杭锦旗区块锦58井区钻井液技术实践与认识
石秉忠1, 解超2, 李胜1, 刘金华1, 陈晓飞1     
1. 中国石化石油工程技术研究院, 北京 100101;
2. 中石化华北石油工程有限公司, 河南郑州 450006
摘要: 杭锦旗区块锦58井区钻井过程中普遍存在严重漏失及井壁失稳问题,为此,开展了该井区钻井液技术研究。在深入分析井漏和井壁垮塌原因及主要技术难点的基础上,从"预防为主"出发,优选钻井液处理剂、优化钻井液配方和性能,确定了随钻承压防漏堵漏和井壁稳定技术,以达到兼顾防漏防塌、确保安全钻进的目的。该技术在锦58井区的JPH351井、JPH393井和JPH404井等3口水平井进行了现场应用,大大减少甚至避免了漏失和井壁失稳问题,取得了显著效果。其中,JPH351井钻井过程中顺利钻穿刘家沟组易漏地层,堵漏时间缩短40%以上,减少了漏失次数,缩短了处理时间;石千峰组和石盒子组地层井壁稳定,平均井径扩大率仅为4.73%;水平段累计钻遇长泥岩段11段513.00 m,泥岩占比达35.92%;3 200.00~3 292.00 m泥岩井段揭开52 d后仍未出现井壁垮塌失稳问题。应用结果表明,随钻承压防漏堵漏和井壁稳定技术能够解决该井区的井漏与井壁失稳问题,保障高效安全钻井,具有推广应用价值。
关键词: 钻井液     防漏     堵漏     锦58井区     杭锦旗区块    
Development and Application of Drilling Fluid in the Jin-58 Well Block of the Hangjinqi Block
SHI Bingzhong1, XIE Chao2, LI Sheng1, LIU Jinhua1, CHEN Xiaofei1     
1. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing, 100101, China;
2. Sinopec Huabei Oilfield Service Corporation, Zhengzhou, Henan, 450006, China
Abstract: With high risks in drilling operations, the Jin-58 Well Block in the Hangjinqi Block frequently experiences severe lost circulation and borehole instability in drilling.To solve these problems, innovative drilling fluids have been developed for the Block.Through an in-depth analysis of root causes and key technical challenges related to lost circulation and sidewall collapsing, technologies with outstanding performances in pressure-bearing, lost circulation prevention, plugging and sidewall stabilizing were developed by selecting optimal treating agents in drilling fluids and by optimizing formula and properties of drilling fluids to ensure the safety of drilling operations.The newly-developed technology was successfully implemented in three horizontal wells(Well JPH 351, Well JPH393 and Well JPH404) of Jin-58 Well Block.Lost circulation and sidewall collapses were greatly decreased or avoided.For an example, the horizontal Well JPH351 penetrated the Jiujiagou Formation which is highly susceptible to lost circulation.The time required for plugging operations was over 40% shorter than those required in operations with conventional drilling fluids.In addition, to reduce the frequency of lost circulation, the time required to process these conditions is reduced dramatically.Sidewalls in the Shiqianfeng Formation and the Shihezi Formation displayed outstanding stability with average diameter expansion of 4.73% only.In the horizontal interval, 11 intervals of mudstone with total length of 513.00 m, or 35.92% of total length, were penetrated.The 3 200.00-3 292.00 m mudstone interval maintained excellent sidewall stability 52 days after penetration.Research results showed the newly developed drilling fluids and matching technologies could effectively solve problems related to lost circulation and sidewall instability.These technologies have bright prospects in field applications at larger scales.
Key words: drilling fluid     lost circulation prevention     plugging     Jin-58 Well Block     Hangjinqi Block    

杭锦旗区块位于鄂尔多斯盆地伊盟北部隆起带,是鄂尔多斯盆地东胜气田的重点开发区域。该气田自勘探开发以来,由于构造复杂、断层局部发育、地层破碎和裂缝发育,遇到了井漏、井壁失稳和钻井周期长等问题[1]。如锦58井区的J66P5H井曾发生恶性漏失,浪费时间近100 d;该井区2016年所钻井水平段钻遇泥岩时的井壁失稳率高达30%,因井壁失稳耗费时间增加3.59倍,严重影响了该井区主力开发区块钻探开发的顺利进行[2]。由于漏失区域广、层位多、井段长和机理复杂,并且地层承压能力低、井壁稳定性差,尽管近年来借鉴了不同钻井液体系的优点,针对不同地层特点开展了多种堵漏防塌技术研究与应用,但水平井钻井过程中存在的“上漏、下塌、漏塌并存”问题仍未根治,需要进一步研究解决。

