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泌页HF1井油基钻井液技术_何振奎

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泌页 HF1 井油基 钻井 技术
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第40卷第4期 石油钻探技术 Vol.40No.42012年7月 PETROLEUM DRILLING TECHNIQUES  Jul.,2012收稿日期 :2011-12-13;改回日期 :2012-06-12。作者简介 :何振奎(1959—),男,甘肃古浪人,1981年毕业于兰州石油学校化学分析专业,1996年毕业于中国地质大学(武汉)钻探工程专业,高级工程师,一直从事钻井液研究与新技术推广工作。联系方式 :(0377)63859152,hnhzk@sina.com。基金项目 :中国石化河南油田分公司重大科技攻关项目“泌阳凹陷页岩气水平井油基钻井液技术研究”(编号:2011-008-4)部分研究内容。页岩气钻井完井技术专题 doi:10.3969/j.issn.1001-0890.2012.04.007泌页HF1井油基钻井液技术何振奎(中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院 ,河南南阳473132)摘要 :泌页HF1井设计三开在页岩层中钻进水平段,水平段设计长度1000.00m。该井定向段应用水基聚合物钻井液,在接近水平段时钻遇泥岩、页岩地层,并发生严重井壁失稳。为防止页岩水化、分散、垮塌及长水平段易粘卡的问题,在该井三开水平井段试验应用了油基钻井液。考虑闪点、毒性和芳香烃含量,选择5号白油为钻井液连续相;根据活度要求,确定质量浓度28.0g/L的CaCl2 水溶液为水相;优选了主乳化剂、辅乳化剂,确定了其加量;通过性能试验,确定了润湿剂、有机土、降滤失剂、提切剂和封堵剂的加量,并最终确定了油基钻井液配方。对配制的钻井液进行了各项基本性能及膨胀率、回收率、抗钻屑污染、封堵效果评价,评价结果较好。该油基钻井液在泌页HF1井三开水平段应用,仅用时6.5d就钻完实际长达1044.00m的水平段而顺利完钻。应用表明,油基钻井液封堵防塌能力强、破乳电压高、性能稳定、滤失量低、流变性好,且具有较强的携岩能力。关键词 :页岩油 水平钻井 油基钻井液 井眼稳定 泌页HF1井中图分类号 :TE254文献标识码 :A文章编号 :1001-0890(2012)04-0032-06Oil Base Driling Fluid Technology Applied in Wel Biye HF 1He Zhenkui(Research Institute ofPetroleum Engineeringand Technology,Henan Oilfield Company,Sinopec,Nanyang,Henan,473132,China)Abstract:The Wel Biye HF 1is the first shale oil horizontal wel,and the horizontal section was1000.00mdriled in shale formation in third spud bywel planning.The water-based polymer drilingfluidwas used in the directional section.Serious unstable hole occurred near the horizontal hole when mudstoneand shale were driled.In order to prevent shale hydration,dispersion,wal colapse and stick that easilytake place in longhorizontal section,oil-based drilingfluid was tested in horizontal section of this wel.Inconsideration of the flash