霍爾果斯地區(qū)鉆井液技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策

劉 奧，謝建安，曹忠偉，曹光福，陳松平，辛小亮

（1.長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 434100；2.中國(guó)石油 新疆油田公司勘探公司，新疆 克拉瑪依 834000 3.新疆油田公司 概預(yù)算管理部，新疆 克拉瑪依 834000）

油田化學(xué)

霍爾果斯地區(qū)鉆井液技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策

劉 奧1，謝建安2，曹忠偉3，曹光福2，陳松平2，辛小亮2

（1.長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 434100；2.中國(guó)石油 新疆油田公司勘探公司，新疆 克拉瑪依 834000 3.新疆油田公司 概預(yù)算管理部，新疆 克拉瑪依 834000）

霍爾果斯地質(zhì)情況復(fù)雜，泥巖含量高。在鉆井過(guò)程中，卡鉆、阻卡、井漏事故頻繁，為此采用了CQ-XWQG高性能水基鉆井液和高密度油基鉆井液，并根據(jù)漏速的大小，采用合適的LCM堵漏技術(shù)。根據(jù)霍爾果斯背斜地層的特征及已完成井的資料，確定了CQ-XWQG高性能水基鉆井液和高密度油基鉆井液的配方，并分別對(duì)其流變性、穩(wěn)定性、抑制性等性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，兩種鉆井液的流變性、穩(wěn)定性、封堵性及抗污染能力均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。霍11井采用了兩種鉆井液，復(fù)雜事故發(fā)生率減少，應(yīng)用LCM堵漏技術(shù)，減少了鉆井液的漏失量，大大提高了鉆井速度。這表明，CQ-XWQG高性能水基鉆井液、高密度油基鉆井液、LCM堵漏技術(shù)的結(jié)合，可以解決霍爾果斯背斜鉆井過(guò)程中存在的卡鉆、井漏等復(fù)雜事故，提高鉆井速度，降低鉆井成本。

水基鉆井液；油基鉆井液；卡鉆；漏失；堵漏

霍爾果斯背斜屬山前構(gòu)造，地層高陡，地質(zhì)情況復(fù)雜。鉆遇地層從上到下依次是獨(dú)山子組、塔西河組、沙灣組、安集海河組、紫泥泉子組、東溝組。地層巖性主要以大段泥巖為主，夾砂巖或砂質(zhì)泥巖，粘土礦物含量高，水敏性強(qiáng)。受山前構(gòu)造影響，存在高壓與多壓力系統(tǒng)共存、構(gòu)造破碎帶多、裂縫孔隙發(fā)育、地層高陡等地質(zhì)復(fù)雜情況。截止到目前，霍爾果斯背斜完鉆探井6口，在鉆井過(guò)程中，采用常規(guī)的鉆井液，常發(fā)生鉆具遇阻、井壁垮塌、掉塊卡鉆、連續(xù)井漏等復(fù)雜事故，嚴(yán)重制約著該區(qū)塊的鉆井速度，增加了鉆井成本高。為確保安全快速鉆井，針對(duì)霍爾果斯地質(zhì)特征，采用高效的鉆井液技術(shù)勢(shì)在必行。

1 地層特征及鉆井液技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 地層特征

（1）受沉積和地層巖性的影響，地層水敏性強(qiáng)根據(jù)已鉆井的資料可以看出，塔西河組和安集海河組泥巖含量高，極易水化。塔西河組以巨厚灰綠色泥巖為主，并有大段膏質(zhì)泥巖和石膏互層，粘土礦物含量較高，以伊/蒙混層為主，混層比40%以上，清水滾動(dòng)回收率僅為3%～45%，且地層微裂縫充填物基本為蒙脫石，極易水化分散。安集海河組地層主要為灰色泥巖、灰綠色泥巖夾薄層粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖，泥巖粘土礦物含量高，以伊/蒙混層為主，混層比最高達(dá)60%以上。地層微裂縫充填物基本為蒙脫石，水敏性極強(qiáng)，極易水化分散。

（2）壓力系統(tǒng)復(fù)雜，高低壓同存 受山前構(gòu)造影響，安集海河組和紫泥泉子組地層高陡、破碎帶長(zhǎng)、地應(yīng)力大，最大水平主應(yīng)力大于上覆地層壓力。底層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，最高壓力系數(shù)達(dá)2.55，并且地層孔隙壓力，坍塌壓力和破裂壓力十分接近，壓力窗口窄。存在不整合、低壓層，且不同壓力系統(tǒng)地層在同一裸眼并存[1]。

