川東北地區是中國天然氣最富集的區域之一,近年來中石化已將川東北地區作為重要的天然氣資源勘探開發區域。川東北地區海相儲層以碳酸鹽巖為主,存在地層溫度高、壓力梯度大、鹽膏侵嚴重、硫化氫含量高等難點,對鉆井液技術提出了極高的要求。如金溪1井最高溫度為140e,最高鉆井液密度為2.16 g/cm3;河壩1井最高鉆井液密度達2.45g/cm3,最高溫度為160e。因此,需要研究出抗溫達160~180e、可控密度達2.45~2.70 g/cm3的抗高溫超高密度鉆井完井液,以滿足川東北地區深井、超深井安全、高效、快速鉆井的要求。

 

  1 研究思路.

 

  鉆井液處理劑在高溫高壓下可能會發生降解、發酵、增稠及失效等反應,從而導致鉆井液性能惡化,甚至將導致無法正常鉆進。因此制定了以下的研究思路:篩選適用于超高密度鉆井液的加重劑[1-2];優選出合適的抗高溫處理劑;確定膨潤土限量;綜合研究后形成基本體系并進一步優化;評價鉆井液性能,通過高溫穩定性、潤滑性、抑制性、抗污染性等室內實驗評價并進一步完善體系配方,最終形成適合于川東北地區的抗高溫超高密度鉆井液。

 

  室內研究.

 

  體系組成的優選.

 

  通過前期室內實驗研究以及現場試驗,形成了川東北地區抗高溫超高密度鉆井液)))復合金屬離子聚磺鉆井液,其基本配方如下。

 

  膨潤土漿+(0.1%~0.3%)復合金屬離子聚合物+(0.1%~0.3%)聚合物降黏劑+(2%~4%)SMP-1+(2%~5%)SMC+(1%~2%)稀釋劑+(1%~2%)防塌潤滑劑+(1%~2%)增黏護壁封堵劑+(0.2%~0.5%)KOH +(1%~3%)聚合醇+(0.2%~0.5%)乳化劑+(3%~5%)抗鹽抗高溫潤滑劑RH-220+改性重晶石粉加重劑的優選.

 

  超高密度鉆井液流變性能的維護處理異常困難,經常會陷入惡性循環,體系的流變性和沉降穩定性之間的矛盾突出,因此加重劑的種類、粒度分布選擇就成為研究的重點。考慮到鈦鐵礦粉的成本高以及現場維護處理的難度較大,選用重晶石粉(密度不小于4.30 g/cm3、堿土金屬含量不大于30 mg/L)作為加重劑,使用特殊的工藝將重晶石粉進行改性,改變重晶石粉的粒度分布和表面活性,降低其黏度效應.

 

  膨潤土限量的選擇.

 

  高溫超高密度下,如鉆井液膨潤土含量過高,高溫作用會促進黏土水化分散,使鉆井液黏度、切力增大,甚至使其失去流動性,且這一作用不可逆;如果膨潤土含量過低,鉆井液中的高價陽離子會在高溫條件下擠壓黏土擴散雙電層,使黏土易于高溫聚結,削弱鉆井液基本的凝膠強度,破壞其穩定性,極易使重晶石粉、巖屑等固相沉降從而引發井下復雜事故。

 

  為此,開展了超高密度鉆井液膨潤土限量的研究.

 

  抑制性.

 

  取川東北地區沙溪廟、千佛崖、須家河組的泥頁巖,通過熱滾動回收實驗、線性膨脹試驗,考察復合金屬離子聚磺鉆井液對泥頁巖的抑制性能。金溪1井1 600~1 800 m井段的巖屑在蒸餾水和金屬離子聚磺鉆井液中的膨脹率分別為23.7%和2.8%,熱滾回收率分別為58.0%和96.2%;馬1井2 500~2 800 m井段的巖屑在蒸餾水和金屬離子聚磺鉆井液的膨脹率分別為18.4%和1.2%,熱滾回收率分別為72.2%和96.6%。可以看出,復合金屬離子聚磺鉆井液對泥頁巖的膨脹、分散性都有較好的抑制作用,其熱滾動回收率大于90%,線性膨脹降低率大于88%,說明該鉆井液具有強抑制性。

 

  抗鹽鈣侵污能力.

 

  對該鉆井液分別進行抗鹽、抗鈣、抗鉆屑污染實驗,結果見表6。由表6看出,復合金屬離子聚磺鉆井液具有很強的抗污染能力,在巖屑濃度達20%、NaCl濃度達10%、鈣離子濃度達2 000 mg/L的情況下,鉆井液各項性能指標變化不大,性能保持穩定。

 

  儲層保護性能.

 

  在復合金屬離子聚磺鉆井液中加入復合型儲層保護劑,將金屬離子聚磺鉆井液轉化成為金屬離子聚磺非滲透屏蔽暫堵鉆井完井液,取川東北地區飛仙關組、長興組地層巖心進行儲層保護實驗評價.

 

  現場試驗河壩1井是中石化南方公司部署在四川盆地通南巴構造帶南陽斷鼻東北端河壩場高點的第一口重點區域探井,完鉆井深為6 130 m。該區塊嘉陵江組二段和飛仙關組產層存在壓力高、溫度高、高含H2S、易井漏等難點,特別是飛仙關組三段產層地層壓力高,地壓系數高達2.28、地層溫度高達160e。

 

  該井使用保護儲層的超高密度復合金屬離子聚磺鉆井完井液。在應用過程中,該鉆井液漏斗黏度為50~65 s,最高密度為2.45 g/cm3,具有良好的高溫穩定性、流變性能。在壓井過程中未出現其它井下復雜事故,且達到良好的儲層保護效果,經測試無阻流量達到402@104m3/d。

 

  金溪1井為川東北金溪構造帶安家營背斜高點上的第一口區域探井,設計井深為4 795 m。氣層壓力異常高,茅口組、棲霞組地層設計最高鉆井液密度達2.65 g/cm3、儲備的重漿密度達3.0 g/cm3(在實際鉆井過程中,吳家平組地層鉆井液密度最高僅為2.16g/cm3),地層溫度高達140e。在應用過程中,加大抗鹽鈣處理劑(SMP-2、SPNH等)的加量、加強鉆井液的抗鹽鈣侵污性能,在掃水泥塞、穿雷口坡組等鹽膏層時鉆井液都保持良好的流變性和穩定性能;全井鉆井液服務質量優良,滿足了安全高效鉆井的需要。

 

  結論.

 

  形成了一套可控密度達到2.70 g/cm3(儲備密度達3.0 g/cm3)、抗溫達180e的復合金屬離子聚磺鉆井液,該體系具有良好的高溫穩定性、潤滑性和抑制性能,具有較好的抗污染能力,抗NaCl達10%,抗Ca2+達2 000 mg/L,抗巖屑達20%。

 

  復合金屬離子聚磺鉆井液使用復合儲層保護劑,屏蔽暫堵率大于99.5%,壓力返排恢復率超過80%,酸化返排恢復率為200%,有效地保護油氣儲層。

 

  在河壩1井和金溪1井的現場應用結果表明,復合金屬離子聚磺鉆井液具有良好的高溫穩定性、流變性能、潤滑性能、抑制性能和抗污染性能,滿足了川東北地區高溫超高密度壓井修井液和鉆井完井液的各項要求,且儲層保護效果良好。