樊154區(qū)塊水平井鉆井液技術

邱春陽，趙紅香，張海青

(中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工程技術公司，山東 東營 257064)

樊154區(qū)塊水平井鉆井液技術

邱春陽，趙紅香，張海青

(中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工程技術公司，山東 東營 257064)

為提高樊154區(qū)塊水平井鉆井成功率，研發(fā)了潤滑性好、抑制性及封堵能力強的鋁胺抑制防塌鉆井液體系。在樊154區(qū)塊取得了良好的應用效果，保證了水平井施工的順利進行，提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期，為安全及高效鉆井提供了有力的技術保障。

樊154區(qū)塊；井壁失穩(wěn)；斷層；小井眼；鋁胺

鉆井液是鉆井工程的血液，隨著科學技術的發(fā)展，鉆井液的研究也隨之變化，從最早的聚合物鉆井液、石灰鉆井液、鹽水鉆井液到現(xiàn)在的聚磺鉆井液、有機胺鉆井液、油基鉆井液及合成基鉆井液，技術發(fā)展迅速。近年來因為日益嚴格的環(huán)保要求，油基鉆井液應用很少，合成基鉆井液雖然環(huán)保性強，但是鉆井液成本高，應用受到限制。

樊154塊位于濟陽坳陷東營凹陷西南部的金家—樊家鼻狀構造帶北部。該區(qū)塊主力含油層系為沙三中2砂組，埋深在3 000 m左右，為低孔特低滲透儲層。為了擴大泄油面積，采用三開制水平井方式鉆進：一開采用φ444.5 mm鉆頭鉆進至300～310 mm，下入φ339.7 mm套管；二開采用φ241.3 mm鉆頭開鉆，井深約2 100～2 300 m開始定向，鉆進至2 900～3 000m中完，下入φ177.8 mm套管；三開水平段采用φ152.4 mm鉆頭鉆進至井深4 000～4 900 m完鉆，下入φ114.3 mm壓裂管柱。由于區(qū)塊地質構造復雜，再加上井身結構的限制，前期鉆進過程中，上部地層起下鉆遇阻及下部地層井壁穩(wěn)定和潤滑防卡問題突出，嚴重制約了該區(qū)塊的開發(fā)進程。為確保該區(qū)塊水平井鉆井成功，研發(fā)了鋁胺抑制防塌鉆井液，現(xiàn)場應用后，機械鉆速明顯提高，鉆井周期明顯縮短，為樊154區(qū)塊安全及高效鉆井提供了有力的技術保障。

1 鉆井液技術難點

樊154區(qū)塊自上而下鉆遇平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組，該區(qū)塊地質結構復雜，施工中鉆井液技術難點如下：

(1)明化鎮(zhèn)組、館陶組和東營組沉積較厚，地層以泥巖為主，蒙脫石含量高，造漿嚴重，鉆井液易造成粘土侵，導致鉆井液流變性難控制。

(2)沙河街組地層泥頁巖層理發(fā)育，鉆井液濾液侵入后，導致泥頁巖水化，造成地層坍塌壓力增加，易發(fā)生剝蝕掉片。樊154區(qū)塊平1井實鉆表明，地層垂深2 650～2 780 m含有破碎帶，井壁坍塌嚴重。

(3)施工中在沙河街組開始定向，隨著井斜角度的增大，上井壁受到垂向支撐力逐漸減弱，進入水平段后上井壁懸空，緊靠鉆井液液柱壓力支撐，井壁穩(wěn)定性差。特別是鉆遇破碎帶時，井壁失穩(wěn)加劇。鄰井由于在此層位發(fā)生井壁失穩(wěn)而導致起下鉆遇阻，被迫劃眼，延誤鉆井周期。

(4)斜井段及水平段鉆進過程中，巖屑在上返過程中在重力作用下易沉降在下井壁，形成巖屑床。特別是使用φ152.4 mm鉆頭鉆進，受泵壓限制，排量不能達到舉升巖屑所需的環(huán)空返速，如果鉆井液體系懸浮攜帶能力差，則會導致起下鉆遇阻等復雜情況。

(5)由于鉆具尺寸小、柔性強，定向過程中鉆具緊貼下井壁運行，和井壁接觸面積大，造成施工中摩阻和扭矩增大，導致鉆壓傳遞困難，產(chǎn)生托壓現(xiàn)象。巖屑床的形成，導致摩阻和扭矩更大，鉆井液體系的潤滑防卡難度加大。

