長(zhǎng)北大井眼大斜度井段鉆井液體系改進(jìn)與實(shí)踐

張振活，陳 磊，凡 帆

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018）

長(zhǎng)北區(qū)塊位于陜西省榆林市北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)，針對(duì)鉆遇該區(qū)塊二開(kāi)Ф311.1 mm 井段復(fù)雜情況或事故，不斷優(yōu)化鉆井液體系，從最初應(yīng)用的聚磺鉆井液發(fā)展到KCl 聚合物鉆井液，雖成功解決了部分技術(shù)難題，但鉆遇下部地層破碎帶“雙石層”及易垮塌煤層造成嚴(yán)重井壁穩(wěn)定問(wèn)題，仍無(wú)有效地應(yīng)對(duì)措施[1-3]。因此開(kāi)發(fā)了一種適合長(zhǎng)北區(qū)塊大井眼大斜度井段的安全快速鉆進(jìn)的鉆井液體系，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 技術(shù)難點(diǎn)

1.1 工程方面

為了有效提高水平段的泄油面積從而對(duì)儲(chǔ)層段進(jìn)行有效開(kāi)發(fā)，長(zhǎng)北氣田率先在長(zhǎng)慶區(qū)域采取全井段大井眼開(kāi)發(fā)方案。但是，大井眼的鉆進(jìn)本身具有很多的難點(diǎn)：增斜和降斜困難，尤其是在二開(kāi)大井眼Ф311.1 mm井眼裸眼施工段長(zhǎng)、井壁穩(wěn)定性差、機(jī)械鉆速相對(duì)低的問(wèn)題十分突出；另外，大斜度段復(fù)雜地層鉆進(jìn)由于井斜和方位變化快，極易導(dǎo)致鉆具疲勞斷裂，造成井下事故。

表1 長(zhǎng)慶區(qū)域井身結(jié)構(gòu)圖和長(zhǎng)北區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)對(duì)比

1.2 泥漿方面

由于二開(kāi)中地層多、地層復(fù)雜，在長(zhǎng)慶區(qū)域鉆井過(guò)程中為了避免井下復(fù)雜和井眼清潔的需要，采用的都是Ф244 mm 井眼。長(zhǎng)北項(xiàng)目率先采用Ф311.1 mm 大井眼，所面臨的井眼穩(wěn)定和漏失問(wèn)題也更加突出。

（1）清水聚合物體系和低固相三磺鉆井液體系在長(zhǎng)慶區(qū)域常規(guī)小井眼中（相對(duì)于長(zhǎng)北項(xiàng)目而言）由于其最大化降低了固相，對(duì)失水控制要求低，最大化的解放了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，因此能在有效的坍塌周期內(nèi)完成整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程，從而保證了井下的安全。但是采取大井眼鉆進(jìn)后，由于相對(duì)機(jī)械鉆速較低，使得整個(gè)鉆井周期相對(duì)接近坍塌周期引起井下垮塌等成為制約井下安全的最大因素[4-6]。因此，研制一種適合大井眼鉆進(jìn)的強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系成為安全鉆井的重中之重。

（2）長(zhǎng)北區(qū)塊泥頁(yè)巖地層屬于蒙脫石類(lèi)，易水化膨脹而引起縮徑、擴(kuò)徑和PDC 鉆頭泥包等問(wèn)題；石盒子和山西組地層容易坍塌掉塊，引發(fā)高摩阻、大扭矩等技術(shù)難題，成為制約鉆井提速的主要技術(shù)瓶頸，由此帶來(lái)下述技術(shù)難題需要解決（見(jiàn)圖1、圖2）。

（3）Ф311.1 mm 井眼穿越地層多，固相含量上升快，使得滑動(dòng)鉆進(jìn)期間的摩阻加大，容易發(fā)生托壓現(xiàn)象。

2 強(qiáng)抑制防塌一體化鉆井液體系室內(nèi)配方研究與評(píng)價(jià)

在大量調(diào)查和研究長(zhǎng)北井叢的地質(zhì)數(shù)據(jù)后，針對(duì)長(zhǎng)北區(qū)塊Ф311.1 mm 井段的特點(diǎn)，室內(nèi)研究出了強(qiáng)抑制防塌一體化鉆井液體系。該體系的優(yōu)點(diǎn)是在上部井段和下部井段的使用中不需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的體系轉(zhuǎn)換，只需要針對(duì)不同地層調(diào)節(jié)主要的防塌、包被抑制劑和流型調(diào)節(jié)劑的加量即可。

