神木雙山三開優化水平井鉆井液技術應用

孫永強,劉召友,屈艷平

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司,陜西 西安 710018)

與其他區塊不同,神木雙山具有上部地層缺失,延長組底部欠壓實,坍塌嚴重,垂深淺等地層特點,同時該區塊普遍存在劉家溝承壓能力低的特點,為了解決塌漏矛盾,把井身結構設計成三開優化,即技術套管下到石千峰地層,把漏層全部封住,這樣就有效解決了塌漏矛盾的問題,但是斜井段和水平段處在同一裸眼段,又產生了新的問題,后期水平段施工摩阻扭矩大,加之鉆具懸重輕,給后期滑動和下套管帶來困難。為解決這一問題,實現安全鉆井,開展一套針對神木雙山三開優化水平井的鉆井液體系配方的研究,通過現場應用,該體系抑制性防塌能力強,潤滑防卡效果好,易于發現油氣顯示,機械鉆速高,很好地滿足了該區塊三開優化結構水平井安全快速鉆井施工的需求,為神木雙山三開優化水平井效益勘探開發提供了寶貴經驗和技術支撐。

1 地質構造及鉆井液技術難點

1.1 地質構造及特點

神木雙山區塊從地質構造上來說位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西北側,構造形態為一北傾大型平緩單斜,平均坡降約3～10 m/km。其地質分層主要為第四系黃土層、延安組、延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組、石千峰組、石盒子組、山西組、太原組和本溪組。水平井水平段的主力目的層主要為石盒子、山西和太原組。與蘇里格相比該區塊最明顯的地質特征為延安組砂泥巖混層,易發生泥頁巖吸水膨脹,造成縮徑,導致起鉆困難,遇阻遇卡。延長組底部和紙坊組上部砂泥巖互層,泥巖中的黏土礦物含量為89.1%,伊蒙混層占黏土礦物總量的97%,是水敏性很強的泥頁巖,屬于典型的易膨脹分散的地層,遇水極易發生坍塌。紙坊組、和尚溝、劉家溝、石千峰、石盒子地層黏土成分高,造漿性極強,容易造成性能惡化。劉家溝組承壓能力低,容易發生井漏。

1.2 鉆井液技術難點

根據該區塊的地質特點以及實際施工情況,該區塊具有以下的技術難點

(1)表層延安組易縮徑。

(2)延長組底部與紙坊組上部地層極易垮塌。

(3)劉家溝組地層承壓能力低,普遍存在滲透性漏失

(4)斜井段雙石層泥巖易垮塌。

(5)三開優化井,水平段斜井段在同一裸眼段,加上神木雙山區塊目的層垂深淺鉆具懸重小,水平段滑動比較困難。

2 具體原因分析和技術對策

2.1 表層延安組防縮徑

延安組含黏土礦物主要以蒙脫石為主且膠結性很好,吸水晶格增大膨脹后連結力依然很強,極易導致井徑縮小,表層起鉆遇阻,因此我們表層鉆穿第四系后,選用低黏度低比重的聚合物鉆井液,漏斗黏度控制在30 s左右,不控制失水,讓井壁表層充分水化膨脹而較深層不水化,二層之間失去連結力,從而表層巖石剝落,恢復原來的井徑,保證表層起鉆通暢。

2.2 延長底部與紙坊上部防塌

神木雙山區塊上部地層缺失,延長組垂深淺,地層欠壓實,鉆開地層后,地層應力釋放,可能瞬間垮塌。并且由于延長底和紙坊下部硬脆性泥巖發育,水敏性強,鉆進過程中不斷吸水膨脹,極易再次垮塌,形成“大肚子”井眼,一旦鉆井液處理不好,就可能導致大段劃眼復雜,甚至卡鉆。針對地層特點,二開采用天然高分子低固相鉆井液體系,通過高分子材料的封堵和降失水作用,氯化鉀中的K+防塌,配合1.12 g/cm3以上的比重支撐井壁,有效地解決了神木雙山區塊延長底部的易坍塌難題。

2.3 劉家溝承壓能力低

劉家溝組是典型的壓差漏失,對泥漿黏切、比重比較敏感,尤其在王家砭、金雞灘周邊的井位表現突出。因此,泥漿上罐后,必須同時抓好兩方面工作:

(1)用好固控設備保持泥漿的低含砂,在滿足井控安全的前提下,盡可能采用低比重泥漿,通過現場試驗,王家砭、金雞灘附近井場的劉家溝組,鉆井液密度上限在1.16～1.18 g/cm3左右;

(2)控制好泥漿黏切,保持泥漿好的流動性。性能要求漏斗黏度45 s左右,動切力4 Pa左右。控制泥漿黏切同時,還應保證降失水材料的用量,避免造成井塌等新的復雜。

2.4 斜井段雙石層泥巖垮塌

斜井段泥頁巖微納米級裂縫發育,為鉆井液侵入提供了天然通道。同時在井底壓差、毛細管力、化學勢差等驅動力作用下,鉆井液(濾液)迅速侵入巖層內部,鉆井液濾液的“楔入”作用,促使微裂縫的開裂、擴展、分叉、再擴展。加上較大的井斜,改變了地層原有的力學平衡,在物理、化學的共同下,導致雙石層的泥巖極易垮塌。根據坍塌機理,從以下方面著手。

(1)強抑制。保持井筒泥漿的10%～13%的KCl含量,可適當復配一些工業鹽,維持鉆井液的抑制性,保證返出巖屑成型、不糊篩網。

(2)強封堵,要以鉆井液性能為判斷標準,要求中壓失水不大于4 mL,并且能形成薄而堅韌的泥餅。

Sharma 1999: Rama Nath Sharma, The Aādhyāyi of Pāini Vol. IV: English Translation of Adhyāyas Four and Five with Sanskrit Text, Transliteration, Word-Boundary, Anuvtti, Vtti, Explanatory Notes, Derivational History of Examples,and Indices, New Delhi: Munshiram Manoharlal Publishers Pvt. Ltd.

(3)合理的鉆井液密度。要根據井斜提高鉆井液密度,來平衡地層的坍塌壓力,提密度時還應綜合考慮鉆井液潤滑性,防止滑動托壓黏卡等因素,因此要盡量減少重晶石等固相加重劑的加入量,盡量通過氯化鉀和工業鹽來加重,具體標準為: 井斜30°前,密度1.15～1.17 g/cm3,以鹽提比重為主;30°～50°,密度1.17～1.22 g/cm3,以鹽提比重為主;50°～60°,密度1.22～1.25 g/cm3,鹽和重晶石復配提比重;60°～入窗,密度1.25～1.30 g/cm3,以重晶石提比重為主。

2.5 三開裸眼段長,摩阻扭矩大,完鉆下套管困難

水平段斜井段在同一裸眼段,重力效應突出,摩阻扭矩大:上提、下放鉆具的阻力增加,鉆進加壓困難;鉆柱摩擦阻力大、扭矩大,下部鉆具易屈曲,傳遞扭矩困難。加上神木雙山區塊目的層垂深淺,鉆具懸重輕,水平段滑動比較困難。長裸眼段下套管作業難度大:三開優化井套管需下入長裸眼段的大斜度井段和水平段,在正常下入過程中由于摩阻較大,下部套管段可能會產生屈曲變形,使套管下入難度大,甚至難以下到預定深度。針對該難點制定以下技術措施。

(1)最大限度使用各級固控設備,清除鉆井液中的各種粒徑有害固相,減小濾餅的摩擦系數,從而降低鉆具在井壁上的摩擦。

(2)選用合理的鉆井液性能:根據井斜和地層巖性調整鉆井液密度,從力學上保證井壁穩定,井筒不變形。鉆井液動切力要和泥漿泵的排量相匹配,保證鉆屑能及時循環出去,不在井內堆積。

(3)優選高效的固體潤滑劑和液體潤滑劑配合使用,保證鉆井液的潤滑劑含量在10%以上,進一步減小鉆具在井內的摩擦。

(4)根據摩阻扭矩情況,水平段每鉆進300～500 m短程起下鉆一次,目的是修復不規則的井壁,破壞井筒內巖屑床,使井眼保持清潔通暢,減小鉆具在井筒內的接觸面積。

3 配方優選及現場應用效果

(1)取該井直井段泥漿作為基漿,性能:密度1.04 g/cm3,漏斗黏度31 s,失水12 mL,做小型試驗,對天然高分子封堵材料加量進行評價。通過實驗數據分析,綜合考慮降失水效果和增黏效應決定NAT20加量為0.8%,井漿加NFA25,加量為1.5%時降失水效果最為經濟實用。實驗配方和實驗結果,如表1和表2。其他材料的選用和加量,根據現場實際情況調整,這里不再贅述。

