南堡3-81井四開鉆井液技術(shù)

王維，趙永光，李戰(zhàn)偉，鄧威，吳亞春，王慧丹

（1.中國石油冀東油田分公司勘探開發(fā)建設(shè)項目部，河北 唐山 063200；2.中國石化中原石油工程有限公司鉆井一公司，河南 濮陽 457001）

南堡3號構(gòu)造位于冀東油田南堡凹陷的南部，中深部儲層埋藏深度在4 000 m以上，油氣顯示好，且含有CO2氣體；古近系東營組、沙河街組含有大段硬脆性泥巖，黏土礦物含量高，且以無序伊蒙混層為主，水化膨脹性強(qiáng)，易井壁失穩(wěn)；地層的地溫梯度高達(dá)3.66～4.05℃/100 m，對鉆井液抗溫性要求極高。南堡3-81井是南堡3號構(gòu)造的一口重點預(yù)探井，為五開三段制定向井，完鉆井深6 066 m，四開井段4 384～5 939 m。由于四開鉆進(jìn)中油氣顯示好、中完井深深、裸眼段長、井底溫度高、施工時間長等工程地質(zhì)因素，出現(xiàn)了氣侵、CO2污染、鉆井液高溫增稠、井壁失穩(wěn)、摩阻扭矩大等復(fù)雜情況，導(dǎo)致鉆井施工難度增大?，F(xiàn)場通過采取相應(yīng)的鉆井液技術(shù)措施，確保了該井四開順利完成。

1 地質(zhì)概況

南堡3-81井四開主要鉆遇東營組部分東三段、沙河街組沙一段、沙二+三段和寒武系部分徐莊組地層，井段分別為 4 384～4 429，4 429～4 541，4 541～5 895，5 895～5 939 m。東三段以深灰色泥巖為主；沙一段為淺灰色細(xì)砂巖、灰色泥巖互層；沙二+三段為（淺）灰色細(xì)砂巖、（深）灰色泥巖、含礫不等粒砂巖、砂礫巖互層；寒武系徐莊組以紫紅色、灰色含灰泥巖為主，該層屬于寒武系過渡層，鉆穿紫紅色泥巖即可判定四開中完。

2 鉆井液技術(shù)

南堡3-81井四開裸眼段長1 555 m，全井段為穩(wěn)斜段，最大井斜角27°，中完井底位移2 043.58 m，垂深5 486.5 m。鉆井液應(yīng)具備較強(qiáng)的井壁穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、抗污染能力和潤滑防卡能力，還應(yīng)有較好的攜帶性和井眼清潔能力，確保四開鉆井任務(wù)能夠優(yōu)質(zhì)、高效、安全地完成。

2.1 配方和維護(hù)措施

2.1.1 鉆井液體系選擇

四開選用KCl抗高溫鉆井液體系，是由于該體系具有較強(qiáng)的抑制封堵能力、低濾失性和較好的抗溫性，能兼顧深層泥巖井壁穩(wěn)定。

2.1.2 鉆井液配方

四開鉆井液配方如下：（7%～8%）KCl抑制劑+（0.2%～0.3%）BZ-BBJ包被劑+（1.5%～2.0%）SD-101 降濾失劑+（1.5%～2.0%）KJAN-I降濾失劑+（2%～3%）BZ-YFT封堵劑+（0.1%～0.2%）BZ-HXC流型調(diào)節(jié)劑，加入燒堿，調(diào)整pH值為9.0～9.5。

2.1.3 維護(hù)措施

1）流型調(diào)整。四開配漿時，嚴(yán)格控制鉆井液中膨潤土質(zhì)量濃度在30～40 g/L，保證鉆井液流變性能的穩(wěn)定；鉆井液密度選擇1.42 g/cm3，漏斗黏度在80 s以上，防止大排量套管鞋附近沖刷成大肚子井眼。鉆進(jìn)過程中，在膠液中補(bǔ)充流型調(diào)節(jié)劑以調(diào)整鉆井液流型，確保鉆井液動塑比在 0.35 Pa/（mPa·s）以上，動切力不低于10.0 Pa，初切力不小于3.0 Pa，且具有較好的觸變性，有利于巖屑攜帶和懸浮。

