張 平

(中國石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830011)

順北蓬1井是中國石化部署在塔里木盆地順托果勒低隆起北緣的一口重點(diǎn)超深風(fēng)險(xiǎn)預(yù)探井，目的為探索順8井北三維區(qū)北東向隱伏斷裂控制下的儲層發(fā)育特征、橫向展布規(guī)律及含油氣性，為深化油藏研究和該地區(qū)下一步的勘探部署提供依據(jù)。該井設(shè)計(jì)井深9 075.19 m，采用五開井身結(jié)構(gòu)。其中，二開為φ444.5 mm大尺寸井眼，中完井深5 350.00 m，裸眼段長4 751.00 m，需鉆穿三疊系和二疊系地層。三疊系阿克庫勒組和柯吐爾組地層以泥巖為主，夾砂礫巖，鉆進(jìn)時(shí)易水化膨脹，井眼失穩(wěn)問題突出；二疊系發(fā)育巨厚英安巖及玄武巖等火成巖，地層裂縫孔隙發(fā)育，有井塌和井漏雙重風(fēng)險(xiǎn)[1]。順北蓬1井的鄰井在鉆進(jìn)該地層時(shí)頻繁出現(xiàn)問題：順北評2H井采用1.25～1.26 kg/L鉆井液鉆進(jìn)二疊系地層(4 790.00～5 305.00 m井段)過程中發(fā)生較大漏失3次，累計(jì)漏失鉆井液220.9 m3，耗時(shí)4.25 d；順北5井以長裸眼形式穿過二疊系地層(4 966.00～5 388.00 m井段)，鉆進(jìn)中無漏失，但在三疊系中下部—奧陶系恰爾巴克組地層(4 284.00～7 317.00 m井段)后期鉆井及中完階段阻卡頻繁，且三疊系—二疊系地層井徑擴(kuò)大率達(dá)到24.5%；順北3井鉆進(jìn)二疊系地層(4 436.00～4 982.00 m井段)時(shí)漏失卡鉆1次，只得回填側(cè)鉆，側(cè)鉆前漏失6次，累計(jì)漏失1 026.0 m3，側(cè)鉆后鉆進(jìn)二疊系及以深地層漏失7次(為反復(fù)漏失)，累計(jì)漏失1 584.0 m3?？梢?，要順利完成順北蓬1井二開大尺寸井眼鉆井施工，不發(fā)生井塌、井漏等問題，須研究超長大尺寸井眼井筒強(qiáng)化鉆井液技術(shù)。為此，筆者在分析三疊系、二疊系地層井塌井漏原因的基礎(chǔ)上，優(yōu)選抑制劑、防塌劑和封堵劑等處理劑，構(gòu)建了強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵鉆井液體系，結(jié)合現(xiàn)場具體情況制定了技術(shù)措施，配套了施工工藝，成功完成了順北蓬1井二開大尺寸長裸眼段鉆井施工，并創(chuàng)造了φ444.5 mm鉆頭鉆深5 350.00 m和φ339.7 mm套管下深5 349.00 m的國內(nèi)石油工程新紀(jì)錄。

1 井塌井漏原因分析

1.1 三疊系地層井眼失穩(wěn)機(jī)理

1.1.1 礦物組成

巖石礦物組成反映地層巖石特性，研究巖石的礦物組成是分析井眼失穩(wěn)機(jī)理的基礎(chǔ)[2]，可為解決工程地質(zhì)及井眼穩(wěn)定問題提供重要依據(jù)。為此，采用X-射線衍射的方法，對順北區(qū)塊三疊系柯吐爾組地層的礦物組成進(jìn)行了定量分析，結(jié)果見表1。

表1 三疊系柯吐爾組地層礦物組成分析Table 1 Stratigraphic mineral composition analysis of Triassic Ketuer Formation

由表1可知，三疊系柯吐爾組地層以黏土礦物為主，含量達(dá)26.6%～44.7%，黏土礦物中蒙脫石、伊/蒙混層含量高達(dá)55.3%～68.7%，水敏效應(yīng)較強(qiáng)；同時(shí)，石英、長石和方解石等脆性礦物的平均含量達(dá)50%以上，屬于典型的硬脆性泥頁巖，鉆井過程中在外力作用下容易產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫，增加井眼失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

1.1.2 微觀結(jié)構(gòu)特征

井眼失穩(wěn)現(xiàn)象與地層巖石的微觀結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)[3-4]。為此，采用掃描電子顯微鏡觀察了三疊系地層巖樣的微觀形貌特征，如圖1所示。

