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1、94国瀚蠢窿学磊 专影KC l硅酸盐钻井液 体系在苏丹6区的成功应用张金波范维旺 宁军明赵右春戴毽祥(中濑长城钻并宥限责任公嗣j艺京朝粥区安立路lOl号l101)摘要：针对苏丹六区AbuGabra层在钻并过程中出现豹严重并壁失稳问题，簌对坍塌层位 岩样进行综合分析的基础上，通过室内实验，决定在AbuGabra地层采用KCl硅酸盐钻井液 体系。通避在六区现场的健溺，此体系对抑制舞塌取得了骢显翡效果，完全可以满足易塌地层 钻井施工聂求，收到了良好的应用效果。关键词：硅酸盐钻井液页岩抑制性井壁稳定前言 紫红色泥岩穰孛糕粒砂岩。硅酸盐在钻井液中的应用研究始于20世纪30年Amal组(251538m)，
2、岩性以厚层砂岩为主，代。在投入现场应用初期，由于粘切控制阚难，维护 夹少量薄层绿色、紫红色泥器，泥质胶结，成岩性蔗。 处理难度太等因素丽被其它钻井液体系所代替。近年 B鑫r鑫妇一G磁滋一za曩嗽组53S65艇1)，崭性 来，随着新型钻井液处理剂和工艺的出现，对硅酸盐 表现为砂岩与泥岩不等厚互层，由灰色、深灰色泥岩钻井液进行了多次尝试，成功地确定出一种KCl硅 与粉、细砂岩组成。岩石可钻性逐渐变差。 酸盏钻井液体系，并成功应用予苏丹六区，取得了霰血喇fel_殛维(65010l融1)，部怒棕红色滋卷夹 好的防塌效果。薄层砂岩，中部是深灰色、灰绿色、灰色泥岩或连续的棕红泥器夹薄层砂岩，下部以紫红色泥
3、岩为主夹薄层2苏丹六区的地层特点砂岩，底部多觅层5一10米砂岩。岩石可钻性较差。 苏丹六区地质分层及岩性如下； Bentiu组(10151277m)，以砂岩为主间夹深 zerafAdock组(O6m)，岩性以深灰色泥岩 灰色、棕红色泥岩，本组成岩性差，泥岩水敏易垮塌。 与砂、砾岩为主，下部以砂岩为主阎夹薄瀑灰色、深A确Gabra缀1277265锄1)，为砂泥岩置层 灰色泥岩。岩性呈泥质胶结，成岩性较差。 组段，本组泥页岩成分较多，物性好，易水敏垮塌。王lendiSenma组625l黻)，以灰色，绿灰龟 从该区块地震资料及前期钻井实践来看，本送块 及绿色泥岩为主，岩性较软，水敏性强。下部夹薄屡
4、钻井过程中面临的主要闯题有两个；其一是在俸考簿介：张金渡，19筒年生，勇，博。2005年博擎堑予中蘸否洼大学(1艺京石漉天然气工篌学院洼气势蔓 程专业。目前在中豳石油长城钻井有限责任公司从事钻井液技术服务工作。争影 张金波，等：K cl硅酸盐钻井液体系在苏丹6区的成功应用 95Bentiu以上地层钻井过程中，由于从上到下存在大 段泥岩，泥岩中蒙脱石、高岭石含量高，易水化膨胀， 常导致井壁膨胀缩径，造成起钻超拉、下钻划眼。其 二是Abu Gabra中存在大量的容易坍塌的泥页岩， 钻进过程中极易发生井壁坍塌，从而导致井眼扩大， 一定程度上影响了钻井施工的效率与质量。根据对坍塌物进行X一射线衍射及扫
5、描电镜分 析得知，该区块的Abu Gabm泥页岩地层为典型的戮耋嚣嵩篆甏鬻兰虢筹篙落蒙混层为主，间层比为4050I同时，在地层中 图22G层位的掉块“一 ” 44”“存在相当数量的微裂缝。所以该层位的坍塌性质首 先表现为典型的水化膨胀型，再加上钻井液滤液浸 入微裂缝对岩层进行网格分割，降低岩性整体强度，最终导致井壁失稳。3苏丹6区钻井液技术难题和对策从已钻的地质资料和钻井液资料可以看出，在 FULA地区的钻井过程中，钻井液所要解决的关键 问题有以下几个方面：a)表层存在较长井段的不成岩砂岩，易漏，易图3 FN一68井AG地层扫描电镜图(放大500倍) 造成井径扩大，影响井身质量。b)钻井过程中