为此,笔者系统分析了大量完井资料,明确了杭锦旗区块锦58井区的施工难点,优化了钻井液体系配方与性能,形成了随钻承压防漏堵漏和稳定井壁技术,在JPH351井、JPH393井和JPH404井等3口水平井进行了现场应用并取得显著效果,为该井区安全高效钻井提供了可借鉴的方法和经验。

1 技术难点及解决思路 1.1 技术难点

杭锦旗区块是典型的致密岩性气藏,水平井主要采用三开长水平段井身结构,锦58井区也是如此。其中,二开包括斜导眼和主井眼,三开为长水平段,主要钻遇延安组、延长组、刘家沟组、石千峰组和石盒子组等地层,施工过程中技术难点主要有防漏堵漏、井壁失稳和水平段润滑防卡与携岩问题。

1) 防漏堵漏问题。井漏是锦58井区出现井下复杂情况的主要原因,刘家沟组地层的恶性漏失及其相关联的阻卡问题严重制约了该井区的钻井提速效果。天然裂缝是导致井漏及产生诱导裂缝的主要原因,诱导裂缝又会使井漏速度大,且极易复漏。漏失井段的承压能力偏低,刘家沟组与石千峰组之间存在窄或负的安全密度窗口[3],同一裸眼井段内压力体系不同,极大地增加了低压层的井漏风险与预防处理难度,上部井段钻井液密度低形成的封堵层薄弱,下部井段提高钻井液密度时易引起裂缝扩展及破坏上部原有的封堵层。

2) 井壁失稳问题。杭锦旗区块断层局部发育[4],构造复杂,石千峰组和石盒子组发育大段泥岩,且岩性、表现特征与阻卡特征不尽相同,上石盒子组棕红、棕褐色的塑性泥岩水化膨胀造浆严重,易出现遇阻卡;下石盒子组灰褐色脆性与塑性泥岩整体表现为硬脆性剥落掉块坍塌,且易吸水膨胀变软,受循环冲刷作用极易形成大肚子或键槽井段;裂缝发育及地层破碎也是容易失稳的一个因素。另外,防漏防塌难以有效兼顾,井下故障处理难度大。

3) 水平井润滑防卡与携岩问题。为了提高单井产量与采收率,一般裸眼水平段设计长度达1 000.00 m以上,施工过程中因钻具与井壁接触面积大、时间长和容易形成岩屑床等原因,会产生严重的托压问题,必须采取润滑防卡技术,同时,还需确保钻井液的携岩性能良好,以及时清除岩屑,防止岩屑床的形成。另外,水平段钻遇泥岩后的井壁失稳问题极易引发井下故障,例如,JPH354井水平段7次钻遇泥岩(长度108.00 m),钻至井深3 276.80 m时出现严重阻卡。

1.2 解决思路

1) 采用随钻封堵技术,提高上部地层的承压能力,防漏为主、堵漏为辅,并通过堵漏措施减小对裂缝破碎性地层的压入张裂式破坏,兼顾防塌。

2) 适时提高钻井液密度,防止井壁失稳,同时提高钻井液的抑制性以防止泥岩水化分散膨胀和掉块,加入封堵剂提高钻井液的封堵能力和造壁性,采用合理的流变性防止冲刷破坏等,预防为主配合及时巩固的现场处理工艺,从整体上提高钻井液的综合防塌能力。

3) 优化钻井液的流变参数,保持良好的剪切稀释性,提高钻井液的动塑比,提升钻井液的携岩能力,并结合短起下钻作业,及时清除岩屑床、净化井眼,同时加入高效润滑剂降低摩阻扭矩,防止卡钻。

2 钻井液技术研究

根据锦58井区已完钻井的施工情况,在总结分析经验教训的基础上,通过室内钻井液配方和性能优化试验,研究制定了各井段的钻井液配方及随钻承压堵漏浆配方。

一开井段采用聚合物钻井液,以满足携岩、护壁的要求为主。基本配方为:清水+5.0%~7.0%钠膨润土+0.2%~0.3%Na2CO3+0.1%~0.2%K-PAM+0.1%~0.2%LV-CMC。

