邱春陽(yáng) 李 波 王 偉 慈國(guó)良 劉 偉 陳二丁

中石化勝利石油工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)中心

0 引言

勝利渤南頁(yè)巖油區(qū)塊（以下簡(jiǎn)稱為“渤南區(qū)塊”）位于濟(jì)陽(yáng)坳陷沾化凹陷渤南洼陷，該區(qū)塊頁(yè)巖油分布面積廣，前期已完鉆井均見(jiàn)良好油氣顯示，表明該區(qū)塊勘探潛力大，是新儲(chǔ)量的接替區(qū)塊。前期勘探中，由于使用的水基鉆井液體系抑制性弱、封堵能力差，不能有效抑制漸新統(tǒng)沙河街組地層中膏泥巖的蠕變及油泥巖、油頁(yè)巖的水化膨脹，致使施工的多口井遭遇不同程度的井壁失穩(wěn)情況。輕者反復(fù)劃眼，曾經(jīng)單口井在沙三段劃眼達(dá)兩個(gè)月之久；嚴(yán)重者發(fā)生坍塌，沙河街組井徑平均擴(kuò)大率均超過(guò)30%；完井后，電測(cè)顯示儲(chǔ)層均遭到不同程度的污染，產(chǎn)油不理想。針對(duì)這種情況展開(kāi)研究，優(yōu)選抗高溫強(qiáng)封堵合成基鉆井液體系?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用于渤南區(qū)塊3口井，通過(guò)該鉆井液體系對(duì)地層實(shí)現(xiàn)強(qiáng)封堵技術(shù)，保證了3口井的順利鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時(shí)效快，油層保護(hù)效果好，為區(qū)塊后續(xù)勘探開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)保障。

1 渤南區(qū)塊地質(zhì)工程概況

位于濟(jì)陽(yáng)坳陷沾化凹陷的渤南區(qū)塊，在埕南大斷層和孤西斷層控制下形成了數(shù)條斷裂帶。該區(qū)塊長(zhǎng)期處于還原半深湖相沉積環(huán)境，發(fā)育巨厚的暗色泥巖和膏泥巖、油泥巖、油頁(yè)巖。渤南區(qū)塊直井和定向井均采用三開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)采用?444.5 mm鉆頭鉆進(jìn)，下入?339.7 mm表層套管；二開(kāi)采用?311.2 mm鉆頭鉆進(jìn)，下入?244.5 mm套管至井深約3 500 m；三開(kāi)采用?215.9 mm鉆頭鉆至井深約5 500 m完鉆，下入?139.7 mm套管完井。

2 渤南區(qū)塊鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

通過(guò)調(diào)研渤南區(qū)塊前期工程鉆井情況和鉆井液體系施工情況，獲知該區(qū)塊上部地層施工順利，機(jī)械鉆速較快，但進(jìn)入沙河街組后，復(fù)雜情況時(shí)常發(fā)生，井壁穩(wěn)定難度大。鉆井液的技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面。

1）沙一段至沙三段油泥巖不連續(xù)發(fā)育，油泥巖易水化，水化后迅速變軟，井眼鉆開(kāi)后，在上覆地層巖石的壓力下，油泥巖會(huì)沿著井眼徑向蠕動(dòng)，導(dǎo)致井眼變小，造成起下鉆阻卡。

2）沙四上段含石膏巖及石膏質(zhì)泥巖，而石膏巖及石膏質(zhì)泥巖較軟，易發(fā)生塑性變形，造成起下鉆阻卡；石膏巖發(fā)生蠕變后，上覆與其互層的暗色泥巖因支撐力降低而發(fā)生坍塌，進(jìn)而造成連鎖坍塌的惡性局面。

3）沙河街組下部油頁(yè)巖發(fā)育，油頁(yè)巖孔隙及層理發(fā)育較好，易造成井漏；并且鉆井液濾液在壓力下進(jìn)入油頁(yè)巖中，致使其中的黏土礦物水化，產(chǎn)生剝蝕掉塊；尤其是定向鉆進(jìn)過(guò)程中，上井壁懸空無(wú)支撐，井壁失穩(wěn)加劇。

