史沛謙，王善舉，馬文英，蘇紀文，王 晴，盧國林，吳 健

(1．中原石油工程公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽457001;2．中原石油工程公司鉆井一公司，河南濮陽457001)

0 引言

鄂爾多斯靖南地區(qū)碳質泥巖、煤層地層埋藏較深，地層穩(wěn)定性差，水平井鉆井過程中常存在著碳質泥巖、煤層地層垮塌嚴重，井漏和定向鉆井托壓等現(xiàn)象嚴重影響鉆井安全和速度。如靖平61－10井鉆進至3757 m井下復雜，反復劃眼，24 d無進尺;靖平69－12井因煤層井漏、坍塌卡鉆，處理時間120 d，鉆井周期長達236 d。針對該地區(qū)技術難點，分析了定向托壓和碳質泥巖、煤層井壁失穩(wěn)原因，開展了鉆井液防塌和潤滑技術研究，合成了新型潤滑劑，形成了防塌、潤滑鉆井液配方，并成功進行了2口井的現(xiàn)場應用，現(xiàn)場應用表明，所采取的技術措施能夠滿足碳質泥巖、煤層地層水平井鉆井技術要求。

1 室內研究

1．1 技術難點

靖南地區(qū)水平井井身結構多為四開制，三開井段開始定向造斜至A點，該井段山西組、太原組、本溪組存在多套易塌碳質泥巖、煤層地層，鉆井過程中定向托壓、井壁失穩(wěn)現(xiàn)象突出，是全井施工的難點和重點井段，對定向托壓和井壁失穩(wěn)的原因進行了分析。

1．1．1 定向摩阻大和托壓

(1)鉆井液pH值控制及降濾失劑等相關處理劑的選用會對潤滑劑的潤滑能力產生影響，引起鉆井液潤滑性能下降;

(2)鉆井液護膠材料加入不足，泥餅虛、厚，導致定向托壓;

(3)油溶性潤滑劑加量少時潤滑能力不足，加量過多影響泥餅質量。

1．1．2 井壁失穩(wěn)［1－6］

煤層具有強度低、彈性模量小、脆性大、微裂縫層理發(fā)育、與泥頁巖交替互層、煤層內含粘土礦物等特點，碳質泥巖微裂縫發(fā)育，巖石強度低、水敏性強，根據(jù)煤層、碳質泥巖地層特點，井壁失穩(wěn)主要原因如下:

(1)鉆井液抑制性不足，碳質泥巖易發(fā)生水敏性失穩(wěn);與煤層互層的泥頁巖失穩(wěn)與膨脹推擠引起煤層失去下部支撐或內部應力變化發(fā)生坍塌;

(2)鉆井液封堵能力不夠，濾液侵入層理、裂縫造成地層坍塌壓力升高;

(3)鉆井液密度低，液柱支撐力不夠。

根據(jù)以上技術難點分析，進行了新型潤滑劑、防塌抑制劑和封堵材料的研究。

1．2 鉆井液潤滑性和防塌技術研究

1．2．1 潤滑性

目前現(xiàn)場鉆井液液體潤滑劑多為含有脂鍵的油基潤滑劑，在堿性及高溫環(huán)境下易發(fā)生水解反應，使?jié)櫥瑒┰砘瑢е裸@井液起泡和潤滑劑潤滑效率降低［7－8］。此外鉆井液降濾失劑、絮凝劑等處理劑含有一定比例的水化基團和吸附基團，能夠在鉆具和井壁產生吸附作用，形成吸附層，起到減小鉆具摩阻的作用，但是該類處理劑的吸附同時會對潤滑劑在摩擦界面的吸附產生影響，降低潤滑劑的吸附量，影響極壓潤滑膜的致密性和吸附強度，從而降低潤滑劑的潤滑效率。

針對以上問題，研究出一種雙吸附基團水性潤滑劑SR－1，該潤滑劑不含脂鍵，吸附能力強，避免和降低了pH值及其他鉆井液處理劑對潤滑性能的影響，圖1對SR－1和取自現(xiàn)場的油基潤滑劑A在不同pH值條件下的潤滑性進行了對比。實驗基漿為:4%膨潤土+0.5%LV－CMC+0.3%聚合物降濾失劑COP－HFL+0.2%NaOH+重晶石+1%潤滑劑，鉆井液密度為1.35 g/cm3(100℃老化16 h)。由實驗結果可見，隨著pH值增加潤滑劑A的潤滑性能降低幅度大，SR－1受pH值影響較小，能夠更好地滿足處理CO32－、HCO3－污染等pH值較高情況時保持良好潤滑性的需要。