2 鉆井液技術思路

針對樊154區(qū)塊地層巖性和鉆井液施工難點，必須通過多元協(xié)同機理穩(wěn)定井壁，思路如下：

2.1 強抑制

針對上部易造漿地層，通過使用大分子聚合物，保證其有效含量，使之有效包被鉆屑，防止其分散；針對沙河街組泥頁巖，通過使用多種抑制劑，依靠各種抑制劑多元協(xié)同作用增強鉆井液體系的抑制性，抑制泥頁巖表面水化，減小水化應力，保證泥頁巖的原始強度，防止井壁失穩(wěn)。

2.2 嚴封堵

針對沙河街組層理性泥頁巖及破碎帶，通過在鉆井液體系中加入多種封堵劑，依靠封堵材料協(xié)同作用，使鉆井液體系在井壁上形成薄而致密的不滲透嚴封堵層，封堵層理、孔隙和微裂縫，減緩甚至隔絕鉆井液和地層之間的壓力傳遞，一則封堵地層層理和破碎帶，減緩鉆井液濾液對地層的侵入，防止井壁失穩(wěn)；二則有效發(fā)揮鉆井液液柱壓力對井壁的物理支撐作用。

2.3 合理密度支撐

由力學因素引起的井壁失穩(wěn)，必須通過力學支撐才能平衡。根據(jù)該區(qū)塊已完成的鉆井實測地層壓力情況，確定合理的鉆井液密度，在沙河街組鉆進時，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，防止井壁坍塌。

2.4 合理調控流變性

上部地層施工時，保持鉆井液的低粘和低切，提高機械鉆速，適當沖刷井壁，防止井壁縮徑。沙河街組鉆進時，調整好鉆井液體系的流變性，使鉆井液具有合適的粘度和切力，一則防止鉆井液粘切過低沖刷井壁引發(fā)井壁失穩(wěn)；二則防止鉆井液粘切過高產(chǎn)生過大的環(huán)空壓耗而導致激動壓力大，從而誘發(fā)井壁失穩(wěn)。

3 鉆井液體系的研究

通過調研國內大位移井及水平井鉆井液施工經(jīng)驗[1-5]，結合該區(qū)塊已完成的鉆井鉆井液使用情況，針對樊154區(qū)塊地層巖性特點及鉆井液技術思路，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體系，配方如下：

(3.0～5.0)%膨潤土+(0.3～0.6)%聚丙烯酸鉀KPAM+(1.0～2.0)%鋁絡合物抑制劑+(0.5～1.0)% 有機胺抑制劑+(2.0～3.0)%抗溫抗鹽防塌降濾失劑KFT+(3.0～5.0)% 磺化酚醛樹脂SMP-1+(0.5～1.0)%非滲透成膜封堵劑+(5.0～7.0)% 低熒光瀝青防塌劑HQ-1+(2.0～3.0)%超細碳酸鈣+(8～10)%原油+(0.4～0.8)%乳化劑SP-80。

該體系的特點是抑制性強、 封堵性好，具有良好的潤滑性。體系中的有機胺通過晶層鑲嵌深入粘土顆粒的晶層內部，把晶層緊密結合在一起，防止晶層水化[6]；體系中的鋁絡合物抑制劑通過化學鍵合方式，鋁絡合物中Al-鍵和粘土顆粒的Al-鍵及Si-鍵結合，形成牢固的化學鍵，穩(wěn)定井壁[7]；體系中的低熒光瀝青防塌劑和非滲透成膜封堵劑共同作用，通過軟化點和膜封堵機理，封堵地層微裂縫及孔隙，防止濾液侵入，穩(wěn)定井壁[8]。

