蘇里格氣田桃7井區(qū)水平井斜井段和水平段適用鉆井液體系

摘 要

摘要：鄂爾多斯盆地蘇里格氣田桃7井區(qū)鉆探目的層為二疊系石盒子組盒7段，該區(qū)塊內(nèi)石千峰組和石盒子組地層(簡(jiǎn)稱“雙石層”)極易吸水膨脹進(jìn)而引起井壁失穩(wěn)和鉆頭泥包等
摘要：鄂爾多斯盆地蘇里格氣田桃7井區(qū)鉆探目的層為二疊系石盒子組盒7段，該區(qū)塊內(nèi)石千峰組和石盒子組地層(簡(jiǎn)稱“雙石層”)極易吸水膨脹進(jìn)而引起井壁失穩(wěn)和鉆頭泥包等井下復(fù)雜情況。針對(duì)上述難題，以室內(nèi)研究為技術(shù)支撐，主要考慮抑制性、潤(rùn)滑性能及流變性能，分別研制出了鉀鹽聚磺鉆井液體系和強(qiáng)抑制低傷害暫堵鉆井液體系。在該井區(qū)內(nèi)一口水平井(桃7-17-19H井)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鉆進(jìn)該水平井斜井段所采用的鉀鹽聚磺鉆井液體系具有良好的抑制性能和井眼凈化能力，成功解決了因泥頁(yè)巖水化膨脹而引起的縮徑擴(kuò)徑、坍塌掉塊、高摩阻大扭矩、鉆頭泥包等技術(shù)難題；第三次開鉆水平段所使用的強(qiáng)抑制低傷害暫堵鉆井液體系同樣表現(xiàn)出眾多優(yōu)點(diǎn)——性能穩(wěn)定、失水量低、潤(rùn)滑防卡性能良好、暫堵效果顯著、能有效保護(hù)儲(chǔ)層。桃7-17-19H井完鉆井深4360m，其中水平段長(zhǎng)900m，鉆井周期39.25d，并獲得無(wú)阻流量108×104m3/d的高產(chǎn)氣流。應(yīng)用效果表明：上述鉆井液體系適用于桃7-17-19H井，保證了鉆井施工安全，大大提高了機(jī)械鉆速，創(chuàng)造了蘇里格氣田水平井鉆井周期最短的紀(jì)錄，值得推廣。
關(guān)鍵詞：蘇里格氣田；桃7井區(qū)；水平井斜井段；水平井水平段；鉀鹽聚磺鉆井液；強(qiáng)抑制低傷害暫堵鉆井液；潤(rùn)滑防卡
    桃7-17-19H井位于鄂爾多斯盆地蘇里格氣田桃7井區(qū)，目的層為二疊系石盒子組盒7段，該區(qū)塊石千峰和石盒子地層(以下簡(jiǎn)稱“雙石層”)極易吸水膨脹進(jìn)而引起井壁失穩(wěn)和鉆頭泥包等井下復(fù)雜情況[1～2]。針對(duì)上述難題，以室內(nèi)研究為技術(shù)支撐，主要考慮抑制性、潤(rùn)滑性能及流變性能，研制出了以鉀鹽抑制劑為主要防塌劑，具有強(qiáng)抑制性、潤(rùn)滑效果明顯的鉀鹽聚磺鉆井液體系，該體系抑制性良好，能有效防止PDC鉆頭泥包，能適應(yīng)該區(qū)塊水平井斜井段安全快速鉆進(jìn)；還研制出了強(qiáng)抑制低傷害暫堵鉆井液體系，該體系用于第三次開鉆水平段，具有良好的潤(rùn)滑性和抑制防塌性，平均機(jī)械鉆速得到了突破性的提高，為鉆井提速奠定了基礎(chǔ)。
1 技術(shù)難點(diǎn)
    蘇里格氣田“雙石層”泥頁(yè)巖屬于蒙脫石類，易水化膨脹而引起縮徑擴(kuò)徑、坍塌掉塊、高摩阻大扭矩、PDC鉆頭泥包等技術(shù)難題，成為制約鉆井提速的主要技術(shù)瓶頸。由此帶來(lái)下述技術(shù)難點(diǎn)：
1.1 長(zhǎng)裸眼、長(zhǎng)浸泡時(shí)間的井壁穩(wěn)定問(wèn)題
    第二次開鉆裸眼井段長(zhǎng)達(dá)3000m，易垮塌的“雙石層”就暴露在這一井段，國(guó)產(chǎn)PDC鉆頭在這段地層滑動(dòng)增斜鉆進(jìn)多，鉆時(shí)慢、效率低、鉆井周期長(zhǎng)，不穩(wěn)定地層長(zhǎng)時(shí)間浸泡在鉆井液中，使得地層更容易坍塌，防塌問(wèn)題更加突出。
1.2 長(zhǎng)裸眼井段的潤(rùn)滑降摩阻問(wèn)題
    “雙石層”泥頁(yè)巖地層不穩(wěn)定，為了提高防塌能力，必須對(duì)鉆井液進(jìn)行適當(dāng)加重，同相含量增大，潤(rùn)滑性降低，摩阻和扭矩增大，不利于井下安全[3]。
1.3 并眼凈化問(wèn)題
    該區(qū)產(chǎn)層薄，為了使水平段盡可能穿過(guò)主力氣層，軌跡被設(shè)計(jì)成破浪型是必然的，鉆具平躺在井壁上，由此帶來(lái)了井眼凈化困難的問(wèn)題，影響井下安全。
1.4 長(zhǎng)水平段儲(chǔ)層保護(hù)問(wèn)題
    該區(qū)產(chǎn)層為二疊系石盒子組盒7段，含有泥巖夾層，同時(shí)水平段裸眼面積大、浸泡時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)產(chǎn)層的傷害嚴(yán)重[4～5]。
2 室內(nèi)研究
    針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn).以室內(nèi)研究為技術(shù)支撐，主要考慮抑制性、潤(rùn)滑性能及流變性能，分別研制出了鉀鹽聚磺鉆井液體系和強(qiáng)抑制低傷害暫堵鉆井液體系。
2.1 鉀鹽聚磺鉆井液體系
2.1.1基本配方
    通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)調(diào)研和室內(nèi)研究，形成了鉀鹽聚磺鉆井液體系的基本配方：0.3%～0.6%提黏提切劑G310-DQT+1%～2%抗溫降濾失劑G307-KWJ+3%～5%無(wú)機(jī)鹽抑制劑G312-WZJ+0.3%～0.6%有機(jī)抑制劑YZ-1+0.2%～0.3%NaOH+適量防腐劑+0.5%～2%潤(rùn)滑劑G303-WYR。基本配方性能見表1。
 

