川西地區(qū)碎屑巖深井鉆井提速的配套鉆井液技術

摘 要

摘要：為解決四川盆地西部地區(qū)碎屑巖深井鉆井出現(xiàn)的鉆井周期長、鉆速低等問題，從鉆井液的類型、組成和性能入手，在調研國內外資料的基礎上，分井段評價了川西地區(qū)所用鉆井液各參數(shù)
摘要：為解決四川盆地西部地區(qū)碎屑巖深井鉆井出現(xiàn)的鉆井周期長、鉆速低等問題，從鉆井液的類型、組成和性能入手，在調研國內外資料的基礎上，分井段評價了川西地區(qū)所用鉆井液各參數(shù)(鉆井液密度、鉆井液固相、鉆井液流變性及鉆井液濾失性)對鉆井速度的影響程度，依托中國石油化工集團公司的各級科研成果，研發(fā)了適合中淺層鉆井提速的無黏土相鉆井液、“三低”(低密度、低黏切、低固相)和“三強”(強抑制、強包被、強封堵)聚合物鉆井液等鉆井液體系，形成了以預防和減少深井井下復雜情況和鉆井事故為目標的穩(wěn)定井壁、防漏堵漏、潤滑防卡等技術。上述技術在川西地區(qū)新21-1H、新916-1井等多口井集成應用后，中淺層鉆井速度明顯提高，中深層井下復雜情況及鉆井事故發(fā)生率明顯降低，縮短了鉆井周期，達到了鉆井提速的預期目標。
關鍵詞：四川盆地西部；中深井；提高機械鉆速；無黏土相鉆井液；聚合物鉆井液；縮短鉆井周期
    川西地區(qū)作為中國石化西南油氣分公司油氣勘探、開發(fā)的主戰(zhàn)場，通過幾年來的不懈努力，目前已建成年產(chǎn)量近20×108m3的天然氣生產(chǎn)基地[1]。然而，由于中深井鉆速低、井下復雜情況多發(fā)、鉆井周期長造成的鉆井高成本已成為制約該區(qū)天然氣進一步勘探開發(fā)的瓶頸[1]。隨著提高鉆井速度目標的提出，加之渦輪鉆具、旋轉導向等鉆井新技術的應用，目前的鉆井液體系已不能滿足要求[2]，亟待研發(fā)新型鉆井液來適應該區(qū)天然氣勘探開發(fā)生產(chǎn)的需求。
    川西地區(qū)淺層泥巖混層黏土礦物含量高，水化分散性強，易坍塌井徑擴大或者水化膨脹縮徑；中深層泥頁巖硬脆，微裂隙發(fā)育，上覆層巖層壓力和水平應力大，易剝落掉塊；上三疊統(tǒng)須家河組多壓力系統(tǒng)，存在異常高壓，碳質頁巖、煤巖層理發(fā)育，巖石強度低，易掉塊；須四段、須二段裂縫發(fā)育，發(fā)生井漏時具有漏速大、突發(fā)性強、處理難度大等特點[3]。
1 鉆井液的組成和性能對鉆速的影響
    針對川西地區(qū)中深井出現(xiàn)的鉆井周期長、鉆速低這一問題，從鉆井液的類型、組成和性能入手，在調研國內外資料的基礎上，分井段評價川西地區(qū)所用鉆井液各參數(shù)對鉆井速度的影響程度，找出其主導因素，以便根據(jù)分析結果研究有利于提高鉆井速度的鉆井液技術[4]。
1.1 鉆井液密度對鉆速的影響
    通過理論分析和現(xiàn)場實際所鉆井資料分析可以看出，在同一地質條件、同一地層壓力和同一鉆井液類型的前提下，鉆井液密度越高鉆井機械鉆速越低。X201井鉆井液密度最高僅為1.30g/cm3，其鉆井速度最高達到了12.64m/h，如圖1所示。

1.2 鉆井液固相對鉆速的影響
   大量鉆井實踐表明，鉆井液中固相含量增加是引起鉆速下降的一個重要原因。此外鉆井液對鉆速的影響還與固相的類型、固相顆粒尺寸和鉆井液類型等因素有關。
1.3 鉆井液流變性對鉆速的影響
   從實鉆資料可以看出(圖2)，川西地區(qū)在3000m以前，提高鉆井液動塑比有利于提高鉆井機械鉆速，但是隨著井深的增加，3000m以后，盡管鉆井液動塑比有效提升，但是鉆井機械鉆速仍然很低，并且隨著井深的增加呈降低的趨勢。
 

