莊301井優(yōu)快鉆井鉆井液技術(shù)

邱春陽(yáng)，王家喜，張海青，王寶田

中國(guó)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(yíng)257064)

莊301井優(yōu)快鉆井鉆井液技術(shù)

邱春陽(yáng)，王家喜，張海青，王寶田

中國(guó)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(yíng)257064)

莊301井位于準(zhǔn)中莫西莊地區(qū)，該區(qū)塊地層巖性復(fù)雜，施工中復(fù)雜情況多，機(jī)械鉆速低，鉆井周期長(zhǎng)。分析該區(qū)塊復(fù)雜情況發(fā)生的原因后，通過(guò)使用聚硅鋁胺防塌鉆井液體系，輔助相應(yīng)的鉆井液現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理工藝及工程措施，順利鉆至目的層。全井機(jī)械鉆速11.15m/h，比鄰井提高了25%，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)快鉆井的目標(biāo)。

莊301井;機(jī)械鉆速;鉆井液;優(yōu)快鉆井

莊301井位于準(zhǔn)噶爾盆地馬橋凸起北翼，是莫西莊地區(qū)的一口評(píng)價(jià)井，鉆探目的是評(píng)價(jià)莊301井侏羅系三工河組二砂組(J1s2)含油氣情況。莊301井設(shè)計(jì)井深4 350m，采用三開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)Φ444.5mm鉆頭鉆深125.00m，Φ339.7mm套管下深124.19m;二開(kāi)Φ311.2mm鉆頭鉆深1 704.00m，Φ244.5mm套管下深1 702.52m;三開(kāi)Φ215.9mm鉆頭鉆至井深4 360.00m完鉆，取芯后裸眼完井。該區(qū)塊地層巖性復(fù)雜，施工中復(fù)雜情況多，機(jī)械鉆速低，鉆井周期長(zhǎng)。為加快莫西莊地區(qū)勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程，提高莊301井鉆井效率，通過(guò)使用聚硅鋁胺防塌鉆井液體系，配合相應(yīng)的鉆井液現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理工藝，并輔助必要的工程措施，順利鉆至目的層，全井平均機(jī)械鉆速11.15m/h，比鄰井提高了25%，達(dá)到了優(yōu)快鉆井的目的。

1 區(qū)塊復(fù)雜情況及原因分析

1.1 鉆頭泥包

鉆頭泥包發(fā)生在第三系地層，莊A1井鉆至井深1 183.78m發(fā)生鉆頭泥包。莊A2井鉆進(jìn)至井深1 152.00m及1 671.00m出現(xiàn)2次鉆頭泥包。鉆頭泥包原因有2點(diǎn):①第三系地層含有紅棕色軟泥巖，泥巖吸水后膨脹，粘土膨脹后粘性大，易于粘附于切削齒和鉆頭本體上造成鉆頭泥包;②上部地層膠結(jié)性差，巖性疏松，機(jī)械鉆速快，Φ311.2mm大井眼環(huán)空返速低，循環(huán)時(shí)間短，巖屑來(lái)不及攜帶出井眼，鉆頭重復(fù)破碎，導(dǎo)致軟泥巖吸水膨脹造成泥包。

1.2 起下鉆遇阻

起下鉆遇阻主要發(fā)生在吐谷魯群地層。莊C井、莊D井、莊E井及莊F井在此井段起下鉆遇阻頻繁，被迫反復(fù)劃眼，損失大量的時(shí)間。起下鉆遇阻原因有2點(diǎn):①吐谷魯群泥巖吸水后膨脹分散嚴(yán)重，在上覆地層的壓力下造成縮徑，導(dǎo)致起下鉆阻卡;②砂巖及粉砂巖滲透性強(qiáng)，巖屑在上返過(guò)程中容易粘附在井壁上形成虛厚泥餅，導(dǎo)致起下鉆過(guò)程中鉆頭及大尺寸鉆具在小井眼處發(fā)生阻卡。

