冀東油田固相控制技術(shù)優(yōu)化

王維

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，西安710065）

近年來，隨著油田鉆井深度和位移不斷增加，鉆遇地層日益復(fù)雜，鉆井難度愈發(fā)增加，油氣層保護(hù)形勢愈發(fā)嚴(yán)峻，對鉆井液性能指標(biāo)要求也更加嚴(yán)格。隨著現(xiàn)場對鉆井液性能指標(biāo)要求更加精細(xì)，鉆井液固相含量控制水平對于鉆井工程影響也日益凸顯，比如鉆井施工過程中極易出現(xiàn)鉆井液穩(wěn)定性差、鉆具黏卡、油氣層保護(hù)差、測完井時效長、機(jī)械鉆速低等影響鉆完井質(zhì)量的情況[1-4]。此類問題的發(fā)生與固控設(shè)備的配備和固相控制工藝技術(shù)的應(yīng)用緊密相關(guān)，目前固相控制方面存在的問題有：①固控設(shè)備配套復(fù)雜多樣而不標(biāo)準(zhǔn)；②配套的4級固控設(shè)備沒有完全實現(xiàn)其價值，大多數(shù)振動篩篩目偏低，一級固控效果比較差，除泥器、離心機(jī)利用率不高，鉆井液中低密度有害固相含量高，尤其是在鉆井液密度大于1.35 g/cm3的區(qū)塊達(dá)到60%以上；③受地質(zhì)和工程雙重因素的影響，鉆井液中固相含量和膨潤土含量指標(biāo)偏高，控制難度相對較大。因此，在分析鉆井液固相控制現(xiàn)狀和現(xiàn)有固相控制方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合冀東油田地層特點，通過室內(nèi)實驗研究和現(xiàn)場實踐，提出了合理的固相控制指標(biāo)和固相控制工藝技術(shù)。

1 固相控制和固控設(shè)備現(xiàn)狀

1.1 鉆井液固相含量及膨潤土含量現(xiàn)狀

冀東油田近2年各鉆井區(qū)塊的固相含量和膨潤土含量見表1和表2。

表1 冀東油田各區(qū)塊儲層鉆井液密度對應(yīng)固相含量

對于固相含量，其趨勢主要表現(xiàn)在鉆井液密度越高對應(yīng)鉆井液固相含量越高，聚磺鉆井液和抗高溫鉆井液相較KCl成膜封堵低侵入鉆井液體系固相含量要高。對于膨潤土含量，主要表現(xiàn)在高尚堡區(qū)塊膨潤土含量偏高，南堡區(qū)塊KCl成膜封堵低侵入鉆井液體系同樣較高，僅有抗高溫體系膨潤土含量控制在50 g/L以內(nèi)。

表2 冀東油田各區(qū)塊儲層鉆井液膨潤土含量

1.2 固控設(shè)備配套現(xiàn)狀

目前油田配備的4級固控設(shè)備[5-6]主要有振動篩、除砂器、除泥器、除砂除泥一體機(jī)、低速離心機(jī)、中速離心機(jī)和高速離心機(jī)。

1）振動篩。使用的振動篩型號多達(dá)10多種，配備2～4臺不等，以3臺居多，由于其生產(chǎn)參數(shù)、設(shè)備老化等因素影響，振動篩篩目使用范圍為60～180目。使用范圍最廣、具有代表性的主要為S250-2型、RSD系列和ZHZS540*700/6ZQ。①S250-2型振動篩運動軌跡為平動橢圓，篩網(wǎng)總面積為2.52 m2（3塊篩布）/3.36 m2（4塊篩布）， 振幅為 6.3 mm， 拋擲指數(shù)為 6.4， 激振力為66.68 kN， 轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min， 在φ215.9 mm 井眼中可用孔徑為0.125 mm的篩布；②RSD系列包括RSD2008B和RSD2008P/B等型號振動篩，其運動軌跡為平動橢圓， 篩網(wǎng)總面積為2.948 m2（RSD2008B）/3.53 m2（RSD2008P/B）， 振幅為6 mm， 拋擲指數(shù)為8.13，激振力為76 kN，轉(zhuǎn)速為1 410 r/min，在φ215.9 mm井眼中可用孔徑為0.098～0.100 mm的篩布；③作為新配備的振動篩，ZHZS540*700/6ZQ的運動軌跡為直線橢圓，分上下層共5塊篩布，篩網(wǎng)總面積為3.36 m2，振幅為6 mm，拋擲指數(shù)為8，激振力為76 kN，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，在φ215.9 mm井眼可用孔徑小于0.100 mm的篩布。