1.4 鉆井液濾失性對鉆速的影響
    現(xiàn)場實踐表明，對于水基鉆井液來說，一般情況下鉆井液濾失量越高，鉆井速度也越高。降失水劑一般都增大液相黏度，當降失水劑濃度減小時，失水量大，鉆井液液相黏度降低，因而鉆速增加；Darley通過研究認為，影響鉆速的失水主要是在井底最初的瞬時失水，瞬時失水大且?guī)r屑壓持壓力小，在井底就形不成泥餅，鉆速就快；反之，如瞬時失水小且?guī)r屑壓持力較大，井底就容易形成泥餅，鉆速就慢[5]。
2 中淺層提速鉆井液體系
    在提速鉆井液方面，著重從研究低固相鉆井液、無黏土相鉆井液、液體欠平衡鉆井液等做了相應工作。
2.1 無黏土相鉆井液技術
    通過對元黏土相鉆井液的抑制封堵性能和抗溫性能實驗評價，在鉆井液中加入快速成膜劑和低熒光封堵防塌劑后更易于抑制井壁的水化分散和膨脹。形成的無黏土相鉆井液體系，性能如表1所示。從表1可以看出，無黏土相鉆井液具有密度低、動塑比高、失水大等特點。
 
2.2 液體欠平衡鉆井液技術
   結合川西地區(qū)沙溪廟組到須五段的地層特點，在液體欠平衡方面，研究了“三低”(低密度、低黏切、低固相)聚合物鉆井液和“三強”(強抑制、強包被、強封堵)聚合物鉆井液。“三低”、“三強”鉆井液性能如表2所示。
 
