長慶致密氣水平井一趟鉆鉆井液防塌技術(shù)研究與應(yīng)用

陳恩讓，陳 磊，曹 輝

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710021；2.川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安 710021）

長慶氣田致密氣開發(fā)目前以水平井為主要開發(fā)手段，主要開發(fā)地層為上古生界石盒子組、山西組以及太原組，下古生界以馬家溝組為主。水平段設(shè)計(jì)一般在1 000～2 000 m。從2021 年長慶油田致密氣水平井水平段施工來看，目的層主要在上古生界石盒子組和山西組地層，其中石盒子組較多。在水平段施工過程中存在的問題有泥巖坍塌、井漏、卡鉆以及斷鉆具等問題。根據(jù)施工資料統(tǒng)計(jì)分析：致密氣水平井水平段平均長度1 120.54 m，泥巖平均長度226.19 m，占水平段長度的20.19%；具體到目的層山西組致密氣水平井水平段平均長度1 054.87 m，泥巖平均長度228.13 m，占水平段長度的21.63%；目的層石盒子組致密氣水平井水平段平均長度1 144.04 m，泥巖平均長度226.45 m，占水平段長度的19.79%；在水平段施工過程中水平段遇泥巖側(cè)鉆21 口井，井漏復(fù)雜14 口井等。因此，致密氣水平井水平段一趟鉆技術(shù)對儲層條件提出了嚴(yán)格的要求。鉆遇泥巖段防塌保持井壁穩(wěn)定是首當(dāng)其沖的，鉆井液泥巖防塌性能的提高，不但有利于井壁穩(wěn)定，降低泥巖段坍塌壓力，對井漏防漏也會起到積極的作用。

1 技術(shù)對策

上古生界石盒子組、山西組及太原組地層中泥巖屬于微裂縫發(fā)育的硬脆性泥巖，山西組和太原組地層中含有煤層及碳質(zhì)泥巖，同樣具有微裂縫、微裂紋發(fā)育，硬脆性強(qiáng)的特點(diǎn)。在實(shí)際鉆井過程中，若不能解決好泥巖等微裂縫的封堵問題，鉆井液濾液的侵入，降低了硬脆性泥巖的膠結(jié)強(qiáng)度，使泥巖水化易發(fā)生剝落、掉塊，甚至坍塌，單純通過提高泥漿密度維持井壁穩(wěn)定性可能會適得其反[1-5]。鉆井液具有較強(qiáng)的封堵性能以及失水控制能力，盡量避免液相沿裂縫或裂紋侵入，是該類地層鉆井液防塌的首要問題[6-10]。用于封堵材料的尺寸是微裂縫封堵的關(guān)鍵因素，常規(guī)的封堵劑顆粒尺寸較大，一般在泥巖表面形成封堵，而進(jìn)入泥頁巖微裂縫的能力較差，不能形成很好的內(nèi)、外泥餅封堵層，針對泥巖微裂縫的封堵，研究出了鉆井液用微納米封堵劑，強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系，具有強(qiáng)封堵防塌性能，流變性及潤滑降阻效果良好，現(xiàn)場應(yīng)用取得了較好的效果。

1.1 基本配方

通過對微納米封堵劑、防塌封堵劑、防塌抑制劑的優(yōu)選及一系列配方實(shí)驗(yàn)，研究出的強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系配方如下：0.1%～0.2%燒堿+0.2%～0.3%PAC-HV+2.0%～3.0%Bent+0.5%～1.0%PAC-LV+0.1%～0.2%DQT+3.0%SFT+3.0%GNP-1+3.0%SMP-2+5.0%～7.0%YT-1+10.0%～15.0%YT-2+7.0%～13.0%YT-3+0.5～1.0%AP-1+3.0%～5.0%ASP1250+Barite。該體系配方性能穩(wěn)定，具有強(qiáng)抑制性、強(qiáng)封堵防塌性能。鉆井液體系性能見表1。

表1 鉆井液體系性能參數(shù)

