反滲透鉆井液體系在高含CO2井的優(yōu)化與應(yīng)用

佘運(yùn)虎

(中海油服油田化學(xué)事業(yè)部上海作業(yè)公司，上海 200335)

東海溫州M區(qū)塊石門潭組壓力系數(shù)1.8，CO2最高后效氣測(cè)值71.4%，石門潭組后潛山組壓力系數(shù)1.1，且裂縫發(fā)育，極易發(fā)生漏失[1-2]。鄰井區(qū)塊在鉆探過(guò)程中，發(fā)生過(guò)井壁失穩(wěn)、嚴(yán)重CO2氣侵、井涌、井漏、瞬時(shí)井噴等復(fù)雜情況。CO2入侵鉆井液首先會(huì)使其密度下降，在高壓井中容易引發(fā)井涌、井噴等井控問(wèn)題[3-4]。在高溫、高密度下CO2污染會(huì)導(dǎo)致鉆井液稠化，黏度、動(dòng)切力迅速上升，濾失量也隨之增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使鉆井液性能惡化而失控[5]。鉆進(jìn)過(guò)程中，泥餅質(zhì)量是封堵承壓的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而CO2持續(xù)侵入會(huì)使泥餅質(zhì)量變差，濾失量增加，從而導(dǎo)致侵入量增加，最終造成井壁失穩(wěn)和裂縫漏失[6]。因此，防止CO2污染是鉆井液體系必須要解決的問(wèn)題。

1 東海溫州M區(qū)塊鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

東海溫州M區(qū)塊鉆井液技術(shù)難點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：(1)井壁穩(wěn)定：明月峰組、靈峰組褐灰色泥巖易水化膨脹，2 340 m后泥巖發(fā)育厚度近千米，井眼穩(wěn)定性差，井壁可能因水化而導(dǎo)致縮徑和坍塌。(2)防CO2污染：東海溫州M區(qū)塊在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生了多次CO2井涌，地層測(cè)試CO2含量為94.47%；鉆進(jìn)過(guò)程CO2含量7%～10%，最高后效氣測(cè)值71.4%，CO2污染風(fēng)險(xiǎn)高。(3)井控風(fēng)險(xiǎn)：石門潭組壓力系數(shù)1.8，同一井段潛山組壓力為常壓地層(壓力系數(shù)1.1)且裂縫發(fā)育，容易漏失。超高壓發(fā)育，密度窗口窄，存在井噴、井漏共存的風(fēng)險(xiǎn)。(4)性能維護(hù)：隨著地層壓力系數(shù)和溫度的升高，同時(shí)有CO2的入侵，加上泥巖造漿性強(qiáng)，鉆井液性能維護(hù)難度加大，易出現(xiàn)高密度下鉆井液性能稠化的風(fēng)險(xiǎn)。

2 反滲透鉆井液體系抗CO2污染的室內(nèi)評(píng)價(jià)與優(yōu)化

反滲透鉆井液體系是針對(duì)東海地區(qū)砂泥巖互層多、薄煤層發(fā)育、極易發(fā)生井壁失穩(wěn)及起下鉆困難等井下復(fù)雜情況而研制的新型類油基鉆井液體系[7]，是在常規(guī)水基鉆井液體系的基礎(chǔ)上，引入高鹽、微納米封堵技術(shù)和鍵合水技術(shù)，使水基鉆井液具有類似油基鉆井液的反滲透功能[8-10]，從而減少鉆井液濾液對(duì)井壁的影響。

構(gòu)建的反滲透鉆井液體系配方如下：2%搬土漿+0.3%燒堿+0.2%純堿+0.3%PF-PAC LV+0.8%PF-PLUS+2%PF-LSF+2%PF-NRL+3%PF-SPNH+3%PF-SMP+8%HBA+2%HSM+1%HGW+2%LUBE168+18%NaCl+0.1%PF-XC+重晶石加重至1.35 g·cm-3。在東海黃巖區(qū)塊進(jìn)行的近5口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，應(yīng)用井段井壁穩(wěn)定，抑制性強(qiáng)，鉆屑成型，起下鉆順暢，大大提高了鉆井時(shí)效，滿足了東海油氣田安全高效開(kāi)發(fā)的需要[11]。然而，針對(duì)東海溫州M區(qū)塊高壓高含CO2的特點(diǎn)，反滲透鉆井液體系面臨新的挑戰(zhàn)。

2.1 CO2污染對(duì)流變性能的影響評(píng)價(jià)

首先對(duì)反滲透鉆井液體系的抗CO2能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。CO2污染模擬實(shí)驗(yàn)如下：反滲透鉆井液體系在150 ℃條件下老化24 h，然后加入8%NaHCO3，并注入0.2 MPa的CO2氣體進(jìn)行污染。CO2污染對(duì)反滲透鉆井液體系流變性能及濾失量的影響見(jiàn)表1。

