松科2井抗超高溫鉆井液技術(shù)

許潔，　烏效鳴，　王穩(wěn)石，　閆家，　張恒春，　曹龍龍

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000；2. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074）

松科2井是中國地質(zhì)調(diào)查局部署在松遼盆地的一口科學(xué)鉆探井，由勘探技術(shù)研究所組織實(shí)施。該井完鉆井深6 400 m，將是全球第1口鉆穿白堊紀(jì)陸相地層的大陸科學(xué)鉆探井，三開開始隨鉆取心，巖心采取率目標(biāo)為95%以上。巖心鉆探是進(jìn)行地質(zhì)勘探時獲取直觀地質(zhì)資料的最重要方式，科學(xué)鉆探井因涉及取心作業(yè)，使其鉆井工藝方面與生產(chǎn)井不同，施工難度和周期也會有所增加。該井預(yù)測井底溫度超過220 ℃，常規(guī)鉆井液無法滿足施工要求。至2017年10月31日下午15：00，成功鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深，巖心采取率為96.06%，現(xiàn)繼續(xù)取心鉆進(jìn)中。介紹了該井四開、五開鉆井液技術(shù)。

1　井身結(jié)構(gòu)及鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

1.1　松科2井井身結(jié)構(gòu)

松科2井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)見表1。

表1　松科2井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)

1.2　高溫對鉆井液性能的影響

松科2井四開完鉆測得靜置72 h后井底溫度為205 ℃，五開6 420 m靜置30 h的井底溫度為220 ℃。常規(guī)的鉆井液無法滿足施工要求。高溫會使得鉆井液失去良好的流變性能，泥餅質(zhì)量變差，高溫高壓濾失量增加；松科2井使用金剛石取心鉆頭，鉆井液中的亞微米顆粒含量高，分散性較強(qiáng)，這種情況下要防止鉆井液高溫增稠或固化；高溫還會降低鉆井液的pH值，導(dǎo)致鉆井液處理劑不能充分發(fā)揮其作用，性能變差，并且低pH值也不利于降低腐蝕率；高溫會增加處理劑的消耗量，并且井溫越高，鉆進(jìn)的時間越長，處理劑消耗的量越大，成本增加[1-3]。

1.3　井壁穩(wěn)定問題

松科2井四開、五開鉆沙河子組的泥巖、砂巖混層，火石嶺組破碎的凝灰?guī)r、泥巖、煤線的混層容易發(fā)生坍塌現(xiàn)象，防塌措施尤其重要；基底的流紋巖、安山巖、火山角礫巖可鉆性差，可能產(chǎn)生掉塊。長裸眼井段地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，可能存在應(yīng)力釋放，導(dǎo)致局部縮徑但是起下鉆遇阻，地層孔隙壓力、地層地應(yīng)力、坍塌壓力系數(shù)難以掌握，致使鉆井液密度難以確定；沙河子組與火石嶺組之間可能存在斷層，該情況下容易發(fā)生漏失。且該井為提鉆取心，起下鉆頻繁，裸眼長、施工時間長、井壁的浸泡時間長，對鉆井液的護(hù)壁能力也提出較大挑戰(zhàn)。而高溫也會對長段裸眼造成影響，鉆井液上返過程中會加熱上部的裸眼井段，而鉆井液與地層的溫度差會導(dǎo)致近井地帶孔隙壓力和有效應(yīng)力發(fā)生很大改變，造成上部井眼垮塌掉塊[4-5]。

1.4　不同工藝對鉆井液的要求

目前采用的鉆進(jìn)工藝有3種：螺桿鉆、渦輪鉆和轉(zhuǎn)盤驅(qū)動。螺桿鉆進(jìn)因其橡膠密封件高溫后老化失效的原因，無法應(yīng)用于190 ℃以上的高溫井，而渦輪鉆因其轉(zhuǎn)速太高，高離心力使得鉆井液中的重晶石由里到外一層層地堵塞取心筒，甚至發(fā)生磨心現(xiàn)象，因此松科2井后期主要使用轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)，而下部鉆具組合決定了環(huán)空間隙較小，加上轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)方式排量較小，鉆井液在井底上返速度慢，循環(huán)降溫的幅度小，經(jīng)受的高溫考驗(yàn)更為嚴(yán)峻。

