復合鹽-胺基鉆井液技術(shù)在內(nèi)蒙拐13井的應用

謝 俊，司西強，王善舉，劉風濤，王凡超

1. 中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院；2. 中原石油工程有限公司鉆井三公司：河南濮陽 457001

中石化中原油田分公司內(nèi)蒙探區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟納旗境內(nèi)，構(gòu)造位置位于銀額盆地拐子湖凹陷，該區(qū)前期勘探開發(fā)中，分別在拐參1井及拐6井發(fā)現(xiàn)了高產(chǎn)油氣流，進一步確認了拐子湖凹陷的含油氣規(guī)模及資源潛力。為加快勘探開發(fā)進度及節(jié)約成本，擬嘗試將三開制井改為二開制井，部署了第一口二開制試驗井-拐13井，該井完鉆井深3 275 m，二開井段1 300～3 275 m，裸眼段長近2 000 m，并首次將銀根組、蘇紅圖組、巴音戈壁組等多套易坍塌泥巖置于同一裸眼段，井壁失穩(wěn)風險極大。鄰井鉆探過程中，頻繁在銀根組、蘇紅圖組、巴音戈壁組發(fā)生井壁坍塌，形成“糖葫蘆”井眼，導致完井電測施工中，在蘇紅圖組、巴音戈壁組遇阻，被迫多次通井及電測，大幅延長了完井周期。能否確保井壁穩(wěn)定，是采用二開制井成敗的關(guān)鍵。采用在現(xiàn)場聚合物氯化鉀體系基礎(chǔ)上，引入新型支化聚醚胺PEA-1及CaCl2，形成復合鹽-胺基鉆井液，以強化鉆井液抑制防塌能力，并在拐13井成功應用，有效解決了前期勘探井中存在的泥巖井壁失穩(wěn)及完井電測遇阻難題。

1 主要技術(shù)難題

1.1 多套泥巖易井壁失穩(wěn)

銀根組(1 300～2 000 m)泥巖段長且含有大段高活性棕紅色膠泥狀板結(jié)層，遇水極易水化分散，造漿嚴重，由于成巖性較差，地層易垮塌掉塊與膨脹縮徑、鉆頭泥包共存，如圖1所示。鉆頭泥包及銀根組鉆進期間所取的巖屑中，在吸水膨脹的軟泥中，夾雜少量棕色掉塊，同時銀根組與蘇紅圖組膠結(jié)面薄弱，易掉塊垮塌，鄰井多在膠結(jié)面附近井徑異常擴大見表1，形成大肚子井眼。在前期的三開制井身結(jié)構(gòu)中，二開套管封銀根組或者封至銀根組下部蘇二段，銀根組鉆井周期約3 d左右，屬于快速鉆進、快速下套管封隔，鉆井液對銀根組浸泡時間較短，井壁失穩(wěn)問題并不突出。而拐13井采用簡化的二開制井身結(jié)構(gòu)，銀根組與下部蘇紅圖組及巴音戈壁組在同一個裸眼段，隨著鉆井周期延長，鉆井液對銀根組地層的浸泡時間必然大大延長，從而對銀根組的井壁穩(wěn)定要求更高，否則將影響后期的起下鉆、電測等施工。

圖1 鉆頭泥包及振動篩返出巖屑

表1 部分井銀根組與蘇紅圖組交界面附近井徑擴大率

蘇紅圖組(2 000～2 950 m)鉆遇大段泥巖，主要巖性為紫紅色泥巖、紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，該地層易造漿，如果鉆井液密度、抑制封堵性能不足，大量的紅色泥巖侵入會造成鉆井液流變性能維護困難，并發(fā)生井壁縮徑及垮塌。拐參1井在蘇紅圖組多次下鉆不到底，造成擴(劃)眼；拐5側(cè)及拐12側(cè)井在此段電測頻繁遇阻，電測儀器出井后黏附大量的紅色軟泥，造成完井周期大幅延長；拐4井在蘇紅圖組鉆進期間振動篩返出大量棕紅色掉塊。

1.2 CO2及油氣污染

鉆井過程中可能在蘇紅圖組、銀根組鉆遇CO2侵入，循環(huán)罐槽面出現(xiàn)大量氣泡，見圖2，造成鉆井液密度下降、黏切升高、失水增大。統(tǒng)計了部分井受CO2污染前后的性能變化見表2。

