氯化鉀聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液體系在H2井的應(yīng)用

姜 韡，梁土羨，王宏民

（中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

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氯化鉀聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液體系在H2井的應(yīng)用

姜 韡，梁土羨，王宏民

（中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

摘 要：H2井作為一口在北部灣盆地WX勘查區(qū)海中凹陷斜坡帶勘探的重點(diǎn)探井意義重大。在該區(qū)塊淺部地層鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生縮徑垮塌、斷層漏失問題；中深部地層因存在異常高壓區(qū)域而易垮塌。H2井同時(shí)還是一口大斜度定向井。在此井應(yīng)用了氯化鉀聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液體系，改善和延緩泥頁巖微裂縫發(fā)育所導(dǎo)致的井壁縮徑、垮塌，有效控制了鉆井液的懸浮攜帶性，并提高了泥餅質(zhì)量，保證了鉆井順利進(jìn)行。介紹了其具體應(yīng)用及施工效果，表明該體系具有流變性好、攜巖能力強(qiáng)、抑制潤(rùn)滑性突出、防塌效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼顧地質(zhì)與工程要求。

關(guān)鍵詞：聚合醇；強(qiáng)抑制；流變性；鉆井液

H2 井是部署在WX勘查區(qū)的一口重點(diǎn)探井，井型為定向井，最大井斜37.78°，實(shí)際井深4 148 m，設(shè)計(jì)建井周期56.25 d，實(shí)際建井周期52.37 d，取全取準(zhǔn)了各項(xiàng)資料，高效、優(yōu)質(zhì)地完成該口井的施工任務(wù)。在本井中潿二段和流二段泥頁巖具微裂縫和層理發(fā)育，硬脆性，水敏性強(qiáng)，水化后易失穩(wěn)、崩散剝落垮塌，使用氯化鉀聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液體系改善和延緩潿二段和流二段泥頁巖微裂縫發(fā)育所導(dǎo)致的井壁縮徑、垮塌，保證了鉆井順利進(jìn)行，特別是本井311.2 mm井段裸眼長(zhǎng)，水平位移大，要控制鉆井液的懸浮攜帶性，及時(shí)將鉆屑循環(huán)出井眼，減少井內(nèi)鉆屑濃度，同時(shí)要提高泥餅質(zhì)量，利用液體潤(rùn)滑劑和固體潤(rùn)滑劑提高鉆井液的潤(rùn)滑性，尤其是在四開井段，要防止壓差卡鉆事故的發(fā)生。

1 地層特征

H2井是部署在北部灣盆地WX勘查區(qū)的一口重點(diǎn)探井，該區(qū)域自上而下鉆遇新近系為淺海相粗碎屑沉積，目的層古近系漸新統(tǒng)潿洲組整體以砂泥巖互層為主，夾煤層；始新統(tǒng)流沙港組以灰色、褐色泥頁巖為主，夾淺灰色粉砂巖、細(xì)砂巖。根據(jù)鄰井資料分析，存在易垮塌地層且有異常高壓區(qū)域。

2 技術(shù)難點(diǎn)分析

2.1 淺部地層縮徑垮塌問題

根據(jù)鄰井資料顯示在上部地層出現(xiàn)起下鉆遇阻、劃眼的原因，主要是由于上部地層的泥巖水化膨脹產(chǎn)生縮徑、大段砂巖滲透性好形成虛厚泥餅。該區(qū)塊一些井施工中，上部地層都用海水般土漿鉆進(jìn)（其實(shí)是用海水鉆進(jìn)，配合般土漿清掃井眼），由于海水般土漿漏斗黏度在30 s左右，對(duì)井壁沖刷很大，基本上不會(huì)形成泥餅，而且可能造成砂子沒有被完全帶出來。在替入PLUS/ KCl體系泥漿后，由于新漿材料濃度偏低，失水大，沒被帶出的砂子可能會(huì)在上部井壁上沉積下來，從而在上部高滲地層形成厚泥餅； 另一方面，新漿的高濾失性會(huì)造成潿一段泥巖吸水膨脹，這樣就造成一定程度縮徑。起鉆時(shí)在新老井眼內(nèi)都不順利。