2　鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)

松科2井四開開鉆前采用三開的井漿進(jìn)行室內(nèi)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，并且通過對處理劑進(jìn)行進(jìn)一步篩選和評價實(shí)驗(yàn)，確定了四開后期井段的鉆井液配方，即高溫聚合物鉆井液。五開開鉆因處理事故，對鉆井液調(diào)整幅度較大，處理事故后簡化鉆井液成分，恢復(fù)鉆井液性能，繼續(xù)取心鉆進(jìn)?，F(xiàn)場施工過程中，根據(jù)井下情況、井漿實(shí)驗(yàn)情況對鉆井液進(jìn)行調(diào)整以及轉(zhuǎn)換，以滿足鉆井要求。具體過程如下[6-8]。

2.1　四開

三開完鉆時留存的井漿為氯化鉀-聚磺鉆井液體系，配方為：（1.5%～2.5%）膨潤土+0.1%KOH+3%SMP-2+3%SMC+3%FT-342+3%SPNH+0.1%包被劑+2%潤滑劑+0.5%PAC+5%KCl。

該鉆井液具有良好的抑制性能、高溫穩(wěn)定性、抗黏土污染能力和潤滑性能。四開開鉆前在現(xiàn)場循環(huán)罐中取得井漿并實(shí)時進(jìn)行室內(nèi)評價實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明隨著熱滾時間的增加，井漿的表觀黏度和動切力都有增長，但性能未發(fā)生明顯惡化，且高溫濾失維持在較小的范圍內(nèi)波動，因此該井漿可以應(yīng)用于四開。四開初期對三開留存的井漿進(jìn)行較小規(guī)模的處理，鉆進(jìn)期間每個回次均取井漿進(jìn)行高溫?zé)釢L實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不定期補(bǔ)充磺化處理劑和聚合物膠液調(diào)整/維護(hù)鉆井液性能，此期間取心鉆進(jìn)作業(yè)順利，未發(fā)生各類事故。

表2　松科2井氯化鉀-聚磺鉆井液井漿老化后的性能

鉆至井深5 040 m時遇阻劃眼，判斷為縮徑，因此將井漿密度由1.18 g/cm3提高至1.23 g/cm3。對該期間的井漿進(jìn)行熱滾，結(jié)果見表3。由表3可以看出，井漿熱滾26 h后增稠嚴(yán)重，經(jīng)高速攪拌也無法恢復(fù)流動性能，如圖1所示。

使用Fann 50SL高溫流變儀對井漿進(jìn)行高溫流變測試，測試流程為：55 ℃升溫到210 ℃再降低到55 ℃，模擬井口—井底—井口的井漿流變性變化情況，測試曲線見圖2。由圖2可以看出，隨著溫度的升高，井漿的黏度增大，在195 ℃時黏度最高，與室內(nèi)熱滾實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)一致。

表3　松科2井井深5 450 m處返出井漿在200 ℃熱滾前后性能

圖1　松科2井井深5 450 m處返出井漿200 ℃熱滾后開罐狀態(tài)

圖2　松科2井鉆井液轉(zhuǎn)換前后的高溫流變曲線

分析產(chǎn)生上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因，為井漿中的處理劑經(jīng)過長時間的高溫作用，已產(chǎn)生較大程度的降解、失效。處理劑失去護(hù)膠能力，鉆屑、黏土相、處理劑之間發(fā)生聚結(jié)和過度交聯(lián)；井漿中微小顆粒含量多，導(dǎo)致入井的鉆井液中固相含量較高，進(jìn)而導(dǎo)致鉆井液黏度增高[9-10]。井漿在高溫下靜置太久將出現(xiàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所顯示的增稠甚至凝膠現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響后期正常作業(yè)以及測井、固井作業(yè)。因此考慮對井漿進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即由氯化鉀-聚磺鉆井液轉(zhuǎn)換為抗高溫聚合物鉆井液。