表2 CO2污染前后鉆井液性能變化

圖2 CO2污染后罐面產(chǎn)生大量起泡

目的層巴音戈壁組可能鉆遇嚴重的油氣侵。拐12側(cè)鉆進至井深3 368 m時，鉆井液受到油氣污染，黏切升高，黏度由60 s最高上升至200 s，同時密度由1.39 g/cm3提高至1.65 g/cm3，在后續(xù)施工中，固控設(shè)備使用受限，鉆井液固相含量和黏切居高不下，導致濾餅虛厚，影響后期的完井作業(yè)。

2 鉆井液技術(shù)對策

目前現(xiàn)場在三開制井身結(jié)構(gòu)井中，銀根組采用低固相聚合物體系快速鉆進并下套管封隔，蘇紅圖組-巴音戈壁組采用聚合物鉀鹽抑制性體系。從實鉆情況來看，銀根組鉆井周期較短，鉆井液浸泡時間短，能夠在坍塌周期內(nèi)完成鉆井及下套管固井施工，因此，銀根組井壁失穩(wěn)問題并不突出；蘇紅圖-巴音戈壁組采用聚合物氯化鉀體系，由于鉆井周期長，鉆井液浸泡地層時間較長，因此會面臨較為嚴重的井壁失穩(wěn)問題，鉆井液井壁穩(wěn)定能力有待加強。

拐13井首次采用優(yōu)化的二開制井身結(jié)構(gòu)，井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表3，銀根組與蘇紅圖組、巴音戈壁組處于同一開次，裸眼段長近2 000 m，同一裸眼內(nèi)含有多套成巖性差異較大且易井壁失穩(wěn)的的泥巖，使鉆井液浸泡井壁時間延長，必然增加井壁失穩(wěn)的風險，包括銀根組在內(nèi)的地層井壁失穩(wěn)風險較三開制井更突出。

表3 拐13井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

2.1 鉆井液體系配方及性能評價

針對現(xiàn)場聚合物氯化鉀體系抑制井壁穩(wěn)定能力不足及可能鉆遇的CO2污染，以聚合物氯化鉀體系為基礎(chǔ)，通過引入加量為0.1%～0.3%新型支化聚醚胺PEA-1及0.1%～0.2% CaCl2，形成復合鹽-胺基鉆井液，增強鉆井液的化學抑制能力及抗CO2污染的能力。

鉆井液配方為：2%～4%預水化膨潤土漿+0.5%～1.0% 中分子降失水劑COP-HFL/LFL+0.5%～1.0%低分子降失水劑 LV-PAC/LV-CMC+0.1%～0.3%包被劑KPAM/FA-367+2%～4%SMP+2%～4%SMC+5%～7%KCl+0.1%～0.3%支化聚醚胺PEA-1+ 0.1%～0.2%CaCl2。支化聚醚胺PEA-1是基于分子尺寸控制合成的新型聚胺[1]，能同時兼顧抑制性及與鉆井液的配伍性，鉆井液中引入0.1%～0.2%CaCl2后，一方面能夠提高鉆井液抑制泥巖水化的能力，另一方面，當鉆井液鉆遇CO2污染時，能夠及時清除侵入鉆井液中的CO2，可兼顧抑制性與抗CO2污染。

2.1.1 鉆井液抑制性能

以文獻的第一作者計算，CNKI中白花前胡研究單位共有40家，文獻量≧3的有14家(表5)，其中11家為高校，2家為研究院所，1家為高校附屬醫(yī)院。

以拐4井，井深2 800 m蘇紅圖組棕紅色泥巖巖屑，采用巖屑滾動回收率實驗，實驗條件為100 ℃下熱滾16 h，對復合鹽-胺基鉆井液與氯化鉀鉆井液抑制性能進行了對比，數(shù)據(jù)見表4。

表4 巖屑滾動回收率評價

由表4可以看出，復合鹽-胺基鉆井液體系巖屑一次回收率85.1%，較清水及氯化鉀鉆井液體系有顯著提高，表明在鉆井液中引入支化聚醚胺及氯化鈣后，可發(fā)揮了多元協(xié)同的抑制性能，鉆井液抑制泥巖水化性能得到顯著增強。