    在上述配方基礎(chǔ)上，采用如下配方做室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)：0.4%提黏提切劑G310-DQT+2%抗溫降濾失劑G307-KWJ+5%無(wú)機(jī)鹽抑制劑G312-WZJ+0.6%有機(jī)抑制劑YZ-1+0.2%NaOH+加重材料。
    測(cè)得性能參數(shù)：密度為1.20g/cm3，表觀黏度(AV)為35mPa·s，塑性黏度為(PV)20mPa·s，屈服值為15Pa，API FL為5mL，pH值為10，初切與終切之比為3：6。
2.1.2體系抑制性能評(píng)價(jià)
    從表2可看出，鉀鹽聚磺鉆井液體系對(duì)泥頁(yè)巖回收率較高，一次回收率高說(shuō)明防塌能力強(qiáng)；二次回收率高說(shuō)明井壁穩(wěn)定性好。由此說(shuō)明經(jīng)過(guò)該鉆井液浸泡后的井壁仍然穩(wěn)定。
 

2.1.3體系潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)
    采用上述鉆井液配方，改變潤(rùn)滑劑WY-1的加量，借助DA-11動(dòng)態(tài)模擬潤(rùn)滑儀測(cè)其在不同側(cè)向力條件下的摩擦系數(shù)和扭矩，觀察在不同側(cè)向力下體系的潤(rùn)滑性能，結(jié)果見表3。
 

    從表3可看出：隨著WY-1加量的增加，鉆井液體系表現(xiàn)出較好的潤(rùn)滑效果，60N側(cè)向力時(shí)，扭矩從21.3N·m降到9.4N·m，降低率為56%，摩擦系數(shù)從0.155降低到0.058，降低率為62.6%；120N側(cè)向力時(shí)，扭矩從31.1N·m降到17.9N·m，降低率為42.4%，摩擦系數(shù)從0.176降低到0.090，降低率為48.9%；并且WY-1濃度超過(guò)3%時(shí)，扭矩和摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，潤(rùn)滑劑WY-1加量在1.5%為宜。
2.2 強(qiáng)抑制低傷害暫堵鉆井液體系
    該區(qū)產(chǎn)層為石盒子組盒7段氣層，含泥頁(yè)巖夾層，并且水平段儲(chǔ)層保護(hù)要求高。為此選擇了具有強(qiáng)抑制性、對(duì)儲(chǔ)層傷害小、聚合物易生物降解的強(qiáng)抑制低傷害暫堵鉆井液體系。
2.2.1基本配方
    通過(guò)正交試驗(yàn)，形成了強(qiáng)抑制低傷害暫堵鉆井液體系的基本配方：0.3%～0.5%提黏提切劑G310-DQT+2%～3%酸溶降失水劑G301-SJS+4%～6%有機(jī)鹽抑制劑G313-YZJ+0.2%～0.3%NaOH+適量防腐劑+0.5%～2%潤(rùn)滑劑WY-1?；九浞叫阅芤姳?。