二开井段采用低固相强抑制封堵防塌钻井液,通过提高抑制性、增强钻井液封堵能力,并采取随钻承压、扩大钻井液密度窗口等技术措施,避免井漏和坍塌,控制好黏切和密度,以利于快速钻进。二开直井段的钻井液基本配方为:一开所用钻井液+0.1%~0.3%NaOH+0.3%~0.5%K-PAM+0.1%~0.3%聚胺+1.0%~2.0%快钻剂+0.5%~1.0%NH4-PAN+0.5%~1.0%LV-CMC;二开导眼段侧钻点至入靶点的钻井液基本配方为:二开直井段所用钻井液+1.0%~2.0%防塌降滤失剂+1.0%~2.0%低荧光封堵防塌剂+1.0%~2.0%超细碳酸钙+1.0%~2.0%纳米封堵剂+1.0%~2.0%润滑剂。

裂缝破碎性地层本身存在缺陷,综合压力低时不漏失,当钻井液形成的动态压力(包括激动压力)大于地应力作用在裂缝法向的应力之和时,裂缝就会开始扩大、延伸并连通,导致钻井液漏失。地层骨架也受到轻微破坏,稳定性变差。针对这种压入张裂式破坏,主要采用多尺度粒径的综合性封堵剂进行随钻封堵,形成的封隔墙抗压差强度大于井筒压力与地层压力之差,且其抗围压的强度也应大于地层法向切应力与岩石压缩变形而产生的附加诱导应力之和,即随钻封堵材料要承受横向压力和纵向压力,及时封堵微裂缝,防止裂缝持续扩展,形成致密封堵层[5],提高地层承压能力,预防井漏的同时,达到稳定井壁的作用。

堵漏材料必须支撑裂缝以维持周向诱导应力,应同时具有封堵性能和机械强度[6]。因此,对使用的随钻承压封堵剂从球度、圆度、浸泡前后的强度等方面进行优化,优选出GQJ-1、GQJ-2、GQJ-3、碳酸钙和矿物纤维,利用SAN-2工程分布理论确定合理的颗粒材料粒径级配,形成了适用于裂缝破碎性地层的高强度长效随钻封堵剂配方。随钻承压堵漏浆的基本配方为:井浆+随钻承压封堵剂(1.0%GQJ-1+1.0%GQJ-2+2.0%GQJ-3+2.0%GQJ-4+1.0%ϕ2.0 mm核桃壳+2.0%ϕ1.0 mm核桃壳+1.0%~2.0%PB-1+3.0%QS-2+1.0%长石棉绒+0.5%短石棉绒+0.5%棉籽壳+1.0%锯末)。

上部直井段钻井液性能以抑制造浆、携带岩屑为主,适当控制滤失量,钻井液密度控制在1.05~1.10 kg/L,漏斗黏度30~50 s,保证快速穿过,减少井壁浸泡和冲刷时间。钻进刘家沟组地层前加入5%~10%随钻承压封堵剂,严格控制钻井液密度小于1.10 kg/L,同时刘家沟组地层底部存在破碎带,需控制钻井液滤失量小于6 mL,以提高滤饼质量。钻进期间若发生漏失,降低排量或静堵4~6 h,不漏后继续钻进。

导眼斜井段和侧钻斜井段,进入石千峰组地层前50 m将钻井液中劣质固相彻底清除,补充LV-CMC、SMP-1和SPNH等降滤失剂,滤失量控制在6 mL以内,钻井过程中持续补充K-PAM等配制的胶液,提高钻井液的抑制性,适当缓慢提高钻井液密度,平衡地层压力,保持井壁稳定;同时,调整好流变参数,提高钻井液的黏度、切力和动塑比,保持动塑比在0.36~0.60 Pa/(mPa·s),减轻钻井液对井壁的冲刷,提高悬浮和携带岩屑的能力;进入石盒子组地层前调整好钻井液性能,提高钻井液抑制性的同时加入低荧光磺化沥青、超细碳酸钙等封堵防塌材料,增强钻井液的封堵性,控制钻井液密度小于1.18 kg/L。

三开水平段由于可能钻遇易失稳的泥岩地层,仍采用低固相强抑制封堵防塌钻井液,在保证钻井液携岩能力的同时,钻井液需具有良好的润滑性能及悬浮携岩能力,严格控制固相含量处于较低比例,减少钻井液对储层的伤害。钻井液基本配方为:二开导眼段侧钻点至入靶点所用钻井液+1.0%~2.0%低荧光封堵防塌剂+1.0%~2.0%改性防塌淀粉+1.0%~2.0%SMP-1+1.0%~2.0%SPNH+1.0%~2.0%超细碳酸钙+1.0%~2.0%聚合物降滤失剂+2.0%~3.0%润滑剂。