2）防塌處理。補(bǔ)充膠液時，按照配方比例加入降濾失劑、抑制劑、封堵劑。控制鉆井液中KCl加量在7%以上，封堵劑加量在2%以上，高溫高壓失水量10.0 mL，如果失水量增加，適當(dāng)提高膠液中的降濾失劑加量。其中，降濾失劑和封堵劑具有很好的造壁性和改善泥餅質(zhì)量的能力，可有效減少濾液進(jìn)入地層，KCl可以較好地抑制泥巖水化分散。

3）防卡處理。鉆井前期以固、液體潤滑劑搭配，后期摩阻扭矩增大后，則混入原油增強(qiáng)鉆井液的潤滑性；按配方補(bǔ)充封堵劑，確保良好的泥餅質(zhì)量；振動篩篩布選用120～150目，固相體積分?jǐn)?shù)增高時，及時補(bǔ)充聚合物類包被劑，包被清除細(xì)微固相顆粒，開動離心機(jī)清除無用固相，保持鉆井液清潔，性能穩(wěn)定，降低鉆井風(fēng)險。

4）防漏處理。隨鉆補(bǔ)充超低滲處理劑和細(xì)目碳酸鈣，確保加量在2%以上，以充填泥巖裂縫，再配合封堵劑充填微裂縫，可以較好地在井壁周圍形成致密封隔層，達(dá)到預(yù)防井漏的效果。

5）高溫維護(hù)?，F(xiàn)場應(yīng)用抗鹽抗高溫處理劑進(jìn)行鉆井液的配制和維護(hù)，進(jìn)入高溫井段后及時補(bǔ)充除氧劑Na2SO3，以配制成膠液的形式，來提高鉆井液的護(hù)膠能力。在鉆井液長時間老化后，配制新鉆井液更換老鉆井液，從而降低鉆井液中的固相體積分?jǐn)?shù)，提高鉆井液的穩(wěn)定性。

2.2 氣侵及CO2處理

該井四開鉆進(jìn)至4 519 m開始出現(xiàn)氣體顯示，至井深4 584 m全烴體積分?jǐn)?shù)一直維持在15%左右，鉆井液密度從1.42 g/cm3逐步提至1.50 g/cm3。鉆進(jìn)至井深5 276 m，全烴體積分?jǐn)?shù)最高至100%，鉆井液密度再次提高到1.55～1.56 g/cm3，密度提高后可以有效阻止地層氣體進(jìn)入井筒。氣侵過程中點火2次，并伴有CO2污染，在5 451～5 594 m井段先后出現(xiàn)4次CO2氣侵，HCO3-質(zhì)量濃度最高達(dá)17 907 mg/L，導(dǎo)致鉆井液黏度、切力異常升高，流變性變差，鉆井開泵困難。

2.2.1 措施制定

鉆井過程中，鉆井液受到CO2氣體的污染。根據(jù)鉆井液 pH 值的不同，CO2會以 H2CO3，HCO3-和 CO32-這 3種形式存在。通常CO32-質(zhì)量濃度小于2 400 mg/L時，對鉆井液性能不會產(chǎn)生影響[1]。由于使用一般鉆井液處理劑或稀釋劑無法有效清除 H2CO3，HCO3-和 CO32-[2-3]，所以現(xiàn)場選用生石灰進(jìn)行處理，效果相對較快。

2.2.2 現(xiàn)場處理

現(xiàn)場根據(jù)測出的HCO3-，CO32-質(zhì)量濃度，計算出生石灰的用量。將生石灰配制成10%～20%的膠液，以細(xì)水長流的方式補(bǔ)充進(jìn)鉆井液中，并補(bǔ)充燒堿提高鉆井液的pH值在10.0以上，鉆井液性能明顯好轉(zhuǎn) （見表1）。待恢復(fù)鉆進(jìn)后，隨鉆補(bǔ)充0.2%生石灰，以防止新的污染發(fā)生。

表1 5 580 m CO2污染處理前后鉆井液性能

2.3 高溫處理

該井四開側(cè)鉆鉆進(jìn)至5 422 m，鉆井液出現(xiàn)高溫增稠，主要有黏度切力異常升高、鉆井停泵憋泵、測試鉆井液性能時六速旋轉(zhuǎn)黏度計不歸零等現(xiàn)象?，F(xiàn)場分析是由于四開作業(yè)時間長、井底溫度高、濾液礦化度高導(dǎo)致鉆井液的抗溫性和抗溫穩(wěn)定性下降，性能出現(xiàn)惡化。通過改進(jìn)鉆井液配方和優(yōu)化工藝措施，鉆井液性能逐步好轉(zhuǎn)。

