緬甸D區(qū)塊高陡高壓地層封堵防塌鉆井液技術(shù)

邱光源，肖超，張塏莘，何漢平

（1.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司，天津 300452）

?

緬甸D區(qū)塊高陡高壓地層封堵防塌鉆井液技術(shù)

邱光源1，肖超2，張塏莘3，何漢平2

（1.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司，天津 300452）

邱光源等.緬甸D區(qū)塊高陡高壓地層封堵防塌鉆井液技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2016，33（3）：41-45.

摘要緬甸D區(qū)塊地層屬高陡高壓地層、斷層多，地層水敏性強且裂縫發(fā)育，鉆井過程中多井發(fā)生井壁坍塌，其中，P-1-1井最具代表性，該井由于井塌造成的卡鉆高達32次，井徑擴大率達100%。使用常規(guī)的KCl聚合物鉆井液體系及套管封隔技術(shù)等均不能解決井塌難題。為此，通過室內(nèi)實驗研究，優(yōu)選出以微米級乳化瀝青為防塌劑、以KCl和聚合醇為主抑制劑、以聚陰離子纖維素為降濾失劑、以磺化聚合物為高溫穩(wěn)定劑的微米乳液防塌鉆井液體系。該體系與優(yōu)化前的鉆井液相比，頁巖膨脹率降低15%，頁巖回收率提高50%。結(jié)合提高鉆井液密度，優(yōu)化鉆井液流變性能，降低鉆井液API濾失量等配套技術(shù)措施，在D區(qū)塊現(xiàn)場應(yīng)用取得了較好的防塌效果，易塌井段井徑擴大率由100%降低到20%，鉆井時效提高了35%，鉆井成本降低20%。該套鉆井液技術(shù)解決了緬甸D區(qū)塊高陡構(gòu)造、高壓地層井壁坍塌問題。

關(guān)鍵詞高陡構(gòu)造；封堵防塌；防卡技術(shù)；緬甸D區(qū)塊

緬甸D區(qū)塊位于緬甸中部第二大城市曼德勒市以西實皆省內(nèi)，面積為12 384 km2。D區(qū)塊勘探的P圈閉鉆遇地層主要為蓬當(dāng)組和塔本組，地層傾角在28°左右，斷層多，微裂縫發(fā)育，地層水敏性強、地層壓力高，鉆井液安全密度窗口窄，在鉆井過程中常發(fā)生井壁失去穩(wěn)定、惡性漏失等工程復(fù)雜。P-1-1井在井壁坍塌方面具有代表性，該井鉆井過程中發(fā)生了惡性的井壁坍塌、卡鉆等問題，全井發(fā)生卡鉆32次，其中2次未能解卡，進行了填井側(cè)鉆。處理井下復(fù)雜使鉆井周期延長，增加了鉆井成本。為解決P-1-1井高陡、高壓地層的嚴(yán)重井坍情況，研究了微米乳液防塌鉆井液體系，該體系通過優(yōu)選封堵材料，提高鉆井液封堵性、抑制性，提高鉆井液密度，通過提高鉆井液黏度和切力，降低API濾失量等措施，較好地解決了該區(qū)塊地區(qū)高陡高壓裂隙發(fā)育地層惡性井壁坍塌的問題。使易坍塌井段的井徑擴大率由100%降低到20%，鉆井時效提高了35%，鉆井成本降低20%。

1　地層特征及坍塌原因分析

1.1地層巖性

緬甸D區(qū)塊地層巖性主要以灰綠色泥巖為主，其中泥巖含量在40%～70%，泥巖中伊蒙混層含量為40%～88%，石英、長石含量達19.2%～60%，如表1所示。這些富含硅質(zhì)、長石成分礦物的泥巖在水化膨脹后壓力分布不均勻，容易發(fā)生井壁垮塌。實鉆過程中井下掉塊在遇水浸泡后極易水化膨脹、分散，存在較多天然裂縫。電鏡掃描照片分析表明，坍塌井段巖樣微裂縫、微孔隙發(fā)育，鉆井液及其濾液很容易進入微裂縫，增加了泥巖吸水面積，在水分子毛細(xì)管力作用下容易進入地層，產(chǎn)生強大膨脹壓，導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定。易塌井段泥巖比表面積大，微孔隙發(fā)育，表面能大，含鈣質(zhì)顆粒，容易造成鉆井液濾液侵入，引起泥巖水化分散，誘發(fā)井壁坍塌。