（3）漏失嚴(yán)重，阻卡頻繁 霍爾果斯背斜地區(qū)斷層發(fā)育，地層破碎，漏失具有“漏失層段多、漏失量大、安全密度窗口窄”的特點(diǎn)，井漏主要發(fā)生在安集海河組～東溝組，占井漏總數(shù)的80%，防漏堵漏難度大。中下部的3000～3200m段存在斷層，地層破碎，常發(fā)生裂縫型漏失。該地區(qū)泥巖含量高，井眼穩(wěn)定難度大，易掉塊或垮塌，造成在鉆進(jìn)、短提、劃眼等作業(yè)中阻卡頻繁，阻卡層段主要集中在塔西河組～安集海河組，占阻卡總數(shù)85%。

1.2 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

霍爾果斯地區(qū)特殊的地層特征造成了該地區(qū)鉆井液使用上的諸多難題，其鉆井液技術(shù)難點(diǎn)具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）泥巖含量高，地層水敏性強(qiáng)，帶來(lái)的危害是：

①泥巖水化膨脹造成縮徑；

②泥巖水化剝落造成垮塌；

③泥巖水化分散造成泥漿流變性難以控制

因此，霍爾果斯地區(qū)鉆井成敗的關(guān)鍵因素取決于鉆井液工藝技術(shù)，而鉆井液要達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的必須兼顧物理支撐和化學(xué)抑制兩種方法。物理支撐就是采用合適的鉆井液密度平衡地層壓力和地應(yīng)力，化學(xué)抑制就是選擇合理的鉆井液體系抑制或延遲粘土礦物水化膨脹，達(dá)到穩(wěn)定井壁的作用，以滿足鉆井需要。

（2）高應(yīng)力、高壓、超高壓造成了不得不使用高密度、超高密度鉆井液。而高密度、超高密度鉆井液高固相含量的特點(diǎn)決定了其流變性、失水造壁性等綜合性能難以兼顧[2]。由于地應(yīng)力大、地層傾角大、地層水化能力強(qiáng)等因素，穩(wěn)定井壁所需的鉆井液密度高，但安集海河組地層孔隙壓力，坍塌壓力和破裂壓力十分接近，超高密度鉆井液的使用，導(dǎo)致地層鉆井安全密度窗口窄，發(fā)生裂縫漏失的可能性大，易發(fā)生先漏后溢流，存在較大風(fēng)險(xiǎn)。并且在高鉆井液密度下機(jī)械鉆速低，鉆井周期長(zhǎng)，鉆井液對(duì)井壁的浸泡時(shí)間長(zhǎng)，增加了鉆井風(fēng)險(xiǎn)[3]。

（3）推覆破碎、高陡、弱層間膠結(jié)易造成井眼失穩(wěn)，易掉塊或垮塌造成起下鉆容易發(fā)生阻卡。高密度鉆井液性能調(diào)控、維護(hù)處理困難，失水造壁性、流變性與抑制性等綜合性能難于同時(shí)兼顧[4，5]。

2 鉆井液設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)

2.1 CQ-XWQG高性能水基鉆井液技術(shù)

2.1.1 鉆井液性能設(shè)計(jì) 針對(duì)塔西河組地層泥巖含量高，地層傾角大，裂縫發(fā)育，沙灣組大段砂巖地層滲透性強(qiáng)，孔隙壓力低大井眼凈化效果差等地質(zhì)特征并結(jié)合完鉆井資料，采用強(qiáng)抑制性、高包被性、高潤(rùn)滑性，強(qiáng)封堵性的高性能水基鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)，防止或減小鉆進(jìn)過(guò)程中井下復(fù)雜事故的發(fā)生。高性能水基鉆井液性能參數(shù)要求：密度1.35～2.0；漏斗粘度50～100s；API濾失量小于4mL，HTHP濾失量小于12mL；初切力 3～8Pa，終切力 5～18Pa；摩阻系數(shù)小于0.1。

2.1.2 CQ-XWQG高性能水基鉆井液配方 針對(duì)霍101井大井眼塔西河組垂直鉆井中出現(xiàn)的局部井段遇阻，借鑒頁(yè)巖氣高性能水基鉆井液技術(shù)，在常規(guī)有機(jī)鹽鉆井液體系基礎(chǔ)上加入全陽(yáng)離子抑制劑、胺基抑制劑、聚合醇、天然高分子聚合物，實(shí)施多元協(xié)同增效，更好延長(zhǎng)體系抑制、包被能力，增強(qiáng)了對(duì)流變性的優(yōu)控性，達(dá)到井眼通暢的目的[6]。

