延長油田水平井高性能水基鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

張文哲，李 偉，王 波，劉 云，江晨碩.

(1.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075；2.陜西省特低滲透油氣田勘探開發(fā)工程技術(shù)研究中心，陜西西安 710077；3.延長油田股份有限公司，陜西延安 716099；4.陜西省二氧化碳封存與提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710075;5.新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院，新疆烏魯木齊 830046)

鄂爾多斯盆地三疊系致密油藏以延長組7段(簡稱長7)頂部油頁巖、致密含油砂巖和延長組6段(簡稱長6)中部油層組致密含油砂巖最為典型。該區(qū)致密油藏呈現(xiàn)“東淺西深”伊陜斜坡構(gòu)造，具有分布范圍較廣，儲(chǔ)層物性差且非均質(zhì)性強(qiáng)、東西部差異大，孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，“低孔、低滲、低豐度”，油藏壓力系數(shù)低等特征，但其儲(chǔ)層原始含油飽和度高，烴源巖條件優(yōu)越，原油性質(zhì)好，擁有較好的開發(fā)潛質(zhì)[1-2]。油頁巖、致密含油砂巖由于其硬脆性、片理結(jié)構(gòu)，在鉆井過程中易發(fā)生坍塌掉塊、裂縫井漏等復(fù)雜情況，已成為延長油田鉆井，特別是水平井鉆井的一大難題。提高井壁穩(wěn)定性是解決這個(gè)問題的關(guān)鍵[3]。

1 地質(zhì)概況

以延長油田中生界延長組致密油藏長7段為例，地層厚度約80～100 m，地層深度1 400～2 600 m，儲(chǔ)層巖性主要為褐色油頁巖、灰黑色泥巖、深灰色砂質(zhì)泥巖夾灰色泥質(zhì)砂巖、淺灰色細(xì)砂巖等。對(duì)巖樣中黏土礦物組分相對(duì)含量進(jìn)行了XRD分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，伊利石含量最高，約占40.1%～88.9%，伊蒙混層含量平均15.2%，綠泥石含量分布在4.9%～27.8%，離散性整體較大；儲(chǔ)層節(jié)理微裂縫發(fā)育、紋理清楚、水化膨脹不均勻，屬非膨脹型破碎性(脆性)地層(圖1)，井壁穩(wěn)定性較弱[4]，對(duì)鉆井過程中鉆井液性能提出較高要求[5]。

圖1 儲(chǔ)層巖心微裂縫電鏡掃描

2 延長油田致密油水平井鉆井液技術(shù)

延長油田致密油水平井現(xiàn)階段主要使用的鉆井液體系為K-PAM聚合物鉆井液體系，前期的現(xiàn)場實(shí)踐表明，該體系在流變性能、潤滑性能與井壁穩(wěn)定等性能上還存在一定問題[6]，具有很大的提升空間。對(duì)鉆井液體系配方重新進(jìn)行了優(yōu)選，對(duì)各性能指標(biāo)二次優(yōu)化，增強(qiáng)了鉆井液的抑制性和封堵性，且在一定程度上降低了成本。

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

(1)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象普遍。陜北致密油藏長7段頂部和底部各發(fā)育一套褐色油頁巖或深灰色泥巖，中部發(fā)育一整套砂體，砂體間為砂泥巖互層。在水平井鉆井過程中，造斜段鉆遇該層段，由于地層黏土含量較高，現(xiàn)有鉆井液封堵性和抑制性能不足，導(dǎo)致井壁吸水膨脹厲害、掉塊嚴(yán)重而造成垮塌，特別是西部深層區(qū)塊，現(xiàn)場鉆井難度較大[7]。

(2)定向摩阻大導(dǎo)致托壓。鉆井液降濾失材料的選取對(duì)體系潤滑性和流變性產(chǎn)生約束，處理劑間產(chǎn)生不配伍，且油溶性潤滑劑加入過量時(shí)易形成二次泥餅，易造成托壓等復(fù)雜情況[8]。

(3)攜巖性能不好。對(duì)于致密油長水平段鉆井，非均質(zhì)巖性突變較為嚴(yán)重，長泥頁巖段加入抑制劑后，鉆井液活度和流變性受到制約，直接影響鉆井巖屑的有效懸浮和攜帶，井眼不清潔易造成井下事故[9]。

