低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系在準(zhǔn)中2區(qū)的研究與應(yīng)用

于 雷，馮光通，劉寶鋒，張守文

(1.中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257017;2.中國(guó)石油化工股份有限公司 勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257017)

準(zhǔn)中2區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷東道海子北凹陷的東段，主要含油氣層系為侏羅系和白堊系。2004年完鉆的成1井獲得重大油氣突破，展示了中部2區(qū)塊的有利勘探前景。由于該區(qū)塊侏羅系地層巖性復(fù)雜，井壁失穩(wěn)問題突出，井徑擴(kuò)大率難以控制，嚴(yán)重制約了該區(qū)塊的勘探開發(fā)速度與質(zhì)量[1-2]。在分析準(zhǔn)中2區(qū)塊井壁失穩(wěn)問題的基礎(chǔ)上，研選了低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系，并在新近部署的預(yù)探井成斜2井進(jìn)行了應(yīng)用，通過采用“適度降低活度+高效致密封堵”穩(wěn)定井壁技術(shù)[3-7]，解決了成斜2井侏羅系地層井壁失穩(wěn)難題，保證了成斜2井的順利施工，達(dá)到了鉆探目的，并為該區(qū)塊后續(xù)施工提供了良好的借鑒。

1 技術(shù)難點(diǎn)

1)侏羅系地層泥巖、碳質(zhì)泥巖、煤層及煤線發(fā)育，局部泥煤互層。煤巖膠結(jié)性差，抗壓、抗拉強(qiáng)度弱，脆性大，受到鉆具撞擊與鉆井液沖刷時(shí)易坍塌；頭屯河組和西山窯組發(fā)育大段泥巖，黏土礦物中伊蒙混層含量高，水化膨脹性強(qiáng)且不均質(zhì)，三工河組泥巖和碳質(zhì)泥巖較硬，易發(fā)生硬脆性及應(yīng)力性垮塌。

2)準(zhǔn)中2區(qū)部分井型為定向井，斜井段處于侏羅系，定向井段鉆時(shí)慢，鉆井周期長(zhǎng)，鉆井液浸泡時(shí)間長(zhǎng)，大大增加了斜井段的井壁穩(wěn)定難度；同時(shí)，定向鉆進(jìn)起下鉆次數(shù)多，井筒反復(fù)經(jīng)受抽吸和激動(dòng)壓力變化，進(jìn)一步加劇了井壁不穩(wěn)定性[8-9]。

3)本井為定向井，鉆具與井壁接觸面積大，鉆進(jìn)過程中摩阻和扭矩大，極易造成托壓，導(dǎo)致定向困難，鉆井液潤(rùn)滑防卡難度大[2]。

2 鉆井液優(yōu)選思路

在資料調(diào)研基礎(chǔ)上，結(jié)合鄰近區(qū)塊鉆井液現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)，針對(duì)準(zhǔn)中2區(qū)塊地層巖性特點(diǎn)及鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)行了鉆井液體系優(yōu)選，以保證侏羅系地層鉆進(jìn)過程中的井壁穩(wěn)定、井眼潤(rùn)滑與儲(chǔ)層保護(hù)。鉆井液體系優(yōu)選思路如下：

1)降低鉆井液活度，減緩滲透水化。針對(duì)泥巖易水化膨脹、分散的特點(diǎn)，通過使用活度調(diào)節(jié)劑適度降低鉆井液活度，降低滲透壓，減緩泥頁(yè)巖的滲透水化速度，同時(shí)配合小分子的有機(jī)胺和大分子聚合物聚丙烯酰胺鉀鹽，多元協(xié)同增強(qiáng)鉆井液體系的抑制性，有效防止井壁失穩(wěn)[10-11]。

