準(zhǔn)南山前柴窩堡區(qū)塊鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

邱春陽(yáng) 何興華 司賢群 王寶田

（中國(guó)石化集團(tuán)公司勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司）

準(zhǔn)南山前柴窩堡區(qū)塊鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

邱春陽(yáng) 何興華 司賢群 王寶田

（中國(guó)石化集團(tuán)公司勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司）

通過(guò)分析準(zhǔn)南山前柴窩堡區(qū)塊復(fù)雜事故發(fā)生的原因，針對(duì)該區(qū)塊地層特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的鉆井液技術(shù)對(duì)策及鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系配方。該體系在柴窩堡區(qū)塊柴1HF井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：抑制性強(qiáng)，封堵性能好，適應(yīng)柴窩堡區(qū)塊地層特點(diǎn)。柴1HF井直導(dǎo)眼的鉆探成功不但解決了該區(qū)塊施工中易出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)難題，而且為該區(qū)塊其它井的施工提供了有力的技術(shù)保障。表6參4

柴窩堡 山前高陡 井壁穩(wěn)定 鋁胺柴1HF井

柴窩堡區(qū)塊位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，該區(qū)塊地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地層黏土礦物含量高，地層傾角大，地應(yīng)力作用明顯［1］，是典型的山前高陡構(gòu)造區(qū)。近年來(lái)在該區(qū)塊先后鉆了多口井，但由于上述山前高陡構(gòu)造地質(zhì)特點(diǎn)，施工中常發(fā)生復(fù)雜情況，輕者反復(fù)劃眼，延長(zhǎng)鉆井周期；嚴(yán)重者卡鉆，甚至井眼報(bào)廢，不但造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重制約了柴窩堡區(qū)塊的勘探與開(kāi)發(fā)進(jìn)程［2－3］。通過(guò)采用鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系，施工中采用合理鉆井液密度支撐—多元強(qiáng)化抑制—雙重封堵防塌措施，順利鉆達(dá)目的層。為深化研究柴窩堡區(qū)塊成藏條件及下步勘探部署提供了基礎(chǔ)資料，為西部新區(qū)的勘探開(kāi)發(fā)積累了重要經(jīng)驗(yàn)。

1 柴窩堡區(qū)塊鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

1.1 地用力作用明顯

柴窩堡區(qū)塊是典型的山前高陡構(gòu)造地區(qū)，多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地層應(yīng)力集中，地應(yīng)力作用明顯。鉆開(kāi)地層后，地層原有的結(jié)構(gòu)力被破壞，地應(yīng)力的作用顯現(xiàn)出來(lái)，一旦井眼形成，地應(yīng)力便沿井眼的徑向方向釋放，導(dǎo)致井壁坍塌。

1.2 地層黏土礦物含量高

柴3井地層巖性組成分析表明，地層中黏土礦物含量達(dá)到70%以上，并且地層巖石膠結(jié)物均為黏土礦物；黏土礦物中，以蒙脫石或伊／蒙混層為主，地層鉆開(kāi)后，由于地層中黏土礦物的水化膨脹，特別是伊／蒙混層水化后膨脹不均導(dǎo)致的內(nèi)部推擠，極易造成井壁失穩(wěn)。

1.3 地層破碎、微裂縫發(fā)育

柴窩堡區(qū)塊受地層推覆作用，地層傾角大。強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地層破碎，微裂縫發(fā)育。地層被鉆開(kāi)后，鉆井液濾液在壓差作用下進(jìn)入地層中，使地層孔隙及裂縫中的黏土礦物水化，造成巖石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，層間摩擦力減小，在外力作用下剝落掉塊。

2 鉆井液技術(shù)對(duì)策

根據(jù)柴窩堡區(qū)塊地層特點(diǎn)，結(jié)合近幾年在該地區(qū)鉆井施工情況、鉆井液使用及現(xiàn)場(chǎng)處理技術(shù)，解決柴窩堡區(qū)塊復(fù)雜情況的鉆井液技術(shù)對(duì)策如下：

（1）適當(dāng)?shù)你@井液密度

針對(duì)柴窩堡區(qū)塊地應(yīng)力發(fā)育特點(diǎn)，施工中依據(jù)地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力，參照鄰井鉆井液施工情況，確定合理的鉆井液密度，依靠鉆井液液柱徑向支撐平衡地應(yīng)力，防止地層坍塌與塑性變形。

（2）強(qiáng)化鉆井液體系的抑制性

針對(duì)柴窩堡區(qū)塊黏土礦物含量高，地層易水化、分散性能強(qiáng)的特點(diǎn)，強(qiáng)化鉆井液體系的抑制性，降低黏土礦物的水化程度，防止伊／蒙混層水化不均引起“推擠作用”從而導(dǎo)致井壁坍塌的發(fā)生。