6、，地层从上到下存在大段泥岩， 泥岩中蒙脱石、高岭石、伊利石含量高，易水化膨胀， 导致井壁膨胀缩径，起下钻挂卡、阻划。c)下部AG存在类似页岩地层，容易发生剥落、 坍塌，严重时可能造成井壁坍塌卡钻。图l和图2为 FN一2l井AG地层的掉块。我们利用稍描电镜对AG地层的岩样进行了深入分析，见图3和图4。我们发现，岩样整体较致密，其中有5一lO微米的微裂缝。粘土类型均以伊蒙混层为图4 FN一68井AG地层扫描电镜图(放大8000倍) 主，而且间层比均不低于40，粘土矿物总量均超过60具有明显的层理结构。由此可以看出，该层 4，KcI硅酸盐钻井液体系位岩性为极易水化、易膨胀类型的泥岩。经过多年的现场经
7、验，总结出KCl硅酸盐钻井 液体系的典型配方为：2膨润土+7KCl+10硅酸盐+02NaOH+02XC+O02KPAM+1OXY一27+3OPACSL。41组成简单 KCl硅酸盐钻井液以无机硅酸钠(Na，SiO，)为主要处理剂，与一定量的KCl进行复配，来提供体 系的抑制性，用常规的生物聚合物(XC)来调整体 系的流变性，体系的降滤失性主要靠大小分子聚合图1FN一21井AG层位的掉块物(PAC、XY一27等)合理组合来完成。巾国油田化学品 专彤42硅酸盐的模数适中 尺寸分布宽，通过吸附、扩散等途径可堵塞井壁裂 硅酸钠的模数(又称硅钠比)，是指硅酸钠分子 缝、孔洞，可抑制泥页岩膨胀性和分散性。中
8、SiO，与Na，0的摩尔比。该比值决定了硅酸盐的物(2)硅酸盐在进入地层时，pH值小于9，与地 理性质和化学性剧。例如，它会影响固体硅酸盐的层水作用，立即变成硅酸盐凝胶堵塞裂缝孔隙。溶解陛、硅酸盐的活性、硅酸盐液体的粘度及硅酸盐 (3)进入地层的硅酸根离子(SiO，z一)与岩石表面 对膨润土的抑制能力等。实验表明，随硅酸盐模数的 或地层水中的Ca2+、M92+发生反应生成CaSiO，沉 升高，它对泥岩页水化的抑制能力提高，但同时又降 淀，覆盖在岩石表面起封堵作用。 低钻井液的表观粘度及动切力。另外，高模数的硅酸(4)当井温低于80时，硅酸盐可通过氢键力、 盐较难溶解。因此，钻井液中所用硅酸盐模
9、数的选择 静电力和范德华力的叠加与地层粘土矿物牢固结合；实际上是最佳抑制性和最好溶解性及适度钻井液流 而井温高于80(特别在高于105)时，其分子中变性的一种折中。般情况下，选择模数为2628 的硅醇基与粘土矿物的铝醇基发生缩合反应，产生 之间的硅酸钠较为适应。 胶结性物质，将粘土等矿物颗粒结合成牢固的整体，43较高的pH值封固井壁。硅酸钠是一种强碱弱酸盐，在水溶液中显强碱(5)硅酸盐稳定含盐膏地层的机理，主要是 性。由此决定了硅酸盐钻井液的pH值及该值对钻井SiO，2一与地层岩石表面的Ca”、M92+发生作用，生 液性能的影响与常规钻井液有所不同。硅酸盐钻井成沉淀，从而在地层表面形成坚韧、致
10、密的封固壳以 液的pH值一般保持在115至125之间为宜。当钻加固井壁。 井液体系的pH值低于11时，钻井液中的硅酸盐会以原硅酸或低聚硅酸的形式渐渐从钻井液中析出，5KcL硅酸盐钻井液体系的应用 发生缩合作用，进而形成网状结构，使钻井液粘度增 自从2003年5月到2006年底，KCl硅酸钠钻 大，流变性变差，抑制性也相应降低。若钻井液pH井液在苏丹六区已应用了39口井，尤其是2005年和 值超过125，则多数聚合物处理剂的作用效果会大2006年KCl硅酸盐得到了广泛的应用。通过这几幅降低，不利于整体性能的稳定。年该体系的应用情况表明，该体系容易维护，井壁稳44强的抑制性能定性强，基本上能够满足
