陽離子烷基糖苷鉆井液在長(zhǎng)南水平井的應(yīng)用

趙 虎，司西強(qiáng)，雷祖猛，王忠瑾

(中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001)

陜北長(zhǎng)南地區(qū)水平井為鄂爾多斯盆地伊陜斜坡的叢式水平開發(fā)井，目的層為二疊系—奧陶系，為低滲致密儲(chǔ)藏，巖性復(fù)雜。選用陽離子烷基糖苷(CAPG)鉆井液進(jìn)行試驗(yàn)，可發(fā)揮其優(yōu)良的抑制和潤(rùn)滑性能，解決造斜段和水平段易井壁失穩(wěn)、托壓和卡鉆等井下復(fù)雜問題，并利用其低水活度和成膜封固作用，降低儲(chǔ)層的水鎖效應(yīng)，保護(hù)致密儲(chǔ)藏。

1 CAPG鉆井液體系

烷基糖苷(APG)與水有良好的互溶性，其水溶液幾乎不受無機(jī)鹽的影響，因分子鏈的長(zhǎng)短差異抗溫150～180℃。將APG加入鉆井液中:可增大鉆井液的屈服值和凝膠強(qiáng)度，提高鉆井液的攜巖能力;可降低鉆井液的摩擦系數(shù)，提高鉆井液的潤(rùn)滑性;可有效降低鉆井液的水活度，阻止與鉆井液接觸的頁巖水化和膨脹，降低儲(chǔ)層的水鎖效應(yīng)［1－3］。APG鉆井液在中原油田的非常規(guī)水平井的應(yīng)用結(jié)果表明，該鉆井液具有較好的攜巖帶砂、潤(rùn)滑防卡和抗溫抗污染能力，可滿足長(zhǎng)水平段鉆井的施工需要［4］，但抑制性能有待提高，不能有效解決長(zhǎng)段泥頁巖的井壁掉塊問題，且加量大，成本較高。

CAPG在秉承了APG較好潤(rùn)滑性的基礎(chǔ)上，抑制性能顯著提高，能夠有效解決泥頁巖及砂泥巖等易坍塌地層的井壁失穩(wěn)問題。CAPG分子本身帶正電荷，含有1個(gè)親油的烷基、3個(gè)親水的羥基(—OH)、1個(gè)親水的醚鍵(C—O—C)和1個(gè)強(qiáng)吸附的季銨陽離子(R1R2R3R4N+Cl－)。其抑制機(jī)理是多種化學(xué)和物理作用的共同體現(xiàn)［5－11］，主要包括:1)靜電吸附成膜及拉緊晶層;2)羥基吸附成膜;3)季銨基團(tuán)吸附成膜及嵌入去水;4)降低水活度;5)形成封固層。這些作用大大增強(qiáng)了CAPG的抑制能力，且仍保留了APG的潤(rùn)滑和抗溫抗污染能力，加量顯著降低。同時(shí)通過優(yōu)選封堵材料，優(yōu)化體系配方，可協(xié)同作用解決水平段泥頁巖的井壁穩(wěn)定問題。

2 陜北長(zhǎng)南地區(qū)地質(zhì)與工程概況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井目的層為低滲致密儲(chǔ)藏，巖性復(fù)雜，具體地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)井位根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)有2種井深結(jié)構(gòu)，即三開(二開為 φ241.3 m鉆頭鉆至造斜點(diǎn)前，φ215.9 mm鉆頭鉆至A靶點(diǎn)，下技套)和四開(三開φ244.5 mm鉆頭鉆至A靶點(diǎn))結(jié)構(gòu)。完井方式有2種，即分段壓裂管柱和套管完井。具體工程參數(shù)如表2所示，靖南72－13H1井和高橋26－126H井均因地質(zhì)出層而懸空側(cè)鉆，部分水平井段未計(jì)入水平段長(zhǎng)。

表1 試驗(yàn)井地質(zhì)概況

表2 試驗(yàn)井工程參數(shù)

3 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)與技術(shù)思路

3.1 技術(shù)難點(diǎn)

3.1.1 井眼清潔難度大

三口井設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)均超過1 000 m，井身，距結(jié)構(gòu)為多級(jí)套管組合，尤其是靖南72－13H1井地面2 928 m套管直徑為244.5 mm，環(huán)空較大;2 728～3 770 m套管直徑為177.8 mm，環(huán)空較小;四開水平段鉆頭直徑為152.4 mm，井眼較小。因此鉆井液既要滿足上部大環(huán)空低返速下的帶砂能力，又要滿足水平段小井眼排量受限下的攜砂和懸浮固相能力。必須選用合理的鉆井液流變參數(shù)和合適的排量，盡可能降低循環(huán)壓耗，并保持良好的攜砂和懸浮能力，滿足鉆井工程的需要。

3.1.2 地層巖性交錯(cuò)，井壁穩(wěn)定要求高

高橋26－126H井造斜段地層泥巖含量較高兼有煤層，高橋46－118H1井造斜段地層泥巖含量較高，需要提高鉆井液密度以有效支撐井壁，但未封固上部劉家溝組易漏地層，安全密度窗口較窄。水平段地層不同層位含有砂質(zhì)泥巖、灰色泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層和白云巖等，巖性變換交錯(cuò)。地層中的泥巖和煤層易坍塌掉塊，對(duì)鉆井液的防塌能力要求較高。