point,toxicityand aromatic hydrocarbon content,the No.5white oil was chosenas the continuous phase of the drilingfluid.In accordance with the requirements of the activity,the concen-tration of 28.0g/L of CaCl2aqueous solution was chosen as the aqueous phase.Byoptimizingthe primaryand auxiliaryemulsifiers,their dosage and the amount of wettingagent,organic clay,filtrate reducer,shearstrengtheningagent and pluggingagent were determined,ultimatelyestablishingthe formulation of the oil-based drilingfluid.Evaluation tests on basic performance and the rate of expansion,recovery,abilitya-gainst cuttings contamination and plugging capacity were carried out,which demonstrated a satisfactoryre-sult.It was used in horizontal section in third spud for only6.5days to reach the length of 1,044.00m,ap-plication shows that the oil-based driling fluid has such advantages as strong plugging capability,stable de-emulsification performance under high voltage,low fluid loss,good rheology and strong cuttings carryingcapability.Keywords:shale oil;horizontal driling;oil base drilingfluid;hole stability;Wel Biye HF 11 井眼概况泌页HF1井是中国石化2011年开钻的第一口页岩油气勘探水平井 。该井位于河南油田泌阳凹陷深凹区 ,主要目的层为古近系核桃园组核三段 。该第40卷第4期 何振奎.泌页HF1井油基钻井液技术井水平段岩性为页岩 ,为防止页岩水化膨胀 、垮塌 ,并提高钻井液的润滑性 ,三开水平段应用了油基钻井液 。泌页HF1井设计先钻导眼井确定地层层位 ,再回填侧钻 。设计的导眼井井身结构如图1所示 ,设计的水平井井身结构如图2所示 。图 1导眼井设计井身结构Fig.1 Design of pilot hole and casingprogram of driled wel图 2水平井设计井身结构Fig.2 Casingprogram design of the horizontal wel该井的实钻情况是 :一开用444.5mm钻头 ,应用膨润土浆钻至井深406.91m,339.7mm表层套管下至405.91m。二开用311.1mm钻头 ,应用水基聚合物钻井液钻至井深2 100.00m,用241.3mm钻头继续钻至设计井深2 550.00m。测井取得地层等资料后回填至井深2 000.00m用311.1mm钻头开始侧钻 ,应用水基聚合物混油防塌钻井液 ,钻达A靶前进入页岩层 。钻至井深2 601.00m发生了严重垮塌 ,通井划眼长达15d,由于无法继续钻进被迫提前下入244.5mm技术套管 。三开用215.9mm钻头在页岩层中水平钻进 ,设计水平段长1 000.00m,为避免在定向段出现严重垮塌 ,试验应用了油基钻井液 ,顺利钻至井深3 722.00m完钻 ,三开实际进尺1 121.00m,实际水平段长1 044.00m,仅用时6.5d,钻进 、下套管均顺利 。