1.2 強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系抑制性評價

石盒子組、山西組及太原組地層泥巖礦物組成中黏土含量高，雖然黏土中無膨脹性較強(qiáng)的蒙脫石，但具有一定含量的伊蒙混層，泥頁巖依然具有一定水敏性。因此，防水敏、防水化是不可或缺的因素，要求鉆井液濾液依然要保持強(qiáng)的抑制性。通過直羅組巖心回收率來評價強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系的抑制性（表2、圖1）。

圖1 巖心回收率抑制性評價實(shí)驗(yàn)

表2 巖心回收率抑制性評價實(shí)驗(yàn)

強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系配方：清水+0.10%～0.15%燒堿+2.0%～3.0%Bent+0.2%～0.3%PAC-HV+0.5%～0.7PAC-LV+0.2%～0.3%DQT+2.0%～3.0%FF-1+3.0%～4.0%SMP-2+2.0%～3.0%GNP-1+0.5%～0.7%AP-1+5.0%～6.0%YT-1+10.0%～12.0%YT-2+7.0%～8.0%YT-3+3.0%～5.0%ASP1250+Barite。

聚磺鉆井液體系配方：清水+0.10%～0.15% 燒堿+4.0%～5.0%Bent+0.2%～0.3%PAC-HV+0.5%～0.7%PAC-LV+0.2%～0.3%DQT+2.0%～3.0%FF-1+2.0%～3.0%SMP-2+2.0%～3.0%GNP-1+3.0%～5.0%ASP1250+Barite。

從直羅組巖心的一次回收率R40和二次回收率R40＇鉆井液體系抑制性評價實(shí)驗(yàn)來看，強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系與聚磺鉆井液體系以及與3%KCl 溶液和清水（對比指標(biāo)）相比，一次回收率和二次回收率顯著提高，分別達(dá)到一次回收率為97.04%和二次回收率為77.65%，說明了強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系的綜合抑制性能是比較強(qiáng)的。

1.3 強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系防塌性能評價——巖心膨脹量降低率實(shí)驗(yàn)

通過人造膨潤土巖心膨脹量降低率實(shí)驗(yàn)來評價鉆井液體系的抑制黏土膨脹能力，是對鉆井液體系的封堵性能和抑制性能的綜合評價。

（1）配方：清水+0.10%～0.15%燒堿+2.0%～3.0%Bent+0.3%～0.4%PAC-HV+0.5%～0.6%PAC-LV+0.2%～0.3%DQT+2.0%～3.0%FF-1+3.0%～4.0%SMP-2+3.0%～4.0%GNP-1+0.5%～0.6%AP-1+5.0%～6.0%YT-1+10.0%～12.0%YT-2+10.0%～12.0%YT-3+3.0%～5.0%ASP1250+Barite。

（2）120 ℃×16 h 熱滾后性能見表3。

表3 強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系性能

（3）巖心膨脹量降低率實(shí)驗(yàn)見圖2、圖3、表4。

圖2 不同體系的巖心膨脹評價實(shí)驗(yàn)

圖3 在不同體系中20 h 巖心膨脹量降低率實(shí)驗(yàn)評價

表4 巖心膨脹量降低率實(shí)驗(yàn)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)封堵防塌鉆井液20 h 巖心膨脹量降低率均在75.00%以上，具有較強(qiáng)的封堵防塌能力。20 h 巖心膨脹量降低率的大小與抑制性有關(guān)外，封堵性也是一個重要的因素，5.0%YT-1 水溶液，復(fù)合鹽5.0%YT-3+10.0%YT-2 水溶液，雖然抑制性強(qiáng)，但20 h 巖心膨脹量降低率均小于30.00%，但強(qiáng)封堵防塌鉆井液的巖心膨脹量降低率卻均在75.00%以上，所以封堵性和抑制性要協(xié)同作用，才能發(fā)揮強(qiáng)抑制防塌的作用。

1.4 強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系PPA 濾失量封堵實(shí)驗(yàn)評價

