聚胺抑制防塌鉆井液技術(shù)在勝利濱5井工廠的應(yīng)用

邱春陽，周建民，趙紅香，王雪晨，張海青

1.中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院；2.中國石化勝利石油工程有限公司渤海鉆井公司：山東東營 257000

濱5井工廠位于濟(jì)陽坳陷東營凹陷濱南-利津斷裂構(gòu)造帶，油藏位于沙四段上部，埋深約2 750.0 m。上部地層易形成小井眼造成縮徑；沙河街組易發(fā)生軟泥巖縮徑及硬脆性垮塌；長裸眼定向過程中井壁穩(wěn)定性差。為完善濱5斷塊主體注采井網(wǎng)，提高儲(chǔ)量控制程度，提高油藏采收率，設(shè)計(jì)采用定向井方式開發(fā)濱5井組。前期使用的聚合物潤滑防塌鉆井液和地層配伍性差，致使施工中鉆完井時(shí)效低。為提高濱5井工廠開發(fā)效率，預(yù)防并減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生，優(yōu)選了聚胺抑制防塌鉆井液體系，該體系在濱5井工廠6口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，施工中井壁穩(wěn)定，機(jī)械鉆速高，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 濱5井工廠地質(zhì)工程概況

濱5井工廠位于濟(jì)陽坳陷東營凹陷濱南-利津斷裂構(gòu)造帶，該區(qū)塊自上而下發(fā)育平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組。

濱5井工廠設(shè)計(jì)斜深約3 000 m，采用二開制定向井方式施工。一開采用φ346.1 mm鉆頭鉆至井深約300 m，下入φ273.1 mm表層套管；二開采用φ215.9 mm鉆頭開鉆，在井深約1 300 m開始造斜，鉆至設(shè)計(jì)井深完鉆，完井井斜近30°，下入φ139.7 mm油層套管。

2 鉆井液施工難點(diǎn)

館陶組和東營組地層黏土礦物含量高，地層水化分散嚴(yán)重。黏土水化后很快分散在鉆井液體系中，導(dǎo)致鉆井液黏切劇增，在滲透性好的砂巖地層形成小井眼，造成起下鉆阻卡；沙河街組地層層理發(fā)育，泥巖軟硬交錯(cuò)，鉆井液濾液沿著層理滲入后，灰色硬泥巖井段易發(fā)生硬脆性垮塌，紫紅色軟泥巖井段易發(fā)生縮徑，造成起下鉆阻卡；二開裸眼井段長達(dá)2 500 m，地層巖性不同，受鉆井液浸泡時(shí)間長，井壁失穩(wěn)幾率增大。定向鉆井過程中，井斜20°是形成巖屑床的臨界角度。巖屑上返過程中在重力作用下沉降在下井壁，如果巖屑不能及時(shí)被攜帶出井眼，則會(huì)逐漸形成巖屑床，造成起下鉆阻卡，鉆井液井眼凈化技術(shù)難度大。在定向過程中，鉆具處于下偏心狀態(tài)，鉆具緊貼下井壁移動(dòng)。巖屑床的形成，輕則造成工程摩阻和扭矩增加，重則造成鉆壓不能傳遞到鉆頭上，形成“托壓”現(xiàn)象；濱5井工廠斜井段長達(dá)1 700 m，定向過程中鉆井液潤滑防卡技術(shù)難度大。

3 鉆井液體系研究

3.1 鉆井液體系優(yōu)選

根據(jù)鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，針對地層巖性和工程施工情況，鉆井液必須具備如下要求：

1)抑制性強(qiáng)。既能對上部松軟地層黏土礦物進(jìn)行有效抑制，防止其水化分散；也能抑制沙河街組泥巖的水化膨脹，保證井壁穩(wěn)定。

2)封堵性強(qiáng)。既能對上部疏松地層進(jìn)行有效封堵，防止形成小井眼；也能對沙河街組層理發(fā)育地層進(jìn)行封堵，防止發(fā)生剝蝕掉塊。

