趙向陽 李寶軍 崔貴濤

1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室

Tarapoa區(qū)塊位于厄瓜多爾Oriente盆地東北部，屬于海相環(huán)境新生界砂泥巖沉積，從上至下主要地層為晚第三系、第三系、白堊系。晚第三系和第三系沉積時間短，地層較新，欠壓實(shí)、穩(wěn)定性差［1］。地層主要為吸水性強(qiáng)極強(qiáng)的大段泥巖，鉆井施工過程中井壁失穩(wěn)、造漿嚴(yán)重，極易引起發(fā)生鉆頭泥包、泥塊堵塞井筒、起下鉆遇阻、卡鉆，甚至造成填井或報廢等一系列井下復(fù)雜。同時該層段為大尺寸、長裸眼井眼設(shè)計，井壁穩(wěn)定問題更為突出。該區(qū)塊處于亞馬遜熱帶雨林區(qū)域，環(huán)保要求苛刻，部分鉆井液材料使用受限。為此開展了鉆井液技術(shù)分析和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，利用硝酸鈣的絮凝作業(yè)和環(huán)境友好的特點(diǎn)，形成了鈣基強(qiáng)封堵鉆井液體系，并在現(xiàn)場應(yīng)用，取得良好的效果，滿足了安全鉆進(jìn)的需要。

1 技術(shù)難點(diǎn)

上部井段主要地層為Chalcan和Orteguaza地層。Chalcana地層位于第三系中—上新統(tǒng)，巖性以咖啡色黏土泥巖、泥質(zhì)砂巖為主，含有礫石，偶爾含有鈣質(zhì)結(jié)塊。層位欠壓實(shí)，成巖性差，穩(wěn)定性較差，泥巖極易水化膨脹，造成井壁失穩(wěn)，引發(fā)坍塌和泥包卡鉆。Orteguaza地層主要巖性為綠色頁巖，中部存在砂巖和薄煤層。該層位頁巖具有片狀結(jié)構(gòu)、易破碎等特點(diǎn)，屬于軟至中硬地層。地層中部泥質(zhì)膠黏的砂巖夾層膠結(jié)疏松，易分散，部分含礫石。薄煤層地層較軟，以煤塊為主，部分夾雜黃鐵礦，力學(xué)性能不穩(wěn)定。由表1地層礦物分析可看出，2個地層黏土礦物含量超過一半，且蒙脫石含量高，同時含有伊利石，進(jìn)一步說明地層易水化、造漿。該區(qū)塊大多為S型井眼軌跡定向井，井身三開結(jié)構(gòu)，具有大位移、大尺寸井眼、裸眼段長的特點(diǎn)。

表1 地層礦物分析Table 1 Analysis on formation minerals %

綜合以上因素，鉆井液施工存在以下難點(diǎn)：（1）上部井段井眼大，地層膠結(jié)松散，環(huán)空返速低的條件下解決井眼清潔的難度較大；（2）地層造漿嚴(yán)重，固相含量增加快，利用聚合物鉆井液體系固相聚結(jié)，易引起泥包、阻卡，且鉆井液流變性能不易控制；（3）頁巖夾雜礫石層和煤層，易破碎，井壁垮塌風(fēng)險大；（4）該井段大尺寸、長裸眼以及造斜點(diǎn)高的特點(diǎn)，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)幾率增大，鉆井液處理難度加大。

2 技術(shù)分析及室內(nèi)研究

該區(qū)塊施工井隊普遍采取細(xì)分散或不分散鉆井液體系，采取強(qiáng)抑制、高黏切、稀釋除鈣、甚至高密度等措施，但效果不甚理想。地層造漿性強(qiáng)，固相污染嚴(yán)重，鉆井液性能難以控制，鉆頭泥包、縮徑時常發(fā)生。經(jīng)過分析和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，利用硝酸鈣的高價陽離子絮凝、抑制和低活度引起的滲透壓作用［2］，確定了以“低黏高切、粗分散、強(qiáng)封堵”為特點(diǎn)的粗分散鈣基強(qiáng)封堵鉆井液體系，基礎(chǔ)配方為：1%～3%硝酸鈣+1%～3%乳化封堵劑G325+0.3%～0.5%防泥包劑G318+0.1%～0.3%提黏劑XC+石灰石（根據(jù)密度）。該體系關(guān)鍵技術(shù)在于：以粗分散模式防止鉆屑聚集，低黏度形成紊流沖刷鉆具和井壁，適當(dāng)?shù)那辛腋〖又夭牧?，封堵下部破碎地層，結(jié)合工程措施保持井底清潔，井壁穩(wěn)定。

