神木双山三开优化水平井钻井液技术应用

孙永强,刘召友,屈艳平

(中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司,陕西 西安 710018)

与其他区块不同,神木双山具有上部地层缺失,延长组底部欠压实,坍塌严重,垂深浅等地层特点,同时该区块普遍存在刘家沟承压能力低的特点,为了解决塌漏矛盾,把井身结构设计成三开优化,即技术套管下到石千峰地层,把漏层全部封住,这样就有效解决了塌漏矛盾的问题,但是斜井段和水平段处在同一裸眼段,又产生了新的问题,后期水平段施工摩阻扭矩大,加之钻具悬重轻,给后期滑动和下套管带来困难。为解决这一问题,实现安全钻井,开展一套针对神木双山三开优化水平井的钻井液体系配方的研究,通过现场应用,该体系抑制性防塌能力强,润滑防卡效果好,易于发现油气显示,机械钻速高,很好地满足了该区块三开优化结构水平井安全快速钻井施工的需求,为神木双山三开优化水平井效益勘探开发提供了宝贵经验和技术支撑。

1 地质构造及钻井液技术难点

1.1 地质构造及特点

神木双山区块从地质构造上来说位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西北侧,构造形态为一北倾大型平缓单斜,平均坡降约3～10 m/km。其地质分层主要为第四系黄土层、延安组、延长组、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组、石千峰组、石盒子组、山西组、太原组和本溪组。水平井水平段的主力目的层主要为石盒子、山西和太原组。与苏里格相比该区块最明显的地质特征为延安组砂泥岩混层,易发生泥页岩吸水膨胀,造成缩径,导致起钻困难,遇阻遇卡。延长组底部和纸坊组上部砂泥岩互层,泥岩中的黏土矿物含量为89.1%,伊蒙混层占黏土矿物总量的97%,是水敏性很强的泥页岩,属于典型的易膨胀分散的地层,遇水极易发生坍塌。纸坊组、和尚沟、刘家沟、石千峰、石盒子地层黏土成分高,造浆性极强,容易造成性能恶化。刘家沟组承压能力低,容易发生井漏。

1.2 钻井液技术难点

根据该区块的地质特点以及实际施工情况,该区块具有以下的技术难点

(1)表层延安组易缩径。

(2)延长组底部与纸坊组上部地层极易垮塌。

(3)刘家沟组地层承压能力低,普遍存在渗透性漏失

(4)斜井段双石层泥岩易垮塌。

(5)三开优化井,水平段斜井段在同一裸眼段,加上神木双山区块目的层垂深浅钻具悬重小,水平段滑动比较困难。

2 具体原因分析和技术对策

2.1 表层延安组防缩径

延安组含黏土矿物主要以蒙脱石为主且胶结性很好,吸水晶格增大膨胀后连结力依然很强,极易导致井径缩小,表层起钻遇阻,因此我们表层钻穿第四系后,选用低黏度低比重的聚合物钻井液,漏斗黏度控制在30 s左右,不控制失水,让井壁表层充分水化膨胀而较深层不水化,二层之间失去连结力,从而表层岩石剥落,恢复原来的井径,保证表层起钻通畅。

2.2 延长底部与纸坊上部防塌

神木双山区块上部地层缺失,延长组垂深浅,地层欠压实,钻开地层后,地层应力释放,可能瞬间垮塌。并且由于延长底和纸坊下部硬脆性泥岩发育,水敏性强,钻进过程中不断吸水膨胀,极易再次垮塌,形成“大肚子”井眼,一旦钻井液处理不好,就可能导致大段划眼复杂,甚至卡钻。针对地层特点,二开采用天然高分子低固相钻井液体系,通过高分子材料的封堵和降失水作用,氯化钾中的K+防塌,配合1.12 g/cm3以上的比重支撑井壁,有效地解决了神木双山区块延长底部的易坍塌难题。

2.3 刘家沟承压能力低

刘家沟组是典型的压差漏失,对泥浆黏切、比重比较敏感,尤其在王家砭、金鸡滩周边的井位表现突出。因此,泥浆上罐后,必须同时抓好两方面工作:

