孫方龍，李子鈺

（1.中石化華北石油工程有限公司西部分公司，新疆 輪臺 841600；2.中國地質大學（北京），北京 100083）

0 引言

隨著中石化華北石油工程有限公司西部分公司在順北油氣田5 號斷裂帶南部的勘探開發(fā)力度加大，志留系地層的施工已成為制約5 號斷裂南部勘探開發(fā)的“瓶頸”難題之一。從已鉆井的實鉆資料來看，志留系地層塔塔埃爾塔格組、柯坪塔格組地層裂縫縱橫發(fā)育，壓力敏感性強，漏失風險大，裂縫連通后堵漏困難；柯坪塔格組地層存在鹽水層，使得該地層密度窗口窄，在發(fā)生井漏后表現(xiàn)出明顯的重力置換現(xiàn)象［1-2］；志留系地層存在大段硬脆性泥巖，由于泥巖的水化膨脹效應及水力楔劈引起的尖端效應均會破壞巖石的原始強度，造成坍塌壓力增加［3］。上述技術難題客觀上要求低密度下的井壁穩(wěn)定性，同時還要具有較強抗鹽水污染能力。為此，在該井段采用KCl-NaCl 復合鹽水鉆井液體系，利用K＋的抑制性和鉆井液的低活度來確保鉆井液具有較強的抑制性［4］，且該體系具有較強的抗污染能力，同時加入聚胺抑制劑，抑制粘土水化［5-9］；在施工過程中加入隨鉆堵漏材料，加強鉆井液的隨鉆封堵性，起到逢縫即堵的作用［10］；采用微納米封堵材料，改善泥餅質量，也對微裂縫、微孔隙進行有效封堵，減緩或阻止了濾液的侵入。

1 背景

順北52A 井為部署在順北油氣田5 號斷裂帶南部的一口探井，2019 年5 月20 日一開開鉆，2020 年2月15 日完鉆。鉆遇地層為二疊系和志留系等復雜地層，成井難度大、施工風險高。綜合鄰井的鉆井資料，參考鄰井在鉆遇順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系時的施工情況，判斷順北52A 井可能發(fā)生的井下復雜難題。順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系施工情況見表1。

表1 順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系施工情況統(tǒng)計Table 1 Summary of Silurian drilling activities in the southern part of the 5# fault zone in the Shunbei Oil and Gas Field

由表1 可知，順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系地層鉆井施工中井漏概率高，漏失量大，漏失頻繁，存在高壓鹽水層，堵漏困難，堵漏損失時間長，井漏已成為嚴重制約鉆井速度的主要因素。順北51X 井在鉆遇柯坪塔格組時卡鉆；順北52X 井在塔塔埃爾塔格組地層鉆進發(fā)生漏失，使用化學凝膠堵漏，有成功封堵漏失層段［11-14］，但漏失層位多，后續(xù)堵漏未成功，由于堵漏難度大，鉆至志留系柯坪塔格組棄井；順北5-5H 井及順北5-6 井也在鉆遇志留系地層時發(fā)生井漏，多次堵漏未成功，因而調整井身結構；順北5-7 井由于鉆遇志留系地層時，井斜超標，被迫提前完井。從鄰井的鉆井資料可以發(fā)現(xiàn)，順北油氣田5 號斷裂帶志留系地層存在井壁垮塌、井漏、出鹽水等“漏溢塌”同層的難題，施工難度極大。

2 地層特點

順北52A 井三開和四開鉆遇順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系地層。志留系上部地層塔塔埃爾塔格組，上段為棕褐、灰色泥巖，粉砂質泥巖與灰色粉砂巖，細粒長石巖屑砂巖，粉砂巖，淺棕色泥質粉砂巖不等厚互層；下段為灰色細粒巖屑石英砂巖、細粒長石巖屑砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖與灰、棕褐色泥巖、粉砂質泥巖略等厚互層。志留系下部地層柯坪塔格組，上段S1k3為灰色細粒巖屑石英砂巖夾棕褐色泥巖，即瀝青砂巖段；中段S1k2為深灰、灰、棕褐色泥巖，粉砂質泥巖，即暗色泥巖段；下段S1k1為灰色細粒巖屑石英砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖與灰、深灰、棕褐、灰褐色泥巖，粉砂質泥巖略等厚互層，即砂泥巖互層段。

