適用于遼河致密油地層的高性能鉆井液技術(shù)

于盟，王健，王斐

（1.中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，遼寧盤錦 124010；2.中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧盤錦 124010；3.中國石油天然氣股份有限公司遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦 124010）

沈北沙四段致密油氣資源的開發(fā)中，存在多套壓力層系、目的層長時間注水、注氣，且局部存在高溫高壓情況。近2 年隨著體積壓裂增產(chǎn)措施技術(shù)的成熟和大力推廣應(yīng)用，水平井在目的層段進(jìn)行壓裂投產(chǎn)，而產(chǎn)層大規(guī)模壓裂改變了地層巖石強(qiáng)度和原始性能，分析了最近4 年水平井施工中事故復(fù)雜率時，而以往施工經(jīng)驗難以保證鉆井的井下施工安全，易垮塌地層變得異常敏感、脆弱，卻沒有針對這些問題及時作出正確的改變，并提出相應(yīng)的解決方案[1-5]。為了保證致密油氣資源的有效開發(fā)，在分析油頁巖黏土礦物含量和微裂縫、孔隙發(fā)育的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了處理劑的優(yōu)選和復(fù)配，構(gòu)建了一套具有強(qiáng)封堵、強(qiáng)抑制的高性能鉆井液體系，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 泥頁巖地層井壁失穩(wěn)原因分析

1.1 全巖定量檢測和黏土礦物相對含量分析

采用日本理學(xué)X 射線衍射儀UltimalV，對沈268-H308 井沙四段泥巖掉塊做全巖定量檢測和黏土礦物相對量分析，結(jié)果見表1、表2。由表1 可知，沈北區(qū)塊沙四段泥巖礦物組分差異大，非均質(zhì)性強(qiáng)，其中黏土礦物含量為39.3%；非黏土礦物中石英、長石、方解石、白云石等脆性礦物含量為55.1%，表明其巖石脆性強(qiáng)，屬性特征明顯。由表2 可知，其主要成分為伊利石、綠泥石和高嶺石，占比為88%，無蒙皂石發(fā)育。其中伊蒙混層占比為11%，占全巖含量為4.147%。黏土礦物含量較高，主要以伊利石和綠泥石為主，屬脆性泥巖，分析其為弱水敏、弱酸敏特征。井壁穩(wěn)定性控制主要是抑制伊蒙混層水化膨脹和綠泥石剝落掉塊。

表1 沈268-H308 井沙四段泥巖全巖定量檢測 （%）

表2 沈268-H308 井沙四段泥巖黏土礦物相對含量

1.2 高壓壓汞分析

高壓壓汞儀可以測量粉末或多孔材料的孔徑分布、孔體積、比表面積、堆積密度、表觀密度、孔隙度、顆粒分布及相關(guān)特性（見圖1），分析范圍3.6 nm 至440 μm。高壓壓汞實驗技術(shù)最大進(jìn)汞壓力達(dá)350 MPa，最小測試孔徑達(dá)2 nm，對致密儲層孔徑分布研究具有較強(qiáng)的適用性，可以對致密儲層微孔喉分布進(jìn)行定量研究。對2 塊沙河街組四段泥巖掉塊進(jìn)行高壓壓汞實驗分析，1#巖樣干重為1.841 g，長度為1.601 cm，體積為0.804 mL；2#巖樣干重為1.591 g，長度為1.312 g，體積為0.659 mL。巖樣直徑均為0.800 m，巖樣密度均為2.520 g/cm3，最大孔隙半徑均為5.902 μm，孔隙分布峰位均為6.300 μm，得到數(shù)據(jù)見表3。

圖1 沈268-H308 井沙河街組四段泥巖孔隙分布

表3 沈268-H308 井沙河街組四段泥巖高壓壓汞實驗

1.3 場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡分析

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡FESEM 可以直觀觀察泥頁巖表面的微裂縫與孔隙。共分析目的區(qū)塊掉塊6 塊，區(qū)塊探井巖心4 塊見圖2?？芍坑^察到微米級微裂縫和納米級孔隙發(fā)育，表明泥頁巖中微裂縫和孔隙發(fā)育豐富，具有微裂縫。放大1600 和3000 倍顯示碎屑礦物溶蝕形成粒內(nèi)孔隙和微裂隙。放大6000 倍下顯示，微裂縫及蜂窩狀小孔洞較發(fā)育，微裂縫寬度不一，主要分布在300～500 nm，放大12 000 倍下顯示，層間微縫隙較發(fā)育，出現(xiàn)100～600 nm 裂縫。