硝酸鈣是一種化學(xué)肥料，極易溶于水，且不含氯離子，作為鈣處理劑的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境可接受性好，滿足厄瓜多爾環(huán)保要求。

2.1 抑制性評價

進(jìn)行滾動回收率實(shí)驗(yàn)，與其他體系進(jìn)行對比，結(jié)果表明（圖1），鈣基強(qiáng)封堵鉆井液體系一次和二次回收率分別為88.28%和73.54%，具有較高的回收率，說明該體系抑制泥頁巖分散的能力強(qiáng)，能有效控制泥頁巖水化分散、控制膨潤土含量和固相。

圖1 鉆井液回收率測試對比Fig. 1 Measurement and comparison of drilling fluid recovery ratio

同時測試了常溫常壓下16 h人工巖心膨脹量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（圖2），鈣基強(qiáng)封堵鉆井液的黏土膨脹量僅為4.287 mm，大大低于復(fù)合鹽鉆井液，說明該鉆井液體系能抑制黏土遇水膨脹。

圖2 鉆井液膨脹量測試對比Fig. 2 Measurement and comparison of drilling fluid swelling capacity

2.2 封堵性評價

進(jìn)行了鉆井液封堵性評價實(shí)驗(yàn)，鈣基強(qiáng)封堵鉆井液體系對巖心平均封堵率95.77%，切掉傷害端1 cm后，鉆井液的平均傷害率為13.47%，平均恢復(fù)率為86.53%，說明鉆井液體系能實(shí)現(xiàn)對地層的有效封堵［3］。

2.3 抗黏土污染性評價

在基漿中加入不同含量的膨潤土，測試配方抗黏土污染性能，結(jié)果見表2，加8%膨潤土?xí)r，黏切明顯增大，表觀黏度是2%膨潤土的一倍；加10%膨潤土?xí)r，出現(xiàn)掛壁現(xiàn)象，但流動性較好；膨潤土含量12%時，高攪杯壁附近不能攪動，流動性變差，表明該配方最大抗黏土量為10%。

表2 抗黏土污染性能測試Table 2 Clay resistance test

2.4 粒徑分布測試

測試了在鈣基鉆井液和復(fù)合鹽鉆井液中分別加入8%的膨潤土后粒度分布變化，結(jié)果見圖3，可以看出，復(fù)合鹽鉆井液中黏土顆粒分布寬泛，鈣基鉆井液體系中，黏土亞微米顆粒減少，顆粒聚集趨勢明顯增大，有利于固控清除［4］，降低鉆井液的黏滯性，提高機(jī)械鉆速。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

圖3 鉆井液粒度分布測試Fig. 3 Test of particle size distribution of drilling fluid

在Tarapoa區(qū)塊應(yīng)用十多口井，效果顯著。鉆進(jìn)上部欠壓實(shí)地層應(yīng)用鈣基強(qiáng)封堵鉆井液，井壁穩(wěn)定，起鉆下順暢，不通井，下?339.7 mm套管至2 000 m一次到位。鉆進(jìn)過程中鉆井液性能穩(wěn)定，流變性能、密度都普遍低于相同地層鉆進(jìn)的其他鉆井液體系，易于控制，且維護(hù)簡單。其中2口井分別刷新了安第斯項(xiàng)目當(dāng)?shù)厮骄投ㄏ蚓畽C(jī)械鉆速記錄。

3.1 技術(shù)措施

針對上部第三系欠壓實(shí)地層造漿嚴(yán)重、鉆速快、鉆井液密度和固相上升快等特點(diǎn)，應(yīng)用鈣基強(qiáng)封堵鉆井液技術(shù)鉆進(jìn)，主要利用鈣離子建立粗分散、強(qiáng)抑制、低流變體系的特點(diǎn)，結(jié)合大排量沖刷井底，確保井底清潔，避免鉆頭泥包、縮徑和循環(huán)管線系統(tǒng)堵塞，同時利于機(jī)械鉆速的提高［5］。一開鉆進(jìn)后，清水鉆進(jìn)，地層自然造漿。根據(jù)地層和鉆井液性能，轉(zhuǎn)化鉆井液為鈣離子處理，逐漸提高鈣離子濃度，維持體系的鈣離子有效含量在1 600～2 000 mg/L，防止黏土聚集［6］，特別是Chalcan地層，井壁縮徑趨勢明顯。下部地層加入G325封堵劑，加大石灰石粉用量，逐漸提高封堵能力。同時控制鉆井液密度，依靠地層造漿穩(wěn)步提高，避免過快或過慢提高，觀察振動篩返出情況和鉆進(jìn)情況，保持密度在1.20 g/cm3以下，在完鉆時為保證下套管順利將密度至1.24 g/cm3。保持低流變值，漏斗黏度控制在40 s左右，動切力2～3 Pa，隨井深增加逐漸提升至6～7 Pa，結(jié)合60 L/s大排量，能有效清洗鉆具和沖刷井壁，保證井眼凈化良好，避免鉆頭泥包和循環(huán)管線堵塞。鉆進(jìn)期間利用三級固控設(shè)備，有效清除粗分散體系的劣質(zhì)固相，降低體系內(nèi)的低固相（LGS）比例小于10%，MBT小于70 kg/m3。

