杭錦旗區(qū)塊防塌防漏鉆井液技術(shù)

李建山

（ 中石化華北油氣分公司，鄭州450006）

杭錦旗區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地北部，主要含氣 層位為上古生界下石盒子組盒3、盒2、盒1段和山西組，蘊(yùn)藏著巨大的開發(fā)潛力[1-3]。杭錦旗區(qū)塊自上而下發(fā)育第四系、中生界、上古生界等多套地層，由于特殊的地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致地層中存在地質(zhì)破碎、砂泥巖互層嚴(yán)重、層間膠結(jié)弱、地層承壓低等特性，屬于典型斷層發(fā)育區(qū)域，地層中泥巖微裂縫發(fā)育且易水化膨脹、剝落掉塊[3-4]。因此，杭錦旗區(qū)塊具有較為嚴(yán)重的井漏及井壁失穩(wěn)問題。如2017年度，華北工程公司西部分公司負(fù)責(zé)施工井中有7口發(fā)生井漏，平均單井損失時(shí)間為78.21 h。針對杭錦旗地區(qū)鉆井過程中存在的技術(shù)難點(diǎn)，筆者系統(tǒng)分析了該地區(qū)易塌易漏地層的地質(zhì)特征，研發(fā)溫敏變形型封堵劑SMSHIELD-2，優(yōu)選了環(huán)保高效潤滑劑SMLUB-E，研發(fā)了隨鉆防漏堵漏材料SMGF-1，通過鉆井液體系優(yōu)化，最終形成杭錦旗地區(qū)防塌防漏鉆井液技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用于杭錦旗區(qū)塊2口試驗(yàn)井，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 杭錦旗區(qū)塊地質(zhì)特征描述

1.1 礦物組成

杭錦旗區(qū)塊屬于致密氣藏，區(qū)塊氣井多采用三開長水平井身設(shè)計(jì)。井壁失穩(wěn)、井漏等復(fù)雜事故主要出現(xiàn)在水平段，包括劉家溝組、石千峰組、石盒子組等地層。以2口典型井JPH-301井和JPH-378井為例，對地層巖屑進(jìn)行全巖礦物和黏土礦物組分含量的X射線衍射分析，結(jié)果如表1所示。

表1 JPH-301井、JPH-378井復(fù)雜地層巖樣全巖礦物分析

由表1可知，2口井中石千峰組與石盒子組存在大段泥巖，JPH-301井下石盒子組巖屑中主要包括中深灰色細(xì)砂巖、 紅褐色泥巖和灰色泥巖，存在明顯砂泥巖互層現(xiàn)象， 且黏土礦物含量較高，分別為32.8%、48.7%、58.1%。JPH-378井石千峰組、 上石盒子組、 下石盒子組中黏土礦物含量也均較高。2口井所取巖屑礦物均以伊/蒙混層發(fā)育為特點(diǎn)， 其次為伊利石、 綠泥石和高嶺石， 屬于硬脆性泥巖。

1.2 復(fù)雜地層微觀結(jié)構(gòu)

通過電鏡掃描測試，進(jìn)一步分析了杭錦旗復(fù)雜地層的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，石千峰組、上石盒子組、下石盒子組巖性整體較為致密，孔隙一般小于5 μm，泥質(zhì)中存在較發(fā)育的微裂縫，開度形態(tài)不一。JPH-378井下石盒子組泥巖鉆屑樣品較疏松，粒間孔隙約10 μm，同樣具有較發(fā)育的微裂縫。

圖1 杭錦旗區(qū)塊易漏、易塌地層巖屑微觀圖

1.3 儲層巖屑理化特性

分別對井區(qū)鉆屑進(jìn)行滾動(dòng)回收率評價(jià)實(shí)驗(yàn)，及泥頁巖水化膨脹實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 JPH-301井、JPH-378井復(fù)雜地層巖樣水化分散實(shí)驗(yàn)

