大慶中淺層低成本水基鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

張仁彪（大慶鉆探工程公司鉆井三公司）

大慶油田中淺層除發(fā)育常規(guī)油氣資源外，還蘊(yùn)藏著豐富的致密油等非常規(guī)油氣資源，是保障大慶油氣產(chǎn)量的主力層位。但在中淺層鉆井過程中，常發(fā)生造漿、縮徑、剝落掉塊，甚至是井壁坍塌等復(fù)雜事故。油基鉆井液雖然具有優(yōu)良的抑制性和井壁穩(wěn)定效果，但是高成本、高污染，以及后期處理難的問題限制了油基鉆井液的推廣應(yīng)用范圍。以往使用的水基鉆井液，又存在配方復(fù)雜，處理劑種類繁多、加量大和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)困難等問題。因此，通過技術(shù)攻關(guān)，以優(yōu)選的抑制劑、降濾失劑和潤滑劑等處理劑為主，研發(fā)出一套低成本中淺層水基鉆井液，替代了油基鉆井液，保障了大慶油田中淺層油氣資源的高效開發(fā)[1-2]。

1 鉆井施工難點(diǎn)及解決對(duì)策

1.1 鉆井施工難點(diǎn)

1）大慶油田中淺層從上到下依次發(fā)育嫩江組、姚家組、青山口組和泉頭組等層位。其中，嫩江組黏土礦物含量高，蒙脫石含量超過50%，清水滾動(dòng)回收率為0，線型膨脹率大于20%，鉆進(jìn)中極易發(fā)生造漿、縮徑和鉆頭泥包等現(xiàn)象，這對(duì)鉆井液抑制性提出了極高要求。

2）姚家組層位黏土礦物含量以伊蒙混層為主，遇到外來液相很容易發(fā)生表面水化及滲透水化，導(dǎo)致井壁剝落、掉塊，甚至是井壁坍塌等事故的發(fā)生，也要求鉆井液較強(qiáng)抑制性。

3）青山口組地層和泉頭組地層還有大量尺寸不一的微裂縫，外來液相在壓差作用下進(jìn)入到深部地層后，會(huì)降低泥頁巖強(qiáng)度，甚至引起井壁垮塌和鉆井液漏失，因此要求鉆井液具有較強(qiáng)封堵防塌能力。

4）致密油水平井設(shè)計(jì)過程中，造斜段和水平段都比較長，這樣鉆具就會(huì)與井壁產(chǎn)生大面積接觸，因此需要鉆井液具有良好的潤滑性能。

5）以往使用的水基鉆井液配方復(fù)雜，處理劑種類繁多，有4 種抑制劑，3 種降濾失劑，且加量較大，使鉆井液成本較高，每方成本大于4 500元，鉆井液現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量巨大。

1.2 解決對(duì)策

1）優(yōu)選高效泥頁巖抑制劑，提高鉆井液對(duì)上部地層的抑制能力，避免地層造漿、井徑縮小、剝落掉塊等復(fù)雜。

2）優(yōu)選與聚胺抑制劑配伍的封堵降濾失劑，提高鉆井液對(duì)青山口和泉頭組地層微裂縫的封堵能力，避免井壁坍塌與剝落情況的發(fā)生。

3）優(yōu)選高效液體潤滑劑，提高鉆井液的潤滑防卡能力，降低起下鉆摩阻。

4）在原水基鉆井液配方基礎(chǔ)上，用優(yōu)選的聚胺抑制劑和封堵降濾失劑替代原有的4種抑制劑和3種降濾失劑，簡化鉆井液配方，降低鉆井液成本[3]。

2 鉆井液體系研究

2.1 抑制劑

抑制劑種類繁多，作用機(jī)理和抑制效果也各不相同。聚胺是一種含有較多伯胺基、叔胺基基團(tuán)的低分子量抑制劑，因其對(duì)泥頁巖具有良好的抑制效果，而在國內(nèi)外油田進(jìn)行了大范圍的應(yīng)用。在室內(nèi)從9種聚胺抑制劑中優(yōu)選出一種抑制性強(qiáng)、對(duì)鉆井液流變性影響小的樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 和表2 所示。由表1可知，隨著聚胺加量增加滾動(dòng)回收率逐漸變大，線型膨脹率也逐漸變小，說明優(yōu)選的聚胺具有良好的抑制性能；由表2可知，聚胺對(duì)鉆井液流變性能影響較小[4-6]。