2)納微顆粒協(xié)同封堵，降低濾液侵入。針對(duì)泥巖、煤巖微裂縫、層理發(fā)育的特點(diǎn)，通過優(yōu)化多級(jí)配填充封堵劑的粒度，使其粒度分布與微裂縫尺度相匹配，同時(shí)通過添加乳化石蠟等納米級(jí)顆粒[12]，使鉆井液體系在井壁上形成薄而致密的不滲透封堵層，封堵填充層理、孔隙和微裂縫，減緩甚至隔絕鉆井液和地層之間的壓力傳遞，確保井壁穩(wěn)定。

3)選用合理密度，提高有效力學(xué)支撐。力學(xué)支撐是解決泥巖硬脆性及應(yīng)力性垮塌的有效手段之一。根據(jù)準(zhǔn)中2區(qū)已完鉆井實(shí)測(cè)地層壓力情況，確定合理的鉆井液密度，鉆進(jìn)中保證對(duì)地層的正壓差，通過鉆井液液柱壓力平衡地層坍塌壓力，達(dá)到防止井壁坍塌的目的。

3 鉆井液體系及性能評(píng)價(jià)

3.1 鉆井液活度的確定

取準(zhǔn)中2區(qū)某井頭屯河組巖心，粉碎、篩選6-10目巖屑后在不同活度的鉆井液中進(jìn)行了滾動(dòng)，考察了鉆井液活度對(duì)巖屑回收率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可知，當(dāng)鉆井液活度小于0.95時(shí)，巖屑回收率均在85%以上，而當(dāng)鉆井液活度大于0.95時(shí)，巖屑回收率急劇下降，考慮鉆井液成本等因素，確定鉆井液活度控制在0.95左右。

在確定鉆井液活度后，經(jīng)過處理劑優(yōu)選及性能優(yōu)化，確定了低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系的配方如下：

3%～4%膨潤(rùn)土+0.3%～0.5%燒堿+0.3%～0.5%有機(jī)胺+0.1%～0.2%聚丙烯酰胺鉀鹽+0.2%～0.4% 天然高分子降濾失劑+10%～15%活度調(diào)節(jié)劑+0.3%～0.5% 改性銨鹽+0.3%～0.5%磺酸鹽共聚物降濾失劑+2%～3%磺化酚醛樹脂+3%～5%膠乳瀝青+1%～2%抗高溫防塌降粘降濾失劑+2%～3%多級(jí)配填充封堵劑+0.5%～1%乳化石蠟+3%～5%潤(rùn)滑劑。

3.2 常規(guī)性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)評(píng)價(jià)了體系的常規(guī)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系基本性能

注：老化條件為150 ℃，滾動(dòng)16 h。

由表1可知，低活度強(qiáng)封堵鉆井液流變性好，中壓和高溫高壓濾失量均較低，有利于攜巖和穩(wěn)定井壁。

3.3 抑制性能評(píng)價(jià)

取鄰近區(qū)塊董8井頭屯河組泥巖巖屑，用壓力機(jī)在12 MPa下壓制5 min制得巖心柱。考察了低活度強(qiáng)封堵鉆井液抑制巖屑膨脹能力，并與聚磺防塌鉆井液、模擬地層水進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

從圖2結(jié)果可以看出，低活度強(qiáng)封堵鉆井液濾液抑制性優(yōu)良，對(duì)頭屯河組泥巖抑制膨脹效果好于模擬地層水，遠(yuǎn)高于聚磺防塌鉆井液，表明低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系具有優(yōu)良的抑制性能。

取董8井頭屯河組泥巖巖屑進(jìn)行滾動(dòng)分散回收實(shí)驗(yàn)，并與清水、聚磺防塌鉆井液體系進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，針對(duì)水化分散性較強(qiáng)的頭屯河，低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系的巖屑一次回收率均達(dá)到90%以上，遠(yuǎn)高于清水和聚合物鉆井液體系。

表2 巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

說(shuō)明該體系具有良好的抑制頁(yè)巖分散的作用，對(duì)保持井壁穩(wěn)定十分有利。

3.4 封堵性能評(píng)價(jià)

