第30卷第3期 钻井液与完井液 、,01.30 NO.3 2013年5月 DRILLING FLUID&COMPLETION FLUID Mav 2013 【理论研究与应用技术】 伊朗YD油田稠油沥青层钻井液技术 胡德云, 李尧, 杨国兴, 樊志刚, 徐开模, 王权阳 (中石化西南石油局钻井工程研究院,四川德阳) 胡德云等.伊朗YD油田稠油沥青层钻井液技术[J].钻井液与完井液,2013,30(3):7-12. 摘要伊朗YD油田白垩系Kazhdumi层位主要岩性为沥青质页岩、灰岩,多数井在该层位钻进时发生了严重 的稠油软沥青污染钻井液问题。该区块X19井在高压稠油沥青层的钻进中尝试使用了KC1聚磺水基钻井液技术, 采取了如下处理稠油软沥青侵的措施:逐步提高钻井液密度减缓沥青侵入,混入15%柴油十0.3%乳化剂,置换受 污染严重浆,并通过实施承压封堵、强钻、强下套管,最后成功固井,因处理稠油沥青侵共耗时33 d,排放受稠 油沥青污染严重钻井液2 158 m 。结合对该油田X13井(最后填井侧钻)及AP一2井(最后弃井)在Kazhdumi层 位钻遇稠油沥青层侵入钻井液复杂处理过程的分析,提出了预防稠油沥青层侵入水基钻井液的处理措施,并总结 了Kazhdumi层位水基钻井液技术处理要点,初步建立了适合YD油田高压稠油沥青层钻进的水基钻井液技术,为 该海外区块的进一步勘探开发积累了经验。 关键词稠油沥青层;水基钻井液;KC1;伊朗;Kazhdumi 中图分类号:TE254-3 文献标识码:A 文章编号:1001—5620(2013)03—0007.06 YD油田位于伊朗西南部,是世界上正在开发 沥青基本为塑性蠕动挤入井内,所以进入速度较为 的特大油田之一,目前属于初步开发期,主要有 缓慢,但是随着时间增加,侵入通道的进一步打开, Sarvak、Gadvan和L.Fahliyan三个含油构造,在 侵入速度会逐步加快。 穿过主产层Sarvak后便是位于井深3 550 m左右的 1.2技术难点 白垩系Kazhdumi层位,其主要岩性为沥青质页岩、 灰岩,多数井在该层位钻遇稠油软沥青污染问题。 ①侵入钻井液的稠油沥青无法通过固控设备和 介绍了该区块X19井高压稠油沥青层钻进的水基钻 其他有效方法从钻井液中分离,混入钻井液中的稠 井液技术,提出了预防稠油沥青层侵入的措施,为 油沥青经过地面再循环系统搅拌、钻头水眼剪切、 该区块的进一步勘探开发积累了经验{1-3]。 钻杆搅动等机械作用被均匀分散于钻井液中,随着 稠油沥青侵入量的增加,导致钻井液黏度急剧增加, 1 稠油沥青侵的危害及技术难点 流变性失控。②侵入钻井液的沥青循环至地面后, 由于温度降低,钻井液中部分稠油沥青析出堵塞振 1.1稠油沥青侵入机理分析 动筛、除砂除泥器筛布筛孔,造成固控设备使用效 稠油沥青侵入钻井液的机理类似于其他流体, 率低下,钻井液损失严重。③稠油沥青的侵入,容 都是由于井下压力失衡引起的。在Kazhdumi层位 易造成环空堵塞、起下钻困难、下套管困难、开泵 钻遇稠油软沥青层时,当钻井液的液柱压力小于地 困难且容易憋漏地层,给钻井作业带来难以想象的 层的孔隙压力或渗透压力时,高温高压状态下的稠 困难。④随着沥青侵入的加剧,钻井液密度下降趋 油沥青就在压差△P的作用下侵入到井内钻井液中, 势明显,严重威胁井下安全。为平衡地层压力,往 并随着钻井液的循环到达地面。当钻井液的液柱压 往需要立即加重钻井液,形成加重一密度下降一加 力大于地层的孔隙压力或渗透压力时,侵人井内的 重的恶性循环。