袁怡康，郭 輝，劉傳海

北部灣潿西鉆井液技術(shù)

袁怡康1，郭 輝2，劉傳海2

（1. 中石化海洋石油工程有限公司，上海 200120； 2. 中石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東東營(yíng) 257000）

潿西地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，尤其是潿洲組潿二段和流沙港組流二段泥頁(yè)巖地層斷層多、地層破碎，微裂縫發(fā)育、水敏性強(qiáng)，在鉆井過(guò)程中極易發(fā)生井壁坍塌、漏失，甚至發(fā)生卡鉆事故。通過(guò)分析研究潿西南地區(qū)易垮地層巖性、硬脆性泥頁(yè)巖的垮塌機(jī)理，研發(fā)了KCl-聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液體系，并利用這一體系已成功完成了海2井、潿4井、潿5井的施工?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該鉆井液有良好的抑制性和封堵性能，保證了井壁的穩(wěn)定及井下安全。應(yīng)用該鉆井液已成功施工3口井，井徑較規(guī)則，無(wú)井下復(fù)雜情況，成功解決了潿西地區(qū)的井壁穩(wěn)定問(wèn)題，并在潿4井試油過(guò)程中發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)油氣流，日產(chǎn)油氣超過(guò)千噸。

KCl-聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液；抑制；封堵

1 潿二段和流二段的垮塌原因及鉆井液對(duì)策

眾多對(duì)潿洲地區(qū)復(fù)雜層段的研究結(jié)果都反映了該地區(qū)潿洲組二段及流沙港二段硬脆性泥頁(yè)巖地層存在的兩個(gè)突出特征：一是微裂縫發(fā)育；二是伊利石、高嶺土等非膨脹性黏土礦物含量比較高（表1、表2）。由于微裂縫的存在，水基鉆井液濾液可以沿微裂縫侵入地層，引起地層黏土礦物水化膨脹。由于地層黏土礦物是以伊蒙混層、伊利石和高嶺石為主無(wú)序疊置，水化膨脹特征不同，所產(chǎn)生的膨脹壓力也不同，造成了黏土礦物層間的受力不均，進(jìn)而導(dǎo)致地層頁(yè)巖沿結(jié)合膠結(jié)力最薄弱的層理和微裂縫間剝落。一般情況下，潿二段、流二段的地層坍塌時(shí)間在鉆開(kāi)后的一周左右。即使使用油基鉆井液，壓力差也會(huì)沿微裂縫傳遞直到貫通（泥頁(yè)巖剝落）[1]。

表1 潿二段脆性泥頁(yè)巖的x射線(xiàn)衍射分析 %

表2 流二段泥頁(yè)巖樣品礦物組成對(duì)比

潿二段、流二段泥頁(yè)巖地層地應(yīng)力較大，這也是易垮塌的原因之一。為了平衡應(yīng)力，多采取提高鉆井液密度的方法來(lái)對(duì)付，但附加的壓差反過(guò)來(lái)又使層理、縫隙開(kāi)啟，加速了濾液的侵入和壓力的傳導(dǎo)。

針對(duì)以上原因分析，我們采取"物化封固井壁阻緩壓力傳遞；加強(qiáng)抑制水化；化學(xué)位活度平衡；合理密度有效應(yīng)力支撐”的“多元協(xié)同”穩(wěn)定井壁技術(shù)措施，其中加強(qiáng)封固及阻緩孔隙壓力傳遞是提高井下液柱壓力對(duì)井壁有效力學(xué)支撐作用的前提，有效應(yīng)力支撐是井壁力學(xué)穩(wěn)定的必要條件，增強(qiáng)抑制、化學(xué)位活度平衡是防治泥頁(yè)巖（存在不完全半透膜效應(yīng)）井壁失穩(wěn)的有效手段，這四者缺一不可[2-5]。具體措施如下：

（1）加強(qiáng)鉆井液對(duì)地層的有效封堵

鉆井液有效快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)微裂縫地層的強(qiáng)封堵是阻緩鉆井液濾液和壓力向地層傳遞的首要手段。