2.1 鉆井液體系配方的確定

通過(guò)上述大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，從防塌機(jī)理的研究入手，進(jìn)行了防塌抑制劑、提黏劑、降失水劑、潤(rùn)滑劑的篩選和復(fù)配，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，研究開(kāi)發(fā)出強(qiáng)抑制復(fù)合鹽鉆井液體系的基本配方：5 %～10 %無(wú)機(jī)鹽防塌劑FTJ-1+0.05%～0.1%有機(jī)絮凝防塌劑G322-JS2+0.1%～0.3%提切劑G310-DQT+0.5 %～1 %降濾失劑G322-JS3+1%～3 %潤(rùn)滑劑G303-WRY。

圖1 石盒子組返出大量的掉塊

圖2 返出的掉塊具有較大的尺寸

表2 不同溫度下體系抑制性實(shí)驗(yàn)

表3 透失水實(shí)驗(yàn)

2.2 鉆井液體系評(píng)價(jià)

2.2.1 體系抗溫抑制性能評(píng)價(jià) 實(shí)驗(yàn)表明：在100 ℃之前，一次和二次回收率分別維持在85 %和70 %以上，證明該體系都有較強(qiáng)的抑制性防塌性；在溫度超過(guò)100 ℃以后，一次和二次回收率明顯下降，長(zhǎng)北區(qū)塊井底溫度一般最高在80 ℃左右，以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該體系完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的抗溫性的要求（見(jiàn)表2）。

2.2.2 體系防塌性能評(píng)價(jià) 測(cè)試了該體系在100 ℃下熱滾之后的透失水性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表3）。

透失水時(shí)間和透失水量反映的是鉆井液在井壁形成泥餅后，防止井眼內(nèi)的流體侵入井壁的能力，即可以反映鉆井液保護(hù)井壁防塌的能力。該體系的泥餅30 min 透失水只有1.8 mL，證明其對(duì)井壁有很好的防塌保護(hù)效果。

2.2.3 鉆井液承壓能力提高實(shí)驗(yàn) 該實(shí)驗(yàn)反映的是鉆井液阻止濾液浸入地層的能力，以及提升漏失地層封堵能力的大小。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）取400 mL 新配的該鉆井液，加入3 %FDJ-1，高攪15 min 后在0.7 MPa 下做沙床實(shí)驗(yàn)15 min，記錄下浸入深度；

（2）浸入實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將沙床實(shí)驗(yàn)杯里面的鉆井液小心抽出，加入400 mL 的清水；

（3）加壓到0.7 MPa，觀(guān)察清水的浸入深度，并做好記錄；

（4）逐漸加壓到0.8 MPa，1.0 MPa，1.2 MPa，1.4 MPa，直到清水的浸入深度超過(guò)鉆井液的浸入深度，記錄此時(shí)的壓力。此壓力即為防塌抑制一體化鉆井液的承壓提高能力。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該鉆井液在加入3%的FDJ-1 后承壓能力能提高1.8 MPa。即對(duì)于易漏失地層而言，在加入一定的堵漏劑后承壓能力有明顯的提高，能起到一定的防漏效果。

2.2.4 鉆井液抗巖屑污染能力評(píng)價(jià) 配制好的鉆井液中，分別加入1 %、2 %、3 %、5 %、8 %、10 %和15 %的膨潤(rùn)土粉，測(cè)量鉆井液的密度、表觀(guān)黏度和動(dòng)切力的變化情況，并觀(guān)察鉆井液的穩(wěn)定狀況。測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表4）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：從表中數(shù)據(jù)可以看出該鉆井液具有一定的抗黏土能力，在黏土加量高于8 %時(shí)鉆井液性能變化較大，因此該鉆井液的抗黏土能力為8 %，完全可以滿(mǎn)足鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)抑制泥巖段造漿的需要（實(shí)驗(yàn)證明現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的坂土含量能控制在3.5 %以下）。

表4 強(qiáng)抑制防塌一體化鉆井液體系抗黏土污染能力評(píng)價(jià)

圖3 潤(rùn)滑劑加量和扭矩關(guān)系圖

圖4 潤(rùn)滑劑加量和摩阻系數(shù)關(guān)系圖

2.2.5 體系潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià) 采用上述鉆井液配方，改變潤(rùn)滑劑的加量，借助極壓潤(rùn)滑儀對(duì)體系的潤(rùn)滑性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果（見(jiàn)圖3、圖4）。

