凡 帆， 劉 偉， 賈 俊

（1. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；2. 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安 710018）

長(zhǎng)北區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東部，主要產(chǎn)層是山西組2 段，具有層薄、低孔、低滲、低壓、低產(chǎn)和非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。長(zhǎng)北區(qū)塊采用雙分支水平井進(jìn)行開發(fā)，單支水平段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度達(dá)2 000 m，采用裸眼完井[2]，針對(duì)儲(chǔ)層特點(diǎn)及儲(chǔ)層保護(hù)的要求，采用“剛性粒子+可變形粒子”的屏蔽暫堵技術(shù)，研制了NDW 無土相低傷害鉆井液，在長(zhǎng)北區(qū)塊40 多口雙分支水平井進(jìn)行了應(yīng)用，均裸眼完井并直接氣舉投產(chǎn)，其中20 多口井日產(chǎn)氣量超100×104m3，單井日產(chǎn)氣量最高達(dá)220×104m3，儲(chǔ)層保護(hù)效果較好[3]。但隨著CX 叢式生產(chǎn)井持續(xù)生產(chǎn)，導(dǎo)致地層壓力衰減，造成鉆井過程中井底與儲(chǔ)層間的壓差增大，同時(shí)長(zhǎng)北區(qū)塊的主滲流孔喉半徑為0.04～2.30 μm，平均為0.44 μm；對(duì)滲流貢獻(xiàn)最大的孔喉半徑為0.07～9.38 μm，平均為1.12 μm，而控制孔隙體積大多數(shù)的孔喉半徑為0.01～0.10 μm，因此液相侵入后極易造成水鎖傷害，加劇了鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害[4-6]，現(xiàn)用NDW 無土相低傷害鉆井液無法滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。為此，筆者在分析長(zhǎng)北區(qū)塊儲(chǔ)層敏感性和水鎖傷害機(jī)理的基礎(chǔ)上，研制了鉆井液用解水鎖劑G311，并對(duì)無土相低傷害鉆井液配方進(jìn)行了優(yōu)化，形成了適用于壓力衰減儲(chǔ)層保護(hù)的無土相防水鎖低傷害鉆井液，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了良好的效果。

1 儲(chǔ)層損害機(jī)理分析

長(zhǎng)北區(qū)塊儲(chǔ)層地質(zhì)特征研究表明：長(zhǎng)北氣藏屬低滲、低壓氣藏，非均質(zhì)性強(qiáng)，孔喉結(jié)構(gòu)變化大；同時(shí)，儲(chǔ)層含有泥質(zhì)雜基、伊蒙混層礦物、伊利石、高嶺石、綠泥石和其他膠結(jié)物[7-8]。巖石性質(zhì)決定了儲(chǔ)層可能存在水鎖效應(yīng)、水敏損害、速敏損害等潛在傷害因素，因此通過室內(nèi)試驗(yàn)分析儲(chǔ)層傷害機(jī)理。

1.1 儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)

參照SY/T 5358—2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》，選取長(zhǎng)北區(qū)塊山西組2 段儲(chǔ)層巖心，以氮?dú)庾鳛榱鲃?dòng)介質(zhì)，測(cè)得巖心束縛水飽和度下的氣體滲透率作為初始滲透率，進(jìn)行長(zhǎng)北區(qū)塊儲(chǔ)層敏感性試驗(yàn)。結(jié)果表明，該儲(chǔ)層水敏損害程度中等偏強(qiáng)，速敏損害程度中等偏弱,鹽敏、酸敏、堿敏和應(yīng)力敏感損害程度均較弱。

1.2 水鎖傷害機(jī)理分析

1.2.1 儲(chǔ)層自吸水能力評(píng)價(jià)

選取3 塊長(zhǎng)北區(qū)塊山西組2 段儲(chǔ)層巖心，用標(biāo)準(zhǔn)鹽水模擬地層水，在常溫下進(jìn)行了巖心自吸水飽和度隨時(shí)間變化的試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

從表1 可看出，3 塊巖心在開始的30 min 內(nèi)自吸含水飽和度隨時(shí)間變化很快，表明長(zhǎng)北區(qū)塊儲(chǔ)層通過自吸入就可以達(dá)到較高的含水飽和度，具有極強(qiáng)的吸水能力。

表 1 巖心自吸含水飽和度隨吸水時(shí)間的變化Table 1 Self-absorbed water saturation of cores with time

1.2.2 水鎖傷害評(píng)價(jià)

