劉政 李俊材 蔣學(xué)光

1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司；

2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司鉆井液分公司

高泉背斜構(gòu)造上屬準噶爾盆地南緣山前沖斷帶四棵樹凹陷。四棵樹凹陷處于北天山構(gòu)造帶與西準噶爾構(gòu)造帶交匯處，南以托斯臺前緣斷裂和巴音溝斷裂為界，東北部以北北西走向的艾卡斷裂與車排子凸起相隔，總體走向北西西－南東東。高泉背斜北翼發(fā)育高泉北斷裂，為北北東向南傾逆斷層，背斜西翼發(fā)育高泉1 井南斷裂，為東西向北傾逆斷裂，平面上發(fā)育3 個局部高點，高探1 井位于北高點。侏羅系頭屯河組頂界圈閉面積71.4 km2，閉合度500 m，高點埋深5 770 m；三工河組頂界圈閉面積45.7 km2，閉合度450 m，高點埋深5 970 m；八道灣組頂界圈閉面積48.1 km2，閉合度450 m，高點埋深6 270 m。高探1 井位于新疆準噶爾盆地南緣沖斷帶四棵樹凹陷高泉東背斜構(gòu)造，設(shè)計井深5 980 m，目的層侏羅系頭屯河組，兼探白堊系吐谷魯群組［1-2］。2017年前，該構(gòu)造沒有一口井鉆達目的層，由于以前的井三開以下使用水基鉆井液，井壁失穩(wěn)嚴重，井下阻卡事故頻發(fā)。因此，2018年高探1 井三開以下選擇使用強封堵高密度油基鉆井液，保障該井能順利鉆到目的層，探明目的層的油氣儲量。

1 鉆井液技術(shù)難點及對策

高探 1 井井身結(jié)構(gòu)：一開?660.4 mm×200 m，二開?444.5 mm×2 710 m，三開?311.2 mm×5 430 m，四開?215.9 mm×5 920 m。其中三開2 343～4 630 m塔西河組和4 980～5 358 m 安集海河組巖性水敏性強，井壁易失穩(wěn)。沙灣組至頭屯河組地層，裸眼段高低壓層交互，易井漏。高密度鉆井液流變性維護難度大，要求鉆井液具有強的抗污染能力，柴油作為基礎(chǔ)油燃爆風(fēng)險高，給鉆井液技術(shù)帶來很大挑戰(zhàn)。

1.1 復(fù)雜地層井壁易失穩(wěn)

塔西河組地層巖性為褐色、灰色泥巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、綠灰色石膏質(zhì)泥巖及膏鹽巖，易水化分散；存在斷層、破碎帶，鉆進過程中，井壁易出現(xiàn)掉塊、垮塌等復(fù)雜情況。安集海河組地層巖性主要為一套綠灰色、深灰色泥巖，夾不等厚綠灰色、深灰色泥質(zhì)粉砂巖、綠灰色粉砂質(zhì)泥巖。泥巖遇水極易水化、破碎帶發(fā)育，鉆進過程中，井壁易膨脹縮徑、分散垮塌，井壁易失穩(wěn)，進而引起井下卡鉆等復(fù)雜事故［3］。

技術(shù)對策：(1)鉆遇斷層、破碎帶時，強化油基鉆井液的封堵能力，采用瀝青質(zhì)封堵劑和纖維類封堵劑相結(jié)合，對斷層、破碎帶進行治理，控制140 ℃條件下HTHP 濾失量小于3.0 mL；(2)維持油基鉆井液的密度能平衡安集海河組地層的坍塌壓力；(3)采用活度平衡理論，使油基鉆井液濾液的活度低于所鉆地層水活度，從而使油基鉆井液中水相不向地層滲透，相反使地層水向油基鉆井液中滲透，有效抑制水敏性地層吸水縮徑。

1.2 高密度鉆井液流變性維護難度大

高泉東背斜構(gòu)造地層壓力系數(shù)高，頭屯河組壓力系數(shù)2.15，地層高陡，最大地層傾角60°，油基鉆井液的密度高達2.42 g/cm3，高密度鉆井液流變性能維護難度大。該構(gòu)造冬季氣溫低，最低在-30 ℃左右，要求油基鉆井液具有好的低溫流變性。

