準(zhǔn)北2井防塌鉆井液技術(shù)

周曉軒 龔 偉 郝澤君 秦 濤 邱春陽

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營，257000)

準(zhǔn)北2井是中石化勝利石油工程有限公司重點預(yù)探井，位于新疆阿勒泰地區(qū)福?？h喀拉瑪蓋鎮(zhèn)南，構(gòu)造位置屬于準(zhǔn)噶爾盆地石西凹陷。該井設(shè)計井深4830m，實際完鉆井深為4753m，鉆探目的是了解石西凹陷東部二疊系、石炭系含油氣情況，落實石炭系烴源巖發(fā)育情況。由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層巖性及壓力系數(shù)多變，施工中鉆井液技術(shù)難度大。通過使用聚胺強封堵鉆井液體系，配合現(xiàn)場鉆井液維護處理工藝，保證了鉆井施工的順利進行。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

準(zhǔn)北1井設(shè)計井深4830m，采用三開制井身結(jié)構(gòu)，一開采用Φ444.5mm鉆頭鉆至井深1006.00m，Φ339.7mm表層套管下深至1005.00m；二開采用Φ311.2mm鉆頭鉆至井深3305.00m，下入Φ244.5mm技術(shù)套管至井深3304.86m；三開采用Φ215.9mm鉆頭鉆至井深4753.00m完鉆，裸眼完井。

1.2 地質(zhì)概況

實鉆揭示，準(zhǔn)北2井地層巖性如下：古近系巖性為砂質(zhì)黏土及粉砂巖；白堊系上部為棕紅色泥巖與灰色泥質(zhì)粉砂巖互層，下部為褐灰色泥巖為主夾灰色粉砂巖；西山窯組為灰色細砂巖、粉砂巖、含礫細砂巖與灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖不等厚互層，夾煤層；三工河組以灰色、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾灰色細砂巖、粉砂巖、含礫細砂巖；八道灣組以灰色、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾灰色細砂巖、粉砂巖、含礫細砂巖。局部發(fā)育灰色煤層；白堿灘組以深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾薄層灰色粉砂巖；風(fēng)城組上部以深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾灰色細砂巖。中部以棕紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾棕紅色泥質(zhì)粉砂巖、含礫細砂巖、礫巖、凝灰?guī)r；巴山組上部為棕紅色、灰色泥巖、凝灰質(zhì)泥巖與棕紅色、灰色凝灰?guī)r、安山巖、火山角礫巖、玄武巖不等厚互層，下部為一套玄武巖，一套火山噴發(fā)巖。底部為一套變質(zhì)花崗巖。

2 鉆井液技術(shù)難點

(1)上部地層大井眼機械鉆速快，大的環(huán)空間隙導(dǎo)致巖屑上返速度低，容易造成巖屑被鉆頭反復(fù)切削，一則降低勘探開發(fā)效率；二則巖屑不能及時帶出井眼，導(dǎo)致沉砂卡鉆。

(2)侏羅系西山窯組和三工河組為砂巖和泥巖互層，夾有煤層。八道灣組泥巖中夾有砂巖，局部發(fā)育煤層。砂巖吸水后強度降低，造成上覆泥巖和煤層坍塌；煤層破碎性強，在鉆具撞擊下易掉塊，造成井壁失穩(wěn)。

(3)鳳城組和巴山組地層中棕紅色泥巖較軟，井眼形成后，紅色泥巖在上覆地層的壓力下易向井眼內(nèi)釋放，造成縮徑卡鉆；巴山組下部玄武巖和凝灰?guī)r硬脆，鉆井過程中易造成應(yīng)力性垮塌和硬脆性垮塌，導(dǎo)致井徑擴大率增大，影響固井質(zhì)量。

(4)二開及三開井段為長裸眼井段，裸眼井段上部和下部地層巖性不同，地層壓力系數(shù)不一樣，并且長裸眼井段施工時間長，井壁受鉆井液浸泡時間長，裸眼井段井壁失穩(wěn)幾率增大。

(5)準(zhǔn)北1井完鉆井深為4353.00m，準(zhǔn)北2井下部近500m為鉆探盲區(qū)，無實鉆資料可供借鑒，施工中不可預(yù)知因素多，井壁失穩(wěn)幾率大。

3 鉆井液體系研究

3.1 鉆井液體系配方

通過調(diào)研國內(nèi)深井[1-3]、超深井[4-6]及煤層[7-9]鉆井液技術(shù)，參考鄰井鉆井液施工經(jīng)驗[10]，經(jīng)過鉆井液體系優(yōu)化，決定使用聚胺強封堵鉆井液體系，基本配方如下：

(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-2+(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。

3.2 鉆井液體系作用機理

胺基硅醇能夠與黏土在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，緊密連接在一起，并通過電荷吸附在黏土表面形成疏水層，阻止黏土顆粒的水化分散[11]；聚合醇的“濁點效應(yīng)”能夠阻止泥頁巖水化分散，并封堵巖石孔隙[12]；鋁基聚合物能夠與黏土結(jié)合形成具有固結(jié)作用的硅鋁酸鹽不滲透層，阻止濾液對地層的侵入，并能夠與地層中多價陽離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，增強井壁穩(wěn)定性[13]；納米封堵劑能夠?qū)Φ貙游⒓{米級孔隙及裂縫進行封堵，并能夠提高泥餅的致密性，進一步增強井壁的穩(wěn)定性[14]。

4 現(xiàn)場鉆井液技術(shù)

4.1 二開鉆井液技術(shù)