11、安全、快速、经济钻井的要 从钻井液体系的角度也对硅酸盐钻井液的抑制性 求，具体表现在以下几个方面：进行了对比评价，结果见图5。(1)起下钻遇阻(划眼)情况得到改善由于苏丹六区特殊的地层特性，在Aradeiba及 Abu Gabra层起下钻遇阻情况频繁发生，给安全快 速钻井带来不利影响。Moga一4井使用KCl一聚合 物钻井液体系，钻至Abu Gabra层时，每150m左 右短起下一次，每次短起时多处超拉，最为严重的 是15001580m，最大超拉20吨，下钻时也多次在这 段划眼，划眼时间占钻井总时间的比例高达2265。 而同一区块的Moga一8井，使用硅酸钠钻井液体系，图5不同钻井液体系的页岩
12、回收率的比较在钻Abu Gabra层过程中，没有采取每150m左右 进行短起的工程措施，虽然起钻时也有1520吨由图5可以看出，硅酸盐钻井液体系的页岩回收 的超拉现象，但只要是拉过的井段，下次起下钻时 率较聚合醇、清水聚合物钻井液体系高出许多，与油 就没有遇阻现象了。Moga一8井的划眼时间占钻 基钻井液的页岩回收率十分相近。 井总时间的比例只有202，使得钻井实效大大45 KCl硅酸盐钻井液体系稳定井壁作用机理提高。目前对硅酸盐钻井液稳定井壁的机理已取得以下(2)井壁稳定性得以提高认识【：一3l井径扩大率常被用来判断井壁是否稳定的指标(1)硅酸盐在水中可形成不同大小的颗粒，颗粒之一。在六区用
13、KCl聚合物钻井液钻成的井井径扩号刊张金波，等：K cl硅酸盐钻井液体系在苏丹6区的成功应用97大率大多都在l O以上，且多处有大胜子，如在 Moga区块，Moga一25井的井径扩大率高达l 362，大肚子有45处。丽使用硅酸钠钻井液钻成 静Moga一8并及Moga17并的并径扩大率爨|1分裂 只有227和35，井径曲线十分规则。同样，在图”FN66井的井径曲线 Fula North区块，用KCl聚合物钻井液钻成的井FN黜毒和FN一2l平均著径扩大率分舅l为161和18，最大井径扩大率为776和796。在使用KCl硅酸盐钻井液羼，在该区块所钻的井FN一29井径十分栽剃，井径瞌线觅图9，并径扩大
14、率仅有235。图12 Moga一30井的井径曲线 同样，使用硅酸链钻井液所钻的定囱井FN一66帮M09830的井径也十分规贝lj，并径(3)钻井液密度得到有效控裁扩大率低于3。上述几口井的井径曲线如图 一般情况下，在Moga地区主要使用KCl一聚612所示。 合物钻井液，并依靠提高密度、娴入适量FTl来解决并璧失稳问题。钻并液密度一般要离达125 I339cm3才能保证井下安全。而Moga8井接近 完钴对的钻井液密度仍然维持在l。209c群，起下钻和钻进施工均比较顺利。更值得提的怒 图6 Moga一25井的并径曲线NAHA一2井，该井于1 850m(地层为Aradeiba)开 始使用硅酸镳钻井
15、液体系，使耀该体系艨，井壁稳 定性大大提高。到函前为止，钻并液密度仅为1169cm3，井下正常。本井曾在2813m处取心，熬 个取心钻进及起下钻过程均霰顺利。藤据资料强 示，在离NAHA一2井仅5公里的NAHAl井(使圈7 FN一21井的井经曲线 用KCl聚合物钻井液)，正是在Aradeiba层l 587毽“2252璎)这一井段发不疑程度的井塌。2003年1月4日钻至井深为2262 m时进行短程趣 下，起钻时在多处越拉，于2230m一2084m超拉50 魄，2084 m1996氇超越40吨，l 82l氆一1760 m趣拉39吨，1704m1645 m超拉35吨。短起675米用时高达5个小时。1
