川西中浅层长水平段井油基钻井液技术研究.pdf

第 52 卷第 8 期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.8 2023 年 8 月 Liaoning Chemical Industry August，2023 基金项目基金项目：中石化西南石油工程有限公司项目“川西沙溪庙组长水平段水平井优快钻井先导试验”，项目号：XN-2022-012。收稿日期收稿日期：2022-12-29 作者简介作者简介：张雪（1987-），女，工程师，硕士学位，四川自贡人，2014 年毕业于西南石油大学，研究方向：钻井液研发及管理。Add：四川省德阳市旌阳区金沙江西路 699 号，邮编：618099；Tel：[phone]；E-mail：lmxzx_。通信作者通信作者：张雪（1987-），女，工程师，硕士学位，研究方向：钻井液研发及管理。川西中浅层长水平段井 油基钻井液技术研究 张 雪（中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院，四川 德阳 618000）摘 要：随着川西沙溪庙组气藏的开采，储层物性逐年变差，为取得水平井产量的突破，该层位开发井设计水平段长达 1 8003 000 m，且多采用三维轨迹。长水平段+三维轨迹井眼导致摩阻大，井眼清洁难度高，极易出现井壁失稳及阻卡复杂问题。为保证施工安全，针对以上难题，研发了配套的强封堵油基钻井液体系，该体系通过引入多级配油基微纳米封堵材料，利用油基钻井液体系所具有的强抑制性和优异的润滑性，同时合理钻井液密度，并保证其良好的流变性。室内评价表明，该体系具有良好的润滑性、抗污染能力及封堵防塌能力。通过现场先导试验应用，该体系性能良好稳定，为后续川西中浅层长水平段井的安全高效施工提供了有力支撑。关 键 词：川西中浅层；长水平段；油基钻井液；封堵性 中图分类号：TE254.6 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）08-1220-06 川西中浅层致密砂岩气藏资源丰富，探明储量达 4 018.08 亿方，是中石化“十三五”增储上产的主要阵地。随着不断的开采，储层物性逐年变差，2016 年至今，经历了多种增产工艺，取得了一定的效果，但总体规模较小。为取得水平井产量的突破，该区块水平井段长不断增加，目前设计水平段已长达 1 8003 000 m，同时多采用小三维或三维轨迹，给钻井工程施工带来极大的挑战。该区块前期已施工井水平段长均小于 1 500 m且以常规套管完井、一体化建井两种完井方案为主，但仍然存在二开241.3 mm 井段造斜效率低、井眼清洁性差，多数井钻井周期超设计等问题。2021年2022 年川西中江区块沙溪庙组水平井共施工 6井次，钻井周期超期率达 67%，且复杂故障率达50%，以断钻具和粘附卡钻故障为主。长水平段施工中的高摩阻和钻具尺寸小导致的排量受限1，同时沙溪庙组地层泥岩水化分散和裂缝发育，对钻井液的润滑性和封堵性能提出了极高的要求，而前期使用的常规的钾基聚磺钻井液体系已无法满足长水平段钻井安全施工的需要2。油基钻井液具有强抑制性、强封堵性、优良润滑性、有利于井壁稳定和对油气层损害程度较小等多种优点3-4，同时，油基钻井液还具有配方简单、维护简易和重复利用率高等优势5-7，是目前川西中浅层长水平段水平井安全施工的首选。1 钻井液技术难点分析 1.1 井壁失稳机理分析 沙溪庙组气藏具有地层压力高，储层致密低渗透、裂缝发育、非均质性强等特点8，其地层岩性为砂岩泥岩不等厚互层，泥岩易水化膨胀，砂岩结构疏松，井筒流体在正压差作用下沿微裂缝压力穿透，可诱发井壁微裂缝形成“尖劈”效应，导致泥岩吸水膨胀伴随剥蚀性掉块9，进而起下阻卡频繁，造成周期性井壁失稳。1.2 钻井液技术难点 1）沙溪庙组地层岩性以砂泥岩为主，稳定性较差，极易发生井壁掉块、坍塌，因此保证井壁稳定性，同时做好井眼清洁工作是钻井液的重难点10。2）水平段钻进过程中，由于重力作用，钻具与井下接触面积大，在压差作用下与泥饼之间粘附，造成起下钻摩阻大，且水平段越长，摩阻越大，易造成粘附卡钻11。因此防卡是该段钻井液技术的难点之一。3）按反演的摩阻系数计算可知，三维井轨迹类型摩阻最大，同时钻具易发生屈曲，加上长水平段油田化学 第52卷第8期 张雪：川西中浅层长水平段井油基钻井液技术研究 1221 施工，大大增加了施工的难度，因此润滑性能是该段钻井液施工的重点。