川东北地区抗高温超高密度钻井液研究

  川东北地区是中国天然气最富集的区域之一,近年来中石化已将川东北地区作为重要的天然气资源勘探开发区域。川东北地区海相储层以碳酸盐岩为主,存在地层温度高、压力梯度大、盐膏侵严重、硫化氢含量高等难点,对钻井液技术提出了极高的要求。如金溪1井最高温度为140e,最高钻井液密度为2.16 g/cm3;河坝1井最高钻井液密度达2.45g/cm3,最高温度为160e。因此,需要研究出抗温达160~180e、可控密度达2.45~2.70 g/cm3的抗高温超高密度钻井完井液,以满足川东北地区深井、超深井安全、高效、快速钻井的要求。

 

  1 研究思路.

 

  钻井液处理剂在高温高压下可能会发生降解、发酵、增稠及失效等反应,从而导致钻井液性能恶化,甚至将导致无法正常钻进。因此制定了以下的研究思路:筛选适用于超高密度钻井液的加重剂[1-2];优选出合适的抗高温处理剂;确定膨润土限量;综合研究后形成基本体系并进一步优化;评价钻井液性能,通过高温稳定性、润滑性、抑制性、抗污染性等室内实验评价并进一步完善体系配方,最终形成适合于川东北地区的抗高温超高密度钻井液。

 

  室内研究.

 

  体系组成的优选.

 

  通过前期室内实验研究以及现场试验,形成了川东北地区抗高温超高密度钻井液)))复合金属离子聚磺钻井液,其基本配方如下。

 

  膨润土浆+(0.1%~0.3%)复合金属离子聚合物+(0.1%~0.3%)聚合物降黏剂+(2%~4%)SMP-1+(2%~5%)SMC+(1%~2%)稀释剂+(1%~2%)防塌润滑剂+(1%~2%)增黏护壁封堵剂+(0.2%~0.5%)KOH +(1%~3%)聚合醇+(0.2%~0.5%)乳化剂+(3%~5%)抗盐抗高温润滑剂RH-220+改性重晶石粉加重剂的优选.

 

  超高密度钻井液流变性能的维护处理异常困难,经常会陷入恶性循环,体系的流变性和沉降稳定性之间的矛盾突出,因此加重剂的种类、粒度分布选择就成为研究的重点。考虑到钛铁矿粉的成本高以及现场维护处理的难度较大,选用重晶石粉(密度不小于4.30 g/cm3、碱土金属含量不大于30 mg/L)作为加重剂,使用特殊的工艺将重晶石粉进行改性,改变重晶石粉的粒度分布和表面活性,降低其黏度效应.

 

  膨润土限量的选择.

 

  高温超高密度下,如钻井液膨润土含量过高,高温作用会促进黏土水化分散,使钻井液黏度、切力增大,甚至使其失去流动性,且这一作用不可逆;如果膨润土含量过低,钻井液中的高价阳离子会在高温条件下挤压黏土扩散双电层,使黏土易于高温聚结,削弱钻井液基本的凝胶强度,破坏其稳定性,极易使重晶石粉、岩屑等固相沉降从而引发井下复杂事故。

 

  为此,开展了超高密度钻井液膨润土限量的研究.

 

  抑制性.

 

  取川东北地区沙溪庙、千佛崖、须家河组的泥页岩,通过热滚动回收实验、线性膨胀试验,考察复合金属离子聚磺钻井液对泥页岩的抑制性能。金溪1井1 600~1 800 m井段的岩屑在蒸馏水和金属离子聚磺钻井液中的膨胀率分别为23.7%和2.8%,热滚回收率分别为58.0%和96.2%;马1井2 500~2 800 m井段的岩屑在蒸馏水和金属离子聚磺钻井液的膨胀率分别为18.4%和1.2%,热滚回收率分别为72.2%和96.6%。可以看出,复合金属离子聚磺钻井液对泥页岩的膨胀、分散性都有较好的抑制作用,其热滚动回收率大于90%,线性膨胀降低率大于88%,说明该钻井液具有强抑制性。

 

  抗盐钙侵污能力.

 

  对该钻井液分别进行抗盐、抗钙、抗钻屑污染实验,结果见表6。由表6看出,复合金属离子聚磺钻井液具有很强的抗污染能力,在岩屑浓度达20%、NaCl浓度达10%、钙离子浓度达2 000 mg/L的情况下,钻井液各项性能指标变化不大,性能保持稳定。

 

  储层保护性能.

 

  在复合金属离子聚磺钻井液中加入复合型储层保护剂,将金属离子聚磺钻井液转化成为金属离子聚磺非渗透屏蔽暂堵钻井完井液,取川东北地区飞仙关组、长兴组地层岩心进行储层保护实验评价.

 

  现场试验河坝1井是中石化南方公司部署在四川盆地通南巴构造带南阳断鼻东北端河坝场高点的第一口重点区域探井,完钻井深为6 130 m。该区块嘉陵江组二段和飞仙关组产层存在压力高、温度高、高含H2S、易井漏等难点,特别是飞仙关组三段产层地层压力高,地压系数高达2.28、地层温度高达160e。

 

  该井使用保护储层的超高密度复合金属离子聚磺钻井完井液。在应用过程中,该钻井液漏斗黏度为50~65 s,最高密度为2.45 g/cm3,具有良好的高温稳定性、流变性能。在压井过程中未出现其它井下复杂事故,且达到良好的储层保护效果,经测试无阻流量达到402@104m3/d。

 

  金溪1井为川东北金溪构造带安家营背斜高点上的第一口区域探井,设计井深为4 795 m。气层压力异常高,茅口组、栖霞组地层设计最高钻井液密度达2.65 g/cm3、储备的重浆密度达3.0 g/cm3(在实际钻井过程中,吴家平组地层钻井液密度最高仅为2.16g/cm3),地层温度高达140e。在应用过程中,加大抗盐钙处理剂(SMP-2、SPNH等)的加量、加强钻井液的抗盐钙侵污性能,在扫水泥塞、穿雷口坡组等盐膏层时钻井液都保持良好的流变性和稳定性能;全井钻井液服务质量优良,满足了安全高效钻井的需要。

 

  结论.

 

  形成了一套可控密度达到2.70 g/cm3(储备密度达3.0 g/cm3)、抗温达180e的复合金属离子聚磺钻井液,该体系具有良好的高温稳定性、润滑性和抑制性能,具有较好的抗污染能力,抗NaCl达10%,抗Ca2+达2 000 mg/L,抗岩屑达20%。

 

  复合金属离子聚磺钻井液使用复合储层保护剂,屏蔽暂堵率大于99.5%,压力返排恢复率超过80%,酸化返排恢复率为200%,有效地保护油气储层。

 

  在河坝1井和金溪1井的现场应用结果表明,复合金属离子聚磺钻井液具有良好的高温稳定性、流变性能、润滑性能、抑制性能和抗污染性能,满足了川东北地区高温超高密度压井修井液和钻井完井液的各项要求,且储层保护效果良好。