由于微裂縫是由大小不一的孔徑所組成，因此我們采用可變形封堵材料和剛性封堵材料相結(jié)合的方法，引入“成膜封堵”概念，把各種大小可變形顆粒及膠體封堵材料復(fù)配，發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，提高封堵性，得到低滲透率的濾餅，進(jìn)而減少濾液滲入微裂縫的數(shù)量和深度，延長(zhǎng)鉆井液對(duì)井壁浸泡的垮塌周期：

①用各種粒度的超細(xì)碳酸鈣作為剛性封堵材料，對(duì)封堵起到架橋作用。

②采用纖維類(lèi)處理劑羥基成膜劑、瀝青類(lèi)處理劑DYFT、LSF作為軟化封堵材料，利用其粒度和可變性的特點(diǎn)，和剛性材料超細(xì)碳酸鈣協(xié)同作用，對(duì)地層進(jìn)行有效封堵，形成良好的泥餅，增加其強(qiáng)度，提高與裂縫的聯(lián)結(jié)力。

③利用聚合醇的濁點(diǎn)效應(yīng)，當(dāng)溫度超出其濁點(diǎn)后，聚合醇從溶液中析出，形成乳化油滴，在井內(nèi)壓差的作用下被擠入井壁孔隙或裂縫，起封堵作用，同時(shí)，聚合醇具有很強(qiáng)的吸附性能，能夠與水分子爭(zhēng)搶頁(yè)巖中黏土礦物上的吸附位置，并優(yōu)先吸附到黏土礦物表面，阻止水分子進(jìn)入黏土礦物的晶層中，降低了黏土膨脹壓。

④控制鉆井液中劣質(zhì)固相的含量，降低失水，形成良好的泥餅，減少濾液的侵入。

（2）提高鉆井液的抑制能力，減少水化應(yīng)力

①KCl的抑制作用。利用鉀離子置換泥巖晶格中的其他離子，降低泥巖的水化膨脹趨勢(shì)。

②KCl-聚合醇協(xié)同防塌作用。首先，利用聚合醇的濁點(diǎn)效應(yīng)，通過(guò)聚合醇在鉆具、巖屑、井壁上吸附，封堵泥頁(yè)巖微裂縫和毛細(xì)管，阻止鉆井液濾液進(jìn)入地層，抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹和分散；此外，KCl和聚合醇復(fù)配使用還可以降低鉆屑分散體系的負(fù)電性，降低水活度，大幅降低濾液界面張力，抑制頁(yè)巖的表面水化。

③利用聚胺抑制劑提高鉆井液的抑制性。在KCl-聚合醇鉆井液體系中引入聚胺抑制劑，可大幅提高鉆井液體系的抑制能力。該聚胺抑制劑完全水溶，低毒，可與其它添加劑一起使用，不水解，具有成膜作用。其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)可充填在黏土層間，減少黏土的吸水傾向；-NH2鍵的極性很大，會(huì)優(yōu)先吸附在黏土表面促使黏土晶層間脫水，減小膨脹力。該體系被認(rèn)為是替代油基鉆井液且又能安全鉆進(jìn)的一類(lèi)性能更高的水基鉆井液。

（3）控制鉆井液水活度，減少濾液的侵入

由于泥頁(yè)巖的滲透率極低，可部分阻止離子通過(guò)而起到半透膜作用，且泥頁(yè)巖與鉆井液間的半透膜效率可通過(guò)調(diào)整鉆井液類(lèi)型和鉆井液水活度來(lái)進(jìn)行改善，使化學(xué)滲透壓部分抵消水力壓差引起的壓力傳遞和濾液侵入作用，甚至使地層水流向井眼內(nèi)部，促進(jìn)井壁穩(wěn)定。在該區(qū)塊施工中KCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在4%~6%。

2 室內(nèi)評(píng)價(jià)