3 中深層井下復雜情況的預防及處理
   在川西地區(qū)復雜地質條件下，深井復雜和事故多、周期長，鉆井費用高。統(tǒng)計表明，2008年川西地區(qū)新場及大邑區(qū)塊深井鉆井中的復雜及事故率分別為22.68%和19.27%，深井平均鉆井周期為280d，平均機械鉆速為2.15m/h，純鉆利用率40.92%，造成鉆井周期長、成本高、效率低。通過項目“川西深井井下復雜及事故的預防與處理鉆井液技術先導試驗”的研究，形成一系列有效預防與處理復雜及事故的鉆井液配套工藝技術。
3.1 井壁穩(wěn)定技術
    從川西地區(qū)近幾年施工深井的井下復雜情況剖面可以看出，井壁失穩(wěn)情況在侏羅系沙溪廟組、千佛崖組，三疊系須五段、須四段、須三段等地層表現(xiàn)最為突出[6]。
    1) 由于第二次開鉆(以下簡稱二開)井段的技術套管只封隔至上沙溪廟的頂部，致使第三次開鉆(以下簡稱三開)裸眼井段長，大段泥巖(沙溪廟組、千佛巖組、須五段)在施工中是長期浸泡在鉆井液中，井壁在濾液長時間的侵蝕和自身的水化而剝落，造成井壁不穩(wěn)定，主要考慮使用高效抑制劑聚胺或有機硅井壁穩(wěn)定劑等提高鉆井液的抑制性，降低泥頁巖的水化膨脹、分散，穩(wěn)定井壁。
    2) 該地區(qū)千佛崖組到白田壩組地層礫石層、交接面以及裂隙發(fā)育，易漏失，白田壩組可能遇到鹽水層，因此該段除了提高鉆井液的抑制性外，還要增強鉆井液的封堵效果，加入封固劑或成膜封堵劑來提高鉆井液對微裂縫的封堵能力，降低鉆井濾液向地層裂隙的侵入[7]。
    3) 須五段、須三段夾碳質泥巖和煤層，易發(fā)生剝落、掉塊，造成井塌、卡鉆等井下復雜情況，形成“大肚子”、“糖葫蘆”等極不規(guī)則井眼，應采用控制合理鉆井液密度和加強封堵來進行防塌。
    4) 對于須二段，大邑地區(qū)井壁失穩(wěn)較突出，首先要控制好鉆井液密度，再考慮使用封堵材料。
3.2 防漏堵漏技術
    針對川西地區(qū)深層井段裂縫發(fā)育、易出現(xiàn)井漏的情況，采取了“防漏為主，專項堵漏為輔”的原則。
    1) 防漏措施主要采取隨鉆鉆井液中加入防漏材料的技術措施，非儲層段隨鉆防漏使用RZK-01、RZF-1等防漏材料。
    2) 儲層段隨鉆防漏主要針對1mm以內的裂縫或孔喉尺寸，推薦使用RF-2、RD-2、FRD-1等高酸溶性防漏堵漏材料。
    3) 對于返吐性復雜性井漏，則采用水泥漿堵漏和橋堵配合高失水堵漏復合堵漏技術(如新7井、新301井采用此技術成功解決了返吐性井漏的問題)。
3.3 潤滑防卡技術
    1) 為了防止鉆井過程中的阻卡，可加入新型潤滑劑RZH220、原油、特效潤滑劑、RZH102以及新型乳化劑NFR-2，提高鉆井液的潤滑性和抗溫能力。
    2) 針對大斜度定向井或水平井，在斜井段要提高鉆井液的攜屑能力，同時通過在井漿加入增黏劑或超級清掃劑配制清掃液，及時清潔井眼。
    3) 通過采用高承壓擠堵技術，可消除新場沙溪廟組C層發(fā)生壓差卡鉆的隱患，同時該技術也有助于解決大邑須家河組局部高滲透地層引起的阻卡問題(如新923-1井、大邑301井)。
4 提速集成技術的應用
鉆井作業(yè)是一個系統(tǒng)工程，除了選用有利于提高鉆井速度的鉆井液體系，鉆井過程中往往也會面臨多種井下復雜情況的出現(xiàn)。因此，只有對各項技術進行綜合應用，才能對使用效果作出全面的評價。配創(chuàng)川西深井提速的集成技術在新21-1H、新916-1井、新209井等井進行了綜合應用，驗證了研究成果。
4.1 典型現(xiàn)場試驗井情況
    新916-1井是部署在川西地區(qū)新場構造T53地震反射層鼻狀構造南翼的一口定向勘探井，該井鉆至斜深4030m全井完鉆，完鉆層位須三段。
    鉆井液方面使用了“三低”“三強”鉆井液體系，使用并延長了無黏土相鉆井液使用井段，該井無黏土相鉆井液使用井段為400～1854m，期間鉆井液性能優(yōu)良，F(xiàn)V控制在43～46s，F(xiàn)L控制在6～3.6mL，固相含量控制在10%～33%。
    在井壁穩(wěn)定方面，二開蓬萊鎮(zhèn)組和遂寧組泥巖易縮徑卡鉆，鉆井液維護重點是提高其包被抑制能力，防垮塌和縮徑，在鉆井液中除了抑制包被劑FA-367、KPAM復配使用外，還加入了2%有機硅井壁穩(wěn)定劑提高體系的抑制性能。此外，根據(jù)地層壓力預測和氣顯示情況及時調整鉆井液密度，始終保持近平衡鉆進，防止了蓬萊鎮(zhèn)組和遂寧組泥巖地層的縮徑。針對須家河組頁巖層理、裂隙發(fā)育，井壁失穩(wěn)可能出現(xiàn)較為嚴重的坍塌，鉆井液中加入了1%RST-2、1%井壁封固RGH，對頁巖微裂隙進行封堵，阻止濾液浸入地層，防止井壁剝落坍塌。該井二開井段平均井徑擴大率僅劃2.45%，三開井段平均井徑擴大率為8.51%(設計值小于12%)，井身較好，在鉆進過程中本井沒有出現(xiàn)井壁垮塌的現(xiàn)象。
    針對鉆進中千佛崖組與白田壩組、須五段界面易漏失，采用加入3%～4%裂縫暫堵劑RF-2防止了滲透性、微裂縫漏失的發(fā)生。在下套管至井深4014m時發(fā)生了漏失，漏速介于0.7～20m3/h，采用的堵漏配方為：井漿+2%RF-1+2%RF-2+2%RD-2+1%FRD-1+2%FRD-2，共泵入堵漏漿68m3進行擠堵，擠入堵漏漿0.7m3，一次性堵漏成功。
    本井由于是一口定向井，為了預防卡鉆事故的發(fā)生，在二開進入遂寧組后開始加入潤滑劑RZH220、乳化劑NFR-2，維持鉆井液具有優(yōu)良的潤’滑防卡性能。
井深3008.42m開始定向造斜，造斜過程中加大潤滑劑的用量，至3258.23m造斜順利完畢。第一次測井在3192m遇阻，第四次測井在3060m和3160m遇阻，對3000m以上井段進行常規(guī)項目測井后，加大扶正器尺寸通井，測井順利。在每次通井過程中，對井眼軌跡變化較大的井段和摩阻較大井段重點劃眼，鉆井液維護時加入固體潤滑劑RZH102保證測井的順利。從通井情況看，起下鉆上提摩阻20～25t，下放摩阻6～10t，無嚴重阻卡點，劃眼時返砂正常，返出少量由鉆具運動擦刮井壁剝落的掉塊，井內無垮塌，鉆井液性能滿足了工程要求；從測斜數(shù)據(jù)看，測井遇阻井段3150～3200m方位變化較大(28.59°～16.31°)，用滿眼扶正器通井后，測井順利，說明該段井眼軌跡對測井影響較大。
從本井時效分析結果可知，全井鉆井總臺時為2121.5h，臺月效率為1366.10m/臺月，高于設計值15.94%；純鉆率為57.31%，高于沒計值15.26%；全井平均鉆速為3.31m/h，高于設計值0.61%。事故率為0，鉆井周期為88.4d，平均機械鉆速為3.31m/h，實現(xiàn)了以須四段為目的層的4000m定向深井105d完鉆的提速奮斗目標，并較提速目標提前16.60d，創(chuàng)造了川西地區(qū)4000m定向深井鉆井周期最短紀錄(施工進度如圖3所示)。
 