3.4.1 砂床封堵實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)通過砂床濾失儀評(píng)價(jià)了低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系對(duì)80～100目砂床的封堵效果，實(shí)驗(yàn)中低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系在砂床中的侵入深度僅為0.75 cm，展現(xiàn)出優(yōu)異的封堵能力。

3.4.2 壓力傳遞實(shí)驗(yàn)

采用SHM-3型高溫高壓井壁穩(wěn)定性模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了壓力傳遞實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定灰色空白巖樣、4%基漿以及低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系作用后的壓力傳遞曲線來(lái)評(píng)價(jià)低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系的封堵性能。實(shí)驗(yàn)方法為將試驗(yàn)巖心放入巖心夾持器中，經(jīng)上游試液入口泵入測(cè)試液體與巖心上端面接觸，維持巖心頂端壓力2 MPa，底端初始?jí)毫? MPa，通過監(jiān)測(cè)底壓變化來(lái)獲得試液的壓力傳遞速率，從而評(píng)價(jià)鉆井液的封堵性能。

由壓力傳遞實(shí)驗(yàn)可知，低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系作用后傳遞1 MPa壓差所需時(shí)間約為9.13 h，較空白巖樣(約為0.51 h)和4%基漿(1.16 h)均有較大幅度的提高，傳遞1 MPa壓差所需時(shí)間分別為空白巖樣和4%基漿的17.90倍和7.87倍，進(jìn)一步說(shuō)明低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系能有效阻緩孔隙壓力傳遞，具有較好的封堵性能。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

成斜2井為三開次定向井，具體井身結(jié)構(gòu)為：一開Φ444.5 mm×400 m+Φ339.7 mm套管×397 m，二開Φ311.2 mm×3 250 m+Φ244.5 mm套管×3 248 m，三開Φ215.9 mm×4 475 m+Φ139.7 mm套管×4 603 m。造斜點(diǎn)2 000 m，最大井斜30.85°。成斜2井鉆遇地層自上而下為新生界、白堊系和侏羅系，侏羅系自上而下為頭屯河、西山窯、三工河、八道灣組。

4.1 主要工藝技術(shù)措施

1)二開上部地層以聚合物膠液維護(hù)為主，保持鉆井液較低的黏切和足夠的排量，提高大井眼的攜帶能力，同時(shí)維護(hù)良好的鉆井液流動(dòng)性來(lái)沖刷虛泥餅。東溝組底部對(duì)鉆井液進(jìn)行預(yù)處理，加入循環(huán)總量約0.7%改性銨鹽調(diào)整鉆井液流變性，以及0.1%～0.3%天然高分子降濾失劑初步降低濾失量。調(diào)整流變性后視進(jìn)尺情況進(jìn)行短程起下鉆，先期暢通井眼，為進(jìn)入侏羅系前逐步降低濾失量奠定基礎(chǔ)。

2)進(jìn)入侏羅系將體系轉(zhuǎn)換為低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系，一次性加入10%的活度調(diào)節(jié)劑，并繼續(xù)補(bǔ)充天然高分子降濾失劑加量至0.5%，銨鹽加量至0.5%，控制鉆井液濾失量小于12 mL。

3)三開鉆進(jìn)前先使用純堿處理水泥污染，補(bǔ)充有機(jī)胺、活度調(diào)節(jié)劑提高體系的抑制性能，添加磺酸鹽共聚物、磺化酚醛樹脂、防塌降黏降濾失劑將中壓失水控制在5 mL以內(nèi)，高溫高壓失水控制在15 mL以內(nèi)，并改善泥餅質(zhì)量。

4)鉆進(jìn)過程中以循環(huán)周處理，稠膠液維護(hù)為主，鉆進(jìn)過程中加入聚丙烯酰胺鉀鹽和有機(jī)胺的膠液，鉆至西山窯組前50 m，一次性加入3%膠乳瀝青，同時(shí)配合磺化酚醛樹脂、多級(jí)配填充封堵劑，將鉆井液中壓濾失量控制在4 mL以內(nèi)。