由圖1可知，三疊系地層微孔隙發(fā)育，連通性較好，微裂縫、層理發(fā)育，裂縫寬度為1～14 μm。分析認(rèn)為，鉆井過程中，鉆井液濾液會沿著微裂縫優(yōu)先侵入地層內(nèi)部，與地層發(fā)生水化作用，導(dǎo)致地層內(nèi)部應(yīng)力不平衡，使地層強(qiáng)度降低，最終在微裂縫等力學(xué)弱面發(fā)生剝落掉塊和坍塌[5-9]。

1.1.3 理化性能

選取三疊系地層巖樣，參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鉆井液用聚丙烯酰胺鉀鹽》(SY/T 5946—2002)，進(jìn)行了巖樣膨脹特性和水化分散試驗(yàn)，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 水化膨脹特性試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of hydration expansion characteristics

圖3 滾動(dòng)分散回收率試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of rolling dispersion recovery test

由圖2、圖3可知，三疊系地層巖樣水化分散性較強(qiáng)，水化膨脹性較弱，但水化膨脹初期膨脹速率較快。分析認(rèn)為，泥頁巖與入井流體接觸后在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到吸附平衡，強(qiáng)烈的局部水化作用將改變地層內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，使巖石強(qiáng)度降低，導(dǎo)致井眼失穩(wěn)。

測試了三疊系地層巖樣比表面積和比親水量，并將其與蒙脫石、伊利石進(jìn)行了對比，結(jié)果見表2。

由表2可知，三疊系巖樣的單位吸水量較低(平均為0.55 g/g)，但比親水量較大(平均為10.54 mg/m2)，與蒙脫石相當(dāng)，水化膜短程斥力將導(dǎo)致水化界面變形或破裂。強(qiáng)烈的局部水化作用將改變地層內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，促使微裂縫開裂、延伸、相互貫通，最終沿層理、微裂縫等力學(xué)弱面發(fā)生剪切破壞。因此，鉆井中應(yīng)加強(qiáng)鉆井液對黏土水化效應(yīng)的抑制作用[10-13]。

表2三疊系地層巖樣及蒙脫石、伊利石的比表面積和比親水量

Table2ThespecificareaandspecifichydrophiliccapacityofTriassicstrata

巖樣比表面積/(m2·g-1)單位吸水量/(g·g-1)比親水量/(mg·m-2)1#55.230.6211.172#57.310.6110.733#53.480.5510.244#44.280.4410.00蒙脫石823.108.159.91伊利石103.221.1911.62

1.2 二疊系火成巖漏失原因

二疊系地層易漏失是影響順北區(qū)塊安全快速鉆井的主要因素，該區(qū)塊已鉆井二疊系地層鉆井漏失發(fā)生率達(dá)到50%以上。部分已鉆井的鉆井液漏失情況見表3。

表3順北區(qū)塊部分井二疊系地層鉆井液漏失情況

Table3StatisticsontheleakageofpartialwellsinBlockShunbei

井號漏失井深/m漏失類型漏失發(fā)生時(shí)間漏失量/m3順北5-1X4 953.43間歇性鉆進(jìn)9.483 950.00～5 362.11失返性下套管及固井600.00順北5-2失返性固井158.00順北5-34 823.67間歇性鉆進(jìn)92.774 274.74失返性下套管及固井352.72順北75 075.89失返性鉆進(jìn)174.054 818.00失返性下套管及固井304.00順北鷹14 975.19間歇性鉆進(jìn)36.705 005.68間歇性鉆進(jìn)14.305 396.00失返性固井356.00

順北區(qū)塊二疊系地層發(fā)育巨厚英安巖及玄武巖等火成巖，埋深4 424.00～5 370.00 m，層厚400.00～700.00 m，主要為英安巖與凝灰?guī)r互層[14]。通過分析順北3井二疊系地層成像測井資料和順北5-5井二疊系地層巖心可知，該區(qū)塊二疊系英安巖、凝灰?guī)r內(nèi)部微裂縫發(fā)育，縱向分布以溶蝕孔洞為主，裂縫寬度0.5～3.0 mm。進(jìn)一步分析認(rèn)為，火成巖微觀裂縫對井筒壓力比較敏感，鉆井液密度稍高則易發(fā)生裂縫擴(kuò)展性漏失，二疊系火成巖縱向裂縫與溶洞發(fā)育、連通性好和壓力敏感性是施工過程中發(fā)生漏失的主要原因。

