準(zhǔn)北區(qū)塊鉆井液體系的優(yōu)化及應(yīng)用

邱春陽，李蕾，秦濤，姜春麗，陳二丁，王寶田

（中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東 東營 257064）

準(zhǔn)北區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，穿越多套地層，孔隙及微細(xì)裂縫發(fā)育，存在破碎帶，鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)難度大。為確保準(zhǔn)北區(qū)塊勘探開發(fā)順利，提高探井鉆探成功率，前期針對準(zhǔn)北區(qū)塊地層巖性，研發(fā)了聚胺磺化封堵防塌鉆井液體系，并在準(zhǔn)北1井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用［1］，取得了一定的效果，但也出現(xiàn)了一些問題。鑒于此，本文對聚胺磺化封堵防塌鉆井液體系進(jìn)行了優(yōu)化，形成了聚胺納米封堵鉆井液體系。該體系在準(zhǔn)北2井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，全井施工順利，井身質(zhì)量好，取得了良好的井壁穩(wěn)定效果。

1 準(zhǔn)北區(qū)塊概況

準(zhǔn)北區(qū)塊地層自上而下發(fā)育古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系和石炭系。古近系為疏松黏土和粉砂巖；白堊系為泥質(zhì)粉砂巖與泥巖略等厚互層；侏羅系上部以泥巖為主，夾薄層砂巖，中下部為砂質(zhì)泥巖、泥巖與粉砂巖略等厚互層，夾煤層和碳質(zhì)泥巖；三疊系上部為深灰色泥巖，夾薄層煤，下部為泥質(zhì)粉砂巖；二疊系上部為薄層含礫泥巖，下部為薄層細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖；石炭系上部以安山巖、安山質(zhì)玄武巖為主，下部為火山角礫巖、安山質(zhì)角礫巖。

準(zhǔn)北區(qū)塊儲層深度約4 500 m，一開用φ444.5 mm鉆頭鉆進(jìn)，φ339.7 mm套管下深約1 000 m；二開用φ311.2 mm鉆頭鉆進(jìn)，φ244.5 mm套管下深約3 300 m；三開采用φ215.9 mm鉆頭鉆至設(shè)計井深，完鉆。

2 準(zhǔn)北1井鉆井液應(yīng)用情況

2.1 應(yīng)用效果

準(zhǔn)北1井使用聚胺磺化封堵防塌鉆井液體系施工，解決了上部地層紅色軟泥巖的水化膨脹難題，以及二開大井眼及長裸眼井段、三開破碎性地層巖屑和掉塊的攜帶問題。二開井身質(zhì)量良好，平均井徑擴(kuò)大率為5.10%。

2.2 存在問題

三開取心后，下鉆至4 156 m進(jìn)行擴(kuò)劃眼。劃眼過程中扭矩較大，但振動篩無大掉塊返出，劃眼到底后恢復(fù)正常鉆進(jìn)。電測顯示，劃眼處井徑擴(kuò)大率最大為108.02%。三開井眼狀況見圖1。

圖1 準(zhǔn)北1井三開井眼狀況

2.3 井塌原因分析

取心顯示，所鉆地層破碎，孔隙和微細(xì)裂縫發(fā)育，使用的聚胺磺化封堵防塌鉆井液封堵性差（表現(xiàn)為鉆井液形成的泥餅質(zhì)量差），鉆井液濾液透過泥餅進(jìn)入地層中，造成巖石之間的膠結(jié)物和充填物水化分散，致使巖石的膠結(jié)強(qiáng)度降低，在外力作用下坍塌。

對鉆井液體系配方的分析表明，體系中構(gòu)成泥餅的微細(xì)顆粒大多是微米級粒子，在泥餅形成過程中，這些微米級粒子隨著濾液進(jìn)入地層而吸附在井壁上構(gòu)成緊密堆積，其堆積而成的微小孔隙無更細(xì)小的納米級封堵粒子進(jìn)行封堵，造成鉆井液體系對井壁的封堵性差，從而導(dǎo)致巖石水化。

巖石水化后，地層坍塌壓力增大［2-3］，為平衡地層坍塌壓力，必須提高鉆井液密度。但是，鉆井液密度提高后，鉆井液液柱和地層孔隙之間的壓差增大，致使鉆井液濾液在壓差作用下向地層侵入更多，井壁失穩(wěn)趨勢增大。因此，為保證后期勘探開發(fā)的順利實施，必須對鉆井液配方進(jìn)行優(yōu)化，以提高泥餅質(zhì)量，增強(qiáng)鉆井液體系的封堵性能。