2）除砂器、除泥器和除砂除泥一體機(jī)。油田目前在用的旋流器型號有多種，但設(shè)計參數(shù)大致相同，主要是在數(shù)量的配備上有所不同，其中同時配備除砂器、除泥器的井隊占46%，配備2臺除砂器的井隊占32%，配備一體機(jī)的井隊占22%。

3）離心機(jī)。油田目前離心機(jī)配備數(shù)量均為2臺，但僅有50%井隊配備了中速離心機(jī)和高速離心機(jī)，其余以同時配備2臺中速離心機(jī)為主，個別井隊配備2臺低速離心機(jī)。配備型號較多、設(shè)計參數(shù)各不相同，轉(zhuǎn)速為1 400～3 400 r/min，分離因素為500～3 200，處理量為30～60 m3/h，最小分離點為 2～7 μm。

1.3 固控設(shè)備使用現(xiàn)狀

固控設(shè)備的使用與鉆井區(qū)塊、層位、排量、鉆井液密度和固控設(shè)備的處理量密切相關(guān)，因此主要分為2種情況。

1）φ311.1 mm及以上尺寸大井眼，明化鎮(zhèn)、館陶組非目的層段，巖性以砂泥巖互層為主，鉆井液密度一般小于1.20 g/cm3。鉆井排量達(dá)到60 L/s，同時并聯(lián)開啟2～3臺振動篩，選擇孔徑為0.154～0.180 mm篩布，個別井隊僅能用到孔徑為0.280～0.450 mm的篩布；地層造漿嚴(yán)重，密度上升快，除砂器和中速離心機(jī)（1臺）全開。

2）φ215.9 mm及以下尺寸井眼鉆進(jìn)，層位為目的層段，鉆井液排量不大于30 L/s時，根據(jù)鉆井液密度選擇使用。①鉆井液密度小于1.20 g/cm3，主要地質(zhì)區(qū)塊、層位為南堡4#構(gòu)造館陶組、唐海周邊潛山、高尚堡館陶組、南堡潛山，鉆井排量相對較小，同時并聯(lián)開啟2～3臺振動篩，選擇孔徑小于0.125 mm的篩布，除砂器和中速離心機(jī)（1臺）全開。②鉆井液密度為1.20～1.25 g/cm3，主要地質(zhì)區(qū)塊、層位為南堡2#、南堡3#人工島、南堡3-2平臺館陶組、東營組東一段地層，同時并聯(lián)開啟2～3臺振動篩，選擇孔徑小于0.125 mm的篩布，除砂器全開，鉆井液需要加重，離心機(jī)使用與③中開啟方法相同。③鉆井液密度大于1.25 g/cm3，主要地質(zhì)區(qū)塊、層位為高尚堡、柳贊、南堡東營組東二段及以下地層，鉆井液需要加重，振動篩并聯(lián)開啟1～2臺，選擇孔徑為0.090～0.125 mm篩布，除砂器全開，除泥器開啟率為50%，離心機(jī)開啟原則是有2種情況：常規(guī)情況下，在進(jìn)行鉆井液加重前、短程起下鉆后、起下鉆后開啟2～3循環(huán)周；鉆進(jìn)過程中，一部分采取每日開啟8 h，并控制進(jìn)液量，另一部分根據(jù)進(jìn)尺快慢、性能變化等情況開啟，鉆井液密度越高，開啟時間越少。

2 固相控制工藝技術(shù)