⑤随着压井钻井液密度的提高,容 第一作者简介:胡德云,高级工程师,1966年生,现任中石化西南石油局钻井工程研究院副院长。地址:四川省德阳 市金沙江西路699号;邮政编码618000;电话(0838)2605039;E-mail:ynhdy727@sina.corn。 8 钻 井 液 与 完 井 液 2013年5月 易压漏裸眼段薄弱地层,造成下喷上漏井下复杂。 突升至22.8 MPa,发现1.2 m。溢流,关井求套管压力, 立管压力上涨至5.5 MPa后下降至2.4 MPa,至此 时井下发生漏失,随后对该井进行压井及堵漏封堵 地层处理。共计对该井进行压井堵漏处理13次,共 计漏失密度为1.55~1.65 g/cm。的钻井液3 522 m , 钻井液内混入柴油调整被沥青污染的钻井液流变性 1.3稠油沥青侵及处理简况 1)污染概况。沥青的结构以沥青质为核心, 沥青质吸附部分树脂和油分,构成胶团,呈液态、 半固态或固体状态。根据目前YD油田实钻情况显 示(见表1),钻进至Kazhdumi层位时,多数井钻 遇呈固体状态或半固体状态的硬沥青,对钻井液性 能影响较小或者无影响,但是H.2及X19井钻遇 能,共计消耗柴油187.5 m 。在压井及封堵地层不 能够有效封堵沥青层,而上部地层由于不能承受过 高的钻井液密度的情况下,决定更改该井设计,封 死Kazhdumi层位,并对该井进行侧钻。随后对该 井共计进行1 1次注水泥塞作业,但均不能顺利封 的呈液态稠油状软沥青层,导致呈流体状的沥青侵 入钻井液,严重影响井下安全,给现场钻进工作带 来极大困难。从YD油田构造分布分析,处于构造 相对高点的井,沥青侵的程度要相对高。如该区块 闭钻柱底部地层,第12次采用水泥浆结合水玻璃 X18和X19井,虽然同属构造顶的北部,但X19 对地层进行封堵,候凝14 h后套管压力、立管压力 井属于相对高点,实钻中X19井受沥青侵的程度要 远比处于相对低部的X18井严重。同样,AP.1井 的构造位置相对H一2井低,实钻中没有受到沥青侵 下降为0,钻柱内承压至14 MPa,能够顺利稳压, 至此顺利封死钻柱底部地层。该井共计漏失钻井液 4 600 m ,钻井液内共计混入195.5 m。柴油,处理 稠油沥青污染调整钻井液流变性能。 3)AP.2井稠油沥青侵。AP.2井是YD油田的 一的影响,而处于构造相对高位的H.2井却钻遇了较 为严重的沥青侵。 2)X13井稠油沥青侵。X13井是YD油田的一 口评价井,该井三开采用水基KC1聚合物钻井液, 口生产开发井,该井三开采用水基KC1聚合物体系, 设计密度为1.20~1.50 g/cm3,顺利钻穿Savark地层, 调整钻井液密度至1.50 g/cm。,钻进至井深3 474 m 进入Kazhdumi层位,井下正常。以2 m/h的钻速 钻进至井深3 487 m后,钻速突增至5 m/h,循环 发现稠油沥青侵,稠油沥青返出振动筛,钻井液结 构性显著增强,流动困难,同时泵压由17.9 MPa 设计密度为1.20 1.46 g/cm3,采用密度为1.37 Hl3 的钻井液顺利钻穿Savark地层后于井深3 618 m 进人Kazhdumi层位,钻进至井深3 625.99 m发 现溢流,溢流量为1.6 m ,气测值由2%上升至 91.95%,停止钻进,提钻头离井底一个单根,降低 排量循环一个循环周后,振动筛筛面返出连续性沥 青质稠油,钻井液结构性显著增强,稠油沥青侵入 第30卷第3期 胡德云等:伊朗YD油田稠油沥青层钻井液技术 9 钻井液严重影响流变性能,钻井液出口密度下降明 显。