苏丹六区低伤害防塌钻井液技术

苏丹六区低伤害防塌钻井液技术
张凤英;鄢捷年;周劲辉;范旺
【摘要】针对苏丹六区钻井过程中易于发生井壁失稳和对储层损害大的问题,基于理想充填暂堵剂和成膜剂的协同增效作用,在该地区原用KCl/聚合物钻井液基础上,优选出一种新型低伤害防塌钻井液.室内试验结果表明,该钻井液具有优良的抑制性能,与原用钻井液相比,可显著降低钻井液的滤失量,岩心渗透率恢复率可提高至88.32%,具有显著的储层保护效果.该钻井液在两口试验井三开井段进行了现场试验,并取得了良好的井眼稳定及储层保护效果,有效解决了泥页岩地层井壁失稳和保护高孔、高渗储层的两大技术难题.
【期刊名称】《石油钻探技术》
【年(卷),期】2010(038)002
【总页数】4页(P43-46)
【关键词】理想充填;成膜剂;暂堵剂;防塌;钻井液;钻井液性能;防止地层损害
【作者】张凤英;鄢捷年;周劲辉;范旺
【作者单位】石油工程教育部重点实验室(中国石油大学),北京,昌平,102249;石油工程教育部重点实验室(中国石油大学),北京,昌平,102249;石油工程教育部重点实验室(中国石油大学),北京,昌平,102249;中国石油,长城钻探工程有限公司,北
京,100101
【正文语种】中文
【中图分类】TE254+.3
苏丹六区是我国在苏丹油气勘探开发的重点区块之一。

该区储层渗透率为(145.0～8 647.6)× 10-3μm2,孔隙度18.7%～41.4%,属于高孔、高渗储层。

储层中泥质含量较高(≥10%),黏土矿物以伊利石和伊/蒙混层为主,其中伊/蒙混层的相对含量为25%～41%,因而储层表现出较强的水敏特性,容易发生黏土水化膨胀或剥落掉块,引起井壁失稳。

该区曾使用过多种抑制性水基钻井液[1],如KCl/聚合物、KCl/石灰/聚合物以及KCl/聚合醇钻井液体系等,虽然钻井液性能都比较好,但在钻井过程中井壁垮塌严重,平均井径扩大率一般在15%以上,一些油气井经试油测得的表皮系数较大(≥8)。

这些在一定程度上造成建井周期延长,而且油井无法达到预期的产能。

为此,笔者利用理想充填暂堵剂和成膜剂的复配增效作用,在原用 KCl/聚合物钻井液配方的基础上,通过试验优选出一种新型低伤害防塌钻井液体系。

室内试验和现场应用均表明,该钻井液具有显著的防塌和保护储层的效果。

1 新型钻井液配方优选
针对苏丹六区的储层特性及潜在的损害机理,应优选出抑制、封堵性强的钻井液体系。

笔者所采取的主要思路是:应用理想充填原理确定钻井液中暂堵剂的粒度分布及适宜用量,并合理使用半透膜[2]和隔离膜钻井液处理剂。

通过大量试验发现,暂堵剂和成膜剂具有复配增效作用,将两类处理剂按适宜的比例加入到钻井液中,取得的防塌和保护储层效果明显好于单独使用理想充填暂堵剂或者成膜剂[3]。

1.1 暂堵剂颗粒尺寸优选
选取苏丹六区FN4-8井的储层资料作为优选暂堵剂的依据,该井储层的最大渗透率为1 680×10-3 μm2,利用经验公式 Kmax= d90[4]将最大渗透率折算成储层最大孔喉直径,d90=40.99 mm。

应用中国石油大学(北京)自主研发的“理想充填暂堵剂优化设计软件”[5],可确定3种不同粒径的酸溶性暂堵剂(细目CaCO3)的复配比
例为:φ(1000目)∶φ(500目)∶φ(100目)=10∶60∶30,并自动绘制出该复配暂堵剂的优化曲线,见图1。

图1中黄色曲线为储层保护基线,但实际应用中由于暂堵颗粒在环空中循环时有一定磨损,根据国外M-I钻井液公司的经验,最好使设计曲线稍往右偏移,蓝色曲线即为实际应用的优化曲线。

通过试验,暂堵剂的合理加量确定为3%～4%。

图1 FN4-8井理想充填复配暂堵剂的优化曲线
1.2 成膜钻井液处理剂的确定
根据近期成膜钻井液的研究成果[6],利用“双膜”的化学固壁和保护储层作用,将国内应用较广泛的两种成膜剂复配使用。