圖1 pH值對潤滑劑潤滑性能的影響

室內實驗表明，在聚合物鉆井液體系中，所評價的潤滑劑均能使鉆井液潤滑系數(shù)降至0.1以內，只是潤滑劑加量有所差別。但在聚磺鉆井液體系中，由于處理劑總體加量大，對潤滑劑在摩擦界面的吸附和潤滑效果影響較大，圖2在聚磺鉆井液中對SR－1和潤滑劑A進行了對比，實驗條件同圖1，基漿配方為:4%膨潤土+0.5%LV－CMC+0.3%COPHFL+2%磺化酚醛樹脂SMP+2%磺化褐煤SMC+0.2%NaOH+重晶石，密度為1.35 g/cm3，加入潤滑劑，100℃滾動老化16 h。

圖2 潤滑劑在聚磺鉆井液體系中的對比

由圖1、圖2實驗可見將聚磺鉆井液的潤滑系數(shù)控制在0.06以內，SR－1加量需達到3%，在聚合物鉆井液中加量為1%;而在聚磺鉆井液體系中潤滑劑A加量即使達到4%，鉆井液潤滑系數(shù)仍為0.1827，表明所研究的潤滑劑SA－1可以在潤滑界面形成較牢固的吸附層，潤滑能力強。

1．2．2 抑制防塌技術

根據(jù)碳質泥巖、煤層互層泥頁巖水敏性強的特點，室內進行了不同抑制機理的防塌劑協(xié)同增效作用對比，實驗結果見圖3。5%KCl復配0.3%胺基抑制劑，頁巖滾動回收率由88.09%提高至90.5%，5%KCl復配3%聚合醇頁巖滾動回收率明顯提高，在此配方里加入胺基抑制劑，頁巖滾動回收率升高較多，表明胺基抑制劑與KCl、聚合醇具有良好地協(xié)同增效作用。

圖3實驗各配方組成如下。

圖3 抑制劑協(xié)同增效實驗

配方1:水+5%KCl;配方2:水+5%KCl+0.3%胺基抑制劑;配方3:水+5%KCl+3%聚合醇;配方4:水+5%KCl+3%聚合醇+0.1%胺基抑制劑;配方5:水+5%KCl+3%聚合醇+0.3%胺基抑制劑;所用巖心取自濮131井井深2444 m的灰色泥巖巖心，粒徑2.0～3.8 mm。

1．2．3 封堵技術

煤層和碳質泥巖地層裂縫寬度分布范圍寬，裂縫寬度易受應力作用影響變化的特點，要求封堵劑能夠滿足不同裂縫寬度和裂縫尺寸變化情況下的封堵。根據(jù)地層特點研發(fā)了具有可變形能力的改性纖維NMF、超細凝膠CNJ兩種封堵劑，與現(xiàn)場常用封堵劑磺化瀝青、超細碳酸鈣、氧化瀝青、青石粉、復合堵漏劑FD－3和FD－4等通過可視承壓砂床實驗進行了對比。實驗基漿為:5%膨潤土+0.1%LVCMC+0.1%COP－HFL+3%封堵劑，砂床高度為13 cm，粒徑40～60目，實驗壓力為0.7 MPa，鉆井液承壓擠入砂床時間為7．5 mL，加入不同封堵材料的基漿在砂床中的擠入深度對比實驗結果見圖4。

圖4 砂床侵入深度對比

由實驗結果可見 NMF、CNJ、氧化瀝青、FD－4封堵能力較強。通過高壓砂床實驗進行了4種優(yōu)選材料的復配實驗，砂床高度25 cm，粒徑40～60目，基漿同圖4，封堵劑復配配方見表1，評價結果見圖5，由實驗結果可見，5號配方封堵效果良好。

1．3 優(yōu)化后的鉆井液配方及性能

根據(jù)潤滑、抑制、封堵技術研究形成了靖南地區(qū)水平井鉆井液配方:3%～5%膨潤土 +0.3%～0.5%LV－CMC+0.5%～1%COP－HFL+1%～1.5%氧化瀝青+0.5%～1.5%超細凝膠+0.5%～1.5%改性纖維+0.1%～0.3%胺基抑制劑+5%～7%KCl+2%～3%聚合醇+1.5%～3%潤滑劑+0.1% ～0.3%NaOH+重晶石。

表1 封堵劑復配配方

圖5 復配配方封堵能力對比

鉆井液性能為:密度1.25～1.35 g/cm3，漏斗粘度55～65 s，塑性粘度27～35 mPa·s，動切力6～12 Pa，靜切力2～4/5～15 Pa，API濾失量3～4 mL/30 min，pH 值8.5 ～9.5，Kf≤0.06。