(1)開鉆前在套管內(nèi)調(diào)整一開鉆井液性能，達到二開設(shè)計要求后開鉆。鉆進中以PAM膠液維護鉆井液性能，保證PAM濃度達到0.25%，依靠聚合物大分子包被鉆屑，防止鉆屑分散。

(2)鉆進中鉆井液密度控制在設(shè)計上限；2000m后鉆井液密度逐漸提高，保證鉆井液液柱壓力平衡地層坍塌壓力。

(3)鉆進過程中使用胺基硅醇保證鉆井液體系的抑制性，胺基硅醇濃度達到1.0%，配合0.5%鋁基聚合物防塌劑，抑制泥頁巖水化分散。

(4)鉆進過程中，上部地層使用屏蔽暫堵劑和超細碳酸鈣封堵地層孔隙和裂縫，防止井漏；下部地層中加入井壁穩(wěn)定劑和納米封堵劑，特別是在煤層井段，加大井壁穩(wěn)定劑的含量，使鉆井液在井壁上形成良好泥餅，降低鉆井液濾液向地層的滲透。

(5)鉆進中鉆井液漏斗黏度控制在45s左右，將鉆井液流型控制在紊流狀態(tài)；進入下部地層，逐漸提高漏斗黏度，提高鉆井液的懸浮攜帶能力。

(6)上部地層使用銨鹽控制鉆井液濾失量；下部地層中加入磺化酚醛樹脂，提高鉆井液體系的抗溫及抗鹽性能，降低高溫高壓濾失量。

(7)振動篩、除砂器、除泥器保持正常運轉(zhuǎn)，適度使用離心機，充分利用固控設(shè)備及時清除鉆井液中的無用固相，防止鉆屑重復(fù)研磨，維持較低的固相含量，利于提高機械鉆速。

(8)二開中完措施：①充分循環(huán)鉆井液，待振動篩無返砂減少后，配制稠鉆井液清掃井底，凈化井眼。②進行短起下鉆，測量油氣上竄速度，保證在電測期間不會發(fā)生安全事故。③配置高黏切鉆井液封閉2200m以下井段，確保后續(xù)中完作業(yè)順利。

4.2 三開鉆井液技術(shù)

(1)開鉆前預(yù)處理。使用二開井漿鉆水泥塞。鉆水泥塞過程中加入純堿，降低鉆井液中鈣離子污染；在套管內(nèi)循環(huán)二開井漿，開動四級固控設(shè)備，將鉆井液密度降低至1.10 g/cm3，性能達到設(shè)計要求后開鉆。

(2)密度控制。鉆進過程中鉆井液密度始終控制設(shè)計下限，即鉆井液密度控制在1.10g/cm3，便于發(fā)現(xiàn)油氣藏，提高勘探開發(fā)效果。

(3)抑制性控制。鉆進中及時補充1%胺基硅醇和1%鋁基聚合物防塌劑，保持鉆井液體系的抑制性，抑制泥頁巖水化分散，防止裸眼井段被長期浸泡而產(chǎn)生垮塌掉塊。

(4)封堵性控制。使用2%井壁穩(wěn)定劑、3%納米封堵劑和1.5%無水聚合醇保持鉆井液體系的封堵性，利用納米封堵劑，在裸眼井壁構(gòu)筑薄及低滲透性的泥餅，封堵地層微裂縫和孔隙，防止井壁失穩(wěn)；定期補充8.0%預(yù)水化膨潤土漿，參與泥餅顆粒的構(gòu)成，提高封堵效果。

(5)濾失量控制。使用磺化酚醛樹脂SMP-2和磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP-2來控制體系的濾失量。嚴格控制中壓濾失量小于3.0mL，高溫高壓濾失量低于12mL，減緩濾液在高溫高壓條件下向井壁滲透。

(6)流變性能控制。鉆井液漏斗黏度控制在50s左右，流型控制在層流狀態(tài)，保持鉆井液的護壁防塌能力；定期補充預(yù)水化膨潤土漿，增強鉆井液體系懸浮攜帶能力。

(7) 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，封閉井底裸眼井段，通過靜止封堵的形式，讓防塌劑進入地層，從而達到較為理想的封堵效果。

(8)合理使用固控設(shè)備，振動篩、除泥器和除砂器同時使用，間接開動離心機，保持鉆井液體系中的劣質(zhì)固相在低含量狀態(tài)，維持體系合理的流變性。

(9)完井作業(yè)：①鉆完進尺后充分循環(huán)鉆井液，配制高黏切鉆井液凈化井眼。②起鉆換牙輪通井鉆具通井，下鉆到底后，循環(huán)鉆井液2個循環(huán)周時間，泵入高黏切鉆井液凈化井眼。③配制封井漿封閉裸眼井段，保證完井作業(yè)順利。

5 結(jié)論及建議

(1)聚胺強封堵鉆井液體系抑制性好，有效抑制了巖屑的水化分散，振動篩返出的巖屑棱角分明，無二次研磨痕跡。

(2)聚胺強封堵鉆井液體系封堵能力強，形成的泥餅薄而致密，對地層孔隙及微細裂縫進行了有效封堵，全井無掉塊返出。

(3)取芯作業(yè)順利，巖芯收獲率為100%；全井起下鉆順利；電測順利；下套管一次成功率為100%。

(4)井眼質(zhì)量良好，二開井徑平均擴大率為7.40%；三開井徑平均擴大率為8.45%。

(5)侏羅系含煤層和石炭系火山巖井段鉆進過程中，必須保證納米封堵劑的含量，并配合一定的膨潤土漿，確保形成良好泥餅，保證對地層的強效封堵。