2.3.1 處理方案優(yōu)化

為了提高鉆井液的抗溫性和抗溫穩(wěn)定性，現(xiàn)場通過試驗確定了3種配方。

1#：原井漿+0.3%PAMS-601+0.3%DSP-2+（2%～3%）SD-201。

2#：4%膨潤土+6%KCl+0.3%PMAS-601+0.3%DSP-2+3%SD101+3%KJAN+3%白油+0.5%Na2SO3+3%YFT+0.2%HXC+（3%～5%）液體潤滑劑。

3#：4%膨潤土+4%SD101+4%SD201+0.1%PAMS-601+0.1%DSP-2+0.5%Na2SO3。

改進(jìn)后的鉆井液維護(hù)措施包括：1）更換鉆井液用膨潤土粉，選用高溫水化分散能力弱的原礦土，原礦土未經(jīng)提純和改型處理，純度低，具有在高溫水基鉆井液中延遲分散的特性，可以有效防止黏土端面鈍化，能持續(xù)為鉆井液提供活性黏土粒子，作用時間長；2）降低鉆井液的總礦化度，減少高溫、高礦化度條件下處理劑的鹽析效應(yīng)，并用3%有機(jī)鹽BZ-WYJ配合6%KCl提高鉆井液的抑制性，有效提高鉆井液的護(hù)膠能力；3）及時補(bǔ)充鉆井液中的自由水，減小自由水缺失對鉆井液流變性的影響[4]；4）每班開啟離心機(jī) 1～2 個循環(huán)周，及時補(bǔ)充抗溫抗鹽提切劑，并定期掏清循環(huán)罐，放掉部分老漿更換新漿，以確保及時清除微小顆粒，有效控制固相粒子分散度[5]，維護(hù)鉆井液穩(wěn)定。

2.3.2 現(xiàn)場處理

現(xiàn)場采取以上處理方案，分3個井段使用了以上3種配方，鉆井液性能見表2。

5 422～5 590 m井段使用1#配方，在原來鉆井液基礎(chǔ)上，優(yōu)選了PAMS-601和DSP-2處理劑，鉆井液抗溫性有所增強(qiáng)，但憋泵現(xiàn)象未消失。

5 590～5 728 m井段使用2#配方，新配鉆井液280 m3，更換全井鉆井液，新配鉆井液性能良好，但經(jīng)井底高溫循環(huán)后，處理劑快速失效，鉆井液明顯增稠，流動性變差。

5 728～5 939 m井段使用3#配方，通過減少鉆井液處理劑種類、提高單劑的抗鹽和抗溫性以及采取優(yōu)化工藝措施，同時補(bǔ)充除氧劑Na2SO3提高鉆井液的熱穩(wěn)定性，并以3#配方逐步更換全井鉆井液，性能逐漸好轉(zhuǎn)，施工情況也好轉(zhuǎn)，處理后的鉆井液190℃老化64 h性能穩(wěn)定（見表3）。

表2 5 422～5 939 m井段鉆井液性能

表3 5 939 m處的鉆井液性能

2.4 井下復(fù)雜情況及處理

2.4.1 卡鉆

四開鉆進(jìn)至5 612 m發(fā)生卡鉆，在井深5 396 m填塞側(cè)鉆，選用鉆具組合為牙輪鉆頭+直螺桿+2°彎接頭，分2趟鉆側(cè)鉆成功。側(cè)鉆過程中，以石墨、白油、低熒光潤滑劑提高鉆井液的潤滑性，同時在起鉆過程中針對4 600～4 380 m遇阻井段打入稠塞，防止此井段卡鉆。分析卡鉆的原因有：1）處理氣侵及CO2污染時，鉆井液無用固相體積分?jǐn)?shù)增加，泥餅虛厚，摩阻扭矩增大，實鉆中，扭矩從5 078 m的22～26 kN·m增大至5 612 m處的39 kN·m，蹩停頂驅(qū)；2）長時間處理氣侵和CO2污染，鉆井液濾失量變大，造成東三段泥巖出現(xiàn)掉塊，卡死穩(wěn)定器。