随后配制压井浆,并在压井浆内加入柴油与乳 化剂预防沥青污染,进行压井,同时准备封堵浆, 共计压井封堵12次,期间发生漏失,消耗钻井液 2 905 m。。由于上述作业不能够封死Kazhidumi层位, 阻止稠油沥青侵入井内,故对该井进行打水泥塞弃 井处理。 2 Kazhdumi层位钻井液应用现状 YD油田施工的以Fahliyan为目的层的井都是 直井,均采用四开制井身结构,在三开井段穿过主 力油层Savark后进入稠油沥青层Kazhdumi层位。 通过对该地区地层诸多技术难点分析,结合中国在 KC1钻井液方面的应用经验,于Yadavaran油田三 开井段采用KC1聚磺钻井液钻进,配方如下。 2%膨润土+0.2%Na2CO +0.3%NaOH+O.3%PAC (L)+4%SMP一2+4%SPNH+6%KCl+0.3%FA一367+ 1%JHC+1%RH.220 2.1 KCI聚磺钻井液抗稠油沥青污染实验 1)稠油沥青污染实验。采用上述配方配制 KC1聚磺钻井液并加重至1.40 g/cm ,分别加入不 同量的稠油软沥青(实验样品为振动筛返出的稠油 软沥青),经老化后加热至75℃测定其性能,结果 见表2。分析地层稠油沥青对钻井液性能的影响。 表2稠油沥青侵钻井液老化后(125℃、16h)的性能 由此可知,在KC1聚磺钻井液中加入不同含量 的地层稠油沥青后,钻井液的黏度和切力增加显著, 滤失量略有降低;随着稠油沥青加量的增加,钻井 液的密度变化不大;当稠油沥青含量达3%时,钻 井液的黏度和切力偏高,流变性极差。将上述被稠 油沥青污染的钻井液放置1 h冷却观察,发现钻井 液表面出现厚度不等的结构力较强的膜状沥青层。 2)磺化单宁处理实验。室内配制KC1聚磺钻 井液并加重至1.40 g/cm ,加入1%~3%的稠油沥 青后,分别加入不同量的磺化单宁碱液,125 热 滚16 h后,测试钻井液性能的变化,结果见表3。 分析表3数据可知,磺化单宁的加入无明显效果。 可以认为单纯的磺化类稀释剂对于由于稠油沥青引 起的井浆结构性增强没有稀释效果,不能作为处理 该事故复杂的处理方案。 表3磺化单宁处理稠油沥青侵实验 实验 PV/ YP / FL/ mL3)柴油及乳化剂对稠油沥青侵钻井液影响效 果分析。配制KC1聚磺钻井液并加重至1.40 g/cm , 在配制好的钻井液中加入3%稠油沥青,并加入不 同量柴油及水包油型乳化剂,在125 热滚16h后, 测试钻井液性能的变化,结果见表4。由此可知, 在该KC1聚磺钻井液中,乳化剂及柴油对稠油沥青 引起的黏度、切力显著升高有一定的效果,能够起 到调节流变性的作用,但是随着钻井液中稠油沥青 含量的增加,乳化剂及柴油对钻井液流变性的调整 效果逐渐变差,整个钻井液体系的塑性黏度及切力 呈显著增加趋势,流变性能变得难以维系。 表4柴油及乳化剂处理稠油沥青侵实验 注:实验条件为125℃、16 h。 2.2 KCI聚磺钻井液抗稠油沥青侵预防措施 根据室内抗稠油沥青污染实验效果及已完钻 井的稠油沥青层钻井液处理经验,三开井段在揭开 Kazhdumi稠油沥青层位前50 m,提前对钻井液进 l0 钻 井 液 与 完 井 液 2013年5月 行预处理,均匀提高钻井液密度至设计上限,严格 控制钻井液的低膨润土含量和低固相含量,调整钻 井段和3 464~3 490 m井段为稠油软沥青。 