（3）強(qiáng)化鉆井液體系的封堵性

針對(duì)柴窩堡區(qū)塊地層破碎及微裂縫發(fā)育特點(diǎn)，強(qiáng)化鉆井液體系的封堵性，使鉆井液體系能夠在井壁上形成不滲透嚴(yán)封堵層［4］，以減緩鉆井液濾液對(duì)地層的侵入，并有效發(fā)揮鉆井液液柱對(duì)井壁的物理支撐作用。

3 柴窩堡區(qū)塊鉆井液體系研究

3.1 鉆井液體系配方

依據(jù)上述鉆井液技術(shù)對(duì)策，通過(guò)處理劑優(yōu)選及性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定使用鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系，配方如下：

3%～5%膨潤(rùn)土＋0.4%～0.5%KPAM＋4%～6%SMP－2＋3%～5%抗鹽抗鈣降濾失劑KYG－1＋0.5%～1.5%鋁絡(luò)合物抑制劑＋1%～2%有機(jī)胺＋2%～3%無(wú)水聚合醇＋0.5%～1.5%非滲透承壓封堵劑DXH－4＋3%～5%低熒光井壁穩(wěn)定劑HQ－1＋3%～5%超細(xì)碳酸鈣

該鉆井液體系的特點(diǎn)是強(qiáng)抑制和強(qiáng)封堵。體系中鋁絡(luò)合物、有機(jī)胺及無(wú)水聚合醇分別從“化學(xué)鍵合”、“層間鑲嵌”及“濁點(diǎn)效應(yīng)”方面抑制泥頁(yè)巖水化膨脹；非滲透承壓封堵劑、低熒光井壁穩(wěn)定劑及超細(xì)碳酸鈣分別通過(guò)瀝青的“軟化點(diǎn)”機(jī)理和膜封堵機(jī)理對(duì)地層孔隙及微裂縫進(jìn)行封堵。另外，體系中沒(méi)有分散型如褐煤等處理劑，進(jìn)一步鞏固了體系的抑制性。

3.2 鉆井液體系主要性能評(píng)價(jià)

（1）常規(guī)性能評(píng)價(jià)

按照配方分別配制密度為1.50 g／cm3、1.80 g／cm3和2.10 g／cm3的鉆井液體系，評(píng)價(jià)體系的常規(guī)性能。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鉆井液體系常規(guī)性能

從表1中看出，無(wú)論是在低密度還是在高密度下，高溫后鉆井液體系的流變性良好，沒(méi)有出現(xiàn)增稠或膠凝現(xiàn)象，并且高溫高壓濾失量小于10 mL，適用于深井施工。

（2）抑制性能評(píng)價(jià)

采用抑制頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)和抑制巖屑分散實(shí)驗(yàn)，考察了鉆井液體系的抑制性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。

表2 抑制巖心膨脹高度實(shí)驗(yàn)

由表2中可以看出，巖心在常規(guī)聚磺鉆井液體系中經(jīng)2 h、16 h后線膨脹高度分別為0.56 mm和1.45 mm，而在鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系中浸泡的巖心，2 h后的線膨脹高度為0.23 mm，16 h的線膨脹高度僅為0.54 mm。可見(jiàn)鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系顯著降低泥頁(yè)巖的水化膨脹，能有效地防止因黏土礦物水化膨脹造成的井壁失穩(wěn)。

表3 巖屑回收率實(shí)驗(yàn)

由表3看出，和常規(guī)聚磺鉆井液相比，鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系泥頁(yè)巖回收率高，將常規(guī)聚磺鉆井液體系的回收率從72.6%提高到94.5%，表明鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系抑制性強(qiáng)，利于井壁穩(wěn)定。

（3）封堵性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)采用直徑為0.841～0.595 mm（30～40目）的砂子作為過(guò)濾介質(zhì)，加入配制好的鉆井液體系，固定后加壓0.69 MPa，檢驗(yàn)鉆井液體系的封堵能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鉆井液封堵性能評(píng)價(jià)

從表4中可以看出，加壓15 min后，鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系侵入砂床的深度為0.7 cm。繼續(xù)加壓至60 min后，侵入深度為0.8 cm；而常規(guī)聚磺鉆井液體系加壓15min和60 min的砂床侵入深度分別為0.9 cm和2.6 cm。說(shuō)明鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系在壓力下，快速形成了一個(gè)承壓封堵帶，能夠有效封堵地層孔隙及微細(xì)裂縫。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

柴1HF井是實(shí)施非常規(guī)戰(zhàn)略后在西部所鉆的第一口評(píng)價(jià)井，一開(kāi)Ф444.5mm鉆頭鉆至1632 m，Ф 339.7 mm套管下深1601.2 m；二開(kāi)Ф311.2 mm鉆頭鉆至2900 m，Ф244.5 mm套管下深2899 m；三開(kāi)Ф215.9mm鉆頭鉆至3690 m，裸眼完井。一開(kāi)采用強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系，二開(kāi)和三開(kāi)井段使用鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系，主要施工工藝如下：

