土庫(kù)曼斯坦白堊系不穩(wěn)定地層鉆井液技術(shù)

鄧仕奎， 李華坤,2， 陳 鑫,2,3， 向朝綱,2， 高利華,2,3， 王 棋,2

(1中石油川慶鉆探工程有限公司土庫(kù)曼斯坦分公司 2中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 3低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室)

鉆井液作為影響井眼穩(wěn)定系統(tǒng)的重要可調(diào)變量，其性能優(yōu)劣是決定鉆井成功與否的關(guān)鍵[1]。土庫(kù)曼斯坦阿姆河右岸東部山前構(gòu)造地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉆井實(shí)踐中存在長(zhǎng)段水敏性和硬脆性泥巖、斷層破碎帶井壁失穩(wěn)、大井眼井筒清潔等工程、地質(zhì)、鉆井液系列技術(shù)難題[2-4]。其中白堊系地層井壁失穩(wěn)導(dǎo)致的阻卡、鉆頭泥包以及蹩鉆等復(fù)雜突出，成為提速增效的主要瓶頸。本文開(kāi)展了白堊系地層巖屑和地表露頭巖石理化分析，以此作為治理井壁失穩(wěn)理論依據(jù)，結(jié)合大井眼鉆井水力學(xué)特征，進(jìn)行鉆井液工藝技術(shù)優(yōu)化。

一、白堊系地層復(fù)雜統(tǒng)計(jì)與分析

對(duì)已鉆四口井白堊系(500～2 300 m)大井眼(?444.5 mm)井段復(fù)雜類型及電測(cè)井徑進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明：①?gòu)膹?fù)雜類型看，卡鉆(上提遇卡和下鉆遇阻)、泥包為主要鉆井復(fù)雜；②從井徑數(shù)據(jù)看，阻卡井段井眼呈縮徑現(xiàn)象：中下部井段井徑偏大，最大井徑多分布于各層位不整合交界面位置，為薄弱垮塌嚴(yán)重井段；③從返出垮塌物來(lái)看，不穩(wěn)定地層巖性主要為灰綠色泥巖、灰褐色硬脆性泥巖以及黑色破碎狀的泥巖。

二、巖石理化性能實(shí)驗(yàn)

1. 礦物組分和掃描電鏡分析

采用XRD對(duì)白堊系失穩(wěn)井段巖屑進(jìn)行礦物組分分析表明：①主要礦物成分為黏土礦物、石英和長(zhǎng)石等脆性礦物以及白云石、方解石、石膏。地層層序從上到下K2sn→K2t→K2s→K1al隨著井深增加，黏土礦物含量減少，石英類脆性礦物含量增加。其中K2sn層黏土礦物含量最高達(dá)44.36%，K2al脆性礦物含量最高達(dá)68.16%；②黏土礦物以伊利石(I)、綠泥石(C)、高嶺石(K)、伊/蒙混層(I/S)為主 ，K1al和K2s井段缺失蒙脫石；③白堊系中下部地層石英和長(zhǎng)石等脆性礦物含量高，相對(duì)含量介于47%～68%，屬于脆性泥巖。

選用Quanta450型掃描電鏡，在50倍分辨率下觀察樣品微觀結(jié)構(gòu)(圖1)看出：K2sn層巖石呈現(xiàn)出弱膠結(jié)狀態(tài)，且結(jié)構(gòu)松散。K2t、K2s、K1al層巖石微裂縫、孔隙和層理發(fā)育，鉆井液沿裂縫和微裂縫滲入黏土層面而導(dǎo)致巖石損傷是井壁失穩(wěn)的主要原因。

圖1 不同層位巖屑電鏡照片

2. 泥頁(yè)巖水化特征實(shí)驗(yàn)

采用線性膨脹和滾動(dòng)回收試驗(yàn)測(cè)定巖屑水化膨脹和分散性能，并對(duì)其在清水浸泡后微觀結(jié)構(gòu)變化特征進(jìn)行研究(實(shí)驗(yàn)條件：浸泡溫度90℃，浸泡時(shí)間48 h)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：清水介質(zhì)中上部地層巖樣線膨脹率>10%，滾動(dòng)回收率<50%，屬于易水化膨脹和分散地層；中下部巖樣線性膨脹率<4%，滾動(dòng)回收率>80%，屬于弱膨脹、弱分散性地層。結(jié)合圖2可以看出：上部地層浸泡24 h巖樣晶格間距增大，頁(yè)巖表面孔洞明顯增多；中下地層存在微裂縫和孔隙及層理，浸泡過(guò)程中水沿著裂縫形成自吸效應(yīng)，裂縫明顯變寬變深，巖石強(qiáng)度降低，坍塌壓力增加[5-7]。