因为页岩页理发育 、水敏性强 ,遇水后迅速水化 、分散 、垮塌 ,所以研究该井三开页岩层段油基钻井液的配制及应用 ,对其他类似井具有借鉴意义 。2 页岩层钻井液技术难点及措施2.1 技术难点1)地层岩性 。泌页HF1井三开井段为核桃园组核三段地层 ,主要为灰黑色页岩 、泥岩 ,夹粉砂岩 。页岩页理发育 ,极易水化 、分散 ,造成井壁失稳 。水基钻井液不能保证井壁稳定 。2)黏土矿物 。安深1井为泌页HF1井的邻井 ,该井地层黏土矿物含量分析表明 ,目的层 (井深2 450.00m,与泌页HF1井目的层垂深相同 )地层黏土矿物质量分数为10%~20%。黏土矿物中 ,伊利石相对质量分数高达80%以上 ,而且页岩层理发育 ,井壁易剥落掉块 ,因此水平段钻井液要有良好的抑制页岩水化 、分散和垮塌的能力[1-3]。3)水平段长 。设计水平段长达1 000.00m,易形成岩屑床 。该井水平段若采用水基钻井液 ,则摩阻扭矩大 ,易发生卡钻等井下故障 ,因此需要应用润滑防卡能力强的钻井液 。2.2 针对性措施分析可知 ,油基钻井液能很好地抑制页岩水化 、分散和垮塌[4-5],且其具有较好的润滑性 ,可满足页岩层中长水平段钻进的需要 。·33·石油钻探技术 2012年7月3 油基钻井液配方优选3.1 连续相选择柴油闪点低 (55℃)、芳烃含量高 、毒性强 ,5号白油闪点高 (110℃)、芳烃含量低 、毒性小 ,因此选择5号白油为油基钻井液连续相 。3.2 水相确定测得邻井安深1井井深2 450~2 540m处页岩的活度为0.64,为使钻井液的活度不大于地层页岩的活度 ,确定水相为质量浓度28.0g/L的CaCl2水溶液 。3.3 主乳化剂优选选择4种主乳化剂MUL1、MUL2、MUL3和MUL4进行试验 ,测其在不同加量下的破乳电压 。在白油中分别加入不同量的4种主乳化剂 ,再加入质量浓度28.0g/L的CaCl2水溶液 ,油水体积比为80∶20,试验温度50℃,高速搅拌10min,测其破乳电压 ,结果见表1。表 1加主乳化剂后溶液的破乳电压Table 1 The demulsification voltage after addingprimaryemulsifier  V主乳化剂加量 ,% MUL1 MUL2 MUL3 MUL42.0  320  289  304  3153.0  412  350  380  4104.0  420  376  401  4215.0  421  380  406  423从表1可以看出 ,加量为3.0%时 ,MUL1的破乳电压达到412V,可满足要求 。因此 ,选用MUL1作为钻井液主乳化剂 。3.4 辅乳化剂优选在 白 油 中 分 别 加 入 不 同 量 的 辅 乳 化 剂COAT1、COAT2、COAT3和COAT4,再加入质量浓度28.0g/L的CaCl2水溶液 ,油水比为80∶20,试验温度50℃,高速搅拌10min,测其破乳电压 ,结果表2。表 2加辅乳化剂后溶液的破乳电压Table 2 The demulsification voltage after addingauxiliaryemulsifier  V辅乳化剂加量 ,% COAT1 COAT2 COAT3 COAT40.5  330  315  320  3351.0  443  420  431  4402.0  460  430  444  4623.0  466  442  441  464从表2可以看出 ,在相同加量下 ,COAT1的破乳电压最高 ,其加量为1%~2%时破乳电压即可满足乳状液稳定性要求 。因此 ,选用COAT1作为钻井液辅乳化剂 。3.5 润湿剂优选油基钻井液基本配方 (记为配方1)为80%5号白油+20%质量浓度为28.0g/L的CaCl2水溶液+2.0%主乳化剂MUL1+1.5%辅乳化剂COAT1+2.0%有机膨润土+2.5%降滤失剂FLTR1+1.5%pH值调节剂CaO。在配方1中加入不同量的润湿剂 ,研究其对钻井液性能的影响 ,结果见表3。由表3可知 ,润湿剂加量为0.5%~1.0%时 ,钻井液各项性能均较好 。