2.2 延長油田致密油水平井鉆井液體系優(yōu)化

由地層井壁不穩(wěn)定機(jī)理分析[10-12]可知，要保證井段的井壁穩(wěn)定，設(shè)計(jì)防塌鉆井液時(shí)，在技術(shù)上除了要滿足合理的鉆井液密度、良好的潤滑性及流變性外，還必須滿足強(qiáng)抑制和強(qiáng)封堵特性。

目的區(qū)塊鉆井液在造斜段以后以聚合物鉆井液體系為代表，主要處理劑以聚丙烯酰胺鉀鹽(K-PAM)為主，配合聚合物降濾失劑等其他處理劑在水化好的膨潤土漿中共同作用，現(xiàn)場鉆井液處理劑應(yīng)用較為種類和加量比較雜亂，急需一種適合延長致密油地層水平井的鉆井液體系和技術(shù)規(guī)范[13-14]。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)材料以勝利油田勝利化工工業(yè)級(jí)材料為主，按照《GB/T16783.1-2014石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場測試第1部分：水基鉆井液》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2.2.1 降濾失劑優(yōu)選

延長油田致密油區(qū)塊目前使用的主要降濾失劑有：SMPX抗高溫抗鹽磺化降濾失劑、COP-FL聚合物降濾失劑、增粘纖維降濾失劑SJL-1等?，F(xiàn)場取上述降濾失劑樣品，室內(nèi)在基漿基礎(chǔ)上，配制成三種體系老化后測量常規(guī)性能，具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

0#：基漿：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM

1#：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+2%SMPX抗高溫抗鹽磺化降濾失劑

2#：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+2% COP-FL聚合物降濾失劑

3#：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+2% SJL-1降濾失劑

表1 加入不同降濾失劑后鉆井液性能表

注：鉆井液老化條件：80 ℃(地層溫度)熱滾24 h；測試溫度：室溫(下同)。

對(duì)比老化后鉆井液API中壓、高溫高壓濾失量，COP-FL聚合物降濾失劑要優(yōu)于SJL-1降濾失劑；比較3組實(shí)驗(yàn)的高溫高壓濾餅質(zhì)量發(fā)現(xiàn)(圖2)，1#泥餅虛厚，不致密，光滑性較弱；2#泥餅薄且致密、較光滑；3#泥餅致密性好且光滑，但稍厚。綜合考慮濾失量和泥餅質(zhì)量，選擇COP-FL聚合物降濾失劑，可顯著提高體系失水造壁性。

圖2 不同降濾失劑高溫高壓濾失實(shí)驗(yàn)?zāi)囡?/p>

2.2.2 抑制劑優(yōu)選

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前延長油田致密油區(qū)使用的鉆井液抑制型處理劑為無熒光防塌潤滑劑FT342、銨鹽頁巖抑制劑KD-40、陽離子乳化瀝青GD-SFT和聚胺類抑制劑SJA-1四種。在前述基漿的基礎(chǔ)上，引入以上處理劑形成強(qiáng)抑制劑體系，綜合評(píng)價(jià)其抑制黏土水化膨脹和水化分散的能力，通過測定鈉膨潤土線性膨脹率和鉆井液一次、二次滾動(dòng)回收率進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1#：4%鈉膨潤土+0.2純堿+0.4%K-PAM+1.5%銨鹽頁巖抑制劑KD-40

2#：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+1.5%無熒光防塌潤滑劑FT342

3#：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+1.5%陽離子乳化瀝青GD-SFT

4#：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.54%K-PAM+1.5%胺類抑制劑SJA-1

線性膨脹率采用宣化鈉膨潤土制造人工巖心(壓力14 MPa，穩(wěn)壓時(shí)間5 min)進(jìn)行模擬，記錄16 h鉆井液對(duì)巖心線性膨脹量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 抑制劑線性膨脹率測定表

滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)選取定邊羅龐塬致密油區(qū)羅平X井洛河組地層巖屑(深度約350 m)，測定鉆井液滾動(dòng)回收率(實(shí)驗(yàn)條件：熱滾溫度80 ℃，一次滾動(dòng)時(shí)間16 h，二次滾動(dòng)48 h)，結(jié)果見表2。