室內(nèi)研制的抗高溫聚合物鉆井液配方為：1.0%鈉膨潤土+2%凹凸棒土+0.2%KOH+（0.5%～1%）高分子量降濾失劑+1%中分子量降濾失劑+2.5%成膜劑+（2%～4%）SMC+2%FT+3%KCl+2%NaCOOH+3%白油（密度為1.25 g/cm3）。其中的凹凸棒土為抗溫土，高剪切下造漿形成不同于鈉膨潤土的“亂稻草堆”似的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，所形成的懸浮體穩(wěn)定。該配方室內(nèi)評價結(jié)果見表4、表5。從表4可知，該配方230 ℃熱滾后開罐狀態(tài)較好，未出現(xiàn)增稠固化或減稠失去結(jié)構(gòu)的情況，流變性較好，且濾失量較低。表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，該配方的抗鹽、鈣、鉆屑侵污的能力較強(qiáng)，滿足鉆井作業(yè)需求。

表4　松科2井抗高溫聚合物鉆井液熱穩(wěn)定性評價（230 ℃）

表5　松科2井抗高溫聚合物鉆井液抗污染能力評價（230 ℃、16 h）

轉(zhuǎn)換方案為：將井漿與230 ℃鉆井液配方中部分聚合物所配制的膠液按照一定比例稀釋，先在室內(nèi)進(jìn)行評價，結(jié)合熱滾實(shí)驗(yàn)選取合適的比例，然后在現(xiàn)場按照少量多次的步驟進(jìn)行操作。對轉(zhuǎn)換后的現(xiàn)場井漿進(jìn)行高溫流變性測試，結(jié)果見圖2。從圖2看出，轉(zhuǎn)換后的井漿隨著溫度的升高黏度平穩(wěn)，195 ℃以后黏度開始下降，返回階段195 ℃開始隨著溫度的下降黏度逐漸增加；整個過程中黏度的增加和降低都明顯比轉(zhuǎn)換前的井漿平緩?，F(xiàn)場鉆井取心作業(yè)順利，連續(xù)10個回次單次取心超過30 m，有1個回次取心突破40 m，該期間并未因?yàn)殂@井液性能問題造成事故，由此可證明鉆井液的性能良好。

四開完鉆打測井口袋期間發(fā)生鉆具斷落事故，因條件限制，當(dāng)時無法處理。

2.2　五開鉆井液技術(shù)

四開留在井底的落魚長約5.8 m，包括鉆頭、擴(kuò)孔器和部分取心鉆具。掃塞后用磨鞋清理孔底，前2個回次將落魚磨銑掉2.3 m，第3個回次發(fā)現(xiàn)掉塊情況，此后每個回次均出套管即劃眼。判斷為井下發(fā)生坍塌情況，分析原因?yàn)榻?jīng)過近5個月的冬休，井底裸眼段的鉆井液在200 ℃高溫下性能惡化；懸掛套管與測井口袋之間的變徑裸眼段水泥無法有效填充；該裸眼段地層應(yīng)力釋放，而鉆井液密度不足以平衡該應(yīng)力；綜上原因產(chǎn)生嚴(yán)重坍塌現(xiàn)象。

