準(zhǔn)南地區(qū)霍爾果斯構(gòu)造超高密度油基鉆井液技術(shù)應(yīng)用

劉 政 李俊材 邵 平

中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司

0 引言

新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣霍爾果斯區(qū)塊屬于山前構(gòu)造，古近系具有高陡、高壓、斷層、破碎、超強(qiáng)水敏的巖性特點(diǎn)。在鉆井過程中，易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、阻卡、井下復(fù)雜情況高發(fā)、井斜控制困難、時(shí)效低、鉆井周期長、投資成本高等難題。截至目前，霍爾果斯構(gòu)造中組合已鉆井6口，分別為H10井、H001井、H002井、H003井、H101井、H11井。2003年霍爾果斯H10井在紫泥泉子組獲得油氣重大突破，繼H10井獲得重大發(fā)現(xiàn)后，相繼上鉆H001井、H002井、H003井，由于霍爾果斯構(gòu)造中組合地層異常復(fù)雜，采用有機(jī)鹽鉆井液、鉀鈣基聚磺（PRT）鉆井液和有機(jī)鹽PRT鉆井液等水基鉆井液體系，均不能完全解決古近系漸新統(tǒng)—始新統(tǒng)安集海河組水化應(yīng)力帶來的井壁失穩(wěn)難題，導(dǎo)致井下復(fù)雜情況高發(fā)，鉆井周期長，鉆井成本難以控制，阻礙了該區(qū)域的勘探開發(fā)[1-7]。2013年中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司開始進(jìn)行霍爾果斯構(gòu)造超高密度油基鉆井液技術(shù)的室內(nèi)研究及評價(jià)，2014年9月至2017年10月，分別在H101井、H11井進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。應(yīng)用后，鉆井速度大幅提升，鉆井周期明顯縮短，鉆井綜合成本大幅降低[8-9]。

1 安集海河組泥巖的物理化學(xué)性質(zhì)分析

取安集海河組泥巖露頭，在室內(nèi)按6種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析[10-11]，掌握了安集海河組泥巖的礦物組分、黏土含量、巖石結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)，為鉆井液方案的制定提供了依據(jù)（圖1）。

圖1 安集海河組泥巖分析結(jié)果圖

分析結(jié)果表明：安集海河組泥巖中蒙脫石含量高，伊蒙混層中主要是蒙脫石，黏土礦物分布極不均勻，泥巖破碎，層理微裂縫發(fā)育，滾動回收率低，水化膨脹率高。導(dǎo)致安集海河組泥巖遇水極易水化，往往造成膨脹縮徑、分散、造漿和坍塌共存（圖1）。

2 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)和技術(shù)對策

霍爾果斯構(gòu)造超高密度油基鉆井液的技術(shù)難點(diǎn)及技術(shù)對策有以下4個(gè)方面。

2.1 井壁穩(wěn)定

由于安集海河組泥巖遇水極易水化，鉆進(jìn)過程中，井壁易膨脹縮徑、分散垮塌，井壁易失穩(wěn)，進(jìn)而引起井下卡鉆等復(fù)雜事故[12]。

采取以下4方面的技術(shù)對策來解決井壁失穩(wěn)問題：①以高的油基鉆井液密度平衡高的安集海河組的層坍塌壓力；②強(qiáng)化油基鉆井液的封堵能力，控制110 ℃ HTHP濾失量小于3.0 mL；③采用活度平衡理論，使油基鉆井液濾液的活度低于所鉆地層水活度，使油基鉆井液中水相不向地層滲透，甚至使地層水向油基鉆井液中滲透，有效抑制水敏性地層吸水縮徑。

2.2 流變性控制

霍爾果斯構(gòu)造油基鉆井液的密度高達(dá)2.50 g/cm3，日常流變性能維護(hù)難度大?；魻柟箻?gòu)造冬季氣溫很低，最低在-20 ℃左右，要求油基鉆井液具有好的低溫流變性[13]。

采取3方面的技術(shù)對策來解決該難題：①強(qiáng)化固控設(shè)備的使用，篩布使用0.074 mm（200目）孔徑，振動篩和除砂器的使用率100%，離心機(jī)的使用率不低于50%，篩布要勤檢查，發(fā)現(xiàn)損壞及時(shí)更換；②勤測超高密度油基鉆井液的流變性能參數(shù)，及時(shí)合理調(diào)整超高密度油基鉆井液的流變性能參數(shù)；③優(yōu)選超高密度油基鉆井液的主要處理劑，保證超高密度油基鉆井液在低溫下具有好的流變性。