表 1 反演摩阻系数计算情况 剖面类型 摩擦系数 摩阻（t）套管 裸眼 双二维 0.20 0.3 20 二维+小三维 0.20 0.3 23 三维 0.25 0.4 26.7 1.3 油基钻井液体系思路 通过沙溪庙组井壁失稳机理分析，考虑水平段长，且为三维轨迹，结合前期已施工井的实钻情况，钻井液具有以下特性：1）润滑性。油基钻井液以油相作为主要组成部分，具有优异的润滑性能。2）封堵性能。引入与油基钻井液体系配伍好，且与地层孔隙匹配的多种堵漏材料，实现多级复配，保证强封堵性能12，降低滤液侵入量，减少泥岩的水化，达到井壁稳定的目的。3）流变性。引入流性调节剂调控动塑比，提高钻井液的携砂能力13，保证井眼清洁。2 钻井液配方研究 2.1 油基钻井液基础配方优选 通过实验优选了应用较好的 3 种油基钻井液体系，按照各自样品和比例配制基浆，油水比：80:20（3#白油:25%氯化钙盐水），不添加重晶石和封堵剂。实验对 3 种体系的全性能进行了评价。体系 1 配方：2.5%主乳+2.0%辅乳+2.5%有机土+2%生石灰+4%降滤失剂；体系 2 配方：0.6%主乳+1.5%辅乳+0.8%润湿剂+3%有机土+2%生石灰+8%降滤失剂；体系 3 配方：2.5%乳化剂+0.5%润湿剂+2%有机土+2.5%生石灰+2%降滤失剂+1%流型调节剂。对比 3 种体系老化不同时间后的流变性能、电稳定性、润滑系数和高温高压滤失量等关键参数，结果如图 1-图 4 所示。通过上述 4 项关键参数对比，同时考虑川西中浅层长水平段密度较高，但井底温度不高（约 100），从性能和成本综合考虑体系 3 为优选体系。结合沙溪庙组地层密度，优选出密度为 1.90 g/cm3的油基钻井液基础配方：3#白油水相（25%CaCl2）=8020+1.75%有机土+3.0%乳化剂+1.0%润湿剂+2%降滤失剂+2.5%CaO+1.0%流型调节剂。图 1 流变性能参数对比图 图 2 电稳定性参数对比图 图 3 润滑系数参数对比图 图 4 HTHP 滤失量对比图 1222 辽 宁 化 工 2023年8月 2.2 封堵剂优选 2.2.1 封堵剂单剂优选 以上述优化后的密度为1.9 g/cm的油基钻井液基础配方作为基浆，通过高温高压滤失量对不同的堵漏剂进行了优选，具体配方如表 2 所示。表 2 封堵剂的高温高压滤失量数据表 序号 配方 配方 1 基浆+2.0%超细碳酸钙 I 型 配方 2 基浆+3.0%超细碳酸钙 I 型 配方 3 基浆+1.0%氧化沥青 配方 4 基浆+2.0%氧化沥青 配方 5 基浆+0.5%磺化沥青 配方 6 基浆+1.0%磺化沥青 配方 7 基浆+1.0%天然沥青 配方 8 基浆+2.0%天然沥青 配方 9 基浆+1.0%成膜封堵剂 配方 10 基浆+2.0%成膜封堵剂 配方 11 基浆+1.0%纳米乳液 配方 12 基浆+2.0%纳米乳液 配方 13 基浆+1.0%球状凝胶 配方 14 基浆+2.0%球状凝胶 按照油基配方的顺序，依次加入材料高速搅拌配制基浆乳液，再低速搅拌加重至 1.90 g/cm。分别加入不同种类、不同比例的封堵剂，在温度100 滚动 16 h，再用 GGS42 型高温高压滤失仪测量温度 100，压差 3.5 MPa 的滤失量。通过每隔5 分钟观察记录滤失量来比较各种配方的差异性，实验结果如下表所示。表 3 封堵剂评价配方 序号 滤失情况 mL（每 5min 记录滤失量）5 10 15 20 25 30 配方 1 2.2 4.2 6.2 7.8 9.0 10.6 配方 2 1.8 2.0 3.4 3.8 4.8 5.8 配方 3 0.8 1.2 1.6 2.0 2.2 2.8 配方 4 1.0 1.2 1.4 1.4 1.6 2.0 配方 5 2.2 4.2 5.8 6.6 7.4 10.4 配方 6 2.0 3.4 4.6 6.4 7.0 8.4 配方 7 2.2 4.0 5.6 6.0 6.4 6.8 配方 8 2.0 2.8 3.2 3.6 4.0 4.6 配方 9 1.4 2.2 3.0 3.4 3.8 4.4 配方 10 0.4 0.8 1.6 2.0 2.0 2.4 配方 11 1.8 2.6 4.0 5.2 6.4 7.8 配方 12 1.2 2.4 3.2 4.6 5.4 5.8 配方 13 2.0 2.8 3.6 4.8 6.0 6.4 配方 14 1.8 2.2 3.2 4.4 5.0 5.8 实验数据表明：添加氧化沥青和成膜封堵剂的高温高压滤失量较低。