由表2可以看出，下石盒子組灰色泥巖和深灰色中細(xì)砂巖的回收率高，分別為90.75%和94.93%，而其他紅褐色泥巖及泥巖回收率低，最低回收率為29.4%，最高回收率為55.07%；整體泥巖具有較高的膨脹率，水化膨脹嚴(yán)重，而從JPH-378井收集的鉆屑的回收率普遍偏低，分析原因?yàn)槭占你@屑夾雜部分砂巖，一定程度上降低了實(shí)驗(yàn)所測膨脹率。

1.4 儲層地質(zhì)特性總結(jié)及易產(chǎn)生問題

分析杭錦旗區(qū)塊復(fù)雜地層組構(gòu)特征、理化性能測試結(jié)果，可知該區(qū)塊地層存在砂泥巖互層嚴(yán)重，巖石黏土礦物含量高的特點(diǎn)，黏土礦物以伊蒙混層、伊利石為主，微裂縫較為發(fā)育，屬于硬脆性泥巖；灰色泥巖滾動(dòng)回收率高、膨脹率低，而紅褐色泥巖滾動(dòng)回收率低、膨脹率高。因此，鉆井過程中以下問題尤為嚴(yán)重。

1）井壁失穩(wěn)。該區(qū)地層泥頁巖有較多的微裂縫，在鉆井過程中也易產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫，在外力的作用下泥頁巖極易沿裂縫破裂甚至剝落，造成井壁失穩(wěn)；鉆井液濾液沿微裂縫或節(jié)理面侵入地層深部后，擴(kuò)大泥頁巖水化面積，降低了泥巖的結(jié)合強(qiáng)度和層理面之間的結(jié)合力，使泥巖沿層理面或微裂隙裂開，進(jìn)一步造成井壁失穩(wěn)[5-7]。

2）漏失嚴(yán)重。該區(qū)塊由于微裂縫發(fā)育，一方面易導(dǎo)致井漏，另一方面在鉆井過程中也易產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫，進(jìn)一步加劇井漏；劉家溝、石千峰組存在泥巖互層、層間膠結(jié)弱、地層承壓低，導(dǎo)致鉆井液安全密度窗口窄，加大了低壓地層漏失風(fēng)險(xiǎn)[8-11]。

2 防塌防漏鉆井液體系

杭錦旗區(qū)塊解決井壁失穩(wěn)技術(shù)思路為：以加入具有高效封堵防塌作用的封堵劑為主，增強(qiáng)鉆井液的封堵、造壁作用，同時(shí)適時(shí)提高鉆井液密度，并保證鉆井液合理流變性，降低物理沖刷作用[12-13]，從整體上提高鉆井液的綜合防塌能力。

2.1 封堵防塌處理劑研發(fā)

目前鉆井液的封堵防塌處理劑主要有乳化瀝青、磺化瀝青、氧化瀝青等瀝青類處理劑[14]、聚合醇[15]等處理劑。針對杭錦旗區(qū)塊地層裂縫發(fā)育非均質(zhì)性的特點(diǎn)， 制備了溫敏變形型封堵劑SMSHIELD-2。SMSHIELD-2結(jié)構(gòu)如下：以剛性芳環(huán)為主結(jié)構(gòu)單元， 以碳-碳鍵、 碳-氮鍵等剛性、高穩(wěn)定性化學(xué)鍵連接形成主鏈分子， 采用交聯(lián)劑使主鏈分子間架橋成復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 保證主鏈分子的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；在主鏈分子中引入聚氧乙烯鏈等可變形基團(tuán)， 低溫下由于分子剛性強(qiáng)且具有復(fù)雜的交聯(lián)結(jié)構(gòu)， 封堵劑無變形性， 當(dāng)達(dá)到一定溫度， 分子內(nèi)部黏聚力發(fā)生一定程度降低， 使分子出現(xiàn)可形變特性。

利用溫度掃描實(shí)驗(yàn)測試SMSHIELD-2形變溫度區(qū)間及程度：取5 g SMSHIELD-2置于燒杯中，利用油浴對燒杯進(jìn)行加熱，觀察SMSHIELD-2變形情況。通過測試可得，90 ℃時(shí)，SMSHIELD-2外部已出現(xiàn)“軟化”變形現(xiàn)象，隨著溫度增加，其可變形區(qū)域可逐漸增大，至180 ℃時(shí)外表面已完全“軟化”。SMSHIELD-2“軟化”后，利用玻璃棒攪拌測試，具有極強(qiáng)的黏滯力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這保證了封堵劑可以滯留在不同形狀的裂縫內(nèi)并具有較好的封堵能力。室內(nèi)評價(jià)了SMSHIELD-2的封堵性能，并與國內(nèi)外封堵防塌劑進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。

