土庫曼斯坦南約洛坦氣田復雜鹽膏層鉆井液技術

楊曉冰 藺志鵬 陳 鑫 文 虎 張長庚

1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院長慶分院 2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室

土庫曼斯坦南約洛坦氣田復雜鹽膏層鉆井液技術

楊曉冰1,2藺志鵬1,2陳 鑫1,2文 虎1,2張長庚1,2

1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院長慶分院 2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室

土庫曼斯坦南約洛坦氣田的主力產層位于鹽膏層之下,曾因鹽膏層地質情況復雜和工程事故頻發而一度不能鉆達設計井深。該區存在一系列的鉆井難題:①隨巨厚鹽膏層而來的“鹽水侵”、“鈣鎂侵”等導致鉆井液受到嚴重污染;②地層疏松和高壓氣體所造成的“氣侵”使井漏與溢流(井涌)并存;③井下高溫、高壓環境使鉆井液性能變差;④高密度鉆井液因其固有的高固相所造成的流變性控制難。為此,中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程有限公司研發并使用了以體系組成簡單且高效、配制有序且逐步放大量為特點,以“護膠為主、增強抑制性”為維護處理技術思路的高密度飽和鹽水聚磺鉆井液,其組成為:基礎材料類(膨潤土、燒堿、純堿、NaCl、KCl等)+聚合物類(PAC、FA 367、XY-27、JT888等)+磺化材料類(SM P-2、SMC、SPNH、JNJS-220、SM T、FT-1等)+加重劑(重晶石)+輔助材料類(潤滑劑、消泡劑、鹽重結晶抑制劑等)。此舉,提高了高固相含量鉆井液體系的綜合性能。該鉆井液應用于現場,克服了各種因地質因素所造成的鉆井液污染破壞問題,突破了該氣田鉆井技術“瓶頸”,成功解決了該氣田鹽膏層井段所慣存的蠕動、縮徑、垮塌等技術難題,確保了該區12口天然氣探井鹽膏層鉆井任務的安全、順利完成。

土庫曼斯坦 南約洛坦氣田 晚侏羅世 鹽膏層 高密度鉆井液 高溫高壓 污染 維護處理 川慶鉆探工程有限公司

2007年3月,中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程有限公司承攬了土庫曼斯坦地質康采恩南約洛坦(原中文名尤拉屯)氣田12口設計井深為5 000～5 300 m、井深結構為四(五)開結構氣探井的鉆井項目。該項目從2007年8月啟動,截至目前已12開10完,且全部完成該鉆井項目中12口氣探井的鹽膏層鉆井任務。這就標志著在土庫曼斯坦南約洛坦氣田所面臨的眾多鉆井技術難題正被逐一攻克。

1 地質特征與技術難點

1.1 地質特征

土庫曼斯坦南約洛坦氣田鹽膏層段處于上侏羅統克里米德氏組(J3km-tt),埋深3 400～4 200 m,屬海相沉積、沉積環境較新,巖性主要以石膏、鹽巖為主,含少量不同性質的泥巖;地層交結疏松、分散性強且存在地層蠕動;含有高壓油、氣及鹽水等,地層壓力系數(1.98～2.31)和溫度(150～160℃)都較高。

1.2 技術難點

上述地質構造以及地層性征,無疑會給鉆井液的維護與處理帶來較大難度。這是因為:①存在隨巨厚鹽膏層而來的“鹽水侵”、“鈣鎂侵”等導致鉆井液受到嚴重污染(特別是固相污染)問題;②存在因地層疏松和高壓氣體所造成的“氣侵”使井漏與溢流(井涌)并存問題;③存在因井下高溫、高壓環境使鉆井液性能嚴重變壞問題;④存在高密度鉆井液因其固有的高固相所造成的流變性控制難等一系列難題。