2.1.2 鉆井液封堵性能

拐13井為評價井，對處理劑的熒光要求很高，常規(guī)的瀝青類產(chǎn)品不允許使用。超細目碳酸鈣常用作鉆井液的封堵劑，對上部成巖性較差的地層及砂巖儲層具有良好的封堵作用，有利于減少鉆井液消耗及儲層保護，超細鈣屬于剛性粒子若單靠其封堵，其封堵效率差，且影響濾餅質(zhì)量，導致濾餅發(fā)虛。針對這一問題，室內(nèi)優(yōu)選了2種符合熒光要求的封堵劑，乳化石蠟及白瀝青，其中乳化石蠟軟化點較低，在鉆進蘇紅圖組使用，進入巴音戈壁組后，隨著井溫升高，使用白瀝青對地層進行封堵，乳化石蠟及白瀝青加量均為2%～3%，此外，對于強抑制性復合鹽-胺基鉆井液，施工鉆進中應根據(jù)測試的MBT數(shù)值，及時補充優(yōu)質(zhì)預水化膨潤土漿，預水化膨潤土漿中黏土顆粒粒徑一般小于2 μm[2]，具有天然的封堵特性，同時具有可塑性，與乳化石蠟及白瀝青配合使用，能夠提高鉆井液的封堵能力及濾餅質(zhì)量。

2.2 鉆井液施工技術(shù)

1)控制鉆井液密度及黏度

根據(jù)鄰井實鉆密度及井下實際情況，在鉆遇層位發(fā)生變化時，及時調(diào)整密度，保證鉆井液對井壁合理支撐，在井壁穩(wěn)定情況下，控制鉆井液具有合適的黏度與切力，既能有效攜帶鉆屑，又能確保鉆井液對井壁及鉆頭合理的沖刷，避免高活性地層黏附鉆屑形成縮徑及鉆頭泥包；根據(jù)實鉆經(jīng)驗，鉆井液漏斗黏度控制在35～55 s較為合適，具體來說，銀根組-蘇紅圖組二段保持在35～45 s，蘇紅圖組一段-巴音戈壁組，保持在45～55 s。

2) 強化中深部地層鉆井液抗溫性能

隨著鉆進深度的增加，地層溫度不斷升高，應在蘇紅圖一段約2 500～2 900 m之間，將鉆井液轉(zhuǎn)換為磺化鉆井液，以提高鉆井液的抗高溫能力，改善高溫高壓濾餅質(zhì)量，降低鉆井液失水。同時，不宜將磺化處理劑直接加入鉆井液中以求一次完成轉(zhuǎn)磺，應逐步轉(zhuǎn)換，避免鉆頭泥包及因磺化處理劑溶解不完全，被振動篩篩出浪費，可以將磺化處理劑配制成濃度為5%～10%的高濃度膠液，通過循環(huán)周，漸進補入鉆井液中，逐步完成轉(zhuǎn)磺。

3) 控制鉆井液有害固相含量，提高抗油氣污染能力

用好一級固控，如果發(fā)現(xiàn)篩布損壞，及時更換，同時，一體機使用率應達到90%以上，離心機根據(jù)實際情況，每班應開啟至少一個循環(huán)周。通過提高固控效率，盡量降低鉆井液中有害固相含量，以提高鉆井液抗油氣污染能力。此外，鉆達油氣層前，通過小型實驗，提前了解鉆井液抗油氣污染的能力，并做好處理預案，鉆井現(xiàn)場應配備1 t左右的乳化劑OP-10，可以提前按照0.05%的加量，補入鉆井液中，提高鉆井液的乳化性能，同時提高鉆井液的抗污染能力。

3 現(xiàn)場應用

3.1 鉆井液維護措施

1)復合鹽-胺基鉆井液轉(zhuǎn)換：在一開套管內(nèi)，將鉆井液轉(zhuǎn)換為復合鹽-胺基鉆井液轉(zhuǎn)換。具體轉(zhuǎn)換措施為：配制1%～2%的聚合物膠液，與一開聚合物鉆井液充分混合，做好鉆井液護膠的工作后，開始按照氯化鉀加量5%～7%，CaCl2加量0.1%～0.2%，支化聚醚胺加量0.1%～0.3%，將氯化鉀、氯化鈣和支化聚醚胺加入鉆井液中，完成鉆井液轉(zhuǎn)換。

2)失水控制：前期銀根組鉆進時，可以將失水控制在5～8 mL，進入蘇紅圖后，逐步將失水控制在5 mL以下，隨著逐步轉(zhuǎn)磺，失水控制在4 mL以下。鉆進過程中，上部地層以大中分子聚合物以及惰性封堵類材料復配維護,通過K-PAM、FA367、COP-HFL、COP-LFL、PAC-LV、LV-CMC抑制上部地層造漿，并控制鉆井液流變性與中壓濾失量；下部地層，將鉆井液逐步轉(zhuǎn)換為磺化鉆井液，膠液中維護SMP-3、SMC，提高鉆井液高溫穩(wěn)定性能，控制高溫高壓濾失量。使用低分子、中分子聚合物膠液控制鉆井液失水，膠液應該以細水長流的方式補入鉆井液中。在降低失水前，應保持鉆井液中具有合適的膨潤土含量，避免盲目添加降失水劑。

