新型纳米胶乳封堵剂在陆丰区块的应用

鲁毅

(中海石油(中国)有限公司 深圳分公司,广东 深圳 518000)

近年来,随着油气勘探向深部地层发展,钻遇的地层也日趋复杂,其中古近系、前古近系、古潜山等成为勘探重点。这些地层中的低孔渗泥页岩在钻井过程中往往会出现井壁不稳定等问题,给油气勘探工作带来一定困难[1-2]。采用水基钻井液钻探泥页岩地层时,由于页岩具有低渗透率(nD级)、低孔吼尺寸(nm级)、易水化和吸水膨胀等特性,传统的封堵/降滤失剂虽然能够减缓滤液侵入,但很难形成有效的封堵层,无法防止钻井液在页岩中的孔隙压力传递,从而导致井壁失稳,严重影响油气勘探工作的进程[3-4]。因此,需要一种新型的封堵剂,能够在页岩孔隙和微裂缝中形成纳米级封堵层,有效阻止钻井液的侵入,并降低钻井液在页岩中的孔隙压力传递速度,从而提高井壁稳定性。PF-NSEAL作为一种纳米胶乳封堵剂,具有纳米级粒径分布、抗温耐盐性好、起泡低、安全环保等特点,能够在页岩孔隙和微裂缝中形成高效的封堵层,有效防止钻井液的侵入,并降低钻井液在页岩中的孔隙压力传递速度,从而提高井壁稳定性。因此,将PF-NSEAL应用于深部地层低孔渗泥页岩的钻探中,会是一种十分有潜力的解决方案,有望为油气勘探工作带来重大改善。本文旨在研究PF-NSEAL在陆丰区块的应用,探究其在解决深部低孔渗泥页岩井壁失稳等问题中的作用和优势,以期为油气勘探工作的进展提供有效支持。

1 纳米胶乳封堵剂作用机理

纳米胶乳封堵剂(PF-NSEAL)是以水、单体、乳化剂为原料,通过乳液聚合技术制得的一种核壳型聚合物胶乳纳米材料,其微观形貌如图1所示。

由图1可以看出,PF-NSEAL呈球形,由疏水内核和亲水外壳组成,粒径在100 nm左右。鉴于其核壳结构和球形形貌,与链状高分子聚合物有明显不同,不会因高温/高盐/高剪切环境下分子链的蜷缩或者断裂而导致聚合物失效,从粒子层面确保了其优异的抗盐抗温和剪切分散性能[5]。同时,由于具备纳米级尺寸,PF-NSEAL可有效封堵深部地层页岩的纳米级孔隙和微裂缝,降低钻井液在页岩中的渗透率和孔隙压力传递速度[6-7]。此外,核壳结构赋予了PF-NSEAL可变形能力,在压力作用下能在页岩表面形成致密薄层,实现全方位封堵;通过与常规封堵材料协同作用,可实现多级封堵,从而稳定页岩井壁[8]。

图1 PF-NSEAL微观形貌图

2 纳米胶乳封堵剂室内评价

2.1 页岩孔隙压力传递评价

室内对比评价了4%盐水、基浆、基浆+3%PF-NSEAL的页岩孔隙压力传递情况,实验结果如图2所示。可以看出,4%盐水和基浆在污染页岩时,其孔隙压力随时间变化逐渐增大,传递速率偏高;而在基浆基础上添加3%PF-NSEAL后,孔隙压力传递速率明显下降,这说明PF-NSEAL起到了封堵页岩纳米孔隙的作用,明显阻止了孔隙压力传递,有效降低了页岩孔隙压力传递速率。

图2 PF-NSEAL页岩孔隙压力传递实验结果

2.2 微孔封堵评价

室内对比评价了基浆、基浆+2%进口纳米胶粉(NanoShield)、基浆+2%PF-NSEAL的微孔封堵情况,实验结果如表1所示。

表1 PF-NSEAL微孔封堵实验结果

由表1可以看出,不管是填砂封堵实验,还是PPT封堵实验,相比基浆和基浆+进口的纳米胶粉(NanoShield),基浆+PF-NSEAL侵入深度更小,滤失量更低,说明PF-NSEAL具有更好的微孔封堵效果。