表1　緬甸D區(qū)塊P-1-1井地層情況

1.2地應(yīng)力與地層壓力

1）地應(yīng)力。緬甸D區(qū)塊構(gòu)造上受逆斷層控制，最大水平主應(yīng)力為地層最大主應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力方向與斷層走向垂直。根據(jù)計算求得，P-1-1井地層最大水平主應(yīng)力當(dāng)量密度為2.40～2.55 g/cm3，最小水平主應(yīng)力當(dāng)量密度為1.35～2.10 g/cm3。最大與最小水平主應(yīng)力差值較大是造成井塌的原因之一。

2）地層壓力特征。通過P-1-1井的測井、錄井和測試資料，利用聲波時差法對地層壓力分布規(guī)律進行模擬計算，求得地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力等分布曲線。利用測試取得地層壓力數(shù)據(jù)計算可知，2 405.5～2 452.7 m井段壓力系數(shù)為1.96；1363.7～1382.0 m井段壓力系數(shù)為2.04，對孔隙壓力進行校正后，地層三壓力曲線情況見圖1。實鉆過程中鉆井液液柱壓力未能平衡地層坍塌壓力，是造成井壁坍塌的重要原因。

圖1P-1-1井地層壓力圖

1.3井壁坍塌的特征

緬甸D區(qū)塊P-1-1井鉆井過程中發(fā)生嚴(yán)重井壁坍塌，且井壁坍塌具有周期性特征，掉塊體積大、數(shù)量多，最大掉塊達4.6 kg，體積為25.3 cm×20 cm×8.5 cm。掉塊具有明顯的裂縫及片狀層理結(jié)構(gòu)，存在層狀裂縫，易水化分散。

1.4鉆井工藝

鉆進過程中，在起下鉆速度過快形成激動壓力或被迫進行倒劃眼起鉆過程是造成井壁破壞，引起坍塌的原因之一。全井發(fā)生2 h以上的卡鉆復(fù)雜32次，其發(fā)生時共同特點是憋泵、憋停頂驅(qū)，發(fā)生卡鉆，每次解卡后均有大批量掉塊集中返出，隨著鉆井液的攜巖能力的增加，返出的掉塊質(zhì)量和體積也在增加，可知井壁坍塌造成了沉砂卡鉆，而相反，每次解卡過程均需要多次增加大鉤載荷及鉆柱扭矩，甚至在施加一定扭矩的條件下大力上提或下壓鉆具的方式來嘗試解卡，底部鉆具處于拉伸時對定向段上井壁造成破壞，受壓彎曲多個點支撐井壁，這些機械力作用也是造成井壁坍塌的原因。在鉆具上移且未完全建立循環(huán)之前，形成抽吸壓力也是導(dǎo)致井壁坍塌的原因；為了能夠建立循環(huán)，在不斷增加泵壓頂替鉆井液過程中，卡點以下的井段在高壓力作用下對地層微裂縫有擴展作用，一定程度上對井壁造成破壞。攜巖過程中大排量的水力沖刷作用也是造成井壁坍塌的主要因素之一。

1.5優(yōu)化前鉆井液

優(yōu)化前的鉆井液為KCl聚合物鉆井液，該體系密度為1.6 g/cm3，塑性黏度為32 mPa··s，動切力為8 Pa，靜切力為3/9 Pa/Pa，濾失量為5 mL，高溫高壓濾失量（120 ℃）為25 mL，其防塌封堵能力差、使用密度低、濾失量大、黏度和切力低，抗溫能力差，不利于斷層發(fā)育、強水敏、微裂縫發(fā)育、高坍塌壓力地層的井眼穩(wěn)定。其配方如下。