2.1 動(dòng)態(tài)線(xiàn)性膨脹實(shí)驗(yàn)

對(duì)清水和各種頁(yè)巖抑制劑的基本配方（基漿4%鈉土+ 0.3% PAM + 0.5% PAC）中的頁(yè)巖膨脹性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，采用易水化泥頁(yè)巖巖粉壓制巖樣，在室內(nèi)用動(dòng)態(tài)線(xiàn)性膨脹儀測(cè)試巖樣在清水、KCl、氨基硅醇和聚醚硅醇胺抑制劑中的動(dòng)態(tài)膨脹情況，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖可見(jiàn)，聚醚硅醇胺抑制劑的頁(yè)巖膨脹率最低，頁(yè)巖最終膨脹率最高的是清水，然后是KCl、氨基硅醇。

圖1 頁(yè)巖動(dòng)態(tài)線(xiàn)性膨脹率

通過(guò)動(dòng)態(tài)線(xiàn)性膨脹實(shí)驗(yàn)對(duì)比，聚醚硅醇胺抑制劑同其它類(lèi)型抑制劑相比較，具有優(yōu)良的抑制能力，可有效抑制黏土水化膨脹，降低亞微米顆粒固相含量，因此選擇聚醚硅醇胺抑制劑作為體系的抑制劑。

2.2 滲透堵漏試驗(yàn)

采用Fann-389滲透率封堵測(cè)試儀評(píng)價(jià)鉆井液體系的封堵能力，其中，KCl-聚磺鉆井液體系配方：5%氯化鉀+ 0.5% Pam + 2%Smp-2 + 3%磺化瀝青+3%超細(xì)碳酸鈣；KCl-聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液配方：5%氯化鉀+0.5%聚醚硅醇胺抑制劑+2%聚合醇+2% Smp-2 + 3%磺化瀝青+1%乳化石蠟+3%超細(xì)碳酸鈣+0.5%羥基成膜劑；油基鉆井液配方：4%有機(jī)土+4%主乳+1%輔乳+3%潤(rùn)濕劑+4%降失水劑+4%超細(xì)碳酸鈣。該實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件3.5 MPa/150 ℃，測(cè)試時(shí)間30 min，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 鉆井液體系滲透堵漏評(píng)價(jià)

由表3數(shù)據(jù)可見(jiàn)，鉆井液體系在加入復(fù)合封堵劑以后濾失量減小了3.8 mL。實(shí)驗(yàn)證明強(qiáng)封堵抑制型鉆井液能有效的提高鉆井液封堵能力。

2.3 抑制性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

采用抑制巖心膨脹實(shí)驗(yàn)和巖屑回收率實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了體系的抑制性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 體系抑制性能評(píng)價(jià)

由線(xiàn)性靜態(tài)膨脹高度和頁(yè)巖滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)可以看出，強(qiáng)封堵抑制型鉆井液較海上常用的KCl-聚磺鉆井液抑制性能更好，具有優(yōu)異的抑制黏土水化膨脹能力。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

潿西探區(qū)是中國(guó)石化在北部灣海域的唯一探礦區(qū)域，由上海海洋油氣分公司負(fù)責(zé)管理，自2015年之前已完成4口井的勘探任務(wù)，在鉆井施工中采取常規(guī)KCl-聚磺海水鉆井液體系，在海1井、潿1井、潿3井分別出現(xiàn)了泥巖井壁垮塌、井漏、起下鉆遇阻、卡鉆等各種復(fù)雜現(xiàn)象，導(dǎo)致施工周期延長(zhǎng)、成本增加。

