高性能水基鉆井液在大慶油田致密油水平井的應(yīng)用

王偉東

（中國石油大慶油田采油工程研究院，黑龍江大慶 163712）

大慶長垣外圍青山口組高臺子油層和泉頭組扶余油層為代表的致密油儲層物性較差，單層厚度薄，為獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，要求所鉆水平井具有足夠長度的水平井段。施工中存在地層摩阻大、機(jī)械鉆速低、鉆井周期長、井壁失穩(wěn)等一系列問題，對鉆井液的抑制性、攜巖性及潤滑性都提出了較高要求。綜合考慮成本、環(huán)保等因素，油基鉆井液已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前致密油藏大規(guī)模開發(fā)的要求，需要一種能夠適應(yīng)大慶油田長水平段施工需求的水基鉆井液。高性能水基鉆井液（HPWBM）是以胺基抑制劑作為主要處理劑的新型鉆井液體系，具有較強(qiáng)的抑制性[1-2]，國內(nèi)外以聚胺作為主要處理劑相繼研發(fā)了多種類似體系作為油基鉆井液替代產(chǎn)品，并陸續(xù)投入現(xiàn)場試 驗(yàn)[3]。將胺基抑制劑AP-1 及聚合醇JY-X 引入陽離子聚合物鉆井液體系，在強(qiáng)化抑制性的基礎(chǔ)上重點(diǎn)提高封堵防塌性能，研發(fā)了適應(yīng)大慶油田地層特點(diǎn)，能滿足常規(guī)性能要求的鉆井液體系。與油基鉆井液對比分析顯示，主要性能接近油基鉆井液水平，成本僅為油基鉆井液三分之一左右?，F(xiàn)場試驗(yàn)取得了良好的效果并逐步推廣，現(xiàn)已成為大慶油田致密油水平井鉆井采用的主要體系之一。

1 區(qū)域概況與施工難點(diǎn)

龍虎泡油田位于齊家-古龍凹陷以西的龍虎泡階地，是大慶油田主要的致密油藏開發(fā)區(qū)塊之一。該區(qū)塊內(nèi)青山口組砂巖平均厚度1.6 m，有效厚度0.8 m，平均孔隙度為11.5%，平均滲透率為0.640×10-3μm2，屬于低孔、特低滲致密儲層。施工地層自上而下分別為白堊系嫩江組、姚家組和青山口組。上部嫩江組地層易水化分散，造漿嚴(yán)重，鉆井液黏切調(diào)控難度大；下部青山口組地層頁巖層理發(fā)育，坍塌壓力低，井壁易吸水剝落；油層段內(nèi)部微孔隙發(fā)育，容易造成儲層污染。已完鉆的致密油水平井平均井深為3 674 m，平均水平位移達(dá)1 856 m，水平井段長度均在1 300 m 以上，位垂比大于1.1，由于設(shè)計(jì)鉆穿多套油層，井身剖面多呈階梯狀。施工中采用地質(zhì)導(dǎo)向方式，需頻繁調(diào)整井斜方位，水平段井眼軌跡變化較塊。井眼曲率波動(dòng)較大，實(shí)際狗腿度不超過7.0°/30 m，水平段后期摩阻較大。

2 抑制劑性能評價(jià)

2.1 技術(shù)思路

高性能水基鉆井液的主要處理劑為胺基抑制劑AP-1 和聚合醇[3]。AP-1 是一種聚胺改性聚醚多元醇類頁巖抑制劑，其胺基官能團(tuán)，能鑲嵌在黏土層間，減小黏土層間距，促使黏土晶層間脫水，依靠分子鏈上多個(gè)胺基固定黏土晶片，破壞水化結(jié)構(gòu)，達(dá)到抑制黏土水化分散的目的。同時(shí)，從溶液中析出乳化油滴，進(jìn)入地層孔隙或裂縫，起到降低黏土吸水的趨勢。將聚合醇引入體系，作為一種非離子表面活性劑，聚合醇在濁點(diǎn)溫度以下表現(xiàn)為抑制性，易吸附在鉆具和固體顆粒表面，阻止泥頁巖水化，降低泥餅滲透率，有效控制壓力傳遞；達(dá)到濁點(diǎn)溫度后表現(xiàn)為封堵性，能夠封堵層理面、微裂縫和小孔隙。鉆井液從井底返至地面時(shí)，因溫度降低，聚合醇又恢復(fù)其水溶性，避免被振動(dòng)篩篩除。利用井溫的變化，使聚合醇在全井段施工中達(dá)到穩(wěn)定井壁、抑制鉆屑分散，降低鉆具扭矩摩阻等目的。AP-1 和聚合醇與能夠軟化變形的瀝青類封堵防塌劑配合使用，通過機(jī)械封堵與化學(xué)封堵相結(jié)合，提高體系整體防塌抑制性。選用強(qiáng)包被劑PLUS 作為大分子包被絮凝劑；XCD 作為流型調(diào)節(jié)劑，潤滑劑選用高效潤滑劑GD-X 和環(huán)保型生物油，協(xié)同提高體系潤滑性。