4）斜井段定向鉆進(jìn)過(guò)程中，巖屑上返時(shí)在重力作用下易沉降在下井壁，形成巖屑床，致使鉆壓不能有效傳遞到鉆頭，造成“托壓”，導(dǎo)致施工不暢，長(zhǎng)水平段井眼凈化難度大。

5）水平段長(zhǎng)近2 000 m，定向中鉆具緊貼下井壁運(yùn)行，產(chǎn)生的摩阻和扭矩大，巖屑床的形成導(dǎo)致摩阻和扭矩更大；定向軌跡一般采用“增—穩(wěn)—增—穩(wěn)”式，易形成“狗腿度”，鉆具運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生較大的摩阻和扭矩；渤南區(qū)塊發(fā)育超壓[1]，地層壓力約70 MPa，鉆井液密度高達(dá)1.85 g/cm3，鉆井液本身固相含量高，潤(rùn)滑防卡難度更大。

6）地層溫度高達(dá)180 ℃，高溫下，分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)劇烈，大分子聚合物類處理劑和表面活性劑分子鏈發(fā)生斷裂或重聚，造成鉆井液流變性惡化，流變性失穩(wěn)直接導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

7）鉆井液密度高達(dá)1.85 g/cm3，高溫下鉆井液體系的沉降穩(wěn)定性降低，易造成重晶石粉沉降，造成起下鉆阻卡；渤南區(qū)塊沙河街組地層含有硫化氫，鉆井液體系遭受硫化氫污染，高密度下性能惡化嚴(yán)重，極難調(diào)控。

8）石膏及膏質(zhì)泥巖易水化溶解，造成鉆井液體系流變性惡化，濾失量增大；儲(chǔ)層油氣顯示活躍，油侵后造成鉆井液黏切變化大；巖屑在鉆具的反復(fù)研磨下粒徑變小，低密度固相侵入導(dǎo)致體系黏切增大，起下鉆時(shí)產(chǎn)生的波動(dòng)壓力大。

3 井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)對(duì)策

針對(duì)上述井壁穩(wěn)定技術(shù)難點(diǎn)，鉆井液采用以下技術(shù)對(duì)策。

1）強(qiáng)化鉆井液體系的抑制性。優(yōu)選黏土礦物水化抑制劑，能夠高效抑制油泥巖和油頁(yè)巖的水化，避免或減緩膏泥巖的溶脹，減弱微裂縫尖劈效應(yīng)，保持巖石的原始強(qiáng)度。

2）增強(qiáng)鉆井液體系的封堵性。優(yōu)選粒徑為納米到微米尺寸級(jí)的粒子，與常規(guī)封堵劑相結(jié)合，使鉆井液能夠在井壁表面形成韌性好的低滲透率的薄泥餅，多尺度封堵地層層理、孔隙和微細(xì)裂縫，有效阻緩壓力傳遞，隔絕鉆井液向地層侵入的動(dòng)力源頭。

3）保證鉆井液體系的高溫流變性。要求鉆井液體系的抗溫性強(qiáng)，在高溫下仍然具有良好的流變性，能夠懸浮攜帶巖屑以凈化井眼，遭受鹽膏侵后流變性依然保持穩(wěn)定。

4）保證鉆井液體系的高溫潤(rùn)滑性。要求鉆井液體系在高溫下仍然具有良好的潤(rùn)滑性，最大限度地降低斜井段和水平段定向施工中產(chǎn)生的摩阻和扭矩，滿足工程上安全快速鉆進(jìn)的需要，防止產(chǎn)生托壓。

4 鉆井液體系研究

通過(guò)調(diào)研得知，渤南區(qū)塊前期施工中，先后使用過(guò)強(qiáng)抑制聚磺封堵防塌鉆井液體系、復(fù)合鹽聚磺防塌鉆井液體系和聚胺強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系，對(duì)沙河街組地層的井壁穩(wěn)定起到一定的作用，但均未能解決井壁失穩(wěn)問(wèn)題。因此，在借鑒國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)抗高溫鉆井液體系施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[2-20]，優(yōu)選合成基鉆井液體系，并加以完善，從而形成適用于渤南區(qū)塊的抗高溫、強(qiáng)封堵鉆井液體系。