（25～30）kg/m3膨潤土+（1～3）kg/m3純堿+ （1～3）kg/m3燒堿+100 kg/m3KCl+（3～6）kg/m3PHPA+（5～8）kg/m3PAC-L+（15～20）kg/m3淀粉+ 10 kg/m3磺化瀝青+30 L/m3聚合醇+重晶石

鉆進過程中，頻繁地起下鉆和大載荷提放鉆具，造成的抽吸壓力也易導(dǎo)致井壁坍塌。且鉆井初期優(yōu)化前鉆井液抑制性、防塌能力不足，為了提高攜帶掉塊而提高排量循環(huán)，高排量的水力沖刷作用也是造成井壁坍塌的主要因素之一。

2　封堵防塌鉆井液技術(shù)

2.1封堵防塌的技術(shù)思路

針對D區(qū)塊地層坍塌壓力高、 裂縫發(fā)育，泥巖地層易水化分散的特點，主要采取以下措施穩(wěn)定井壁。①提高鉆井液的封堵能力，減少鉆井液及濾液沿微裂縫進入易塌地層深部，造成泥巖水化分散而導(dǎo)致井壁坍塌。同時，提高破碎地層的完整性，使鉆井液液柱壓力能作用在井壁上。②鉆井液密度應(yīng)大于易塌井段地層坍塌壓力，以力學(xué)作用穩(wěn)定井壁。③優(yōu)化鉆井液性能，使其濾失量小于3 mL，降低鉆井液濾液侵入地層；提高鉆井液黏度和切力，提高攜巖效率，防止坍塌引起沉砂卡鉆。④優(yōu)化鉆井工藝。減少起下鉆和鉆進過程中機械力作用對井壁造成的機械破壞，減少外力因素造成的井壁坍塌[3-7]。

2.2封堵防塌劑優(yōu)選

選用粒度和軟化點與易塌井段溫度和微裂縫尺寸相配伍的瀝青類封堵防塌劑。緬甸D區(qū)塊易塌地層深度為1200～3 000 m，溫度為70～120 ℃，地層微裂縫大小為10～50 μm。優(yōu)化前瀝青防塌劑粒度在50～1000 μm軟化點120 ℃，與地層配伍性差，不能滿足易塌井段的防塌要求。因此優(yōu)選了EP-1及NRH微米級細(xì)顆粒瀝青類封堵材料。其粒度分析情況見圖2。由此可知，EP-1含有的乳化瀝青類材料顆粒與地層微裂縫配伍性好，可對裂縫進行有效封堵，且EP-1為多種軟化點瀝青顆粒的混合物，適用溫度為40～145 ℃，能夠滿足D區(qū)塊1200～3 000 m易塌井段的防塌要求；NRH主要成分與EP-1相似，但使用陽離子表面活性劑作乳化劑，還具有提高鉆井液抑制性能的作用。

圖2　不同瀝青類封堵防塌劑的粒度分析

2.3防塌鉆井液配方

優(yōu)化后鉆井液密度為1.98 g/cm3，塑性黏度為60 mPa·s，動切力為22 Pa，靜切力為4/16 Pa/Pa，濾失量為2.5 mL，高溫高壓濾失量為（120 ℃）8 mL。優(yōu)化后的鉆井液密度高于地層坍塌壓力、濾失量低于3 mL、黏度切力較大，抗溫能力好，有利于斷層發(fā)育、強水敏、微裂縫發(fā)育、高坍塌壓力的易塌地層的井眼穩(wěn)定。優(yōu)化后的鉆井液配方如下。