從線性膨脹率結(jié)果分析來看，銨鹽頁巖抑制劑和陽離子乳化瀝青抑制效果相當(dāng)，但均弱于無熒光防塌潤滑劑；滾動(dòng)回收率結(jié)果顯示，胺類抑制劑與無熒光防塌潤滑劑的二次滾動(dòng)回收率較高，說明抑制性較強(qiáng)且更穩(wěn)定。綜合成本考慮，優(yōu)選出的抑制劑為無熒光防塌潤滑劑FT342。

表2 抑制劑鉆井液滾動(dòng)回收率分析表

2.2.3 潤滑劑優(yōu)選

固體石墨類潤滑劑GRH-1和液體極壓潤滑劑JM-1是延長致密油區(qū)目前普遍使用的兩種鉆井液用潤滑劑。前者是將井壁和鉆柱間的滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦提高井眼潤滑性，后者是通過增加兩者間的潤滑膜厚度和強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)降摩減阻。室內(nèi)通過檢測鉆井液極壓潤滑系數(shù)和HTHP泥餅黏滯系數(shù)來考量體系的潤滑性。

(1)測定鉆井液的潤滑系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)依靠EP極壓潤滑儀，按照標(biāo)準(zhǔn)步驟測定鉆井液體系潤滑系數(shù)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 加入不同潤滑劑后鉆井液的潤滑系數(shù)

從檢測結(jié)果可以看出，通過加入兩種潤滑劑，鉆井液的潤滑性均有提升，但液體極壓潤滑劑JM-1提升效果更為顯著，意味著提高接觸潤滑膜厚度和強(qiáng)度對(duì)致密油層優(yōu)快鉆井更有效。

(2)測定高溫高壓下的泥餅黏滯系數(shù)。

測試實(shí)驗(yàn)采用GS-42型高溫高壓濾失儀，在80℃溫度條件下做鉆井液濾失實(shí)驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)步驟得到鉆井液HTHP泥餅(圖4)。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，1#泥餅稍厚，膜表面帶有不溶性小顆粒，韌性不夠；2#泥餅薄且致密，且膜表面光滑，泥餅質(zhì)量整體優(yōu)于1#。泥餅黏滯系數(shù)測量結(jié)果見表4。

從極壓潤滑系數(shù)和高溫高壓鉆井液泥餅黏滯系數(shù)綜合測試可以看出，選用液體極壓潤滑劑JM-1整體潤滑效果要優(yōu)于固體石墨類潤滑劑GRH-1，因此，所需潤滑劑確定為液體極壓潤滑劑JM-1。

圖4 潤滑劑高溫高壓下鉆井液泥餅對(duì)比

表4 不同體系的泥餅黏滯系數(shù)

2.2.4 封堵劑優(yōu)選

國內(nèi)外研究中，沒有從本質(zhì)上解決致密油儲(chǔ)層鉆井液封堵問題，封堵性差導(dǎo)致的坍塌、泥包和卡鉆等復(fù)雜問題較為嚴(yán)重。本文根據(jù)延長油田致密油儲(chǔ)層納、微米級(jí)巖石孔縫特性，優(yōu)選出適合該地區(qū)的封堵劑體系。對(duì)陜北致密油區(qū)現(xiàn)場常用的工業(yè)級(jí)納米乳液RL-2和無水聚合醇WJH-1兩種封堵劑單劑復(fù)配(表5)，將其加入鉆井液基漿(4%鈉膨潤土漿)，通過高溫高壓濾失實(shí)驗(yàn)測量滲透率降低率來評(píng)價(jià)封堵效果[15]，結(jié)果見表6。

表5 封堵劑復(fù)配組合配方

表6 封堵劑復(fù)配后鉆井液性能參數(shù)

注：K0為不含封堵劑空白漿體的泥餅滲透率，K′為含封堵劑的評(píng)價(jià)漿體，Kr為滲透率降低率。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，優(yōu)選出適合致密油區(qū)鉆井液的封堵劑體系為：5%WJH-1+3%RL-2，封堵性相比原鉆井液提高51.7%，井壁穩(wěn)定性增強(qiáng)。