工程措施方面，注意開泵方式，防止憋漏地層。每打完2柱后，用膨潤土和提黏劑配制稠漿循環(huán)一周，倒劃眼一次，劃眼過程中提高排量和轉(zhuǎn)速至最大值。在定向工具開始滑動鉆進(jìn)后，每鉆進(jìn)100 m再加一次稀釋漿，用架橋堵漏材料配制，沖刷井壁減少虛泥餅，防止井下沉砂和PDC鉆頭泥包。

3.2 取得效果

（1）在安第斯項(xiàng)目Tarapoa區(qū)塊利用鈣基強(qiáng)封堵鉆井液體系，在低黏度、低密度情況下，實(shí)現(xiàn)了良好的防塌效果，造漿率低，井壁穩(wěn)定，有效解決了上部欠壓實(shí)地層縮徑、部分地層夾雜礫石層坍塌引起的起下鉆遇阻、下套管不到位的井下復(fù)雜情況。使用鈣基強(qiáng)封堵鉆井液有效地抑制了地層造漿，從而控制鉆井液密度和黏度，保持鉆井液密度基本在1.20 g/cm3以下，黏度小于40 s。

（2）上部地層除了易分散的泥巖，部分井還夾雜礫石層，研磨性強(qiáng)，如果不能及時從井筒清除，極易導(dǎo)致阻卡。充分利用該體系粗分散、低黏高切的特點(diǎn)，充分循環(huán)，定期清掃井底，同時結(jié)合工程措施大排量循環(huán)，滿足了消除沉砂、井眼凈化的要求。

（3）由于地層造漿嚴(yán)重，使用其他鉆井液體系時，黏土易聚結(jié)成塊，導(dǎo)致鉆頭泥包無進(jìn)尺，甚至卡鉆；膠結(jié)黏泥堵塞井筒或循環(huán)管線，引起泥漿泵泵壓升高、停泵等問題。在應(yīng)用鈣基強(qiáng)封堵鉆井液體系后，分散的大黏土顆粒經(jīng)低流變的高剪切，消除了聚結(jié)的可能性，再利用少量的防泥包劑G318，解決了上部井段鉆進(jìn)時鉆頭泥包及管線堵塞問題，提升了生產(chǎn)時效。

（4）Tarapoa區(qū)塊施工過程中，一開使用鈣基強(qiáng)封堵鉆井液結(jié)合PDC鉆頭，低黏度、低密度，鉆頭射流沖擊力強(qiáng)，利于破巖，提高了機(jī)械鉆速。完成的十幾口井，上部井段平均機(jī)械鉆速大于20 m/h，實(shí)際鉆井時間和完井時間明顯縮短，都小于設(shè)計天數(shù)。

（5）鈣基強(qiáng)封堵鉆井液的絮凝作用，使該鉆井液能利用離心機(jī)進(jìn)行良好的固液分離，而不需要添加任何其他處理劑。分離的液相含有鈣離子等有效成分，再次用于配制鉆井液，實(shí)現(xiàn)了一開鉆井液的有效直接回收利用。

4 結(jié)論

（1）鈣基強(qiáng)封堵鉆井液利用控制鈣離子濃度1600～2 000 mg/L，形成低黏高切、低密度粗分散體系，具有較強(qiáng)的抑制性和封堵性，絮凝效果良好，流變性能穩(wěn)定，攜巖性能強(qiáng)，井眼凈化效果好。

（2）鈣基強(qiáng)封堵鉆井液體系在厄瓜多爾Tarapoa區(qū)塊上部欠壓實(shí)地層應(yīng)用十多口井，解決了該井段造漿性強(qiáng)、固相污染嚴(yán)重、鉆頭泥包、縮徑、泥漿性能難以控制等問題，井壁穩(wěn)定，起下鉆無遇阻，下套管順利，同時提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆完井時間，滿足了上部復(fù)雜地層大井眼安全快速鉆進(jìn)的要求。

（3）鈣基強(qiáng)封堵鉆井液轉(zhuǎn)化、維護(hù)、處理簡單，排放量少，環(huán)保性能好，利于回收利用，成本低。