一种是半透膜处理剂J YW-1,另一种是隔离膜处理剂CMJ-2。

经过试验分析,确定两者的适合加量为1.5%CMJ-2+1.0%J YW-1。

1.3 低伤害防塌钻井液配方的确定
在苏丹六区原用钻井液配方基础上,应用理想充填原理[7]和成膜钻井液技术[8],通过试验优选出适合该地区钻井的新型低伤害防塌钻井液典型配方:3.0%膨润土
+0.4%KPAM+2.0%PAC-LV+ 2.0%XY-27+2.0%NH4HPAN+3.0%FT-1+
7.0%KCl+0.3%KOH+3.0%理想充填暂堵剂+ 1.5%CMJ-2+1.0%J YW-1。

2 钻井液性能评价
2.1 常规性能评价
分别对苏丹六区原用、常规暂堵、理想充填及低伤害防塌4种钻井液进行了常规性能测试,测试结果见表1。

从表1可以看出,各种钻井液均具有良好的流变性,API 滤失量均低于5 mL。

但其中低伤害防塌钻井液的API滤失量最低,常规性能较其他3种钻井液更为优异。

表1 4种钻井液的常规性能注:老化条件为150℃下热滚16 h;1#配方为苏丹六区
原用钻井液3.0%膨润土+0.4%KPAM+2.0%PAC-LV+2.0%XY-27+2.0%
NH4HPAN+3.0%FT-1+7.0%KCl;2#配方为1#配方+0.3%KOH+3.0%500目CaCO3暂堵剂;3#配方为1#配方+0.3%KOH+3.0%优化CaCO3暂堵剂;4#配方为3#配方+1.5%CMJ-2+1.0%J YW-1。

下同。

配方密度/kg·L-1 表观黏度
/mPa·s 塑性黏度/mPa·s 动切力/Pa API滤失量/mL pH值备注1# 1.07 26.0 21 6.23 4.5 9 老化前1.07 22.5 18 6.71 4.9 9 老化后2# 1.09 29.0 24 6.22 4.2 10 老化前1.09 31.0 25 6.69 4.4 10 老化后3# 1.09 26.0 21 5.90 4.3 10 老化前1.09 32.0 27 6.40 4.7 10 老化后4# 1.09 35.0 27 6.78 3.8 10 老化前1.09 31.0 24 5.91 4.0 10 老化后
2.2 高温高压滤失量评价
图2 4种钻井液老化前后的HTHP滤失量
依据储层温度的上限,试验温度设定为140℃,压差按照测试标准为3.5 MPa。

对4种钻井液在热滚(150℃,16 h)前、后的高温高压(HTHP)滤失量进行了测试,结果见图2。

从图2可以看出,在4种钻井液中,新型低伤害防塌钻井液在热滚后的HTHP滤失量最低,表明其在井下高温高压条件下的降滤失性能最好。

3#钻井液因加入了较粗的暂堵剂颗粒,而滤纸为均质的渗滤介质,因而HTHP滤失量较高。

如果将非均质的岩石作为渗滤介质,预计不会出现这种情况。

2.3 润滑性能评价
将4种配方钻井液在150℃温度下老化16 h后,使用E-P极压润滑仪分别测定了其极压润滑系数,结果为:1#、2#、3#和4#配方钻井液的极压润滑系数分别为0.185 3、0.197 5、0.201 5和0.150 1。

由此可看出,4种钻井液的极压润滑系数均较低,均具有良好的润滑性能,但新型低伤害防塌钻井液的润滑性能更优。

2.4 页岩膨胀性评价
应用NP-01型页岩膨胀仪,测定了钠膨润土压制岩心在原用钻井液及低伤害防塌钻井液滤液中的膨胀量随时间的变化,结果见图3。

从图3可以看出,在相同试验条件下,与原用钻井液相比,低伤害防塌钻井液的页岩膨胀性明显降低。

由于暂堵剂为惰性颗粒,对钻井液抑制性影响不大,故未进行其他两种钻井液的膨胀性试验。

图3 优化钻井液与原用钻井液的页岩膨胀性对比
2.5 岩屑滚动回收率评价
按照钻井液行业测试标准,对4种钻井液及清水的岩屑滚动回收率进行了测试,结果见图4。

试验用岩屑取自FN4-8井邻井的Abu Gabra地层。

从图4可以看出,在4种钻井液中,低伤害防塌钻井液的岩屑滚动回收率最高,表明其抑制岩屑分散的性能最好。

同时也说明,暂堵剂的加入与钻井液抑制性基本无关,而成膜剂的加入可明显提高钻井液的抑制性。

图4 各种钻井液及清水的页岩回收率试验对比
2.6 岩心渗透率恢复率评价
为了评价低伤害防塌钻井液的储层保护效果,使用J HMD-2型岩心动态污染损害评价试验装置,进行了岩心污染试验,并与其他4种钻井液进行了比较。