2.2.2 封堵剂复配优选 在钻井液体系中，单一的封堵材料一般效果欠佳，需要优选多级粒径和合适浊点、软化点的封堵类处理剂进行复配，通过“多元协同”封堵作用增强地层的封堵性能，实现广谱封堵，稳定井壁的目的。因此对封堵剂进行复配优选评价。配方1：基浆+2%超细碳酸钙I型+2%氧化沥青；配方 2：基浆+1%超细碳酸钙 I 型+2%氧化沥青+1%成膜封堵剂；配方 3：基浆+1%超细碳酸钙 I 型+2%氧化沥青+2%成膜封堵剂；配方 4：基浆+2%超细碳酸钙 I 型+2%氧化沥青+2%成膜封堵剂；配方 5：基浆+2%超细碳酸钙 I 型+1%氧化沥青+1%成膜封堵剂；配方 6：基浆+2%超细碳酸钙 I 型+2%氧化沥青+1%成膜封堵剂。实验结果如下图所示：图 5 封堵剂复配的高温高压滤失量对比图 2.3 体系配方综合评价 2.3.1 常规性能评价 通过堵漏剂的优选，确定了最终的油基钻井液配方为：3#白油水相（25%CaCl2）=8020+1.75%有机土+3.0%乳化剂+1.0%润湿剂+2%降滤失剂+2.5%CaO+1.0%流型调节剂+1%超细碳酸钙 I 型+2%氧化沥青+1%成膜封堵剂+重晶石加重至 1.90 g/cm。其性能如表 4 所示。表 4 优化后钻井液性能 测试条件 ES V PV mPa.s YP Pa Gel Pa/Pa FLAPI ml FLHTHP ml EP 润滑系数 滚动回收率%老化前 1 241 33 19.5 8/11 0.2/10016h 1 184 35 11 4.5/8 0 0.4 0.070 96.2 第 52 卷第 8 期 张雪：川西中浅层长水平段井油基钻井液技术研究 1223 A.API 泥饼 B.HTHP（3.5MPa/100）泥饼 图 6 油基钻井液滤失泥饼 A 实验前钻屑 B 回收后钻屑 图 7 钻屑在油基钻井液中滚动回收前后外形对比 实验数据表明，该油基钻井液体系破乳电压达118 4 V，EP 润滑系数和页岩滚动回收率分别为0.070 和 96.2%，表明体系具有良好稳定性、优异的润滑性能和良好的抑制性。此外体系的高温高压滤失量为 0.4，且泥饼致密，在 3.5MPa 的压差条件下滤失量极小，从图 6 泥饼图可发现 API 泥饼薄，实验中发现该泥饼致密而且很硬，表现为滤失量很低，同时高温高压形成的泥饼也很薄，而且 HTHP 泥饼易从滤纸上剥离，这对于实际钻井过程中低层表面泥饼的洗脱，提高固井质量具有积极的意义。2.3.2 润滑性能评价 室内使用极压润滑仪和泥饼粘附系数测定仪对不同密度的油基钻井液的 EP 润滑系数和泥饼粘附系数 Kf 进行了测定，实验结果见下表。表 5 润滑性能评价结果 密度/（gcm-）EP 润滑系数 Kf 备注 1.50 0.074 0 粘不住 1.70 0.081 0.02/2.00 0.083 0.03/通常 EP 值越低，钻井液的润滑性越好。数据表明，该油基钻井液题的 EP 润滑系数随着密度的增加而逐渐增加，在 2.0 g/cm密度以下该体系的 EP润滑系数均小于 0.085，这表明该体系具有良好的润滑性能，这对于长水平井钻井降低摩阻具有重要的意义。2.3.3 抗污染性能评价 1）抗水污染评价 室内以密度 1.90 g/cm体系配方为例，评价外界水的侵入对该油基钻井液性能的影响，实验结果见下表。表 6 抗水污染评价实验结果 水加量，%ES V PV mpa.s YP Pa Gel pa/pa HTHP mL 0 1 051 39 12.5 5/8 2.6 5 1 068 42 15.5 6/8.5 2.6 10 1 034 50 18 7.5/10 2.8 15 714 57 17 8/13.5 3.2 实验结果表明，随着水加量增加，体系塑性粘度和动切力都逐渐增高，在 10%侵入量范围内，二者变化不大，当侵入量达 15%时，此时该油基钻井液的油水比已经高达 6040，体系仍具有良好的乳化稳定性，此时的高温高压滤失量仅为 3.2 mL，说明该钻井液体系具有良好的抗水污染效果。2）抗钻屑污染评价 室内以密度 1.90 g/cm体系配方为例，评价了该油基钻井液在加入 510 目钻屑的抗污染能力，实验结果见下表。