2.1.3 鉆井液性能評(píng)價(jià)

（1）流變性及抗溫性 對(duì)CQ-XWQG水基鉆井液的流變性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)條件為150℃老化48h，加熱前后鉆井液性能參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 CQ-XWQG高性能水基鉆井液在不同溫度和泥巖含量下的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of CQ-XWQG high performance water base drilling fluid under different temperatures and mudstone content

由表1可見(jiàn)，隨著泥巖量的增加，鉆井液的粘度增加，但鉆井液的切力變化不大，表明具有較好的流變性；在150℃熱滾前后流變性能穩(wěn)定，表明具有較好的抗溫性能，滿足井底攜巖帶砂的要求。

（2）井壁穩(wěn)定性 針對(duì)霍10井區(qū)塔西河組中上部地層膏泥巖縮徑阻卡以及破碎性地層的剝蝕掉塊，采用"DRF"封堵膠結(jié)工藝為核心的井壁硬化技術(shù)，強(qiáng)化體系對(duì)破碎帶的膠結(jié)、封固能力，提高井眼穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)霍10井區(qū)塔西河組泥巖巖漿進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，對(duì)其井壁穩(wěn)定性能做出評(píng)價(jià)，試驗(yàn)前后結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 塔西河組地層泥巖巖漿浸泡電鏡圖Fig.1 Taxihe formation mudstone immersion electron micrographs of magma

從圖1可以看出，采用高性能水基鉆井液浸泡的泥巖巖漿膠結(jié)在一起，并具有較高的強(qiáng)度，說(shuō)明該鉆井液具有較強(qiáng)的膠結(jié)能力，能起到穩(wěn)定井壁的作用，滿足塔西河組地層的施工要求。

（3）潤(rùn)滑性 該鉆井液采用了復(fù)合乳化，相間潤(rùn)滑技術(shù)，大大增強(qiáng)了鉆井液的潤(rùn)滑性能，并利用極壓潤(rùn)滑儀和濾餅黏附系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)得極壓潤(rùn)滑系數(shù)為0.0857，濾餅黏附系數(shù)為0.0762，說(shuō)明高性能水基鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性，可滿足塔西河組地層施工對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性的要求。

（4）抑制性 利用室內(nèi)試驗(yàn)漿，采用滾動(dòng)回收試驗(yàn)和浸泡試驗(yàn)，檢測(cè)其頁(yè)巖回收率和線膨脹率，評(píng)價(jià)其抑制性能力，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 CQ-XWQG高性能水基鉆井液抑制性評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 Evaluation results of CQ-XWQG high performance water base drilling fluid

從表2可以看出，抑制能力由大到小的順序?yàn)椋河突@井液＞CQ-XWQG高性能水基鉆井液＞7%KCl聚胺鉆井液＞清水，但高性能水基鉆井液的頁(yè)巖回收率和線膨脹率都與油基鉆井液接近，這表明該鉆井液具有較強(qiáng)的抑制泥頁(yè)巖水化分散與膨脹能力。

2.2 高密度油基鉆井液技術(shù)

2.2.1 高密度油基鉆井液性能參數(shù)設(shè)計(jì) 由于安集海河組地質(zhì)情況復(fù)雜，地層斷裂帶發(fā)育、泥巖含量高、水敏性強(qiáng)、地層壓力高，安集海河組以下地層破碎帶長(zhǎng)，地應(yīng)力大，壓力窗口窄等特征，采用密度高、抑制性好、封堵性強(qiáng)的油基鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)，利用油基鉆井液的強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵的特點(diǎn)[7，8]，防止或減小鉆井過(guò)程中井下故障的發(fā)生。高密度油基鉆井液的性能參數(shù)要求：密度2.15～2.65；漏斗粘度70～160s；API濾失量小于1mL，HTHP濾失量小于5mL；初切力4～10Pa，終切力7～25Pa；塑性粘度小于120mPa·s，動(dòng)切力 8～30Pa；油水比 90/10～95/5；破乳電壓大于800。

2.2.2 高密度油基鉆井液配方 根據(jù)其他油田的油基鉆井液的應(yīng)用，霍爾果斯地區(qū)三開(kāi)所用的高密度油基鉆井液基礎(chǔ)配方為：54%0#柴油+3%主乳化劑TYODF-301+1.5%輔乳化劑TYODF-401+2%潤(rùn)濕劑TYODF-501+0.5%增粘劑TYODF-601+4%降濾失劑TYODF-201+2%封堵劑YX（600目）+2%封堵劑YX（800目以上）+4.8%H2O+1.8%CaCl2+2%石灰TYODF-801+重晶石。