圖2 沈北沙河街組四段泥頁巖掃描電鏡圖片

結(jié)合以上分析可知，沈北致密油泥巖礦物組分差異大，非均質(zhì)性強(qiáng)，脆性礦物含量為57.1%，表明其巖石脆性強(qiáng)，硬脆性屬性特征明顯，機(jī)械碰撞易導(dǎo)致其破碎、掉塊；黏土礦物含量為37.3%，不含蒙皂石，為弱水敏、弱酸敏特征。樣品表面微裂縫發(fā)育，孔縫多為1～6 μm?？紫斗植贾饕性?～32 nm 和2.5～15.0 μm 之間，孔隙度普遍在2.2%～2.4%之間。沈頁-1 樣品直徑為8～12 μm的孔隙占比為27%，直徑6～32 nm 孔隙占比為43.5%；D50為40 nm，D90為9 μm。沈352 井樣品8～12 μm 孔隙占比為46.1%，6～32 nm 孔隙占比為33.138%；D50為4 μm，D90為10 μm。沈北致密油和臨井巖心微裂縫發(fā)育豐富，孔隙度為3.4%～5.2%，孔隙連通性好，連通率在36%～41%之間，吼道長度206～257 μm，D50為16.7 μm，D90為28.8 μm。根據(jù)泥頁巖理化性能分析得出納米級封堵劑的粒徑分布D50應(yīng)在6～32 nm 之間，微米級封堵劑D50應(yīng)該在2.5～15.0 μm 之間，能對納微米級裂縫實現(xiàn)最大封堵。

2 技術(shù)難點分析

2.1 硬脆性泥頁巖納微米孔縫發(fā)育豐富、井壁穩(wěn)定性差

2015～2018 年沈北區(qū)塊共施工深水平井10口，其中2 井次發(fā)生嚴(yán)重劃眼事故，其他水平井也均有不同程度的劃眼情況發(fā)生；沙四泥巖井段、施工周期數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表4。由于沒有針對性的封堵措施，沈北沙四段泥頁巖在普通水基鉆井液中的水化周期基本為20 d，而鉆井周期和完井周期超過泥巖的水化周期；從近4 年沙四段泥巖發(fā)生井壁坍塌的井段和井斜數(shù)據(jù)來看，當(dāng)在易垮塌地層中全力定向，井斜角在30°～60°之間時，地層應(yīng)力集中釋放，使地層變得更加不穩(wěn)定，加之起鉆至定向段時鉆具大部分與上井壁接觸，附加拉力基本作用于上井壁，也加劇了井壁失穩(wěn)，所以該區(qū)塊在水平井施工過程中井壁坍塌頻繁。

表4 沈北水平井沙四泥巖井段、施工周期數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.2 水平段摩阻、扭矩大

沈北水平井水平段和水平位移數(shù)據(jù)見表5。

表5 沈北水平井水平段和水平位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計

近2 年隨著水平井體積壓裂的要求，水平段比以往增加200～500 m，一般在600～1200 m 之間，水平位移在1000～1500 m 之間，水平段施工中后期，鉆具直接壓在下井壁上，鉆井液只能從鉆具上通過，下井壁容易形成巖屑床，導(dǎo)致上提下放鉆具的磨阻和鉆具旋轉(zhuǎn)時的扭矩大；水平段施工時為了保證油層鉆遇率，不斷調(diào)整井斜，軌跡呈S 型，甚至是波浪型；為了保證上部井壁穩(wěn)定，高密度高壓差增加磨阻和扭矩。

2.3 窄密度窗口問題突出

為了保證沙四段泥巖井壁穩(wěn)定，在進(jìn)入沙四段泥巖前，鉆井液密度一般在1.45～1.47 g/cm3，水平段施工時為了保證上部泥巖井壁的穩(wěn)定，鉆井液密度維持在1.50～1.55 g/cm3左右，最高密度達(dá)到1.60 g/cm3。而在進(jìn)入沙四泥巖段前提密度的過程中，滲透性好的砂巖極易發(fā)生井漏，防漏與防塌兼顧困難，沈北水平井井漏、滲漏數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表6。

表6 沈北水平井井漏、滲漏數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.4 鉆井液抑制性不足、穩(wěn)定性差

在施工后期，普遍有機(jī)硅鉆井液體系存在加溫增稠現(xiàn)象，動、靜切力增加，靜置老化后基本喪失流動性。這是因為二開井段存在大段泥巖，有機(jī)硅鉆井液體系抑制性不強(qiáng)，泥巖中黏土礦物水化后易分散到鉆井液中，同時黏土礦物在機(jī)械降級作用下進(jìn)一步細(xì)分散在鉆井液中，很難被固控設(shè)備清除。

3 技術(shù)對策

針對以上技術(shù)難點，提出以下4 點技術(shù)對策。

1）通過優(yōu)選胺基抑制劑、高效極壓潤滑劑，構(gòu)建了具有強(qiáng)抑制和封堵性能好的高性能水基鉆井液體系，提高鉆井液對泥頁巖的抑制性，滿足長水平段水平井對鉆井液潤滑性能的要求。