(1)用好固控设备保持泥浆的低含砂,在满足井控安全的前提下,尽可能采用低比重泥浆,通过现场试验,王家砭、金鸡滩附近井场的刘家沟组,钻井液密度上限在1.16～1.18 g/cm3左右;

(2)控制好泥浆黏切,保持泥浆好的流动性。性能要求漏斗黏度45 s左右,动切力4 Pa左右。控制泥浆黏切同时,还应保证降失水材料的用量,避免造成井塌等新的复杂。

2.4 斜井段双石层泥岩垮塌

斜井段泥页岩微纳米级裂缝发育,为钻井液侵入提供了天然通道。同时在井底压差、毛细管力、化学势差等驱动力作用下,钻井液(滤液)迅速侵入岩层内部,钻井液滤液的“楔入”作用,促使微裂缝的开裂、扩展、分叉、再扩展。加上较大的井斜,改变了地层原有的力学平衡,在物理、化学的共同下,导致双石层的泥岩极易垮塌。根据坍塌机理,从以下方面着手。

(1)强抑制。保持井筒泥浆的10%～13%的KCl含量,可适当复配一些工业盐,维持钻井液的抑制性,保证返出岩屑成型、不糊筛网。

(2)强封堵,要以钻井液性能为判断标准,要求中压失水不大于4 mL,并且能形成薄而坚韧的泥饼。

Sharma 1999: Rama Nath Sharma, The Aādhyāyi of Pāini Vol. IV: English Translation of Adhyāyas Four and Five with Sanskrit Text, Transliteration, Word-Boundary, Anuvtti, Vtti, Explanatory Notes, Derivational History of Examples,and Indices, New Delhi: Munshiram Manoharlal Publishers Pvt. Ltd.

(3)合理的钻井液密度。要根据井斜提高钻井液密度,来平衡地层的坍塌压力,提密度时还应综合考虑钻井液润滑性,防止滑动托压黏卡等因素,因此要尽量减少重晶石等固相加重剂的加入量,尽量通过氯化钾和工业盐来加重,具体标准为: 井斜30°前,密度1.15～1.17 g/cm3,以盐提比重为主;30°～50°,密度1.17～1.22 g/cm3,以盐提比重为主;50°～60°,密度1.22～1.25 g/cm3,盐和重晶石复配提比重;60°～入窗,密度1.25～1.30 g/cm3,以重晶石提比重为主。

2.5 三开裸眼段长,摩阻扭矩大,完钻下套管困难

水平段斜井段在同一裸眼段,重力效应突出,摩阻扭矩大:上提、下放钻具的阻力增加,钻进加压困难;钻柱摩擦阻力大、扭矩大,下部钻具易屈曲,传递扭矩困难。加上神木双山区块目的层垂深浅,钻具悬重轻,水平段滑动比较困难。长裸眼段下套管作业难度大:三开优化井套管需下入长裸眼段的大斜度井段和水平段,在正常下入过程中由于摩阻较大,下部套管段可能会产生屈曲变形,使套管下入难度大,甚至难以下到预定深度。针对该难点制定以下技术措施。

(1)最大限度使用各级固控设备,清除钻井液中的各种粒径有害固相,减小滤饼的摩擦系数,从而降低钻具在井壁上的摩擦。

(2)选用合理的钻井液性能:根据井斜和地层岩性调整钻井液密度,从力学上保证井壁稳定,井筒不变形。钻井液动切力要和泥浆泵的排量相匹配,保证钻屑能及时循环出去,不在井内堆积。

(3)优选高效的固体润滑剂和液体润滑剂配合使用,保证钻井液的润滑剂含量在10%以上,进一步减小钻具在井内的摩擦。

(4)根据摩阻扭矩情况,水平段每钻进300～500 m短程起下钻一次,目的是修复不规则的井壁,破坏井筒内岩屑床,使井眼保持清洁通畅,减小钻具在井筒内的接触面积。

3 配方优选及现场应用效果

(1)取该井直井段泥浆作为基浆,性能:密度1.04 g/cm3,漏斗黏度31 s,失水12 mL,做小型试验,对天然高分子封堵材料加量进行评价。通过实验数据分析,综合考虑降失水效果和增黏效应决定NAT20加量为0.8%,井浆加NFA25,加量为1.5%时降失水效果最为经济实用。实验配方和实验结果,如表1和表2。其他材料的选用和加量,根据现场实际情况调整,这里不再赘述。