3)潤滑性好。能夠降低工程定向過程中產(chǎn)生的摩阻和扭矩，保證定向順暢。

4)流變性好。不但滿足上部地層快速鉆井的要求，也能滿足下部定向過程中懸浮攜帶巖屑的需要，保證井眼凈化。

3.2 鉆井液體系配方

依據(jù)鉆井液體系優(yōu)選思路，經(jīng)過調(diào)研國內(nèi)定向井鉆井液和防塌鉆井液技術(shù)[1-6]，優(yōu)選了聚胺抑制防塌鉆井液體系，基本配方為：

3.0%～5.0%膨潤土+0.2%～0.35%燒堿NaOH+0.2%～0.4%聚丙烯酰胺PAM+0.5%～1.5%聚胺抑制劑+0.5%～1.0%銨鹽+1.0%～2.0%硅氟降濾失劑+1.0%～2.0%抗溫抗鹽防塌降濾失劑+2.0%～4.0%彈性封堵劑+2.0%～3.0%白油潤滑劑。

3.3 鉆井液體系機(jī)理分析

聚胺抑制劑中的胺基能夠嵌入黏土礦物的晶層之間，阻止水分子進(jìn)入，從而防止黏土礦物水化膨脹；聚胺抑制劑在水解過程中產(chǎn)生陽離子，能吸附到黏土顆粒上，從而抑制黏土礦物水化分散[7]。彈性封堵劑為超細(xì)碳酸鈣和瀝青的復(fù)配產(chǎn)品，瀝青具有軟化點(diǎn)，在適當(dāng)溫度和壓力下能夠發(fā)生彈性變形，配合超細(xì)碳酸鈣，能夠封堵不同形狀和不同直徑的孔隙和微細(xì)裂縫，穩(wěn)定井壁。

4 鉆井液性能評價(jià)

4.1 抑制性能評價(jià)

采用巖心膨脹高度和巖屑回收率實(shí)驗(yàn)評價(jià)了優(yōu)選鉆井液的抑制性能。巖屑回收率實(shí)驗(yàn)采用鄰井沙二段泥巖作為巖屑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 抑制性能評價(jià)

從表1可以看出，優(yōu)選的聚胺抑制防塌鉆井液8 h巖心膨脹高度低，巖屑回收率高達(dá)90.8%，表明聚胺抑制防塌鉆井液抑制性強(qiáng)，能夠預(yù)防泥頁巖的水化膨脹。

4.2 封堵性能評價(jià)

采用中壓砂床(砂子直徑40～60目)封堵實(shí)驗(yàn)和高溫高壓砂床(砂子直徑80～120目)封堵實(shí)驗(yàn)評價(jià)了聚胺抑制防塌鉆井液的封堵性能，其中高溫高壓砂床封堵實(shí)驗(yàn)溫度為120 ℃(地層溫度為120 ℃)，壓力控制在3.5 MPa，結(jié)果見表2。聚胺抑制防塌鉆井液封堵性好，不僅能封堵上部疏松地層，還能對下部地層具有良好的封堵作用。

表2 封堵性能評價(jià)

4.3 攜巖能力評價(jià)

取優(yōu)選的聚胺抑制防塌鉆井液，加入到攜巖效率測定儀中，模擬直井和定向井，評價(jià)鉆井液的攜巖能力，結(jié)果見表3。

表3 攜巖性能評價(jià)

從表3可以看出，與聚合物潤滑防塌鉆井液相比，模擬直井鉆進(jìn)中，兩種鉆井液的攜巖能力區(qū)別不大；但當(dāng)井斜達(dá)到30°時(shí)，聚胺抑制防塌鉆井液的攜巖效率達(dá)到96.4%，遠(yuǎn)高于聚合物潤滑防塌鉆井液相對應(yīng)的數(shù)值，說明聚胺抑制防塌鉆井液體系懸浮攜帶能力強(qiáng)。

4.4 潤滑性能評價(jià)

采用泥餅黏滯系數(shù)測定儀和極壓潤滑系數(shù)測定儀評價(jià)了聚胺抑制防塌鉆井液體系的潤滑性能，結(jié)果見表4。

表4 潤滑性能評價(jià)

從表4可以看出，聚胺抑制防塌鉆井液泥餅黏附系數(shù)低，并且極壓潤滑系數(shù)很小，說明體系潤滑性能好，能夠降低定向中產(chǎn)生的摩阻和扭矩，保證施工順利。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 現(xiàn)場施工工藝