3%膨潤土+0.2%純堿+0.2%燒堿+10%KCl+ 4.8%PAC-LV+0.8%PF-NPN+0.6%PHPA+2%淀粉+ 30 L/m3聚合醇+5%SMP+3%EP-1+2.5%NRH+重晶石

2.4防塌鉆井液性能評價

2.4.1抑制性

取P-1-1井二開不同井深處巖屑放入優(yōu)化前后鉆井液中，其膨脹率實驗結(jié)果見表2。在120 ℃下滾動16 h，回收率結(jié)果見表3。由表2可知，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的防塌鉆井液能顯著降低P-1-1井巖心的24 h膨脹率。由表3可知，與優(yōu)化前鉆井液相比，巖屑在優(yōu)化后的防塌鉆井液中的回收率提高50%～60%，說明防塌鉆井液的抑制性能更好。

表2　P-1-1井巖心膨脹率實驗結(jié)果

表3　P-1-1井巖屑回收率實驗結(jié)果

2.4.2封堵能力

浸泡實驗表明，優(yōu)化后的防塌鉆井液具有良好的防塌效果，見圖3。高黏度和切力及低濾失性能的鉆井液可在微裂縫發(fā)育地層近井地帶形成一薄層的凝膠層，阻止鉆井液及濾液沿著微裂縫進一步深入地層，防止易塌地層水化分散導(dǎo)致的坍塌。

圖3　人造巖心在優(yōu)化前后鉆井液中浸泡24 h巖心照片

使用粒徑為0.28～0.076 mm砂床，進行的FA砂床測試，優(yōu)化前鉆井液漏失量為460 mL，完全侵透砂床，優(yōu)化后的微米乳化瀝青強封堵鉆井液漏失量為0，侵入砂床深度為3 cm，可以看出優(yōu)化后的防塌鉆井液封堵砂床能力很強，能快速在破碎地層表面形成非滲透泥餅，可有效防止井眼坍塌。

3　現(xiàn)場應(yīng)用及效果

3.1現(xiàn)場應(yīng)用

緬甸D區(qū)塊P-1-1井井身結(jié)構(gòu)為：φ660.4 mm鉆頭×28 m（φ508 mm導(dǎo)管）+φ444.5 mm鉆頭×449 m（φ339.72 mm套管）+φ311.2 mm鉆頭×1352.85 m（φ244.5 mm套管）+φ216 mm鉆頭×2 612 m左右（φ177.8 mm尾管（1151.1～2 610 m）+φ149.2 mm單牙輪鉆頭×3 280 m左右（φ114.3 mm尾管），水泥返至地面，使用KCl聚合物鉆井液。該井三開鉆至井深1875 m，起鉆過程發(fā)生了卡鉆，未能解卡。爆炸松開上部鉆具填井，于1421m進行了側(cè)鉆，側(cè)鉆后使用了優(yōu)化后的鉆井液。

為預(yù)防卡鉆復(fù)雜，采取的配套技術(shù)措施為：①簡化鉆具結(jié)構(gòu)，在鉆壓允許的情況下，盡量減少鉆鋌的下入。②通井過程中，盡可能減少劃眼擾動，避免機械力作用井壁造成新的坍塌。③起鉆前充分循環(huán)，在井底打入一段稠塞，以避免井壁坍塌掉塊聚集卡鉆具，下鉆到井底前2柱開泵循環(huán)，防止井底有大量掉塊，造成卡鉆風(fēng)險。④遇阻卡首先要采用開泵循環(huán)沖砂的辦法解卡，若繼續(xù)3次遇阻仍不能通過可接頂驅(qū)劃眼?；顒鱼@具過程遇阻，上提超拉不得大于5 t，下壓不得大于3 t。⑤加強開泵措施，以小排量頂通，見井口返漿后逐漸增加排量，避免由于壓力激動造成井壁失穩(wěn)。⑥由于井壁坍塌形成多個“大肚子”井段，由下至上逐個循環(huán)清潔“大肚子”井段，盡可能地減少大井徑部位堆積的掉塊和巖屑。⑦由電測結(jié)果可知，井下存在縮徑情況，應(yīng)加強短程起下鉆，堅持50 m或12 h到24 h必須短起下鉆一次，短起下井段必須超過鉆頭新鉆的井段，直到起鉆正常，每短起二次后第三次必須起到套管鞋一次。⑧起鉆遇卡憋泵時，鉆頭下方可能存在托壓的情況，托壓作用可造成卡阻更為嚴(yán)重，甚至發(fā)生漏失，應(yīng)適當(dāng)泄壓。