水鎖傷害主要取決于儲(chǔ)層原始含水飽和度與束縛水飽和度之差，差值越大，對(duì)氣藏的傷害越嚴(yán)重[9-10]。為此，進(jìn)行了長(zhǎng)北區(qū)塊山西組2 段儲(chǔ)層巖心的水鎖傷害試驗(yàn)，評(píng)價(jià)儲(chǔ)層由于水相滯留引起的儲(chǔ)層傷害情況，結(jié)果見表2。

表 2 山西組2 段巖心水鎖傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of water-locking damage experiment with cores in the second member of Shanxi Formation

從表2 可以看出，長(zhǎng)北區(qū)塊山西組2 段儲(chǔ)層存在強(qiáng)水鎖傷害，即儲(chǔ)層中水相滯留對(duì)儲(chǔ)層的傷害較為嚴(yán)重，平均傷害率達(dá)81.2%。

1.3 壓力衰減對(duì)儲(chǔ)層傷害的影響

隨著CX 叢式生產(chǎn)井持續(xù)生產(chǎn)，地層壓力系數(shù)從0.90 逐漸降至0.70，在鉆井液密度不變的情況下，井底與儲(chǔ)層間的壓差增大，鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害加劇。為此，選取21 塊山西組2 段儲(chǔ)層巖心，采用NDW 無土相低傷害鉆井液，進(jìn)行壓力衰減對(duì)儲(chǔ)層傷害影響評(píng)價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果見表3。NDW 無土相低傷害鉆井液基礎(chǔ)配方為：0.3%～0.5% 提黏提切劑G310+3.0%～5.0%復(fù)合暫堵劑G302+2.0%～3.0%酸溶降濾失劑G301+0.3%～0.5%降濾失劑PAC-L+0.5%～1.0%除氧劑+0.1%～0.2%殺菌劑+0.4%～0.6%NaOH+石灰石。

表 3 不同壓差下的巖心傷害試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of core damage under different pressure differences

由表3 可知，隨著壓差增大，巖心的傷害率也增大。這是由于壓差增大，侵入地層流體的流速增大，地層中黏土礦物發(fā)生水化膨脹運(yùn)移將喉道堵塞，造成水敏和速敏損害[11-13]；同時(shí)，侵入地層的液相增多，引起儲(chǔ)層水鎖傷害，而井壁上的濾餅增厚，從而導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透能力顯著降低。

2 解水鎖劑G311 的研制

根據(jù)長(zhǎng)北區(qū)塊儲(chǔ)層的傷害機(jī)理分析結(jié)果，確定了鉆井液的研制思路：解除水鎖，降低鉆井液濾液表面張力，提高液相返排能力[14-18]；抑制水敏礦物水化膨脹，防止堵塞孔喉。

根據(jù)以上技術(shù)思路，自主研發(fā)了鉆井液用解水鎖劑G311，其主要由氟烷基季胺鹽表面活性劑、乙二醇醚、有機(jī)胺及低碳醇組成。其中，氟烷基季胺鹽表面活性劑具有降低表面張力的能力，但難溶于水；乙二醇醚可改善該表面活性劑的水溶性，有機(jī)胺能抑制水敏礦物的水化膨脹，低碳醇具有提高氣體滲透率的作用。因此，該解水鎖劑能有效降低鉆井液濾液的表面張力，對(duì)濾液的排液效果好，同時(shí)能提高鉆井液的抑制性，降低儲(chǔ)層水鎖和水敏傷害。

為了考察長(zhǎng)北區(qū)塊山西組2 段儲(chǔ)層巖心含水飽和度與氣體滲透率的關(guān)系，同時(shí)評(píng)價(jià)解水鎖劑G311對(duì)巖心含水飽和度的影響，進(jìn)行了巖心自吸解水鎖劑和自吸標(biāo)準(zhǔn)鹽水的試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

從表4 可知，巖心自吸標(biāo)準(zhǔn)鹽水和抽真空飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水的束縛水飽和度相當(dāng)，隨著含水飽和度的降低，氣體滲透率逐漸增大，當(dāng)驅(qū)替到一定程度達(dá)到束縛水飽和度時(shí)，含水飽和度不再發(fā)生變化，分別為58.2%和57.6%，采取烘干巖心的辦法可以降低含水飽和度；巖心自吸解水鎖劑G311 后，其束縛水飽和度降至32.6%，巖心滲透率也明顯增大，表明解水鎖劑G311 有利于液相返排。

表 4 滲透率與含水飽和度關(guān)系Table 4 Relationship between permeability and water saturation

3 鉆井液配方優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)