3.1 抑制性能評價

3.1.1 抑制巖心膨脹實驗

采用膨潤土壓制巖心，通過頁巖膨脹高度實驗對鋁胺抑制防塌鉆井液體系的抑制性能進行了評價，實驗結果見表1。

表1 抑制性能評價Table 1 Inhibition of performance evaluation

由表1看出，和普通聚磺鉆井液體系相比，鋁胺抑制防塌鉆井液體系抑制頁巖膨脹高度的能力強，說明鋁胺抑制防塌鉆井液體系抑制性好。

3.1.2 抑制巖屑分散實驗

采用巖屑回收率實驗，考察了鋁胺抑制防塌鉆井液體系抑制巖屑分散的能力，實驗結果見表2。

由表2看出，由于采取了二元抑制措施，鋁胺抑制防塌鉆井液體系巖屑回收率遠遠高于普通聚磺鉆井液體系，說明鋁胺抑制防塌鉆井液體系抑制巖屑分散的能力強。

表2 抑制巖屑分散實驗Table 2 Inhibition of cuttings dispersion experiment

3.2 封堵性能評價

實驗采用直徑為40目～60目的石英砂作為過濾介質，加入配制好的鉆井液，固定后加壓0.69 MPa，檢驗鉆井液的封堵能力。結果見表3。

表3 封堵性能評價Table 3 Formation sealing property evaluation

由表3看出，鋁胺抑制防塌鉆井液體系侵入砂床的深度明顯低于普通聚磺鉆井液體系，并且15 min和60 min侵入砂床的深度相差不大，說明鋁胺抑制防塌鉆井液體系在壓力下，能夠形成承壓封堵帶，從而起到穩(wěn)定井壁的作用。

3.3 潤滑性能評價

采用粘滯系數(shù)測定儀和高溫高壓粘附儀評價鋁胺抑制防塌鉆井液體系的潤滑性，結果見表4。

表4 潤滑性能評價Table 4 Lubricity evaluation of drilling fluid

由表4看出，和普通聚磺鉆井液體系相比，鋁胺抑制防塌鉆井液潤滑性好，能夠降低施工中產(chǎn)生的摩阻和扭矩，保證定向施工順暢。

4 現(xiàn)場鉆井液施工工藝

4.1 二開施工工藝

(1)二開小循環(huán)開鉆，鉆進80 m后改為大循環(huán)，防止沖刷套管斜，防止復雜事故發(fā)生。

(2)定向前50 m改為小循環(huán)，逐漸加入各種處理劑調整鉆井液性能。鉆進中補充聚合物膠液，根據(jù)機械鉆速決定聚合物大分子的含量，保證聚合物能夠有效包被并絮凝鉆屑，防止其分散。

(3)保證有機胺的含量在1.0%,以抑制粘土礦物的水化膨脹。

(4)適當控制濾失量，定向后中壓濾失量控制在7～8 mL，使鉆井液適當沖刷井壁，保持井眼暢通；中完前，中壓濾失量降低至5 mL，減輕地層的水化。

(5)開動四級固控設備，控制鉆井液的低粘、低切及低固相，漏斗粘度控制在45 Pa·s左右，以提高機械鉆速。

(6)定向后，加入5%原油、0.5%乳化劑，同時提高鉆井液pH值至10以上，使原油能夠充分分散在鉆井液中，并和鉆井液形成性能穩(wěn)定的乳濁液，降低施工中的摩阻和扭矩，保證鉆井液體系的潤滑性。隨著斜井段的增長逐漸補充原油，保證定向順暢。

(7)工程配合措施，盡量采用滑動鉆進和滾動鉆進復合方式施工，防止巖屑床形成；定期進行短程起下鉆，短起下鉆井段超過所鉆井段長度，刮掉粘附在井壁上的虛厚泥餅，同時攪動巖屑床，凈化井眼。

(8)中完后，開動轉盤，充分循環(huán)，同時配制稠漿洗井，凈化井眼，待振動篩無返砂后，用2%潤滑劑和1.5%降濾失劑配制封井漿封井，保證后續(xù)工作順利。

4.2 三開施工工藝

(1)鉆井液預處理。開鉆前在套管內凈化二開井漿，開動四級固控設備，除去鉆井液中的劣質固相含量，然后按照配方低限加入各種處理劑，充分循環(huán)，待性能穩(wěn)定并達到設計要求后開鉆。

(2)鉆井液密度控制在設計上限，并根據(jù)實鉆情況及錄井地層壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)實時調整，依靠鉆井液夜柱壓力徑向支撐平衡地層坍塌壓力，保持井壁穩(wěn)定。

(3)鉆井液漏斗粘度控制在55～60 Pa·s，動塑比控制在0.5左右，降低鉆井液環(huán)空壓耗，使鉆井液在環(huán)空呈平板型層流，保持鉆井液具有良好懸浮攜帶能力，防止沖刷井壁。