2）優(yōu)選封堵劑。針對沙河街組4 段泥頁巖孔縫發(fā)育，優(yōu)選納微米級封堵劑，并進(jìn)行封堵劑配伍性研究，提高鉆井液封堵性能。

格式特征是指電子郵件中除開標(biāo)題與正文的部分，格式特征由稱呼語、敬語、署名和書寫日期等組成。在研究中將格式特征劃分為內(nèi)模式與外模式兩種特征，其中內(nèi)模式指的是電子郵件中的稱呼語、作者署名以及書寫日期等除開正文之外的部分。而外模式指的是電子郵件中各段落出現(xiàn)的換行數(shù)，以及正文中出現(xiàn)的空格數(shù)?；谏鲜鎏攸c將格式特征劃分為表2所示的5種。

3）提密度一次到位。根據(jù)該區(qū)塊施工經(jīng)驗，進(jìn)入沙四泥巖段之前密度必須一次到位，該區(qū)塊地層壓力系數(shù)為1.4～1.5，由于生產(chǎn)井進(jìn)行大規(guī)模體積壓裂，地層巖石原始強(qiáng)度改變，密度應(yīng)該維持在1.45～1.47 g/cm3，避免在泥巖段施工時邊鉆進(jìn)邊提密度。

4）加封堵劑一次到位?，F(xiàn)場施工中封堵劑加量一次到位，保證泥巖段鉆井液具有強(qiáng)封堵性能，進(jìn)入泥巖段前按照配方的比例一次性把各種封堵劑的量加夠，短時間內(nèi)提高鉆井液防塌能力達(dá)到上限，能有效控制泥巖段井壁失穩(wěn)。

4 室內(nèi)研究

4.1 鉆井液配方研究

4.1.1 胺基抑制劑

優(yōu)選了3 種胺基抑制劑（1#、2#和3#），用頁巖滾動回收實驗和黏土膨脹實驗評價其對鉆井液體系的抑制性。將泥頁巖樣品與鉆井液裝入老化罐中，在120 ℃下熱滾16 h，測定了泥頁巖的回收率和黏土在鉆井液體系中的線性膨脹率，結(jié)果見表7。由表7 可知，3#頁巖回收率最高，膨脹率最低，膨脹率降低率最大[6-10]。

表7 不同胺基抑制劑對泥頁巖回收率和黏土膨脹率的影響

4.1.2 極壓潤滑劑

表8 Suplube 對鉆井液性能的影響

4.1.3 封堵劑

根據(jù)泥頁巖理化性能分析得出納米級封堵劑的粒徑分布D50應(yīng)在6～32 nm 之間，微米級封堵劑D50應(yīng)該在2.5～15 μm 之間，能對納微米級裂縫實現(xiàn)最大封堵。以此為依據(jù)，優(yōu)選出3 種封堵劑，其中一種為納米封堵劑FD-1，2 種微米級封堵劑，F(xiàn)D-2，F(xiàn)D-3，當(dāng)其比例為2∶3∶1 時其粒徑累計分布與地層孔隙分布相當(dāng)。

4.1.4 高性能鉆井液配方

通過優(yōu)選3 種主要處理劑，配伍常規(guī)抗鹽降失水劑、流型調(diào)節(jié)劑等功能型處理劑，建立了一套高性能鉆井液，其配方如下。

（2%～3%）膨潤土粉+0.5%PAC-LV+1.5%Starch-CM+0.3%抗高溫增黏劑+0.5%胺基抑制劑+1.3%納米封堵劑+0.025%燒堿+8% KCl+2.5%微米封堵FD-2+0.625%微米封堵劑FD-3+3%極壓潤滑劑+殺菌劑+消泡劑+加重劑

4.2 鉆井液性能研究

4.2.1 抑制性

對建立的高性能鉆井液配方進(jìn)行抑制性評價。采用巖屑三次滾動回收和線性膨脹率方法評價其對沈北區(qū)塊泥頁巖的抑制性能，結(jié)果見表9。

表9 清水和高性能鉆井液體系的回收率和膨脹率

實驗結(jié)果表明，采用K+和胺基類抑制劑雙重抑制，建立的高性能鉆井液配方抑制性好，一次滾動回收率大于93%，三次滾動回收率接近80%。8 h 線性膨脹率僅為10.83%，這是因為K+具有“鑲嵌”作用，胺基類抑制劑產(chǎn)生質(zhì)子化的銨根離子可嵌入黏土層中。降低并限制黏土層的間距與膨脹。