2.2 巖心浸泡實(shí)驗(yàn)

為研究抑制劑AP-1 的封堵防塌能力，將選自L26-P42 井的青山口組泥巖掉塊，用1% AP-1 溶液在室溫條件下浸泡9 d，每間隔1 d 觀察并記錄巖石表觀形態(tài)、裂縫寬度及其變化情況。實(shí)驗(yàn)表明，1% AP-1 溶液對青山口組泥巖的抑制較為有效，可以提高井壁化學(xué)穩(wěn)定性。

2.3 抗分散性實(shí)驗(yàn)

選取嫩江組、姚家組、青山口組巖屑為研究對象，分別做6 組巖屑滾動(dòng)回收率對比實(shí)驗(yàn)（表1）。分析不同抑制劑的抗泥巖分散能力，進(jìn)而評價(jià)不同抑制劑對不同地層的抑制性強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，AP-1 和聚合醇JY-X 對區(qū)內(nèi)不同巖性地層均有較好的抑制性。

表1 抑制劑評價(jià)實(shí) %

3 鉆井液性能評價(jià)

實(shí)驗(yàn)優(yōu)選后的高性能水基鉆井液具體配方如下：5.00%膨潤土+（0.02%～0.05%）KOH+0.30%Na2CO3+（2.00% ～ 4.00%）鋁基降濾失劑+0.80%AP-1+0.20% NW-1+2.00% HA 樹脂+3.00%瀝青防塌劑+1.00%復(fù)合銨鹽+（0.30% ～0.60%）強(qiáng)包被劑PLUS+（0.10% ～ 0.20%）XCD+2.00%聚合醇JY-X +3.00%潤滑劑GD-X+2.00%環(huán)保型生物油+0.20%乳化劑。

3.1 常規(guī)性能評價(jià)

按配方要求配制鉆井液，測其老化前后流變性、API 失水等常規(guī)性能。從表2 可以看出，高性能水基鉆井液在120 ℃、16.0 h熱滾前后流變性能穩(wěn)定，體現(xiàn)了較好的抗溫性，在塑性黏度和表觀黏度均較低的情況下依然保持了較高的動(dòng)切力和動(dòng)塑比，靜切力值適中，體現(xiàn)了良好的攜巖能力和懸浮穩(wěn)定性。在沒有外來固相的情況下，新配漿的濾失量也較低。

表2 鉆井液常規(guī)性能

3.2 抑制性評價(jià)

取研究區(qū)嫩江組二段、三段、青山口組二段、三段泥頁巖巖屑，通過巖屑滾動(dòng)回收率和線性膨脹實(shí)驗(yàn)評價(jià)高性能水基鉆井液抑制性效果（表3）。

表3 鉆井液抑制性評價(jià)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高性能水基鉆井液的巖屑滾動(dòng)回收率已接近油基鉆井液水平，對研究區(qū)內(nèi)分散性較強(qiáng)的嫩江組二段、三段泥巖回收率達(dá)到95%以上，具有較強(qiáng)的抑制泥頁巖水化分散的能力。

3.3 潤滑性評價(jià)

采用Fann212 型極壓潤滑儀和NZ-3 型泥餅黏滯系數(shù)測定儀，對高性能水基鉆井液及濾餅的潤滑性進(jìn)行了評價(jià)實(shí)驗(yàn)（表4）。測得極壓潤滑系數(shù)為0.101，泥餅黏附系數(shù)為0.026 2。為模擬外來固相對泥餅潤滑性的影響，在高性能鉆井液中再加入2.0%的120 目細(xì)砂（粒徑0.125 mm），經(jīng)API 中壓失水實(shí)驗(yàn)后，再測其濾餅黏附系數(shù)僅為0.034 9。說明高性能水基鉆井液在含砂量達(dá)2.00%的情況下依然具備較好的潤滑性。