2.2 潿二段和流二段的垮塌問題

潿洲地區(qū)復(fù)雜層段潿洲組二段及流沙港二段硬脆性泥頁巖以伊利石、伊蒙混層、高嶺土和綠泥石為主的易剝落掉塊的硬脆性泥頁巖，屬于不穩(wěn)定的泥頁巖。通過研究發(fā)現(xiàn)，潿二段、流二段地層的坍塌主要是由于地層的特性所決定的。潿二段、流二段地層泥頁巖中存在發(fā)育的層理和微裂縫，水基鉆井液濾液沿微裂縫侵入地層，引起地層黏土礦物水化膨脹。由于地層黏土礦物是以伊蒙混層、伊利石和高嶺石為主無序疊置，水化膨脹特征不同，所產(chǎn)生的膨脹壓力也不同，造成了黏土礦物層間的受力不均，進(jìn)而導(dǎo)致地層頁巖沿結(jié)合膠結(jié)力最薄弱的層理和微裂縫間剝落。一般情況下，潿二段、流二段地層的坍塌時(shí)間在鉆開后的一周左右。

潿二段、流二段泥頁巖地層地應(yīng)力較大，這也是易垮塌的原因之一。為了平衡應(yīng)力，多采取提高鉆井液密度的方法來對(duì)付，但附加的壓差反過來又使層理、縫隙開啟，加速了濾液的侵入和壓力的傳導(dǎo)。

2.3 其他問題

本井離斷層較近還應(yīng)考慮斷層漏失問題；同時(shí)地層壓力預(yù)測(cè)會(huì)鉆遇異常高壓地層；由于施工井的裸眼井段長(zhǎng)，水平位移大，而且井斜在37～38°，所以要控制鉆井液性能、提高泥餅質(zhì)量，防止壓差卡鉆事故的發(fā)生；海上油田鉆井液與陸地鉆井液也有很大差別，環(huán)保工作尤為重要，所以要優(yōu)選無污染、可生物降解、無毒性的處理劑。

3 鉆井液技術(shù)措施

H2井完鉆井深為4 148 m，建井周期為52 d。該 井 井身 結(jié)構(gòu)：φ914.4 mm×152 m +φ444.5 mm×1 816 m +φ311.15 mm×3 343 m +φ215.9 mm×4 148 m。

3.1 一開

一開使用海水般土漿鉆井液，其配置方式如下。

淡水先加0.2% ～ 0.3% NaOH、Na2CO3除鈣、鎂離子，后加10% ～ 15%土粉，水化8 h，測(cè)定漏斗黏度大于100 s即可。

該井段采用海水開路鉆井，間隙替入稠漿洗井帶砂。鉆完井深后，替入10 ～ 20 m3海水稠鉆井液洗井并海水大排量循環(huán)，起鉆前打入井眼理論容積150%的淡水稠漿護(hù)孔下套管。

3.2 二開

（1） 鉆井液配方。該井段采用海水聚合物體系。上部主要使用海水PAM膠液維持鉆井液量，漏斗黏度保持在30 ～ 35 s之間，失水基本不控制。1 200 m以下的井眼配漿時(shí)開始加入降失水劑和提黏劑，以保護(hù)井壁和滿足攜巖性?；九浞饺缦拢?/p>

0.2%～0.3%PAM+0.3%～0.5%PACLV+0.2%NaOH+2%KCl+0.2%～0.3%XCHV+0.2%SH201

（2）維護(hù)處理。保持固控設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，合理使用好除砂除泥器及離心機(jī)，控制盡可能低的固相含量。工程上保證足夠的排量攜帶巖屑，沖刷井壁以清除虛泥餅和黏附的巖屑。鉆遇泥巖地層較多，造漿強(qiáng)烈，適當(dāng)加入 SH201抑制造漿；鉆遇砂巖地層較多時(shí)，膨潤(rùn)土消耗較大，混入膨潤(rùn)土漿以提高配置好的土漿中膨潤(rùn)土的含量；鉆遇下洋組砂巖較多且較疏松，鉆井液黏度保持相對(duì)較高。本井段完鉆前時(shí)將失水在8 ～ 10 mL，漏斗黏度提高到50 ～ 60 s并加入潤(rùn)滑劑，為下套管作準(zhǔn)備。在下套管前最后循環(huán)鉆井液時(shí)，起鉆前一次替人50 m3稠漿清洗井眼，待稠漿出井后再起鉆下套管。