表 7 抗钻屑污染评价实验结果 钻屑加量/%ES/V PV/mPas YP/Pa Gel/Pa/Pa HTHP/mL 0 1 051 39 12.5 5/8 2.6 5 918 39 11.5 4.5/7 2.5 7.5 1 017 39 11.5 4.5/7 2.4 10 828 40 11 4.5/7.5 2.2 实验结果表明，该体系具有良好的抗钻屑污染性能，钻屑对其流变性能基本没有影响，10%钻屑的侵入不会造成钻井液性能的较大改变，这对于泥页岩地层施工过程中油基钻井液的性能维护具有积极的意义。2.3.4 封堵性能评价 1）砂盘封堵性能评价实验 按照优选油基钻井液配方配制密度 1.90 g/cm油基钻井液作为评价浆，选用孔隙 40m 的砂盘，测试压力 3.5 MPa，测试温度为 100，观察时间30 min 后钻井液的封堵现象。实验结果：钻井液滤失量为 2.4 mL，滤饼厚度为 2 mm，试验后砂盘情况如图 8 所示。2）中压砂床实验 按照优选油基钻井液配方配制油基钻井液，在1224 辽 宁 化 工 2023年8月 温度 100 下滚动老化 24 h。筛取 40 目的石英砂放入筒状可透视的钻井液杯中按压平整，再倒入500 mL 油基钻井液，上紧杯盖，接通气源将压力调至 0.69 MPa，打开进气阀，测量 30 min，观察钻井液渗透情况。A.砂盘正面 B.砂盘背面 C.砂盘侧面 图 8 砂盘封堵评价实验现象图 图 9 中压砂床情况图 实验数据表明：该油基钻井液在中压条件下浸入度约 24 mm。（3）高温高压滤饼表征实验 采用最优油基钻井液体系配方，在 100 条件下测定其高温高压滤失量为 0.2 mL，泥饼厚度 0.5 mm。泥饼扫描电镜图如下：A.600 倍 B.1200 倍 图 10 高温高压滤饼 SEM 图 通过扫描电镜可以观察到高温高压滤饼致密且表面有一层油膜。综上实验结果表明：油基钻井液中的微粒子，当遇到致漏裂缝和诱导裂缝时，通过颗粒架桥（变缝为孔），化学封堵填充，在钻井液液柱压力作用，富有弹性的外（油膜）泥饼受压实作用变得致密、结实，内泥饼被牢牢粘结在地层表面和封堵层上，形成超低渗透率泥饼，封堵能力明显增强。3 现场应用分析 强封堵油基钻井液体系在川西中浅层长水平段井 ZJ X01H 井二开进行先导试验应用，体系的强封堵性能和润滑性能保障了该井二开 2 400 m 长水平段安全钻进，在施工过程中，钻井液性能稳定（表8），携砂效果好，井壁稳定，起下钻正常，摩阻控制在 60 t 以内，圆满完成了该井完钻指标，为后续大规模采用三维轨迹长水平段井身结构开发川西中浅层沙溪庙组气藏提供了坚实的技术保障。表 8 ZJ X01H 井二开井段钻井液性能 井号/（g/cm3）PV/mPa.s YP/Pa Gel/Pa/Pa ES/V 油水比 FLHTHP(110)mL ZJ X01H 1.781.90 3242 715.5 57/1013 632735 7580/2025 0.81.2 4 结 论 1）针对川西中浅层长水平段井，以油基钻井液体系为基础，引入与其配伍性良好的多元协同的复合封堵材料，构建了配套的强封堵油基钻井液体系，该体系能良好的适应川西中浅层地层，封堵防塌能力和润滑性能远优于常规的钾基聚磺钻井液体系。2）该体系具有良好的润滑性、强封堵性和抗污染能力，在 ZJ X01H 井二开进行先导试验取得了显著的应用效果，解决了该区块长水平段中井壁失稳和摩阻大等难题，建议可在后续川西中浅层三维轨迹长水平段井中推广应用。参考文献：1韩来聚，牛洪波.对长水平段水平井钻井技术的几点认识J.石油钻探技术，2014,42(2):7-11.2宿振国，王瑞和，刘均一，等.高性能环保水基钻井液的研究与应用J.钻井液与完井液,2021,38(5):576-582.3黄宁，吕开河，孙金声，等.油基钻井液提切剂研究现状与发展趋势J.钻井液与完井液，2022,39(4)：397-405.4李辉.白油基油包水钻井液在 JHW00421 井水平段的应用J.新疆石油天然气，2020,16（2）：38-42.5黄津松，张家旗，王建华，等.国内油基钻井液研发现状与思考J.化工管理,2020,33:130-133.6赵泽,王茂功,蒋官澄.国内外油基钻井液降滤失剂研究进展J.应用化工,2014,43(6):1112-1115.