圖2 巖樣浸泡前后電鏡照片

三、鉆井液工藝技術(shù)優(yōu)化

1. 鉆井液體系優(yōu)化

1.1 鉆井液抑制性能優(yōu)化

對(duì)于易分散水化膨脹的強(qiáng)水敏地層，鉆井液抑制性能是關(guān)鍵。提高鉆井液對(duì)地層的水化抑制能力實(shí)質(zhì)是通過(guò)鉆井液處理劑提高鉆井液抑制黏土滲透水化、包被和絮凝能力[8]。原體系利用兩性離子包被劑、流型調(diào)節(jié)劑和兩性離子降黏劑復(fù)配使用。實(shí)踐表明其不能完全滿足長(zhǎng)裸眼泥巖段優(yōu)快鉆井工程要求。原配方A為：3%膨潤(rùn)土漿+ 0.15%NaOH+0.8%聚陰離子纖維素+0.5%兩性離子包被劑+0.5%陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑+0.3%流型調(diào)節(jié)劑+重晶石。

抑制劑優(yōu)選評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果表明：原體系中引入聚胺抑制劑JAY、有機(jī)鉀鹽和氯化鉀后，滾動(dòng)回收率由85.1%提高至97.5%，線性膨脹率由16.4%降低至3.6%，巖石抗壓強(qiáng)度降低率由37.3%降低至7.1%。原配方A+5%氯化鉀+10%有機(jī)鉀鹽+1.2%JAY,優(yōu)化后大幅度提高了抑制泥頁(yè)巖水化膨脹、分散，維持巖石強(qiáng)度的性能。

1.2 鉆井液封堵性能優(yōu)化

針對(duì)破碎性、硬脆性地層，液相的進(jìn)入和壓力傳遞是導(dǎo)致此類泥頁(yè)巖地層發(fā)生井壁失穩(wěn)的主要誘因，有效封堵是井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵[9-10]。優(yōu)化鉆井液封堵性能思路基于裂隙尺寸的架橋顆粒優(yōu)選、地層溫度下軟化變形粒子優(yōu)選以及疏水顆粒阻隔毛細(xì)管吸力“多元協(xié)同”。

圖3 封堵微裂縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果(縫寬：20 μm)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3)看出：原鉆井液體系在90℃、3.5 MPa條件下對(duì)微裂縫和孔隙性泥頁(yè)巖地層封堵效果不佳，初始濾失量大，且累計(jì)濾失量增加速度快，累計(jì)濾失量(30 min)>18 mL，說(shuō)明未能形成致密封堵層。原體系中添加3%低軟化點(diǎn)粒子+1%微米纖維后，可降低累計(jì)濾失量(30 min)<12 mL，快速形成“零”濾失層，短時(shí)間到達(dá)累計(jì)濾失量峰值。結(jié)合封堵層宏觀微觀結(jié)構(gòu)看出(圖4)：在一定溫度和壓力下軟化粒子發(fā)生形變，其封堵性不受孔隙尺寸限制，與黏土顆粒、纖維以及石蠟、聚合醇等形成顆粒團(tuán)簇一起被擠入到裂縫中去形成封堵帶；同時(shí)軟化變形粒子可以進(jìn)一步壓縮變形封堵填充滲流通道，使其變得更加致密而大幅降低濾失量達(dá)到理想封堵效果。

圖4 縫板和濾紙封堵照片

優(yōu)化后鉆井液配方：3%膨潤(rùn)土+0.15%NaOH+0.2%兩性離子包被劑+ 0.8%羧甲基纖維素+0.3%流型調(diào)節(jié)劑+3%降濾失劑改性瀝青粉+2%乳化石蠟+2%聚合醇+3%超細(xì)鈣(D50≤5 μm)+1.0%微米纖維+5%氯化鉀+重晶石。

1.3 鉆井液流變參數(shù)優(yōu)化

鉆井液流變性參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與合理調(diào)控對(duì)井壁穩(wěn)定、井眼清潔以及水力馬達(dá)利用具有重要意義?；谄桨逍蛯恿鲾y巖理論和井壁穩(wěn)定對(duì)環(huán)空流態(tài)的要求，采用水力參數(shù)計(jì)算軟件，在預(yù)定的井眼結(jié)構(gòu)、鉆具尺寸、排量等條件限制下，計(jì)算不同流變參數(shù)對(duì)井眼凈化效率的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 臨界返速、流型、攜巖效率以及總壓耗理論計(jì)算數(shù)據(jù)