3.3 三開

（1）鉆井液配方。該井段采用氯化鉀聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液體系。為便于鉆井液低密度固相的控制，開鉆鉆井液全部使用新配制鉆井液。開鉆鉆井液配制采用淡水漿與海水漿比例1∶2配制而成。淡水漿為9% ～ 10%土粉；海水漿配方如下：0.3%NaOH + 0.2%Na2CO3+ 3%KCl + 0.03%PAM+1.5%PAC-LV + 3%DYFT + 0.3%LPF-H + 0.3%SH201 + 2%海水降失水劑。

（2）維護(hù)處理。維護(hù)補(bǔ)充海水漿的推薦配方如下：海水 + 0.3%NaOH + 0.2%Na2CO3+ 3%KCl + 0.03%PAM + 1.5%PAC-LV + 3%DYFT + 0.3%LPF-H + 0.3%SH201 + 2%海水降失水劑 + 2%LSF在2 500 m以后加入3%SMP。在進(jìn)入有垮塌危險(xiǎn)的潿二段地層后，降低鉆井液失水至3 mL以下。同時(shí)一次性補(bǔ)充3% ～ 5%超細(xì)碳酸鈣（1 500目、3 000目各半）、3%SMP、3%LSF（配成膠液一個(gè)循環(huán)周加入），嚴(yán)格控制高溫高壓條件下的濾失量（120 ℃、10 ～ 12 mL）。完鉆后使用塑料小球或玻璃微珠封井電測(cè)和下套管。三開各井段鉆井液性能見表1。

表1 H2井三開鉆井液綜合性能

3.4 四開

（1）鉆井液配方。該井段采用氯化鉀聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液體系。嚴(yán)格控制鉆井液水活度，減少濾液的侵入。增加抗溫材料的加量，補(bǔ)充3% ～ 5%超細(xì)碳酸鈣（1 500目、3 000目各半） + 0.2%LSF +3%SMP+3%DYFT+2%LSF+0.3%DSP-2+2%聚合醇+2%海水降失水劑 （配成膠液一個(gè)循環(huán)周加入），嚴(yán)格控制高溫高壓條件下的濾失量（140 ℃，8 ～ 10 mL）。本段開鉆密度初步定為1.25 g/cm3，打開目的層段之前，鉆井中視井下情況調(diào)整密度和材料加量。

（2）維護(hù)處理。鉆遇流二段泥巖和頁巖，其泥巖具有微裂縫和層理發(fā)育，硬脆性，易引起水化膨脹、分散，極易導(dǎo)致地層縮徑、造漿、坍塌嚴(yán)重。因此加入氯化鉀抑制黏土水化分散和裂縫間水化膨脹，改善井眼不穩(wěn)定問題。利用改性瀝青處理劑其含有的粒子與地層裂縫較好匹配的特點(diǎn)，在一定的溫度下軟化并封堵微裂縫，從而達(dá)到延緩壓力傳遞的目的，同時(shí)可提高泥餅的質(zhì)量，減少濾失量和改善潤(rùn)滑性。加入聚合醇在其隨鉆井液濾液侵入微裂縫近井地帶時(shí)抑制和消弱由于濾液造成的水化膨脹趨勢(shì)而導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)，同時(shí)聚合醇在“濁點(diǎn)”溫度以上會(huì)與水相產(chǎn)生相分離，極易在鉆具、巖屑、井壁上吸附，封堵泥頁巖微裂縫和毛細(xì)管。在進(jìn)入垮塌地層之前提高密度，平衡地層應(yīng)力。同時(shí)維持鉆井液中液體潤(rùn)滑劑的含量，使用封堵材料降低鉆井液濾失量，保持鉆井液具有良好的泥餅質(zhì)量，提高鉆井液的潤(rùn)滑性，并加入固體潤(rùn)滑劑預(yù)防壓差卡鉆。四開各井段鉆井液性能見表2。