以靖邊致密油區(qū)長7為目的層的水平井為例，優(yōu)選出致密油水平井水平段強(qiáng)封堵型鉆井液體系基礎(chǔ)配方：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+2% COP-FL聚合物降濾失劑+1.5%無熒光防塌潤滑劑FT342+1.0%液體極壓潤滑劑JM-1+5%WJH-1+3%RL-2，其他致密油區(qū)可在此配方基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)整部分處理劑加量，處理和維護(hù)簡單。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)同時(shí)證明，該體系可利用石灰石(120～150目)加重，且性能保持穩(wěn)定，滿足延長油田所有致密油區(qū)鉆井需要。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

將優(yōu)化后的強(qiáng)封堵型鉆井液體系在延長油田致密油區(qū)杏平36井(東部淺層油區(qū))、羅平16井(西部深層油區(qū))兩口水平井進(jìn)行了應(yīng)用。

3.1 杏平36井——防漏失封堵性強(qiáng)

杏平36井位于鄂爾多斯盆地郝家坪南區(qū)鼻隆構(gòu)造內(nèi)，是典型的致密油區(qū)塊水平井，鄰井鉆進(jìn)過程中存在較為嚴(yán)重的漏失、托壓和掉塊等現(xiàn)象[16]。該井設(shè)計(jì)井深2745.75 m，造斜段和水平段(1 350 m～2 745 m)應(yīng)用該鉆井液體系。施工過程中，該體系防漏失、封堵效果較好，井壁始終保持穩(wěn)定，機(jī)械鉆速相比鄰井提高37.5%。鉆井液性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表7。

3.2 羅平16井——防塌能力好

定邊羅龐塬致密油區(qū)以長7儲(chǔ)層為主要目的層；巖性主要為黑色油頁巖、暗色泥巖夾灰黑色細(xì)砂巖；該區(qū)在2017年水平井鉆進(jìn)過程中，多口井接連發(fā)生嚴(yán)重掉塊、井塌等復(fù)雜情況，最嚴(yán)重的填井、側(cè)鉆三次，是延長致密油區(qū)最為復(fù)雜的區(qū)塊之一[17]。

表7 杏平36井現(xiàn)場鉆井液性能參數(shù)

羅平16井井深3 342 m，水平段長達(dá)1 200 m，該井鉆遇造斜段和水平段(2 200 m～3 500 m)選用該鉆井液體系。從應(yīng)用效果來看，鉆井液強(qiáng)封堵性和攜巖性能夠很好地解決該區(qū)塊出現(xiàn)的卡鉆、托壓等復(fù)雜問題，井下事故率相比鄰井降低85.7%，施工周期縮短35.1%，鉆井成本減少34.7%，整體應(yīng)用效果較好。鉆井液性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表8。

表8 羅平16井現(xiàn)場鉆井液性能參數(shù)

4 結(jié)論

(1)延長油田致密油區(qū)塊長7地層巖樣黏土礦物均以伊利石為主，占比40.1%以上，含伊/蒙混層礦物，無蒙脫石；比表面積較低，為弱膨脹性地層，地層層理、宏觀裂縫、微觀裂紋均較發(fā)育，地層原巖強(qiáng)度較高、脆性較強(qiáng)，對(duì)該區(qū)鉆井液技術(shù)提出嚴(yán)格要求。

(2)通過對(duì)延長油田各致密油區(qū)塊地層巖性和鉆井技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)場用降濾失劑、抑制劑和潤滑劑等主要處理劑進(jìn)行了優(yōu)選，確定出適合該地區(qū)強(qiáng)封堵型鉆井液體系，封堵性相比優(yōu)化前提高51.7%。

(3)優(yōu)化后的鉆井液技術(shù)在延長油田致密油2口水平井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，機(jī)械鉆速相比鄰井提高30%，施工周期縮短35%，優(yōu)快鉆井效果顯著。致密油強(qiáng)封堵強(qiáng)型鉆井液技術(shù)為支撐“三低”油田千萬噸油氣產(chǎn)量發(fā)揮積極作用，具有很好的推廣價(jià)值。