    在上述配方基礎(chǔ)上，采用如下配方做室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)：0.4%提黏提切劑G310-DQT+3%酸溶降失水劑G301-SJS+5%有機(jī)鹽抑制劑G313-YZJ+0.2%NaOH+暫堵加重材料。
    測(cè)得性能參數(shù)：密度為1.10g/cm3，表觀黏度為32mPa·s，塑性黏度為20mPa·s，屈服值為12Pa，APIFL為5mL，pH值為9，初切與終切之比為2：5。
2.2.2體系抑制性能評(píng)價(jià)
    從表5看出，加入有機(jī)鹽抑制劑，大幅度提高了鉆井液體系的抑制能力，泥頁(yè)巖二次回收率高達(dá)72.48%，說(shuō)明經(jīng)過(guò)該鉆井液浸泡后的井壁仍然穩(wěn)定。
 

2.2.3體系潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)
    選用不同種類潤(rùn)滑劑和體系進(jìn)行配伍試驗(yàn)，最終篩選出潤(rùn)滑劑WY-1。由圖1可以看出：摩阻系數(shù)隨潤(rùn)滑劑WY-1加量的增加而降低，加量超過(guò)1.50后趨于穩(wěn)定。加量在1.5%時(shí)，潤(rùn)滑系數(shù)降低率可達(dá)到62.8%。因此，推薦WY-1加量為1.5%。
 

2.2.4體系傷害試驗(yàn)評(píng)價(jià)
    為驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)完井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度，模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆井過(guò)程，測(cè)定鄰井的3塊巖心經(jīng)48h動(dòng)態(tài)、48h靜態(tài)傷害前后及高壓氣體反向驅(qū)排后的滲透率并計(jì)算巖心的恢復(fù)率(表6)。
 

    從表7可以看出，強(qiáng)抑制低傷害暫堵鉆井液長(zhǎng)期浸泡造成的傷害，其平均恢復(fù)率是89.86%，再經(jīng)過(guò)8MPa高壓氣體反向驅(qū)排后，其平均恢復(fù)率達(dá)92.45%。說(shuō)明強(qiáng)抑制低傷害暫堵鉆井液體系對(duì)氣層傷害很小，基本無(wú)傷害，是清潔完井液。
 

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工概況
    該井于2010年4月11日22：00采用Φ346mm鉆頭第一次開鉆鉆進(jìn)，在井深2569m采用Φ215.9mm牙輪鉆頭開始定向造斜，鉆遇劉家溝組、石千峰組、石盒子組地層；5月8日8：O0第二次開鉆斜井段完鉆，完鉆井深3460m，本段進(jìn)尺891m(井段2569～3460m)。斜井段是這口井的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。這口井在劉家溝上部開始定向造斜，進(jìn)入“雙石層”后，無(wú)固相聚合物鉆井液體系已不能滿足下一步的鉆進(jìn)要求，為保證斜井段的安全快速鉆進(jìn)，預(yù)防井壁坍塌，提高鉆井液潤(rùn)滑防卡和攜帶巖屑能力，需要轉(zhuǎn)化為鉀鹽聚磺鉆井液體系(表7)。
    在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，維持鉀鹽含量，增強(qiáng)鉆井液抑制性，提高鉆井液密度的同時(shí)，嚴(yán)格控制失水，改善泥餅質(zhì)量，整個(gè)斜井段施工安全順利，上提摩阻在12t左右，沒有出現(xiàn)垮塌或掉塊現(xiàn)象。5月11日13：00下Φ177.8mm技術(shù)套管，5月12日7：00固井，候凝，至此第二次開鉆斜井段順利完成。
    5月15日0：00采用Φ152.4mm鉆頭開始水平段鉆進(jìn)，使用強(qiáng)抑制低傷害暫堵鉆井液體系，5月21日5：O0鉆至4360m水平段完鉆，水平段長(zhǎng)900m，歷時(shí)6.21d。整個(gè)施工安全順利，維護(hù)處理方便，性能保持穩(wěn)定：鉆井液密度介于1.10～1.14g/cm3，F(xiàn)V介于38～60s，API FL介于4～6mL，泥餅厚度介于0.2～0.3mm，pH值介于8～9，含砂量小于0.5%，PV介于15～25mPa·s，YP介于8～18Pa，濾餅?zāi)ψ柘禂?shù)小于0.1，并且泥餅薄、不黏、摩阻小，流變性優(yōu)良，動(dòng)塑比值高，攜砂效果好，潤(rùn)滑性能好，無(wú)遇阻、遇卡現(xiàn)象。
3.2 應(yīng)用效果
    1) 鉀鹽聚磺鉆井液體系具有良好的抑制防塌性能。在斜井段施工過(guò)程中，該鉆井液體系從鉀離子的防塌性、無(wú)機(jī)鹽降低水相滲透壓、聚磺的抑制封堵等3個(gè)方面增強(qiáng)了鉆井液體系的抑制防塌能力，返出“雙石層”巖屑形狀規(guī)則，沒有出現(xiàn)水化或分散跡象，捻碎后巖屑內(nèi)部呈干態(tài)，有效防止了PDC鉆頭泥包(圖2)。