选取基浆及基浆+2%PF-NSEAL的PPT封堵测试泥饼在扫描电镜下观察,微观形貌如图3所示。发现基浆的PPT封堵测试泥饼表面存在较多微孔隙,而加入了PF-NSEAL的泥饼中的微孔隙则被球状核壳结构微粒所填充,这从微观角度支撑了PF-NSEAL的低滤失结果,也是其微孔封堵机理的有力证明。

图3 基浆(左)、基浆+2% PF-NSEAL(右)泥饼SEM 扫描电镜

3 纳米胶乳封堵剂现场应用

3.1 区块简介

PF-NSEAL首次于陆丰7-8区块进行应用。其中陆丰7-8-1井设计钻穿古近系地层,古近系地层恩平组泥岩易吸水膨胀出现剥落垮塌,频繁诱发井下复杂事故,且勘探部要求钻穿古近系前严格控制钻井液密度在1.15～1.20 g/cm3。按照南海东部海域古近系地层稳定性研究,钻井液密度需达到1.20 g/cm3以上才能满足井壁稳定性的需求,所以需要在既定钻井液设计体系基础上引入配伍性强、经济适用的新型材料以解决低密度条件下的井壁稳定问题。

PF-NSEAL主要应用于陆丰7-8-1井8-1/2″井段古近系地层:恩平组上部(3 085～3 440 m)以薄-巨厚层浅灰色、灰白色含砾中砂岩、中砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩为主,夹薄-厚层褐灰色、灰色粉砂质泥岩、泥岩,局部见黑色薄煤层;下部(3 440～4 178 m)以薄-巨厚层深灰色、褐灰色、红褐色粉砂质泥岩、泥岩为主,夹薄-厚层浅灰色细砂岩、泥质粉砂岩;前古近系(4 178～4 217 m)为厚层深灰色火山碎屑岩及绿灰色辉绿岩。

此外,陆丰7-8-1井地温梯度约为3.4 ℃/100 m,水深109 m,海底平均温度为16 ℃,预测本井完钻垂深4 422 m处的地层温度为161.8 ℃。陆丰7-8-1井属于正常压力范围,压力系数为1.00～1.06,无压力异常。

3.2 使用及维护

陆丰7-8-1井8-1/2″井段基础水基钻井液与区域内其他井相似,均为聚合物KCl体系,开钻钻井液基础配方为:海水+0.35%烧碱+0.2%纯碱+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;维护胶液基础配方为:海水+0.35%烧碱+0.2%纯碱+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。

开钻时,直接往钻井液中添加PF-NSEAL直至加量达到1%,而维护胶液中则加入2%PF-NSEAL,同时钻进过程中尝试直接往循环系统加入1%～2% PF-NSEAL,以确保循环系统中PF-NSEAL有效浓度达到2%～3%。钻井液性能维护主要从维持合适的黏切,控制漏斗黏度范围为40～60 s,保证钻井液的携砂能力和剪切稀释性,确保能很好地冲刷井壁,保持井壁干净,防止小颗粒岩屑黏附井壁引起起钻困难。同时控制好钻井液的包被抑制性,防止泥岩水化,致使钻井液固相含量增高导致钻井液性能恶化。过厚的虚泥饼会影响正常钻井施工,工程上每打完一柱需划眼两遍以修整井壁,同时在钻进过程中应配制稀塞/稠塞/重浆辅助清洁井眼,完钻后循环一个迟到时间,再往井下注入稀塞和重稠浆,彻底循环清洁井眼后再起钻。具体钻井液维护措施如下:

1)抑制及润滑性能控制。钻水泥塞,老浆排65 m3,新浆共潜入120 m3。建立循环后,开启两台离心机,直接在循环池加入10%NaCl提高钻井液矿化度,降低自由水活度,增加钻井液抑制性;加入PF-MBA,加强封堵能力和保护储层;加入PF-LUBE,增加钻井液润滑性;加入PF-UHIB,增加钻井液对泥岩的抑制性。钻进期间主要以补充胶液的方式来调整钻井液性能和维持消耗,也采用往循环系统加入部分干剂为辅来调节钻井液性能。由于井底温度较高,井眼小、钻速慢,过量PF-PLH可能引起泥浆增稠,因此补充的PF-PLH浓度在0.65%左右。本井段用PF-PAC HV调整钻井液的黏切来保证高井温条件下钻井液体系流变性调节。

2)封堵性能控制。古近系恩平组地层泥岩质硬、脆,容易引起垮塌,而地质部门要求钻井液密度必须控制在1.20 g/cm3以内。为了保证井壁稳定,钻进期间维持循环系统中封堵材料的总浓度至10%以上,主要以PF-LSF、PF-LPF、PF-FT-1、PF-NRL复配为主,高温降失水材料PF-SPHN HT和PF-SMP为辅,纳米封堵剂PF-NSEAL是关键,加强对泥岩微裂缝的封堵能力。补充胶液中的封堵材料加量也保持10%。

3)密度控制。钻进期间钻井液密度迅速提至设计上限1.20 g/m3,井壁岩石剥落掉片较少;但扫稠浆及开增压泵时依然有少量掉块出现。考虑到井壁稳定和井下安全,经过和地质部门沟通,钻进至4 100 m,起钻前通过加入7.5%PF-COK及重晶石,将循环池系统钻井液密度提至1.23 g/cm3。PF-COK的加入改善了钻井液的抗温性能,能有效保证钻进体系的高温稳定性,下钻到底后钻井液流态良好,未出现增稠现象。下钻到底后继续提高钻井液比重至1.25 g/cm3,直至完钻。

4)黏度控制。钻进期间,排量尽量开大,适当开启增压泵;黏度控制在50～53 s左右,保证钻井液具有一定剪切稀释能力,能很好地冲刷井壁,保持井壁干净,防止小颗粒岩屑黏附井壁引起起钻困难。适当用稠浆或重浆协助清扫,保证有效携岩,防止掉块或垮塌物引起井下复杂情况。

5)固相控制。合理调整振动筛各层分布,主要使用API 0.150 mm(100目)/0.125 mm(120目)筛布,及时更换破损筛布以防止细碎岩屑再次进入循环系统;根据钻井液密度及固相含量,开启离心机、除砂器、除泥器等设备,利用多级固控同时启动,清除有害固相,确保钻井液固相含量满足钻井液设计范围。

3.3 应用效果

现场测试了开钻水基钻井液和往其中加入2%PF-NSEAL后的性能,结果如表2所示。可以看出PF-NSEAL对钻井液流变性能基本无影响,但具有明显降滤失作用,API滤失量和HTHP滤失量均明显降低。随着井深的增加,如图4所示,钻井液滤失量逐渐下降,并维持稳定。这是由于PF-NSEAL在入井后,能在井壁形成纳米封堵层,进而有效填充并封堵古近系地层封堵微裂缝,同时在井壁表面形成薄而致密的泥饼,延缓钻井液滤液渗入地层,大幅降低地层的孔隙压力增速,起到维持页岩井壁稳定的作用。

表2 现场开钻水基钻井液性能测试结果

图4 现场水基钻井液滤失性能随井深变化曲线图

4 结论

通过在陆丰7-8-1井的试用,新型纳米胶乳封堵剂PF-NSEAL表现出优秀的封堵降滤失、抗盐、抗温效果,且对钻井液流变性影响较小,与聚合物KCl钻井液体系配伍性较强。陆丰区块古近系地层坍塌压力高、应力释放周期短,通过在聚合物KCl体系基础上引入PF-NSEAL能够显著提高泥饼致密性,降低页岩孔隙压力传递速率,有效保证井壁稳定,为成功获取地质资料奠定了扎实基础。