3.2應(yīng)用效果

3.2.1卡鉆復(fù)雜減少

對比側(cè)鉆前后相同井段鉆井情況，發(fā)生卡鉆復(fù)雜的次數(shù)由鉆井液優(yōu)化前的20次減少到3次。通過使用優(yōu)化后的防塌鉆井液配方增加了鉆井液封堵性和抑制性，和提高鉆井液密度，平衡地層壓力，減小應(yīng)力失穩(wěn)造成井壁垮塌及縮徑，維持高黏度和切力以提高攜帶性能和懸浮性，通過配套的鉆井工藝，有效減少了工藝原因造成的井下復(fù)雜，避免了惡性井壁坍塌下的卡鉆復(fù)雜，見圖4。

圖4　提高鉆井液密度與井下復(fù)雜次數(shù)變化情況

3.2.2井眼坍塌減少

鉆井液體系優(yōu)化后，泥餅質(zhì)量得到改善，濾失量進一步降低，控制30 min濾失量在2.5 mL左右；動塑比控制在0.36～0.48 Pa/mPa·s，保證了鉆井過程中鉆井液具有較好的攜巖性能和井眼穩(wěn)定效果；井下掉塊明顯減少，阻卡情況大幅減少，降低成本20%。微米級高效封堵技術(shù)能針對微裂縫地層實現(xiàn)有效封堵，防止了井眼坍塌；側(cè)鉆前后井徑對比見圖5。由此可知，平均井徑明顯降低，井壁坍塌的復(fù)雜情況得到根本上的解決。

圖5　側(cè)鉆前后井徑對比

4　結(jié)論與建議

1.緬甸D區(qū)塊地層屬高陡構(gòu)造、斷層多、地層壓力高，地層水敏性強且裂縫發(fā)育，是鉆井過程中井塌嚴(yán)重的主要原因。

2.合適粒度和軟化點的微米級乳化瀝青強封堵鉆井液體系配合高密度、低濾失、高黏切性能可有效解決高陡構(gòu)造地層的井塌問題。

3.對合適粒度和軟化點的微米級細(xì)顆粒封堵防塌材料有必要進一步研究，以調(diào)節(jié)相關(guān)性能，在易出現(xiàn)嚴(yán)重井壁坍塌復(fù)雜情況的同類井中推廣使用。

參考文獻

[1]王斌，李強，邱光源，等.緬甸D區(qū)塊井下復(fù)雜原因分析及鉆井液技術(shù)對策[J].鉆井液與完井液，2010，27（2） ：84-86. Wang Bin，LI Qiang，QIU Guangyuan，et al. Analysis of Downhole Troubles and Drilling Fluid Countermeasures for Block D Myanmar[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2010，27（2）：84-86.

[2]王顯光，蘇長明，薛玉志，等.防漏堵漏新技術(shù)在緬甸D區(qū)塊的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2011，28（2）：51-54. Wang Xianguang，Su Changming，Xue Yuzhi，et al.Application of mud loss prevention and control technologiesin block D myanmar[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2011，28（2）：51-54.

[3]丁銳.鉆井液防塌劑的作用方式及分類[J].石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，l997，22（6）：125-128. DING Rui.Acting ways and classification of anti caving additives for drilling fluids[J].Journal of University of Petroleum，China：Edition of Natural Science，1997，22（6）：125-128.