2.3 抗污染

霍爾果斯構(gòu)造安集海河組泥巖含膏鹽層，連木沁組和東溝組易出水，固井時(shí)要使用水泥漿，這就要求超高密度油基鉆井液具有抗膏鹽、水侵、水泥和巖粉等污染的能力。保持超高密度油基鉆井液具有高的油水比和好的電穩(wěn)定性，可以提高超高密度油基鉆井液的抗污染能力[14]。

2.4 阻燃阻爆

超高密度油基鉆井液體系選用柴油作為基礎(chǔ)油，由于柴油自身易燃，產(chǎn)層鉆進(jìn)存在氣侵現(xiàn)象，進(jìn)而超高密度油基鉆井液易發(fā)生著火或爆炸等事故。通過優(yōu)選阻燃阻爆劑，提高超高密度油基鉆井液的阻燃阻爆能力。

3 配方優(yōu)選及性能評價(jià)

3.1 配方優(yōu)選

針對霍爾果斯構(gòu)造的地質(zhì)特點(diǎn)，選用中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司的超高密度油基鉆井液體系，鉆進(jìn)安集海河組、紫泥泉子組、東溝組和連木沁組井段，配方如下：

柴油（0#）+3.0%有機(jī)土YOD-6+7%主乳化劑YOF-3+4%輔乳化劑YOD-4+3%潤濕劑YOD-5+5%降濾失劑YOD-1+3%高溫乳化穩(wěn)定劑MO+2%降濾失劑LO+3%石灰+氯化鈣水溶液（質(zhì)量濃度30%、油水比95:5）+5%封堵劑SOLTEX+3%封堵劑YH-150 +2%阻燃阻爆劑YOD-2+重晶石

配制步驟：加入配比量的柴油（0#）、有機(jī)土YOD-6、主乳化劑YOF-3、輔乳化劑YOD-4、潤濕劑YOD-5、降濾失劑YOD-1、高溫乳化穩(wěn)定劑MO和降濾失劑LO，高攪30 min；加入石灰，高攪20 min；加入氯化鈣水溶液，高攪30 min；加入封堵劑SOLTEX、封堵劑YH-150和阻燃阻爆劑YOD-2，高攪20 min；加入重晶石，高攪30 min；高速攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為11 000 r/min。

3.2 性能評價(jià)

3.2.1 基本性能

配制密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液，60 ℃測定超高密度油基鉆井液的基本性能，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，超高密度油基鉆井液在130℃熱滾前后都具有較好的性能指標(biāo)。熱滾后，超高密度油基鉆井液具有好的流變性能、乳化穩(wěn)定性能和封堵性能，閃點(diǎn)為120 ℃，閃點(diǎn)溫度較高，阻燃阻爆效果好，能滿足現(xiàn)場安全施工的要求。

3.2.2 抑制性

選用霍爾果斯構(gòu)造古近系安集海河組泥巖，利用線性膨脹方法和巖屑滾動回收率，對密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液的抑制性進(jìn)行評價(jià)。線性膨脹實(shí)驗(yàn)的巖樣制備方法：在100 ℃下烘干泥巖，稱取過孔徑0.15 mm分樣篩的泥巖10.0 g，在壓樣機(jī)模具中以4 MPa壓力壓制5 min，制成柱狀試樣。在OFIT頁巖膨脹儀上，分別測定在清水、PRT鉆井液、有機(jī)鹽PRT鉆井液、超高密度油基鉆井液中浸泡16 h后的膨脹率[15]。

選用粒徑2.00～4.00 mm的泥巖做滾動回收率實(shí)驗(yàn)，分別在清水、PRT鉆井液、有機(jī)鹽PRT鉆井液、密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液中，110℃下熱滾24 h后，用孔徑0.25 mm分樣篩回收，用清水或石油醚沖洗干凈，在100 ℃下干燥后稱量[16]，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液對安集海河組泥巖的膨脹率低至0.8 %，回收率高達(dá)98.0 %。說明超高密度油基鉆井液對安集海河組泥巖的抑制性能好，可以有效抑制泥巖的膨脹和水化分散。