3 鉆井液體系優(yōu)化

3.1 優(yōu)化思路

通過對準(zhǔn)北1井所用鉆井液封堵性差的原因分析，提出鉆井液優(yōu)化思路：1）保留原體系中的降濾失劑——磺化酚醛樹脂和磺酸鹽共聚物，保持鉆井液的抗溫抗鹽能力，控制高溫高壓濾失量；2）保留原體系中的抑制劑——胺基硅醇和防塌劑鋁基聚合物，抑制泥頁巖水化分散；3）加入納米封堵劑，封堵微米級粒子堆積而形成的孔隙，提高泥餅的致密性；4）施工中，鉆井液密度控制在設(shè)計下限，降低鉆井液濾液向地層滲透的作用力，減緩泥頁巖水化膨脹。

3.2 優(yōu)化后的鉆井液體系配方

鉆井液體系優(yōu)化后，形成聚胺納米封堵鉆井液體系。其配方為：（4.0%～6.0%）膨潤土+（0.3%～0.6%）聚丙烯酰胺PAM+（1.0%～1.5%）磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP-2+（1.0%～2.0%）胺基硅醇+（2.0%～3.0%）低熒光井壁穩(wěn)定劑HQ-1+（4.0%～6.0%）磺化酚醛樹脂SMP-1+（1.0%～2.0%）鋁基聚合物防塌劑 DLP-1+（2.0%～3.0%）無水聚合醇+（3.0%～5.0%）納米封堵劑。

3.3 聚胺納米封堵鉆井液作用機(jī)理

胺基硅醇分子中的Si—OH與黏土上的Si—OH在高溫下生成牢固的Si—O—Si鍵，不易斷裂；胺基能牢固吸附在黏土顆粒表面，硅羥基在黏土表面形成疏水層，阻止了胺基對黏土顆粒的影響。因此，胺基硅醇的加入對體系的流變性和濾失量影響較?。?-6］。

聚合醇具有“濁點效應(yīng)”。當(dāng)?shù)貙訙囟鹊陀跐狳c溫度時，聚合醇在鉆具和固體顆粒表面形成憎水膜，阻止泥頁巖水化分散，穩(wěn)定井壁；當(dāng)?shù)貙訙囟雀哂谄錆狳c溫度時，聚合醇從鉆井液中析出，黏附在鉆具和井壁上，封堵巖石孔隙，阻止濾液滲入地層，起到穩(wěn)定井壁的作用［7-8］。鋁基聚合物防塌劑滲入地層后，能夠與黏土結(jié)合形成具有固結(jié)作用的硅鋁酸鹽不滲透層，阻止濾液進(jìn)一步侵入地層；當(dāng)進(jìn)入頁巖內(nèi)部后，能夠與地層中多價陽離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，增強(qiáng)對地層孔喉和微裂縫的封堵，進(jìn)一步增強(qiáng)了井壁穩(wěn)定性［9-10］。

納米封堵劑由不同粒徑的納米級材料組成，具有空間位阻效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和多表面效應(yīng)。空間位阻效應(yīng)保證納米封堵劑能夠迅速分散在鉆井液體系中，而不會團(tuán)聚，保證鉆井液在井壁上形成致密泥餅；小尺寸效應(yīng)保證泥餅具有一定的韌性和延展性，在鉆具碰撞下變形而不會脫落，始終保持對井壁的封堵；多表面效應(yīng)保證泥餅表面具有親油疏水性，改善泥餅表面的平滑度，提高泥餅的潤滑性［11-17］。

4 鉆井液體系性能評價

4.1 抑制性能

采用巖心膨脹實驗和巖屑（準(zhǔn)北1井石炭系泥巖）回收率實驗，評價了聚胺納米封堵鉆井液體系的抑制性，結(jié)果見表1。

表1 優(yōu)化前后鉆井液體系的抑制性能

由表1可看出，由于納米粒子的表面疏水效應(yīng)，聚胺納米封堵鉆井液8 h頁巖膨脹高度低，巖屑回收率高，說明鉆井液體系經(jīng)過優(yōu)化后，抑制性能得到增強(qiáng)。

4.2 封堵性能

實驗采用 200～400 目（直徑為 37～74 μm）的石英砂模擬井壁孔隙和微細(xì)裂縫，按照配方配制好聚胺納米封堵鉆井液，分別倒入可視高溫高壓砂床濾失儀和高溫高壓砂床濾失儀中，評價了體系的封堵性能（實驗時間30 min），結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化前后鉆井液體系的封堵性能