3.2 X19井沥青侵处理 井液流变性,在保证钻井液携砂能力的同时尽量降 低钻井液黏度,提高钻井液pH值在11以上,并 加入适量的水包油乳化剂对钻井液进行预处理,增 强抗沥青污染能力,在进入沥青层前现场控制钻 井液性能:密度为1.30~1.40 g/cm ,漏斗黏度为 40~60 S,塑性黏度为l5~30 mPa・S,动切力为 6~15 Pa,切力为(4~10)/(12~24)Pa/Pa,固相 含量为12% ̄25%,中压滤失量不大于5 mL,高 温高压滤失量不大于12 mL,pH值为10~11, 含量为30 g/L,含砂量不大于O.3%,膨润土含量为 10~20 g/L,摩阻系数不大于0.12。 从目前YD油田该KC1聚磺体系在Kazhdumi 层位的实钻应用情况分析,该强抑制性抗高温体系 及相关钻井液技术措施保证了钻井液优异性能,能 够满足Kazhdumi沥青层的正常钻进要求。但是在 构造高点的高压稠油沥青层钻进时,钻遇的稠油沥 青侵仍然给钻井液作业带来极大风险,需要进一步 探讨处理措施。 3 X19井稠油沥青侵处理 在YD油田钻遇的稠油沥青复杂井中,X19井 坚持“先压后堵”的压井策略,缓慢提高钻井液密 度,对Kazhidumi层位强钻,同时采用乳化、混油、 排放污染严重混浆、替浆等方式处理由于稠油沥青 侵入钻井液带来的强结构性,维持钻井液有良好的 流变性能,最终完钻至设计井深,并强行下人套管, 固井成功。 3.1 X19井基本情况 X19井是YD油田的一口生产开发井,该井三 开采用水基KC1聚合物体系,设计密度为1.20~1.46 g/cm ,顺利钻穿Savark地层,钻至井深3 370m(该 井Kazhdumi层位顶界为3 369 m)钻遇高压稠油沥 青侵,稠油沥青层的蠕变性导致软沥青缓慢侵人钻 井液中并慢慢形成侵入通道,稠油沥青侵入钻井液 中后,无有效方法清除,导致现场钻井液处理困难, 严重影响正常钻进。在整个处理过程中,由于替 换被污染钻井液及漏失等共计损失钻井液3 068 m (其中漏失909 m )。从测井资料来看,X19井在 3 352~3 361 m井段为硬质沥青,3 369~3 450 m X19井从Kazhdumi层位顶部井深3 370 m钻 遇稠油沥青侵,钻进至井深3 986 m三开井段完钻。 钻遇稠油沥青层后,钻井液液柱压力不能平衡高压 稠油层地层压力,随着钻井液中稠油沥青含量的增 加,KC1钻井液的黏度呈显著持续上涨趋势,立刻 提高钻井液密度,同时采取混入柴油、提高钻井液 封堵性能、置换钻井液、排放受污染严重的混浆等 措施,稠油沥青侵现象依然存在并逐渐形成了侵入 通道,导致稠油沥青侵入钻井液越来越明显,进一 步增加了现场处理难度,同时现场处理效果不明显, 处理时间的增加加剧了井下情况的复杂,现场主要 处理过程及处理效果见表5。 X19井自三开打开Kazhdumi稠油沥青层至该 井三开完钻,因处理该层位稠油沥青侵耗时33 d, 排放受稠油沥青污染严重钻井液2 1 58 rn ,漏失钻 井液909 m3,消耗重晶石3 130 t,造成较大的人 力及经济损失。最终该井在将钻井液密度提高至 1.75 g/cm 后,基本平衡地层压力,在井漏的情况 下强钻至完钻井深3 9861TI。 3.3 X19井三开下套管及固井作业 三开完钻后,为了能够顺利下入西177.8 mm 技术套管,先后5次以不同方式对不同裸眼段进行 了地层承压封堵,但效果都不理想(见表5),在未 能彻底解决沥青侵问题的情况下强行下入西177.8 mm套管至井深2 039 1TI,遇大段稠油沥青侵入,下 套管遇阻,经过反复加压下套管作业,最终将技术 套管下至预定井深,用小排量顶通后顺利建立循环, 固井成功。 