2 井筒強(qiáng)化鉆井液技術(shù)

2.1 三疊系地層井眼穩(wěn)定措施

通過以上分析可知，在順北區(qū)塊三疊系地層大尺寸長裸眼鉆進(jìn)過程中，鉆井液的抑制防塌性能是關(guān)鍵。為此，通過室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選了鉆井液關(guān)鍵處理劑，進(jìn)行了井筒強(qiáng)化鉆井液技術(shù)研究。

2.1.1 強(qiáng)化鉆井液的黏土水化抑制性能

篩選效果較好的抑制劑對于長裸眼的井眼穩(wěn)定至關(guān)重要。在對規(guī)模化應(yīng)用的抑制劑進(jìn)行初步篩選的基礎(chǔ)上，通過線性膨脹和滾動(dòng)回收試驗(yàn)，對無機(jī)抑制劑KCl、有機(jī)抑制劑SMJA-1與D230和小陽離子NL-5等進(jìn)行了優(yōu)選。

將一定量的膨潤土分別加入去離子水和上述抑制劑的水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%)中，計(jì)算其線性膨脹率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 膨潤土線性膨脹試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of linear expansion test

從圖4可以看出，膨潤土在去離子水中的線性膨脹率最大，達(dá)到48.5%；在SMJA-1溶液中線性膨脹率最小，僅為10.6%，說明SMJA-1具有較強(qiáng)的抑制黏土水化膨脹的能力。

將取自順北區(qū)塊三疊系地層的泥頁巖巖屑，分別加入蒸餾水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的KCl、SMJA-1、D230和NL-5溶液中，進(jìn)行熱滾回收率試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，巖屑在蒸餾水中的回收率為23.5%，最低；在SMJA-1溶液中的回收率為86.3%，最高。這說明SMJA-1的抑制效果優(yōu)于其他抑制劑。

綜合考慮線性膨脹、熱滾回收率試驗(yàn)、KCl對泥巖的抑制作用及該井鉆井液設(shè)計(jì)中對K+濃度的要求，最終選擇SMJA-1和KCl為鉆井液的主要抑制劑。

圖5 泥頁巖巖屑熱滾回收率試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of shale cuttings hot-rolling recovery rate test

2.1.2 強(qiáng)化鉆井液的封堵性能

針對三疊系地層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)及溫度特征，決定選用剛性粒子、可變形粒子常規(guī)封堵材料與微納米尺度封堵材料相結(jié)合，通過合理的粒度級配，在近井壁形成一層致密承壓封堵層，阻緩壓力傳遞及濾液侵入。為此，對常用的SMNA-1、MFJ-3和NM-1等3種可變形粒子防塌劑進(jìn)行了性能評價(jià)試驗(yàn)。試驗(yàn)通過向基漿中分別加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上述3種封堵防塌劑，測定濾失量的變化，結(jié)果見圖6。

圖6 封堵防塌劑濾失量試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of plugging and anti-sloughing agent fluid loss test

從圖6可以看出，隨著封堵防塌劑加量的增大，基漿的API濾失量先急劇下降，出現(xiàn)拐點(diǎn)后下降幅度越來越小，其中SMNA-1的降濾失效果最好，最優(yōu)加量為2.0%。

根據(jù)以上研究，形成了防治三疊系地層井眼失穩(wěn)的強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵鉆井液體系，其配方(記為配方1)為：4.0%膨潤土+0.2%Na2CO3+2.0%SPNH+2.0%SMC+1.5%SMP-2+0.3%PAC-LV+0.5%KPAM+1.0%SMJA-1+1.5%KCl+2.0%SMNA-1+1.0%QS-2+0.5%液體潤滑劑SMJH-1。

2.2 二疊系地層防漏堵漏技術(shù)對策

根據(jù)二疊系地層的漏失特征，采取以防為主、隨鉆封堵的技術(shù)思路，即在鉆進(jìn)中向鉆井液中加入一定濃度的堵漏材料，使其在裂縫近井壁地帶形成致密封堵層，阻斷井筒壓力向地層傳遞，防止裂縫開啟及延伸。

2.2.1 隨鉆防漏材料篩選

利用無滲透濾失儀(20～40目砂床)評價(jià)了超細(xì)碳酸鈣QS-2、屏蔽暫堵劑PB-1、竹纖維等常用隨鉆防漏材料和封堵劑SMGF-1的封堵性能，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 隨鉆防漏材料優(yōu)選試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of lost circulation materials selection test