在NDW 無土相低傷害鉆井液配方基礎(chǔ)上，對(duì)鉆井液用解水鎖劑G311 及潤(rùn)滑劑G316 加量進(jìn)行了優(yōu)化，形成了NWP 無土相防水鎖低傷害鉆井液。

3.1 解水鎖劑G311 加量?jī)?yōu)化

在NDW 無土相低傷害鉆井液中加入不同加量的解水鎖劑G311，采用中壓失水儀，收集濾液，并利用表面張力儀測(cè)試濾液的表面張力，結(jié)果見圖1。

圖 1 解水鎖劑G311 加量對(duì)鉆井液濾液表面張力的影響Fig. 1 Effect of G311 dosage on the surface tension of drilling fluid filtrate

由圖1 可以看出，解水鎖劑G311 加量為0.1%時(shí)，可使鉆井液濾液的表面張力降至16.48 mN/m，降低率達(dá)77.8%，可有效解除水鎖傷害。

3.2 潤(rùn)滑劑G316 加量?jī)?yōu)化

針對(duì)雙分支井長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)時(shí)扭矩大、摩阻高的特點(diǎn)，選用了全油基生物油潤(rùn)滑劑G316，在NDW 無土相低傷害鉆井液中加入不同加量的G316，測(cè)試其老化前后的流變性、濾失性和潤(rùn)滑性能，結(jié)果見表5。

表 5 潤(rùn)滑劑G316 加量對(duì)鉆井液性能的影響Table 5 Effect of G316 dosage on drilling fluid performance

從表5 可以看出，隨著潤(rùn)滑劑G316 加量增大，鉆井液的極壓潤(rùn)滑系數(shù)降低，加量超過2.0%后，潤(rùn)滑系數(shù)低于0.050。同時(shí)，鉆井液老化前后性能穩(wěn)定，表明G316 抗溫性好，滿足水平井長(zhǎng)水平段施工要求。

3.3 鉆井液性能評(píng)價(jià)

在NDW 無土相低傷害鉆井液配方基礎(chǔ)上，引入解水鎖劑G311 和潤(rùn)滑劑G316，根據(jù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，形成了NWP 無土相防水鎖低傷害鉆井液基礎(chǔ)配方：0.4% 提黏提切劑G310+3.0% 復(fù)合暫堵劑G302+2.0% 酸溶降濾失劑G301+0.5% 降濾失劑PAC-L+0.1%解水鎖劑G311+2.0%潤(rùn)滑劑G316+0.5%除氧劑+0.1%殺菌劑+0.5%NaOH+石灰石。

3.3.1 抑制性

取15 g 鈣土，在41.4 MPa 下壓制30 min 制成人造巖心，置于OFI 動(dòng)態(tài)線性膨脹儀上，分別用清水和NWP 無土相防水鎖低傷害鉆井液浸泡巖心，測(cè)定巖心浸泡不同時(shí)間后的膨脹率，評(píng)價(jià)無土相防水鎖低傷害鉆井液的抑制性能，結(jié)果見圖2。

圖 2 巖心的線性膨脹試驗(yàn)結(jié)果Fig. 2 Results of core linear expansion experiments

從圖2 可以看出，由于NWP 土相防水鎖低傷害鉆井液具有抑制作用，巖心在鉆井液中浸泡16 h 的線性膨脹率為22.6%，遠(yuǎn)低于清水，表明NWP 防水鎖低傷害鉆井液可抑制黏土礦物水化膨脹和分散，降低儲(chǔ)層的水敏傷害。

3.3.2 抗溫性

由于長(zhǎng)北區(qū)塊氣井井底溫度達(dá)100 ℃，水平段長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間鉆進(jìn)對(duì)鉆井液的抗溫性能要求較高，為此使用高溫高壓流變儀Chandler 7600 測(cè)試了NWP無土相防水鎖低傷害鉆井液在不同溫度下的流變性能，結(jié)果見圖3。

圖 3 鉆井液在不同溫度下的黏度曲線Fig. 3 Viscosity of drilling fluid at different temperatures

從圖3 可以看出，NWP 無土相防水鎖低傷害鉆井液在高溫130 ℃以下的流變性良好，當(dāng)溫度高于130 ℃時(shí)鉆井液黏度才發(fā)生突降，可滿足長(zhǎng)北區(qū)塊水平井水平段鉆進(jìn)要求。

