安探4X井低固相超高溫鉆井液技術(shù)

宋洵成，　王鵬，　張宇，　王俊星，　羅仁文，　田惠，　賈建超，　王占強(qiáng)

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津300457；3.渤海鉆探第二鉆井工程分公司，河北廊坊065000；4.華北油田開發(fā)部，河北任丘062552；5. 渤海鉆探國際鉆采物資供應(yīng)分公司，天津300457）

中國石油華北油田分公司在楊稅務(wù)潛山勘探開發(fā)過程中，面臨的主要鉆井難點是高溫問題。安探4X井位于冀中廊固凹陷河西務(wù)構(gòu)造帶楊稅務(wù)潛山構(gòu)造安探2X北潛山圈閉，完鉆井深為6 455 m。該井四開以下地層巖性主要為灰?guī)r、泥巖，由于地溫梯度高（2.91 ℃/100 m），預(yù)測井底最高溫度在210～217 ℃之間，對鉆井液處理劑的抗溫性能提出了極高的要求[1-4]。同時寒武系徐毛饅組地層約有200 m厚的泥巖段，盡管井深大于6 000 m，地層比較壓實，井溫較高，井壁垮塌的風(fēng)險不高，仍然需嚴(yán)格控制鉆井液的濾失量和泥餅質(zhì)量，對鉆井液超高溫下綜合性能的調(diào)控提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[5-6]。

1　室內(nèi)研究

目前提升鉆井液抗高溫性能的途徑，除了盡可能選用抗高溫處理劑外，還可以加入適量的高溫保護(hù)劑：一是加入具有還原基團(tuán)的處理劑，例如含有大量有機(jī)酸根XmRn（COO）lq-陰離子的有機(jī)鹽，該陰離子含有較多的還原性基團(tuán)，可除掉鉆井液中的溶解氧，使其它常規(guī)水中可降解的處理劑不發(fā)生降解反應(yīng)；二是利用表面活性劑（例如司盤80）與聚合物的相互作用，增加聚合物分子的親水基團(tuán)，克服高溫去水化作用和取代基脫落造成的分子親水性的不足?？紤]到安探4X井現(xiàn)場鉆井液密度較低（1.15 g/cm3左右），根據(jù)四開鉆井液設(shè)計要求，綜合考慮在優(yōu)選抗高溫處理劑的基礎(chǔ)上，通過加入表面活性劑提升鉆井液的抗溫效果。

安探4X井四開井段巖性主要以灰?guī)r或泥巖為主，地層壓力較低，鉆井液密度設(shè)計為1.05～1.16 g/cm3，鉆井液體系設(shè)計為低固相鉆井液，因此鉆井液在超高溫條件下的流變性和濾失量控制是鉆井液性能的主要考量指標(biāo)?，F(xiàn)場原有低固相鉆井液抗溫能力達(dá)180 ℃，為最大程度控制成本，室內(nèi)通過優(yōu)選抗溫200 ℃和220 ℃的關(guān)鍵處理劑，對現(xiàn)場漿配方進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，形成階梯性鉆井液配方，以滿足不同井段不同井溫的施工要求。

室內(nèi)通過大量實驗，優(yōu)選出4種關(guān)鍵處理劑：抗溫200 ℃的磺酸鹽類聚合物作為增黏降濾失劑，抗溫220 ℃的AMPS復(fù)合單體合成聚合物作為抗高溫降濾失劑，抗溫200 ℃的復(fù)合樹脂類聚合物降濾失劑，抗溫220 ℃的合成類聚合物提切劑，同時為配合鉆井液性能的優(yōu)化，優(yōu)選了高質(zhì)量的磺化酚醛樹脂SMP-3和具有高溫保護(hù)效果的表面活性劑。構(gòu)建配方的指導(dǎo)思想是：針對200 ℃的井溫環(huán)境，鉆井液配方以抗溫200 ℃的處理劑為主，同時輔助抗溫220 ℃和抗溫180 ℃的處理劑；針對220 ℃的井溫環(huán)境，則以抗溫220 ℃的處理劑為主，以抗溫200 ℃和抗溫180 ℃的處理劑輔助，保證現(xiàn)場維護(hù)形成階梯序列，從而提高體系的整體性價比。

