哈深斜1井鉆井液技術(shù)①

邱春陽 葉洪超 溫守云 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)

哈深斜1井位于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起哈山山前構(gòu)造帶前緣沖斷帶，是為了解哈山前緣沖段帶二疊系含油氣情況而部署的一口三開定向預(yù)探井。哈深斜1井采用三開制井身結(jié)構(gòu)，一開Ф444.5 mm鉆頭鉆至井深601.00 m，Ф339.7 mm套管下深580.22 m；二開Ф311.2 mm鉆頭開鉆，1 988.45 m造斜，鉆至井深2 520.00 m中完，Ф244.5 mm套管下深2 517.35 m；三開Ф215.9 mm鉆頭鉆至井深4 641.50 m完鉆，井底井斜43.89°，水平位移1 712.83 m，造斜率為4.9°/100m，Ф139.7mm套管下深4 417.72 m完井。哈山地區(qū)地層沉積環(huán)境復(fù)雜，地應(yīng)力作用明顯；定向軌跡沿?cái)鄬幼?，斷層下地層破碎，井壁失穩(wěn)嚴(yán)重；穩(wěn)斜段裸眼長，井眼凈化及潤滑防卡難度大；潛在流體污染及高壓層的存在，導(dǎo)致鉆井液施工難度大。為確保哈深斜1井勘探順利施工，提高探井鉆探成功率、準(zhǔn)確評價(jià)和發(fā)現(xiàn)哈山區(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 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

哈深斜1井鉆遇地層較多，自上而下鉆遇白堊系(底深368.00 m)、八道灣組(底深569.00 m)、百口泉組(底深1 689.00 m)、烏爾禾組(底深2 579.00 m )、夏子街組(底深3 674.00 m)、風(fēng)城組(底深4 268.00 m)及石炭系(底深4 641.50 m)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，對鉆井液性能要求較高，主要如下。

1.1 井壁穩(wěn)定

(1) 山前高陡構(gòu)造，地應(yīng)力作用明顯，局部有斷層，井眼鉆開后，地應(yīng)力沿井眼徑向方向釋放，井壁垮塌，鄰井在八道灣組、烏爾禾組和風(fēng)城組井壁失穩(wěn)嚴(yán)重。

(2) 定向鉆進(jìn)中，軌道沿?cái)鄬幼?，斷層附近地層破碎；施工中，上井壁懸空，緊靠鉆井液液柱徑向支撐，當(dāng)發(fā)生抽吸時(shí)，上井壁失去力的平衡，加劇了井眼的坍塌。

(3) 下部地層堅(jiān)硬，巖石可鉆性差，長斜井段施工鉆井周期長，裸眼段浸泡時(shí)間長，井壁穩(wěn)定難度大。

1.2 井眼凈化

(1) 研究表明，在30°～60°井段，最易形成巖屑床，而且一旦形成，難以清除。本井斜井段長，最大井斜43.89°，巖屑在井內(nèi)易產(chǎn)生滯留層，井眼凈化難度大[1]。

(2) 山前高陡構(gòu)造，地層破碎，施工中產(chǎn)生的巖屑量大，大掉塊在環(huán)空中上返困難。因此，必須及時(shí)將井底巖屑攜帶出來。

1.3 潤滑防卡

(1) 穩(wěn)斜過程中裸眼段長達(dá)2 100 m，最大井斜43.89°，施工中鉆具貼靠下井壁運(yùn)行，與井壁接觸面積大，摩阻及扭矩增大。

(2) 井眼凈化效果不好，容易形成巖屑床，潤滑防卡難度大。

1.4 未知因素

(1) 風(fēng)城組潛在的地層流體(如二氧化碳層等)侵入易造成鉆井液污染，引發(fā)井下復(fù)雜。

(2) 儲(chǔ)層可能存在異常高壓層，易發(fā)生溢流及井噴。而上部地層承壓能力薄弱，裂縫性發(fā)育，易發(fā)生上漏下噴的復(fù)雜情況。

(3) 為本區(qū)塊第一口定向深井，且在山前高陡構(gòu)造施工，具有一定挑戰(zhàn)。

2 鉆井液體系選擇

通過調(diào)研國內(nèi)定向井[2-4]及深井鉆井液使用情況[5-7]，結(jié)合哈山區(qū)塊鉆井液施工經(jīng)驗(yàn)，針對該井地層特點(diǎn)及技術(shù)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體系?；九浞綖椋?/p>