第 52 卷第 8 期 张雪：川西中浅层长水平段井油基钻井液技术研究 1225 7任金萍.油基钻井液技术研究进展J.西部探矿工程，2019(8):55-56.8马小龙.川西沙溪庙组不规则井眼高压气井固井技术J.石油天然气学报,2020,42(2):72-78.9杨丽，夏海英，陈智晖,等.川西海相强抑制钻井液体系研究及现场应用C.2021 年度全国钻井液完井液技术交流研讨会论文集.北京：石油工业出版社，2021:780-785.10徐进，胡大梁.川西深井井下复杂情况及故障预防与处理J.石油钻探技术，2010,38(4):22-25.11杨国兴，张珍，周成华，等.川西沙溪庙组水平井封堵防卡钻井液技术J.钻井液与完井液,2012,29(4):35-37.12 杜征鸿,沈建文,睢圣，等.耐高温核壳型油基钻井液纳米封堵剂的制备与性能评价J.油田化学,2022,39(1):1-4.13符合，许明标.环保型高分子聚合物油基钻井液降滤失剂的合成及性能评价J.当代化工,2019,48(5):966-968.Research on Oil-based Drilling Fluid Technology of Long Horizontal Wells in Middle and Shallow Strata in Western Sichuan ZHANG Xue（Drilling Engineering Research Institute,Sinopec Southwest Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan 618000,China）Abstract:With exploitation of the western Sichuan Shaximiao Formation gas reservoir,reservoir physical properties become worse year by year.In order to achieve a breakthrough in horizontal well production,the horizontal length of the development well was designed to be 1 800 3 000 m,and 3D trajectory was mostly used.The long horizontal section with 3D trajectory borehole led to large friction,high difficulty in borehole cleaning,and was easy to cause complex problems such as wall instability and resistance stuck.In order to ensure the safety of the construction,a strong plugging oil-based drilling fluid system was developed to solve the above problems.Through the introduction of multistage distribution oil-based micro/nano plugging addictives,the system took the advantages of the strong inhibition and excellent lubricity of oil-based drilling fluid system,and ensured its good rheology with reasonable density simultaneously.Laboratory evaluation showed that the system had good lubricity,anti-pollution ability,plugging and anti-collapse ability.Through the field pilot test application,the system had good performance and