表1 基浆加不同含量NAT20的性能对比(API)

表2 基浆加不同含量NFA25的性能对比(API)

(2)双47-58H3井,根据不同地层的地质特点,精细化调整现场实际钻井液的比重黏度,延长纸坊组比重控制在1.12左右,漏斗黏度在40 s左右,来防止延长底部坍塌,石千峰组控制漏斗黏度精度小于50 s,防止钻头泥包,入窗前比重1.30左右,防止大斜度井段垮塌,水平段根据岩性及时调整性能,但总体漏斗黏度不宜超过70 s,防止循环压耗过高,压漏地层,具体的比重黏度如图1所示,满足了现场安全快速钻井的需要,满足现场井控安全的需要。

图1 不同地层的比重黏度变化

二开石千峰组钻进,控制较低的钻井液黏度,同时保持井筒泥浆10%～13%的KCl含量,并且复配一些工业盐,维持钻井液整体较强的抑制性,减少地层黏土的水化分散,保证钻井液体系和性能的稳定。图2为钻进至石千峰易造浆地层时,振动筛返出的砂样,从图中可以看出,岩屑成型不糊振动筛,说明钻井液抑制性良好。

图2 石千峰地层振动筛返出的岩屑

(3)双47-58H3控制摩阻扭矩的措施及水平段实际摩阻扭矩情况:摩阻扭矩对水平井施工具有重要的影响,尤其对于大位移井而言,因其具有水平位移长、井斜角大以及裸眼稳斜段长的特点,摩阻、扭矩的预测和控制是成功钻成一口水平井的关键和难点所在。为控制和减少摩阻、扭矩,该井首先优化井眼轨迹,从本质上降低钻具在井内的摩阻扭矩。其次提高钻井液封堵性,中压失水小于3 mL,防止因为该地区油藏埋藏浅,造斜点浅,地层较软,所钻水平井井深大,钻井周期长,在大斜度井段井壁失稳等一系列的问题。最后提高钻井液的动切力在10 Pa以上,配合合理的钻井泵排量,满足于井眼净化要求。同时,适当增加短起下次数和起钻前循环钻井液等,对摩阻扭矩和立管压力进行实时监测,一旦发生摩阻、扭矩、泵压异常,采取相应措施,排除因岩屑床的形成导致的井下复杂事故。

图3和图4分别为水平段的摩阻扭矩情况,从图中可以看出,上提摩阻和空转扭矩随着水平段的延长,增长比较平稳,说明井筒内比较清洁,钻井液润滑性好。

图3 水平段的摩阻情况

图4 水平段的扭矩情况

4 结论与建议

(1)针对神木双山区块延长底欠压实、易坍塌特点,该体系兼顾物理力学防塌和化学抑制封堵防塌,保证了延长组下部和纸坊组上部地层的稳定,保证了大斜度井段和水平段泥岩的稳定,为后期施工提供了井下安全保障。

(2)该区块刘家沟一旦发生漏失,停泵后井内会反吐钻井液,并且一次堵漏成功率较低,所以刘家沟以防漏为主,并且仍需探索一次堵漏成功的技术和工艺。

(3)因为大斜度井段和水平段在同一裸眼段,井壁浸泡时间长,摩阻扭矩大,因此斜井段的井壁稳定和平滑的轨迹显得尤为重要,对后期水平段钻进和滑动,以及完井下套管等作业影响较大。

(4)合理的钻井液性能,是三开优化水平井顺利施工的关键,无论是钻井液比重对井壁的支撑还是,化工材料的抑制封堵,都是井下正常的前提,尤其是泥浆的动切力和润滑性对三开优化水平井的安全施工显得尤为重要。