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定將SMGF-1作為該井段的隨鉆防漏材料。且由表4可知，SMGF-1與其他材料配合使用可達(dá)到更好的封堵效果。因此，最終確定防漏配方為：井漿+2.0%～3.0%QS-2(500～800目)+ 1.0%～3.0% SMGF-1+3.0%高軟化點(diǎn)瀝青。研究認(rèn)為，該配方可封堵縫寬為0.5 mm的裂縫，承壓能力大于7.0 MPa。

2.2.2 停鉆專堵技術(shù)措施

通過室內(nèi)試驗(yàn)，從強(qiáng)度、回彈率、圓度和球度等方面綜合考慮，確定將云母、碳酸鈣、高強(qiáng)支撐劑GQJ系列產(chǎn)品和礦物纖維作為二疊系地層堵漏材料。根據(jù)SAN-2工程分布理論[15]，對顆粒材料進(jìn)行合理的粒徑級配，根據(jù)地層裂縫尺度和漏失特征，確定纖維和片狀材料的加量，最終形成了適用于不同漏速的橋接堵漏配方。

1) 漏速不大于10 m3/h時(shí)，配方為：井漿+5.0%～10.0%碳酸鈣+3.0%～5.0%GQJ-3+1.0%～3.0%云母+1.0%～2.0%礦物纖維+1.0%～3.0%SMGF-1。利用DLM-01型堵漏模擬裝置評價(jià)了上述配方的承壓能力，結(jié)果表明，該配方可封堵縫寬為1.0～2.0 mm的裂縫，承壓能力大于7.0 MPa。

2) 漏速大于10 m3/h而不大于30 m3/h時(shí)，配方為：井漿+8.0%～10.0%碳酸鈣+1.0%～3.0%GQJ-2+3.0%～5.0%GQJ-3+2.0%～4.0%云母+1.0%～3.0%礦物纖維+3.0%～5.0% SMGF-1。利用DLM-01型堵漏模擬裝置評價(jià)了上述配方的承壓能力，結(jié)果表明，該配方可以封堵縫寬為2.0～3.0 mm的裂縫，承壓能力大于7.0 MPa。

3) 漏速大于30 m3/h時(shí)，配方為：井漿+10.0%～15.0%碳酸鈣+1.0%～3.0%GQJ-1+2.0%～4.0%GQJ-2+4.0%～6.0%GQJ-3+2.0%～4.0%云母+1.0%～3.0%礦物纖維+3.0%～5.0% SMGF-1。利用DLM-01型堵漏模擬裝置評價(jià)了上述配方的承壓能力，結(jié)果表明，該配方可封堵縫寬為3.0～5.0 mm的裂縫，承壓能力大于7.0 MPa。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場施工工藝

結(jié)合室內(nèi)研究成果，對順北蓬1井二開φ444.5 mm長裸眼段實(shí)施了如下井筒強(qiáng)化鉆井液工藝措施：

1) 鉆進(jìn)期間，全力開動(dòng)四級固控設(shè)備清除有害固相。

2) 鉆至井深3 870.00 m時(shí)，一次性加入1.5 t聚胺和58.0 t KCl，鉆井液中聚胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于1.0%，鉀離子濃度不低于15 000 mg/L。

3) 三疊系地層采用強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵鉆井液，處理劑嚴(yán)格按照配方1的加量進(jìn)行維護(hù)，控制鉆井液各項(xiàng)性能。具體為：逐步加入20 kg/m3磺化酚醛樹脂、20 kg/m3褐煤樹脂等降濾失劑，鑲嵌成膜防塌劑濃度應(yīng)不低于20 kg/m3，配合10～20 kg/m3超細(xì)碳酸鈣、5～10 kg/m3單向壓力屏蔽劑和3～8 kg/m3微納米封堵劑，控制三疊系以深地層API濾失量≤4 mL、高溫高壓濾失量≤10 mL。

4) 鉆至井深4 800.00 m(二疊系地層之前)時(shí)，以配方1為基礎(chǔ)進(jìn)行隨鉆防漏，向井漿中循環(huán)加入4.0% QS-2(500～800目)、3.0% SMGF-1和3.0%高軟化點(diǎn)瀝青。在二疊系地層鉆進(jìn)期間鉆井液密度控制在1.23～1.30 kg/L，API濾失量≤4 mL，高溫高壓濾失量≤10 mL，以低黏低切鉆進(jìn)，保持良好的流動(dòng)性，控制塑性黏度為18 ～25 mPa·s，動(dòng)切力為4 ～10 Pa，以保證環(huán)空流動(dòng)阻力、降低井漏風(fēng)險(xiǎn)。