2.1 5 號斷裂帶南部志留系地層巖性裂縫分析

對順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系地層進行巖心取樣，并對所取巖心進行觀測，分析該志留系地層裂縫發(fā)育情況。塔塔埃爾塔格組巖心裂縫見圖1，柯坪塔格組巖心裂縫見圖2。

圖1 塔塔埃爾塔格組巖心裂縫Fig.1 Fractures in cores from Tata Ertag Formation

圖2 柯坪塔格組巖心裂縫Fig.2 Fractures in cores from Kepingtag Formation

由圖1、圖2 可知，志留系地層裂縫發(fā)育，存在局部輕微破碎，部分裂縫開啟，未填充，說明志留系地層易井漏和易失穩(wěn)。并且從圖中可以發(fā)現(xiàn)，順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系地層發(fā)育的地層裂隙中，既有縱裂縫，也有橫裂縫，因此地層復雜性更高，若發(fā)生井漏或井壁失穩(wěn)情況，處理維護難度更大。

2.2 5 號斷裂帶南部志留系成像測井

除了通過巖心取樣的方式得到了志留系地層的地層特征外，還利用了成像測井技術對順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系地層進行勘測，用以識別5 號斷裂帶南部志留系地層的地層特征，并與所取巖心所示地層特征進行對比。順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系地層成像測井見圖3。

圖3 志留系成像測井Fig.3 Silurian imaging logging

由圖3 成像測井資料可知，順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系地層存在許多天然裂縫，誘導縫較多，縱向裂縫發(fā)育程度高，裂縫尺寸大，且發(fā)育有較多橫向裂縫。成像測井資料解釋與取心所示地層特征結果吻合，且與實鉆施工情況一致。

2.3 5 號斷裂帶南部志留系地層泥巖成分分析

對所取巖心巖樣進行成分分析，研究地層的巖性組成及比例，并利用掃描電鏡從微觀的角度觀測地層巖石的微裂縫發(fā)育狀況，做到宏觀分析與微觀研究相結合，系統(tǒng)地認識和觀測斷裂帶地層巖石的礦物組成及微裂縫結構。志留系硬脆性泥巖成分比例見表2 和表3，地層巖樣掃描電鏡圖片見圖4。

表2 志留系硬脆性泥巖成分比例Table 2 Composition percentage of Silurian hard and brittle mudstone

表3 粘土成分比例Table 3 Composition percentage of clay

圖4 志留系地層巖樣掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.4 Scanning electron microscope picture of the Silurian stratum rock sample

由表2 和表3 可知，順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系地層的泥巖中石英、斜長石、白云石等含量較高，屬于典型的硬脆性泥巖［15］，且粘土礦物組分中伊蒙混層含量較高，達到45.835%，說明志留系地層具有較強的水化膨脹性，同時也驗證了志留系地層井壁具有不穩(wěn)定性。由圖4 可知，該志留系地層存在不同尺寸的微裂縫，圖片中最大的微裂縫尺寸有5.92 μm，當鉆井液濾液進入該志留系地層后，易因水力楔劈引起的尖端效應造成坍塌壓力增加。

3 5 號斷裂帶南部志留系地層主要鉆井技術難點與對策

根據順北52A 井的鄰井資料、順北52A 井的成像測井資料及其巖心的觀測結果和成分分析實驗、掃描電鏡實驗，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系地層裂隙發(fā)育，且從縱橫兩向發(fā)展，微裂縫發(fā)育的尺寸也較大，漏失風險高，因此需要保證所使用鉆井液具有良好的封堵性能。

（2）順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系地層發(fā)育有大段的泥巖，根據成分分析實驗的結果顯示，巖石中具有1/5 的粘土成分中，包含了45%以上的伊蒙混層及34%以上的伊利石，表明該志留系地層具有較強的水化膨脹性，易產生井壁坍塌，故需要鉆井液具有強抑制性。

（3）順北油氣田5 號斷裂帶南部志留系地層中存在鹽水層，根據鄰井資料顯示，多口鄰井在該志留系地層井漏后發(fā)生鹽水侵，這就要求所使用的鉆井液具有良好的抗鹽水污染能力。