stability,which provided strong support for the subsequent safe and efficient construction of long horizontal wells in middle shallow strata in western Sichuan.Key words:Middle-shallow strata of west Sichuan;Long horizontal wells;Oil-based drilling fluids;Plugging property （上接第 1148 页）12 徐靖宸，肖超，罗进爱，等.P204-TBP 协萃体系从高浓度硫酸钴溶液中萃取分离 Mn 和 CaJ.有色金属（冶炼部分），2021（5）：25-30.13 李飞.废锂电池资源化技术及污染控制研究D.成都：西南交通大学，2017.14 赵天瑜，宋云峰，李永立，等.萃取法从废旧锂离子电池正极材料浸出液中提取锂J.有色金属科学与工程，2019，10（1）：49-53.15 曾军，陈进中，叶有明，等.从含锰钴镍浸出液中萃取回收锰J.有色金属（冶炼部分），2020（4）：12-16.16 王胜.离心萃取器协同萃取分离镍钴J.有色金属工程，2014，4（2）：42-44.17 张婷，张荣荣，刘勇奇，等.废旧锂电池除铝及回收铝的研究进展J.湖南有色金属，2020，36（6）：35-38.18 高桂兰.有机酸还原性体系浸出回收废弃锂离子电池正极材料的研究D.上海：上海大学，2019.Research on Environmentally Friendly Recycling Process of Spent Lithium Battery CHEN Zheng,CHAI Hui-sen,SHAO Hong-mei,CUI Yong（Faculty of Environmental and Chemical Engineering,Liaoning Ligong University,Shenyang Liaoning 110159,China）Abstract:In recent years,lithium ion battery has been widely used in various fields due to its great performance,which also leads to the large number of spent lithium ion battery on market.Wasted lithium batteries contain many precious metals,such as Li,Co,Ni,Mn,and they are worth recycling.In this article,the acid leaching and solvent extraction methods were studied,and a process to recycle the Li Co,Li,Ni and Mn from wasted lithium battery was proposed,using organic acid-organic reduction system(OP)to leach the wasted lithium battery,and using multiple extraction methods to separate and recover the metal-ions in the leaching solution.The process uses organic acids and organic solid waste as green and non-polluted reactant(i.e.orange peel),and so it is an environmentally friendly way to recycle the metal elements from the wasted lithium ion battery.Key words:Waste lithium ion batteries;Solid waste;Metal ion separation;Recovery