合成基鉆井液體系的連續(xù)相為氣制油，氣制油是一種無(wú)毒、黏度很低的流體，用其配制的鉆井液抗溫性強(qiáng)，高溫下具有良好的流變性、抗污染性和潤(rùn)滑性；同時(shí)，合成基鉆井液依靠氯化鈣水溶液調(diào)節(jié)活度，能夠徹底預(yù)防地層黏土礦物水化分散，可取得防塌、減阻、保持油層巖石原始物性的效果，達(dá)到安全快速鉆井、保護(hù)儲(chǔ)層的目的。

在合成基鉆井液配方[21]的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善。首先，優(yōu)選抗高溫乳化劑，進(jìn)一步提高體系的抗高溫穩(wěn)定性；其次，通過(guò)選擇多級(jí)配超細(xì)碳酸鈣剛性粒子，配合彈性封堵粒子，進(jìn)一步增強(qiáng)鉆井液體系的封堵能力，使鉆井液體系在近井壁地帶形成不滲透的封堵層，封堵地層孔隙和微細(xì)裂縫，達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的。

4.1 抗高溫乳化劑的優(yōu)選

合成基鉆井液體系的抗溫性關(guān)鍵在于乳化劑。乳化劑能夠有效降低油水兩相的界面張力[22]，在油水界面形成界面膜，界面膜的強(qiáng)度決定了體系的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)用不同的乳化劑分別配制密度為2.0 g/cm3的鉆井液，乳化劑加量相同，180 ℃下老化16 h，測(cè)量鉆井液體系老化后的流變性、高溫高壓破乳電壓和沉降穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)配方：360 mL基礎(chǔ)油+4.0%乳化劑+3.0%有機(jī)土+3.0%降濾失劑+5.0%封堵劑+40 mL氯化鈣水溶液（氯化鈣濃度為25%）+2.5%石灰+重晶石+3.0%潤(rùn)濕劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1）表明，用3#乳化劑和5#乳化劑配制的鉆井液，其高溫高壓濾失量低、高溫高壓破乳電壓高，并且沉降穩(wěn)定性好；但是用5#乳化劑配制的合成基鉆井液黏切偏大，鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)空壓耗大，起下鉆過(guò)程中產(chǎn)生的激動(dòng)壓力大，易于誘發(fā)復(fù)雜情況。因此，選擇3#乳化劑配制合成基鉆井液體系。

表1 抗高溫乳化劑的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

4.2 封堵性能評(píng)價(jià)

通過(guò)乳化劑的選擇后，確定合成基鉆井液體系配方為：360 mL基礎(chǔ)油+4.0%乳化劑3#+3.0%有機(jī)土+3.0%降濾失劑+3%多級(jí)配封堵劑+5.0%彈性封堵劑+40 mL氯化鈣水溶液（氯化鈣濃度為25%）+2.5%石灰+重晶石+3.0%潤(rùn)濕劑。采用高溫高壓砂床濾失實(shí)驗(yàn)和高溫高壓可視砂床濾失實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)該鉆井液體系在溫度180 ℃、壓差為3.5 MPa下的封堵能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，和渤南區(qū)塊前期應(yīng)用的3種鉆井液（強(qiáng)抑制聚磺封堵防塌鉆井液、復(fù)合鹽聚磺防塌鉆井液和聚胺強(qiáng)抑制防塌鉆井液）相比，抗高溫強(qiáng)封堵合成基鉆井液的高溫高壓濾失量最低，同時(shí)其30 min高溫高壓可視砂床的侵入深度只有5.4 cm，說(shuō)明抗高溫強(qiáng)封堵合成基鉆井液能夠快速在井壁上形成屏蔽暫堵帶，防止鉆井液濾液侵入地層。

