準(zhǔn)噶爾盆地中部2區(qū)塊鉆井液研發(fā)及應(yīng)用

邱春陽， 王寶田, 何興華, 司賢群

(中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工程技術(shù)公司， 山東 東營 257064)

中部2區(qū)塊位于準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷內(nèi)，區(qū)塊主體處于東道海子北凹陷中部，向西達(dá)到漠北凸起邊緣.中部2區(qū)塊勘探程度較低，僅在西部有成1井完鉆.由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，鉆遇地層較多，施工中復(fù)雜事故不斷，上部地層起下鉆阻卡，下部地層井壁失穩(wěn)，嚴(yán)重制約該區(qū)塊的勘探開發(fā)進(jìn)程.為了為確?？碧绞┕さ捻樌?，提高探井鉆探成功率及準(zhǔn)確評價(jià)和發(fā)現(xiàn)中部2區(qū)塊地下油氣資源，急需研發(fā)與之相適宜的鉆井液體系.

1 地質(zhì)概況及鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

中部2區(qū)塊鉆遇地層較多，區(qū)塊自上而下發(fā)育新近系、古近系，白堊系東溝組、連木沁+勝金口組、呼圖壁組和清水河組，侏羅系頭屯河組、西山窯組、三工河組和八道灣組，從地層特點(diǎn)及井身結(jié)構(gòu)來看，施工中易出現(xiàn)以下技術(shù)難點(diǎn)：

1)東溝組到清水河組，地層褐紅色、棕紅色和紫紅色泥巖較軟，易吸水膨脹縮徑，導(dǎo)致起下鉆遇阻.

2)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上看，二開裸眼井段長達(dá)3200m.裸眼段上部和下部地層壓力不同，巖性特征不同，鉆井液密度和維護(hù)處理工藝不同，易發(fā)生上漏下塌的復(fù)雜情況；另外，裸眼段長，施工周期增長，致使井壁浸泡時(shí)間長，起下鉆次數(shù)多，對井壁碰撞、抽吸的機(jī)率增多，井壁失穩(wěn)趨勢增大.

3)侏羅系發(fā)育碳質(zhì)泥巖、煤層及煤線，局部泥巖、砂巖及煤互層，特別是西山窯組發(fā)育多套煤層，煤巖的彈性模量較低，抗壓、抗拉強(qiáng)度弱，脆性大，膠結(jié)性差，受到鉆井液沖刷與鉆具振動(dòng)時(shí)易坍塌；碳質(zhì)泥巖較硬，易發(fā)生應(yīng)力性垮塌；泥巖、砂巖及煤巖互層時(shí)，泥巖及砂巖的水化導(dǎo)致其上煤層因支撐強(qiáng)度降低而坍塌，同樣，煤層的坍塌也會(huì)促使上部泥頁巖坍塌，形成惡性循環(huán)，井壁失穩(wěn)嚴(yán)重.

4)三開井底溫度高，鉆井液處理劑在高溫下易發(fā)生老化，分子鏈斷裂，鉆井液體系性能惡化；高溫下，膨潤土發(fā)生惰性，維護(hù)鉆井液性能的穩(wěn)定越來越困難；據(jù)調(diào)研，侏羅系中下部地層異常高壓[1-2]，必須使用高密度鉆井液體系進(jìn)行鉆進(jìn)，高溫下，高密度鉆井液流變性的調(diào)控具有一定難度.

2 鉆井液體系的研究

2.1 鉆井液體系的選擇

通過國內(nèi)長裸眼井、煤層、深井及超深井鉆井液使用情況調(diào)研[3-7]，結(jié)合鄰近區(qū)塊鉆井液施工經(jīng)驗(yàn)，針對準(zhǔn)噶爾盆地中部2區(qū)塊地層巖性特點(diǎn)及施工難點(diǎn)，經(jīng)過處理劑優(yōu)選及性能優(yōu)化，研發(fā)了鋁胺抑制防塌鉆井液，基本配方如下：

(4.0～6.0)%膨潤土+(0.3～0.6)%聚丙烯酸鉀KPAM+(1.0～2.0)%鋁絡(luò)合物抑制劑+(0.5～1.0)%有機(jī)胺+(2.0～3.5)%無水聚合醇+(2.0～3.0)%抗高溫抗鹽防塌降濾失劑+(3.0～5.0)%磺化酚醛樹脂SMP-1+(0.5～1.5)%非滲透成膜封堵劑+(3.0～5.0)%低熒光井壁穩(wěn)定劑+(2.0～3.0)%超細(xì)碳酸鈣.