2.1 影響鉆井液固相控制的因素

2.1.1 地層特性

南堡油田1#構(gòu)造泥巖黏土礦物的縱向分布類型為蒙皂石向伊利石正常轉(zhuǎn)化型，地層分布自上而下為：明化鎮(zhèn)、館陶組、東營組和沙河街組地層。各層位地層特性及對鉆井液固相控制的影響主要表現(xiàn)如下。

1）鉆遇上部明化鎮(zhèn)和館陶組地層時，黏土礦物以高嶺石和蒙脫石為主，其次是綠泥石和伊利石，其中高嶺石相對含量為7%～17%，蒙脫石相對含量為74%～84%，由于上部地層為大段砂泥巖互層，砂巖疏松，泥巖回收率較低、水化分散能力強(qiáng)，造漿能力強(qiáng)，且上部井段設(shè)計井眼尺寸大、鉆速快，返出巖屑多，極易堵塞振動篩篩孔，為了防止跑漿現(xiàn)場更換小目數(shù)篩布，且鉆井液中分散的蒙脫石、高嶺石粒徑中值極小，固控設(shè)備不能完全處理返出鉆井液，導(dǎo)致鉆井液中固相含量控制困難，同時，分散后的黏土礦物表面積增加，對應(yīng)的吸附亞甲基藍(lán)量增加，表現(xiàn)為鉆進(jìn)過程中膨潤土含量急劇增加。

2）東一段、東二段地層黏土礦物以伊/蒙間層、高嶺石為主，其次是綠泥石、伊利石，其中高嶺石相對含量為9%～11%，伊/蒙間層相對含量為77%～83%，此段地層為砂泥巖互層，井眼尺寸相對較小、鉆速快，泥巖回收率低、水化分散能力強(qiáng)，固控設(shè)備能較好地處理返出的鉆井液，此井段固相控制相對較容易。

3）進(jìn)入東三段和沙河街地層之后，黏土礦物以伊利石和伊/蒙間層為主，其次為綠泥石和高嶺石，其中伊利石含量為21%～48%，伊/蒙間層相對含量為50%～84%，此段地層井眼尺寸較小，巖石壓實程度強(qiáng)，機(jī)械鉆速慢，泥巖清水回收率平均在80%以上，表現(xiàn)為水化分散能力弱，鉆進(jìn)過程中鉆頭破巖產(chǎn)生的泥巖鉆屑顆粒雖然較大，但由于該井段平均鉆井液密度較高，固控設(shè)備尤其是除泥器、離心機(jī)等能分離細(xì)顆粒的設(shè)備使用受限，鉆井液中的固相含量受鉆頭重復(fù)研磨，發(fā)生細(xì)分散，同時，泥巖鉆屑中的黏土顆粒經(jīng)過長時間地浸泡被充分水化分散，導(dǎo)致鉆井液中固控設(shè)備難以清除的黏土顆粒含量增加，表現(xiàn)為低密度固相含量增加和吸附亞甲基藍(lán)量增加。

2.1.2 鉆井液體系

冀東油田廣泛采用聚合物鉆井液體系，在南堡區(qū)塊增加KCl，提高鉆井液的抑制性，在深部地層增加抗高溫降濾失劑、封堵劑，提高鉆井液的抗溫能力。主要使用的鉆井液配方如下。其中加重劑、潤滑劑、pH調(diào)節(jié)劑根據(jù)需要加入。

1#（聚合物鉆井液） 3%膨潤土+1%銨鹽+0.5%PMHA-Ⅱ+2%磺化瀝青+2%超低滲處理劑+潤滑劑+加重劑+pH調(diào)節(jié)劑

2#（KCl成膜封堵低侵入鉆井液） 3%膨潤土+0.4%PMHA-II +3%SMP+2%降濾失劑+2%超低滲+2%超細(xì)鈣+2%磺化瀝青+（3%～5%）KCl+潤滑劑+加重劑+pH調(diào)節(jié)劑