1.1　抗200 ℃體系配方的評價

1）關(guān)鍵處理劑的優(yōu)選評價。根據(jù)安探4x井四開的地層特點，以及井身結(jié)構(gòu)特點，四開鉆井液的關(guān)鍵是保證其在高溫條件下的性能穩(wěn)定，具有良好的攜巖效果，避免鉆井液在高溫下出現(xiàn)大幅增稠或黏度下降的情況。因此，確定鉆井液配方的關(guān)鍵是優(yōu)選具有良好增黏提切效果的抗高溫處理劑，同時保證體系濾失量在合理范圍內(nèi)。選用井深5 000 m處井漿對鉆井液配方進(jìn)行了優(yōu)化評價，結(jié)果見表1。通過表1可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場漿加入優(yōu)選的處理劑后，提升了鉆井液的動切力到合理的范圍內(nèi)，同時提高了鉆井液的動塑比，有利于提高鉆井液的攜巖效果，同時高溫滾動后的流變數(shù)據(jù)表明鉆井液的抗溫能力得到了明顯提升，能夠滿足井下的鉆進(jìn)需求。

2）體系優(yōu)化配方的確定。根據(jù)鄰井井底溫度及井溫梯度，預(yù)計安探4X井鉆至井深5 800 m左右，井底溫度達(dá)到180 ℃以上。通過室內(nèi)配方優(yōu)選評價，最終確定抗溫200 ℃配方如下，其性能見表2。

井漿（膨潤土含量為35 g/L）+0.3%抗高溫增黏降濾失劑BH-HFL+2%SMP-3+2%磺化瀝青+1%抗高溫提切劑

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，原有鉆井液是針對180 ℃井溫條件設(shè)計的，經(jīng)過200 ℃高溫老化后，由于處理劑高溫降解等因素，一方面鉆井液流變性大幅下降，另一方面鉆井液濾失性能也明顯變差，說明原有體系無法滿足后續(xù)200 ℃井段的鉆進(jìn)需求。對原有鉆井液的膨潤土含量首先調(diào)整到35 g/L左右，然后通過加入抗高溫處理劑對配方優(yōu)化，優(yōu)化后的鉆井液經(jīng)過高溫老化后性能有了明顯提升，鉆井液流變性在高溫老化后幾乎不變，同時很好地控制了高溫高壓濾失量，能夠滿足后續(xù)鉆進(jìn)需求。

表2　抗溫200 ℃低固相鉆井液配方評價

1.2　抗220 ℃體系配方的評價

1）膨潤土含量的影響。膨潤土的使用是超高溫條件下鉆井液性能調(diào)整的關(guān)鍵因素。針對抗220℃鉆井液配方需求，室內(nèi)評價了膨潤土含量對超高溫下鉆井液流變性的影響，結(jié)果見表3，配方如下。

膨潤土漿+0.2%NaOH+0.5%磺酸鹽類共聚物DSP-2+2%樹脂聚合物SGD +1%抗高溫增黏降濾失劑BH-HFL +1%抗高溫提切劑+2%磺化瀝青+2%乳化瀝青+0.3%高溫保護(hù)劑+石灰石

表3　不同膨潤土含量的鉆井液在高溫老化前后的性能

在超高溫條件下，與高密度鉆井液相比，低密度鉆井液具有更寬的膨潤土使用范圍。從表3可以發(fā)現(xiàn)，隨著膨潤土加量的增加，當(dāng)膨潤土含量小于4%，鉆井液高溫老化后的流變性具有較合理的性能，但當(dāng)膨潤土含量增加到4.5%時，鉆井液出現(xiàn)了一定程度的高溫增稠現(xiàn)象。因此，確定嚴(yán)格控制鉆井液膨潤土含量在3.5%左右，不超過4.0%。

2）體系配方的確定。安探4X井鉆至6 000 m以后，預(yù)計井底溫度達(dá)到200 ℃以上，鉆至井深6 300 m以后預(yù)計井底溫度達(dá)到210 ℃以上，在原有井漿的基礎(chǔ)上對鉆井液配方開展了進(jìn)一步優(yōu)化，引入抗高溫樹脂聚合物SGD，同時增加抗溫220℃處理劑BH-HFL的用量，最終確定抗溫220 ℃配方如下，其性能評價結(jié)果見表4。