2.2 鉆井液體系作用機(jī)理

有機(jī)胺分子上多個(gè)獨(dú)立的胺基可充填在粘土顆粒的晶層之間，并把它們束縛在一起，有效地減少粘土的吸水傾向，其抑制作用具有長效性，抗沖刷能力強(qiáng)，保證鉆井作業(yè)結(jié)束后也具有長時(shí)間的抑制效果[8].

鋁絡(luò)合物在pH值為9時(shí)以液態(tài)存在，當(dāng)其滲入地層后，在溫度、壓力和適當(dāng)?shù)膒H值條件下，與粘土結(jié)合形成具有固結(jié)作用的硅鋁酸鹽不滲透層，阻止濾液的進(jìn)一步侵入.當(dāng)它進(jìn)入頁巖內(nèi)部后，與地層中多價(jià)陽離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，增強(qiáng)其在頁巖孔喉或微裂縫內(nèi)的井壁穩(wěn)定性[9].

聚合醇具有“濁點(diǎn)效應(yīng)”，當(dāng)?shù)貙訙囟鹊陀跐狳c(diǎn)溫度時(shí)，聚合醇吸附在鉆具和固體顆粒表面，形成憎水膜，阻止泥頁巖水化分散，穩(wěn)定井壁，改善潤滑性，防止鉆頭泥包.當(dāng)?shù)貙訙囟雀哂谄錆狳c(diǎn)溫度時(shí)，聚合醇從鉆井液中析出，粘附在鉆具和井壁上，封堵巖石孔隙，阻止濾液滲入地層，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定井壁的作用[10].

非滲透成膜封堵劑，在井壁巖石表面形成致密非滲透封堵薄膜，能夠有效封堵不同滲透性地層和微裂縫泥頁巖地層，穩(wěn)定井壁[11].

低熒光井壁穩(wěn)定劑是瀝青類產(chǎn)品，通過“軟化點(diǎn)”機(jī)理[12]，配合超細(xì)碳酸鈣，封堵地層層理、孔隙和微細(xì)裂縫，達(dá)到穩(wěn)定井壁的效果.

3 鉆井液性能評價(jià)

3.1 抑制性能評價(jià)

采用頁巖膨脹實(shí)驗(yàn)和抑制巖屑分散實(shí)驗(yàn)，對鉆井液的抑制性進(jìn)行了考察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 抑制性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)

由表1可知，巖心在鋁胺抑制防塌鉆井液中16h 的線膨脹高度僅為0.52mm，顯著低于在聚磺鉆井液中的膨脹高度(1.45mm)；并且鋁胺抑制防塌鉆井液的巖屑回收率達(dá)到93.5%，顯著高于聚磺鉆井液的回收率，可見鋁胺抑制防塌鉆井液抑制性強(qiáng)，能顯著降低泥頁巖的水化膨脹.

3.2 封堵性能評價(jià)

采用直徑為30～40(0.420～0.590μm)目的石英砂作為過濾介質(zhì)，分別加入聚磺鉆井液和鋁胺抑制防塌鉆井液，固定后加壓0.69MPa，檢驗(yàn)鉆井液的封堵能力.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2中所示.

表2 封堵性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)

鋁胺抑制防塌鉆井液加壓15min后侵入砂床的深度為0.8cm，加壓60min后侵入砂床的深度為1.1cm，相差不大，說明鋁胺抑制防塌鉆井液在壓差下，能夠快速形成一個(gè)承壓封堵帶，阻止濾液向地層的滲透.

4 現(xiàn)場鉆井液技術(shù)

4.1 合理密度支撐

由于力學(xué)因素引起的井壁垮塌，只有通過力學(xué)平衡才能解決.在二開裸眼段下部及煤層鉆進(jìn)時(shí)，保證對地層的正壓差，通過鉆井液液柱徑向支撐平衡地層坍塌壓力，達(dá)到防止井壁坍塌的目的.

4.2 多元協(xié)同抑制

針對二開上部地層泥巖易吸水膨脹及煤泥互層特點(diǎn)，使用鋁絡(luò)合物、有機(jī)胺和無水聚合醇，多元協(xié)同增強(qiáng)鉆井液濾液的抑制性，一則抑制泥巖段的吸水膨脹，防止縮徑卡鉆；二則降低泥煤互層中泥巖的水化程度，防止煤層段的井壁失穩(wěn).