2.2.3 高密度油基鉆井液性能評(píng)價(jià)

（1）流變性及穩(wěn)定性 根據(jù)霍爾果斯三開(kāi)地層的溫度及壓力情況，模擬不同溫度和壓力條件下，高密度油基鉆井液的流變性和穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)表3、4。

表3 高密度油基鉆井液在不同溫度下的主要性能Tab.3 Main properties of high density oil-based drilling fluid at different temperaturess

由表3可見(jiàn)，高密度油基鉆井液在不同溫度下，靜切力和終切力基本沒(méi)有變化，說(shuō)明油基鉆井液的流變性受溫度的影響很小；隨著溫度的增加破乳電壓減小，但在50℃（接近地層溫度）下破乳電壓仍大于1600V，說(shuō)明油基鉆井液在該溫度條件下穩(wěn)定性好。

表4 不同密度高密度油基鉆井液的主要性能Tab.4 Main properties of high density oil-based drilling fluid with different density

由表4可看出，通過(guò)用鐵礦粉加重高密度油基鉆井液老化后，初切力和終切力都表現(xiàn)出升高，但終切力升高幅度較小，說(shuō)明高密度油基鉆井液在加重老化后流變性能基本保持不變。

（2）封堵性 采用高溫高壓濾失儀進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果為濾餅厚度1.5mm，濾餅滲透率10.1×10-7μm2，高溫高壓濾失量3.5mL，砂床侵入深度4.6cm。結(jié)果表明高密度油基鉆井液具有較好的濾失造壁性，能實(shí)現(xiàn)鉆井的強(qiáng)封堵性。

（3）抗污染性 為準(zhǔn)確地對(duì)高密度油基鉆井液的抗污染性進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)合地層實(shí)際情況，通過(guò)加入2%和5%的石灰測(cè)試該高密度鉆井液的抗污染性，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 高密度油基鉆井液抗污染性評(píng)價(jià)Tab.5 Pollution evaluation of high density oil-based drilling fluid

由表5可知，隨著石灰含量的增加，高密度油基鉆井液的切力變化不大，能滿足工程需要；當(dāng)加入的石灰量達(dá)到5%時(shí)，其破乳電壓為1128V，說(shuō)明其穩(wěn)定性仍然很好，表現(xiàn)出一定的抗污染能力，能可以滿足鉆井需要。

3 LCM堵漏鉆井技術(shù)

3.1 漏失特征及堵漏存在的問(wèn)題

安集海河組及以下地層漏失特點(diǎn)主要為斷層、破碎帶的裂縫型漏失，預(yù)防性差、漏失量大。以往常規(guī)堵漏漿總體濃度一般控制在15%～20%，堵漏次數(shù)一般為2～3次，堵漏成功率較低。堵漏作業(yè)存在的問(wèn)題：（1）常規(guī)堵漏劑密度低、易上浮，不能很好地分散在油相中，易堵水眼，現(xiàn)場(chǎng)堵漏施工作業(yè)中防卡性能較差；（2）常規(guī)堵漏劑裂縫填充差，封堵層強(qiáng)度低，易發(fā)生回吐；（3）工藝單一，對(duì)較大漏失、縱向裂縫防堵效果較差。

3.2 LCM堵漏材料選擇及推薦配方

針對(duì)高密度油基鉆井液特點(diǎn)，選用物化性能較適合的堵漏材料。通過(guò)優(yōu)化工藝，讓堵漏劑盡可能較深的進(jìn)入地層，自身形成強(qiáng)度較好的膠結(jié)封隔層。達(dá)到“預(yù)防為主、縫漏即堵”的目的[9]。LCM堵漏材料選擇如下：