（1）控制鉆井液密度在設(shè)計(jì)上限，通過(guò)鉆井液液柱徑向支撐平衡地應(yīng)力，防止地應(yīng)力坍塌掉塊；

（2）進(jìn)入下倉(cāng)房溝群組前，加足有機(jī)胺、無(wú)水聚合醇和鋁絡(luò)合物防塌劑，提高鉆井液濾液的抑制性，防止黏土礦物膨脹而發(fā)生剝蝕；

（3）加足SMP－1和抗鹽抗鈣降濾失劑，降低高溫高壓濾失量，防止黏土礦物吸水膨脹；

（4）加強(qiáng)封堵，根據(jù)井底的實(shí)際溫度，優(yōu)選具有合適“軟化點(diǎn)”的瀝青處理劑和非滲透處理劑，通過(guò)瀝青的“軟化點(diǎn)”機(jī)理和膜封堵機(jī)理，配合超細(xì)碳酸鈣，封堵地層的微裂縫和破碎帶，增強(qiáng)鉆井液體系的封堵防塌能力；

（5）鉆進(jìn)過(guò)程中，注意觀察振動(dòng)篩上的巖屑返出和巖屑形狀的變化，避免出現(xiàn)井眼垮塌的惡性事故；

（6）堅(jiān)持起鉆必封的原則，把每一新鉆開(kāi)的井段，用封井鉆井液進(jìn)行封井，確保鉆進(jìn)1 m，保證1 m井段的井壁穩(wěn)定；

（7）控制起下鉆速度，減小壓力激動(dòng)，防止由于壓力激動(dòng)而引起井壁失穩(wěn)；

（8）由于地層破碎及起下鉆等原因，井下不可避免出現(xiàn)剝蝕掉塊。一旦出現(xiàn)剝蝕掉塊，首先是調(diào)整流型，將剝蝕掉塊攜帶出井眼；然后優(yōu)化濾餅質(zhì)量，強(qiáng)化封堵；最后提高鉆井液密度，通過(guò)液柱壓力支撐井壁。

4.2 應(yīng)用效果

柴1HF井二開(kāi)使用鋁胺強(qiáng)抑制鉆井液體系后，雖然在2180～2490 m出現(xiàn)掉塊，通過(guò)采取提高鉆井液密度及優(yōu)化泥餅質(zhì)量措施，避免了井塌問(wèn)題。余下井段施工順利，起下鉆暢通無(wú)阻。三開(kāi)在蘆草溝組發(fā)生井漏后，采取適當(dāng)措施堵漏成功。以后鉆進(jìn)中逐漸降低鉆井液密度和黏切，起下鉆暢通無(wú)阻，沒(méi)有再發(fā)生復(fù)雜情況。電測(cè)、下套管順利；二開(kāi)井徑平均擴(kuò)大率為8.5%。三開(kāi)井徑平均擴(kuò)大率為4.93%。同該地區(qū)其它已完鉆井相比，柴1HF井井徑均勻，井徑擴(kuò)大率小?，F(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能及與其他井的數(shù)據(jù)對(duì)比分別見(jiàn)表5、表6。

表5 柴1HF井鉆井液性能

表6 柴窩堡地區(qū)已完鉆井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系能夠滿足柴窩堡區(qū)塊的鉆井施工要求，鉆井液抑制性好，封堵性強(qiáng)，解決了紅雁池組井壁失穩(wěn)的難題。

5 認(rèn)識(shí)與建議

（1）鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系，配合相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)處理工藝，并結(jié)合工程措施，解決了柴窩堡區(qū)塊易出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)難題，滿足了工程施工的要求。

（2）根據(jù)地層情況提前做好預(yù)防是解決柴窩堡區(qū)塊井壁失穩(wěn)的基礎(chǔ)。提高鉆井液體系的抑制性和封堵性是解決井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵，依靠鉆井液液柱壓力平衡地應(yīng)力是解決井壁失穩(wěn)的保證。

（3）鋁胺強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防塌鉆井液體系中的有機(jī)胺抑制性強(qiáng)，不但能夠抑制泥頁(yè)巖的水化分散，也能夠抑制鉆井液中造漿土的分散，因此必須控制其加量，防止加量過(guò)多導(dǎo)致鉆井液體系造壁性差。

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4 梁大川，李健.準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)防塌鉆井液技術(shù)探討［J］.石油鉆探技術(shù)，1997，25（3）：24－26.

（修改回稿日期 2013－05－20 編輯 景岷雪）

邱春陽(yáng)，男，1978年出生，碩士研究生，工程師；2005年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)在從事鉆井液體系研究和技術(shù)服務(wù)工作。地址：（257064）山東省東營(yíng)市勘探路37號(hào)。電話：13954652979。E－mail：drillingwell＠163.com