3.1.3 水平井段長(zhǎng)，潤(rùn)滑性能要求高

鉆進(jìn)過程中大部分的扭矩增大以及阻卡問題均是由井眼清潔差而形成的巖屑床、井壁不穩(wěn)定、鍵槽和壓差過大等因素引起的，長(zhǎng)水平段對(duì)鉆井液的潤(rùn)滑性能要求更高。

3.2 技術(shù)思路

3.2.1 井眼清潔

根據(jù)多級(jí)套管組合和長(zhǎng)水平井段鉆井需求，采用合理的鉆井液流變參數(shù)和合適的排量，將鉆井液黏度控制在50～70 s，鉆井液排量14～19 L/s。實(shí)鉆過程中會(huì)因膨潤(rùn)土含量偏低造成鉆井液切力下降，可適當(dāng)補(bǔ)充黃原膠(XC)以改善鉆井液的流型，提高攜巖帶砂能力。

3.2.2 井壁穩(wěn)定

選用合理密度的鉆井液，以有效支撐井壁，造斜段鉆遇大段泥巖或煤層時(shí)，及時(shí)提高鉆井液密度，但應(yīng)補(bǔ)充一定濃度的封堵材料，如無滲透處理劑等。保持一定濃度的CAPG，通過多羥基吸附拉近黏土和巖石晶片的結(jié)構(gòu)，限制黏土分散，根據(jù)各井情況可復(fù)合使用KCl，以保持鉆井液的強(qiáng)抑制能力，或采用硅鉀基防塌劑、超細(xì)凝膠等，以提高鉆井液的固壁作用或封堵能力，達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的。

3.2.3 潤(rùn)滑防卡

CAPG與APG配合使用，能兼顧潤(rùn)滑、防塌效果，有利于降低成本，在鉆進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)地層巖性變化和水平位移的增加而及時(shí)補(bǔ)充，保持鉆井液的潤(rùn)滑性。

4 CAPG鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

CAPG鉆井液試驗(yàn)井段含造斜段和水平段，具體應(yīng)用情況如表3所示。

表3 試驗(yàn)井鉆井液應(yīng)用概況

4.1 鉆井液的配制

充分利用現(xiàn)場(chǎng)鉆井液，通過固控設(shè)備盡可能清除老漿固相，配制40～60 m3膠液，鉆井液的配方如下:30～50 kg/m3CAPG+40 kg/m3APG+聚合物增黏降濾失劑(COP－HFL)+聚合物降濾失劑(COP－LFL)+低黏羧甲基纖維素鈉(LVCMC)+60～80 kg/m3KCl(或60～80 kg/m3)硅甲基防塌劑)+10～20 kg/m3瀝青類 +適量NaOH。根據(jù)各井情況調(diào)整聚合物加量，充分循環(huán)均勻后，實(shí)現(xiàn)鉆井液的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。

4.2 鉆井液的維護(hù)處理

4.2.1 流變性控制和井眼清潔

為了同時(shí)滿足水平段的沖刷帶砂和上部環(huán)空的懸浮帶砂需求，鉆井液應(yīng)保持合理的流變性，鉆井液的黏度為50～70 s、動(dòng)切力為5～10 Pa、靜切力為1～3 Pa/4～6 Pa時(shí)較為合理。使用高黏聚合物乳液(HP)、COP－HFL和高黏羧甲基纖維素鈉(HV－CMC)等均可提高鉆井液的黏度;在膨潤(rùn)土含量較低的情況下可用XC提高動(dòng)切力和靜切力;若需要降低鉆井液的黏切，用1 kg/m3LV－CMC+1 kg/m3低黏聚合物(PL)稀膠液稀釋即可，若下鉆劃眼較多，可用高XC或HP配置稠塞液清砂。

4.2.2 濾失量和泥餅質(zhì)量控制

適當(dāng)補(bǔ)充LV－CMC、COP－HFL和PL等聚合物可降低鉆井液的濾失量;補(bǔ)充瀝青類、超細(xì)凝膠、乳化石蠟等可提高封堵降濾失效果，提高泥餅質(zhì)量;補(bǔ)充APG和CAPG亦可改善泥餅質(zhì)量。

4.2.3 防塌措施

選用合理密度的鉆井液，以有效支撐井壁，是保持井壁穩(wěn)定的前提。如靖南72－13H1井，四開鉆井液密度為1.20 g/cm3，4 100 m后密度提高到1.25 g/cm3，側(cè)鉆后4 495 m，γ ＞200，泥質(zhì)含量升高，鉆井液密度提高到1.30 g/cm3。高橋26－126H井造斜段轉(zhuǎn)換鉆井液，密度為 1.21 g/cm3，鉆遇泥巖地層時(shí)，逐步提高鉆井液密度至中完1.25 g/cm3，考慮到上部劉家溝易漏地層密度不宜過高。保持CAPG的質(zhì)量濃度≥30 kg/m3可有效保障鉆井液的抑制性，在泥巖含量較高的井段補(bǔ)充瀝青等可提高鉆井液的封堵能力。