（1）LCM片狀顆粒作架橋粒子，提供堵漏所需的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；

（2）LCM粗顆粒和細(xì)顆粒作填充劑使用，加強(qiáng)封堵層強(qiáng)度，對(duì)抗地層閉合壓力，防止堵漏劑回吐；

（3）LCM膨脹性纖維在空間中盡可能地纏繞，在空間網(wǎng)架、填充層上形成很好地疊加，形成致密的泥餅；

LCM堵漏推薦配方見(jiàn)表6。

表6 LCM堵漏推薦配方Tab.6 Recommended formula for LCM plugging

4 應(yīng)用效果分析

霍爾果斯地區(qū)目前完鉆井6口的，其中使用常規(guī)的水基鉆井液體系，卡鉆、阻卡、漏失等復(fù)雜頻繁，損失時(shí)間較長(zhǎng)。以在霍001井為例，在鉆塔西河組時(shí)發(fā)生3次卡，在沙灣組發(fā)生1次鉆，在安集海河組阻卡頻繁，并發(fā)生3次井漏，在紫泥泉子組和東溝組分別發(fā)生井漏24次和7次。在霍11井二開(kāi)井段使用CQ-XWQG高性能水基鉆井液后，卡鉆事故消失，表明高性能的水基鉆井液鉆井液能起到一定的抑制作用。三開(kāi)井段使用高密度油基鉆井液，在安集海河組未出現(xiàn)井漏現(xiàn)象，發(fā)生幾次阻卡，在紫泥泉子組發(fā)生井漏一次，漏速6.20m3·h-1，通過(guò)采用LCM段塞堵漏技術(shù)，漏失量57.6m3，堵漏效果明顯，與霍001井相比，復(fù)雜情況發(fā)生率大大減少，機(jī)械鉆速提高5倍以上，鉆井周期縮短100d以上。

5 結(jié)論

（1）CQ-XWQG高性能水基鉆井液性能優(yōu)于常規(guī)水基鉆井液，能很好的起到抑制粘土水化膨脹，降低井壁失穩(wěn)發(fā)生率，潤(rùn)滑井眼，減少阻卡事故的發(fā)生，但隨著水基鉆井液施工時(shí)間增長(zhǎng)，仍然存在地層失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，在全井采用高性能水基鉆井液仍面臨技術(shù)難題，需進(jìn)一步技術(shù)攻關(guān)。

（2）高密度油基鉆井液在霍爾果斯地區(qū)的應(yīng)用取得了良好的效果，說(shuō)明油基鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性和抑制性，抗污染能力強(qiáng)，有利于保持井壁穩(wěn)定，很好的解決了因霍爾果斯地層水敏性強(qiáng)帶來(lái)的難題。但油基鉆井液的使用成本高，且對(duì)環(huán)境有一定的影響，因此，在降低成本和綠色環(huán)保方面還需進(jìn)行深入研究。

（3）LCM堵漏技術(shù)的應(yīng)用，能大大提高鉆井堵漏效果，減少漏失量，能夠滿足霍爾果斯背斜油基鉆井液堵漏的要求，可以進(jìn)一步推廣。

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Technical difficulties and countermeasures of drilling fluid in Horgos Area

LIU Ao1，XIE Jian-an2，CAO Zhong-wei3,CAO Guang-fu2，CHEN Song-ping2，XIN Xiao-liang2
（1.Petroleum Engineering College，Yangtze University，Wuhan 430100，China；2.Exploration Utility Department of Xinjiang Oilfield Company,Petrochina,Karamay 834000,China;3.Budget Estimate Management Department of Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000,China）

The geological condition of Horgosis complicated and the content of mudstone is high.During drilling,sticking,sticking and well leaking accidents are frequent,so CQ-XWQG high performance water base drilling fluid and high-density oil-based drilling fluid are adopted,and appropriate LCM plugging technology is adopted according to the size of leakage velocity.According to the characteristics of the Horgos anticline and completed wells,CQ-XWQG high performance water-based drilling fluid and high density oil based drilling fluid formula was determined,and each of its rheology,stability,inhibition performance was evaluated.The results showed that two kinds of drilling fluid rheology,stability,sealing and anti pollution capacity can meet the design requirements.Huo 11 well has used two kinds of drilling fluid,the complex accident rate decreases,and the application of LCM plugging technology can reduce the loss of drilling fluid and greatly improve the drilling speed.This shows that the combination of CQ-XWQG high performance water-based drilling fluid,high density oil-based drilling fluid,LCM plugging technology,can solve the existing Horgos anticline in the process of drilling drilling,well leakage accidents,improve drilling speed and reduce drilling cost.

water base drilling fluid;Oil-based drilling fluid;Sticking of tool;Leakage;Plugging

TE254

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170947

2017-06-07

劉 奧（1991－），男，湖北荊門(mén)人，長(zhǎng)江大學(xué)石油工程在讀碩士研究生，研究方向：巖石力學(xué)及鉆采工藝技術(shù)研究。

導(dǎo)師簡(jiǎn)介：王越之（1964-），男，博士，教授，主要從事鉆井工程的教學(xué)與科研工作。