化镇组泥岩在不同盐水中线性膨胀实验数据

表2 明化镇组泥岩在不同钻井液滤液中线性膨胀实验数据

东营组不同岩样在钻井液中的线性膨胀率实验结果见表3。其中钻井液基浆配方为：3%海水膨润土浆+0.2%Na2CO3+0.2%NaOH+0.4%PF-PAC-LV+0.5%PFVIF+5%PF-BIOCAP+2%PF-LSF+2%PF-SPNH HT+3%PF-JLX C+1%PF-SMP HT+1.2%NaCl。

表3 东营组不同岩样在钻井液中线性膨胀实验数据

取油田东营组岩屑，开展泥页岩滚动回收率实验（表4）。评价的实验方法参考标准SY/T 5613—2016《泥页岩理化性能测试方法》中的泥页岩滚动回收率实验进行。

表4 岩屑滚动回收率实验结果

2.4.2 数据分析从实验数据表1 和表2 分析可知：（1）无论是在盐水还是在钻井液中，明化镇泥岩在8 h之后，膨胀率变化较小；（2）明化镇泥岩在盐水中，以盐水（Cl-：100 000 mg/L）为基础分别加入5 000 mg/L、15 000 mg/L、30 000 mg/L 钾离子后，线性膨胀率分别降低7.84%、16.66%、32.17%；（3）明化镇泥岩在钻井液中，以钻井液（Cl-：100 000 mg/L）为基础分别加入5 000 mg/L、15 000 mg/L、30 000 mg/L 钾离子后，线性膨胀率分别降低19.84%、49.81%、61.87%；（4）在Cl-含量一定的情况下，K＋加量对抑制性影响较大,K＋加入5 000 mg/L后，抑制性能便有一定的提高。

从实验数据表3 分析可知：（1）东营组泥岩在钻井液中的线性膨胀率最高，沉凝灰岩次之，玄武岩的线性膨胀率最低。（2）不同浓度KCl 溶液的膨胀率都高于蒸馏水的膨胀率，KCl 浓度越高膨胀率反而越大。

从实验数据表4 分析可知：（1）从岩屑滚动回收率结果看，K+具有较强的抑制效果，能够保持钻屑在井筒中的完整性；（2）钻井液中不含K+时，16 h 岩屑的滚动回收率达到86.47%，能够保持钻屑的适度分散；（3）K+含量为5 000 mg/L时，盐水对明化镇泥岩的滚动回收率相对不含K+的盐水有较大提高，当K+含量达到15 000 mg/L时，滚动回收率从18.45%提高至35.47%，回收率提高近一倍[4-8]。

3 现场应用

渤中A 油田已成功完钻70 余口井，其中φ311 mm井眼均采用改进型PEC 钻井液体系并加入钾离子。具体操作为：（1）一开下入φ339.7 mm 套管至800 m 左右；（2）二开φ311 mm 井眼采用海水/膨润土浆钻进至1 600 m 左右，转化为改进型PEC 体系，继续钻进至2 450 m 左右，循环干净后加入KCl 至K+含量6 000 mg/L左右；（3）维持K+含量不变，倒划眼短起至上层管鞋；（4）下钻至井底，循环加入KCl 至K+含量15 000 mg/L左右；（5）二开φ311 mm 井眼钻进至中完层位东二下，期间通过胶液逐步提高循环池K+含量至25 000～30 000 mg/L；（6）维持K+含量不变，倒划眼段起下钻，并下入φ244.5 mm 套管。

3.1 钻井液性能稳定

明化镇、馆陶组活性软泥页岩黏土矿物含量很高，明化镇组大段泥岩疏松，土相分散。东营组火成岩裂缝发育同时改进型PEC 钻井液体系本身抑制性偏弱、流变性可调控性差[9]，进而造成钻井液黏度、固相含量等偏高。在改进型PEC 中加入KCl后，随着K+含量增加，钻井液表现出良好的流变性能，钻进过程中性能稳定，维护量少。A47 井φ311 mm 井眼钻井液性能参数见表5。