表4 鉆井液潤滑性實(shí)驗(yàn)

3.4 抗鉆屑污染能力評價(jià)

將L26-P42 井姚家組泥頁巖巖屑經(jīng)烘干粉碎后，過100 目篩，按不同比例加入待測鉆井液中，測其老化前后的性能（表5）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在巖屑加量最大達(dá)到20%時(shí)，鉆井液各項(xiàng)性能均能保持在合理范圍內(nèi)。體系具有較強(qiáng)的抗鉆屑污染能力。

表5 抗鉆屑污染實(shí)驗(yàn)

3.5 封堵性能評價(jià)

鉆井液的濾失封堵性評價(jià)，主要利用120 目砂床（孔徑0.125 mm），在溫度為120 ℃，壓力為3.5 MPa 的條件下，測量30 min 內(nèi)鉆井液砂床濾失量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。實(shí)驗(yàn)開始后失水量增加緩慢，30 min 內(nèi)累計(jì)失水量為10.6 mL。

針對青山口組泥頁巖裂縫發(fā)育的情況，同時(shí)開展了體系的封堵性實(shí)驗(yàn)。將外徑為25 mm，長為50 mm 的鋼制巖心剖開，通過改變圍壓以調(diào)節(jié)兩側(cè)巖心間空隙大小，分別模擬縫寬為1，10，50 μm 的微裂縫，進(jìn)行鉆井液室內(nèi)封堵實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在120 min 內(nèi)，縫寬1 μm 條件下出液1.0 mL，縫寬10 μm 條件下出液1.8 mL、縫寬50 μm 條件下出液2.0 mL。說明高性能鉆井液對不同量級的微裂縫均具有較好的封堵性能。

圖1 砂床濾失實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.6 儲層保護(hù)效果

使用FDS-800-10000 型動(dòng)態(tài)地層傷害測試評價(jià)系統(tǒng)，針對研究區(qū)天然巖心開展鉆井液儲層損害綜合評價(jià)實(shí)驗(yàn)（表6）。研究表明，經(jīng)污染后的巖心滲透率恢復(fù)率均可達(dá)到90%以上，鉆井液的儲層保護(hù)效果良好。

表6 儲層滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

4 現(xiàn)場維護(hù)處理工藝

L26-P35 井是大慶油田高性能水基鉆井液首批試驗(yàn)井，完鉆層位為青山口組高臺子油層，巖性為一套灰色泥頁巖和深灰色含泥、含鈣粉砂巖組合。完鉆井深為3 500 m，水平段長1 423 m。三開使用Φ215.9 mm 鉆頭，施工段長1 686 m，采用高性能水基鉆井液。

4.1 防塌抑制性

鉆遇地層青山口組以硬脆性泥頁巖為主，黏土礦物類型主要為伊利石和伊蒙混層，具有不分散泥頁巖的典型特征，吸水極易造成剝落掉塊并導(dǎo)致井眼坍塌。青山口組鉆進(jìn)全過程要始終將鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)上限，使井眼保持力學(xué)穩(wěn)定。根據(jù)濾失量的變化補(bǔ)充使用降濾失劑，失水量不高于2.0 mL。正常鉆進(jìn)時(shí)將胺基抑制劑AP-1、聚合醇和瀝青防塌劑復(fù)配成膠液使用，AP-1 的強(qiáng)抑制性控制鉆屑分散、抑制黏土膨脹。瀝青防塌劑吸附在井壁上，達(dá)到部分隔離水相的目的。隨著井溫逐漸上升，利用聚合醇“濁點(diǎn)效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)對地層的進(jìn)一步封堵，達(dá)到穩(wěn)定井壁的作用。