表1 基漿加不同含量NAT20的性能對比(API)

表2 基漿加不同含量NFA25的性能對比(API)

(2)雙47-58H3井,根據不同地層的地質特點,精細化調整現場實際鉆井液的比重黏度,延長紙坊組比重控制在1.12左右,漏斗黏度在40 s左右,來防止延長底部坍塌,石千峰組控制漏斗黏度精度小于50 s,防止鉆頭泥包,入窗前比重1.30左右,防止大斜度井段垮塌,水平段根據巖性及時調整性能,但總體漏斗黏度不宜超過70 s,防止循環壓耗過高,壓漏地層,具體的比重黏度如圖1所示,滿足了現場安全快速鉆井的需要,滿足現場井控安全的需要。

圖1 不同地層的比重黏度變化

二開石千峰組鉆進,控制較低的鉆井液黏度,同時保持井筒泥漿10%～13%的KCl含量,并且復配一些工業鹽,維持鉆井液整體較強的抑制性,減少地層黏土的水化分散,保證鉆井液體系和性能的穩定。圖2為鉆進至石千峰易造漿地層時,振動篩返出的砂樣,從圖中可以看出,巖屑成型不糊振動篩,說明鉆井液抑制性良好。

圖2 石千峰地層振動篩返出的巖屑

(3)雙47-58H3控制摩阻扭矩的措施及水平段實際摩阻扭矩情況:摩阻扭矩對水平井施工具有重要的影響,尤其對于大位移井而言,因其具有水平位移長、井斜角大以及裸眼穩斜段長的特點,摩阻、扭矩的預測和控制是成功鉆成一口水平井的關鍵和難點所在。為控制和減少摩阻、扭矩,該井首先優化井眼軌跡,從本質上降低鉆具在井內的摩阻扭矩。其次提高鉆井液封堵性,中壓失水小于3 mL,防止因為該地區油藏埋藏淺,造斜點淺,地層較軟,所鉆水平井井深大,鉆井周期長,在大斜度井段井壁失穩等一系列的問題。最后提高鉆井液的動切力在10 Pa以上,配合合理的鉆井泵排量,滿足于井眼凈化要求。同時,適當增加短起下次數和起鉆前循環鉆井液等,對摩阻扭矩和立管壓力進行實時監測,一旦發生摩阻、扭矩、泵壓異常,采取相應措施,排除因巖屑床的形成導致的井下復雜事故。

圖3和圖4分別為水平段的摩阻扭矩情況,從圖中可以看出,上提摩阻和空轉扭矩隨著水平段的延長,增長比較平穩,說明井筒內比較清潔,鉆井液潤滑性好。

圖3 水平段的摩阻情況

圖4 水平段的扭矩情況

4 結論與建議

(1)針對神木雙山區塊延長底欠壓實、易坍塌特點,該體系兼顧物理力學防塌和化學抑制封堵防塌,保證了延長組下部和紙坊組上部地層的穩定,保證了大斜度井段和水平段泥巖的穩定,為后期施工提供了井下安全保障。

(2)該區塊劉家溝一旦發生漏失,停泵后井內會反吐鉆井液,并且一次堵漏成功率較低,所以劉家溝以防漏為主,并且仍需探索一次堵漏成功的技術和工藝。

(3)因為大斜度井段和水平段在同一裸眼段,井壁浸泡時間長,摩阻扭矩大,因此斜井段的井壁穩定和平滑的軌跡顯得尤為重要,對后期水平段鉆進和滑動,以及完井下套管等作業影響較大。

(4)合理的鉆井液性能,是三開優化水平井順利施工的關鍵,無論是鉆井液比重對井壁的支撐還是,化工材料的抑制封堵,都是井下正常的前提,尤其是泥漿的動切力和潤滑性對三開優化水平井的安全施工顯得尤為重要。