技術(shù)對策：(1)強化固控設(shè)備的使用，篩布使用0.068 mm(230 目)孔徑，振動篩和除砂器的使用率100%，離心機的使用率不低于50%，篩布要勤檢查，發(fā)現(xiàn)損壞及時更換；(2)選用優(yōu)質(zhì)重晶石加重，優(yōu)質(zhì)重晶石的密度必須不小于4.35 g/cm3；(3)維持油基鉆井液具有較高的油水比，一般在 90∶10～95∶5 之間；(4)在低溫條件下，選用-35 號柴油作油基鉆井液的基礎(chǔ)油，氯化鈣水溶液中引入乙二醇防凍，保障油基鉆井液具有好的低溫流變性。

1.3 要求鉆井液具有強的抗污染能力

塔西河組、安集海河組地層含膏鹽，臨井高泉1 井在吐谷魯群組鉆遇高壓水層，固井時使用水泥漿，這些因素要求強封堵高密度油基鉆井液具有較好的抗膏鹽、水侵、水泥和巖粉的污染能力。

技術(shù)對策：(1)保持高的油水比，一般在90∶10～95∶5 之間；(2)維持較高的電穩(wěn)定性，一般在 800～1 500 V 之間。

1.4 柴油作為基礎(chǔ)油燃爆風(fēng)險高

由于柴油基鉆井液的流變性好于白油基鉆井液，因此選用柴油作為基礎(chǔ)油。由于柴油自身易燃，目的層鉆進存在氣侵現(xiàn)象，進而強封堵高密度油基鉆井液易發(fā)生著火或爆炸等事故。通過優(yōu)選阻燃阻爆劑，提高強封堵高密度油基鉆井液的阻燃阻爆能力。

1.5 裸眼段高低壓層交互易井漏

該井 4 630～4 980 m 井段壓力系數(shù) 1.55，4 980～5 358 m 井段壓力系數(shù) 1.90，5 358～5 408 m 井段壓力系數(shù) 1.75，5 408～5 778 m 井段壓力系數(shù) 1.95，5 778～5 920 m 井段壓力系數(shù)2.15，沙灣組和紫泥泉子組地層壓力系數(shù)回落，三開同一裸眼段地層壓力系數(shù)交錯，使用強封堵高密度油基鉆井液鉆進過程中易發(fā)生井漏復(fù)雜［4］。

技術(shù)對策：針對強封堵高密度油基鉆井液特點，選用物化性能較適合的堵漏材料。LCM 系列堵漏劑是聚丁酯類材料，密度2.3～2.45 g/cm3，片狀及微片狀顆粒，有 LCM-1(細、60～200 目)、LCM-2(中、40～60 目)、LCM-3(粗，4～16 目)3 種型號 (圖1)，LCM 堵漏劑形成的堵漏墻強度高，現(xiàn)場使用方便，配制簡單。

圖1 LCM 系列堵漏劑Fig.1 LCM plugging agents

堵漏材料選擇原則：LCM 片狀顆粒作架橋粒子，提供堵漏所需的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；LCM 微片狀顆粒作填充劑使用，加強封堵層強度，對抗地層閉合壓力，防止堵漏劑回吐；SDL 膨脹性纖維在空間網(wǎng)架、填充層上形成很好的疊加，提高承壓能力。經(jīng)過室內(nèi)評價及現(xiàn)場應(yīng)用，形成了強封堵高密度油基鉆井液配套堵漏技術(shù)，堵漏施工推薦配方見表1。

表1 堵漏推薦配方Table 1 Recommended plugging formula

2 處理劑優(yōu)選及性能評價

2.1 主要處理劑優(yōu)選

2.1.1 乳化劑優(yōu)選

目前市場上使用的油基鉆井液乳化劑，大部分都是將主乳化劑、輔乳化劑和潤濕劑按一定的比例混合成“三合一”乳化劑產(chǎn)品。選用哈里伯頓公司的“三合一”乳化劑HB-1、四川鴻華公司的“三合一”乳化劑HFMO、新疆同益工貿(mào)有限公司的“三合一”乳化劑TYODF-301 以及川慶鉆井液公司自主研發(fā)的“三合一”乳化劑KOD-1 進行評價篩選。根據(jù)表2 配方配制，在高溫140 ℃下滾動24 h后，測試破乳電壓。對比分析表2 結(jié)果可知，4 號配方熱滾前破乳電壓702 V，140 ℃下熱滾24 h 后破乳電壓468 V，乳化效果優(yōu)于其余3 組配方。因此，選用川慶鉆井液公司自主合成的KOD-1 乳化劑，其中主乳化劑是一種單硬酯脂肪酸，輔乳化劑是對不同分子量的脂肪酸進行改性形成的脂肪酸酰胺，潤濕劑是一種混合脂肪酸酯。