經(jīng)過專家會討論，建議先對鉆井液進(jìn)行調(diào)整，保證井眼不再垮塌；結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，對鉆井液進(jìn)行以下處理：①鉆井液密度由1.23 g/cm3↗1.34 g/cm3↗1.41 g/cm3，平衡地層應(yīng)力；②封堵方面，因高溫鉆井液對固相要求比較嚴(yán)格，所以現(xiàn)場固控設(shè)備所配的振動篩目數(shù)較細(xì)，這種情況下無法使用纖維狀物質(zhì)，以免造成糊篩、跑漿。現(xiàn)場在井漿中循環(huán)加入不同軟化點(diǎn)的天然瀝青（180 ℃、220 ℃），不同粒徑的超細(xì)碳酸鈣，提高鉆井液的封堵性能。③通過聚合物+磺化處理劑膠液，將鉆井液漏斗黏度由200 s↘150 s↘100 s，此后維持在90～110 s之間。動切力為10～15 Pa，初切3～6 Pa，終切8～12 Pa。因溫度較高，且此前已加入一定量鈉膨潤土，擔(dān)心鈉膨潤土后效作用，因此此期間未補(bǔ)加鈉膨潤土提切力。期間每個回次使用FANN50SL高溫流變儀測試井漿的高溫流變性能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對井漿進(jìn)行調(diào)整。④下鉆期間采用分段循環(huán)的方式，避免發(fā)生此前產(chǎn)生的下到底突然開泵循環(huán)憋泵的現(xiàn)象。劃眼處理期間均采用小排量循環(huán)，循序漸進(jìn)地將巖屑帶出。⑤確保井眼清潔后，進(jìn)行注水泥作業(yè)?，F(xiàn)場配好水泥漿后取部分漿樣，就近進(jìn)行室內(nèi)高溫稠化實(shí)驗(yàn)。注水泥作業(yè)后，將鉆具提至套管內(nèi)等待稠化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定掃水泥塞時間。

掃完水泥塞后，用自制工具+磨鞋鉆進(jìn)，進(jìn)一步提高鉆井液密度至1.42 g/cm3，降低漏斗黏度至80 s，仍維持以前的切力。僅1個回次即順利將剩余的落魚磨沒。

處理完落魚事故后，對井漿進(jìn)行高溫評價，數(shù)據(jù)見表6。

表6　處理落魚后井漿高溫?zé)釢L數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表明熱滾后增稠嚴(yán)重，現(xiàn)場鉆進(jìn)期間也發(fā)現(xiàn)到底后開泵困難。

高溫流變數(shù)據(jù)見圖3。（兩端的40 ℃分別模擬表示入口和出口溫度）由圖3中高溫流變曲線（0831）可以看出，處理事故后的井漿黏度隨著溫度的升高先降低，100 ℃時隨著溫度進(jìn)一步升高黏度也升高，165 ℃時達(dá)到最大值，此后又隨著溫度的升高而降低，降至40 ℃時黏度比入口稍低。

圖3　松科2井五開井漿流變數(shù)據(jù)

結(jié)合上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，因此前處理事故，在井漿中加入了鈉膨潤土、凹凸棒土、聚合物等，且聚合物種類較多，加量較大，且井漿中本身的聚合物降解也有殘留。隨著溫度的升高，聚合物降解、斷鏈，多種聚合物及其斷裂后的產(chǎn)物與黏土、巖屑、瀝青、殘留水泥之間發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致高溫后增稠，流變曲線沒有規(guī)律[11-13]。

因處理劑繁多，源頭難以分析。因此考慮先將底部高溫裸眼段井漿替出，減少聚合物種類，使用抗溫能力強(qiáng)、功能單一的處理劑配制簡單的膠液替入，以減緩井漿中復(fù)雜的反應(yīng)，改善井漿性能。使用該方法處理后的井漿常規(guī)性能為：入口黏度為43～48 s，出口黏度為47～55 s，密度為1.48～1.50 g/cm3，濾失量為1.0 mL，泥餅為0.2～0.3 mm，pH值為8.5～9.5，切力為3.5/6.5 Pa/Pa，含水量為74%，含油量為3%，含砂量為0.4%～0.5%?？梢钥闯?，出口井漿的黏度未發(fā)生較大變化，與高溫流變曲線兩端所測情況較一致，該期間有2個回次出現(xiàn)輕微掉塊情況，將鉆井液密度提高至1.48 g/cm3，情況有所好轉(zhuǎn)。曲線0929和1108分別是調(diào)整中期和現(xiàn)階段的高溫流變曲線，再次證明雖然入口和出口性能相差不大，但是井底黏度可能發(fā)生了較大的變化，可以看出調(diào)整后流變曲線明顯改善。正式鉆進(jìn)后使用螺桿、渦輪、轉(zhuǎn)盤分別進(jìn)行鉆進(jìn)若干回次，螺桿和渦輪仍出現(xiàn)1.3中的問題，因此后期主要使用轉(zhuǎn)盤驅(qū)動，該方式對鉆井液的高溫穩(wěn)定性要求較高，井漿的熱滾數(shù)據(jù)見表7。