5)鉆進(jìn)至西山窯組后，西山窯發(fā)育有煤線、煤層，極易坍塌，易發(fā)生井漏。逐步將密度從1.22 g/cm3提高到1.30 g/cm3，及時(shí)補(bǔ)充膠乳瀝青，乳化石蠟和多級(jí)配填充封堵劑，進(jìn)一步提高鉆井液的封堵防塌能力。西山窯組煤層易坍塌破碎，在鉆進(jìn)過層中，逐步混入護(hù)好膠水化好的膨潤(rùn)土漿提高鉆井液黏切，改善鉆井液流變性，控制動(dòng)塑比在0.6左右，初切控制在7Pa以上，減少對(duì)井壁的沖刷。

6)隨著井深的增加，到4 000 m后，提高鉆井液中磺化酚醛樹脂的含量，增加鉆井液的抗溫性能，配合磺酸鹽共聚物的使用，進(jìn)一步控制鉆井液中壓濾失量在4 mL以內(nèi)，高溫高壓失水控制在12 mL以下，提高鉆井液中多級(jí)配填充封堵劑和膠乳瀝青的含量，改善泥餅質(zhì)量，加強(qiáng)封堵防塌，同時(shí)加入極壓潤(rùn)滑劑，進(jìn)一步增加鉆井液的潤(rùn)滑防塌性能。

7)鉆進(jìn)到4 149.5 m進(jìn)行取心作業(yè)，在起鉆前充分循環(huán)，使用稠漿清潔井眼，配制40 m3結(jié)構(gòu)力強(qiáng)的潤(rùn)滑防塌封井漿封閉井底，取心筒順利到底，取心進(jìn)尺2.0 m，出芯2.0 m，收獲率100%。

8)鉆至設(shè)計(jì)井深后，用稠鉆井液將鉆屑攜帶干凈后，短起下保證井眼暢通，同時(shí)配制性能優(yōu)良的潤(rùn)滑封堵防塌鉆井液80 m3封井，完井電測(cè)施工順利。

4.2 應(yīng)用效果

4.2.1 鉆井液性能穩(wěn)定

成斜2井鉆進(jìn)過程中漏斗黏度、塑性黏度及動(dòng)切力隨井深的增加均有所增大，但基本保持穩(wěn)定。整個(gè)施工過程中鉆井液各項(xiàng)性能穩(wěn)定，流變性好，攜巖性能優(yōu)良，為該井的安全快速鉆進(jìn)提供了保障。

4.2.2 抑制防塌性能好

成斜2井在鉆進(jìn)過程中沒有發(fā)生掉塊坍塌，全井起下鉆通暢，沒有發(fā)生任何阻卡現(xiàn)象，井壁穩(wěn)定性好，井眼規(guī)則，二開及三開電測(cè)成功率100%，二開井眼平均井徑擴(kuò)大率3.79%，三開目的層頭屯河組平均井徑擴(kuò)大率6.4%，三工河組平均井徑擴(kuò)大率3.95 %，展示了該體系良好的抑制防塌性能。

4.2.3 潤(rùn)滑性能優(yōu)良

整個(gè)斜井段鉆進(jìn)過程中，鉆井液濾餅黏滯系數(shù)一直保持在0.052 4～0.061 2，斜井段鉆進(jìn)摩阻在8～10 t，平均扭矩在10 kN·m以下，展示了良好的潤(rùn)滑性。

5 結(jié)論

1)研制的低活度強(qiáng)封堵鉆井液體系可以有效抑制頭屯河組泥巖的水化，該鉆井液體系通過降低活度減緩滲透水化、強(qiáng)化物理封堵有效避免了泥巖的水化坍塌。

2)成斜2井的成功應(yīng)用表明，應(yīng)用“適度降低活度+高效致密封堵”技術(shù)后，侏羅系泥頁(yè)巖地層的井壁穩(wěn)定效果顯著。