表1 超高密度油基鉆井液的基本性能表

表2 安集海河組泥巖膨脹率和回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3.2.3 封堵性

采用砂床評價(jià)法對超高密度油基鉆井液的封堵性進(jìn)行評價(jià)。在GGS71-A型高溫高壓濾失儀釜體中安裝砂床，實(shí)驗(yàn)用砂床的底部為粒徑0.25～0.48 mm的剛性顆粒，砂床的底部高6 cm，上部為粒徑0.08～0.15 mm的剛性顆粒，上部高6 cm。加入400 mL 密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液，測定在壓差4.5 MPa下，不同溫度、1 h的高溫高壓濾失量[17-18]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可知，密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液在不同溫度下的砂床高溫高壓濾失量在0～1.2 mL之間，濾失量均較小，說明其封堵性能好。

表3 封堵性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3.2.4 抗污染性

1）抗鹽膏污染評價(jià)

在密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液中，分別加入不同含量的石膏和NaCl后，在130 ℃下熱滾16 h，測定油基鉆井液性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表4可以看出，在超高密度油基鉆井液中加入不同比例鹽膏后，其各項(xiàng)性能指標(biāo)都較穩(wěn)定，說明超高密度油基鉆井液具有好的抗鹽膏污染能力。

2）抗水泥污染評價(jià)

在密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液中，分別加入不同含量的水泥后，在130 ℃下熱滾16 h，測定油基鉆井液性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5可以看出，在超高密度油基鉆井液中加入1%～3 %的水泥后，其各項(xiàng)性能指標(biāo)都較穩(wěn)定，說明超高密度油基鉆井液具有好的抗水泥污染能力。

表4 抗復(fù)合鹽污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

表5 抗水泥污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3）抗水浸污染評價(jià)

在密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液中，分別加入不同含量的水后，在130 ℃下熱滾16 h，測定油基鉆井液性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 抗水浸污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

從表6可以看出，在超高密度油基鉆井液中加入水量少于15 %時(shí)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)都較穩(wěn)定，說明超高密度油基鉆井液具有好的抗水浸污染能力。

4）抗泥巖污染評價(jià)

霍爾果斯構(gòu)造古近系安集海河組泥巖粉碎后選取粒徑0.106 mm（150目）的巖粉，在密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液中加入不同比例的巖粉，在130 ℃下熱滾16 h，測定油基鉆井液性能[19]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

從表7可以看出，巖粉加量少于9 %時(shí)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)都較穩(wěn)定，說明超高密度油基鉆井液具有好的抗巖粉污染能力。

3.2.5 低溫流變性

分別測定密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液在不同低溫下的流變性能，結(jié)果如表8所示。

由表8可知，溫度越低，超高密度油基鉆井液的流變性越差。但是在-20℃的條件下，超高密度油基鉆井液的漏斗黏度120 s，初切6.0 Pa，終切15.0 Pa，具有較好的流動性，能滿足新疆地區(qū)冬季低溫條件下的轉(zhuǎn)運(yùn)、貯存等作業(yè)。

表7 巖粉污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

表8 低溫流變性結(jié)果表

表9 H101井井身結(jié)構(gòu)及鉆井液體系表

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2014年11月17日，H101井三開?311.2 mm井眼，在井深2 050.0 m的安集海河組替入超高密度油基鉆井液，一趟鉆鉆至井深2 922.0 m三開完鉆，用時(shí)6.90 d鉆完872.0 m進(jìn)尺，H101井井身結(jié)構(gòu)及鉆井液體系（表9）。鉆進(jìn)過程中，超高密度油基鉆井液性能穩(wěn)定（表10）。電測井徑規(guī)則，安集海河組井段未出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，最大井徑擴(kuò)大率4.6 %，平均井徑擴(kuò)大率3.2 %。返出的泥巖棱角分明，呈片狀（圖2）。

H11井2017年3月16日04:00開鉆，三開?311.2 mm井眼使用超高密度油基鉆井液，井段2 525.0～3 460.0 m；四開 ?215.9 mm井眼使用高密度油基鉆井液體系，井段3 460.0～5 170.0 m，H11井井身結(jié)構(gòu)及鉆井液體系（表11）。2017年8月23日18:00鉆至5 170 m完鉆，全井超高密度油基鉆井液性能穩(wěn)定（表12）。三開311.2 mm井眼段，電測平均井徑314.5 mm，井眼擴(kuò)大率1.04 %。四開?215.9 mm井眼段，電測平均井徑218.3 mm，井眼擴(kuò)大率1.11 %。井眼通暢，無井下事故發(fā)生，電測、下套管均一次成功。