2.1.2 有機土優(yōu)選

選用哈里伯頓公司的有機土HB-2、四川鴻華公司的有機土HFEL、新疆同益工貿(mào)有限公司的有機土TYODF-601 進行評價篩選。配方：柴油+8%KOD-1+3%有機土+20% CaCl2水溶液，高攪20 min，在高溫140 ℃下滾動24 h后，測試六速讀值。對比分析表3 結(jié)果可知，HB-2 提高黏切力效果優(yōu)于其他2 種有機土，因此，選用哈里伯頓公司的有機土HB-2。

表2 乳化劑優(yōu)選實驗結(jié)果Table 2 Experimental selection result of emulsifier

表3 有機土優(yōu)選實驗結(jié)果Table 3 Experimental selection result of organic clay

2.1.3 降濾失劑優(yōu)選

選用哈里伯頓公司的油基降濾失劑HB-3，四川鴻華公司的油基降濾失劑HFLO，新疆同益工貿(mào)有限公司的油基降濾失劑TYODF-101，以及川慶鉆井液公司自主研發(fā)的油基降濾失劑KOD-2，進行評價篩選。配方：柴油+8%KOD-1+3%有機土HB-2+4%降濾失劑+20% CaCl2水溶液，高攪 20 min，140 ℃下滾動24 h 后，測試相關(guān)性能參數(shù)。對比分析表4 結(jié)果可知，使用KOD-2 的配方在140 ℃下熱滾24 h 后，高溫高壓濾失量4.2 mL，流變性和乳化穩(wěn)定性都較好，降低濾失量效果優(yōu)于其他3 種降濾失劑。因此，油基鉆井液的降濾失劑選用川慶鉆井液公司自主研發(fā)的KOD-2，其成分是一種改性的丁苯橡膠。

表4 油基降濾失劑優(yōu)選實驗結(jié)果Table 4 Experimental selection result of oil based fluid loss agent

2.1.4 封堵劑優(yōu)選

選用2 種封堵材料，國產(chǎn)的液體磺化瀝青YH-150 和進口的固體粉末狀磺化瀝青SOLTEX。用砂床評價法評價油基鉆井液的封堵性能。在GGS71-A 型高溫高壓濾失儀釜體中安裝砂床，砂床的底部為粒徑0.25～0.48 mm 的剛性顆粒，高6 cm，上部為粒徑0.08～0.15 mm 的剛性顆粒，高6 cm。油基基漿配方：柴油+8%KOD-1+3%有機土HB-2+4%降濾失劑KOD-2+20%CaCl2水溶液，高攪20 min，分別加入不同比例的封堵劑，測定在壓差3.0 MPa 和4.5 MPa下的140 ℃高溫高壓濾失量［5］。從表5 分析可知，單獨使用封堵劑SOLTEX 的效果好于單獨使用封堵劑YH-150，兩種封堵劑復(fù)配使用效果好于單獨使用一種封堵劑。油基基漿補充2% YH-150+2%SOLTEX 后，140 ℃ 高溫高壓濾失量 1.8～2.2 mL，封堵性能好。因此，油基鉆井液的封堵劑選用YH-150 和 SOLTEX 復(fù)配使用。

表5 封堵劑實驗結(jié)果Table 5 Experimental selection result of plugging agent

2.1.5 鉆井液配制

配方：柴油 (0#/-35#)+5%～8%乳化劑 KOD-1+1～3%有機土HB-2+3%～5%油基降濾失劑KOD-2+3%石灰+1%～2%封堵劑YH-150+1%～2%封堵劑SOLTEX +1%～2%阻燃阻爆劑KOD-3+氯化鈣水溶液+重晶石。配制方法：加入配比量的柴油(0#/-35#)、乳化劑 KOD-1、有機土 HB-2 和油基降濾失劑 KOD-2，高攪 30 min；加入石灰，高攪20 min；加入封堵劑 YH-150、SOLTEX 和阻燃阻爆劑KOD-3，高攪20 min；加入氯化鈣水溶液，高攪30 min；加入重晶石，高攪30 min；高速攪拌機轉(zhuǎn)速設(shè)置為10 000 r/min。

2.2 性能評價

2.2.1 基本性能

配制密度2.30 g/cm3的強封堵高密度油基鉆井液，50 ℃測定其基本性能，結(jié)果見表6，可以看出，其在140 ℃熱滾前后都具有好的性能指標。熱滾后，強封堵高密度油基鉆井液具有好的流變性能、封堵性能和乳化穩(wěn)定性能，閃點125 ℃，阻燃阻爆效果好，能滿足現(xiàn)場安全施工的要求。

表6 強封堵高密度油基鉆井液的基本性能Table 6 Basic properties of high-density plugging oil based drilling fluid