因此，我們研發(fā)了KCl-聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液體系，鉆井液性能見(jiàn)表5，并已經(jīng)在潿西的海2井、潿4井、潿5井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，我們采取物化封固井壁阻緩壓力傳遞、加強(qiáng)抑制水化、化學(xué)位活度平衡和合理密度有效應(yīng)力支撐的“多元協(xié)同”穩(wěn)定井壁技術(shù)措施，有效解決了潿二段和流二段的垮塌，成功地完成了這3口井的施工，鉆井施工順利，未發(fā)生井下復(fù)雜事故。避免了長(zhǎng)時(shí)間起下鉆遇阻劃眼，保證了井眼清潔及起下鉆、測(cè)斜、電測(cè)的順利進(jìn)行，縮短了建井周期，降低了鉆井成本。其中潿四井順利完成兩層含油層測(cè)試，并試獲高產(chǎn)油氣流，日產(chǎn)油氣超過(guò)千噸。該井于2016年1月5日完成測(cè)試，第一層在井口壓力為6.73 MPa條件下，試獲日產(chǎn)高品質(zhì)原油1 458 m3、天然氣7.18×104m3，第二層在井口壓力為6.68 MPa條件下，試獲日產(chǎn)高品質(zhì)原油1 349 m3、天然氣7.6×104m3，創(chuàng)中國(guó)石化海域油氣勘探單井最高紀(jì)錄，也是近十年來(lái)國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)的高產(chǎn)測(cè)試探井。

表5 潿4井鉆井液性能

4 結(jié)論與建議

（1）KCl-聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液體系成功地解決了潿西地區(qū)潿2段及流2段的井壁垮塌問(wèn)題，縮短了建井周期，降低了勘探成本。

（2）KCl-聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液體系具有很好的抑制性能和屏蔽暫堵性能，能夠有效的保護(hù)油氣層，有助于在勘探施工過(guò)程中的油氣發(fā)現(xiàn)。

[1]李虎成，段澤輝，胡永堂，等.潿洲組地層井壁穩(wěn)定性技術(shù)在潿洲11-1N油田的應(yīng)用[J].中國(guó)科技博覽，2010（31）：6.

[2]程玉生，符士山，王韶春.潿西南地區(qū)探井鉆井液技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2009，26（2）：90-92.

[3]于培志.聚合醇鉆井液體系的研究與應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2001，23（5）：30-32.

[4]王洪寶，王慶，孟紅霞，等.聚合醇鉆井液在水平井鉆井中的應(yīng)用[J].油田化學(xué)，2003，20（3）：200-201.

[5]劉平德，牛亞斌，張梅.一種新型聚合醇鉆井液體系的研制[J].天然氣工業(yè)，2005，25（1）：100-102.

Study of Drilling Fluid Technology for Weixi Block on Beibu Gulf

YUAN Yikang1, GUO Hui2, LIU Chuanhai2
（1. SINOPEC Offshore Oilfield Services Company, Shanghai 200120, China; 2. Drilling Engineering and Technology Company of Shengli Petroleum Engineering Corporation Limited of SINOPEC, Shandong Dongying 257000, China)

Geological structure is complex in Weixi block. Especially the mudstone intervals in the 2ndsegment of Weizhou Formation and 2ndsegment of Liushagang Formation are characterized by well-developed faults, micro fractures and strong sensitivity. During the drilling operation, collapse, drilling mud leakage and even sticking accidents is easily happened. Based on the analysis and study on the collapse mechanism in the hard and brittle mudstone in Weixi， KCl-Polyglycol drilling fluid system， a strong inhibition and plugging drilling fluid， was developed and used in the drilling operations of Well H2， Well W4 and Well W5 successively. Field application shown the drilling fluid system has good inhibition and seal performance， which guaranteed wellbore stability and downhole safety. The application of KCl-Polyglycol drilling fluid system ensures the wellbore stability and also contributes to the success of Well W4 from high production of more than one thousand tons of oil and gas per day was tested.

Polyglycol drilling fluid systems； inhibition； sealing

TE254

A DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.03.103

1008-2336（2016）03-0103-04

2016-06-23；改回日期：2016-07-14

袁怡康，男，1962年生，工程師，1984年畢業(yè)于廈門(mén)大學(xué)化學(xué)系分析化學(xué)專(zhuān)業(yè)，主要從事海上鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督工作。E-mail：yuanyikang@sina.com。