安探4X井低固相超高温钻井液技术

2018-06-13宋洵成王鹏张宇王俊星罗仁文田惠贾建超王占强

钻井液与完井液 2018年2期

宋洵成，　王鹏，　张宇，　王俊星，　罗仁文，　田惠，　贾建超，　王占强

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580；2.渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，天津300457；3.渤海钻探第二钻井工程分公司，河北廊坊065000；4.华北油田开发部，河北任丘062552；5. 渤海钻探国际钻采物资供应分公司，天津300457）

中国石油华北油田分公司在杨税务潜山勘探开发过程中，面临的主要钻井难点是高温问题。安探4X井位于冀中廊固凹陷河西务构造带杨税务潜山构造安探2X北潜山圈闭，完钻井深为6 455 m。该井四开以下地层岩性主要为灰岩、泥岩，由于地温梯度高（2.91 ℃/100 m），预测井底最高温度在210～217 ℃之间，对钻井液处理剂的抗温性能提出了极高的要求[1-4]。同时寒武系徐毛馒组地层约有200 m厚的泥岩段，尽管井深大于6 000 m，地层比较压实，井温较高，井壁垮塌的风险不高，仍然需严格控制钻井液的滤失量和泥饼质量，对钻井液超高温下综合性能的调控提出了严峻挑战[5-6]。

1　室内研究

目前提升钻井液抗高温性能的途径，除了尽可能选用抗高温处理剂外，还可以加入适量的高温保护剂：一是加入具有还原基团的处理剂，例如含有大量有机酸根XmRn（COO）lq-阴离子的有机盐，该阴离子含有较多的还原性基团，可除掉钻井液中的溶解氧，使其它常规水中可降解的处理剂不发生降解反应；二是利用表面活性剂（例如司盘80）与聚合物的相互作用，增加聚合物分子的亲水基团，克服高温去水化作用和取代基脱落造成的分子亲水性的不足。考虑到安探4X井现场钻井液密度较低（1.15 g/cm3左右），根据四开钻井液设计要求，综合考虑在优选抗高温处理剂的基础上，通过加入表面活性剂提升钻井液的抗温效果。

安探4X井四开井段岩性主要以灰岩或泥岩为主，地层压力较低，钻井液密度设计为1.05～1.16 g/cm3，钻井液体系设计为低固相钻井液，因此钻井液在超高温条件下的流变性和滤失量控制是钻井液性能的主要考量指标。现场原有低固相钻井液抗温能力达180 ℃，为最大程度控制成本，室内通过优选抗温200 ℃和220 ℃的关键处理剂，对现场浆配方进行优化调整，形成阶梯性钻井液配方，以满足不同井段不同井温的施工要求。

室内通过大量实验，优选出4种关键处理剂：抗温200 ℃的磺酸盐类聚合物作为增黏降滤失剂，抗温220 ℃的AMPS复合单体合成聚合物作为抗高温降滤失剂，抗温200 ℃的复合树脂类聚合物降滤失剂，抗温220 ℃的合成类聚合物提切剂，同时为配合钻井液性能的优化，优选了高质量的磺化酚醛树脂SMP-3和具有高温保护效果的表面活性剂。构建配方的指导思想是：针对200 ℃的井温环境，钻井液配方以抗温200 ℃的处理剂为主，同时辅助抗温220 ℃和抗温180 ℃的处理剂；针对220 ℃的井温环境，则以抗温220 ℃的处理剂为主，以抗温200 ℃和抗温180 ℃的处理剂辅助，保证现场维护形成阶梯序列，从而提高体系的整体性价比。

1.1　抗200 ℃体系配方的评价

1）关键处理剂的优选评价。根据安探4x井四开的地层特点，以及井身结构特点，四开钻井液的关键是保证其在高温条件下的性能稳定，具有良好的携岩效果，避免钻井液在高温下出现大幅增稠或黏度下降的情况。因此，确定钻井液配方的关键是优选具有良好增黏提切效果的抗高温处理剂，同时保证体系滤失量在合理范围内。选用井深5 000 m处井浆对钻井液配方进行了优化评价，结果见表1。通过表1可以发现，现场浆加入优选的处理剂后，提升了钻井液的动切力到合理的范围内，同时提高了钻井液的动塑比，有利于提高钻井液的携岩效果，同时高温滚动后的流变数据表明钻井液的抗温能力得到了明显提升，能够满足井下的钻进需求。

2）体系优化配方的确定。根据邻井井底温度及井温梯度，预计安探4X井钻至井深5 800 m左右，井底温度达到180 ℃以上。通过室内配方优选评价，最终确定抗温200 ℃配方如下，其性能见表2。

井浆（膨润土含量为35 g/L）+0.3%抗高温增黏降滤失剂BH-HFL+2%SMP-3+2%磺化沥青+1%抗高温提切剂

通过表2可以发现，原有钻井液是针对180 ℃井温条件设计的，经过200 ℃高温老化后，由于处理剂高温降解等因素，一方面钻井液流变性大幅下降，另一方面钻井液滤失性能也明显变差，说明原有体系无法满足后续200 ℃井段的钻进需求。对原有钻井液的膨润土含量首先调整到35 g/L左右，然后通过加入抗高温处理剂对配方优化，优化后的钻井液经过高温老化后性能有了明显提升，钻井液流变性在高温老化后几乎不变，同时很好地控制了高温高压滤失量，能够满足后续钻进需求。