另外,由于地層交互多為薄層且頻繁互成夾層,使得某種地層污染還未處理完,另一種污染或許已經“悄然而至”,其結果可能會是兩種或幾種污染“疊加”,大大增加了處理地層污染的力度與難度。如2008年9月24井在第三次開鉆鹽膏層井段(3 600～4 077 m)鉆進過程中,所發生的鉆井液污染,就屬這種情況(圖1)。由于當時井下污染源眾多,幾種污染相互“疊加”,“黏土固相侵”、“鹽水侵”以及“鈣侵”等污染頻繁不斷或同時發生,黏切(黏度和切力,下同)驟升,鉆井液遭受到了嚴重污染。

圖1 24井第三次開鉆鹽膏層井段漏斗黏度控制及變化圖

2 高密度鉆井液技術

巨厚鹽膏層是良好的油氣蓋層,順利鉆穿鹽膏層是鹽下油氣勘探開發技術難點之一[1]。高密度鉆井液技術作為鹽下油氣勘探開發技術中的核心內容之一,其性能好壞必然直接決定著鹽膏層鉆井施工的成敗。高密度鉆井液體系在室內通過試驗確定其組成和配方后,仍然需要通過現場配制及現場維護等環節加以實踐、應用并不斷完善,才能形成一整套極具針對性的技術措施。

2.1 鉆井液體系及基本組成

鉆井液體系選用抗污染和抑制性較強的飽和鹽水聚磺鉆井液;組成為:基礎材料類(膨潤土、燒堿、純堿、NaCl、KCl等)+聚合物類(PAC、FA 367、XY-27、JT888等)+磺化材料類(SM P-2、SMC、SPNH、JNJS-220、SM T、FT-1等)+加重劑(重晶石)+輔助材料類(潤滑劑、消泡劑、鹽重結晶抑制劑等)。

2.2 高密度鉆井液現場配制

室內試驗和現場應用都表明:要得到性能穩定、使用周期長的高密度飽和鹽水聚磺鉆井液,現場配制時首先必須遵循一定的配制程序(圖2)。

其次由于鉆井液密度較高,其固相含量大,易受外來物侵入而造成流動困難,為保證鉆井液具有良好的流動性和較小濾失性能,配制時必須采取以飽和鹽水為液相基礎,配合使用適量抑制性較強的聚合物,減小固相粒子比表面從而控制其分散,以保持體系具有相對高的自由水[2]。

2.3 高密度鉆井液現場維護與處理

2.3.1 在許可范圍內盡可能降低鉆井液實際鉆進密度“近平衡鉆井”

確定合理、適當的鉆井液密度,在許可范圍內盡可能降低鉆井液實際鉆進密度“近平衡鉆井”,是快速、安全、高效鉆井的前提。合理、適當的鉆井液密度不僅可以防范高壓鹽水污染,更重要的在于它是用來平衡地層壓力,防止鹽膏地層縮徑或塑性流動的唯一手段。鉆井液密度要高,高到要能壓住井下一定的污染源(如“鹽水侵”、“氣侵”等),起到安全平衡地層壓力的作用;鉆井液密度要低,低到要能為鉆井液日常維護和處理帶來便利。因此要根據地層壓力和實際情況,在許可范圍內盡可能降低鉆井液實際鉆進密度“近平衡鉆井”,這是因為一旦快速鉆穿地層后,鉆井液液柱壓力只要能及時平衡住地層壓力,就可大大減少地層中各種流體對鉆井液的污染,從而達到“事半功倍”的效果。

圖3所示為2010年3月31井在第三次開鉆鹽膏層井段(3 400～3 937 m)的密度控制情況。31井第三次開鉆鹽膏層井段初鉆時密度控制在1.95 g/cm3左右,進入井深3 580 m后根據實際情況逐步降低了鉆井液密度,合理、適當的調整密度范圍以達到“近平衡鉆井”,不僅給鉆井液日常維護帶來了便利,而且明顯提高了鉆井速度、縮短了鉆井周期(第三次開鉆鹽膏層用時僅30 d),很好地實現了快速、安全、高效的鉆井目標。