表7　松科2井調(diào)整后井漿高溫穩(wěn)定性評價（240 ℃）

調(diào)整后的鉆井液性能較穩(wěn)定，期間因倒換鉆桿靜置72 h，到底后開泵順利，未發(fā)生此前的憋泵現(xiàn)象。取心作業(yè)順利，巖心采取率高。

2.3　鉆井液維護(hù)措施

在鉆進(jìn)過程中對井漿的維護(hù)措施主要如下。①保證鉆井液性能的穩(wěn)定，避免變化過大，影響井壁穩(wěn)定和井下安全。②合理使用各級固控設(shè)備，及時清除有害固相，控制密度。因金剛石取心鉆進(jìn)所造成的巖屑顆粒較細(xì)，因此振動篩均使用篩孔為0.076 mm的篩網(wǎng)。③隨著井深和溫度的增加，要逐步降低膨潤土含量。④及時補(bǔ)充潤滑劑、防塌劑和高溫降濾失劑等，保持鉆井液性能穩(wěn)定。及時補(bǔ)充亞硫酸鈉、KOH，保證pH值，維持鉆井液一定的堿性，保證處理劑發(fā)揮功效，且降低腐蝕速率。⑤每個回次測試鉆井液全性能，不定期進(jìn)行高溫?zé)釢L實(shí)驗(yàn)；使用高溫流變儀測試井漿高溫流變性，結(jié)合井漿室內(nèi)熱滾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對井漿進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整。

3　結(jié)論及建議

1.現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，這兩開的鉆井液總體具有較好的流變性、高溫穩(wěn)定性和較低的濾失量，配制方便，處理工藝簡單且便于維護(hù)。根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)可得到，轉(zhuǎn)換后的井漿在現(xiàn)場應(yīng)用中抗溫能力達(dá)到220 ℃，室內(nèi)測試的抗溫能力達(dá)到240 ℃。

2.在鉆進(jìn)過程中，通過高溫流變儀測試了鉆井液循環(huán)期間的黏度變化情況，通過熱滾實(shí)驗(yàn)了解鉆井液長時間靜置后的黏度變化情況，2者結(jié)合全面了解實(shí)鉆期間的鉆井液情況，指導(dǎo)鉆井液的調(diào)整，保證鉆井液性能符合井下安全要求。

3.抗高溫鉆井液配方的室內(nèi)評價方法應(yīng)考慮結(jié)合實(shí)鉆期間遇到的各種問題、各種工況，有必要對通用的評價方法進(jìn)行改進(jìn)和完善，促進(jìn)理論研究與實(shí)踐的緊密結(jié)合。

4.井漿中的微小顆粒含量多，對高溫鉆井液影響較大，在五開鉆井液維護(hù)過程中，應(yīng)該加強(qiáng)固控設(shè)備的應(yīng)用。

5.繩索取心能夠大幅度節(jié)省作業(yè)時間，若鉆井液在井下增稠嚴(yán)重或者減稠致重晶石沉降，均會導(dǎo)致提取困難，甚至拉斷繩索。因此若使用該工藝，更應(yīng)該加強(qiáng)對鉆井液高溫流變性能和沉降穩(wěn)定性能的檢測。

6.轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)進(jìn)尺較慢，且因壓力大，易造成井斜。渦輪的高轉(zhuǎn)速有利于控制井斜，且其進(jìn)尺快；但它對固相要求比較嚴(yán)格，而為維護(hù)深部井壁穩(wěn)定，需要鉆井液有一定的密度，因此可以考慮采用液體加重的方式替代常規(guī)的重晶石等惰性材料加重。

“除非通用汽車集團(tuán)全面革新旗下技術(shù)平臺的通用性和靈活性，否則在未來的市場環(huán)境中，這家企業(yè)仍要面臨繼續(xù)關(guān)閉工廠的狀況?！?/p>