表2 H2井四開鉆井液綜合性能

（3）經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。四開目的層斜度較大，鉆井液攜巖、潤(rùn)滑問題突出。四開鉆遇潿洲組二段及流沙港組二段硬脆性泥頁巖地層微裂縫發(fā)育；伊利石、高嶺土等非膨脹性黏土礦物含量比較高，地層地應(yīng)力較大，易發(fā)生垮塌。

為解決攜巖和潤(rùn)滑問題，在設(shè)備允許的情況下，維持較高的排量，以獲得高的環(huán)空返速。發(fā)現(xiàn)有巖屑床存在，立即通過劃眼破壞；選用合理流型與鉆井液流變參數(shù)；嚴(yán)格控制初、終切力差值，盡量避免鉆井液觸變性過大而帶來的各種不利影響，避免起下鉆過程產(chǎn)生過高的抽吸和激動(dòng)壓力；起鉆前大排量充分循環(huán)。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，至少循環(huán)1.5個(gè)循環(huán)周時(shí)間，保證巖屑被帶出井內(nèi)；利用固控控制好無用固相，獲得高質(zhì)量泥餅；利用液體潤(rùn)滑劑和固體潤(rùn)滑劑提高鉆井液的潤(rùn)滑性［1］。

針對(duì)井壁垮塌原因分析，我們從阻緩壓力傳遞、加強(qiáng)抑制水化、合理密度有效應(yīng)力支撐幾方面保證井壁穩(wěn)定。

（1）加強(qiáng)鉆井液對(duì)地層的有效封堵。

用各種粒度的超細(xì)碳酸鈣作為剛性封堵材料，對(duì)封堵起到架橋作用；采用纖維類處理劑非滲透、瀝青類處理劑DYFT、LSF作為軟化封堵材料，利用其粒度和可變性的特點(diǎn)，和剛性材料超細(xì)碳酸鈣協(xié)同作用，對(duì)地層進(jìn)行有效封堵，形成良好的泥餅，增加其強(qiáng)度，提高與裂縫的聯(lián)結(jié)力；利用聚合醇的濁點(diǎn)效應(yīng)，當(dāng)溫度超出其濁點(diǎn)后，聚合醇從溶液中析出，形成乳化油滴，在井內(nèi)壓差的作用下被擠入井壁孔隙或裂縫，起封堵作用，同時(shí)，聚合醇具有很強(qiáng)的吸附性能，能夠與水分子爭(zhēng)搶頁巖中黏土礦物上的吸附位置，并優(yōu)先吸附到黏土礦物表面，阻止水分子進(jìn)入黏土礦物的晶層中，降低了黏土膨脹壓；控制鉆井液中劣質(zhì)固相的含量，降低失水，形成良好的泥餅，減少濾液的侵入［2］。

（2）提高鉆井液的抑制能力，減少水化應(yīng)力。

PAM吸附鉆屑帶正電荷的部位后可以起包被作用，從而防止鉆屑分散提高固控設(shè)備的清除效率，同時(shí)可以抑制黏土礦物水化膨脹；KCl的抑制作用是利用鉀離子置換泥巖晶格中的其他離子，降低泥巖的水化膨脹趨勢(shì)；氯化鉀聚合醇協(xié)同防塌作用，首先，利用聚合醇的濁點(diǎn)效應(yīng)，通過聚合醇在鉆具、巖屑、井壁上吸附，封堵泥頁巖微裂縫和毛細(xì)管，阻止鉆井液濾液進(jìn)入地層，抑制泥頁巖的水化膨脹和分散，同時(shí)其極易滲入黏土粒子晶層并置換水化層從而削弱泥巖水化膨脹和分散［3-4］；其次，實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)KCl和聚合醇配合使用時(shí)，隨著KCl加量增加，聚合醇的濁點(diǎn)降低，溶解度下降，可使聚合醇在黏土上的吸附量明顯增加，當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)時(shí)，少量KCl即可大幅度提高聚合醇的吸附量，且吸附平衡時(shí)間縮短。此外，KCl和聚合醇復(fù)配使用還可以降低鉆屑分散體系的負(fù)電性，降低水活度，大幅降低濾液界面張力，抑制頁巖的表面水化［5］。

