SHBP-1超深井三開(kāi)長(zhǎng)裸眼鉆井液技術(shù)

劉湘華，陳曉飛，李凡，金軍斌

（1.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京 100010）

SHBP-1井是西北油田分公司部署在塔里木盆地順托果勒低隆北緣上的一口風(fēng)險(xiǎn)預(yù)探井，該井為五開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)完鉆井深為8593 m，其中三開(kāi)為φ311.2 mm大尺寸井眼，中途完鉆井深為7563 m，裸眼段長(zhǎng)達(dá)2213 m。三開(kāi)地質(zhì)分層及巖性描述見(jiàn)表1。

表1 SHBP-1井三開(kāi)地質(zhì)分層及巖性描述

1 井壁失穩(wěn)原因分析

1.1 礦物組成分析

1.1.1 志留系黏土礦物種類(lèi)和含量

對(duì)順北區(qū)塊志留系含泥頁(yè)巖的易失穩(wěn)地層巖屑開(kāi)展全巖礦物分析（見(jiàn)表2）、黏土礦物X射線(xiàn)分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3?？芍?，志留系地層巖樣中黏土礦物含量達(dá)到37%～38%。黏土礦物均以伊/蒙混層發(fā)育為特點(diǎn)，其次為高嶺石、伊利石和綠泥石。石英、長(zhǎng)石等硬脆性礦物含量高達(dá)60%，屬于典型的硬脆性泥頁(yè)巖。

表2 順北區(qū)塊志留系泥巖地層全巖礦物分析

表3 順北區(qū)塊志留系泥巖地層黏土礦物X衍射分析

1.1.2 志留系泥巖分散特性和膨脹特性分析

開(kāi)展了巖樣的清水滾動(dòng)回收與膨脹實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，泥巖線(xiàn)性膨脹率小于13%，屬于弱膨脹泥巖；滾動(dòng)回收率小于30%，說(shuō)明泥巖分散性較強(qiáng)；比親水量的分析結(jié)果表明，志留系泥巖比親水量在9.45～10.58 mg/m2之間，與蒙脫石相當(dāng)，比親水量越大，水化膜越厚，泥巖顆粒間短程水化斥力越大，即水化效應(yīng)導(dǎo)致泥巖井壁失穩(wěn)越嚴(yán)重[1]。

表4 志留系地層泥巖分散與膨脹特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2 微觀結(jié)構(gòu)特征分析

為深入分析志留系地層的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)其泥巖巖心制作的切片進(jìn)行電鏡掃描（見(jiàn)圖1）。可知，志留系地層微孔隙發(fā)育，連通性較好，微裂縫、層理發(fā)育。微孔微裂縫發(fā)育導(dǎo)致鉆井過(guò)程中，鉆井液濾液會(huì)沿著微裂縫優(yōu)先侵入地層內(nèi)部，與地層發(fā)生水化作用，導(dǎo)致地層內(nèi)部應(yīng)力不平衡，使地層強(qiáng)度降低，在微裂縫等力學(xué)弱面發(fā)生剝落掉塊和坍塌[2]。

圖1 志留系泥巖巖心微裂縫及孔喉特征

1.3 志留系地層井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

以上分析可知，志留系地層泥巖表面有較多的微裂縫。一方面，在外力的作用下泥巖易沿微裂縫破裂，造成井壁失穩(wěn)，如泥巖微裂隙發(fā)育或構(gòu)造應(yīng)力集中，易發(fā)生硬脆性泥巖的破裂和剝落導(dǎo)致井壁失穩(wěn)[2]；另一方面，在該區(qū)鉆井過(guò)程中，鉆井液濾液沿微裂縫或節(jié)理面侵入地層深部后，擴(kuò)大泥頁(yè)巖水化面積，降低了泥巖的結(jié)合強(qiáng)度和層理面之間的結(jié)合力，使泥巖沿層理面或微裂隙裂開(kāi)，進(jìn)一步造成井壁失穩(wěn)。一旦鉆井液濾失量偏高，就容易發(fā)生井壁掉塊、坍塌等井內(nèi)復(fù)雜情況[3-4]。通過(guò)志留系地層的井眼失穩(wěn)機(jī)理可知，研制的水基鉆井液中需具有如下特征。①較強(qiáng)的抑制性，以有效地減少或阻止地層黏土水化；②較強(qiáng)的封堵防塌能力，不僅對(duì)地層的微孔縫形成封堵，還能提高封堵層的致密性，有效阻止鉆井液及濾液侵入頁(yè)巖層理裂縫[5-6]。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