理論計(jì)算表明：動(dòng)塑比和低轉(zhuǎn)速下黏度值與臨界環(huán)空返速、攜巖效率以及循環(huán)總壓耗成正比。當(dāng)動(dòng)塑比<0.1，在一定排量和環(huán)空尺寸下，環(huán)空臨界返速大于實(shí)際環(huán)空流速，此時(shí)環(huán)空流型為紊流，攜巖效率低于50%；當(dāng)動(dòng)塑比在0.4～0.5之間，環(huán)空流型為層流，攜巖效率高于89%;但隨動(dòng)塑比增加，循環(huán)壓耗相應(yīng)增大，動(dòng)力負(fù)荷加重水力利用率降低。

對(duì)于下部破碎性地層層流有利于井壁穩(wěn)定；控制高的低轉(zhuǎn)速黏度值，可降低垮塌物下沉引起的卡鉆風(fēng)險(xiǎn)；鉆井液流變性控制適宜范圍：動(dòng)塑比0.4～0.5,3 r/min低轉(zhuǎn)速讀值>3。對(duì)于上部易水化地層，提高水力噴射效率加之利用紊流對(duì)虛厚濾餅的有效沖刷，再配合較低鉆井液流變參數(shù)和稠漿高效攜巖技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。

2. 纖維重稠漿高效攜巖技術(shù)

不規(guī)則大井眼和環(huán)空返速低可導(dǎo)致井筒清潔困難起下鉆頻繁遇阻。環(huán)空返速一定情況下，提高攜砂效率途徑有：①使用高密度攜砂流體；②增加環(huán)空流體動(dòng)塑比、提高流核尺寸，使環(huán)空流體流型為平板型層流;③針對(duì)大顆粒巖屑、泥團(tuán)或垮塌物，利用纖維類攜巖劑在流體中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)托舉固相顆粒和纖維簇刮掃井壁虛厚小濾餅，改善井壁狀況提高攜帶效率。土庫(kù)曼白堊系?444.5 mm失穩(wěn)井段實(shí)際鉆井液密度1.35～1.40 g/cm3，設(shè)計(jì)重稠漿密度為1.8～2.0 g/cm3，漏斗黏度≥90 s，動(dòng)塑比>0.4；網(wǎng)狀柔性纖維濃度0.2%～0.3%，形成了一套易垮塌地層大井眼纖維重稠漿高效攜巖技術(shù)，解決了井筒清潔起下鉆阻卡問(wèn)題。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

優(yōu)化后的鉀胺基有機(jī)鹽強(qiáng)封堵鉆井液體系，配合纖維重稠漿高效攜砂技術(shù)，在土庫(kù)曼X1井和X2井2口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：該體系有效解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下的泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)難題，減少了井下復(fù)雜時(shí)間、提高了機(jī)械鉆速。與鄰井使用優(yōu)化前鉆井液體系相比(見(jiàn)表2)，劃眼復(fù)雜事故率降低80%以上，鉆井液密度降低0.05～0.10 g/cm3，平均鉆井周期縮短21%，平均鉆速提高34%，平均井徑擴(kuò)大率降低63%達(dá)到6%以下。

表2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果對(duì)比

五、結(jié)論

(1)基于礦物組分、微觀結(jié)構(gòu)及水化特征分析，結(jié)合原鉆井液體系特點(diǎn)和水力學(xué)特征，開(kāi)展體系優(yōu)化研究，形成強(qiáng)封堵強(qiáng)抑制的鉀胺有機(jī)鹽兩性離子鉆井液體系，滿足失穩(wěn)地層鉆井需要。

(2)基于層流攜巖理論和井壁穩(wěn)定對(duì)環(huán)空流態(tài)的要求，針對(duì)大井眼復(fù)雜井筒攜砂問(wèn)題提出流變參數(shù)調(diào)控方案，同時(shí)引進(jìn)柔性網(wǎng)狀纖維，形成纖維重稠漿高效攜巖技術(shù)。

(3)現(xiàn)場(chǎng)兩口井試驗(yàn)表明,優(yōu)化形成的鉆井液工藝技術(shù)有效解決了目標(biāo)區(qū)塊井壁失穩(wěn)難題，提高了機(jī)械鉆速減少了井下復(fù)雜，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。