表1 CO2污染對(duì)反滲透鉆井液體系流變性能的影響Tab.1 Effect of CO2 pollution on rheological property of reverse osmosis drilling fluid system

從表1可以看出,CO2污染對(duì)反滲透鉆井液體系的流變性能有一定的影響，塑性黏度、動(dòng)切力均明顯上升，pH值有所降低，濾失量大幅上升。

2.2 CO2污染對(duì)泥餅質(zhì)量的影響評(píng)價(jià)

分別用反滲透鉆井液體系壓制泥餅，然后分別用清水、清水注入氮?dú)庖约扒逅⑷隒O2做二次濾失實(shí)驗(yàn),觀察3種條件下泥餅質(zhì)量的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 CO2污染對(duì)泥餅質(zhì)量的影響Fig.1 Effect of CO2 pollution on mud cake quality

從圖1可以看出，注入相同壓力的氮?dú)鈱?duì)反滲透鉆井液體系的泥餅質(zhì)量幾乎沒(méi)有影響，而注入CO2氣體后，泥餅質(zhì)量變差，致密泥餅變虛、松軟。

2.3 CO2污染對(duì)濾液侵入深度的影響評(píng)價(jià)

反滲透鉆井液體系老化后，在150 ℃條件下分別進(jìn)行3.5 MPa、10 MPa、15 MPa等不同壓力下鉆井液體系在CO2污染前后濾液侵入深度隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

通兵法，擅謀略，謝星對(duì)抗北方異族時(shí)，師華年擔(dān)任軍師職務(wù)，出謀劃策。這一役之后，武功全廢，歸隱山林，頗受江湖眾人敬仰。

圖2 CO2污染前(a)后(b)反滲透鉆井液體系在不同壓力下的濾液侵入深度Fig.2 Filtrate invasion depth of reverse osmosis drilling fluid system before(a) and after(b) CO2 pollution at different pressures

從圖2可以看出，未受CO2污染的反滲透鉆井液體系在3.5 MPa、10 MPa、15 MPa壓力下的濾液侵入速度分別為0.06 cm·h-1、0.09 cm·h-1和0.16 cm·h-1，進(jìn)入地層深度淺，有利于井壁穩(wěn)定及儲(chǔ)層保護(hù)。而CO2污染后，反滲透鉆井液體系在3.5 MPa、10 MPa、15 MPa壓力下的濾液侵入速度分別為1.35 cm·h-1、1.97 cm·h-1和2.69 cm·h-1。表明，在嚴(yán)重的CO2污染后，泥餅質(zhì)量變差，難以形成有效的封堵，濾液侵入地層的速度和深度大幅上升。

2.4 抗CO2污染鉆井液技術(shù)對(duì)策

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以看出，高濃度的CO2污染對(duì)反滲透鉆井液體系的流變性能，尤其是濾失量及泥餅質(zhì)量造成了很大的影響。這是由于，CO2屬于酸性氣體，持續(xù)污染會(huì)使反滲透鉆井液體系的pH值持續(xù)下降，對(duì)膨潤(rùn)土造漿以及高分子聚合物分子鏈伸展造成影響，從而導(dǎo)致流變性能變差、泥餅質(zhì)量變差、濾失量變大。因此，需要對(duì)反滲透鉆井液體系進(jìn)行優(yōu)化，采取的優(yōu)化措施如下：

(1)提高PF-PAC LV加量，增強(qiáng)體系的護(hù)膠能力，提高搬土顆粒膠體抗CO2污染穩(wěn)定性，維持體系穩(wěn)定的流變性能。

(2)采用甲酸鹽代替無(wú)機(jī)鹽，利用甲酸鹽的堿性條件達(dá)到緩沖的目的，從而維持體系pH值。

(3)在鉆井液中提前加入儲(chǔ)備堿CaO，控制Ca2+含量在300～600 mg·L-1，提高鉆井液的抑制能力和抗CO2污染能力。

2.5 優(yōu)化的反滲透鉆井液體系抗CO2污染實(shí)驗(yàn)

優(yōu)化的反滲透鉆井液體系的配方如下：2%搬土漿+0.3%燒堿+0.2%純堿+1%PF-PAC LV+0.8%PF-PLUS+2%PF-LSF+2%PF-NRL+3%PF-SPNH+3%PF-SMP+8%HBA+2%HSM+1%HGW+2%LUBE 168+12%甲酸鹽+0.1%PF-XC+0.2%CaO+重晶石加重至1.35 g·cm-3。

表2 CO2污染對(duì)優(yōu)化的反滲透鉆井液體系流變性能的影響Tab.2 Effect of CO2 pollution on rheological property of optimized reverse osmosis drilling fluid system