1.3 電測(cè)遇阻

電測(cè)遇阻發(fā)生在吐谷魯群下部至三工河組井段。莊K井電測(cè)遇阻，通井后才完成電測(cè)作業(yè);莊G井和莊L井電測(cè)耗時(shí)9天仍未測(cè)成功;莊H井電測(cè)耗時(shí)近半個(gè)月，反復(fù)通井8次，電測(cè)仍未成功。吐谷魯群下部砂巖和泥巖互層頻繁，泥巖中高嶺石含量較高，脆性大，易垮塌和水化分散，造成井眼擴(kuò)大率較大;砂巖易形成虛厚泥餅，在泥巖和砂巖交界處，形成臺(tái)階，造成鋸齒形井眼。從電測(cè)井徑圖上清晰看出，致使電測(cè)儀器尤其是帶推靠臂儀器在上行過(guò)程中遇卡。西山窯組煤層及碳質(zhì)泥巖發(fā)育，莊103井累計(jì)鉆遇4m純煤層;莊102井鉆遇5m純煤層;莊3井累計(jì)鉆遇13m純煤層。煤層及碳質(zhì)泥巖性脆，地層垮塌嚴(yán)重，形成大肚子井眼，導(dǎo)致電測(cè)儀器下放遇阻。三工河組地層硬脆，易發(fā)生應(yīng)力性垮塌，掉塊沉積，導(dǎo)致電測(cè)儀器下不到井底。

1.4 卡鉆

卡鉆主要發(fā)生在三工河組，地層硬而脆，掉塊不易破碎，容易造成卡鉆。莊M井鉆至三工河組接單根時(shí)卡鉆，浸泡解卡劑后解卡。

2 鉆井液體系研究

2.1 鉆井液體系配方

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)深井［1-4］及煤層［5-7］鉆井液使用情況，結(jié)合鄰井鉆井液使用經(jīng)驗(yàn)［8-9］，針對(duì)莊301井地層巖性及鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)鉆井液處理劑優(yōu)選，對(duì)胺基聚醇鉆井液進(jìn)行改性，研發(fā)出胺基硅醇防塌鉆井液體系。配方如下:(4.0～5.0)%膨潤(rùn)土+(0.4～0.8)%聚丙烯酸鉀KPAM+(2.0～3.0)%磺化酚醛樹(shù)脂SMP-2+(2.0～3.0)%抗溫抗鹽鈣降濾失劑+(0.5～1.5)%鋁絡(luò)合物防塌劑+(0.5～1.5)%胺基硅醇+(0.5～1.5)%雙膜承壓劑+(2.0～4.0)%低熒光井壁穩(wěn)定劑+(2.0～3.0)%超細(xì)碳酸鈣+(2.0～4.0)%全油基潤(rùn)滑劑。

2.2 鉆井液作用機(jī)理

胺基硅醇為含硅羥基和胺基的有機(jī)高分子;分子中的Si-OH鍵與粘土的Si-OH鍵縮聚成Si-O-Si鍵，胺基通過(guò)電荷吸附在粘土顆粒表面，同時(shí)形成牢固的化學(xué)吸附;胺基硅醇在胺基的基礎(chǔ)上引入了硅羥基，通過(guò)對(duì)粘土表面形成疏水層，阻止了胺基對(duì)粘土顆粒的影響，因此胺基硅醇的加入對(duì)體系的流變性和濾失量影響較小;胺基硅醇在粘土表面形成一層疏水基團(tuán)朝外具有疏水特性的吸附層，阻止和減緩了粘土表面的水化作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了體系的抑制能力。

鋁絡(luò)合物是一種兩性離子。pH值較高時(shí)生成水溶性的四羥基鋁陰離子，而當(dāng)pH值在5～6之間時(shí)生成氫氧化鋁沉淀。在鉆井液中鋁絡(luò)合物以溶解的絡(luò)離子形式存在;當(dāng)鋁離子隨鉆井液濾液進(jìn)入地層時(shí)，由于地層水pH值在5～6之間，鋁絡(luò)合物與粘土結(jié)合形成具有固結(jié)作用的硅鋁酸鹽不滲透層，提高對(duì)地層的封堵強(qiáng)度，有效阻止濾液的進(jìn)一步侵入［10］。