2.1 關(guān)鍵處理劑優(yōu)選

2.1.1 抑制劑

室內(nèi)通過(guò)線(xiàn)性膨脹和滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)對(duì)KCl、聚胺抑制劑SMJA、小陽(yáng)離子抑制劑HAK、含硅聚合物抑制劑NW、聚醚胺抑制劑SLR等抑制劑進(jìn)行了優(yōu)選，結(jié)果見(jiàn)圖2。在120 ℃下熱滾16 h，考察了泥頁(yè)巖巖屑在不同抑制劑溶液中的熱滾回收率，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖2可知，膨潤(rùn)土在聚胺SMJA溶液中膨脹率最小，為3.2%。說(shuō)明聚胺SMJA具有較強(qiáng)的抑制黏土水化膨脹的能力。由圖3可知，巖屑在1%SMJA+5%KCl溶液中的回收率為89.5%，抑制效果優(yōu)于其他的抑制劑。聚胺SMJA-1在低濃度時(shí)能最大限度降低黏土水化層間距，使黏土去水化，同時(shí)聚胺吸附在黏土表面后，能增強(qiáng)黏土的疏水性；鉀離子通過(guò)插層的方式進(jìn)入黏土晶層空間，阻止水分子進(jìn)入晶層。鑲嵌作用、靜電引力和氫鍵的協(xié)同作用降低黏土晶層的水化斥力，排擠出晶層之間的水，抑制黏土水化[7]。最終選定1%SMJA+5%KCl為鉆井液主要抑制劑。

圖2 膨潤(rùn)土在不同抑制劑中線(xiàn)性膨脹率測(cè)定結(jié)果

圖3 泥頁(yè)巖巖屑在不同抑制劑中的熱滾回收率

2.1.2 防塌劑

室內(nèi)對(duì)常用的鑲嵌成膜防塌劑SMNA-1、瀝青防塌劑NRK-2、鋁基防塌劑J-1、有機(jī)硅防塌劑EQS-2等防塌劑進(jìn)行了優(yōu)選實(shí)驗(yàn)。向基漿中分別加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的防塌劑，測(cè)定濾失量的變化，結(jié)果見(jiàn)圖4。基漿配方如下。

4%膨潤(rùn)土+0.2%純堿+0.3%PAC-LV

圖4 不同防塌劑對(duì)鉆井液濾失量的影響

由圖4可以看出，隨著防塌劑加量的增大，鉆井液濾失量先下降，后趨于平緩，其中SMNA-1的降濾失效果最好，最優(yōu)加量為2.5%。SMNA-1可在近井壁形成一層致密承壓封堵層，阻緩壓力傳遞及濾液侵入。

2.1.3 封堵劑

納微米封堵劑SMNF-1是采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米SiO2進(jìn)行超聲表面改性，引入乙烯基功能基團(tuán)，在一定溫度及條件下與可聚合單體發(fā)生共聚而得到。研究SMNF-1加入前后鉆井液性能的變化，結(jié)果見(jiàn)表5。可知，加入SMNF-1之后，能有效地降低鉆井液濾失量，且對(duì)鉆井液流變性能影響較小，SMNF-1的最佳加量為1%。SMNF-1可以形成封堵的主要原因是在壓差作用下，納微米粒子被壓入巖石表面微孔、微裂縫中，降低濾液侵入，形成物理封堵層。

表5 SMNF-1加量對(duì)鉆井液性能的影響（135 ℃、16 h）

通過(guò)合理的粒徑級(jí)配可實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的有效封堵。對(duì)納微米封堵劑SMNF-1、惰性封堵劑SMGF-1、QS-2進(jìn)行復(fù)配，研究封堵劑的封堵性能。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇1% QS-2（800目）+2% QS-2（1250目）+1% QS-2（2500目）作為剛性顆粒。通過(guò)砂床實(shí)驗(yàn)，篩選了惰性封堵材料SMGF-1的最佳加量，評(píng)價(jià)了封堵劑對(duì)基漿流變性和封堵性能的影響（見(jiàn)表6）。

表6 封堵劑對(duì)基漿流變性和封堵性能的影響

可知，SMGF-1的最佳加量為2%，且復(fù)合封堵劑對(duì)于孔徑為20目～40目砂床的封堵效果較好。

2.2 鉆井液性能評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)鉆井液關(guān)鍵處理劑的優(yōu)選，形成了強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系，配方如下。

4%膨潤(rùn)土 +0.2%Na2CO3+0.3%PAC-LV+0.5%KPAM+1%SMJA-1+5%KCl+2.5%SMNA-1+2%SPNH+1.5%PFL-L+1%SMNF-1+4%QS-1+2%SMGF-1

1）常規(guī)性能。根據(jù)鄰井資料顯示，SHBP-1井三開(kāi)地層的溫度約為130 ℃。因此實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同老化溫度（120、130、140 ℃）、不同密度（1.30、1.32、1.34 g/cm3）條件下鉆井液的基本性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可以看出，鉆井液的流變性能夠滿(mǎn)足鉆井施工的攜巖帶砂要求；濾失量較小，說(shuō)明形成的濾餅較為致密，濾液侵入地層較少，有利于地層穩(wěn)定。

表7 老化溫度、密度對(duì)鉆井液性能的影響

2）抑制性。聚合物鉆井液和強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵防塌鉆井液中膨潤(rùn)土的Zeta電位分別為24.6和18.2 mV。由此可知，強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵鉆井液的Zeta電位絕對(duì)值較聚合物鉆井液的Zeta電位絕對(duì)值小，說(shuō)明其能有效地降低黏土水化趨勢(shì)。