[4]范翔寧，康海濤，龔明，等.川東北山前高陡構(gòu)造地應(yīng)力精細(xì)計算方法[J].西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，34（3）：41-46. FAN Xiangyu，KANG Haitao，GONG Ming，et al.Fine calculation method study of crustal stress of high-steep conformation in northeast sichuan[J].Journal of Southwest Petroleum University（Science & Technology Edition），2012，34（3）：41-46.

[5]張風(fēng)英，鄢捷年，李志勇.鉆井過程中暫堵劑顆粒尺寸優(yōu)選研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，33（3）：130-132. ZHANG Fengying，YAN Jienian，LI Zhiyong.The application of optimizing particle size of grain blocking agents in the drilling process[J].Journal of Southwest Petroleum University：Science & Technology Edition，2011，33（3）：130-132.

[6]肖超.沙特B區(qū)塊復(fù)雜地層鉆井液技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2009，26（1）：63-66. XIAO Chao. Drilling fluid techniques for complicated formations in B Block，Saudi Arabia [J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2009，26（1）：63-66.

[7]許春田，劉建全，湯燕丹，等.裂隙發(fā)育硬脆性泥巖井壁失穩(wěn)機理及其解決措施[J].鉆井液與完井液，2013，30（3）：13-16. XU Chuntian，LIU Jianquan，TANG Yandan，et al. Research on Mechanism and Treating Methods of Wellbore Instability in Fractured and Hard Brittle Mudstone[J].Drilling Fluid &CompletionFluid，2013，30（3）：13-16.

Inhibitive Drilling Fluid Technology Used in High Dipping High Pressure Drilling in Block D,Myanmar

QIU Guangyuan1, XIAO Chao2, ZHANG Kaishen3, HE Hanping2
(1.SINOPEC INTERNATIONAL Petroleum Exploration and Production Corporation,Beijing 100029; 2.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing 100101; 3.CNOOC Energy Technology&Engineering Technology Branch,Tianjin 300452)

AbstractThe formations penetrated during drilling in the Block D in Myanmar are characteristic of high dipping, multiple fault zones, high formation pressures, water sensitive shales and developed fractures. Borehole wall collapse, hole washout (100%) and pipe sticking caused by borehole wall collapse (32 times in a single well) have been the problems frequently encountered during drilling and unlikely to be solved by conventional KCl polymer drilling fuid and protecting the borehole wall by multiple casing strings. The conventional KCl drilling fuid has thus been modifed through laboratory experiment. In the new drilling fuid，an optimized emulsifed asphaltene with particle sizes in micrometers is used as an additive for borehole wall collapse controller, KCl and poly glycol as main shale inhibitors，PAC as flter loss reducer，and sulfonated polymer as high temperature stabilizer. Compared with the previously used KCl polymer drilling fuid，the rate of swelling of shale cutting sample tested with the new mud has been reduced by 15%，and the recovery of shale cuttings on hot rolling test increased by 50%. Good performance of the new mud in controlling borehole wall collapse has been obtained，together with other measures such as increasing mud weight，optimizing the properties of drilling fuid，and reducing API flter loss. With the new mud，the rate of bore hole washout has been reduced from 100% to 20%，the drilling time saved by 20%，the time effciency of well drilling increased by 35%. This new drilling fuid technology has effectively solved the borehole wall collapse frequently encountered in wells drilled in Block D, where high dipping and high pressure were of great concern.

Key wordsHigh dipping structure; Prevent borehole wall collapse through plugging; Pipe sticking prevention;Block D in Myanmar

中圖分類號：TE254.3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）03-0041-05

doi：10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.008

第一作者簡介：邱光源，工程師，男，1981年生，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)并獲碩士學(xué)位，現(xiàn)在主要從事鉆井技術(shù)工作。E-mail：gyqiu.sipc@sinopec.com。

收稿日期（2016-1-18；HGF=1603C4；編輯王超）