川西地區(qū)中深井快速鉆井的鉆井液應用技術

摘 要

摘要：鉆井液體系的改進是提高鉆速最直接的手段之一。依據川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組實鉆資料統(tǒng)計分析以及大量文獻調研成果，以室內試驗分析評價為基礎，詳細闡述了對鉆速影響顯著
摘要：鉆井液體系的改進是提高鉆速最直接的手段之一。依據川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組實鉆資料統(tǒng)計分析以及大量文獻調研成果，以室內試驗分析評價為基礎，詳細闡述了對鉆速影響顯著的鉆井液因素，認為鉆井液密度增高會造成鉆井正壓差增加和鉆井液固相含量增加，由此造成鉆速隨鉆井液密度的增加呈對數降低，其降低的幅度隨鉆井液增量的增加而降低；鉆井液體系轉化引起的鉆井液黏度、切力增加，流變性能變差，瞬時失水量降低是鉆速降低的關鍵因素?，F場試驗結果表明，優(yōu)選出的鉆井液體系不僅具有較好的流變性能，而且對于復合鉆井工藝的順利實施亦起到了積極作用，可有效地縮短鉆井周期，提高鉆井速度。
關鍵詞：深井；鉆井液體系；鉆速；試驗；影響因素；四川；西
    目前，中石化在川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組氣藏已完鉆40余口井，但普遍存在鉆井周期長、鉆速慢、鉆井成本高的問題，嚴重地制約了該區(qū)須家河組氣藏的勘探開發(fā)。一般來說，影響鉆速的因素無外乎有地質因素、井身結構、鉆井方式、鉆井設備及鉆井液[1～2]，相應的提高鉆井速度的途徑主要是通過開發(fā)新型快速鉆井鉆井液、設計高效鉆頭、優(yōu)化鉆具結構及應用鉆井最優(yōu)化技術來提高鉆速[3～6]。而鉆井液在提高鉆速方面有著獨特的地位和作用[3，7～9]。筆者針對川西深井鉆井技術現狀，系統(tǒng)地分析評價了鉆井液對鉆速的影響，并以室內試驗評價為基礎，優(yōu)選出適合川西深井快速鉆井的鉆井液體系類型，現場應用提高鉆速效果顯著，為研究區(qū)鉆井工藝改進、加快勘探開發(fā)進程提供了有力的技術保障。
1 鉆井液對鉆速的影響因素評價
    依據實鉆資料統(tǒng)計出川西地區(qū)部分鉆井的機械鉆速隨井深的變化關系，其總體上表現為“M”形(圖1)，對于導管井眼，由于其尺寸大、鉆具輕，同時為防止井漏和垮塌等情況發(fā)生，采用低鉆壓、小排量、低返速吊打，該井段鉆速一般為2～4m/h。第一次開鉆時提高鉆井參數，鉆井液方面轉化為流變性能較好控制的聚合物鉆井液，從而獲得較高鉆速；但該段井眼尺寸較大，鉆屑攜帶困難等問題的存在導致鉆速隨著井深增加而降低。第二次開鉆時由于固井后井眼尺寸變得小而規(guī)則，使得鉆速在工程參數優(yōu)化的情況下大幅度地增加并達到最高值；但隨著鉆井液密度突然增大造成的壓持效應、流變性能變差，鉆速會突然降低，隨后的鉆井液體系可使鉆速進一步降低，此后鉆速基本保持穩(wěn)定。第三次開鉆、第四次開鉆時鉆井液各參數對鉆速的影響并不明顯，其中第三次開鉆的平均鉆速可維持在1.2m/h左右，第四次開鉆的平均鉆速為0.8m/h。

    通過統(tǒng)計分析川西地區(qū)5口深井實鉆資料，認為以下鉆井液因素對鉆速存在影響。
1.1 鉆井液密度對鉆速的影響
鉆井液密度增高對鉆速的影響包含兩個方面的因素：①造成鉆井正壓差增加；②鉆井液固相含量增加。統(tǒng)計的鉆速降低率是兩方面綜合影響的結果，由表1可知，深井第二次開鉆井段中引起鉆速降低的鉆井液密度區(qū)間為1.29～1.49g/cm3，相對應的固相含量為20%～24%(圖2)。圖3反映出鉆速降低率與鉆井液密度增量之間有很好的自然對數關系，即鉆井液密度增量越大，鉆速降低率越高，并且鉆速降低率的幅度隨鉆井液增量的增加而降低。
 

1.2 鉆井液體系轉化對鉆速的影響
    鉆井液體系轉化對鉆速的影響統(tǒng)計表明(表2)，鉆井液體系轉化造成鉆速降低率范圍為13%～33%。該變化可能不應歸結于鉆井液由不分散體系轉化成了分散體系，因為只在固相含量小于6%時，該轉化才會引起鉆速的顯著降低，而鉆井液體系轉化時的固相含量一般大于20%(圖2)。試驗表明，聚合物鉆井液轉化為聚磺鉆井液后，其黏度、切力均會有所增加，瞬時失水量會有所降低。因此，鉆井液體系轉化引起的鉆井液黏度、切力增加，流變性能變差，瞬時失水量降低才是鉆速降低的關鍵因素。
1.3 鉆井液流變性能和黏度對鉆速的影響
鉆井液流變性能和黏度是影響鉆速的重要因素，其好與差可導致超過30%的鉆速變化(表3)。因此，在鉆井中應注意維護鉆井液良好的流變性能和合適的黏度，以此來提高鉆井速度。
 