(5%(w)～7%(w))膨潤土+(0.3%(w)～0.5%(w))聚丙烯酰胺+(0.5%(w)～1%(w))有機(jī)胺抑制劑+(1%(w)～2%(w))鋁絡(luò)合物防塌劑+(2%(w)～4%(w))無水聚合醇+(2%(w)～3%(w))膠乳瀝青+(3%(w)～5%(w))超細(xì)碳酸鈣+(2%(w)～3%(w))抗鹽防塌降濾失劑+ (3%(w)～4%(w))羧甲基磺化酚醛樹脂+(0.5%(w)～1%(w))磺酸鹽共聚物降濾失劑+(0.5%(w)～1%(w))雙膜承壓劑+(3%(w)～8%(w))油基潤滑劑。

該鉆井液體系的特點(diǎn)是抑制性好，封堵性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的潤滑性能。體系中鋁絡(luò)合物、有機(jī)胺及無水聚合醇分別從“化學(xué)鍵合[8]”“晶層鑲嵌[9]”及“濁點(diǎn)效應(yīng)[10]”方面抑制泥頁巖水化膨脹；雙膜承壓劑和膠乳瀝青復(fù)合使用，在超細(xì)碳酸鈣的輔助下，通過膜封堵機(jī)理[11]和瀝青的“軟化點(diǎn)”機(jī)理[12]對地層孔隙及微裂縫進(jìn)行封堵，從而達(dá)到穩(wěn)定井壁的效果；油基潤滑劑的加入，增強(qiáng)了體系的潤滑性，能夠降低施工中產(chǎn)生的摩阻和扭矩，利于定向井施工。

2.1 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)，對鋁胺抑制防塌鉆井液的抑制性進(jìn)行了考察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 抑制性能評價(jià)

由表1可知，巖心在鋁胺抑制防塌鉆井液中8 h 的線膨脹高度僅為 0.64 mm，顯著低于在常規(guī)聚磺鉆井液中的膨脹高度(1.85 mm)；并且鋁胺抑制防塌鉆井液的巖屑回收率達(dá)到94.5%，顯著高于常規(guī)聚磺鉆井液的回收率?？梢?，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。

2.2 封堵性能評價(jià)

采用直徑0.250～0.420 mm的石英砂作為過濾介質(zhì)，分別加入常規(guī)聚磺鉆井液和鋁胺抑制防塌鉆井液，固定后加壓0.69 MPa，檢驗(yàn)鉆井液的封堵能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

從圖1可看出，鋁胺抑制防塌鉆井液侵入砂床的深度遠(yuǎn)低于常規(guī)聚磺鉆井液，并且侵入砂床的深度隨加壓時(shí)間的增長變化比較平緩。這說明鋁胺抑制防塌鉆井液在壓差下，能夠快速形成承壓封堵帶，阻止濾液向地層的滲透。

2.3 潤滑性能評價(jià)

采用潤滑系數(shù)和滑塊摩阻系數(shù)評價(jià)了鋁胺抑制防塌鉆井液體系的潤滑性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 潤滑性能評價(jià)

表2表明，和常規(guī)聚磺鉆井液相比，鋁胺抑制防塌鉆井液的潤滑系數(shù)和摩阻系數(shù)都比較低，潤滑性能好，能夠滿足大位移井鉆井施工的要求。

3 現(xiàn)場鉆井液技術(shù)

3.1 井壁穩(wěn)定技術(shù)

(1) 施工中使用合理的鉆井液密度，通過鉆井液液柱徑向支撐平衡地層坍塌壓力，保持井壁穩(wěn)定。

(2) 加入鋁絡(luò)合物、無水聚合醇和有機(jī)胺，通過抑制劑“多元協(xié)同”作用，增強(qiáng)鉆井液體系的抑制性，抑制泥巖吸水膨脹。

(3) 使用膠乳瀝青和雙膜承壓劑，配合超細(xì)碳酸鈣，使鉆井液在井壁上形成薄而致密的不滲透封堵層，封堵薄弱地層，隔絕壓力傳遞，有效發(fā)揮鉆井液液柱對井壁的物理支撐作用[2-4]。

3.2 井眼凈化技術(shù)

(1) 定向過程中，在保持適當(dāng)黏切的前提下，提高動(dòng)塑比，達(dá)到0.5以上，提高鉆井液的攜巖能力。

(2) 嚴(yán)格執(zhí)行短程起下鉆措施，堅(jiān)持每進(jìn)50～100 m，短程起下鉆一次，拉通井眼，以減少巖屑床的形成。同時(shí)，在下鉆到底后充分循環(huán)洗井，攜帶出滯留在井眼內(nèi)的鉆屑。

(3) 不定期地打入高黏度段塞，將巖屑及時(shí)攜帶出井眼，保證井眼的暢通。

3.3 潤滑防卡技術(shù)