表3 溫敏變形型封堵劑SMSHIELD-2同國內(nèi)外封堵劑效果對比

由表3可知，溫敏變形型封堵劑SMSHIELD-2在1%的加量下，基漿濾失量為23 mL，低于國內(nèi)外封堵劑在2.5%加量下的基漿濾失量，當(dāng)SMSHIELD-2加量為2.5%時(shí)，高溫高壓濾失量進(jìn)一步降低至15 mL，基漿濾失量降低率達(dá)到75%?？梢奡MSHIELD-2具有顯著的封堵防塌效果。

為考察濾餅韌性，對高溫高壓濾失后所得濾餅進(jìn)行高溫烘干測試，如圖2所示，烘干時(shí)間為4 h。對比樣品烘干后濾餅皸裂明顯，完整性被破壞；而SMSHIELD-2形成的濾餅，高溫烘干后依然具有較好的完整性，說明其具有較強(qiáng)的韌性，有助于增強(qiáng)鉆井液封堵及造壁作用，保證井壁穩(wěn)定。其原因在于，SMSHIELD-2封堵劑具有可變形性，可以充分填充在濾餅各個(gè)空間，膠連、黏合濾餅各組分，提高濾餅致密程度的同時(shí)，提高其韌性。同時(shí)，SMSHIELD-2本身含一定量的疏水基團(tuán)，可在濾餅表面聚結(jié)成一層疏水膜，將自由水束縛在濾餅內(nèi)，從而進(jìn)一步提高了濾餅完整性。

圖2 濾餅烘干4 h 后實(shí)物圖

通過泥頁巖巖心壓力傳遞實(shí)驗(yàn)測試進(jìn)一步考察封堵效果，對比巖心封堵前后的掃描電鏡（見圖3），發(fā)現(xiàn)未加入前巖心表面存在不同尺度的微裂縫，且分布不均勻，而加入處理劑后，巖心表面的裂縫已被明顯封堵，表面更加致密，幾乎沒有任何裂縫，表明SMSHIELD-2具有非常強(qiáng)的封堵能力。

圖3 SMSHIELD-2封堵實(shí)驗(yàn)掃描電鏡微觀圖

圖4 為SMSHIELD-2對室溫下鉆井液流變性能的影響。

圖4 SMSHIELD-2對室溫下鉆井液流變性能的影響

圖4 中鉆井液基礎(chǔ)配方為：4%膨潤土漿+0.5%SMPFL+4%SMP+4%SMC，加有不同加量SMSHIELD-2的鉆井液的塑性黏度和動(dòng)切力變化不大，說明SMSHIELD-2的作用機(jī)理為惰性封堵機(jī)理，對鉆井液流變性能幾乎沒有任何影響。這為合理設(shè)計(jì)鉆井液流變性提供了保障。

2.2 潤滑劑優(yōu)選

杭錦旗區(qū)塊多采用長水平段設(shè)計(jì)，在斜井段存在施工摩阻大且鉆具扭矩高的問題，水平段也極有可能發(fā)生托壓問題。針對上述問題，優(yōu)選了環(huán)保高效潤滑劑SMLUB-E。該產(chǎn)品具有吸附高效、迅速、均勻的特點(diǎn)，可在井下固相表面聚集成膜，保證鉆井液潤滑性，降低固相界面間摩阻。按照鉆井液用潤滑劑技術(shù)要求（Q/CNPC 88—2003），將該產(chǎn)品同國內(nèi)外10種常用潤滑劑進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，測試鉆井液基漿配方：4%膨潤土漿+0.5%SMPFL+4%SMP+4%SMC。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 SMLUB-E與國內(nèi)外潤滑劑潤滑效果對比