4.3 雙重封堵防塌

鉆進(jìn)到二開長裸眼段和煤層井段時(shí)，鉆井液中加入瀝青和非滲透成膜封堵劑，配合不同粒徑的超細(xì)碳酸鈣，依靠封堵材料協(xié)同作用，使鉆井液能夠在井壁上形成一層薄而致密的不滲透嚴(yán)封堵層，一則封堵長裸眼段上部疏松地層，增加其承壓能力；二則封堵煤層，以減緩鉆井液濾液對地層的侵入，并有效發(fā)揮鉆井液液柱壓力對井壁的物理支撐作用.

4.4 流變性調(diào)控

二開上部地層鉆進(jìn)中保持鉆井液低粘、低切及低固相，釋放鉆頭水馬力，適當(dāng)沖刷井壁，提高機(jī)械鉆速；二開下部地層及煤層段鉆進(jìn)中適當(dāng)增加鉆井液的粘切，變紊流為層流，增強(qiáng)鉆井液護(hù)壁防塌能力，保持井壁穩(wěn)定；使用抗高溫處理劑，并以膠液形式補(bǔ)充，保持其足夠的含量，以確保鉆井液的穩(wěn)定性.

5 現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 應(yīng)用井概況

成3井是部署在準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷東道海子北凹陷東北部成3井區(qū)巖性圈閉高部位的一口重點(diǎn)預(yù)探井，主探侏羅系八道灣和頭屯河組，兼探三工河組含油氣情況.該井采用三開制方式鉆進(jìn)，一開Ф444.5mm鉆頭鉆深507.00m，Ф339.7mm套管下深506.47m；二開Ф311.2mm鉆頭鉆深3 775.00m，Ф244.5mm套管下深3 772.78m；三開Ф215.9mm鉆頭鉆深4 821.00m完鉆，裸眼完井.

5.2 應(yīng)用效果

成3井從二開使用鋁胺抑制防塌鉆井液體系，取得了良好的應(yīng)用效果.

1)抑制性好

鄰井在連木沁組至清水河組井段鉆進(jìn)時(shí)造漿嚴(yán)重，使用常規(guī)聚磺鉆井液體系流變性變差，鉆井液性能控制困難.而本井使用鋁胺抑制防塌鉆井液體系后，抑制性明顯增強(qiáng)，流變性好.

2)封堵性強(qiáng)

二開裸眼段長達(dá)3268m，施工中井壁穩(wěn)定，起下鉆暢通無阻，平均井徑擴(kuò)大率為8.95%；三開侏羅系井壁穩(wěn)定，平均井徑擴(kuò)大率僅為5.24%.

3)煤層防塌效果好

侏羅系鉆遇純煤層共計(jì)12層，累計(jì)51m，鉆遇煤層時(shí)井壁穩(wěn)定，西山窯組井徑平均擴(kuò)大率為6.39%，解決了侏羅系煤層段的井壁失穩(wěn)難題.

4)完井作業(yè)順利

下套管順利；電測順利，測井12次，一次成功率100%；共取芯4筒，取芯進(jìn)尺32.65m，芯長32.65m，取芯收獲率100%，圓滿完成了取芯任務(wù).

5)提高了施工效率

二開預(yù)計(jì)機(jī)械鉆速1.59m/h，實(shí)際8.89m/h，機(jī)械鉆速提高了5.59倍.三開預(yù)計(jì)機(jī)械鉆速1.05m/h，實(shí)際4.40m/h，機(jī)械鉆速提高了4.19倍.全井平均機(jī)械鉆速為7.68m/h，施工效率比預(yù)期提高了4倍.

6 結(jié)論

(1)鋁胺抑制防塌鉆井液采用多元抑制及雙重封堵措施，抑制性強(qiáng)，封堵性好，配合現(xiàn)場鉆井液技術(shù)，解決了長裸眼及煤層段的井壁失穩(wěn)難題.

(2)二開裸眼段長，地層壓力上低下高，鉆至二開下部井段時(shí)，鉆井液中要加足封堵材料，提高上部地層的承壓能力，防止發(fā)生復(fù)雜事故.

(3)煤層段井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵是鉆井液具有良好的封堵性和抑制性，基礎(chǔ)是鉆井液具有良好的流變性，前提是必須保持鉆井液液柱對地層的正壓差.

(4)鋁胺抑制防塌鉆井液體系必須控制有機(jī)胺的加量，防止加量過多弱化體系的造壁性和封堵性.

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