圖2 高密度鉆井液現場配制程序圖

圖3 31井第三次開鉆鹽膏層井段密度控制及變化圖

2.3.2 將“護膠為主、降黏為輔”作為調控各項性能的指導原則

將“護膠為主、降黏為輔”作為調控各項性能的指導原則;適當降低井漿中的膨潤土含量,以降低其發生各種污染的可能性。高密度飽和鹽水鉆井液由于其密度高、固相含量大,體系本身所固有的固相容量限已被壓縮至一個很窄的范圍,一旦進入體系的劣質固相(如鉆屑粉末、泥巖細顆粒等)來不及清除,累積到一定程度若其超過體系固相容量上限時,各種固相粒子極易連接形成結構,導致鉆井液的黏度和切力增加,從而也會以污染形式表現出來[3-5]。如2009年3月205井在第三次開鉆鹽膏層井段(3 402～4 237 m)鉆進過程中所發生的情況(圖4)就是如此,具體表現為鉆井液“黏土固相侵”,黏切劇增,流變性能失穩。

圖4 205井第三次開鉆鹽膏層井段漏斗黏度控制及變化圖

膨潤土含量的確定是保證高密度鉆井液具有良好的流變性能的前提[6-9]。水、膨潤土以及各類處理劑是組成水基鉆井液體系的3類基礎物質,其中膨潤土作為水和各類處理劑充分發揮其效能的媒介傳遞物,作用和地位特殊而重要。各類處理劑只有先與水相互作用(吸附水)、溶脹(溶解)后,再通過吸附等作用與膨潤土(黏土)顆粒這個媒介物相互結合,才能形成有機的鉆井液體系以發揮出其整體效能。因此膨潤土含量高是鉆井液性能不穩定的根源,合理控制體系中膨潤土含量可以提高鉆井液的高溫穩定性和抗鹽污染能力[10]。如膨潤土(黏土)使用量過多,或在鉆進過程中地層造漿厲害,進入體系的黏土過多,黏土顆粒不僅和處理劑作用,還可自身相互結合或與地層進入體系中的各種有害離子(含其他物質)作用,這正是205井第三次開鉆鹽膏層井段發生“黏土固相侵”的內在原因;如適當降低膨潤土用量(以不影響其配漿過程為前提)或鉆進時使用固控設備加強控制體系中的黏土含量,某種程度上就會減少地層中各種有害離子和體系里黏土以及黏土顆粒自身發生作用的機會,從而也會降低高密度鉆井液發生各種污染的可能性。

高密度飽和鹽水聚磺鉆井液維護時應以護膠為主、降黏為輔,這是由于該類鉆井液中黏土顆粒不易形成“端—端”或“端—面”連接的網架結構,而是特別容易發生“面—面”形式的聚結[11]。因此針對井下可能出現的不同污染,采取的技術措施也應有所偏重。如是鉆遇石膏層(包括其與泥巖混層)時所造成的污染,此時表現為漏斗黏度(FV)和切力同時上升,但以切力上升最快、最為顯著,它對鉆井液性能影響較大;原因是石膏層中存在的大量石膏和膏質、灰質泥巖以及地層流體所致,處理時則主要考慮“黏土固相侵”、輔以考慮“鈣侵”;措施為跟進少量由SM T(FCLS)和Na2CO3組成的稀堿液降低體系液相黏度同時,使用由高濃度SM P-2、SMC等三磺材料組成的稀鹽水膠液對體系適當放大量進行“護膠—降黏”處理。若為鉆遇大段鹽層時所造成的黏切過高,此時也表現為黏度和切力同時上升,但以漏斗黏度上升最快、切力變化較慢;原因為地層中存在的高壓鹽水等地層流體所致;措施為適當提高體系密度以壓住地層高壓鹽水的同時,使用少許由高濃度SM P-2、SMC等三磺材料組成的飽和鹽水膠液進行“護膠”處理。