3#（聚磺鉆井液） 3%膨潤土+0.3%PMHA-Ⅱ+2%SMP+2%SMC+2%磺化瀝青+2%超低滲處理劑+潤滑劑+加重劑+pH調(diào)節(jié)劑

4#（KCl抗高溫鉆井液） （3%～4%）膨潤土漿+0.8%DSP-2+（4%～6%）SPNH+（2%～3%）SMP+（0.5%～1%）SMT+0.5%聚胺+2%FT3000+（5%～8%）KCl+0.8%Na2SO3+0.1%ABSN+0.1%A-20+潤滑劑+加重劑+pH調(diào)節(jié)劑

根據(jù)實鉆情況分析，當(dāng)前聚合物鉆井液體系具有一定包被、抑制鉆屑分散的能力，能夠較好地保證鉆屑被清除，但是其對造漿嚴(yán)重地層抑制效果有限，而在鉆井液體系中隨著KCl的加入及其含量增加，使得鉆井液的抑制性明顯增強(qiáng)，可抑制巖屑在鉆井液中的水化分散，在該類型鉆井液體系中膨潤土含量明顯較低；其中聚合物鉆井液體系和KCl成膜封堵低侵入鉆井液體系通常為低密度體系，固相含量控制較低。聚磺鉆井液體系和KCl抗高溫鉆井液通常為高密度體系，固相含量較高。總之，鉆井液中不論是膨潤土含量還是固相含量的控制，機(jī)械固控能力不足則仍然會導(dǎo)致其增高，使得鉆井液穩(wěn)定性變差。

2.1.3 固控設(shè)備配備和使用

油田各種鉆機(jī)基本配備齊全四級固控設(shè)備：振動篩2～4臺、旋流器包括除砂器、除泥器、一體機(jī)、離心機(jī)2臺。固控設(shè)備的工作流程為經(jīng)井底循環(huán)返回的鉆井液中含有較大的鉆屑， 含屑鉆井液經(jīng)連接管進(jìn)入振動篩， 較大固相顆粒及其攜帶的部分鉆井液排出到泥漿池， 凈化后的鉆井液進(jìn)入錐形罐， 完成一級凈化， 一級凈化為全處理。從錐形罐溢流出的鉆井液經(jīng)過泥漿槽進(jìn)入除砂艙， 經(jīng)除砂器處理后的鉆井液進(jìn)入除泥艙， 經(jīng)除泥器處理后的鉆井液進(jìn)入臨近的離心機(jī)艙， 通過離心機(jī)處理， 依次完成二級和三級凈化， 其中，二級和三級凈化為非全處理。

2.2 制定固相控制指標(biāo)和措施

2.2.1 固相控制指標(biāo)

1）固相含量的指標(biāo)確定。密度小于1.20 g/cm3，固相含量控制在10%以內(nèi)；密度為1.20～1.30 g/cm3， 固相含量控制在15%以內(nèi)；密度為1.30～1.40 g/cm3，固相含量控制在20%以內(nèi)；密度大于1.40 g/cm3，固相含量控制在25%。

2）膨潤土含量的指標(biāo)確定。對于淡水鉆井液體系（包括聚合物體系和聚磺體系），密度小于1.25 g/cm3，膨潤土含量小于60 g/L；密度大于1.25 g/cm3，膨潤土含量小于70 g/L。對于KCl成膜封堵低侵入鉆井液體系，膨潤土含量小于50 g/L。對于KCl抗高溫鉆井液、低自由水體系，膨潤土含量小于40 g/L。

2.2.2 固相控制措施

結(jié)合目前油田對固相含量及膨潤土含量的控制現(xiàn)狀，及深入分析地層造漿原理，針對固相含量控制制定的措施如下。

1）三開鉆井液的配制及轉(zhuǎn)換。①放掉地面老漿，徹底清理地面循環(huán)系統(tǒng)。放入所需配漿清水，根據(jù)鉆井液配方按順序依次加入處理劑（加重至設(shè)計密度后地面鉆井液總量約為130 m3）；②在振動篩篩床上鋪防滲布，下鉆過程中，井內(nèi)返出老漿通過振動篩篩面放入沉砂池；③根據(jù)井內(nèi)老漿膨潤土含量，確定井內(nèi)老漿的去留情況，混合后測定鉆井液膨潤土含量不大于30 g/L，使用老漿量不超過20%。