(1) 提高泥餅質(zhì)量。通過加入超細(xì)碳酸鈣、膠乳瀝青和雙膜承壓劑，在井壁或近井壁帶形成低滲透的泥餅，阻止液體壓力向地層傳遞，降低黏卡的幾率。

(2) 加入足量潤滑劑，以提高鉆井液體系的潤滑防卡能力。

(3) 盡量控制鉆井液的黏切，降低環(huán)空壓耗，提高排量，配合工程上的短程起下鉆措施，避免巖屑床的形成。

(4) 使用好固控設(shè)備，降低鉆井液體系中的劣質(zhì)固相含量，凈化鉆井液。

3.4 流變性調(diào)整

(1) 控制鉆井液體系具有良好的流變性，環(huán)空中產(chǎn)生的循環(huán)壓耗小，減小起下鉆引起的壓力激動(dòng)。

(2) 鉆進(jìn)斷層帶時(shí)，適當(dāng)提高鉆井液的黏切，增強(qiáng)鉆井液的懸浮攜帶能力，將掉塊及時(shí)攜帶出，凈化井眼。

(3) 優(yōu)選抗鹽抗鈣抗高溫處理劑及流型調(diào)節(jié)劑，防止鉆井液污染。

4 現(xiàn)場施工工藝

4.1 二開(601～2 520.00 m)施工工藝

(1) 在表層套管內(nèi)調(diào)整鉆井液，加入0.5%(w)有機(jī)胺抑制劑、1%(w)鋁絡(luò)合物防塌劑、1%(w)膠乳瀝青、2%(w)超細(xì)碳酸鈣和1%(w)無水聚合醇，充分循環(huán)，待鉆井液性能穩(wěn)定后開鉆。

(2) 鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)下限，進(jìn)入八道灣組后控制在設(shè)計(jì)上限，利用鉆井液液柱壓力支撐井壁，防止井壁失穩(wěn)。

(3) 直井段漏斗黏度控制在50～55 s左右，動(dòng)塑比控制在0.3～0.4，適當(dāng)釋放鉆頭水馬力，提高鉆速；定向過程中漏斗黏度控制在55～60 s左右，動(dòng)塑比控制在0.5以上，增強(qiáng)鉆井液的懸浮攜帶能力，提高井眼凈化效果。

(4) 進(jìn)入八道灣組之前，加入2%(w)膠乳瀝青、1%(w)雙膜承壓劑和2%(w)超細(xì)碳酸鈣，對煤層進(jìn)行封堵；定向后以膠液形式補(bǔ)充膠乳瀝青和雙膜承壓劑，以干劑形式加入碳酸鈣，增加鉆井液體系對斜井段的封堵；進(jìn)入烏爾禾組前一次性加入0.5%(w)有機(jī)胺和0.5%(w)鋁絡(luò)合物防塌劑，增強(qiáng)鉆井液的抑制性，防止烏爾禾組水敏性泥巖膨脹縮徑；進(jìn)入造斜點(diǎn)前50 m，加入1%(w)無水聚合醇和3%油基潤滑劑，增強(qiáng)鉆井液體系的潤滑性，將體系的摩阻系數(shù)降低到0.06以內(nèi)。

(5) 直井段中壓濾失量控制在5～6 mL左右，造斜后，中壓濾失量控制在5 mL以內(nèi)，防止泥頁巖吸水膨脹。

(6) 中完后充分循環(huán)，待振動(dòng)篩無巖屑返出后，用2%(w)油基潤滑劑、1%(w)鋁絡(luò)合物防塌劑和2%(w)塑料小球配制封井液封住下部裸眼井段，保證電測及下套管順利。二開鉆井液性能控制情況見表3。

表3 二開鉆井液性能

4.2 三開(2 520.00～4 641.5 m)施工工藝

(1) 三開在斜井段鉆進(jìn)，裸眼段長，鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)上限。到3 300 m時(shí)，鉆井液密度增加至1.25 g/cm3，以后保持此密度至完井。

(2) 鉆進(jìn)中加入2%(w)抗鹽防塌降濾失劑、2%(w)羧甲基磺化酚醛樹脂和0.5%(w)磺酸鹽共聚物降濾失劑，以后配制成高濃度膠液補(bǔ)充。3 300 m前高溫高壓濾失量控制在12 mL以內(nèi)，3 300 m后高溫高壓濾失量控制在10 mL以內(nèi)，增加鉆井液對地層的防塌效果。

(3) 用4%(w)膠乳瀝青和1.5%(w)雙膜承壓劑配成高濃度膠液，配合超細(xì)碳酸鈣，按照循環(huán)周加入到鉆井液中，改善泥餅質(zhì)量，增加對破碎帶及斷層的封堵。