2.3.3 將“增強抑制性、適當放大量”作為維護和調控高密度鹽水鉆井液各項流變性能的具體操作方式

高密度飽和鹽水聚磺鉆井液究其本質是一個抑制性較強的粗分散體系,說其抑制性較強主要是針對體系中含有大量電解質鹽類(如NaCl、KCl等)和少量聚合物處理劑而言;說其分散性主要是指其堿性環境下各主要處理劑(如SM P-2、SMC等三磺材料)與黏土之間的相互作用。因此在使用飽和鹽水聚磺鉆井液體系時,必須區別對待體系內所具有兩種性質(抑制性和分散性)的強弱程度。

采取的具體措施包括:維持體系較低的堿性(即p H值一般保持在8～9);適當放大量以膠液形式補充各類處理劑進入體系以維護鉆進過程中材料的正常消耗;在井漿中不斷補充NaCl甚至到飽和以提高其整體抑制性;補充KCl至一定量以形成對黏土質成分應有的抑制效果等。圖5為31井第三次開鉆鹽膏層井段漏斗黏度控制及變化情況,由于加強了對鉆井液整體抑制性的維護,鉆井液流變性能明顯較好。

圖5 31井第三次開鉆鹽膏層井段漏斗黏度控制及變化圖

2.3.4 將鉆井液是否具有良好的抗高溫性能作為調控各項性能的檢測手段

將鉆井液是否具有良好的抗高溫性能作為調控各項性能的檢測手段;適當增加三磺材料等其他護膠劑的含量,在降低高密度鉆井液濾失量的同時以提高其抵抗井下高溫環境的能力。提高鉆井液抵抗井下高溫環境的能力(即鉆井液的抗高溫性能)就是指要盡可能減少鉆井液在井底高溫環境發生稠化甚至固化作用等。發生高溫稠化(固化)的主要原因是由于黏土的高溫分散增加了鉆井液體系中黏土粒子的濃度——黏土粒子的數目。如果說降低基漿中的膨潤土含量,可以降低高密度鉆井液發生各種污染的可能性,那么在配制膠液時適當增加三磺材料等其他護膠劑的含量,一方面將提高處理劑與黏土粒子接觸、作用的概率;另一方面當黏土在井下高溫環境分散成更細的顆粒后,立即會有處理劑顆粒吸附到黏土顆粒上,不至于使黏土顆粒以“面—面”形式聚結,起到隔離和保護作用從而達到護膠效果,不僅降低了高密度鉆井液的濾失量,同時也提高了鉆井液抵抗井下高溫環境的能力。

28井在第三次開鉆鹽膏層期間除采用高濃度(5%～8%)SM P和SMC三磺材料膠液外,性能維護時還不斷補充FT-1A、PAC等護膠劑進入體系。表1為28井第三次開鉆鹽膏層部分井段鉆井液在150℃熱滾前后性能變化對比表。不同井段鉆井液經過150℃熱滾后,鉆井液各項性能保持穩定,甚至出現了性能越熱滾越好的現象。這是黏土高溫水化分散和處理劑護膠作用相互抵消和補償后的綜合結果;此現象同時也說明盡管黏土受到高溫水化分散后使其顆粒濃度相對增加,但由于鉆井液內有足量的護膠劑吸附在其顆粒上面,致使黏土顆粒之間不能發生“面—面”形式的聚結,從而穩定了鉆井液的整體性能。

表1 28井第三次開鉆鹽膏層部分井段鉆井液熱滾前后性能對比表

3 效果及認識

1)研究和使用的高密度飽和鹽水聚磺鉆井液,不僅充分滿足了土庫曼斯坦南約洛坦地區鉆井安全施工及鹽膏層井段的地質特性,克服了高密度、高固相飽和鹽水鉆井液在遭受各種污染后所引起的諸多技術難題,而且總結出了一整套行之有效的鉆井液現場配制、維護與處理技術,為順利完成土庫曼斯坦南約洛坦12口氣探井鉆井項目提供了關鍵技術。

2)土庫曼斯坦南約洛坦地區鹽膏層井段主要是以石膏、鹽巖以及膏質泥巖等構成,但不同井位在地質構造和地層性征方面存在一定差別;高密度飽和鹽水聚磺鉆井液性能維護的焦點,在于如何將提高體系抗高溫性能、抗污染性能以及改善鉆井液流變性能等3個問題統一調控,而“護膠為主、降黏為輔,增強抑制性、適當放大量”的技術思路似乎正是協調其中矛盾、解決上述3個問題的關鍵所在。

致謝:參加此項工作的人員還包括:買炎廣、高利華、吳復索、李寶軍、趙建震等,在此表示感謝!