    2) 良好的井眼凈化效果。整口井鉆井液表現(xiàn)出良好的攜巖能力，起下鉆沒有出現(xiàn)明顯的遇阻遇卡現(xiàn)象，3460mΦ177.8mm的技術(shù)套管僅用19h就下到設(shè)計(jì)位置；水平段9個(gè)封隔器安全順利下設(shè)計(jì)位置，創(chuàng)造了蘇里格區(qū)塊水平段下入封隔器最多的紀(jì)錄。
    3) 機(jī)械鉆速得到突破性提高。水平段機(jī)械鉆速高達(dá)10.02m/h，刷新蘇里格水平井鉆井速度新紀(jì)錄，水平段鉆井周期縮短為6.21d，全井鉆井周期僅39.25d，突破了承擔(dān)施工任務(wù)鉆井隊(duì)自己保持的44.5d完鉆蘇里格氣田一口水平井的紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)了鉆井速度“三級(jí)跳”。
    4) 實(shí)現(xiàn)了PDC鉆頭國(guó)產(chǎn)化。鉆井液良好的抑制防塌潤(rùn)滑性能，使單只國(guó)產(chǎn)PDC鉆頭的進(jìn)尺和平均機(jī)械鉆速得到了大幅度的提高，降低了鉆井成本，為蘇里格氣田水平井提速挖掘了潛力。該井完鉆井深4860m，其中3750m進(jìn)尺由國(guó)產(chǎn)PDC鉆頭完成，使用率86%，創(chuàng)造了國(guó)產(chǎn)PDC鉆頭使用率的歷史新高。斜井段取得單只Φ215.9mm國(guó)產(chǎn)PDC鉆頭353m的進(jìn)尺，實(shí)現(xiàn)了該尺寸國(guó)產(chǎn)PDC鉆頭的重大突破；還創(chuàng)造了2只國(guó)產(chǎn)Φ152.4mm PDC僅用6.21d完成水平段900m進(jìn)尺的紀(jì)錄，平均機(jī)械鉆速10.02m/h，其中第一只PDC鉆頭進(jìn)尺506m，第二只PDC鉆頭機(jī)械鉆速14.59m/h，分別刷新了蘇里格氣田水平井水平段低成本單只國(guó)產(chǎn)鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速的紀(jì)錄。
4 結(jié)論
    1) 鉀鹽聚磺鉆井液體系具有強(qiáng)抑制性、良好潤(rùn)滑性能和攜砂能力，較好地解決了因泥頁(yè)巖水化膨脹而引起的縮徑、掉塊坍塌、高摩阻大扭矩等一系列技術(shù)難題，能有效防止PDC鉆頭泥包，該體系值得進(jìn)一步推廣使用。
    2) 強(qiáng)抑制低傷害暫堵鉆井液體系具有良好潤(rùn)滑性和抑制防塌能力，能夠適應(yīng)長(zhǎng)水平段安全快速鉆進(jìn)，同時(shí)對(duì)氣層傷害低，是一種高效的完井液體系。
    3) 此次試驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)，值得在該區(qū)推廣。
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(本文作者：崔貴濤 金祥哲 董宏偉 黎金明 吳滿祥 低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室·川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)