由表2可看出，聚胺磺化封堵防塌鉆井液經(jīng)過優(yōu)化后，鉆井液侵入可視高溫高壓砂床深度低，高溫高壓砂床濾失量小，而且形成的泥餅明顯變薄，說明優(yōu)化后的聚胺納米封堵鉆井液封堵性能明顯增強(qiáng)。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

聚胺納米封堵鉆井液在準(zhǔn)北2井三開鉆井施工中進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。該井二開φ244.5 mm技術(shù)套管下深3 304.86 m，三開φ215.9 mm鉆頭鉆至井深4 753.00 m完鉆，裸眼完井。

5.1 現(xiàn)場施工工藝

1）預(yù)處理。使用二開井漿鉆水泥塞，加入純堿，降低鈣離子污染；在套管內(nèi)循環(huán)井漿，開動四級固控設(shè)備，降低固相含量；按照配方低限加入處理劑，性能達(dá)到設(shè)計要求后開鉆。

2）密度、抑制性調(diào)控。鉆井液密度始終控制在設(shè)計下限，以便于發(fā)現(xiàn)油氣藏；鉆進(jìn)中及時補(bǔ)充1.0%的胺基硅醇和1.0%的鋁基聚合物防塌劑，以保持鉆井液體系的抑制性。

3）封堵性調(diào)控。使用2.0%的井壁穩(wěn)定劑、3.0%的納米封堵劑和1.5%的無水聚合醇，保持鉆井液體系的封堵性；定期補(bǔ)充8.0%的預(yù)水化膨潤土漿，參與泥餅顆粒的構(gòu)成，提高封堵效果。每次起鉆前，用鋁基聚合物防塌劑、磺酸鹽共聚物降濾失劑和納米封堵劑配制高黏切封井漿，封閉裸眼井段，通過靜止封堵的形式，讓防塌劑進(jìn)入地層，達(dá)到較好的封堵效果。

4）濾失量調(diào)控。嚴(yán)格控制中壓濾失量小于3.0 mL，高溫高壓濾失量低于12.0 mL，減緩濾液在高溫高壓條件下向井壁滲透。

5）流變性調(diào)控。鉆井液流型控制在層流狀態(tài)，保持鉆井液的護(hù)壁防塌能力；定期補(bǔ)充預(yù)水化膨潤土漿，增強(qiáng)鉆井液體系的懸浮攜帶能力（性能指標(biāo)見表3）。

6）固控設(shè)備使用情況。振動篩、除泥器和除砂器同時使用，間接開動離心機(jī)，降低鉆井液中的劣質(zhì)固相含量，維持體系的流變性。

表3 準(zhǔn)北2井三開鉆井液性能指標(biāo)

7）完井作業(yè)。充分循環(huán)鉆井液，配制高黏切（漏斗黏度為70 s）鉆井液凈化井眼；換帶牙輪鉆頭的鉆具通井，下鉆到底后，鉆井液循環(huán)2周，泵入高黏切（漏斗黏度為80 s）鉆井液凈化井眼；配制封井漿封閉裸眼井段，保證完井作業(yè)順利。封井漿配方為：60 m3井漿+2.0%SMP-1+3.0%井壁穩(wěn)定劑+1.0%固體潤滑劑+2.0%白油潤滑劑+1.0%納米封堵劑。

5.2 應(yīng)用效果

1）聚胺納米封堵鉆井液抑制性好，有效抑制了泥頁巖的水化分散，振動篩返出的巖屑棱角分明，無二次研磨痕跡；聚胺納米封堵鉆井液封堵能力強(qiáng)，三開鉆井施工順利，起下鉆暢通無阻，無掉塊返出。

2）取心作業(yè)順利，巖心收獲率為100%，電測順利，下套管一次成功率為100%。

3）井眼質(zhì)量良好，三開井段井徑平均擴(kuò)大率為8.45%，井徑最大擴(kuò)大率低于18.00%，三開井徑情況詳見圖2。

4）實現(xiàn)了低密度下井壁穩(wěn)定的效果。準(zhǔn)北1井在石炭系鉆進(jìn)中，鉆井液密度維持在1.15 g/cm3，井壁不穩(wěn)定，而準(zhǔn)北2井在石炭系鉆進(jìn)中密度控制在1.10 g/cm3時井壁依然穩(wěn)定，說明優(yōu)化后鉆井液體系封堵性能明顯增強(qiáng)。

圖2 準(zhǔn)北2井三開井眼狀況

6 結(jié)束語

聚胺納米封堵鉆井液在準(zhǔn)北2井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，施工中井壁穩(wěn)定，鉆完井作業(yè)順利，取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。但個別井段井徑平均擴(kuò)大率仍較大，應(yīng)繼續(xù)對聚胺納米封堵鉆井液性能進(jìn)行完善。