5) 嚴(yán)格控制起下鉆速度，每柱鉆桿起下時(shí)間控制在 65～70 s，以避免起下鉆時(shí)產(chǎn)生抽汲和激動(dòng)壓力。下鉆頂通時(shí)緩慢開泵，先小排量循環(huán)，待井口返漿并且泵壓正常后再逐漸提高排量，盡可能減小開泵產(chǎn)生的激動(dòng)壓力，防止誘發(fā)井漏。

6) 下套管時(shí)根據(jù)地層巖性特征及井眼狀況，結(jié)合循環(huán)系統(tǒng)實(shí)際情況，分別對三疊系中下部、二疊系漏層及井底進(jìn)行分段打封閉漿，具體采取的防漏技術(shù)措施包括：

a) 按“井漿+0.5%液體潤滑劑+1.0%乳化瀝青RHJ-3”配方配制封井漿，封閉三疊系中下部地層，實(shí)際入井42.0 m3；

b) 二疊系漏層按“井漿+2.0%SQD-98+2.0%CXD+2.0%云母+2.0%SMGF-2+0.5%SMTQ+2.0%石灰石粉+2.0%GQJ-5+1.0%液體潤滑劑+1.0%固體潤滑劑+1.0%乳化瀝青RHJ-3”配制封井漿，實(shí)際入井35.0 m3；

c) 按井漿+1.0%液體潤滑劑+1.0%固體潤滑劑+1.0%溫敏變形封堵劑+1.0%SPNH+0.2%PFL”配方封閉井底，實(shí)際入井42.0 m3。

3.2 應(yīng)用效果分析

順北蓬1井二開鉆進(jìn)過程中鉆井液性能保持穩(wěn)定，返出的泥巖鉆屑棱角分明，完整度高，裸眼段井筒穩(wěn)定、鉆進(jìn)順暢，未出現(xiàn)失穩(wěn)垮塌問題。二開井段平均井徑擴(kuò)大率僅為4.7%(如圖7所示)，創(chuàng)造了順北二疊系地層平均井徑擴(kuò)大率最小紀(jì)錄。另外，防漏、堵漏效果也非常顯著，鉆進(jìn)過程中井壁單位面積滲漏量較鄰井降低25.1%。二開長裸眼測井和下套管等作業(yè)均一次性順利到底，未發(fā)生因鉆井液問題引發(fā)的井下故障。

圖7 順北蓬1井二開井段電測井徑曲線Fig.7 Caliper curve of the second spud section in Well SHBP1

而且，順北蓬1井先后創(chuàng)造了φ444.5 mm鉆頭鉆深5 350.00 m和φ339.7 mm套管下深5 349.00 m等2項(xiàng)國內(nèi)石油工程紀(jì)錄。

4 結(jié) 論

1) 順北區(qū)塊三疊系地層主要為硬脆性泥頁巖，微裂縫、層理發(fā)育，裂縫寬度為1～14 μm，鉆井液濾液沿微裂縫侵入井壁、降低地層強(qiáng)度是引起井眼失穩(wěn)的主要原因。二疊系英安巖、凝灰?guī)r內(nèi)部微裂縫發(fā)育，裂縫寬度為0.5～3.0 mm，縱向分布以溶蝕孔洞為主并與裂縫溝通，是引起井漏的主要原因。

2) 室內(nèi)優(yōu)選的以聚胺SMJA-1和KCl為主要抑制劑的鉆井液體系，能有效抑制泥頁巖表面水化作用，保持巖石的原始強(qiáng)度；選用的以可變形粒子SMNA-1和常微納米尺度封堵材料SMGF-1，搭配合理的粒度級配，能在近井壁形成一層致密承壓封堵層，阻緩壓力傳遞及濾液侵入。

3) 研究的以強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵鉆井液及配套施工工藝為核心的井筒強(qiáng)化鉆井液技術(shù)，在順北蓬1井二開大井眼長裸眼井段取得了良好效果，鉆井施工順利并創(chuàng)造了2項(xiàng)石油工程新紀(jì)錄，可為后續(xù)順北區(qū)塊類似井的鉆井施工提供借鑒。

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