表10 H101井超高密度油基鉆井液性能表

圖2 H101井安集海河組巖屑照片

表11 H11井井身結(jié)構(gòu)及鉆井液體系表

表12 H11井超高密度油基鉆井液性能表

H101井在霍爾果斯構(gòu)造古近系安集海河組使用超高密度油基鉆井液專打，三開機(jī)械鉆速提高至11.65 m/h，三開鉆井周期縮短至6.00～9.00 d。全井平均機(jī)械鉆速提高至5.17 m/h，鉆井周期縮短至59.70 d。H11井在霍爾果斯構(gòu)造古近系使用超高密度油基鉆井液專打，三開機(jī)械鉆速提高至14.82 m/h，三開安集海河組鉆井周期縮短至4.75 d，四開機(jī)械鉆速提高至3.20 m/h，四開鉆井周期120.94 d。全井平均機(jī)械鉆速3.98 m/h，鉆井周期163.19 d。采用水基鉆井液體系，H10井、H001井、H002井、H003井鉆井周期350.10～423.63 d。油基鉆井液體系與水基鉆井液體系相比，機(jī)械鉆速大幅提高、降低了鉆井綜合成本，提速效果顯著。

超高密度油基鉆井液在現(xiàn)場應(yīng)用中可能出現(xiàn)的HSE方面問題：①油基鉆井液在使用過程中，會揮發(fā)出一定量的芳香烴，影響作業(yè)人員的呼吸。皮膚接觸油基鉆井液后，易引起皮炎。②目前油基鉆井液的基礎(chǔ)油為柴油，屬于易燃易爆物品，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。③油基巖屑在新環(huán)保法中被列為危險(xiǎn)固體廢棄物，油基巖屑的存放、處理、轉(zhuǎn)運(yùn)等存在環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

解決措施：①作業(yè)人員佩戴好口罩、手套和勞保服等防護(hù)用品，避免皮膚直接接觸油基鉆井液和吸入有害氣體；在井口、振動篩、循環(huán)罐等地方，配置防爆排風(fēng)扇，增加空氣的流動，減少空氣中芳香烴的含量。②柴油用專用的儲存罐儲存，配備好滅火器等消防器材；配制油基鉆井液時(shí)，加入2 %的阻燃阻爆劑；嚴(yán)禁將打火機(jī)、手機(jī)帶入井場區(qū)域；嚴(yán)禁在井場區(qū)域進(jìn)行電氣焊作業(yè)和動用明火；井隊(duì)使用銅榔頭，避免敲擊時(shí)產(chǎn)生火花。③井場內(nèi)專門修建油基巖屑存放場，必須防雨防滲；油基巖屑現(xiàn)場采用甩干處理，實(shí)現(xiàn)固液有效分離，液相部分回收利用，固相部分裝袋存放；最后的固相油基巖屑的轉(zhuǎn)運(yùn)及處理，須經(jīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門審批，交由具有相應(yīng)處置資質(zhì)的公司進(jìn)行進(jìn)一步的無害化處理。

5 結(jié)論

1）室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用表明，超高密度油基鉆井液能夠很好地解決新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣霍爾果斯構(gòu)造古近系強(qiáng)水敏性地層鉆井的難題，HSE方面的問題得到有效解決，可以在新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣霍爾果斯構(gòu)造古近系進(jìn)一步推廣使用。

2）與水基鉆井液相比，超高密度油基鉆井液成本高，但是它在鉆井過程中大大節(jié)約了鉆井周期，鉆井綜合成本得到降低，提速效果顯著。

3）超高密度油基鉆井液在鉆井成本得到較大節(jié)約的同時(shí)，為環(huán)境保護(hù)帶來了一定的風(fēng)險(xiǎn)。含油鉆屑作為危險(xiǎn)廢物，辦理轉(zhuǎn)運(yùn)手續(xù)過程復(fù)雜，辦理的過程長時(shí)間堆放暫存，也容易發(fā)生環(huán)境污染。建議現(xiàn)場采用小型橇裝隨鉆甩干處理裝置，進(jìn)一步降低含油鉆屑含油量，減小發(fā)生環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。