4.2 潤滑性

造斜后，即提前加入高效潤滑劑，在井斜角達(dá)到40°前，潤滑類材料含量不低于5%。根據(jù)日常損耗量估算值、泥餅潤滑性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及工程參數(shù)三方面要素確定補(bǔ)充潤滑材料的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和具體用量。由于水平井井眼軌跡的特殊性，將不可避免地造成鉆具與井壁間大面積、持續(xù)性的接觸摩擦。因此，要解決水平井潤滑性方面的問題除了要提高鉆井液自身潤滑性外，還應(yīng)著重改善泥餅質(zhì)量。固相含量和濾失量大小對泥餅的潤滑性影響很大[4]，在補(bǔ)充潤滑材料的同時(shí)，充分利用固控設(shè)備，將固相含量控制在20%以內(nèi)、含砂量控制在2%以內(nèi)，泥餅?zāi)Σ料禂?shù)不高于0.052 4。同時(shí)，將瀝青防塌劑與聚合鋁降濾失劑復(fù)配膠液使用，一方面可以控制濾失量，另一方面，可以改善泥餅質(zhì)量，減輕鉆具對井壁的沖擊。保持泥餅具有良好的潤滑性。

4.3 攜巖性

研究表明，井斜角達(dá)到40°后，環(huán)空開始出現(xiàn)巖屑上返困難的現(xiàn)象[5-6]，并逐漸形成巖屑沉積，根據(jù)現(xiàn)場鉆井液性能調(diào)整流型調(diào)節(jié)劑加量[7-8]，適當(dāng)提高切力、維持合理動(dòng)塑比、使造斜段鉆井液黏度控制在50～60 mPa·s，動(dòng)塑比維持在0.36～0.60；進(jìn)入水平段需要同時(shí)考慮到防塌因素，將鉆井液的黏度進(jìn)一步提升至60～70 s。為避免形成紊流對井壁的沖蝕，將動(dòng)塑比提至0.48～ 0.60 mPa·s。由于水平井段長、軌跡變化快。施工中應(yīng)配合短程起下鉆以破壞巖屑床，將井底沉砂及時(shí)返出地面。全井鉆井液實(shí)際性能見表7。

4.4 儲層保護(hù)

進(jìn)入油層后，處理思路是在保證井下安全的前提下，盡量將鉆井液調(diào)整至低密度、低固相、低失水、低黏度完井液。油層段鉆進(jìn)通過更換高目數(shù)篩布、混入新漿、提高固控設(shè)備，特別是離心機(jī)使用率等方式，及時(shí)降低鉆井液中細(xì)微固相的含量，以減少其對儲層的傷害。以膠液的形式補(bǔ)充降濾失劑和瀝青防塌劑，進(jìn)一步降低濾失量。嚴(yán)格按照儲層保護(hù)要求選擇超細(xì)碳酸鈣等可解堵材料作為油層堵漏劑[9-10]。

5 應(yīng)用效果分析

統(tǒng)計(jì)高性能水基鉆井液體系所鉆19 口井，平均鉆井時(shí)效指標(biāo)見表8。由表8 可以看出，采用高性能水基體系的水平井在平均機(jī)械鉆速、鉆井周期等主要工程時(shí)效指標(biāo)接近或達(dá)到了油基鉆井液水平?；灸軌驖M足致密油水平井施工要求。對體系進(jìn)行有針對性地維護(hù)調(diào)整后，上部地層的分散造漿和下部地層的頁巖坍塌得到有效控制，基本杜絕了縮徑、鉆具泥包、井壁剝落、垮塌等水基鉆井液帶來的常見問題。215.9 mm 井眼油層段平均井徑擴(kuò)大率8.07%，油層段固井質(zhì)量合格率100%。說明高性能水基鉆井液體系的防塌抑制性強(qiáng)，具有很好的井壁穩(wěn)定能力，可以滿足大慶油田復(fù)雜泥頁巖層的鉆井液技術(shù)要求。

表7 高性能水基鉆井液實(shí)鉆性能

表8 鉆井時(shí)效分析

6 結(jié)論

（1）高性能水基鉆井液體系具有抑制性強(qiáng)、 攜屑性強(qiáng)、潤滑性好、儲層保護(hù)效果顯著等特點(diǎn)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，對嫩江組分散泥巖抑制性好，同時(shí)，對青山口組硬脆性泥頁巖有很高的封堵防塌效果。

（2）現(xiàn)場試驗(yàn)證明，高性能水基鉆井液能夠在地層情況復(fù)雜、水平位移大、井軌變化頻繁的條件下保障井下安全并保持較高的機(jī)械鉆速。施工效果和主要鉆井時(shí)效指標(biāo)接近或達(dá)到油基鉆井液的水平。