通過不同滲透率磨砂盤的PPA 濾失量實(shí)驗(yàn)來評價強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系的封堵能力（表5）。

表5 強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系PPA 濾失量實(shí)驗(yàn)

致密氣強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系封堵效果良好，在滲透率為0.5 D 磨砂盤的高溫高壓濾失量實(shí)驗(yàn)中，強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系PPA 濾失量為1.2 mL；而致密氣的滲透率小于0.1 mD，泥巖的滲透率更低，因此，該體系在致密氣地層中能夠有效進(jìn)行快速封堵微裂紋微孔隙，及時形成優(yōu)質(zhì)泥餅，降低孔隙壓力傳遞，有利于井壁穩(wěn)定，也有利于儲層保護(hù)。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 2022 年長慶區(qū)塊致密氣水平井現(xiàn)場實(shí)施的三開水平段單趟鉆鉆井進(jìn)尺（表6）

表6 水平段單趟鉆鉆井進(jìn)尺

致密氣水平井水平段強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系試驗(yàn)的5 口井中，單趟鉆鉆井最長進(jìn)尺1 500 m，平均單趟鉆鉆井進(jìn)尺880 m，機(jī)械鉆速最高10.95 m/h，平均機(jī)械鉆速8.00 m/h。

2.2 水平段鉆遇大段泥巖后井壁穩(wěn)定

CBXX-2 井是一口雙分支氣井水平井，目的層為山西組，水平段單趟鉆鉆井最長進(jìn)尺905 m，雙分支水平段共計(jì)進(jìn)尺3 531 m，泥巖段共計(jì)1 049 m，占全井段的29.71%，鉆井液采用微納米強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系，密度1.20～1.24 g/cm3，黏度56～66 s，API 失水3.4～2.0 mL，pH 值8～9。鉆井液采用微納米封堵技術(shù)，防塌穩(wěn)定泥巖能力強(qiáng)，單趟鉆成功穿越最長泥巖段723 m，創(chuàng)造了這個區(qū)塊單趟鉆鉆井最長進(jìn)尺905 m。

2.3 微納米強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系流變性、潤滑性良好，機(jī)械鉆速高，鉆井周期短

YTX2H 是一口探井水平井，目的層為太原組灰?guī)r地層，該井水平段7 d 完成了一趟鉆1 500 m 水平段鉆進(jìn)，儲層鉆遇率98.66%，刷新了鄂爾多斯盆地太原組灰?guī)r水平井水平段最短鉆井周期記錄。水平段施工過程中，存在鉆遇泥巖、煤層等施工風(fēng)險。鉆井液體系采用微納米強(qiáng)封堵防塌鉆井液技術(shù)有效應(yīng)對了井下坍塌帶來的風(fēng)險，鉆井液性能：密度1.28～1.30 g/cm3，黏度60～65 s，API 失水2.2～2.6 mL，pH 值8～9，摩阻系數(shù)0.052 4。同時，三開水平段施工過程中，使用了近鉆頭旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，強(qiáng)化水平段鉆井液性能維護(hù)等工藝措施，多措并舉保障了該井鉆探施工的高效順利運(yùn)行。

3 結(jié)論和建議

（1）研究的強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系，高溫高壓濾失量小于6.0 mL，封堵性和抑制性強(qiáng)，對致密氣儲層水平井水平段泥巖防塌能力強(qiáng)，流變性、潤滑性良好，能滿足水平井水平段一趟鉆的鉆井需求。

（2）強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系完成了水平井水平段一趟鉆1 500 m 的施工，鉆遇泥巖后井壁穩(wěn)定，鉆井液潤滑性能、清潔能力良好，為一趟鉆技術(shù)提供了可靠的保障。

（3）一趟鉆技術(shù)是一個系統(tǒng)工程，既要有先進(jìn)的鉆井工具和工藝技術(shù)，又要有良好的儲層地質(zhì)條件，良好的鉆井液防塌性能、攜砂性能及潤滑性能，盡量少鉆遇塌層和漏層。