表2 不同鉆井液體系的封堵性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

4.3 除硫劑對(duì)合成基鉆井液的影響

渤南區(qū)塊沙河街組地層中含有硫化氫，鉆進(jìn)過(guò)程中為防止硫化氫污染鉆井液，在鉆井液中需加入除硫劑（堿式碳酸鋅）。按照配方配制密度為2.0 g/cm3的抗高溫強(qiáng)封堵合成基鉆井液體系，加入不同含量的堿式碳酸鋅，以考察除硫劑對(duì)鉆井液性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，除硫劑的加入，對(duì)鉆井液體系的性能（流變性、高溫高壓下的穩(wěn)定性）影響不大，并且鉆井液的高溫高壓濾失量隨除硫劑的增加有下降趨勢(shì)，表明除硫劑的加入對(duì)鉆井液體系的性能沒(méi)有不利影響。

表3 不同含量除硫劑對(duì)鉆井液體系性能影響結(jié)果表

5 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液施工技術(shù)

鉆井液體系應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工，總結(jié)有如下幾方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，以保證鉆井液體系的應(yīng)用效果。

5.1 井壁穩(wěn)定技術(shù)

1）嚴(yán)密監(jiān)測(cè)振動(dòng)篩巖屑形狀和顏色變化，發(fā)現(xiàn)井壁失穩(wěn)，及時(shí)處理。

2）嚴(yán)格控制鉆井液高溫高壓濾失量，防止油泥巖和油頁(yè)巖水化。

3）保證超細(xì)碳酸鈣與瀝青類封堵劑的有效含量，定期補(bǔ)充。

4）控制鉆井液密度，保證井壁穩(wěn)定所需要的力學(xué)平衡。

5.2 井眼凈化技術(shù)

1）嚴(yán)密監(jiān)測(cè)振動(dòng)篩巖屑量的變化，發(fā)現(xiàn)巖屑量返出異常，立即停止鉆進(jìn)，循環(huán)鉆井液，調(diào)整鉆井液流變性。

2）保證體系六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)Φ3（3轉(zhuǎn)）讀數(shù)大于4，確保鉆井液的懸浮攜帶能力。

3）定期進(jìn)行短起下鉆與長(zhǎng)起下鉆，配合倒劃眼，破除巖屑床。

4）定期用有機(jī)土和瀝青配制高黏切攜砂液，凈化井眼。

5）水平段加大排量，采用紊流沖刷沉砂床，凈化井眼。

5.3 潤(rùn)滑防卡技術(shù)

1）嚴(yán)密監(jiān)測(cè)鉆具摩阻和扭矩變化，保證鉆井液體系的潤(rùn)滑性。

2）嚴(yán)格控制鉆井液中劣質(zhì)固相含量，振動(dòng)篩的篩布目數(shù)不低于200目，保證一級(jí)固控的去除效率。

3）控制鉆井液體系的油水比，定期補(bǔ)充基礎(chǔ)油和乳化劑。

4）盡量采用復(fù)合鉆進(jìn)，適當(dāng)劃眼，修復(fù)井眼軌跡，保證定向施工順暢。

5.4 流變性調(diào)控技術(shù)

1）定期補(bǔ)充乳化劑和潤(rùn)濕劑，保證體系高溫下流變性穩(wěn)定。

2）定期檢測(cè)鉆井液的抗溫性和沉降穩(wěn)定性。

3）定期監(jiān)測(cè)鉆井液中離子含量變化，防止流體侵入。

4）定期監(jiān)測(cè)鉆井液堿度值，特別是每次下鉆到底后井底返出鉆井液的堿度值，防止H2S侵入。

5）重晶石粉密度不低于4.2 g/cm3，嚴(yán)控其黏土含量。

6 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液施工工藝

抗高溫強(qiáng)封堵合成基鉆井液體系在渤南區(qū)塊3口井三開(kāi)井段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)鉆井液施工工藝如下。

1）二開(kāi)中完后，清理泥漿槽和循環(huán)罐，保證無(wú)沉砂積水。將預(yù)先配制好的合成基基漿倒入循環(huán)罐，應(yīng)用地面循環(huán)管匯均勻加重，保證性能均勻穩(wěn)定。