16、8：00开始下钻， 当下至2093臻时又遇阻，之惑划眼至原并深。短下八。“。一过程用时高达13小时，井壁失稳程度严麓。为了达到稳定井眼的且的，最后将钻井液密度提高到1329em3，器便如此，起下铺还常有趣控秘划眼瑰 象。通过这两口井井下情况的对比，充分说明了硅豳9 FN一29井的并径曲线酸钠钻井液的优越性。综合分析，20西年的平：晦最高钴并液密度为l。37 gcm3，2006年的平均最高钻井液密度仅为125 g锄3。充分表明KCl硅酸盐体系在苏丹6区已经逐渐应用成熬，钻井液密度得到了有效控制，并取得7圈10 Moga一17井的井径曲线许多宝贵技术经验。98由国油田化学品 专影(4)钻井液成本得
17、以有效控制 套管的顺利进行l石油行业是技术和资金密集型行业，成本控制至4、满足了对油气层保护的需要：在目的层钻进 关重要，一项新技术能否有效地投入使用，成本是一过程中，钻井液密度维持在1219cm3以下，相对 个关键因素。六区硅酸钠现场试验的结果表明，该体于密度稍高的KCl聚合物钻井液来说，更有利于保 系的成本基本上与KCl聚合物钻井液持平，但由于护油气层。 它抑制能力强，井眼稳定，能提高钻井速度，继而使钻井综合成本下降。 6结论FN一29井的钻井液成本与同区块邻井的比较 1、KCl硅酸盐钻井液是一种新型的低固相环 如表1所示。从表l可见，无论是钻井液总成本，还保型钻井液体系。它具有抑制性强、
18、化学封堵固壁性 是平均每米的折合成本，FN一29井钻井液均是最好、性能稳定、现场配制简便，容易维护等特点。 低的。2、该钻井液体系可以满足苏丹六区Abu Gabra表1FN一29井钻井液成本与邻井的对比表地层钻井的需要，使井壁稳定性大大提高，同时还在井号FN29 FN2l n20 一定程度上降低了钻井液密度，降低了钻井液成本，钻井=茛类型硅酸钠体系 lI体系 Kcl体系 有利于保护油气层。井深(m)姗327822227Ol 3、该体系的抑制性在很大程度上取决于硅酸钠总费用(美元)22304633941468 2387389 的浓度。因此，在正常钻进过程中加强对硅酸钠含量平均成本(美元，m)92
19、 94 1202310720的监控十分重要。钻井被总量(一)1926 13868钻井液漏失量(m3)99，132 Ij5折算后平均成本 参考文献1158l30249 275舛(美元椭3)【l】丁锐，硅酸盐钻井液防塌性能的室内研究，(5)Abu Gabra地层钻井速度得以提高油田化学，1998，15(1)：卜5苏丹六区不同区块的井身结构各异，为了能使 2】罗健生，徐绍成，王雪山等，硅酸盐钻井液 对比更具说服力，特别选择与试验井相近且井身结 对泥页岩地层井眼稳定性影响研究，钻井液与完井 构相似的几口井来进行。对Moga一8井来说，具有 液，2006，2，1720 可比性的是Moga一4井及Moga
20、一20井，这三口井的 3】魏新勇，肖超，硅酸盐钻井液综合机理研究， Abu Gabra地层厚度分别为：748m、817m和1436m， 石油钻探技术，2002，30(2)：5l一53 每天进尺分别为498m、314m和398m。可以看出，使用硅酸钠钻井液钻Moga区块Abu Gabra地 层时的钻进速度明显高于常规的KCl聚合物钻井液 体系。对于FN一29井来说，具有可比性的是FN一20 井及FN一21井，这三口井的Abu Gabra层厚度分 别为：667m、408m和1 367m，每天进尺分别为：37m、226m和297m。Fula Norch区块也有同样的结果。 综上所述，该体系在苏丹的初步应用已取得较理想的结果，基本实现了以下目的：1、满足了钻井施工需要：在使用该体系钻进过 程中，井下无页岩掉块，井下基本通畅，每次下钻直 接到井底，从电测曲线显示，井眼十分规则；2、满足了地质录井需要：该体系属于环保型钻 井液体系，所用处理剂均对环境无污染，不使用带荧 光的材料-钻屑代表性好，且容易清洗，3、由于井眼规则、畅通，确保了完井电测、下