2 現(xiàn)場應用

潤滑減阻和井壁穩(wěn)定技術在靖南70－6H井、72－13H1井進行了現(xiàn)場應用，較好地解決了井壁掉塊和定向托壓問題，2口井分別鉆穿8套和4套煤層，施工井段的平均井徑擴大率分別為1.71%和4.06%，達到設計井徑擴大率≤10%的要求，鉆井、完井順利。

2．1 靖南70－6H井

2．1．1 井概況

靖南70－6H井目的層馬家溝組，設計井深5506 m，水平位移1900 m，造斜段有多套煤層及大段碳質泥巖交替互層，煤層4層共16 m，單層煤層最厚9 m，碳質泥巖層6層共18 m，單層最厚7 m，井壁穩(wěn)定難度大。

2．1．2 現(xiàn)場應用效果

進入煤層前100 m按照配方加入抑制劑、封堵劑由聚合物鉆井液轉換為防塌鉆井液，為強化鉆井液防塌能力，在保持抑制劑、封堵劑含量的同時，調整適當?shù)拿芏?、較低的濾失量。潤滑措施方面控制鉆井液pH值8～9.5，選用質量好的降濾失劑，避免使用SMP、SMC等處理劑，減少處理劑用量，定向至井斜29°有托壓現(xiàn)象加入1%潤滑劑，定向正常。

鉆進中巖屑均勻，幾乎沒有掉塊，順利穿過四套煤層和大段碳質泥巖，無漏失現(xiàn)象，起下鉆、通井順利，井徑規(guī)則，鉆井液性能穩(wěn)定，潤滑性好，中途完鉆下套管摩阻為5～8 t。應用井段鉆井液的分段性能見表2。

表2 靖南70－6H井鉆井液分段性能

與使用聚磺鉆井液體系的鄰井靖平69－12井井徑對比情況見表3，由表3可知，靖南70－6H井防塌鉆井液應用井段井徑擴大率1.71%，較鄰井靖平69－12井的井徑擴大率大幅度降低，說明所采用的防塌措施起到了良好的效果。該井段平均機械鉆速5.33 m/h，較69－12井相比提高了63.5%;施工周期22 d，而鄰井靖平69－12井造斜段施工因井壁失穩(wěn)等井下復雜，工期長達4個月。

2．2 靖南72－13H1井

2．2．1 井概況

靖南72－13H1井設計井深5272 m，其中三開的2928～3772 m為造斜井段，造斜井段碳質泥巖層和煤層互層頻繁。表4為靖南72－13H1井的煤層、碳質泥巖分布情況，可見煤層及碳質泥巖分布范圍廣且互層頻繁，給井壁穩(wěn)定工作帶來極大困難。

2．2．2 現(xiàn)場應用效果

靖南72－13H1井三開轉換鉆井液體系，加入所優(yōu)選的封堵劑、防塌材料和潤滑劑，施工中控制較低的濾失量和適當?shù)拿芏?，保持防塌封堵材料含量，維持鉆井液性能穩(wěn)定，該井段鉆井液性能見表5。

表5 靖南72－13H1井鉆井液分段性能

應用效果:該井鉆進順利，巖屑均勻，幾乎無掉塊現(xiàn)象，起下鉆順利，井徑規(guī)則，三開井徑曲線見圖6，由圖可見井徑曲線起伏很小，施工段平均井徑擴大率4.06%，平均機械鉆速2.23 m/h，中途完鉆下套管摩阻5～6 t，防塌、潤滑效果良好。鄰井靖南70－6H1井三開鉆井過程中鉆井液密度提高至1.38 g/cm3，有煤層失穩(wěn)、起下鉆遇阻和較大掉塊返出現(xiàn)象，井徑擴大率5.0%，與靖南70－6H1井相比，靖南72－13H1井鉆井液費用降低12%，應用效果顯著。

圖6 三開井徑曲線

3 結論

(1)控制鉆井液pH值8～9.5和降低鉆井液降濾失劑等處理劑加量有利于提高潤滑劑的潤滑效果;

(2)優(yōu)選出受pH值影響小、潤滑能力強的雙吸附基潤滑劑，鉆井液極壓潤滑系數(shù)≤0.06;

(3)通過采用KCl、聚合醇、胺基抑制劑提高鉆井液抑制性，結合改性纖維、超細凝膠可變形封堵材料，形成了適用于靖南地區(qū)煤層、碳質泥巖地層安全鉆井要求的防塌技術;

(4)潤滑減阻和井壁穩(wěn)定技術在現(xiàn)場應用中取得良好效果，能夠滿足靖南地區(qū)煤層、碳質泥巖地層防塌和收盤價定向鉆井技術要求。

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