雙膜承壓劑中含有2種關(guān)鍵的物質(zhì):一種是起物理作用的由多種形狀組成的惰性材料，主要在地層孔隙中形成具有一定強(qiáng)度的屏蔽膜;另一種是起化學(xué)作用的活性礦物材料，能夠與地層孔隙中的砂子和粘土膠結(jié)，形成骨架結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生膠凝，進(jìn)而在近井壁地帶形成膠結(jié)，阻止濾液進(jìn)一步侵入地層，達(dá)到持久承壓穩(wěn)定井壁的目的［11-13］。

3 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液技術(shù)

3.1 二開(kāi)鉆井液技術(shù)

1)加入足量的聚合物和胺基硅醇，施工中聚合物含量保持在0.4%以上，胺基硅醇加量在1%以上，抑制粘土礦物的水化膨脹，控制地層造漿，防止鉆井液流變性惡化，造成黏度和切力增大。

2)鉆井液保持低黏度、低密度、低切力和適當(dāng)?shù)臄y帶能力;保持鉆井液紊流流型;中壓濾失量控制在8mL左右，釋放鉆頭水力效率，提高機(jī)械鉆速。

3)充分運(yùn)轉(zhuǎn)固控設(shè)備，除砂器、除泥器和離心機(jī)使用率在95%以上，振動(dòng)篩篩布使用149μm(100目)，最大限度除去鉆井液中的劣質(zhì)固相，及時(shí)地清除鉆屑，保持鉆井液體系較低的固相含量。

4)保證雙泵大排量鉆進(jìn)，排量控制在40L/s以上，提高環(huán)空巖屑的上返速度，提高井眼的凈化效率，適當(dāng)沖刷井壁，防止巖屑聚集并黏附在井壁形成虛厚泥餅而導(dǎo)致起下鉆阻卡。

5)工程上加強(qiáng)短程起下鉆，配合長(zhǎng)起下鉆，刮掉粘附在井壁上的虛厚泥餅，保證起下鉆暢通。

6)中完封井，封井漿配方:井漿+1%潤(rùn)滑劑+2%抗溫抗鹽鈣降濾失劑+0.5%磺酸鹽共聚物，保證電測(cè)及下套管順利。

3.2 三開(kāi)鉆井液技術(shù)

1)開(kāi)鉆前，清淘循環(huán)罐，利用固控設(shè)備除去鉆井液中的劣質(zhì)固相，膨潤(rùn)土含量控制在4%～5%，控制一定黏度(漏斗黏度40s以內(nèi))。按照鉆井液體系配方低限加入各種處理劑，充分循環(huán)，待性能穩(wěn)定并達(dá)到設(shè)計(jì)要求后開(kāi)鉆。

2)使用聚合物膠液維護(hù)鉆井液的流變性。保持聚合物在鉆井液體系中的含量在0.3%，胺基硅醇在鉆井液體系中的含量保持在0.5%，抑制泥頁(yè)巖及泥煤互層中泥頁(yè)巖的水化膨脹，穩(wěn)定井壁。

3)西山窯組前，動(dòng)塑比控制在0.3左右，保持紊流流型，適當(dāng)沖刷井壁，提高機(jī)械鉆速;進(jìn)入西山窯組后動(dòng)塑比控制在0.5，保持鉆井液體系的懸浮攜帶能力，并合理控制環(huán)空壓耗，防止激動(dòng)壓力過(guò)大而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

4)西山窯組前中壓濾失量控制在5mL左右;進(jìn)入西山窯組后中壓濾失量降低至4mL以內(nèi)，高溫高壓濾失量控制在12mL以內(nèi)，防止泥頁(yè)巖及泥煤互層中泥頁(yè)巖的水化膨脹，保持井壁穩(wěn)定。

5)進(jìn)入西山窯組，一次性加入2%低熒光井壁穩(wěn)定劑、2%超細(xì)碳酸鈣、1%鋁絡(luò)合物防塌劑和1%雙膜承壓劑，使鉆井液體系在井壁上形成薄、韌、致密的泥餅，隔絕鉆井液和地層之間的壓力傳遞，防止鉆井液濾液侵入井壁，增強(qiáng)鉆井液體系的防塌能力。

6)西山窯組前加入1.5%潤(rùn)滑劑，保持鉆井液體系的潤(rùn)滑性;進(jìn)入西山窯組后，潤(rùn)滑劑含量提高至2.5%，增強(qiáng)鉆井液體系的潤(rùn)滑性，降低鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的摩阻和扭矩，保持起下鉆暢通無(wú)阻，防止復(fù)雜情況的發(fā)生。