（4）鄰井志留系地層鉆井施工中采用最低密度為1.33 g/cm3的鉆井液，在施工過程中也發(fā)生漏失，說明了志留系漏失壓力低。為平衡石炭系及志留系的坍塌壓力同時降低井漏的風險，應選擇合適的鉆井液密度進行鉆進。

4 鉆井液體系組成與性能

根據鄰井資料顯示，志留系地層可能鉆遇鹽水層，且考慮到志留系地層巖石成分中泥巖含量高，因此以KCl-NaCl 欠飽和復合鹽水體系為基礎，室內優(yōu)選關鍵處理劑的加量，以流變性、抑制性、封堵性及抗污染性為主要考察指標，不斷優(yōu)化基礎配方，最終形成一套適用于該斷裂帶志留系地層鉆進的鉆井液體系。

配方：3% 膨潤土＋0.1% 燒堿＋0.2% 純堿＋0.3%陽離子乳液聚合物＋0.3%低粘羧甲基纖維素鈉＋1% 陽離子聚丙烯酰胺＋1% 磺甲基酚醛樹脂＋1% 褐煤樹脂＋1% 抗高溫抗鹽聚合物（RHTP-1）＋2%磺化瀝青＋3%高軟化點乳化瀝青＋0.5% 有機硅醇抑制劑＋0.5% 聚胺＋5%KCl＋18%NaCl＋重晶石（密度1.32 g/cm3）。

4.1 抗鹽水侵評價

在優(yōu)化鉆井液體系配方下，分別加入不同量的NaCl，對 比150 ℃老 化16 h 后鉆井液性能，結果見表4。

表4 抗鹽水侵實驗結果Table 4 Anti-saline intrusion test results

由表4 可以看出，隨著NaCl 加量的提升，鉆井液粘度稍有上升，動切力稍有降低，API 和高溫高壓濾失量都相應增加，但污染后性能變化不大，說明該體系具有良好的抗鹽水侵能力。

4.2 抑制性評價

由于斷裂帶志留系地層巖石成分中泥巖含量高，考慮到泥巖易水化膨脹產生水力楔劈引起的尖端效應均會破壞巖石的原始強度，造成坍塌壓力增加，因此使用KCl-NaCl 的欠飽和復合鹽水體系，利用K＋的抑制性和鉆井液的低活度來確保鉆井液具有較強的抑制性；在此基礎上，同時加入聚胺和有機硅醇抑制劑，進一步起到協(xié)同抑制增效作用，聚胺類頁巖抑制劑主要是由于胺基特有的吸附作用，通過帶正電的銨離子吸附在粘土表面，同時通過氫鍵作用加強對粘土片層的束縛，從而阻止水分子的進入，抑制粘土水化，增加體系的抑制性及防塌性。優(yōu)選配方的抑制性對比評價如表5 所示。

由表5 數(shù)據可見，優(yōu)選配方巖心膨脹率低，滾動回收率高，從而可見抑制性能優(yōu)良。

表5 鉆井液抑制性能測定結果Table 5 Measurement results of drilling fluid inhibition performance

4.3 封堵性評價

志留系地層微裂隙及層理發(fā)育，因此在KCl-NaCl 欠飽和復合鹽水鉆井液體系中加入高軟化點乳化瀝青RHJ-3 及磺化瀝青FT-3，由于志留系地層井深超6299.5 m，井底溫度高，在高溫高壓下瀝青被軟化并擠入頁巖微裂縫，并能在頁巖表面覆蓋一層致密的薄膜，對頁巖起到屏障作用，以此增強體系的封堵性；且在鉆井液中加入隨鉆堵漏材料FDL 和SZD，提高鉆井液體系的堵漏性能。對優(yōu)選配方進行砂床實驗，實驗結果如表6 所示。

表6 砂床實驗結果Table 6 Results of sand bed experiment

由表6 數(shù)據可知，30 min 鉆井液體系侵入砂子的最大深度為81 mm，說明該優(yōu)選KCl-NaCl 欠飽和復合鹽水鉆井液體系的封堵效果良好。

此外在體系中加入微納米封堵材料，可以形成質量更好的泥餅，提高井壁質量；同時也對泥巖微裂縫、微孔隙進行封堵，減緩或阻止鉆井液濾液沿著微裂縫、微孔隙的進入，降低因水力楔劈引起的尖端效應造成的坍塌壓力增加。加入微納米封堵材料前后泥餅對比見圖5。