由于缺少具有代表性的储层岩心,故选用具有相似矿物组成和岩石物性的露头岩心进行了试验,结果见表2。

由表2可见,经低伤害防塌钻井液污染后,岩心的渗透率恢复率达到88.11%,在5种钻井液中最高,从而表明同时加入理想充填暂堵剂和成膜剂对储层保护具有协同增效的作用。

表2 经五种钻井液污染后砂岩露头岩心的渗透率恢复率岩心钻井液配方孔隙度,% 气测渗透率/10-3μm2 盐水渗透率/10-3μm2 Ko/10-3μm2 K′o/10-3μm2 渗透率恢复率,% 1# 1# 22.05 531.24 316.22 172.06 114.55 66.58 2# 2# 24.53 525.68 290.11 152.36 113.33 74.38 3# 3# 22.88 532.73 318.44 181.65 144.11 79.33 4# 1#+成膜剂 22.11 526.01 298.32 154.11 129.22 83.85 5# 4#
23.42 527.88 324.13 175.33 154.86 88.32
3 现场应用
目前,新型低伤害防塌钻井液已在苏丹6区的KE-27井和FN4-8井应用,并取得了良好的井眼稳定及储层保护预期效果,与原用KCl/聚合物钻井液相比,具有更好的井壁稳定和储层保护效果。

3.1 KE-27井
KE-27井位于苏丹六区东北部,设计井深2 327 m,实际完钻井深2 327 m,为三开结构。

该井三开井段所使用新型低伤害防塌钻井液的主要性能为:密度1.18 kg/L,表观黏度30 mPa·s,塑性黏度21 mPa·s,API滤失量4 mL,p H值10。

该井整个三开井段井眼相当规则,基本上未出现缩径和井径扩大的现象,平均井径扩大率从过去的15%以上降至5%以下,这充分表明低伤害防塌钻井液有利于维持易坍塌泥页岩地层的井壁稳定。

该井三开井段所返出岩屑具有较强的硬度,成形性好,消除了过去起泥球和糊振动筛的现象,表明该钻井液具有优良的抑制性能。

经试油,该井的油气显示良好,生产稳定,日产油达95 t,为邻井的3.3倍。

目前该井日产油稳定在90 t左右,达到了预期目标,表明储层保护取得了显著效果。

3.2 FN4-8井
FN4-8井是一口开发井,位于苏丹六区 Fula区块。

该井设计井深和完井井深均为2 400 m,钻井周期20 d。

该井三开井段所使用新型低伤害防塌钻井液的主要性能为:密度1.15 kg/L,表观黏度27.5 mPa·s,塑性黏度19 mPa·s,API滤失量4 mL,pH值10。

该井三开井段在钻进过程中共起下钻14次,其中仅有1次发生轻微的超拉现象,其他13次均顺利下钻到底,表明三开井段井眼稳定,未出现缩径或井眼坍塌等问题。

该井三开井段平均井径扩大率低于5%。

目前该井尚未投产,储层保护情况有待于试油后进行跟踪评价。

4 结论
1)在苏丹六区原用 KCl/聚合物钻井液基础上,利用理想充填暂堵剂和成膜剂的协同增效作用,优选出一种适合于苏丹六区的新型低伤害防塌钻井液体系。

室内试验表明,其抑制性有明显提高。

2)岩心动态污染评价试验和动滤失试验均表明,新型低伤害防塌钻井液比原用钻井液有更好的储层保护效果,其岩心渗透率恢复率可达88.32%。

3)新型低伤害防塌钻井液体系的总体性能优良,理想充填暂堵剂和成膜剂的加入显著降低了钻井液的滤失量,而对钻井液流变性没有显著的影响。

该钻井液的HTHP 滤失量较低,抗温可达150℃。

4)两口井的现场应用表明,新型低伤害防塌钻井液克服了原用KCl/聚合物钻井液体系的弱点,井壁稳定性明显提高,储层保护达到了预期效果,能够满足苏丹六区优快钻井和保护储层的要求,具有良好的推广应用前景。

参考文献
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