2）現(xiàn)場(chǎng)預(yù)先配制8～10 m3隔離液，隔離液漏斗黏度不低于140 s；泵入隔離液，后面大排量跟入合成基鉆井液，替漿過(guò)程中不能停泵，防止混漿。隔離液返出后，放掉混漿；替漿完成后，在套管內(nèi)循環(huán)鉆井液，調(diào)整鉆井液性能，待性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求后開(kāi)鉆。

3）定期測(cè)量鉆井液體系破乳電壓，一旦發(fā)現(xiàn)破乳電壓有下降趨勢(shì)，補(bǔ)充乳化劑，保證高溫下鉆井液流變性的穩(wěn)定。

4）嚴(yán)密監(jiān)測(cè)鉆井液流變性。通過(guò)調(diào)整油水比和增稠劑加量來(lái)調(diào)控鉆井液黏度和切力，即確保鉆井液沉降穩(wěn)定性良好的同時(shí)，黏度和切力控制在最小范圍；每鉆進(jìn)20 m補(bǔ)充25 kg潤(rùn)濕劑；每次加重前加入0.5%潤(rùn)濕劑，改善鉆井液流變性和沉降穩(wěn)定性。

5）開(kāi)鉆后，加入2%粒徑為2 000～3 000目的碳酸鈣；進(jìn)入沙二段后，加入3%粒徑為2 000～5 000目的碳酸鈣，配合瀝青，封堵地層孔縫，穩(wěn)定井壁。

6）密度控制在設(shè)計(jì)下限；進(jìn)入膏泥巖層前，密度提高至設(shè)計(jì)上限，平衡膏巖層蠕變壓力，防止發(fā)生縮徑等復(fù)雜情況。以BYP5井為例，鉆井液性能控制情況如表4所示。

表4 BYP5井鉆井液性能控制情況表

7 結(jié)論和建議

抗高溫強(qiáng)封堵合成基鉆井液體系成功應(yīng)用于渤南區(qū)塊3口井的三開(kāi)井段，應(yīng)用結(jié)果表明：

1）井壁穩(wěn)定性好。該鉆井液體系解決了渤南區(qū)塊沙河街組儲(chǔ)層油泥巖、油頁(yè)巖水化坍塌及膏泥巖蠕變縮徑的難題，施工中井壁穩(wěn)定，完井作業(yè)順利；井身質(zhì)量好，體系應(yīng)用井段井徑平均擴(kuò)大率低于2.5%，井徑最大擴(kuò)大率低于4.0%。

2）井眼凈化效果良好。3口井完鉆垂深均在3 600 m以上，水平段長(zhǎng)度均大于950 m，井底溫度最高達(dá)174 ℃，但該鉆井液體系在高溫下流變性好，懸浮攜帶能力強(qiáng)，每次起下鉆暢通無(wú)阻；斜井段沒(méi)有巖屑床形成，定向過(guò)程中沒(méi)有“托壓”情況發(fā)生。

3）機(jī)械鉆速高。和前期施工的6口井相比，3口應(yīng)用井的鉆井周期明顯縮短，機(jī)械鉆速明顯提高。其中BYP5井完鉆井深5 379.59 m，水平段長(zhǎng)1 059.59 m，側(cè)鉆點(diǎn)井深3 982 m，水平段平均機(jī)械鉆速11.81 m/h，創(chuàng)造了勝利油田頁(yè)巖油井側(cè)鉆點(diǎn)最深、平均機(jī)械鉆速最快的兩項(xiàng)紀(jì)錄。

4）儲(chǔ)層保護(hù)好。該鉆井液體系儲(chǔ)層保護(hù)性好，3口井鉆進(jìn)期間均見(jiàn)到良好油氣顯示；完井后測(cè)試，平均單井日產(chǎn)量超過(guò)30 t；投產(chǎn)后，獲得日穩(wěn)產(chǎn)25 t的工業(yè)油流。

5）渤南區(qū)塊地層溫度高、壓力高、巖性復(fù)雜，針對(duì)這種情況，抗高溫強(qiáng)封堵合成基鉆井液體系的成功應(yīng)用表明，鉆井施工中需要確保鉆井液體系的抑制性和封堵性，并合理調(diào)控鉆井液的流變性和密度。