（3）選擇合適的鉆井液附加密度，以平衡地層的坍塌應(yīng)力。

由于潿洲組、流沙港組的地層坍塌應(yīng)力較大，在有效封堵抑制微裂縫地層的前提下，適當(dāng)提高鉆井液的密度以徑向支撐應(yīng)力來穩(wěn)定井眼。實(shí)踐表明，要恢復(fù)已垮塌地層的穩(wěn)定所需的鉆井液密度比防止垮塌所用的鉆井液密度要大得多。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

（1）氯化鉀聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液體系在H2井的成功應(yīng)用，充分體現(xiàn)出該體系具有的流變性好、攜巖能力強(qiáng)、抑制潤(rùn)滑性突出、防塌效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足該區(qū)塊地層特點(diǎn)的鉆進(jìn)需要，解決技術(shù)難題，有效地防止了井下復(fù)雜情況的發(fā)生，保證了勘探任務(wù)在安全、有序的作業(yè)環(huán)境中完成。

（2）成井之后評(píng)價(jià)認(rèn)為，氯化鉀聚合醇強(qiáng)抑制封堵鉆井液體系能順利解決大斜度定向井施工中的井壁穩(wěn)定、井眼凈化、潤(rùn)滑防卡、油氣層保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)問題。因此在WX區(qū)塊的定向井作業(yè)中具有很廣闊的應(yīng)用前景。

（3）為本區(qū)域后續(xù)鉆探提供可靠經(jīng)驗(yàn)。瀝青與聚合醇的協(xié)同作用對(duì)微裂隙發(fā)育的泥巖地層可以進(jìn)行有效的封堵。對(duì)于防止垮塌，維護(hù)井壁至關(guān)重要；充分利用固控設(shè)備，保證鉆井液在油氣井段具有低固相、低失水、熱穩(wěn)定性較好、有利于保護(hù)井壁等特點(diǎn)；在泥漿液柱壓力與地層壓力相差比較大時(shí)，要引起足夠重視，及時(shí)組織固體潤(rùn)滑劑防止壓差卡鉆。

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中圖分類號(hào)：TE254

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.02.076

文章編號(hào)：1008-2336（2016）02-0076-05

收稿日期：2016-01-08；改回日期：2016-03-02

第一作者簡(jiǎn)介：姜韡，男，1989年生，碩士，2014年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)鉆完井工程專業(yè)，主要從事鉆井工程技術(shù)研究。E-mail：jiangw.shhy@sinopec.com。

Application of KCl Polyol Drilling Fluid System in Well H2

JIANG Wei， LIANG Tuxian， WANG Hongmin
（Institute of Petroleum Engineering Technology， SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company， Shanghai 200120， China）

Abstract：Well H2 located at the west slope of Haizhong Sag of Beibuwan Basin， is meaningful to the oil and gas exploration in the Weixi Block of Sinopec. During drilling in this area， hole diameter reduction， collapse and drilling mud leakage by faults easily occur at the shallow， and wellbore collapse is more often at the medium-deep due to the existence of abnormal high pressure. As for Well H2， these drilling risks are more likely occurred because it is a high-inclination directional well. The application of KCl polyol drilling fuid system， a strong inhibition and plugging drilling fuid， improved and retarded the hole diameter reduction， collapse caused by micro fractures in the shale， effectively controlled the solid carrying and suspending of drilling fuid， enhanced the quality of mud cake， ensured the drilling operation successfully. This paper detailed introduces the application and the effects. This drilling fuid system have the advantages of good rheological property， high carrying capacity， good inhibition of lubrication performance and signifcant collapse-protecting effect. It can also meet the requirements of both geology and engineering.

Keywords：Polymeric alcohol； strong inhibition； rheological property； drilling fuid