(4)使用抗溫抗鹽防塌降濾失劑KFT和磺化酚醛樹脂SMP-1，中壓濾失量控制在3 mL以內，高溫高壓濾失量控制在12 mL以內，防止地層泥頁巖水化膨脹。

(5)加入1.0%非滲透成膜封堵劑、3%低熒光瀝青防塌劑HQ-1和2%超細碳酸鈣，使鉆井液能夠在井壁上形成薄而致密的泥餅，對地層層理及破碎帶形成有效封堵。

(6)使用1.0%鋁絡合物抑制劑和0.5%有機胺，增強鉆井液的抑制性，抑制地層的水化。

(7)保持原油含量在8%以上，并以少量多次的方式逐漸補充，增強鉆井液體系的潤滑性，使定向傳壓順暢，防止拖壓現(xiàn)象產(chǎn)生。

(8)工程上每鉆進100 m～150 m進行短起下鉆，攪動巖屑床并暢通井眼，下鉆到底后充分循環(huán)，適當增加排量，提高鉆井液環(huán)空上返速度，凈化井眼。

(9)完鉆后進行短起下鉆，下鉆到底后使用稠漿凈化井眼，待振動篩無返砂后，用2%塑料小球和2%石墨潤滑劑封井，保證后續(xù)作業(yè)順利。

5 應用效果

鋁胺抑制防塌鉆井液在樊154區(qū)塊施工4口井，體系應用前后效果見表5。

表5 體系應用前后效果對比Table 4 The comparison of application effect about drilling fluid

應用效果表明，鋁胺抑制防塌鉆井液抑制性強，封堵性能好，不但能夠抑制泥頁巖的水化膨脹分散，而且能夠封堵地層層理、微裂縫和破碎帶，鉆進過程中井壁穩(wěn)定，井下安全，定向過程中傳壓順暢，無拖壓現(xiàn)象，有效預防復雜情況的發(fā)生。應用鋁胺抑制防塌鉆井液施工后，平均鉆井周期縮短了7.2%，機械鉆速提高了14.1%，電測成功率100%，平均井徑擴大率明顯減小，施工中無復雜事故發(fā)生，為樊154區(qū)塊安全、快速、高效鉆井提供了有力的技術保障。

6 結論和認識

(1)鋁胺抑制防塌鉆井液體系抑制性強，封堵性好，適應樊154區(qū)塊地質特點，解決了樊154區(qū)塊鉆井過程中存在的起下鉆遇阻、井壁失穩(wěn)及潤滑防卡的難題，保證了工程順利施工，給鄰近區(qū)塊的鉆井施工提供了詳實的技術參數(shù)。

(2)有機胺的加量不易過高，以1%為最好，如果加量過多，鉆井液的抑制性過強，不利于鉆井液的造壁性和封堵性，也不利于鉆井液對巖屑的懸浮攜帶。

(3)沙河街組地層層理發(fā)育，并且含有地層破碎帶，必須強化鉆井液體系的封堵性，使鉆井液體系在井壁上形成不滲透封堵層，封堵地層層理、裂縫和破碎帶，同時保證鉆井液液柱對地層的正壓差，這樣才能實現(xiàn)井壁穩(wěn)定。

(4)小井眼水平井鉆進過程中必須控制鉆井液的粘度和切力，在保證鉆井液具有懸浮攜帶能力的情況下，最大可能降低鉆井液的環(huán)空壓耗，防止環(huán)空壓耗過大造成復雜情況。

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[6] 張啟根，陳馥.國外高性能水基鉆井液技術發(fā)展現(xiàn)狀[J].鉆井液與完井液，2007，24(3)：74-77.

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[8] 左興凱.非滲透鉆井完井液體系的研究與應用[J].石油鉆探技術，2008,36(4)：41-44.

(責任編輯：張英健)

Drilling Fluid Technology of Horizontal Well in Fan 154 Block

QIU Chunyang, ZHAO Hongxiang, ZHANG Haiqing

(Drilling Engineer & Technology Corporation, Shengli Petroleum Engineering Corporation Limited of SINOPEC,Dongying Shandong 257064, China)

In order to increase the success rate of drilling horizontal well in Fan 154 block, aluminium and amine inhibition and anti-caving drilling fluid was researched and developed. The evaluation experiment showed that the drilling fluid had high inhibition capability, good formation sealing performance and lubrication property. The drilling fluid was applied in Fan 154 block and the application effect was very good. These wells were drilled smoothly, ROP was increased and drilling period was shortened. Consequently, it provided technological support to drill wells with safety and high efficiency in Fan 154 block.

Fan 154 block; borehole instability; faulted formation; slim hole; aluminium and amine

2014-01-20

邱春陽(1978-)，男，遼寧鐵嶺人，工程師，碩士，主要研究方向為鉆井液體系和技術服務。

TE254.3

A

1671-5322(2014)03-0067-05