新型納米膠乳封堵劑在陸豐區塊的應用

魯毅

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518000)

近年來,隨著油氣勘探向深部地層發展,鉆遇的地層也日趨復雜,其中古近系、前古近系、古潛山等成為勘探重點。這些地層中的低孔滲泥頁巖在鉆井過程中往往會出現井壁不穩定等問題,給油氣勘探工作帶來一定困難[1-2]。采用水基鉆井液鉆探泥頁巖地層時,由于頁巖具有低滲透率(nD級)、低孔吼尺寸(nm級)、易水化和吸水膨脹等特性,傳統的封堵/降濾失劑雖然能夠減緩濾液侵入,但很難形成有效的封堵層,無法防止鉆井液在頁巖中的孔隙壓力傳遞,從而導致井壁失穩,嚴重影響油氣勘探工作的進程[3-4]。因此,需要一種新型的封堵劑,能夠在頁巖孔隙和微裂縫中形成納米級封堵層,有效阻止鉆井液的侵入,并降低鉆井液在頁巖中的孔隙壓力傳遞速度,從而提高井壁穩定性。PF-NSEAL作為一種納米膠乳封堵劑,具有納米級粒徑分布、抗溫耐鹽性好、起泡低、安全環保等特點,能夠在頁巖孔隙和微裂縫中形成高效的封堵層,有效防止鉆井液的侵入,并降低鉆井液在頁巖中的孔隙壓力傳遞速度,從而提高井壁穩定性。因此,將PF-NSEAL應用于深部地層低孔滲泥頁巖的鉆探中,會是一種十分有潛力的解決方案,有望為油氣勘探工作帶來重大改善。本文旨在研究PF-NSEAL在陸豐區塊的應用,探究其在解決深部低孔滲泥頁巖井壁失穩等問題中的作用和優勢,以期為油氣勘探工作的進展提供有效支持。

1 納米膠乳封堵劑作用機理

納米膠乳封堵劑(PF-NSEAL)是以水、單體、乳化劑為原料,通過乳液聚合技術制得的一種核殼型聚合物膠乳納米材料,其微觀形貌如圖1所示。

由圖1可以看出,PF-NSEAL呈球形,由疏水內核和親水外殼組成,粒徑在100 nm左右。鑒于其核殼結構和球形形貌,與鏈狀高分子聚合物有明顯不同,不會因高溫/高鹽/高剪切環境下分子鏈的蜷縮或者斷裂而導致聚合物失效,從粒子層面確保了其優異的抗鹽抗溫和剪切分散性能[5]。同時,由于具備納米級尺寸,PF-NSEAL可有效封堵深部地層頁巖的納米級孔隙和微裂縫,降低鉆井液在頁巖中的滲透率和孔隙壓力傳遞速度[6-7]。此外,核殼結構賦予了PF-NSEAL可變形能力,在壓力作用下能在頁巖表面形成致密薄層,實現全方位封堵;通過與常規封堵材料協同作用,可實現多級封堵,從而穩定頁巖井壁[8]。

圖1 PF-NSEAL微觀形貌圖

2 納米膠乳封堵劑室內評價

2.1 頁巖孔隙壓力傳遞評價

室內對比評價了4%鹽水、基漿、基漿+3%PF-NSEAL的頁巖孔隙壓力傳遞情況,實驗結果如圖2所示?？梢钥闯?4%鹽水和基漿在污染頁巖時,其孔隙壓力隨時間變化逐漸增大,傳遞速率偏高;而在基漿基礎上添加3%PF-NSEAL后,孔隙壓力傳遞速率明顯下降,這說明PF-NSEAL起到了封堵頁巖納米孔隙的作用,明顯阻止了孔隙壓力傳遞,有效降低了頁巖孔隙壓力傳遞速率。

圖2 PF-NSEAL頁巖孔隙壓力傳遞實驗結果

2.2 微孔封堵評價

室內對比評價了基漿、基漿+2%進口納米膠粉(NanoShield)、基漿+2%PF-NSEAL的微孔封堵情況,實驗結果如表1所示。

表1 PF-NSEAL微孔封堵實驗結果

由表1可以看出,不管是填砂封堵實驗,還是PPT封堵實驗,相比基漿和基漿+進口的納米膠粉(NanoShield),基漿+PF-NSEAL侵入深度更小,濾失量更低,說明PF-NSEAL具有更好的微孔封堵效果。