3）封堵性能。在130 ℃下，采用了PPA滲透率封堵性測(cè)試儀和高溫高壓濾失儀測(cè)試了強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵防塌鉆井液的高溫高壓濾失量，結(jié)果分別為5.4和5.8 mL，這說(shuō)明該鉆井液形成的濾餅較為致密，有效阻緩了鉆井液濾液侵入地層，這樣有利于井眼穩(wěn)定[8-11]。

3 現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理

1）固相控制。加強(qiáng)四級(jí)固控設(shè)備的使用，尤其要用好的振動(dòng)篩離心機(jī)。振動(dòng)篩使用150、180目為主，及時(shí)地除去有害固相；同時(shí)正常鉆進(jìn)中在進(jìn)行短程起下鉆或起下鉆的同時(shí)，清放一次錐形罐沉砂，每次要保證排放干凈。

2）性能維護(hù)。維持井漿中含有1%SMJA、5%KCl和2.5%SMNA-1；鉆井過(guò)程中，補(bǔ)充1%SMNF-1、4%超細(xì)CaCO3、2%SMGF-1進(jìn)行復(fù)合暫堵，確保鉆井液在高溫條件下具有較好的封堵效果。正常鉆進(jìn)期間將鉆井液密度調(diào)整為1.31～1.34 g/cm3，控制其黏度為46～58 s，塑性黏度為15～25 mPa·s，動(dòng)切力為5～10 Pa，中溫中壓濾失量小于4 mL，高溫高壓濾失量不大于10 mL，膨潤(rùn)土含量為30～35 g/L，固相含量不大于13%。

3）工程操作?？刂破鹣裸@速度，保證每立柱起下時(shí)間控制在 65～70 s內(nèi)，減小激動(dòng)壓力，先小排量緩慢頂泵，確保環(huán)空暢通，井口返漿正常，泵壓正常后再逐漸提高排量，盡可能減小激動(dòng)壓力，防止誘發(fā)井漏。

4）封閉漿。進(jìn)行起下鉆作業(yè)時(shí)，配制濃度為20%～30% 的封閉漿封閉地層交界面，盡量避免起下鉆過(guò)程中在交界面開(kāi)泵、反復(fù)上提下放、定點(diǎn)循環(huán)等，防止激動(dòng)壓力過(guò)大壓漏地層。

4 現(xiàn)場(chǎng)使用效果

鉀胺基聚磺鉆井液在該井使用過(guò)程中性能穩(wěn)定，抑制性強(qiáng)，泥巖鉆屑棱角分明，完整度高，并且未出現(xiàn)泥包鉆頭的現(xiàn)象，防塌性能較好，鉆進(jìn)過(guò)程中未出現(xiàn)垮塌及掉塊現(xiàn)象。在良里塔格組和恰爾巴克組使用了納微米封堵劑、超細(xì)碳酸鈣等隨鉆堵漏材料，邊鉆進(jìn)邊提高鉆井液的封堵能力和地層的承壓能力，避免了井漏的發(fā)生。SHBP-1井三開(kāi)鉆井液性能如表8所示。良好的鉆井液性能確保了鉆頭的高效使用、延長(zhǎng)了使用壽命，鉆頭的使用情況（見(jiàn)表9）。強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系在SHBP-1井應(yīng)用效果良好，三開(kāi)井徑電測(cè)情況如圖5所示。由圖5可以看出，三開(kāi)井壁穩(wěn)定，井徑規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率僅為3.49%。中途完鉆通井、下套管順利，鉆井及下套管無(wú)漏失，三開(kāi)設(shè)計(jì)鉆井周期為66 d，實(shí)際鉆井周期為43.45 d，節(jié)約22.55 d，節(jié)約34%的鉆井周期。

表8 SHBP-1井三開(kāi)鉆井液性能

表9 SHBP-1井三開(kāi)鉆頭使用情況

圖5 強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系在SHBP-1井三開(kāi)電測(cè)井徑

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1.針對(duì)SHBP-1井在鉆井過(guò)程中可能出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)及漏失，對(duì)三開(kāi)地質(zhì)分層及巖性進(jìn)行了分析，并研究了鉆井過(guò)程中發(fā)生復(fù)雜問(wèn)題的機(jī)理。

2.以1%SMNA+5%KCl作為抑制劑，2.5%SMNA-1作為鑲嵌成膜防塌劑，1%SMNF-1+4%QS-1+2%SMGF-1作為封堵劑，形成了一套強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵的鉆井液體系，提高了鉆井液的抑制、封堵及防塌性能。

3.強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵防塌鉆井液體系在SHBP-1井進(jìn)行了應(yīng)用，三開(kāi)大井眼長(zhǎng)裸眼井段取得了良好的井筒強(qiáng)化效果，為順北區(qū)塊超深井安全鉆進(jìn)提供了保障。