3.4 X19井沥青侵处理总结 1)对该区块高压稠油沥青侵的严重性及其危 害认识不够充分。尽管邻井也遭遇过沥青侵,但造 成的危害程度远小于X1 9井。故该井在处理沥青侵 的初期没有在思想上和技术上予以充分的防范,重 视程度不够,导致X19井处理高压沥青侵的周期超 过了30 d(从揭开沥青层到下套管固井),造成了 巨大的经济损失。 2)通过提高钻井液密度,虽不能完全平衡高 压稠油沥青层的蠕变侵入,但可减缓稠油沥青侵入 3 3 3 3 第3O卷第3期 胡德云等:伊朗YD油田稠油沥青层钻井液技术 2 O 9 踞 9 11 s s7。 7。 2 筘/cm 3) 。 ,置换新浆6 井’提钻井液密度 4 稠 不能平衡 稠油沥青侵 不能平衡 稠油沥青侵 3 388 1.50 58 提密度至1.50 g/cm ,补充乳化剂,使其在井浆中的含量为0.3%,将振动 筛孔径从0.105 mm更换为0.28 1Tlrn,当天共计损耗钻井液85 rn 3 401 1.50 基本 提钻井液密度至1.55 g/cm ,提高乳化剂含量为0.4%左右。当天损耗钻井 不流 液154 nl 70 3 401 1.55 提密度至1.60 g/cm ,振动筛处糊筛严重,钻井液不过筛,钻井液损耗量大, 被迫打开旁通阀,损耗钻井液152 m 提密度至1.70 g/cm ,钻井液黏度过高不过筛,钻井液损耗量大,损耗钻井液156 1TI 不能平衡 稠油沥青侵 基本平衡,但仍 有大量稠油沥青 3 577 1.60 85 配制330 in 新浆,其中120 m 混入5%柴油,210 m 混入2%柴油,加 入乳化剂0.3%,入井返出大量沥青,钻井液污染严重,排放受污染钻井液 开始好转 120 m ,清洗循环罐及沉沙罐,消耗钻井液180 m 。 3 577 1.70 55 建立循环后,再次混入柴油1%、0.2%乳化剂,更换振动筛筛-fL-fL径为 0.154 mm 性能好转 逐渐恢复正常 …、 椅开浆苗J芟田1.70逐步I5牟芏1.68 g/cm ,振明师回明显伺 霄】逸出。互RlJ钻开、傲网功霄笛重 ~ . ……55/95采用大循环加重,将入口浆密度提高至1.70 g/cm 。钻进时钻井液消耗量为高,振动筛跑浆较 3 m /h,采用回收井浆稀释加重,加入柴油和乳化剂处理并补充钻井液量 多,无法正常工作 5 7/.w 120/-…1 n …低 ,1n芏 s黏度蓁和80一切,力经的过钻一井周液后进迅行速替换反弹, 效,并果且不佳反 弹力度大,然后采用相同密度 1.70 1~ … /连着续循蓁环施 7工时间,替的2增 人g/加井cm返内3,出划沥眼青,逐返渐出增钻多井,液返已出被的沥基青本污是染纯增沥稠青, 不能过筛,随 、 : ~ 1.70 60 ̄¨ 。 3 840 1.75  ̄79 钻进至井深3 839.65 m发生漏失(排量为70冲),漏速为35 1TI /h;随后配 制堵漏浆,钻进时根据情况注入堵漏浆,保证正常钻进至完钻井深3 986 m,稠油沥青侵减少 三开完钻 l2 钻 井 液 与 完 井 液 2013年5月 井内的速度。如从表6中该井自钻遇沥青层,现场 3)在提高钻井液密度与低压层段防漏发生矛 盾时,实施承压封堵,提高低压层段的承压能力, 保证能够维持较高的钻井液密度。 4)钻遇被突发性稠油沥青大量污染钻井液段 塞时,排放受污染严重的段塞,补充与井浆密度相 同的新浆来维持钻井液性能和平衡地层压力。 