表1 抑制性對(duì)比數(shù)據(jù)

2.2 封堵降濾失劑

鉆井液中常用的封堵防塌劑多為瀝青、磺化瀝青和改性瀝青等。因?yàn)轭w粒粒徑較大，對(duì)縫寬較小的微裂縫封堵能力較差。納米級(jí)乳液封堵劑由于粒徑分布范圍廣，能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)到微米級(jí)微裂縫的有效封堵，所以在致密油地層鉆井中使用較多，效果也很理想。在室內(nèi)采用裂縫封堵評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)對(duì)乳液封堵劑進(jìn)行優(yōu)選[7]，優(yōu)選出一種對(duì)地層裂縫具有良好封堵能力的納米級(jí)乳液封堵劑，由圖1可知，乳液封堵劑對(duì)不同裂縫都具有良好的封堵能力。

圖1 納米乳液封堵劑對(duì)納米級(jí)裂縫的封堵效果

2.3 潤滑劑

通過實(shí)驗(yàn)，在室內(nèi)優(yōu)選出極壓潤滑系數(shù)降低率最高的液體潤滑劑，這種潤滑劑在加量僅為4%的情況下，極壓潤滑系數(shù)降低率達(dá)到82%以上，能滿足鉆井液對(duì)潤滑性的需求。

2.4 配方研究

在原水基鉆井液配方基礎(chǔ)上，用優(yōu)選的抑制劑和封堵降濾失劑替代原體系中的抑制劑和降濾失劑，最終形成低成本中淺層水基鉆井液配方：3.0%膨潤土+0.25%純堿+0.02%KOH+1.5%～2.0%聚胺抑制劑+2.0%～3.0%乳液封堵劑+0.2%～0.4%包被劑+1.0%～2.0%碳酸鈣，潤滑劑根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同井段的施工情況而確定加量。

3 性能評(píng)價(jià)

3.1 流變性能

在室內(nèi)對(duì)研發(fā)的低成本中淺層鉆井液的流變性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，鉆井液在老化前后性能穩(wěn)定，API 濾失量不超過2 mL，具有較高的巖屑攜帶能力。

表3 鉆井液基本性能數(shù)據(jù)

表2 聚胺抑制劑對(duì)鉆井液性能的影響

3.2 抑制性

采用泥頁巖滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)和線型膨脹實(shí)驗(yàn)對(duì)鉆井液體系的抑制性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，低成本中淺層水基鉆井液膨脹率僅為7.63%，滾動(dòng)回收率高達(dá)93.20%，鉆井液抑制能力強(qiáng)。

表4 中淺層水基鉆井液抑制性評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 封堵性能

在室內(nèi)制作縫寬分別為50、100、200 μ m的微裂縫，評(píng)價(jià)鉆井液體系的封堵性能[8]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，該鉆井液體系對(duì)50、100、200 μ m 三個(gè)級(jí)別微裂縫都具有良好的封堵能力，說明該體系能夠?qū)崿F(xiàn)從納米級(jí)到微米級(jí)不同縫寬裂縫的有效封堵。

圖2 納米乳液封堵劑對(duì)不同微裂縫的封堵效果

3.4 潤滑性能

采用極壓潤滑儀、黏附系數(shù)測(cè)定儀對(duì)鉆井液潤滑性進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示鉆井液的極壓潤滑系數(shù)為0.09，泥餅黏附系數(shù)為0.95，鉆井液潤滑性良好。