4.2.2 封堵性

分別制作模擬裂縫寬度為10 μm 的巖樣4 塊，室內(nèi)配制鉆井液。按操作步驟分別進(jìn)行4 塊巖樣的封堵評價實驗，記錄不同時間點的累計出液量，曲線如圖3和圖4 所示。可知，在初始階段出液量都較大，但在80 min 以后，曲線趨于平穩(wěn)，說明該鉆井液對微裂縫都進(jìn)行了有效封堵?？梢钥闯?，經(jīng)優(yōu)化后鉆井液在裂縫性泥巖中的濾失量由約11 mL降低至4.5 mL，濾失量降低59%，下降到原來的一半以下，滲透率降低超過50%。

圖3 1#和2#組泥頁巖優(yōu)化前后濾失量曲線

圖4 3#和4#組泥頁巖優(yōu)化前后濾失量曲線

5 現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 沈268-H308井和沈268-H102井對比

沈268-H308 井使用有機(jī)硅鉆井液體系進(jìn)行二開施工，多次發(fā)生井壁垮塌、卡鉆、填井等惡性復(fù)雜事故；沈268-H102 井二開采用高性能鉆井液體系，完成了該井的施工，首次實現(xiàn)了該區(qū)塊零事故、零復(fù)雜作業(yè)，并打破區(qū)塊最快施工紀(jì)錄。

5.1.1 性能參數(shù)對比

沈268-H308 井和沈268-H102 井馬氏漏斗黏度、稠度曲線對比，見圖5 和圖6?？芍?，進(jìn)入沙四泥巖后高性能體系的黏度和切力要明顯高于有機(jī)硅體系，有利于水平段后期的巖屑攜帶。

圖5 沈268-H308 井和沈268-H102 井馬氏漏斗黏度對比曲線

圖6 沈268-H308 井和沈268-H102 井稠度系數(shù)對比曲線

5.1.2 井徑數(shù)據(jù)對比

沈268-H308 井和沈268-H102 井井段平均井徑和井徑擴(kuò)大率數(shù)據(jù)對比見表10。由此可知，高性能體系施工的各個井段平均井徑均要小于有機(jī)硅體系，特別是進(jìn)入沙四段泥巖開始定向和全力定向后，井壁非常穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)坍塌掉塊現(xiàn)象，井徑規(guī)則，井徑擴(kuò)大率小于10%，為下步電測、通井和下套管創(chuàng)造有利條件。

表10 沈268-H308 井和沈268-H102 井井段平均井徑和井徑擴(kuò)大率數(shù)據(jù)對比

5.1.3 應(yīng)用效果對比

從表11 可以看出，使用高性能體系并調(diào)整鉆井液性能參數(shù)后，沒有出現(xiàn)井壁失穩(wěn)和大面積垮塌，施工順利、高效，提速明顯。

表11 沈268-H308 和沈268-H102 井施工效果對比

5.2 沈257-H212井現(xiàn)場應(yīng)用

該井處理井漏56 d，井壁未發(fā)生失穩(wěn)情況，從另外一方面該體系也體現(xiàn)出了在長時間處理井漏時，鉆井液性能穩(wěn)定，抑制防塌性能優(yōu)良的優(yōu)點，避免了惡性復(fù)雜事故發(fā)生。該井現(xiàn)場施工時采用高性能體系，沙四段泥巖未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)問題，施工順利。

5.3 使用效果對比

總結(jié)了2015～2019 年使用高性能體系和不使用高性能體系前后施工井的效果對比，結(jié)果見表12。由表12 可以看出，使用高性能鉆井液體系后，基本解決了沈北和曙光地區(qū)二開深水平井易垮塌地層的井壁失穩(wěn)問題，同時也減少了井漏后帶來的井壁失穩(wěn)問題。

表12 2015～2019 年使用高性能鉆井液體系前后施工效果

6 結(jié)論

通過分析沈北區(qū)塊油頁巖理化性能，針對性的優(yōu)選了封堵劑、胺基抑制劑和極壓潤滑劑，建立了一套高性能鉆井液體系，該體系具有強(qiáng)抑制性和強(qiáng)封堵性。一次滾動回收率大于93%，三次滾動回收率接近80%。8 h 線性膨脹率僅為10.83%，裂縫性泥巖中的濾失量降低59%，滲透率降低超過50%。在沈268-H102 和沈257-H212 井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，效果顯著。高性能鉆井液抑制防塌性能強(qiáng)，在整個二開造斜段和水平段鉆進(jìn)過程中井壁穩(wěn)定無坍塌、起下鉆順利，利于維護(hù)。無復(fù)雜情況和事故發(fā)生，鉆井周期僅為38.8 d，較臨近相比節(jié)約周期227 d。高性能鉆井液可以解決沈北區(qū)塊硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)的問題，可以推廣應(yīng)用。