表 3润湿剂加量对油基钻井液性能的影响Table 3 Effect of amount of wettingagent on the performance of oil base drilingfluids increased润湿剂加量 ,% 试验条件1)表观黏度 /(mPa·s)塑性黏度 /(mPa·s)动切力 /Pa 动塑比6/3 API滤失量 /mL 破乳电压 /V0.5滚动前 24.519  5.5  0.289  5/4  630滚动后 21.018  3.0  0.167  3/2  2.0  7461.0滚动前 27.020  7.0  0.350  5/4  620滚动后 21.017  4.0  0.235  3/2  2.0  7481)热滚条件为120℃×16h,测量温度为40℃。3.6 有机土加量优选配方1中 ,其他组分及加量不变 ,改变有机膨润土的加量 (分别加入1.0%、1.5%、2.0%和2.5%有机膨润土 ),在120℃下热滚16h,在40℃温度下测其 各项性能 。结果表明 ,当有机膨润土加量为·43·第40卷第4期 何振奎.泌页HF1井油基钻井液技术2.0%~2.5%时 ,API滤失量为2.0mL,高温高压滤失量为7mL,破乳电压为746V,具有显著的增黏 、提切 、降滤失作用 。因此 ,有机膨润土的加量确定为2.0%~2.5%。3.7 降滤失剂加量优选在配方1的基础上 ,将有机膨润土的加量调整为2.5%,并改变降滤失剂FLTR1的加量 (分别加入2.0%、2.5%、3.0%和4.0%FLTR1),在120℃温度下热滚16h,在40℃温度下测其各项性能 。结果表明 ,随着降滤失剂FLTR1加量的增大 ,黏切上升 ,滤失量下降 ,当FLTR1加量达2.5%时 ,API滤失量为2.0mL,破乳电压为746V。因此 ,降滤失剂FLTR1的加量确定为2.5%~3.0%。3.8 提切剂加量优选油基钻井液的切力一般较小 ,若钻井液性能不能满 足 携 带 岩 屑 的 要 求 ,就需要加入提切剂TQJ。钻井液配方和试验条件同上 ,试验结果见表4。表 4提切剂对油基钻井液性能的影响Table 4 The influence of shear strengtheningagent on the performance of oil base drilingfluids提切剂加量 ,% 试验条件表观黏度 /(mPa·s)塑性黏度 /(mPa·s)动切力 /Pa 动塑比API滤失量/mL破乳电压 /V0滚动前 24.519.0  5.5  0.289  630滚动后 21.018.0  3.0  0.167  2.0  7460.5滚动前 36.523.5  13.0  0.553  793滚动后 39.025.0  14.0  0.560  2.4  9950.8滚动前 38.024.0  14.0  0.583  848滚动后 43.027.0  16.0  0.593  2.9  1 1271.0滚动前 41.025.0  16.0  0.640  859滚动后 46.026.0  20.0  0.769  4.2  1 209从表4可以看出 ,随着提切剂加量的增大 ,黏度 、切力和破乳电压均增加 ,但API滤失量上升 ;当提切剂加量为0.5%~0.8%时 ,表观黏度达到39.0~43.0mPa·s,动切力达到14.0~16.0Pa,破乳电压也有较大幅度提高 ,达到了提高黏度和切力的效果 。3.9 封堵剂封堵性试验综合以上研究 ,可得油基钻井液的基本配方为 :80%5号白油+20%质量浓度28.0g/L的CaCl2水溶液+2.5%主乳化剂MUL1+1.5%辅乳化剂COAT1+1.5%润湿剂+2.5%有机膨润土+3.0%降滤 失 剂FLTR1+2.0%pH值 调 节 剂CaO+0.5%提切剂TQJ。在该配方钻井液中分别加入2.0%树脂封堵剂SZF、2.0%乳化封堵剂RHF和2.0%纳米封堵剂NMF,120℃热滚16h后的高温高压滤失量分别为5.7,4.5和5.5mL,将以上3种试剂复配为2.0%SZF+3.0%RHF+2.0%NMF加入到钻井液中 ,高温高压滤失量为2mL,表现出良好的封堵性能 。4 钻井液性能评价根据前述优选形成的油基钻井液 (记为配方2)为 :80%5号 白 油+20%质 量 浓 度28.0g/L的CaCl2水溶液+2.5%主乳化剂MUL1+1.5%辅乳化剂COAT1+1.5%润湿剂+2.5%有机膨润土+3.0%降滤失剂FLTR1+2.0%pH值调节剂CaO+0.5%提切剂TQJ+2.0%树脂封堵剂SZF+3.0%乳化封堵剂RHF+2.0%纳米封堵剂NMF。