3.5 抗巖屑侵性能

將泥頁巖巖屑烘干粉碎，按不同加量加入到鉆井液中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。由表5 可知，鉆井液能夠抗20%的巖屑侵。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

LP2 井是1 口中淺層長水平段水平井，水平段長度超過1 500 m，從上到下分別鉆遇嫩江組、姚家組和青山口組等層位，要求鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性、封堵能力和潤滑性能。針對(duì)上述實(shí)際情況，該井二開后使用低成本中淺層水基鉆井液體系。配漿時(shí)一次性加入不低于1.0%的聚胺抑制劑，鉆進(jìn)過程中盡量維持在1.0%～1.5%，重點(diǎn)是抑制泥頁巖水化分散；在進(jìn)入青山口組進(jìn)行造斜時(shí)，把封堵防塌劑加量提高至3.0%，增強(qiáng)井壁穩(wěn)定能力；進(jìn)入水平段以后，保證鉆井液中潤滑劑的加量不低于5.0%，以確保體系較強(qiáng)的潤滑性，防止托壓現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)將降濾失劑和封堵防塌劑加量調(diào)整到設(shè)計(jì)上限，API濾失量控制在3 mL以內(nèi)，確保井壁穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)性能如表6。

表5 鉆井液抗巖屑污染性能

表6 LP2井現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，所研制的低成本中淺層水基鉆井液體系性能良好，鉆井過程中起下鉆暢通，后期電測(cè)、下套管作業(yè)也一次成功，各項(xiàng)性能指標(biāo)都滿足了鉆井要求。低成本水基鉆井液優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：鉆井液的API 濾失量低，始終維持在2.0 mL左右，避免了嫩江組造漿和縮徑；體系流變性易于控制，流動(dòng)性好，動(dòng)塑比高，攜巖能力強(qiáng)，有效避免了井底巖屑床堆積；抑制性強(qiáng)，能很好地抑制泥頁巖的水化分散，保持井壁穩(wěn)定，鉆進(jìn)過程中未出現(xiàn)任何因鉆井液而引起的井塌、卡鉆和漏失等井下復(fù)雜情況；體系極壓潤滑系數(shù)在0.12以下，潤滑性好，未發(fā)生壓差卡鉆事故；平均機(jī)械鉆速高達(dá)10.58 m/h，井徑規(guī)則，達(dá)到了預(yù)期效果；鉆井液配方簡化以后，方便體系性能調(diào)節(jié)和維護(hù)，減少了現(xiàn)場(chǎng)人員工作量；鉆井液每方成本和單井節(jié)約成本如圖3 和圖4 所示，由圖可知，低成本水基鉆井液方成本比油基鉆井液和常規(guī)水基鉆井液具有優(yōu)勢(shì)，單井分別節(jié)約126萬元和28萬元，該鉆井液體系減少了井下復(fù)雜情況、提高了固井質(zhì)量，縮短了鉆井周期，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖3 鉆井液方成本對(duì)比

圖4 單井鉆井液成本節(jié)約對(duì)比

5 結(jié)論

1）針對(duì)大慶中淺層地層地質(zhì)特點(diǎn)，通過優(yōu)選聚胺抑制劑、封堵降濾失劑和潤滑劑，并簡化鉆井液配方，開發(fā)出一套綜合性能優(yōu)異的低成本中淺層水基鉆井液體系。

2）研究表明，低成本中淺層水基鉆井液體系具有良好的流變、降濾失和封堵抑制性能，能夠很好地抑制泥頁巖地層的水化分散，滾動(dòng)回收率在90%以上，且具有較強(qiáng)的潤滑性與抗污染能力，極壓潤滑系數(shù)為0.09，抗巖屑侵高達(dá)20%，可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)要求。

3）低成本中淺層水基鉆井液體系抑制防塌效果顯著，成功解決了裂縫性泥頁巖地層易失穩(wěn)的難題，井壁穩(wěn)定，井徑規(guī)則，井下安全，具有廣闊應(yīng)用前景。