由圖5可以看出，環(huán)保高效潤滑劑SMLUB-E于160 ℃老化后的極壓潤滑系數(shù)在所有對比潤滑劑中最低，可低至0.033，展現(xiàn)出其優(yōu)異的潤滑性能。

2.3 防塌鉆井液配方研究

結(jié)合杭錦旗區(qū)塊地層特征， 開展直井段、斜井段及水平段鉆井液配方研究。直井段最終確定鉆井液配方為4%膨潤土漿+0.5%NH4-HPAN+0.5%LV-CMC+2%SMSHIELD-2+0.3%KPAM，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。上直井段適當(dāng)放寬中壓濾失量，保持鉆井液低黏度、低切力、低密度，為快速鉆進(jìn)提供條件。

表4 杭錦旗區(qū)塊直井段鉆井液配方性能

斜井段，鉆井液配方為：直井段鉆井液+1.5%SMP-1+1.5%SPNH，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。斜井段采用LV-CMC、SMP-1、SPNH控制鉆井液的濾失量，并采用SMSHIELD-2提高鉆井液的封堵防塌能力，隨著井斜的增加可補(bǔ)充適量的潤滑劑SMLUB-E，改善鉆井液的潤滑性。

表5 杭錦旗區(qū)塊斜井段鉆井液配方實(shí)驗(yàn)

水平段鉆井液配方：斜井段鉆井液+2%SMLUB-E+0.1%XC+2%PB-1，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 杭錦旗區(qū)塊水井段鉆井液配方實(shí)驗(yàn)

水平段采用SMP-1、SPNH等控制鉆井液的濾失量低于5 mL，采用SMSHIELD-2提高鉆井液的封堵防塌能力，在鉆井液中加入屏蔽暫堵劑、超細(xì)碳酸鈣等，加強(qiáng)儲層保護(hù)，隨著水平段的延伸，保持SMLUB-E潤滑劑的含量在2%以上，強(qiáng)化鉆井液的潤滑性，降低摩阻、扭矩，為定向鉆進(jìn)提供保障。

3 隨鉆承壓堵漏鉆井液

3.1 堵漏劑優(yōu)選

針對該區(qū)塊漏失嚴(yán)重問題，采用隨鉆封堵技術(shù)，提高上部地層的承壓能力，著重提高鉆井液防漏性能，兼具堵漏。由于該區(qū)塊地層裂縫發(fā)育且開度形態(tài)不一，在鉆井液動(dòng)態(tài)壓力作用下裂縫會進(jìn)一步擴(kuò)大，擬采用具有不同粒徑大小的復(fù)合型堵漏材料，進(jìn)行針對性裂縫封堵。因此，在優(yōu)選顆粒材料、纖維材料和遇水膨脹材料的基礎(chǔ)上，加入片狀顆粒材料云母，構(gòu)成了水基鉆井液用隨鉆防漏堵漏材料SMGF-1。其中，云母和碳酸鈣細(xì)度均小于200目，礦物纖維細(xì)度小于100目，膨脹橡膠粉末細(xì)度小于100目。云母、碳酸鈣、礦物纖維和橡膠組成配比為（2～5）∶（4～8）∶（2～5）∶（0.5～3）。

3.2 隨鉆堵漏鉆井液研究

隨鉆堵漏鉆井液基漿為：4%膨潤土漿+0.3%KPAM+0.5%NH4-HPAN+0.5%LV-CMC+1.5%SMP-1+1.5%SPNH+2%SMSHIELD-2+2%SMLUB-E+0.1%XC。分類測量了不同加量下，常溫和100 ℃熱滾后水基鉆井液的流變性能，如表7?？梢钥闯觯S著SMGF-1加量的增加，常溫下黏度和切力變化幅度較小；100 ℃熱滾16 h，水基鉆井液的黏度和切力變化幅度也不大，可以滿足現(xiàn)場鉆井的要求。