(4) 持續(xù)補(bǔ)充鋁絡(luò)合物防塌劑、無水聚合醇和有機(jī)胺，含量分別達(dá)到1%(w)、1%(w)和3%(w)，增加鉆井液體系的抑制性，抑制泥頁巖水化膨脹。

(5) 施工中漏斗黏度控制在55 s左右，動(dòng)塑比控制在0.5，同時(shí)Ф3讀數(shù)控制在6左右。一是增加鉆井液的井眼凈化效果；二是防止產(chǎn)生過大的循環(huán)壓耗，引發(fā)井壁失穩(wěn)。

(6) 鉆進(jìn)中補(bǔ)充油基潤滑劑，保持其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%以上，摩阻系數(shù)控制在0.07以內(nèi)，增強(qiáng)鉆井液體系的潤滑性能，降低施工中產(chǎn)生的摩阻和扭矩。

(7) 根據(jù)施工中的摩阻和扭矩情況，不定期地打入高黏度段塞(配方：井漿+1%(w)雙膜承壓劑+1%(w)磺酸鹽共聚物降濾失劑+1%(w)鋁絡(luò)合物防塌劑+3%(w)油基潤滑劑)，配合高速旋轉(zhuǎn)鉆具，破壞可能形成的巖屑床，將鉆屑及時(shí)攜帶出井眼，保證井眼的暢通。

(8) 每次起鉆前，用防塌封井漿封井，封井漿配方：井漿+2%(w)膠乳瀝青+1%(w)雙膜承壓劑+1%(w)鋁絡(luò)合物防塌劑。同時(shí)，鉆井液密度較鉆進(jìn)中提高0.02 g/cm3，增加鉆井液對斜井段的支撐防塌效果。

(9) 完井后，用2%(w)膠乳瀝青、1%(w)雙膜承壓劑、2%(w)磺甲基酚醛樹脂和2%(w)塑料小球配制封井漿封井，保證電測及下套管施工順利。三開鉆井液性能見表4所示。

表4 三開鉆井液性能

5 應(yīng)用效果

(1) 定向過程中井壁穩(wěn)定，井下安全，無憋、跳、卡和泵壓升高現(xiàn)象，起下鉆無阻卡。特別是三開斜井段長達(dá)2 000 m，井壁浸泡時(shí)間達(dá)100天，多次起下鉆都無阻卡現(xiàn)象，井壁穩(wěn)定。

(2) 全井電測6次，一次成功率100%；下套管一次到底；取心收獲率98.60%；二開平均井徑擴(kuò)大率為8.10%，三開平均井徑擴(kuò)大率為3.70%，井身質(zhì)量好。

(3) 提高了鉆井時(shí)效。該井預(yù)計(jì)鉆井周期為207.14天，實(shí)際鉆井周期為171.83天，時(shí)效提高了10%。同鄰井相比，本井的鉆井周期最短，鉆機(jī)月速高。具體情況見表5。

表5 鄰井鉆井時(shí)效情況

6 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

(1) 針對哈深斜1井地層特點(diǎn)及鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，研發(fā)了鋁胺抑制防塌鉆井液體系。該體系抑制性、封堵性強(qiáng)，潤滑性能好，能適應(yīng)哈山高陡地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)，滿足哈深斜1井定向施工的要求。

(2) 現(xiàn)場通過采用合理密度支撐、多元協(xié)同抑制、雙重封堵及調(diào)控鉆井液流變性措施，保證了哈深斜1井順利施工，解決了烏爾禾組泥巖水化膨脹導(dǎo)致井壁失穩(wěn)和山前高陡構(gòu)造帶定向施工中的井壁垮塌難題。

(3) 保證鉆井液具有良好的流變性和適宜的動(dòng)塑比，輔助短程起下鉆及推稠塞等措施，及時(shí)修整井壁，破壞巖屑床，解決了大斜度井的井眼凈化問題；優(yōu)質(zhì)的泥餅及配合油基潤滑劑，降低了施工中摩阻系數(shù)和扭矩，滿足了大斜度長裸眼井段的潤滑防卡要求。

(4) 保持定向長裸眼井段井壁穩(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。

(5) 有機(jī)胺抑制性強(qiáng)，不但能抑制巖屑的水化分散，同時(shí)對鉆井液配漿黏土粒子也有很強(qiáng)的抑制作用，因此必須控制其加量?，F(xiàn)場施工表明，有機(jī)胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1%時(shí)，足以抑制泥巖的水化，用量過多會(huì)降低鉆井液的封堵效果和懸浮攜帶能力。

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