2.4.2 起下鉆困難

側(cè)鉆成功后，在鉆進(jìn)至5 600 m以后，每趟鉆前2～3柱需倒劃眼起出，起鉆抽吸嚴(yán)重。下鉆在多個井段有遇阻卡現(xiàn)象，鉆進(jìn)至5 881 m最大扭矩達(dá)到46 kN·m，直至中完，整個施工過程中，伴有起下鉆困難、蹩停鉆具現(xiàn)象。

原因分析：1）鉆井液固相體積分?jǐn)?shù)高。鉆進(jìn)過程中，固相體積分?jǐn)?shù)從22%增加到32%，高溫使黏土固相高度分散，固相兩級分化嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆井液固相難以及時清除，泥餅虛厚，摩阻扭矩大[6]。2）井壁剝落掉塊。 由于長時間滲流切割作用及大溫差作用，上部井眼出現(xiàn)周期性垮塌[7-9]，而且沙河街組沙二+三地層在 5 540～5 750 m以砂礫巖和泥巖互層為主，易形成“糖葫蘆”井眼，再加上鉆井液抗溫性差，鉆井液長時間在井內(nèi)滾動濾失量逐漸增大，導(dǎo)致井壁有剝落掉塊現(xiàn)象，掉落井底不易攜帶出來，反復(fù)破碎，造成扭矩增大。3）井徑不規(guī)則。上部裸眼段由于長時間的水力沖刷，以及低鉆時井段多，極易出現(xiàn)不規(guī)則井徑。

2.4.3 處理措施

主要包括以下6方面：1）提高鉆井液的抑制性，有機(jī)鹽BZ-WYJ和KCl配合使用，防止因化學(xué)不平衡造成水化坍塌；2）加強(qiáng)鉆井液的封堵性[10-11]，加入 2%高軟化點陽離子乳化瀝青，防止井壁進(jìn)一步失穩(wěn)，并改善泥餅質(zhì)量；3）隨著摩阻扭矩增大，逐漸加入原油，提高含油量到7%～8%；4）打入稠塞，及時將井底掉塊攜帶出來；5）起鉆前在井底打入高濃度封閉漿，配合做好起鉆操作，每次起鉆前開泵倒劃眼起出，防止拉力過大造成卡鉆[12]；6）起鉆到井眼不規(guī)則井段打入稠塞，防止再次下鉆卡鉆。

2.5 四開完井分析

2.5.1 井徑

該井四開平均井徑擴(kuò)大率為14.54%（見圖1），不規(guī)則的井段主要有套管鞋以下井段、側(cè)鉆井段和砂礫巖井段。分析這3個井段井徑極不規(guī)則的原因，主要包括：1）四開起下鉆頻繁撞擊裸眼段井壁；2）鉆井液惡化后濾失量高，造成井壁失穩(wěn)掉塊；3）側(cè)鉆井段控制鉆時導(dǎo)致長時間沖刷井壁；4）砂礫巖研磨性強(qiáng)鉆時慢。

圖1 四開井徑擴(kuò)大情況

2.5.2 高溫條件下的完井作業(yè)

中完后更換不同鉆具組合通井5趟。此時，鉆井液高溫性能穩(wěn)定，井眼清潔，起下鉆順暢。測井前打入封閉漿65 m3，主要分2段封閉井底和上部不規(guī)則井段。封閉漿配方為1%小球+2%石墨+1.5%KJAN+1%乳化瀝青+0.5%DSP-2+2%白油，增加潤滑性的同時，適當(dāng)增加封閉漿的抗溫性。共下測井2趟，全部一次成功。本井為尾管懸掛固井，套管順利下至設(shè)計井深，封固段長達(dá)1 813 m，固井施工順利，質(zhì)量合格。

3 結(jié)論

1）南堡3-81井四開實踐表明：鉆井液的抗溫性和高溫穩(wěn)定性提高后，黏度、切力、濾失量以及其他性能明顯好轉(zhuǎn)，井下復(fù)雜情況也逐步減少。

2）在南堡3號構(gòu)造深井、高溫井段鉆井作業(yè)時，鉆井液首先應(yīng)具備良好的抗溫性和高溫穩(wěn)定性，以減少高溫對鉆井液整體性能的影響；其次是提高鉆井液的防塌性、潤滑性和抗污染能力等性能，確保鉆井液各項性能穩(wěn)定，抗污染能力強(qiáng)，才能有效確保超深井鉆井工作順利進(jìn)行。

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