聚胺抑制防塌鉆井液在濱5井工廠6口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。施工采用工藝如下。

1)清水開鉆，讓地層自然造漿，保證排量36 L/s，沖刷井壁，形成開放式井眼；中完時(shí)用高黏羧甲基纖維素提高黏切凈化井眼，然后配制稠漿封井。

2)二開采用一開井漿開鉆，逐漸補(bǔ)充各種處理劑，調(diào)控鉆井液流變性；定向前保持低黏低切的紊流流型，適當(dāng)沖刷井壁；定向后提高鉆井液黏切，流型控制在層流狀態(tài)，凈化井眼。上部地層加入銨鹽控制鉆井液濾失量，中壓濾失量控制在8.0 mL左右；定向前，加入硅氟降濾失劑，中壓濾失量控制在5.0 mL左右；進(jìn)入沙河街組，使用抗溫抗鹽降濾失劑控制中壓濾失量在2.0 mL以內(nèi)，預(yù)防泥頁巖水化膨脹。上部地層聚胺抑制劑含量在1.0%以上，聚丙烯酰胺含量在0.3%，強(qiáng)化鉆井液的抑制性，防止黏土礦物水化；進(jìn)入沙河街組，聚胺抑制劑含量控制在0.5%，聚丙烯酰胺含量在0.2%，保持鉆井液的抑制性。加入2%彈性封堵劑，封堵上部疏松地層；進(jìn)入沙河街組，一次性加入3.0%彈性封堵劑，以后定期補(bǔ)充，封堵地層層理，穩(wěn)定井壁。

3)定向前，加入2%白油潤滑劑，保證鉆井液的潤滑性；定向后，加入1.0%潤滑劑，并隨著進(jìn)尺增加定期補(bǔ)充，增強(qiáng)鉆井液的潤滑性；發(fā)現(xiàn)定向摩阻和扭矩增加后，進(jìn)行短起下鉆，攪動(dòng)巖屑床。下鉆到底后，配制稠漿凈化井眼。

4)合理使用固控設(shè)備，振動(dòng)篩、除砂器、除泥器和離心機(jī)利用率達(dá)到100%，控制鉆井液密度，凈化鉆井液；進(jìn)入沙三段，鉆井液密度提高后，間斷開動(dòng)離心機(jī)，保證井眼力學(xué)平衡。

5)完鉆后，充分循環(huán)，適當(dāng)增加排量，提高井眼凈化效果；待振動(dòng)篩無返砂后，起鉆至井深1500 m，下鉆到底后，配制稠漿洗井；起鉆前，用0.5%磺酸鹽共聚物、1.0%白油潤滑劑和1.5%彈性封堵劑配制潤滑封井漿封井，確保完井作業(yè)順利。

5.2 應(yīng)用效果

井壁穩(wěn)定，施工中井壁穩(wěn)定，解決了軟泥巖縮徑及硬脆性泥巖垮塌的難題，二開定向長裸眼段施工中井壁穩(wěn)定，完井作業(yè)順利。井眼凈化效果好，鉆井液流變性控制良好，井眼凈化效果好，無巖屑床形成，保證了定向施工順暢。

潤滑防卡效果好，定向過程中摩阻和扭矩低，起下鉆順暢，定向軌跡良好。達(dá)到了優(yōu)快鉆井的效果。施工中機(jī)械鉆速高，井身質(zhì)量好，取得了優(yōu)快鉆井的良好效果。濱5井組鉆完井時(shí)效統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 濱5井組鉆完井時(shí)效

6 結(jié)論及建議

1)通過分析濱5井工廠地層巖性及優(yōu)選思路，研發(fā)了聚胺抑制防塌鉆井液體系。該體系抑制性好，封堵性、潤滑性及巖屑攜帶能力強(qiáng)。

2)聚胺抑制防塌鉆井液在濱5井工廠進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，鉆進(jìn)中井壁穩(wěn)定，定向順暢，取得了優(yōu)快鉆井的良好效果。

3)該區(qū)塊沙河街組地層易失穩(wěn)，施工中必須保證鉆井液體系的抑制性和封堵性，定向中必須輔助一定的工程措施。