2 鉆井液的室內評價及優(yōu)選
    在綜合調研國內外深井鉆井液體系的基礎上，結合川西地區(qū)深井的工程地質特征及鉆井液的現場應用情況，選擇在川西地區(qū)應用比較成功的X、Y和Z等3種鉆井液體系進行室內評價，根據配方進行配制的鉆井液，對其流變性、抑制性、潤滑性及抗溫、抗鹽膏能力進行了系統(tǒng)的評價(表4)。結果表明，3種鉆井液體系具有各自的特點和適用范圍，X鉆井液屬于不分散鉆井液體系，對提高鉆井速度很有幫助，但是其在耐溫性和固相容量限兩個方面存在問題。當地層溫度超過80℃時，X鉆井液體系的性能開始惡化，穩(wěn)定性變差，失水量增加；而當鉆井液密度過高時，由于受到X鉆井液容量限的限制，鉆井液性能會整體變差。因此，X鉆井液體系只適應于淺井段的鉆井。
 
    Y鉆井液體系在國內各大油氣田應用都很普遍，在川西地區(qū)也進行了多年的現場試驗和應用。該體系具有良好的抗高溫穩(wěn)定性(可達180℃)、良好的泥頁巖抑制性和抗鹽鈣浸防污染能力，現場應用的技術也比較成熟，可應用于深井段、鹽膏層段。2鉆井液體系雖然在室內評價具有良好的頁巖抑制性、流變性能和抗高溫、抗污染能力，但川西地區(qū)先前的試驗結果表明，該體系在現場應用上還存在一些問題，所以暫不選用。
    綜上所述，在淺井段選擇不分散X鉆井液體系；中深井段選用Y鉆井液體系以滿足鉆井提速需要。
3 現場應用效果
    川西地區(qū)F井是一口提速試驗井，根據研究區(qū)已有實鉆資料，針對快速鉆井對鉆井液性能的要求，主要采取如下技術措施。
3.1 密度控制
   對施工井區(qū)域和鄰井資料進行充分調研，確保井內安全的情況下，分別制訂出F井的鉆井液施工的最低密度值。實鉆中盡可能控制密度在最低值。
3.2 流變性能控制
    快速鉆井要求鉆井液必須具有較好的剪切稀釋特性，較低的水眼黏度和較低的塑性黏度。根據鉀胺聚合物鉆井液和低固相鉀胺聚合物鉆井液這兩種不同的鉆井液體系，制訂出滿足快速鉆井的流變性能指標，施工中嚴格按照技術指標進行維護處理，確保鉆井液性能穩(wěn)定和有較好的流變性能。
3.3 固相控制
    鉆井液體系的無用固相所占比例愈大，對鉆井速度影響也愈大。充分利用化學絮凝和固控設備清除鉆井液體系中的無用固相，保持鉆井液性能穩(wěn)定和優(yōu)化鉆井液流變性能。根據X鉆井液和低固相X鉆井液這兩種不同的鉆井液體系和不同的井段，制訂出不同的鉆井液固相含量和膨潤土含量控制指標。

    圖4是F井與鄰井G井、H井的鉆速對比。F井在505～2184m井段采用的“轉盤+螺桿”復合鉆井，而G井和H井全井段均采用轉盤鉆井。由圖4可知，在505m之前，F井的鉆速并沒有另外兩口井快，而在采用復合鉆井后，鉆速得到明顯提高。分析認為鉆井方式的改變是鉆速提高的主要原因[10]，但優(yōu)選出的鉆井液體系通過降低鉆井液密度和漏斗黏度，對于復合鉆井工藝的順利實施起到了諸多輔助作用(螺桿鉆具的使用對于鉆井液性能有著更為苛刻的要求，特別是要求較低的鉆井液密度和漏斗黏度，以降低泥漿泵泵壓和鉆具磨損)，同時維持了鉆井液較好的流變性和推遲了鉆井液體系的轉換時間，保證了復合鉆井過程中鉆井液性能的穩(wěn)定。F井歷時24.91d鉆至2515m完鉆，平均機械鉆速為7.07m/h，鉆井周期較設計縮短26.74%，取得了顯著的經濟效益。
4 結論
    1) 鉆井液密度增高會造成鉆井正壓差增加和鉆井液固相含量增加，二者造成鉆速降低，鉆速降低率與鉆井液密度增量呈對數關系，即鉆井液密度增量越大，鉆速降低率越高，并且鉆速降低率的幅度隨鉆井液增量的增加而降低。
    2) 鉆井液體系轉化引起的鉆井液黏度、切力增加，流變性能變差，瞬時失水量降低是鉆速降低的關鍵因素。
    3) 室內優(yōu)選出的鉆井液體系經現場試驗表明，該鉆井液體系通過降低鉆井液密度和漏斗黏度，對于復合鉆井工藝的順利實施起到了積極作用，并且維持了鉆井液較好的流變性和推遲了鉆井液體系的轉換時間，保證了復合鉆井過程中鉆井液性能的穩(wěn)定，能有效地縮短鉆井周期，獲得顯著經濟效益。
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(本文作者：劉斌1，2 張生軍3 楊志斌3 蘭林3 王辛4 吳宗國5 1.中國地質大學(武漢)；2.中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院；3.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院；4.成都理工大學能源學院；5.中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程有限公司)