3)鉆井液流變性能：銀根組-蘇二段，黏度保持在35～45 s，低黏低切，確保鉆井液對井壁的沖刷效果；蘇一段-巴音戈壁組，黏度保持在45～55 s，低黏兼具適當切力。定期清理錐型罐沉砂，控制鉆井液低密度固相含量，避免鉆井液黏切過大。

4)鉆井液密度：根據(jù)鄰井經(jīng)驗及井下實際情況，根據(jù)地層變化及時上提密度。

5)封堵性能：上部地層鉆進期間，可適當加入乳化石蠟、超細鈣等加強鉆井液的封堵性能，減少鉆井液消耗，并改善泥餅質(zhì)量；下部地層，通過加入白瀝青等封堵類材料改善泥餅質(zhì)量，強化鉆井液的封堵性能，保持井壁穩(wěn)定。

6)油氣侵：進入目的層，鉆井液可能受到較嚴重的油氣侵，一旦遇到油氣侵，除了地面進行除氣及上提密度外，應及時向鉆井液中補入適量的乳化劑等，避免鉆井液黏切增大，濾餅虛厚，造成井下復雜。

7)短起下鉆：上部軟泥巖地層，每鉆進200 m左右，應進行短起下鉆，短起下可以兩短一長，及時破壞井壁上的軟泥，防止縮徑。

8)下部地層蘇一段-巴音戈壁組，電測及下套管前，配制防塌、抗溫及潤滑性能良好的封閉液封住該井段，封閉漿黏度切力可適當高些，保證鉆井液懸砂能力，確保電測及下套管順利，封閉液配方：井漿+0.5%SMP+0.1%支化聚醚胺+0.5%液體潤滑劑+0.1%HV-CMC。

3.2 應用效果

1)井壁穩(wěn)定

復合鹽-胺基強抑制性鉆井液，具有良好的抑制鉆屑分散的能力，振動篩返出的蘇紅圖組及巴音戈壁組巖屑見圖3，鉆屑規(guī)則完整，可見清晰的PDC齒印，蘇紅圖組-巴音戈壁組井眼較為規(guī)則，從井徑數(shù)據(jù)看基本沒有糖葫蘆井眼，平均井徑擴大率為3.73%，較鄰井蘇紅圖組-巴音戈壁組平均井徑擴率9.03%有較大幅度下降，銀根組在鉆井液中的浸泡時間從前期井的約3～5 d延長至16 d，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，平均井徑擴大率5.48%，起下鉆暢通，完井電測一次成功，初步解決了前期井出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)及電測遇阻問題，鉆井周期26 d，平均機械鉆速10.93 m/h，創(chuàng)造了銀額新區(qū)同類型井機械鉆速、鉆井周期等雙項紀錄。

圖3 蘇紅圖組及巴音戈壁組返出的紅色及棕紅色泥巖

2)鉆井液性能穩(wěn)定

復合鹽-胺基鉆井液抑制性強，具有很強的固相容納能力，整個鉆井過程中鉆遇大段的高活性泥巖，侵入鉆井液中的泥巖多，鉆井液流變性能、失水等性能保持穩(wěn)定，表明強化鉆井液抑制性后，有助于鉆井液性能的穩(wěn)定，鉆井液濾餅薄而致密。良好的濾餅質(zhì)量能夠減弱鉆井液的壓力傳遞效應，降低濾液侵入地層的量，有助于井壁保持穩(wěn)定。鉆井液部分分段性能見表5，銀根組～蘇紅圖組二段地層，鉆井液黏度保持在35～45 s，蘇紅圖組一段～巴音戈壁組，鉆井液黏度保持在45～50 s，在保持鉆井液有效攜帶巖屑的情況下，保持對井壁的沖刷作用，避免巖屑黏附于井壁上，減輕起下鉆及電測時儀器下放、上行摩阻。

表5 鉆井液部分分段性能

4 結(jié)論

1)二開制井中，裸眼段長，多套泥巖易井壁失穩(wěn)，導致井壁垮塌掉塊，電測遇阻，應強化鉆井液的抑制泥巖水化的能力。

2)在氯化鉀體系基礎(chǔ)上，通過引入氯化鈣、支化聚醚胺等形成復合鹽-胺基鉆井液體系，抑制性能得到顯著增強，現(xiàn)場應用表明，強化鉆井液抑制性能后，有效解決了泥巖井壁失穩(wěn)及電測遇阻難題。