钻井液要保持较高的动切力和动塑比,保证钻井液具有良好的悬浮和携岩能力,防止岩屑床的形成;加足润滑剂,使其保持良好的润滑性能。由于该井段钻遇泥岩段的可能性大,因此在控制钻井液滤失量在5 mL以内、提高钻井液的封堵和抑制能力、加强预防井壁失稳的同时,若发现有泥岩掉块,应加大防塌剂用量并适当提高钻井液密度,以保持较高的黏切将垮塌掉块及时携带出来。各井段钻井液的主要性能见表 1

表 1 各井段钻井液的主要性能 Table 1 Physical properties of drilling fluids in different well intervals
井段 密度/ (kg·L-1) 漏斗黏度/s 滤失量/mL 塑性黏度/(mPa·s) 动切力/Pa 静切力/Pa 润滑系数
初切 终切
一开井段 ≤1.10 40~60
二开直井段 1.05~1.15 27~50 ≤10 5~15 1~6 1~3 2~10 ≤0.10
二开导眼段侧钻点至入靶点 1.10~1.20 35~55 ≤5 5~20 3~10 2~5 3~10 ≤0.08
三开水平段 1.05~1.10 40~60 ≤5 10~25 3~12 2~8 4~12 ≤0.08
3 现场应用

随钻承压防漏堵漏和井壁稳定技术在JPH351井、JPH393井和JPH404井等3口水平井进行了现场应用,均取得了显著效果。其中,JPH393井、JPH404井在钻井过程中均未出现漏失和井眼坍塌掉块问题,且2口井与各自的邻井相比机械钻速分别提高16.7%和15.3%;JPH351井钻进中遇到的问题更多、更为复杂,但应用该技术后也取得了明显效果。下面以JPH351井为例详细介绍技术应用情况。

3.1 技术措施

JPH351井是一口三级井身结构带导眼的开发水平井,设计井深4 372.68 m,水平段长1 200.00 m,需穿过高漏失风险区。

3.1.1 随钻封堵防漏与堵漏

钻穿延长组地层、进入刘家沟组地层前进行一次短起下钻,确保环空通畅,提前混入预配好的随钻堵漏浆,排量及时降低至28 L/s左右,严格控制起下钻速度,防止抽汲或激动压力造成井漏,下钻过程中坚持分段循环钻井液,循环前要先转动钻具5~10 min破坏钻井液结构,再缓慢开泵逐渐提升排量;加强监控,发现井漏及时降低排量,控时钻进,测量漏速,实施正确的堵漏方法和程序。

二开导眼段进入刘家沟组中下部易漏地层,正式定向钻进前,因特殊情况未按照制定的技术方案和计划及时混入备好的封堵浆进行随钻封堵防漏的情况下,自井深2 484.00 m快速复合钻进至井深2 490.04 m,钻井液密度1.13 kg/L,发生失返性漏失,立即泵入储备的封堵浆95.0 m3,全井循环不漏,堵漏成功后恢复正常钻进,其间井下正常无漏失,随钻封堵承压防漏效果良好,提高钻井液密度至1.15~1.17 kg/L,一次性钻穿了刘家沟组易漏地层。后因定向仪器故障及为了满足地质录井要求,被迫筛除井浆中的随钻封堵材料,导致随钻防漏效果变差,以及为了防止下部泥岩地层的垮塌提高钻井液密度至1.22 kg/L等原因,在井深2 611.50,2 718.58和3 066.00 m处(石千峰组地层)钻遇漏层发生漏失,及时采用桥堵和可控膨胀堵漏剂堵漏成功。另外,改变了常用的关井憋压间歇式挤堵工艺,采用优化的堵漏浆配方结合液柱压差的作用实施有效封堵,将井壁裂隙性岩石紧紧压住,防止其脱落,提高井眼对钻井液密度的适应范围[7],避免了对裂缝破碎性地层稳定性的挤压破坏。

3.1.2 钻井液密度控制

泥岩地层力学稳定性差,加剧了井壁垮塌的可能性[8]。为了防止石盒子组泥岩地层的应力性垮塌掉块,在加足封堵防塌材料强化钻井液的封堵能力及提高抑制性的基础上,二开坚持“导眼防漏、主眼防塌、漏塌兼顾分治”的技术思路,按照循环周混入加重材料,并清除钻井液中的有害固相,补充润滑剂,分井段精细控制钻井液密度,降低井漏井塌风险。三开水平段地层为下石盒子组盒3段,钻至井深3 211.00 m时钻遇泥岩后,及时将钻井液密度提高至1.25 kg/L,并加入环保防塌型改性淀粉、磺化沥青、纳米封堵剂等来提高钻井液的封堵能力,确保了井壁稳定。