從表2可以看出，反滲透鉆井液體系在優(yōu)化后，抗CO2污染能力大大提高，流變性能波動(dòng)小，濾失量基本不變。

在150 ℃條件下，分別進(jìn)行3.5 MPa、10 MPa、15 MPa等不同壓力下優(yōu)化的反滲透鉆井液體系在CO2污染后濾液侵入深度隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 CO2污染后優(yōu)化的反滲透鉆井液體系在不同壓力下的濾液侵入深度Fig.3 Filtrate invasion depth of optimized reverse osmosis drilling fluid system after CO2 pollution at different pressures

從圖3可以看出,優(yōu)化的反滲透鉆井液體系在CO2污染后，在3.5 MPa、10 MPa、15 MPa不同壓力下的濾液侵入速度分別為0.04 cm·h-1、0.08 cm·h-1和0.17 cm·h-1。表明，優(yōu)化的反滲透鉆井液體系具有優(yōu)良的抗CO2污染能力，CO2污染后濾液侵入深度基本不變。

室內(nèi)將CO2污染前后未優(yōu)化的反滲透鉆井液體系以及CO2污染后優(yōu)化的反滲透鉆井液體系的人造巖心可視化濾液侵入深度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 CO2污染前后反滲透鉆井液體系可視化濾液侵入模擬評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)Tab.3 Simulation and evaluation experiment of visual filtrate invasion of reverse osmosis drilling fluid system before

從表3可以看出，未優(yōu)化的反滲透鉆井液體系在高濃度CO2污染下，泥餅質(zhì)量差，濾液侵入深度大幅上升；而優(yōu)化的反滲透鉆井液體系即使在高濃度CO2污染后，仍然具有良好的泥餅質(zhì)量及封堵能力，濾液的侵入深度基本不變。

3 反滲透鉆井液體系在高壓高含CO2井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

優(yōu)化后的反滲透鉆井液體系在東海溫州M區(qū)塊的W1探井進(jìn)行應(yīng)用，該井完鉆井深3 635 m，完鉆層位潛山組，其中12-1/4″井段井深3 180 m，8-3/8″井段井深3 635 m。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，在高濃度CO2污染的條件下，優(yōu)化的反滲透鉆井液體系表現(xiàn)出優(yōu)異的流變性能、井壁穩(wěn)定性能，整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中7趟起下鉆，11趟電測(cè)均無(wú)任何阻掛。

3.1 優(yōu)良的流變性能

該井在鉆進(jìn)過(guò)程中反滲透鉆井液體系的流變性能見(jiàn)表4。

從表4可以看出，該井CO2濃度高，CO2后效氣返出前后，反滲透鉆井液體系的黏度、流變性能、API濾失量等各性能參數(shù)和正常鉆進(jìn)相比均無(wú)明顯變化，Pf/Mf比值均小于3，可見(jiàn)優(yōu)化的反滲透鉆井液體系抗CO2污染能力極強(qiáng)。

表4 CO2污染后泥漿返出時(shí)反滲透鉆井液體系的性能Tab.4 Properties of reverse osmosis drilling fluid system at mud return after CO2 pollution

3.2 優(yōu)異的抑制性能

該井在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中，尤其是鉆遇造漿性泥巖，返出的鉆屑成型，棱角分明，鉆頭PDC切削齒印清晰(圖4)，表明反滲透鉆井液體系具有優(yōu)異的抑制性能。

圖4 反滲透鉆井液體系的返砂情況Fig.4 Sand return of reverse osmosis drilling fluid system

3.3 井壁穩(wěn)定，井眼規(guī)則

該井在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中攜砂性能良好，井壁穩(wěn)定，井眼規(guī)則。全程作業(yè)中12-1/4″和8-3/8″井段共7次起下鉆均實(shí)現(xiàn)直起直下，無(wú)劃眼。11趟電測(cè)作業(yè)均一次成功，旋轉(zhuǎn)井壁取芯收獲率100%。且電測(cè)數(shù)據(jù)表明井徑規(guī)則，電測(cè)井徑曲線見(jiàn)圖5。

圖5 不同井段的電測(cè)井徑曲線Fig.5 Caliper curves for different well sections

4 結(jié)論

(1) 東海溫州M區(qū)塊富含CO2，CO2污染對(duì)反滲透鉆井液體系的流變性能、泥餅質(zhì)量等方面提出了更大的挑戰(zhàn)。

(2) 室內(nèi)對(duì)反滲透鉆井液體系進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，加強(qiáng)護(hù)膠能力、有機(jī)鹽替代無(wú)機(jī)鹽以及補(bǔ)充儲(chǔ)備堿，能有效提高反滲透鉆井液體系的抗CO2污染能力。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，優(yōu)化的反滲透鉆井液體系具有良好的抑制性能、井壁穩(wěn)定性能，抗CO2污染能力強(qiáng)，高密度下流變性能優(yōu)異，抑制性強(qiáng)，對(duì)該富含CO2區(qū)塊具有良好的適應(yīng)性。