7)開(kāi)鉆后，鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)下限;進(jìn)入西山窯組前，鉆井液密度提高至設(shè)計(jì)上限，保證鉆井液液柱壓力對(duì)地層的正壓差，保持井壁穩(wěn)定。

8)合理使用固控設(shè)備。振動(dòng)篩、除砂器和除泥器使用率為100%，振動(dòng)篩篩布使用125μm(120目)，合理使用離心機(jī)，最大限度除去鉆井液體系中的劣質(zhì)固相和低密度固相，凈化鉆井液。

9)控制起下鉆速度，特別在鉆進(jìn)至西山窯組后嚴(yán)格控制起下鉆速度，下鉆過(guò)程中采用分段循環(huán)的方式，避免在煤層及破碎地層開(kāi)泵，防止壓力激動(dòng)過(guò)大產(chǎn)生的環(huán)空壓耗使井壁失穩(wěn)。

10)完鉆后充分循環(huán)，進(jìn)行一次短程起下鉆，下鉆至井底后循環(huán)，待振動(dòng)篩無(wú)返砂后，泵入70m3封井漿。封井漿配方:井漿+0.5%抗溫抗鹽鈣降失水劑+2%塑料小球+2%磺化酚醛樹(shù)脂SMP-2;電測(cè)后通井，起鉆前泵入70m3封井漿，封井漿配方:井漿+ 2%低熒光井壁穩(wěn)定劑HQ-1+0.5%鋁絡(luò)合物防塌劑+1.5%磺化酚醛樹(shù)脂SMP-2+2%塑料小球+0.5%抗溫抗鹽鈣降失水劑。全井鉆井液性能控制情況見(jiàn)表1。

表1 莊301井鉆井液性能控制情況

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)胺基硅醇防塌鉆井液抑制性好，封堵能力強(qiáng)，施工中井壁穩(wěn)定，解決了上部地層易泥包鉆頭、起下鉆遇阻、西山窯組煤層失穩(wěn)和八道灣組硬脆性泥巖坍塌的難題。

2)取芯順利，取芯收獲率100%;全井下套管順利;全井電測(cè)順利，一次成功率100%。

3)井身質(zhì)量良好。二開(kāi)平均井徑擴(kuò)大率為10.26%，三開(kāi)平均井徑擴(kuò)大率為12.74%。

4)提高了施工效率。鉆井周期39.79天，較鄰井(莊106井)縮短了25%;全井機(jī)械鉆速為11.15m/h，較鄰井(莊106井)提高了近20%，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)高效鉆井的目的。莫西莊鉆時(shí)情況如表2所示。

5)上部地層優(yōu)快鉆井的關(guān)鍵在于鉆井液的低黏切、低密度和工程上的高排量和高轉(zhuǎn)速，搶在泥頁(yè)巖坍塌之前完成施工作業(yè);下部地層優(yōu)快鉆井的關(guān)鍵在于井壁穩(wěn)定，減少劃眼等處理復(fù)雜情況的時(shí)間。

表2 莫西莊鉆時(shí)情況

攝影/徐志武

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Zhuang-301 well is located in Moxizhuang area of Junggar Basin.Many complex situations will occur in drilling process of this area because of complicated formation lithology，so the mechanical drilling rate is low and drilling cycle is long.According to the analysis of the reasons leading to the complex situations，a polysilicate aluminum amine anti-sloughing drilling fluid system is used，and some site drilling fluid maintenance and treatment measures are adopted，which ensures successfully to drill to target horizon at high drilling speed.The average mechanical drilling rate in whole drilling process of Zhuang-301 well is 11.15 m/h，and it is 1.25 times as large as that of near wells.

Zhuang-301 well;mechanical drilling rate;drilling fluid;rapid high-quality drilling

尉立崗

2015-02-03

中國(guó)石化勝利石油工程技術(shù)公司先導(dǎo)試驗(yàn)項(xiàng)目“準(zhǔn)噶爾盆地中部井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)的先導(dǎo)試驗(yàn)”(SJX1408)。

邱春陽(yáng)(1978-)，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事鉆井液體系和現(xiàn)場(chǎng)施工工藝研究。