選取基漿及基漿+2%PF-NSEAL的PPT封堵測試泥餅在掃描電鏡下觀察,微觀形貌如圖3所示。發現基漿的PPT封堵測試泥餅表面存在較多微孔隙,而加入了PF-NSEAL的泥餅中的微孔隙則被球狀核殼結構微粒所填充,這從微觀角度支撐了PF-NSEAL的低濾失結果,也是其微孔封堵機理的有力證明。

圖3 基漿(左)、基漿+2% PF-NSEAL(右)泥餅SEM 掃描電鏡

3 納米膠乳封堵劑現場應用

3.1 區塊簡介

PF-NSEAL首次于陸豐7-8區塊進行應用。其中陸豐7-8-1井設計鉆穿古近系地層,古近系地層恩平組泥巖易吸水膨脹出現剝落垮塌,頻繁誘發井下復雜事故,且勘探部要求鉆穿古近系前嚴格控制鉆井液密度在1.15～1.20 g/cm3。按照南海東部海域古近系地層穩定性研究,鉆井液密度需達到1.20 g/cm3以上才能滿足井壁穩定性的需求,所以需要在既定鉆井液設計體系基礎上引入配伍性強、經濟適用的新型材料以解決低密度條件下的井壁穩定問題。

PF-NSEAL主要應用于陸豐7-8-1井8-1/2″井段古近系地層:恩平組上部(3 085～3 440 m)以薄-巨厚層淺灰色、灰白色含礫中砂巖、中砂巖、細砂巖、泥質粉砂巖為主,夾薄-厚層褐灰色、灰色粉砂質泥巖、泥巖,局部見黑色薄煤層;下部(3 440～4 178 m)以薄-巨厚層深灰色、褐灰色、紅褐色粉砂質泥巖、泥巖為主,夾薄-厚層淺灰色細砂巖、泥質粉砂巖;前古近系(4 178～4 217 m)為厚層深灰色火山碎屑巖及綠灰色輝綠巖。

此外,陸豐7-8-1井地溫梯度約為3.4 ℃/100 m,水深109 m,海底平均溫度為16 ℃,預測本井完鉆垂深4 422 m處的地層溫度為161.8 ℃。陸豐7-8-1井屬于正常壓力范圍,壓力系數為1.00～1.06,無壓力異常。

3.2 使用及維護

陸豐7-8-1井8-1/2″井段基礎水基鉆井液與區域內其他井相似,均為聚合物KCl體系,開鉆鉆井液基礎配方為:海水+0.35%燒堿+0.2%純堿+7%PF-NRL/PF-FT-1/PF-LSF/PF-LPF-H +1.8%PF-SPNH-HT+1.8%PF-SMP+7%KCl+0.18%PF-PAC-HV+0.2%PF-PLH;維護膠液基礎配方為:海水+0.35%燒堿+0.2%純堿+6%～8%PF-NRL/PF-FT-1/PF-LSF/PF-LPF-H+1.8%PF-SPNH-HT+ 1.8%PF-SMP+4%～7%PF-PLH+0.18%PF-PAC-HV+7%KCl。

開鉆時,直接往鉆井液中添加PF-NSEAL直至加量達到1%,而維護膠液中則加入2%PF-NSEAL,同時鉆進過程中嘗試直接往循環系統加入1%～2% PF-NSEAL,以確保循環系統中PF-NSEAL有效濃度達到2%～3%。鉆井液性能維護主要從維持合適的黏切,控制漏斗黏度范圍為40～60 s,保證鉆井液的攜砂能力和剪切稀釋性,確保能很好地沖刷井壁,保持井壁干凈,防止小顆粒巖屑黏附井壁引起起鉆困難。同時控制好鉆井液的包被抑制性,防止泥巖水化,致使鉆井液固相含量增高導致鉆井液性能惡化。過厚的虛泥餅會影響正常鉆井施工,工程上每打完一柱需劃眼兩遍以修整井壁,同時在鉆進過程中應配制稀塞/稠塞/重漿輔助清潔井眼,完鉆后循環一個遲到時間,再往井下注入稀塞和重稠漿,徹底循環清潔井眼后再起鉆。具體鉆井液維護措施如下:

1)抑制及潤滑性能控制。鉆水泥塞,老漿排65 m3,新漿共潛入120 m3。建立循環后,開啟兩臺離心機,直接在循環池加入10%NaCl提高鉆井液礦化度,降低自由水活度,增加鉆井液抑制性;加入PF-MBA,加強封堵能力和保護儲層;加入PF-LUBE,增加鉆井液潤滑性;加入PF-UHIB,增加鉆井液對泥巖的抑制性。鉆進期間主要以補充膠液的方式來調整鉆井液性能和維持消耗,也采用往循環系統加入部分干劑為輔來調節鉆井液性能。由于井底溫度較高,井眼小、鉆速慢,過量PF-PLH可能引起泥漿增稠,因此補充的PF-PLH濃度在0.65%左右。本井段用PF-PAC HV調整鉆井液的黏切來保證高井溫條件下鉆井液體系流變性調節。

2)封堵性能控制。古近系恩平組地層泥巖質硬、脆,容易引起垮塌,而地質部門要求鉆井液密度必須控制在1.20 g/cm3以內。為了保證井壁穩定,鉆進期間維持循環系統中封堵材料的總濃度至10%以上,主要以PF-LSF、PF-LPF、PF-FT-1、PF-NRL復配為主,高溫降失水材料PF-SPHN HT和PF-SMP為輔,納米封堵劑PF-NSEAL是關鍵,加強對泥巖微裂縫的封堵能力。補充膠液中的封堵材料加量也保持10%。

3)密度控制。鉆進期間鉆井液密度迅速提至設計上限1.20 g/m3,井壁巖石剝落掉片較少;但掃稠漿及開增壓泵時依然有少量掉塊出現?？紤]到井壁穩定和井下安全,經過和地質部門溝通,鉆進至4 100 m,起鉆前通過加入7.5%PF-COK及重晶石,將循環池系統鉆井液密度提至1.23 g/cm3。PF-COK的加入改善了鉆井液的抗溫性能,能有效保證鉆進體系的高溫穩定性,下鉆到底后鉆井液流態良好,未出現增稠現象。下鉆到底后繼續提高鉆井液比重至1.25 g/cm3,直至完鉆。

4)黏度控制。鉆進期間,排量盡量開大,適當開啟增壓泵;黏度控制在50～53 s左右,保證鉆井液具有一定剪切稀釋能力,能很好地沖刷井壁,保持井壁干凈,防止小顆粒巖屑黏附井壁引起起鉆困難。適當用稠漿或重漿協助清掃,保證有效攜巖,防止掉塊或垮塌物引起井下復雜情況。

5)固相控制。合理調整振動篩各層分布,主要使用API 0.150 mm(100目)/0.125 mm(120目)篩布,及時更換破損篩布以防止細碎巖屑再次進入循環系統;根據鉆井液密度及固相含量,開啟離心機、除砂器、除泥器等設備,利用多級固控同時啟動,清除有害固相,確保鉆井液固相含量滿足鉆井液設計范圍。

3.3 應用效果

現場測試了開鉆水基鉆井液和往其中加入2%PF-NSEAL后的性能,結果如表2所示?？梢钥闯鯬F-NSEAL對鉆井液流變性能基本無影響,但具有明顯降濾失作用,API濾失量和HTHP濾失量均明顯降低。隨著井深的增加,如圖4所示,鉆井液濾失量逐漸下降,并維持穩定。這是由于PF-NSEAL在入井后,能在井壁形成納米封堵層,進而有效填充并封堵古近系地層封堵微裂縫,同時在井壁表面形成薄而致密的泥餅,延緩鉆井液濾液滲入地層,大幅降低地層的孔隙壓力增速,起到維持頁巖井壁穩定的作用。

表2 現場開鉆水基鉆井液性能測試結果

圖4 現場水基鉆井液濾失性能隨井深變化曲線圖

4 結論

通過在陸豐7-8-1井的試用,新型納米膠乳封堵劑PF-NSEAL表現出優秀的封堵降濾失、抗鹽、抗溫效果,且對鉆井液流變性影響較小,與聚合物KCl鉆井液體系配伍性較強。陸豐區塊古近系地層坍塌壓力高、應力釋放周期短,通過在聚合物KCl體系基礎上引入PF-NSEAL能夠顯著提高泥餅致密性,降低頁巖孔隙壓力傳遞速率,有效保證井壁穩定,為成功獲取地質資料奠定了扎實基礎。