3.1.3 钻井液抑制性控制

针对水敏性泥岩地层存在的水化膨胀分散易失稳的问题,钻井过程中主要采用K-PAM、聚胺、防塌降滤失剂和改性防塌淀粉等处理剂来提高钻井液的化学抑制性,降低井壁岩石水化程度,并提高滤饼质量,严控滤失量,增强钻井液的造壁性,提高薄弱地层的抗张强度,返出的岩屑完整,棱角分明。

3.1.4 钻井液滤失造壁性控制

钻井液滤液进入地层层理和裂缝中容易引起强度降低,黏土矿物水化膨胀和分散,加剧井壁坍塌。为了提高地层承压能力、减少滤液侵入[9-10],要求钻井液具有良好的好的封堵能力,钻井过程中采用聚合物降滤失剂KJ-1、环保改性防塌淀粉和封堵防塌材料磺化沥青、超细碳酸钙、纳米封堵剂、PB-1及磺化处理剂(SMP、SPNH)等相互配合改善滤饼质量;加强固相控制,高效清除有害固相,固相含量控制在10%以下,保持良好的造壁性和封堵性;API滤失量控制在5 mL以下,在易失稳泥岩层段滤失量控制在3 mL以下,同时适当提高滤液黏度[11],降低井壁渗透压力,保持井壁稳定性。

3.1.5 钻井液流变性控制

根据地层和岩性,利用聚合物的优良特性及时调整钻井液的流变性能,控制六速旋转黏度计6转读数为12~18,动切力10~20 Pa,动塑比0.25~0.50 Pa/(mPa·s),在裂缝破碎性层段钻井液维持较好的流变性能,减少紊流出现,避免对井壁造成冲刷破坏。提高钻井液的携岩能力,间断采用“稀塞+稠塞”的方式携带岩屑,净化井眼,防止形成岩屑床,降低大斜度段和水平段的摩阻。

3.1.6 钻井液润滑性控制

井斜角达到60°后,加入高效润滑剂并保持其含量在2.0%以上,采用固液混合润滑防卡技术,定期测定,严格控制摩阻系数在0.07以下,以提高钻井液的润滑性。

3.2 应用效果

JPH351井随钻承压堵漏应用效果显著,顺利钻穿刘家沟组易漏地层且成功封堵了井深2 490.04 m处的失返性漏失,缩短堵漏时间40%以上;解决了刘家沟组地层复漏的问题,显著减少了漏失次数,因漏失引起的复杂时间仅8.3 d,节约了处理费用。采用强抑制封堵防塌钻井液,保证了钻遇多段泥岩时未发生坍塌问题,二开导眼、主井眼石盒子组和石千峰组地层井壁稳定,二开易塌井段平均井径扩大率为4.73%。三开水平段含回填重钻累计钻遇11段泥岩,合计长度513.00 m,泥岩占比达35.92%,其中3 200.00~3 292.00 m井段92.00 m长泥岩段揭开52 d后,井眼仍保持稳定,未出现井壁坍塌现象,与同期邻井相比,井下故障明显减少。

4 结论与认识

1) 锦58井区地质构造复杂,裂缝发育,连通性好,井漏是井下复杂情况的主要诱因。刘家沟组地层易出现恶性漏失,漏层位置难以准确判断,且易重复漏失;石盒子组和石千峰组泥岩段井壁不稳定,易造成坍塌、掉块和卡钻等。

2) 由于地层抗破碎能力差且存在窄或负的安全密度窗口,钻井液密度的分段精细控制配合实施有效的随钻封堵,对防漏防塌至关重要。

3) 锦58井区3口水平井的现场应用表明,随钻承压防漏堵漏和井壁稳定技术可以解决锦58井区水平井钻井中存在的井漏及井眼失稳问题,保障了安全高效钻井。

4) 锦58井区水平井段地质卡层与岩性预测需要更加精准及时,以便进一步减少或避免钻井过程中复杂情况的发生。

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石秉忠, 解超, 李胜, 刘金华, 陈晓飞
SHI Bingzhong, XIE Chao, LI Sheng, LIU Jinhua, CHEN Xiaofei
杭锦旗区块锦58井区钻井液技术实践与认识
Development and Application of Drilling Fluid in the Jin-58 Well Block of the Hangjinqi Block
石油钻探技术, 2017, 45(6): 37-41.
Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(6): 37-41.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201706007

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收稿日期: 2017-06-12
改回日期: 2017-10-31

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