5)坚持快速钻穿沥青层,迅速下人技术套管 通过将钻井液密度提高至1.70 g/cm ,基本平衡了 地层压力,阻止了沥青的侵入,钻井液黏度从120 S 逐步调整至55 S,从振动筛、槽面观察沥青污染较小, 满足钻进需要。由于此时钻井液密度远高于地层压 力,出于防止卡钻角度考虑,现场决定稍微降低钻 井液密度。当将钻井液密度从1.70降至1.68 g/cm 时,振动筛面再次出现大量沥青返出,黏度立即由 55逐渐上升至120、150、210 S,沥青堵住振动筛 的办法,是有效降低稠油沥青侵、降低处理成本的 有效途径。 筛孔出现严重跑浆,再次提高密度至1.70 g/cm。后, 由于稠油沥青侵入通道的进一步打开,该密度下稠 油沥青依然不断侵入井内。 3)5%以上的柴油和0.3%左右乳化剂能够提 高钻井液预防稠油沥青侵的能力。通过室内实验及 X19井现场实践证明,通过加5%~15%的柴油、 0.2%~0.4%的乳化剂,并根据钻井液流变性补充 一定量烧碱水来维护钻井液性能,在短时间内维持 钻井液性能的稳定,满足钻井生产的需要。 4)在平衡沥青层压力与低压层井漏发生矛盾 时,应及时有效地提高地层承压能力,优先保障钻 井液密度能有效地压住高压稠油沥青层。在X19井 现场施工中,“先堵后压”效果是不理想的,对于 已经发生的严重沥青侵入,宜优先采取“先压后堵” 的方法,只有保证钻井液液柱压力大于地层压力, 才能有效地封堵地层。 4 稠油沥青侵预防处理措施 该地区分布的井,不同程度都会钻遇稠油沥 青侵,实钻情况表明处于构造高部位的井,稠油沥 青侵相对要严重得多。因此必须对每口井的地质构 造图进行仔细分析,对布置于构造高部位的井的稠 油沥青层位严加技术防范。根据稠油沥青侵特点及 X19井处理过程总结钻井液技术处理措施如下。 1)及时提高钻井液密度,减缓稠油沥青污染 钻井液的速度,为快速穿过沥青层争取宝贵时间。 进入沥青层前,储备不少于1倍井眼容积、密度不 低于1.70 g/cm 的重浆。一旦发生稠油沥青侵入, 视情况替人储备浆,为控制沥青侵争取时间。 2)出现稠油沥青污染时,及时在钻井液中混5% 以上的柴油,配合使用0.2%以上的水包油乳化剂, 增强钻井液抗污染能力,为顺利钻进提供保障。 6)穿过稠油沥青层后,对于可能严重影响下 步正常钻进的高压稠油沥青层进行封堵作业,在封 堵无效的情况下则采取直接往高压稠油沥青层位挤 水泥浆,循环加压候凝,彻底封死高压稠油沥青层, 再进行下步钻进作业。 5 结论 1.KC1聚磺钻井液体系能够代替油基钻井液, 满足YD油田Kazhdumi稠油沥青层位的钻进需求。 2.揭开稠油沥青层时需要对钻井液进行预处 理,保持钻井液低的固相含量、黏度及切力,同时 加入0.3%乳化剂和5%柴油对钻井液进行预处理, 提高钻井液的抗稠油沥青污染能力。 3.实钻中钻遇稠油沥青侵时,需要强化以下 钻井液处理思路,一是当打开稠油沥青层时,首先 最大限度逐步提高钻井液密度以平衡沥青层地层压 力;二是当稠油沥青侵入钻井液后,通过往钻井液 中加入柴油和乳化剂调节钻井液性能,保证正常钻 进,并强行快速穿过稠油沥青层;三是穿过稠油沥 青层后,快速下入技术套管,最大限度缩短复杂井 段作业时间,降低高压稠油沥青层作业风险;四是 提高钻井液密度防止稠油沥青层侵入时,一旦发生 漏失,也要坚持先压后堵的原则。 参考文献 [1]王全阳,李尧.抗高温KC1聚磺钻井液体系及技术在 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