4.1 基本性能配方2的基本性能见表5(试验条件同上 )。表 5配方 2钻井液的基本性能Table 5 The basic performance of formula 2drilingfluid试验条件表观黏度 /(mPa·s)塑性黏度 /(mPa·s)动切力 /Pa 动塑比6/3API滤失量/mL高温高压滤失量 /mL破乳电压 /V泥饼摩擦系数滚动前 45.036.0  9.0  0.25  8/7  621滚动后 49.536.0  13.5  0.39  12/11  0.3  0.9  895  0.078 7·53·石油钻探技术 2012年7月由表5可知 ,配方2流变性好 ,滤失量低 ,乳化稳定性好 。4.2 膨胀率试验选用 泌 页HF1井 的 邻 井 程2井2 815.07~2 823.41m井段的钻屑进行膨胀率 、回收率试验 。膨胀率试验用岩样制备 :称取在105℃±2℃温度下烘干的程2井钻屑粉 (过100目筛 )10.0g,在压力机上以4MPa压力压制5min,制成柱体试样 ;在NP-02泥页岩膨胀测试仪上 ,分别测定其在蒸馏水和配方2中2h和16h的膨胀率 ,结果见表6。回收率试验用粒径6~10目钻屑 ,在120℃温度下热滚16h后 ,用60目筛回收 ,结果见表6。表 6膨胀率 、回收率试验结果Table 6 The testingresults of expansion and recoveryrate液体膨胀率 ,%浸泡 2h 浸泡 16h120℃热滚 16h的回收率 ,%蒸馏水 9.9011.00  97配方 20.27  0.73  100由6表可知 :优选出的油基钻井液配方可有效抑制泥页岩水化膨胀和分散 。4.3 抗钻屑污染试验向配方2中分别加入0,4%,6%,8%和10%安深1井2 450~2 540m井段的钻屑粉 (过100目筛 ),进行抗钻屑污染试验 。试验表明 ,随着钻屑加量的增大 ,钻井液的表观黏度 、塑性黏度略有升高 ,动切力保持不变 ,滤失量降低 ,破乳电压略有下降 :没有钻屑污染时破乳电压为980V,钻屑粉加量为10%时破乳电压为763V,钻井液电稳定性仍然较好 ,说明该钻井液抗钻屑污染能力可达10%。4.4 封堵效果评价采用高温高压动滤失仪模拟钻井条件进行钻井液配方2的动态污染试验 ,包括外泥饼岩心渗透率恢复率试验 、去除外泥饼岩心渗透率恢复率试验及截污染端1cm后的岩心渗透率恢复率试验 ,结果见表7。由表7可知 :未去除泥饼的岩心渗透率恢复率较低 ,说明其封堵能力强 ;去掉泥饼后 ,其渗透率恢复率达到80%以上 ;采用切片法截去污染端后 ,其渗透率恢复率大于90%,表明封堵剂封堵效果非常好 ,污染深度浅 。表 7钻井液封堵性能评价Table 7 Drilingfluid pluggingperformance evaluation岩心号岩心原始渗透率 /mD有外泥饼 去除泥饼 截去污染端渗透率 /mD 渗透率恢复率 ,% 渗透率 /mD 渗透率恢复率 ,% 渗透率 /mD 渗透率恢复率 ,%1  36.81  10.01  27.2  30.98  84.2  35.23  95.72  28.44  6.11  21.5  23.63  83.1  26.59  93.55 现场应用5.1 钻井液配制泌页HF1井二开下技术套管固井后 ,放掉地面循环罐中的钻井液 ,并将地面罐清理干净 ;用清水清洗钻井液池 、管线 ;在地面罐中注入清水 ,顶替井筒里的水基钻井液 ;清水返出后 ,将地面各罐的清水放掉并密封 。加5号白油到各罐 ,开始全井循 环 ;根 据 配 方2,在 加 料 漏 斗 中 依 次 加 入2.5%主乳化剂MUL1、1.5%辅乳化剂COAT1和1.5%润湿剂 。在另一罐中配制质量浓度28.0g/L的CaCl2水溶液 ,将配好的CaCl2水溶液缓慢加入到循环系统中 ,通过循环 、地面搅拌等对油水进行剪切 、搅拌 ,使其乳化 ;乳化好后 ,加入2.5%有机膨润土 、3.0%降滤失剂FLTR1、2.0%pH值调节剂CaO、0.5%提切剂TQJ,再加入2.0%树脂封堵剂SZF、3.0%乳化封堵剂RHF和2.0%纳米封堵剂NMF,充分循环 、搅拌 。检测钻井液性能 ,使破乳电压大于400V,调整密度至1.45kg/L进行三开钻进 。