仿生固壁鉆井液技術在蘇53區塊水平井水平段應用

曹曉暉,張祥

(長城鉆探鉆井液公司,遼寧 盤錦 124000)

蘇53區塊位于蘇里格氣田的西北部,構造屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部中帶,普遍布三開開發水平井,自2010年初開始投入開發建設,蘇53區塊已完鉆投產數百口水平井,平均完鉆井深約4 500 m,平均水平段長約1 000 m。水平段鉆井施工難度主要體現在石盒子組、山西組泥巖鉆遇的不確定性、易垮塌性及衍生的井下復雜情況。劃眼、井漏等復雜情況比例一度增至最高90%,完鉆密度從初始1.16 g/cm3提高至1.30 g/cm3。仿生固壁技術在蘇53區塊開展試驗井三口,其中蘇53-70-22H井為試驗井中泥巖防塌最具代表性的一口施工井,井身結構如下:Ф346 mm×表層651 m/Ф273.05 mm+(Ф241.3 mm×造斜點2 983 m+Ф215.9 mm×A點3 573 m)/Ф177.8 mm+Ф152.4 mm×B點4 740 m。仿生固壁新技術、新理念的應用研究保障了鉆井施工趨于正常。本文介紹了基于中國石油大學(北京)蔣官澄教授等人[1]所提理念提出的仿生固壁鉆井液技術在蘇53-70-22H水平段現場施工應用的成功探究。

1 GBFS-1仿生固壁機理

仿生固壁理念基于模仿海洋生物貽貝分泌的貽貝蛋白具有超強黏附性且在水環境下亦能牢固地黏附的特點,通過隨鉆將井壁巖石直接加固,大幅提高了井壁巖石的力學穩定性。GBFS-1便是基于上述理念研制的一種水溶性接枝聚合物,在聚合物主鏈上有類似于貽貝蛋白性質的超強黏附性能的關鍵基團“X基團”。GBFS-1在巖石表面的催化作用下定點自發固化,形成致密且有黏附性的仿生殼(見圖1);仿生殼通過黏附力和內聚力將與之相接觸的井壁巖石“宏觀”地加固,使井壁巖石在水環境中所受的水化應力,甚至井壁圈閉壓力被仿生殼的內聚力消弱,從而起到維持井壁穩定的作用;由于GBFS-1具有定點固化的特性,遠離井壁的鉆井液的流變性不會受到影響。

圖1 GBFS-1作用機理-電鏡SEM圖

2 鉆井液研究與應用

基于力學-化學耦合法強化井壁的新技術,結合室內研究結果和現場應用認識,在原有聚合物鉆井液基礎配方#1上,引入了2%仿生固壁劑GBFS-1,將傳統水基鉆井液改良為強固壁鉆井液#2,從常規性能、抑制性、濾餅潤滑性、井壁巖石強化作用等方面得到了改善。

2.1 常規性能

室內鉆井液配方實驗性能測試見表1,現場部分實時鉆井液性能見表2。從數據可以看出2%GBFS-1的加入基本不增加鉆井液總黏度的同時,明顯提高了鉆井液內部結構強度,動切力和3,6 r/min讀數提高,同時鉆井液施工密度相對原鉆井液降低約0.1 g/cm3,液柱壓力降低為結構強度增加導致的循環激動壓力增加提供了空間;加溫80 ℃,基團作用基本不受影響,塑性黏度降低率更高,實現了高流速梯度下降低塑性黏度,剪切稀釋性提高,有利于鉆頭水眼噴射,同時低流速梯度下動切力相對提高,剪切稀釋性降低,有利于減少環空鉆井液對井壁沖蝕;而且其對高溫高壓濾失量有明顯降低作用[2-3]。

表1 室內鉆井液配方實驗性能測試

表2 實時鉆井液性能測試

2.2 抑制性

蘇里格水平井所鉆遇儲層泥巖水化能力較差,但考慮到地溫作用、長期循環剪切的影響,實驗室采用了回收率測試和泥頁巖膨脹測試評價2%GBFS-1加入對鉆井液抑制性的影響。測試采用同一隨機典型泥巖巖樣,回收率測試結果見表3,泥頁巖膨脹測試結果見圖2。結果顯示2%GBFS-1的加入明顯提高了#1鉆井液的抑制性。

表3 回收率測試結果

圖2 巖樣在清水、#1和#2鉆井液配方中膨脹對比

2.3 濾餅潤滑性

在使用相同的潤滑劑品類、加量的條件下,按照#1、#2鉆井液配方配制鉆井液,分別進行API濾失、HTHP濾失測試,并分別測定濾餅的摩擦系數(表4)。

表4 潤滑性評價

從以上測試結果看,API濾餅潤滑性能明顯改善,2%GBFS-1的加入提高了#1鉆井液的潤滑性。且在現場應用中發現#2鉆井液能在鉆具表面附著,形成明顯的鉆井液膜,同時長裸眼段定向鉆進工具面穩定、鉆壓均衡。

2.4 井壁巖石強化作用

GBFS-1通過黏附力和內聚力可以增加近井壁巖石強度,但同時又不會作用于分散狀態的巖屑,造成井下復雜情況。為了評價GBFS-1的固壁效果,分別進行了巖屑黏結測試和對模擬巖心強化作用測試。巖屑黏結實驗結果表明加入2%GBFS-1的#2鉆井液對分散的巖屑并無明顯黏結作用,在靜止條件下浸入其中的鉆屑不會黏到一起,現場施工也無鉆屑黏結而造成的遇阻遇卡顯示。同時模擬巖心強化作用實驗結果顯示#2鉆井液對井壁完整度保護較好,且近井壁巖石保留原有較大強度,現場完鉆所測平均井徑擴大率低于10%。

3 應用效果

仿生固壁鉆井液技術在蘇里格區塊共施工三口試驗水平井,其中蘇53-70-22H水平段施工最具有強化固壁代表性。蘇53-70-22H井目的層盒8段,水平段長1 173 m,泥巖鉆遇率37.8%,合計443 m,最長連續泥巖段221 m(見圖3),泥巖段存在井斜調整找砂層,井壁依然保持穩定,未見掉塊,未出現大段劃眼現象,鉆井施工正常,完井密度1.17 g/cm3,與鄰井基本施工情況對比見表5,與鄰井水平段井徑擴大率對比見表6。仿生固壁鉆井液技術有效地防止了連續泥巖段失穩坍塌,完井密度相對降低約0.1 g/cm3,實現了GBFS-1對井壁力學-化學耦合法強化。

表5 鄰井基本施工情況對比

表6 鄰井水平段井徑擴大率對比

圖3 水平段地層伽瑪值曲線

4 認識與建議

根據室內試驗和試驗井施工情況,對仿生固壁鉆井液技術及處理劑有以下認識與建議:

1)仿生固壁鉆井液技術能有效地強化近井壁強度,實現了物理平衡到力學-化學耦合強化井壁轉變,大幅降低了完井密度,降低了井漏風險,有利于儲層保護,滿足蘇里格地區鉆遇儲層泥巖防塌需求。

2)GBFS-1滿足蘇里格地區通用鉆井液體系互配使用,適量加入對流變性、高溫高壓濾失、潤滑性均有改善。

3)GBFS-1為大分子丙烯酸鏈,起效慢,施工中需預留黏切增長空間,且pH值不宜過高,受酸堿反應影響,黏度急劇升高。建議不斷完善仿生固壁鉆井液技術施工工藝及GBFS-1的起效,實現鉆遇泥巖后的實時防塌。