表2　抗温200 ℃低固相钻井液配方评价

1.2　抗220 ℃体系配方的评价

1）膨润土含量的影响。膨润土的使用是超高温条件下钻井液性能调整的关键因素。针对抗220℃钻井液配方需求，室内评价了膨润土含量对超高温下钻井液流变性的影响，结果见表3，配方如下。

膨润土浆+0.2%NaOH+0.5%磺酸盐类共聚物DSP-2+2%树脂聚合物SGD +1%抗高温增黏降滤失剂BH-HFL +1%抗高温提切剂+2%磺化沥青+2%乳化沥青+0.3%高温保护剂+石灰石

表3　不同膨润土含量的钻井液在高温老化前后的性能

在超高温条件下，与高密度钻井液相比，低密度钻井液具有更宽的膨润土使用范围。从表3可以发现，随着膨润土加量的增加，当膨润土含量小于4%，钻井液高温老化后的流变性具有较合理的性能，但当膨润土含量增加到4.5%时，钻井液出现了一定程度的高温增稠现象。因此，确定严格控制钻井液膨润土含量在3.5%左右，不超过4.0%。

2）体系配方的确定。安探4X井钻至6 000 m以后，预计井底温度达到200 ℃以上，钻至井深6 300 m以后预计井底温度达到210 ℃以上，在原有井浆的基础上对钻井液配方开展了进一步优化，引入抗高温树脂聚合物SGD，同时增加抗温220℃处理剂BH-HFL的用量，最终确定抗温220 ℃配方如下，其性能评价结果见表4。

井浆（膨润土含量为35 g/L）+1%抗高温增黏降滤失剂BH-HFL+2%树脂聚合物SGD+1%抗高温提切剂+2%磺化沥青+0.3%高温保护剂

表4　抗温220 ℃低固相钻井液性能评价

从表4可以发现，原井浆主要针对200 ℃井段设计，在220 ℃下热滚8 h后，钻井液黏度出现一定程度的下降，滤失量略有上升，总体性能仍然可以满足现场钻井需求，但是在220 ℃热滚16 h后，钻井液流变性出现大幅降低，同时滤失量进一步上升。这说明钻井液整体抗220 ℃性能较差，如果现场钻井液不进行优化，会表现为现场维护周期变短，钻井液性能很快会进一步恶化。

2　安探4X井现场应用

安探4X井四开钻井液维护处理工艺采用阶梯维护的方法，井深5 800 m后，逐步增加抗200 ℃钻井液材料的用量，同时抗180 ℃的处理剂选用同类型优质处理剂维护钻井液，井深6 000 m以后逐步增加抗220 ℃处理剂的使用，以胶液形式调整钻井液，同时控制膨润土含量在35 g/L左右，形成阶梯式的钻井液维护处理措施，最大限度地平衡钻井液体系稳定性并有效地控制成本。钻进过程中，钻井液性能稳定，携砂效果好，井壁稳定，起下钻无挂阻。该井四开钻井液性能如表5所示。

由表5可知，钻至井深6 000 m左右时，由于井底温度过高，原钻井液配方材料在高温作用下效果逐渐变差，钻井液切力由2.5/5.0 Pa/Pa降至1.5/4.0 Pa/Pa，动切力由13 Pa降至8 Pa，动塑比由0.24降至0.17 Pa/mPa·s，降幅分别达38.4%和29.1%，表明钻井液黏度、悬浮岩屑能力逐渐降低，难以满足下步钻井需要；随着抗温200 ℃材料的逐步加入，钻井液的切力恢复至3.5/8.5 Pa/Pa，动切力值由8恢复至13再升至16 Pa，动塑比由0.17恢复至0.23再升至0.36 Pa/mPa·s，表明经过抗温200 ℃配方调整后，钻井液具备了足够的抗温能力；井深6 300 m后，井底温度达到200 ℃以上，随着抗温220 ℃材料逐步加入后，切力仍能维持在2.5/7.5 Pa/Pa，动切力达到18 Pa，动塑比为0.48 Pa/mPa·s，表明体系仍保持着足够的抗温能力。钻进过程中，随着井底温度的升高及胶液的补充，可根据需要补充膨润土浆，维持膨润土含量在35 g/L左右，保证钻井液黏度在85 s以上。

表5　安探4X井四开钻井液性能

从图1第1行岩屑可看出，随着井底温度升高，在配方调整前，原钻井液携砂能力逐渐降低，返出的岩屑小、细、少，影响地质录井。随着抗温材料的逐步加入，调整后的钻井液携砂能力逐渐增强，从图1第3行可看出，返出的岩屑棱角分明，返出量正常，说明钻井液性能优良，在高温下的流变性好，动塑比和动切力较高，悬浮携砂效果明显。