5.2 钻井液维护密度控制以二开完钻时的钻井液密度作为三开钻井液初始密度 ,水平段钻井过程中如发现掉块可逐步提高钻井液密度 。钻至井深3 040.00m短起下钻时发现井下有少量掉块 ,将密度提高至1.53~1.55kg/L,使钻井液活度始终小于地层泥页岩的活度 ,安全 、顺利钻至井深3 722.00m完钻 。滤失量控制钻进过程中不断补充降滤失剂及各种封堵剂 ,将钻井液API滤失量降至最低为0、高·63·第40卷第4期 何振奎.泌页HF1井油基钻井液技术温高压滤失量控制在3mL以下 。破乳电压控制钻进过程中 ,随着钻屑质量浓度 、加重剂加量的增加 ,钻井液破乳电压会下降 ,应根据小型试验补充乳化剂 。流变性控制用固控设备控制无用固相 ,降低钻井液塑性黏度 ;用5号白油和CaCl2水溶液调整油水比 ;补充润湿剂 ;CaO质量浓度控制在15~20kg/m3,从而将静切力控制在3~14Pa、动切力控制在5~12Pa。5.3 钻井液应用效果泌页HF1井三开所用油基钻井液的性能见表8。由表8及现场应用情况可知 ,三开油基钻井液性能稳定 ,流变性好 ,没有形成岩屑床 ;封堵防塌能力强 ,滤失量低 ,虽然在井深3 000m左右有少量掉块 ,但通过短起下钻将掉块携带出来后井壁一直较为稳定 ,三开水平段仅用时6.5d就钻至完钻井深 ,电测一次成功 ,下套管顺利到底 。表 8泌页 HF1井三开水平段油基钻井液性能Table 8 Oil-based drilingfluid properties in Miye HF1wel of the third spud horizontal section井深密度 /(kg·L-1)黏度 /sCaO质量浓度/(kg·m-3)塑性黏度 /(mPa·s)动切力 /Pa静切力 /PaAPI滤失量/mL高温高压滤失量 /mL破乳电压 /V2 611.00  1.45  51  15  45  7.5  2.0/7.0  1.6  3.0  8002 931.00  1.47  56  15  38  7.0  3.0/10.0  0  2.8  1 1833 093.00  1.49  56  13  34  14.5  4.5/12.5  0  2.4  1 2003 265.00  1.53  62  15  54  11.0  4.5/14.0  0  2.4  1 2003 575.00  1.54  62  15  55  12.5  5.0/15.0  0  2.8  9193 722.00  1.55  64  20  57  11.5  4.5/14.5  0  2.6  9686 结论及建议1)油基钻井液性能稳定 ,破乳电压达800V以上 ,具有 良 好 的 携 岩 能 力 ,且 润 滑 性 能 好 。泌 页HF1井三开长达1 044.00m的页岩水平段钻进过程没有发生井塌 、沉砂和粘附卡钻等问题 。2)油基钻井液对页岩的水化 、分散具有良好的抑制作用 ,但要解决井壁失稳问题 ,还需要根据地层孔隙压力 、坍塌压力设计合理的钻井液密度 ,钻井过程中要根据井下实际情况对钻井液密度不断进行调整 。加有封堵剂的油基钻井液 ,须配合合理的密度才能很好地解决长水平段页岩钻井中的井壁失稳问题 。3)油基钻井液成本较高 ,另外 ,即便使用毒性小的5号白油作为连续相 ,对环境仍有一定影响 。以后要在降低成本 、解决钻后污染等方面进行进一步的研究 。参考文献References[1]冯江鹏 ,郭和明 ,肖超 ,等 .尼日利亚边际油田钻井实践及思考[J].石油钻探技术,2010,38(5):86-89.Feng Jiangpeng,Guo Heming,Xiao Chao,et al.Nigera’s stubbcreek marginal oilfield driling practice and thinking[J].Petro-leum Driling Techniques,2010,38(5):86-89.[2]耿娇娇 ,鄢捷年 ,李怀科 ,等 .具有恒流变特性的深水合成基钻井液 [J].石油钻探技术 ,2010,38(2):91-94.Geng Jiaojiao,Yan Jienian,Li 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