4.2.4 潤(rùn)滑防卡措施

APG類產(chǎn)品潤(rùn)滑能力強(qiáng)，保持APG和CAPG的總量≥70 kg/m3，隨著水平段的加長(zhǎng)，適當(dāng)提高其用量，可有效降低鉆井液的摩阻;同時(shí)必須加強(qiáng)固相控制，使鉆井液含砂量≤3 kg/m3，滿足長(zhǎng)水平段鉆井工程的需要。

4.3 鉆井液的應(yīng)用效果

在整個(gè)鉆進(jìn)過程中，鉆井液性能穩(wěn)定，井下安全，起下鉆暢通無阻，電測(cè)及完井作業(yè)均一次成功，未出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，達(dá)到了穩(wěn)定井壁、保護(hù)儲(chǔ)層及井下安全的目的，為地質(zhì)資料的完整錄取和鉆井施工的順利進(jìn)行提供了技術(shù)保障。具體應(yīng)用效果如下:

1)抑制性強(qiáng)，保障了井壁穩(wěn)定，提高了固控效果。保持CAPG用量≥30 kg/m3，并輔助使用KCl(用量≥60 kg/m3)或硅鉀基防塌劑，有效保障鉆井液的抑制性，同時(shí)加強(qiáng)封堵和降低濾液浸入措施，3口試驗(yàn)井均在設(shè)計(jì)密度范圍內(nèi)保持了井壁穩(wěn)定。其中靖南72－13H1井在完井作業(yè)期間由于天氣等原因停達(dá)44 d，在此期間通井拉井壁井下正常，下完井管柱順利。高橋26－126H井和高橋46－118H1井在泥巖含量較高的雙石組(石千峰組和石盒子組)及含煤層的山西組未出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，鉆完井作業(yè)順利。分段鉆井液性能如表4所示。

表4 試驗(yàn)井分段鉆井液性能

2)潤(rùn)滑性好，滿足定向施工需要，利于降低循環(huán)壓耗、提高機(jī)械鉆速。APG類產(chǎn)品潤(rùn)滑能力強(qiáng)，可改善鉆井液的泥餅質(zhì)量;同時(shí)加強(qiáng)固相控制，控制鉆井液含砂量≤3 kg/m3，可保障長(zhǎng)水平段鉆井工程的需要。靖南72－13H1井的機(jī)械鉆速較同等巖性和工程措施的臨井靖南70－6H1井水平段提高72%;高橋26－126H井造斜段轉(zhuǎn)換為CAPG鉆井液后，解決了定向托壓和鉆頭泥包等問題。水平段機(jī)械鉆速與摩阻如表5所示。

表5 試驗(yàn)井的機(jī)械鉆速和摩阻

3)剪切稀釋性好，攜巖能力強(qiáng)，保證了井眼清潔及巖屑床的清除。在鉆進(jìn)過程中，通過補(bǔ)充XC、HV－CMC或HP膠液以保持鉆井液的攜砂能力，及時(shí)將鉆屑帶出。一方面減少了鉆屑的重復(fù)切削或研磨，有利于控制鉆井液的固相含量;另一方面保持了井眼清潔，減少了巖屑床的形成，保證了井下鉆井的安全施工。

4)有利于油氣層保護(hù)和環(huán)境保護(hù)。CAPG與APG可有效降低鉆井液的水活度，形成理想隔離膜，阻止與鉆井液接觸的泥頁巖水化和膨脹，有效維持井眼的穩(wěn)定，降低儲(chǔ)層的水鎖效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù);鉆井液中膨潤(rùn)土含量低，亞微米固相顆粒含量少，使用的加重材料為石灰石，有利于酸化解堵，保護(hù)儲(chǔ)層;APG及配伍處理劑的生物毒性低，可自然降解，環(huán)境保護(hù)壓力低。

5 結(jié)論

1)APG鉆井液體系的攜巖帶砂能力、潤(rùn)滑能力、濾失造壁性等較好，抗溫穩(wěn)定性較高;CAPG鉆井液體系可提高鉆井液的抑制性能，滿足更多地層長(zhǎng)水平段鉆井的需要。

2)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)井段情況控制鉆井液密度，遇泥巖或煤層時(shí)適當(dāng)提高鉆井液的密度，及時(shí)補(bǔ)充CAPG、KCl或硅甲基防塌劑，復(fù)合使用瀝青類等材料，保障井壁穩(wěn)定。

3)應(yīng)優(yōu)化鉆井液配方，在滿足鉆井工程需要的前提下，降低鉆井液的成本，如:高橋46－118H1井的鉆井液未使用KCl，改用少量硅甲基防塌劑協(xié)同CAPG，鉆井液仍保持良好的抑制能力。

4)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)固相控制，選擇合理的振動(dòng)篩目數(shù)，及時(shí)清除鉆井液中的有害固相，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。

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