2）鉆進(jìn)過程中固相含量控制。①鉆進(jìn)過程中，膠液罐中補(bǔ)充大分子包被劑（分子量大于600萬），維持其含量不低于0.3%，抑制鉆屑的分散，把鉆井液固相含量控制在較低的水平；②鉆井過程中，增加鉀、銨、醇類處理劑用量，提高鉆井液的抑制性，抑制泥頁巖的水化膨脹和分散。

3）規(guī)范固控設(shè)備使用。①三開開鉆后振動篩孔徑不大于0.100 mm，如設(shè)備條件允許可使用孔徑為0.090 mm篩布（若設(shè)備不允許，則使用以不跑漿為原則的最高目數(shù)，但不能大于0.125 mm）。振動篩上翹角度不宜超過5°，同一振動篩篩布要使用相同的目數(shù)，要勤檢查，勤維護(hù)，鉆井液要到篩布外沿的10 cm處，逐步提高篩布的目數(shù)。三開鉆進(jìn)過程中，24 h滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)并保證除砂效果良好；②除砂器24 h滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)并保證使用效果良好，除泥器根據(jù)實鉆情況確保開動率達(dá)到80%；③在鉆進(jìn)過程中離心機(jī)每天開啟不小于8 h；④配備高速離心機(jī)的隊，按照使用規(guī)程使用率不低于80%。二開加強(qiáng)使用低速離心機(jī)，三開使用好高速離心機(jī)，如果有問題及時報廠家檢修。

3 現(xiàn)場造漿機(jī)理和固控技術(shù)應(yīng)用

3.1 地層造漿機(jī)理

通過對現(xiàn)場膨潤土含量變化規(guī)律總結(jié)，對比返出的巖屑和鉆井液性能變化，高尚堡高深區(qū)塊三開井段主要造漿地層為Ed3、Es1、Es31亞段（斜深為2 600～3 200 m），巖性為灰色泥巖。 實驗方法為室內(nèi)選用該層段鉆進(jìn)時振動篩返出的巖屑，用清水清洗表面附著物，自然晾干備用，取50 g過100目篩網(wǎng)的巖屑，混入現(xiàn)場聚磺鉆井液中，充分?jǐn)嚢韬筮M(jìn)行實驗。實驗中取沙一段巖屑進(jìn)行滾動回收率實驗，常溫測定鉆井液膨潤土含量為42 g/L，選取的巖屑混入鉆井液中充分?jǐn)嚢韬螅跓釢L爐中于100 ℃下熱滾16 h，然后過濾、烘干測定回收巖屑32.28 g，鉆井液膨潤土含量為50 g/L。數(shù)據(jù)對比顯示，所取巖屑在聚磺鉆井液中熱滾后水化分散嚴(yán)重，且水化分散后細(xì)黏土顆粒進(jìn)一步吸附亞甲基藍(lán)，導(dǎo)致鉆井液中膨潤土含量增加。