由圖5 可看出，加入微納米封堵材料的鉆井液所形成的泥餅更加薄而致密，泥餅質量更好。

圖5 加入微納米封堵材料前后泥餅對比Fig.5 Comparison of mud cakes before and after adding micro and nano plugging materials

5 施工措施與應用效果

5.1 現(xiàn)場施工

由于鄰井志留系地層鉆井施工中采用最低密度為1.33 g/cm3的鉆井液，在施工過程中也發(fā)生漏失，說明了志留系漏失壓力低，因此順北52A 井采用1.32 g/cm3的鉆井液密度進行鉆進。

為保持井壁穩(wěn)定性，防止因下鉆和開泵產生的“激動”壓力造成井漏，每次長起鉆前均在復雜地層井段注入封閉漿進行封閉，封閉漿中加入隨鉆封堵材料（FDL、SZD）和防塌材料（高軟化點乳化瀝青RHJ-3、磺化瀝青FT-3），提高封閉漿的封堵防塌性能。

嚴格控制鉆井操作措施，降低了誘導性的漏失，如控制起下鉆速度（裸眼井段起下鉆速度控制在6 s/m 以上）；采取分段頂通和循環(huán)（出套管前至少循環(huán)一個遲到時間）；控制開泵速度（出漿口出漿前泵沖控制在10 沖之內，出漿后逐步多次緩慢提至正常排量）等一系列詳細的工程操作措施，降低了人為因素誘發(fā)的井漏風險。

5.2 應用效果

順北52A 井在志留系鉆進期間采用1.32 g/cm3鉆井液密度，同時使用在封堵、抑制防塌等方面具有協(xié)同增效的欠飽和鹽水鉆井液體系，志留系鉆井施工過程中均未發(fā)生漏失，且井壁穩(wěn)定。順北52A 井志留系鉆進時間較設計節(jié)約2.06 d，而鄰井順北52X、順北5-5H、順北5-6、順北5-7、順北5-8、順北5-9、順北5-10、順北5-15H、順北53X 等井在志留系施工中均發(fā)生多次漏失，因漏失損失的時間較長。順北52A 志留系地層測井井徑變化見圖6。

圖6 順北52A 志留系地層測井井徑Fig.6 Caliper-logging results of Shunbei 52A in the Silurian formation

由順北52A 志留系地層測井井徑變化圖可以看到，KCl-NaCl 復合欠飽和鹽水鉆井液體系在順北志留系地層的應用中，在志留系上部地層，很好地維護了井壁的穩(wěn)定性，防止了井塌和井徑變化，而在志留系下部地層中，部分井段出現(xiàn)了井徑擴大現(xiàn)象，波動較大，但程度不高，因此KCl-NaCl 復合欠飽和鹽水鉆井液體系在順北志留系地層中很好地維護了井壁，對井徑的控制效果良好。通過使用欠飽和鹽水鉆井液體系，保證了順北52A 井志留系地層的施工安全，預防井漏和坍塌效果好，節(jié)約鉆井時間，加快了順北油氣田的勘探開發(fā)。

6 結論

順北52A 井使用KCl-NaCl 復合欠飽和鹽水鉆井液并結合防漏、防塌協(xié)同技術，成功鉆開志留系地層，并順利完井，由此得到以下結論：

（1）志留系地層存在鹽水層，采用欠飽和鹽水鉆井液體系，可以很好地抗鹽水污染。

（2）志留系地層發(fā)育有大段泥巖，易水化膨脹，同時存在微裂縫、微孔隙、層理發(fā)育，使用抑制性較強的復合欠飽和鹽水鉆井液體系，保證鉆井液中K＋的有效含量，且在鉆井液中加入聚胺等抑制劑，可以最大程度地維持巖石的原始強度，防止掉塊跨塌，保持井壁的穩(wěn)定性。

（3）志留系地層塔塔埃爾塔格組、柯坪塔格組地層裂縫發(fā)育，同時裂縫開啟壓力低，井漏風險高，易發(fā)生誘導性漏失，在施工過程中宜采用較低的鉆井液密度，同時在鉆井液中加入隨鉆堵漏材料，加強隨鉆封堵性、防止地層漏失，很好地起到了逢縫即堵的作用。