2.2.2 封堵性

配制密度2.30 g/cm3的強封堵高密度油基鉆井液，測定140 ℃高溫高壓濾失量，每5 min 記錄一次濾失量，共計測定1 h。由圖2 實驗結(jié)果可知，強封堵高密度油基鉆井液140 ℃高溫高壓初始5 min 濾失量 1.4 mL，30 min 累計濾失量 2.8 mL，60 min 累計濾失量2.9 mL，30 min 后濾失量趨于0，實現(xiàn)了很好的即時和長效封堵效果。濾餅質(zhì)量薄而有韌性，封堵效果好。

2.2.3 抑制性

圖2 濾失量隨時間變化圖Fig.2 Variation of fluid loss over the time

選用目標區(qū)塊古近系地層安集海河組泥巖，利用線性膨脹方法和巖屑滾動回收率，評價密度2.30 g/cm3的強封堵高密度油基鉆井液的抑制性能。線性膨脹實驗的巖樣制做方法：在100 ℃下烘干泥巖，稱取過孔徑0.15 mm 分樣篩的泥巖10.0 g，在壓樣機模具中以4 MPa 壓力壓制5 min，制做成柱狀巖樣。在OFIT 頁巖膨脹儀上，分別測定在清水、PRT 水基鉆井液、PRT 有機鹽水基鉆井液、強封堵高密度油基鉆井液中浸泡24 h 后的膨脹率［6-7］。

選用粒徑2.00～4.00 mm 的泥巖做巖屑滾動回收率實驗，分別在清水、PRT 水基鉆井液、PRT 有機鹽水基鉆井液、密度2.30 g/cm3的強封堵高密度油基鉆井液中，140 ℃下熱滾16 h 后，用孔徑0.25 mm分樣篩回收，用石油醚或清水沖洗干凈，在100 ℃下干燥后稱量［8］。由表7 可看出，密度2.30 g/cm3的強封堵高密度油基鉆井液對安集海河組泥巖的膨脹率為0.7%，巖屑滾動回收率為97.6%，表明其可以有效抑制安集海河組泥巖的水化分散和膨脹縮徑。

表7 安集海河組泥巖膨脹率和回收率實驗結(jié)果Table 7 Experimental results of expansion ratio and recovery of Anjihaihe formation mudstone

2.2.4 抗污染性

(1)抗泥巖污染評價。選用目標區(qū)塊古近系地層安集海河組泥巖，粉碎后選取粒徑0.074 mm(200 目)的巖粉按不同比例加入到密度2.30 g/cm3的強封堵高密度油基鉆井液中，在140 ℃條件下熱滾24 h，測定鉆井液性能［9］。由表8 分析可知，在巖粉加量少于10%時，強封堵高密度油基鉆井液的各項性能指標都較穩(wěn)定，說明該油基鉆井液具有好的抗安集海河組泥巖污染能力。

表8 泥巖污染實驗結(jié)果Table 8 Experimental results of mudstone contamination

(2)抗水侵污染評價。向密度2.30 g/cm3的強封堵高密度油基鉆井液中分別加入不同比例的清水后，在140 ℃條件下熱滾24 h，測定強封堵高密度油基鉆井液性能。由表9 分析可知，在加入清水量不大于15%時，強封堵高密度油基鉆井液的各項性能指標都較穩(wěn)定，表明該油基鉆井液具有好的抗水浸污染能力。

表9 抗水浸污染實驗結(jié)果Table 9 Experimental results of water immersion contamination resistance

(3)抗水泥污染評價。向密度2.30 g/cm3的強封堵高密度油基鉆井液中，分別加入不同比例的水泥后，在140 ℃條件下熱滾24 h，測定油基鉆井液性能［10］。由表10 可知，加入1%～4%的水泥后，強封堵高密度油基鉆井液的各項性能指標都較穩(wěn)定，表明該油基鉆井液具有好的抗水泥污染能力。

(4)抗膏鹽污染評價。向密度2.30 g/cm3的強封堵高密度油基鉆井液中，分別加入不同比例的NaCl 和石膏后，在140 ℃下熱滾24 h，測定油基鉆井液性能。由表11 可知，加入不同比例膏鹽后，強封堵高密度油基鉆井液的各項性能指標都較穩(wěn)定，表明該油基鉆井液具有好的抗膏鹽污染能力。

表10 抗水泥污染實驗結(jié)果Table 10 Experimental results of cement contamination resistance

表11 抗膏鹽污染實驗結(jié)果Table 11 Experimental results of gypsum salt contamination resistance