進(jìn)行了鉆屑連續(xù)滾動回收實驗。取一定量篩濾后的巖屑，在熱滾爐中按一定條件熱滾一定時間，然后烘干測定回收巖屑及膨潤土含量，見圖1、圖2。

圖1 膨潤土含量隨熱滾時間的變化

圖2 巖屑回收率隨熱滾時間的變化

圖1 、圖2結(jié)果表明，隨著時間的增加，可回收的巖屑數(shù)量逐漸減小，鉆井液中膨潤土含量逐漸增大，最后均趨于平穩(wěn)。

根據(jù)X衍射和掃描電鏡資料分析，高尚堡深層黏土礦物主要有伊/蒙混層、綠泥石、高嶺石、伊利石，其中以綠泥石及伊/蒙混層為主，約占20%～90%，其次是高嶺石，約占57%，伊利石含量最小，約為1%～14%。結(jié)合黏土礦物特性及實驗數(shù)據(jù)，可以得出高尚堡深部地層造漿機(jī)理為：①巖屑脫離井底進(jìn)入鉆井液中的前4 h，可以將一定量的泥巖分散到鉆井液中，造成巖屑含量降低，但是鉆井液吸附亞甲基藍(lán)量不增加，第一個循環(huán)周對返出巖屑的清除至關(guān)重要；②巖屑繼續(xù)在鉆井液中浸泡，回收巖屑量在減少的同時，鉆井液吸附亞甲基藍(lán)量逐漸增加。表現(xiàn)為固控設(shè)備未清除的有害固相顆粒，在鉆井液中水化分散，低密度固相中泥質(zhì)顆粒吸附亞甲基藍(lán)；③巖屑繼續(xù)在鉆井液中浸泡到一定程度后，回收巖屑量不再減少，膨潤土含量繼續(xù)增加，最終吸附亞甲基藍(lán)量也趨于穩(wěn)定。表現(xiàn)為通過大分子包被處理、 固控設(shè)備清除， 未清除的泥質(zhì)顆粒經(jīng)井底繼續(xù)破碎， 細(xì)分散為不能被固控設(shè)備清除的黏土顆粒，此時巖屑的水化分散達(dá)到最大化，巖屑量不再減少，而黏土顆粒繼續(xù)水化分散表面積增大，吸附亞甲基藍(lán)量逐漸增大，最終趨于平穩(wěn)。

3.2 固控技術(shù)應(yīng)用效果分析

該技術(shù)在高尚堡區(qū)塊應(yīng)用7口井，這7口井井深范圍為3 070～3 316 m，三開裸眼段長為737～1 062 m，鉆遇層位為東營組和沙河街組地層，通過對鉆井過程中鉆井液配制、大分子處理劑加量和固控設(shè)備的使用分析（見表3），G76-65和G76-61井，膨潤土含量從新配漿的28～46.3 g/L上升至完鉆時的57～64.1 g/L，而且測井無遇阻卡情況。

表3 高尚堡區(qū)塊膨潤土含量控制

分析G76-79和G76-78井遇阻卡的原因為，G76-79井鉆井液配制、大分子處理劑使用和振動篩、除砂器使用合理，離心機(jī)利用率較低，所以膨潤土含量上漲較快，完鉆時達(dá)到74.8 g/L，鉆井液API濾失量最高時為6.8 mL，測井遇阻井深為2 502 m，該井段井斜為25.73°，狗腿度為0.49°/30 m，井徑由248 mm降至216 mm，主要原因是井徑縮徑造成的測井遇阻；G76-78井鉆井液配制不合理，大分子處理劑使用和固控設(shè)備使用合理，膨潤土含量變化范圍為69～114 g/L，鉆井液API濾失量為 2.6～3.8 mL， 遇阻、 遇卡井段為 3 016～3 030 m，該井段井斜為37.15°，狗腿度為0.42°/30 m，井徑規(guī)則，遇阻卡原因為膨潤土含量高，泥餅虛厚。

4 結(jié)論與認(rèn)識

1. 總結(jié)了油田各區(qū)塊固相含量和膨潤土含量，表明目前對于鉆井液固相含量和膨潤土含量參數(shù)控制不能滿足油田鉆井技術(shù)要求。

2. 對油田在用固控設(shè)備的配備和使用情況進(jìn)行分析表明，固控設(shè)備數(shù)量和技術(shù)參數(shù)滿足鉆井需求，但各鉆井隊配備數(shù)量各異，使用方法均不統(tǒng)一。

3. 制定的固相控制工藝技術(shù)有利于降低鉆井液中固相含量和膨潤土含量，提高鉆完井質(zhì)量。

4. 下步應(yīng)按照制定的固相控制指標(biāo)及固相控制措施，加大對油田范圍內(nèi)鉆井液固相含量和膨潤土含量進(jìn)行控制，從而提高鉆井速度、降低鉆井成本、預(yù)防井下事故、保護(hù)油氣層。

參 考 文 獻(xiàn)

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