4.2 試驗效果評價
   通過將項目研究形成的井壁控制、防漏堵漏、潤滑防卡等技術在新21-1H井、新916-1井、新209井、新10井、大邑103井的綜合應用，配合工程上的旋轉導向和渦輪鉆井技術，有效驗證了項目室內實驗研究成果?，F(xiàn)場5口試驗井的集成技術應用效果較為理想，最高事故率為6.76%，平均事故率控制在2.01%左右；最高復雜情況為4.58%，平均復雜情況1.02%。據(jù)統(tǒng)計，而非試驗井的平均事故率為7.60%，平均井下復雜情況為8.99%，與非試驗井相比均取得明顯的效果。從已完鉆的試驗井來看，相比提速目標縮短鉆井周期18.65%，說明多項研究成果的集成應用在現(xiàn)場試驗過程中取得了階段性的成果，值得推廣應用。
4.3 技術經(jīng)濟效果分析
    通過在川西地區(qū)深井應用配合提速的鉆井液技術后，在中淺層及須家河地層組配合鉆井新技術使機械鉆速得到了明顯的提高，井下復雜情況明顯減少，相比提速目標縮短鉆井周期18.65%，節(jié)約了大量非生產(chǎn)時間。新增成本中除鉆井上使用新工藝增加成本外，鉆井液方面增加了15%～20%的成本，但總體上節(jié)約了鉆井方面的成本，經(jīng)濟效益得到了較明顯的提高。
5 結論
    1) 為了提高川西地區(qū)碎屑巖深井鉆井速度，首先在蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組等淺層井段使用無黏土相鉆井液、“三低”“三強”鉆井液等鉆井液體系有利于提高全井的平均機械鉆速。
    2) 預防與處理好川西深井井下復雜情況及事故是提速的關鍵，重點從井壁穩(wěn)定、防漏堵漏及潤滑防卡等3個方面采取有效的技術措施。
    3) 采用同時在一口井集成使用有利于提速的鉆井液技術，可使川西地區(qū)碎屑巖深井的平均事故率和井下復雜情況明顯降低，實現(xiàn)了鉆井提速目標，值得推廣應用。
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(本文作者：張軍 彭商平 楊飛 于志綱 何志強 四川仁智油田技術服務股份有限公司)