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Drilling fluid technology used in the com plicated gypsum beds in the South Yoloten Gas Field,Turkmen istan

Yang Xiaobing1,2,Lin Zhipeng1,2,Chen Xin1,2,Wen Hu1,2,Zhang Changgeng1,2
(1.Changqing B ranch of D rilling &Production Engineering Technology Research Institute,Chuanqing D rilling Engineering Com pany,CN PC,X i’an,Shaanxi710021,China;2.N ational Engineering Laboratory for Low-Permeability Oil&Gas Exp loration and Development,X i’an,Shaanxi 710021,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 7,pp.55-58,7/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The majo r payzone of the South Yolo tan Gas Field in Turkmenistan underlies the gyp sum,usually the drilling target can not be reached due to the comp licated geological conditions in the gypsum rocks and the accidents thus frequently occur there.The drilling challenges there include:1)drilling fluid is seriously contaminated by the saltwater,calcium ions,magnesium ions;2)lost circulations and oil kicksoccurred due to the gas influx caused by unconsolidated formations and high p ressure gas;3)drilling fluid perfo rmance becomes wo rse under high p ressure and high temperature;4)the rheology of the high-density fluid is hard to control due to the high solid content inside the fluid.In view of this,the CNPC Chuanqing D rilling Engineering Company has developed a special high-density saturated salt water poly-sulfonate drilling fluid w ith the simp le effective composition,designed in acco rdance w ith the p rinciple of"Protecting Glue Cellw hile Imp roving the Inhibiting Property".The composition includes basic materials(bentonite,NaOH,Na2CO3,NaCl,KCl),polymers(PAC,FA 367,XY-27,JT888),sulfonates(SM P-2,SMC,SPNH,JNJS-220, SM T,FT-1),weighting agent(barite),and other supp lementary materials(lubrication materials,defoamers,crystallization inhibito rs).The field test showed that the comp rehensive perfo rmance of the high solid phase content drilling fluid system was enhanced. It not only overcame the difficulty of drilling fluid contamination due to many geological facto rs,but also resolved many technical p roblem s of salt-gypsum beds such as peristaltic stratum,hole shrinkage and hole collapse.During the successful drilling p rocess of salt-gypsum beds,the bottleneck p roblems have been solved and the drilling fluid techniques fo r comp licated salt-gypsum beds have been successfully accomp lished in the twelve gas wells in this gas field.

Turkmenistan,South Yoloten Gas Field,Late Jurassic,gypsum beds,high density drilling fluid,high temperature and high p ressure(HTHP),contamination,maintenance and treatment

楊曉冰等.土庫曼斯坦南約洛坦氣田復雜鹽膏層鉆井液技術.天然氣工業,2011,31(7):55-58.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.013

楊曉冰,1974年生,工程師,碩士;2006年碩士畢業于西安交通大學;現從事鉆井液完井液研究工作。地址: (710021)陜西省西安市興隆園小區川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院長慶分院鉆井液完井液研究所。電話:(029) 86596597。E-mail:32998381@qq.com

(修改回稿日期 2011-05-09 編輯 居維清

特約編輯 楊 斌)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.013

Yang Xiaobing,engineer,born in 1974,graduated in chemical engineering from Xi’an Jiaotong University in 2006.He is now mainly engaged in drilling fluid and comp letion fluid technology.

Add:Xinglongyuan Residential A rea,Xi’an,Shaanxi 710021,P.R.China

Tel:+86-29-8659 6597 E-mail:32998381@qq.com