從圖3、圖4 可以看出，G303 可有效降低基漿的潤(rùn)滑系數(shù)R 值，加量1.5%時(shí)潤(rùn)滑系數(shù)降低率可達(dá)71%以上，潤(rùn)滑系數(shù)達(dá)到0.058，滿(mǎn)足摩阻系數(shù)Kf≤0.07 的考核指標(biāo)。在加量超過(guò)2 %以后潤(rùn)滑系數(shù)下降不明顯，因此現(xiàn)場(chǎng)的最佳推薦加量為2 %。

2.2.6 封堵率實(shí)驗(yàn) 在體系加入3 %封堵劑FDJ-1 封堵效果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表5）。從表5 的數(shù)據(jù)可以看出，平均封堵率能達(dá)到90 %以上，能有效的封堵地層中的微裂縫，結(jié)合強(qiáng)抑制性和適當(dāng)?shù)你@井液密度，保證井壁的穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場(chǎng)使用效果

CBX-2 在大斜度井段刷新了長(zhǎng)北項(xiàng)目Ф311.1 mm井眼的多項(xiàng)紀(jì)錄。該井鉆至井深，先后穿越劉家溝漏層、破碎帶“雙石層”、易垮塌煤層，強(qiáng)封堵防塌一體化鉆井液體系經(jīng)受住考驗(yàn)，體現(xiàn)出三大優(yōu)點(diǎn)：抑制性強(qiáng)，鉆井液流變性能穩(wěn)定，振動(dòng)篩返出的鉆屑棱角分明，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭無(wú)泥包現(xiàn)象；防塌性能好，起下鉆三趟無(wú)遇阻，井壁穩(wěn)定；攜砂性能優(yōu)良，井筒干凈。二開(kāi)中完后直接下套管，首次實(shí)現(xiàn)完鉆后不短起、不通井，套管順利到底，打破以往完鉆后必須短起下、通井的傳統(tǒng)，為甲乙雙方節(jié)約時(shí)間成本，獲得了雙贏。

表5 封堵率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5 一體化鉆井液抑制性、防泥包能力強(qiáng)

長(zhǎng)北區(qū)塊的鉆井液體系經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)之后，使得體系具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）建井周期大大縮小，創(chuàng)多項(xiàng)指標(biāo)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)和優(yōu)化鉆井液配方后，鉆井夜的周期大大減小，鉆井周期降低率達(dá)70.9 %。

（2）抑制性、防泥包能力好。鉆井液的抑制性好，振動(dòng)篩上面返出的泥頁(yè)巖巖屑棱角分明，巖屑內(nèi)部干燥，起出鉆頭無(wú)泥包（見(jiàn)圖5）。

（3）井壁穩(wěn)定性好，最大化的保證了井壁坍塌周期。在長(zhǎng)北區(qū)塊的二開(kāi)Ф311.1 mm 大斜度井段的使用中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)井眼坍塌的現(xiàn)象，證明了該體系具有很好的抑制防塌效果。

（4）現(xiàn)場(chǎng)使用方便，鉆井液費(fèi)用大大降低。使用強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系后，泥漿體積消耗小，泥漿體積消耗降低率達(dá)到64.1 %，泥漿費(fèi)用降低率達(dá)54.5 %。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）長(zhǎng)北區(qū)塊應(yīng)用強(qiáng)封堵防塌一體化鉆井液體系，并結(jié)合工程措施，解決了該區(qū)塊大斜度井段泥巖段和煤層段井壁失穩(wěn)、有效預(yù)防了井漏、鉆頭泥包和高摩阻問(wèn)題，滿(mǎn)足了長(zhǎng)北區(qū)塊大斜度井段安全鉆井的需求。

（2）使用強(qiáng)抑制防塌一體化鉆井液體系后簡(jiǎn)化了鉆井液維護(hù)難度，降低了鉆井液成本，大大縮短了鉆井周期。

（3）該鉆井液體系在使用中防塌抑制劑的加量相對(duì)還是較大，給現(xiàn)場(chǎng)增加了不少工作量，建議進(jìn)一步深化該鉆井液體系的作用機(jī)理研究，優(yōu)化鉆井液配方以進(jìn)一步擴(kuò)大在長(zhǎng)慶區(qū)域的使用范圍。