評價(jià)隨鉆防漏材料SMGF-1在常溫下和熱滾后的砂床封堵性能，評價(jià)方法如下：在FA型無滲透鉆井液濾失儀的可視透明圓柱筒中加入20～40目潔凈干燥的建筑砂，壓實(shí)鋪平后使高度達(dá)到20 cm，慢慢加入500 mL實(shí)驗(yàn)漿，在0.7 MPa下加壓30 min后測定實(shí)驗(yàn)漿侵入深度，見表7?？梢钥闯?，隨著SMGF-1加量的增加，濾液侵入深度逐漸減少，在水基鉆井液中加入3%SMGF-1，濾液侵入深度小于3 cm，較只加超細(xì)碳酸鈣有很大程度的改善，可以滿足現(xiàn)場隨鉆防漏堵漏的要求。

表7 SMGF-1對水基鉆井液流變性能的影響及砂床侵入實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用DLM-01型堵漏模擬裝置評價(jià)防漏堵漏材料SMGF-1的砂床承壓能力：將20～40目砂子填滿雙側(cè)開口的圓桶型漏失模塊，裝入模擬裝置中，將實(shí)驗(yàn)堵漏漿加入模擬裝置漿杯中，組裝好儀器，開始加壓。每次加壓0.5 MPa，穩(wěn)壓5 min，壓力穩(wěn)住基本不降后再繼續(xù)加壓，持續(xù)加壓壓力不再上升，該壓力即為承壓壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 砂床承壓實(shí)驗(yàn)

可以看出，SMGF-1加量達(dá)到1%后，就能夠承受一定的壓力，加量達(dá)到3%后，承壓能力可以達(dá)到7.0 MPa以上。現(xiàn)場應(yīng)用過程中，加量最好達(dá)到3%以上，可以達(dá)到較理想的隨鉆防漏堵漏效果。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

防塌鉆井液及隨鉆堵漏鉆井液技術(shù)在杭錦旗區(qū)塊2口評價(jià)井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，以其中一口為例。該井斜深為4540 m，垂深為3545.22 m，二開、三開井段鉆遇劉家溝組、 石千峰組、 上石盒子組、 下石盒子組（未穿）， 大段砂泥巖互層， 泥頁巖段易水化膨脹、產(chǎn)生剝落掉塊垮塌等。二開采用隨鉆堵漏鉆井液，井下鉆進(jìn)正常，無漏失情況，一次性鉆穿劉家溝組易漏地層。三開時(shí)采用低固相防塌鉆井液，加強(qiáng)了固相控制，保持鉆井液造壁性能和封堵防塌性能，控制濾失量小于5 mL。鉆井液主要性能見表9。

表9 封堵鉆井液與防塌鉆井液性能

通過防塌鉆井液及封堵鉆井液的應(yīng)用，順利鉆穿杭錦旗區(qū)塊易漏地層，減少了堵漏時(shí)間，保證了所鉆遇泥巖地層井壁穩(wěn)定，鉆井期間未出現(xiàn)井壁坍塌問題，井徑擴(kuò)大率小于5%，與杭錦旗區(qū)塊其他井相比，井下事故大大下降，節(jié)約了鉆井成本。

5 結(jié)論

1.杭錦旗區(qū)塊存在地質(zhì)破碎、砂泥巖互層嚴(yán)重、層間膠結(jié)弱、地層承壓低等特性，屬于斷層典型發(fā)育的區(qū)域。石千峰組與石盒子組存在大段泥巖，泥質(zhì)中存在較發(fā)育的微裂縫，開度形態(tài)不一，易發(fā)生坍塌、掉塊等，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

2.針對井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，開發(fā)出溫敏變形型封堵劑SMSHIELD-2，優(yōu)選出高效潤滑劑SMLUB-E，形成了防塌鉆井液，解決了石千峰組與石盒子組地層井壁失穩(wěn)問題。

3.采用具有不同粒徑大小堵漏材料進(jìn)行復(fù)配，形成水基鉆井液用隨鉆防漏堵漏材料SMGF-1，實(shí)現(xiàn)對不同類型、大小裂縫針對性封堵，解決鉆井中的井漏問題。

4.研制的防塌防漏技術(shù)在杭錦旗區(qū)塊2口試驗(yàn)井取得成功應(yīng)用，順利鉆穿易漏層，在泥巖段未出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，井徑擴(kuò)大率小于5%，保證了高效鉆井。