3.3.3 儲(chǔ)層保護(hù)性

在長(zhǎng)北區(qū)塊地層壓力系數(shù)條件下，測(cè)得NDW無土相低傷害鉆井液在12 MPa 壓差下對(duì)儲(chǔ)層的傷害率低于15.0%，屬于輕傷害。因目前地層壓力衰減，根據(jù)儲(chǔ)層條件，將測(cè)試參數(shù)調(diào)整為：溫度100 ℃，圍壓20 MPa，傷害壓差17 MPa，動(dòng)態(tài)傷害24 h；采用山西組2 段巖心評(píng)價(jià)NDW 無土相低傷害鉆井液和NWP 無土相防水鎖低傷害鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)效果，結(jié)果見表6。

表 6 巖心傷害試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of core damage experiment

由表6 可知，與NDW 無土相低傷害鉆井液相比，NWP 無土相防水鎖低傷害鉆井液可有效降低對(duì)儲(chǔ)層的傷害，巖心平均傷害率為14.1%，屬于輕度傷害。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

NWP 無土相防水鎖低傷害鉆井液在長(zhǎng)北區(qū)塊2 口氣井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，試驗(yàn)井段鉆井施工順利，鉆井液流變性穩(wěn)定，攜巖能力強(qiáng)，井眼清潔，扭矩小，對(duì)儲(chǔ)層傷害小。下面以CX-5 井為例介紹現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況。

CX-5 井是一口雙分支水平井，目的層為二疊系山西組2 段。該井采用三開井身結(jié)構(gòu)，一開鉆至井深634.00 m，二開鉆至井深3 216.00 m，三開采用φ215.9 mm 鉆頭分別完成第一分支水平段（長(zhǎng)1 653.00 m）和第二分支水平段（長(zhǎng)1 539.00 m），完鉆后用甲酸鈉完井液將鉆井液頂替出，裸眼完井，氣舉投產(chǎn)。

4.1 儲(chǔ)層保護(hù)效果

取現(xiàn)場(chǎng)三開水平段鉆井液，進(jìn)行室內(nèi)巖心傷害評(píng)價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果表明，長(zhǎng)北區(qū)塊山西組氣層巖心經(jīng)過鉆井液傷害后，巖心的平均傷害率為16.2%，屬于輕度傷害，能夠保證氣藏的原始產(chǎn)能。

CX-5 井位于河道邊緣，地層壓力衰減嚴(yán)重，非均質(zhì)性強(qiáng)，儲(chǔ)層不連續(xù)，預(yù)期產(chǎn)氣量50×104m3/d，2018 年12 月底該井裸眼完井后直接氣舉投產(chǎn)，產(chǎn)氣量達(dá)70×104m3/d，高于預(yù)期產(chǎn)量，表明NWP 無土相防水鎖低傷害鉆井液滿足壓力衰減儲(chǔ)層保護(hù)的要求。

4.2 鉆井提速效果

CX-5 井雙分支水平段長(zhǎng)度均超過1 500.00 m，鉆井施工過程中NWP 無土相防水鎖低傷害鉆井液始終保持優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，API 濾失量小于5 mL，井壁上形成的濾餅薄而韌，濾餅黏附系數(shù)維持在0.035～0.052；鉆進(jìn)扭矩控制在25 kN·m 以內(nèi)，鉆井期間未出現(xiàn)阻卡。同時(shí)，鉆井液流變性能穩(wěn)定，攜巖性能強(qiáng)，井眼清潔，平均機(jī)械鉆速由5.13 m/h 提高至5.75 m/h，提高了12.1%，鉆井時(shí)間縮短了7.4 d，滿足了長(zhǎng)水平段安全快速鉆進(jìn)的要求。

5 結(jié)論與建議

1）長(zhǎng)北區(qū)塊壓力衰竭儲(chǔ)層傷害的主要因素依次是水鎖、水敏和速敏。根據(jù)長(zhǎng)北區(qū)塊儲(chǔ)層傷害機(jī)理分析結(jié)果，自主研發(fā)了鉆井液用解水鎖劑G311，可降低鉆井液濾液的表面張力。

2）NWP 無土相防水鎖低傷害鉆井液抑制黏土水化膨脹分散的能力強(qiáng)，抗溫130 ℃，潤(rùn)滑性好，對(duì)儲(chǔ)層傷害小?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，NWP 無土相防水鎖低傷害鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)及安全快速鉆進(jìn)效果顯著，可在長(zhǎng)北區(qū)塊進(jìn)行推廣。

3）現(xiàn)場(chǎng)施工過程中鉆井液起泡較明顯，建議對(duì)解水鎖劑的配方進(jìn)行優(yōu)化，以降低氣泡對(duì)鉆井液性能的影響。