2.2.5 低溫流變性

測量密度2.30 g/cm3的強封堵高密度油基鉆井液在不同低溫條件下的流變性能。從表12 分析可知，溫度越低，強封堵高密度油基鉆井液的流變性越差。在-30 ℃極端低溫的條件下，鉆井液的漏斗黏度126 s、初切8 Pa、終切16 Pa，仍具有較好的流動性，表明該油基鉆井液能滿足新疆地區(qū)冬季低溫條件下的鉆井、轉(zhuǎn)運、貯存等作業(yè)的需要。

表12 低溫流變性測量結(jié)果Table 12 Measurement results of low-temperature rheological property

3 現(xiàn)場應(yīng)用

高探 1 井 2018年3月24日開鉆，2018年11月9日完鉆，設(shè)計井深5 980 m，完鉆井深5 920 m，完鉆層位頭屯河組，電測井底溫度140 ℃，全井平均機械鉆速2.58 m/h，完鉆周期230 d。該井在2 710～5 920 m 井段使用強封堵高密度油基鉆井液，井身結(jié)構(gòu)及鉆井液體系見表13。鉆進過程中，鉆井液性能穩(wěn)定，在-30 ℃條件下具有好的流變性能(表14)。在塔西河組，鉆遇150 m的破碎帶，采用瀝青質(zhì)封堵劑SOLTEX、YH-150 和纖維類封堵劑TP-2 相結(jié)合方法進行有效封堵。在井深5 756 m 鉆遇裂縫發(fā)生井漏，漏速14.6 m3/h，采用強封堵高密度油基配套堵漏技術(shù)，經(jīng)過2 次堵漏，堵漏成功，堵漏效果較好，累計漏失密度2.30 g/cm3的強封堵高密度油基鉆井液78 m3。電測結(jié)果顯示井徑規(guī)則，未出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，最大井徑擴大率3.4%，平均井徑擴大率1.3%。返出的泥巖棱角分明，呈片狀，如圖3 所示。井眼通暢，無井下事故發(fā)生，電測、下套管均一次成功。

臨井高泉 1 井 2003年8月28日開鉆，2004年11月30日完鉆，設(shè)計井深5400 m，在井深5594 m鉆遇高壓水層，有機鹽聚合醇水基鉆井液性能受到破壞，井壁失穩(wěn)嚴重，井下阻卡事故頻發(fā)，在5285 m提前完鉆，完鉆層位安集海河組，全井平均機械鉆速1.84 m/h，完鉆周期459.9 d。在同一構(gòu)造，強封堵高密度油基鉆井液體系與有機鹽聚合醇水基鉆井液體系相比，復(fù)雜事故率降至1%，鉆井周期縮短50%，鉆井綜合成本降低50%，提質(zhì)提效效果顯著。

2019年1月6日，高探1 井試油喜獲高產(chǎn)油氣流，準噶爾盆地南緣勘探實現(xiàn)重大突破，日產(chǎn)原油1.213×103m3、天然氣 3.217×105m3，創(chuàng)整個新疆盆地單井日產(chǎn)量最高紀錄。

表13 高探1 井井身結(jié)構(gòu)及鉆井液體系Table 13 Casing program & drilling fluid system of Well Gaotan-1

表14 強封堵高密度油基鉆井液性能Table 14 Properties of high-density plugging oil based drilling fluid

圖3 高溫高壓濾餅Fig.3 High-temperature, high-pressure filter cake

4 結(jié)論與建議

(1)室內(nèi)實驗和現(xiàn)場應(yīng)用表明，強封堵高密度油基鉆井液能夠解決新疆準噶爾盆地南緣沖斷帶四棵樹凹陷高泉東背斜構(gòu)造地層鉆井的難題，建議在新疆準噶爾盆地南緣地區(qū)強水敏性地層、高地應(yīng)力地層等復(fù)雜地層超深井中進一步推廣應(yīng)用。

(2)在新疆準噶爾盆地南緣地區(qū)，與使用水基鉆井液相比，使用強封堵高密度油基鉆井液成本較高。但是，它能降低復(fù)雜事故率，縮減鉆井周期、降低鉆井綜合成本，提質(zhì)提效效果顯著。

(3)強封堵高密度油基鉆井液在新疆準噶爾盆地南緣地區(qū)成功應(yīng)用的同時，為該地區(qū)的環(huán)境保護帶來了一定的風(fēng)險。應(yīng)用過程中，一定要嚴格執(zhí)行HSE 方面的相關(guān)規(guī)定，控制發(fā)生環(huán)境污染的風(fēng)險。