井漿（膨潤土含量為35 g/L）+1%抗高溫增黏降濾失劑BH-HFL+2%樹脂聚合物SGD+1%抗高溫提切劑+2%磺化瀝青+0.3%高溫保護(hù)劑

表4　抗溫220 ℃低固相鉆井液性能評價

從表4可以發(fā)現(xiàn)，原井漿主要針對200 ℃井段設(shè)計，在220 ℃下熱滾8 h后，鉆井液黏度出現(xiàn)一定程度的下降，濾失量略有上升，總體性能仍然可以滿足現(xiàn)場鉆井需求，但是在220 ℃熱滾16 h后，鉆井液流變性出現(xiàn)大幅降低，同時濾失量進(jìn)一步上升。這說明鉆井液整體抗220 ℃性能較差，如果現(xiàn)場鉆井液不進(jìn)行優(yōu)化，會表現(xiàn)為現(xiàn)場維護(hù)周期變短，鉆井液性能很快會進(jìn)一步惡化。

2　安探4X井現(xiàn)場應(yīng)用

安探4X井四開鉆井液維護(hù)處理工藝采用階梯維護(hù)的方法，井深5 800 m后，逐步增加抗200 ℃鉆井液材料的用量，同時抗180 ℃的處理劑選用同類型優(yōu)質(zhì)處理劑維護(hù)鉆井液，井深6 000 m以后逐步增加抗220 ℃處理劑的使用，以膠液形式調(diào)整鉆井液，同時控制膨潤土含量在35 g/L左右，形成階梯式的鉆井液維護(hù)處理措施，最大限度地平衡鉆井液體系穩(wěn)定性并有效地控制成本。鉆進(jìn)過程中，鉆井液性能穩(wěn)定，攜砂效果好，井壁穩(wěn)定，起下鉆無掛阻。該井四開鉆井液性能如表5所示。

由表5可知，鉆至井深6 000 m左右時，由于井底溫度過高，原鉆井液配方材料在高溫作用下效果逐漸變差，鉆井液切力由2.5/5.0 Pa/Pa降至1.5/4.0 Pa/Pa，動切力由13 Pa降至8 Pa，動塑比由0.24降至0.17 Pa/mPa·s，降幅分別達(dá)38.4%和29.1%，表明鉆井液黏度、懸浮巖屑能力逐漸降低，難以滿足下步鉆井需要；隨著抗溫200 ℃材料的逐步加入，鉆井液的切力恢復(fù)至3.5/8.5 Pa/Pa，動切力值由8恢復(fù)至13再升至16 Pa，動塑比由0.17恢復(fù)至0.23再升至0.36 Pa/mPa·s，表明經(jīng)過抗溫200 ℃配方調(diào)整后，鉆井液具備了足夠的抗溫能力；井深6 300 m后，井底溫度達(dá)到200 ℃以上，隨著抗溫220 ℃材料逐步加入后，切力仍能維持在2.5/7.5 Pa/Pa，動切力達(dá)到18 Pa，動塑比為0.48 Pa/mPa·s，表明體系仍保持著足夠的抗溫能力。鉆進(jìn)過程中，隨著井底溫度的升高及膠液的補(bǔ)充，可根據(jù)需要補(bǔ)充膨潤土漿，維持膨潤土含量在35 g/L左右，保證鉆井液黏度在85 s以上。

表5　安探4X井四開鉆井液性能

從圖1第1行巖屑可看出，隨著井底溫度升高，在配方調(diào)整前，原鉆井液攜砂能力逐漸降低，返出的巖屑小、細(xì)、少，影響地質(zhì)錄井。隨著抗溫材料的逐步加入，調(diào)整后的鉆井液攜砂能力逐漸增強(qiáng)，從圖1第3行可看出，返出的巖屑棱角分明，返出量正常，說明鉆井液性能優(yōu)良，在高溫下的流變性好，動塑比和動切力較高，懸浮攜砂效果明顯。

圖1　安探4X井巖屑（6 000～6 032 m）

3　結(jié)論

1．室內(nèi)在現(xiàn)場漿的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)選關(guān)鍵抗高溫處理劑，對原有鉆井液配方進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，形成了抗溫達(dá)200 ℃及220 ℃的鉆井液配方，大幅提升了鉆井液的抗溫性能和高溫下的懸浮攜砂效果。

2．現(xiàn)場鉆進(jìn)過程中，根據(jù)井下溫度梯度的變化，優(yōu)化維護(hù)處理工藝，對現(xiàn)場鉆井液進(jìn)行漸進(jìn)式維護(hù)處理，最終實現(xiàn)安探4X井的順利完鉆。