低固相超高溫鉆井液的研究及應(yīng)用

田 惠，張克正，史 野，黃 臣，李秀妹，何 鵬

（中國石油渤海鉆探工程有限公司泥漿技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280）

楊稅務(wù)潛山是華北油田目前重點(diǎn)開發(fā)地區(qū)。該地區(qū)儲層溫度高，壓力中等偏低，且存在大段非均質(zhì)碳酸鹽。該地區(qū)的鉆探，從技術(shù)難度上，在環(huán)渤海灣乃至國內(nèi)首屈一指。鉆井液存在以下技術(shù)難點(diǎn)：（1）超高溫環(huán)境對鉆井液的抗溫性能提出了極大的挑戰(zhàn)[1]；（2）寒武系徐毛饅組地層約200 m 厚的泥巖段存在井壁垮塌的可能性，府君山組存在漏失風(fēng)險，易造成事故復(fù)雜；（3）目前華北及鄰近油田尚沒有密度1.20 g/cm3、抗溫220 ℃左右水基鉆井液體系現(xiàn)場成功應(yīng)用實(shí)例；（4）低密度鉆井液巖屑攜帶效果不佳，鉆井液體系難實(shí)現(xiàn)低固相[2]。為保證安全鉆井，需要攻克超高溫、低密度鉆井液攜巖穩(wěn)定性、強(qiáng)抑制性、封堵性的技術(shù)難題。

前期已研制出密度1.20 g/cm3～2.0 g/cm3可調(diào)、抗溫達(dá)200 ℃、抗鹽膏污染能力強(qiáng)的“三高”鉆井液體系[3，4]和抗溫達(dá)210 ℃、封堵造壁能力強(qiáng)的復(fù)合有機(jī)鹽及低固相抗高溫鉆井液體系[5，6]，并在現(xiàn)場應(yīng)用成功。根據(jù)室內(nèi)研究和現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，初步確定適用于楊稅務(wù)地區(qū)的低固相超高溫鉆井液體系配方。利用不同種類、不同鏈長處理劑的協(xié)同作用，優(yōu)化體系性能，并對不同廠家的同類處理劑進(jìn)行優(yōu)選，最終形成了一套密度范圍為1.10 g/cm3～1.20 g/cm3、抗溫達(dá)220 ℃、抑制性強(qiáng)的低固相超高溫鉆井液體系。

1 低固相超高溫鉆井液體系的研究

1.1 初步配方的確定

低固相超高溫鉆井液體系的初步配方：3 %～4 %膨潤土+1.8 %～2.3 %包被劑（1 %低黏包被劑、0.3 %復(fù)合離子包被劑、0.5 %～1 %高黏包被劑）+2 %～4 %降濾失劑（0.5 %中、小分子聚合物降濾失劑、1 %～1.5 %有機(jī)硅聚合物降濾失劑、0.5 %～1 %磺酸鹽聚合物降濾失劑、0.5%～1%抗超高溫降濾失劑）+2%抗高溫樹脂+2 %頁巖抑制劑+1.5 %抗高溫提切劑+超細(xì)碳酸鈣。

固定膨潤土用量為3.5 %，其他鉆井液處理劑用量取中值，對初步配方中處理劑的種類及加量進(jìn)行了優(yōu)選，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表1）。

由表1 可知，初步配方經(jīng)220 ℃/16 h 老化后，體系的黏度、切力及API 濾失量變化不大，而減少或改變處理劑種類的體系，老化后三者均有較大改變，效果不如初步配方。說明初步配方抗溫能力強(qiáng)，在靜止?fàn)顟B(tài)下仍能形成較強(qiáng)的空間結(jié)構(gòu)，有利于固相的懸浮和攜巖。因此，確定低固相超高溫鉆井液體系的配方即為初步配方。

1.2 膨潤土用量的確定

膨潤土是水基鉆井液的重要配漿材料。高溫情況下，膨潤土?xí)a(chǎn)生高溫分散、高溫聚結(jié)及高溫鈍化作用，同時處理劑在膨潤土表面也會產(chǎn)生高溫解吸附、高溫去水化作用[7]，所以，必須合理控制膨潤土的用量。膨潤土用量為2.8 %、3.5 %及4.4 %時，鉆井液體系的性能（見表2）。

由表2 可知，隨著膨潤土用量的增大，鉆井液體系的黏度、切力增大，API 濾失量降低。但當(dāng)膨潤土的用量超過一定容量限后，體系出現(xiàn)流變和濾失性能下降的現(xiàn)象，經(jīng)220 ℃/16 h 老化后，現(xiàn)象更加明顯，分析原因可能是發(fā)生了聚結(jié)及高溫凝膠。所以，選定膨潤土的用量為3.5 %?？紤]鉆井過程中地層水的侵入和地層造漿作用，膨潤土的加量控制在3 %～4 %為宜。

表1 低固相超高溫鉆井液初步配方的確定

表2 膨潤土用量對鉆井液體系性能的影響

1.3 處理劑的優(yōu)選

隨著井深的增加，井底溫度升高，超高溫環(huán)境對處理劑提出了極大的挑戰(zhàn)。在保證處理劑抗溫性的同時，還要考慮處理劑與膨潤土的協(xié)同作用，提高膨潤土在超高溫條件下的水化能力，防止高溫去水化及聚結(jié)。對不同廠家的幾類處理劑進(jìn)行了優(yōu)選，并按現(xiàn)場應(yīng)用要求測試鉆井液體系性能。

1.3.1 抗高溫提切劑的優(yōu)選 在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定膨潤土用量為3.5 %，其他鉆井液處理劑用量取中值，抗高溫提切劑進(jìn)行了優(yōu)選，結(jié)果（見表3）。

由表3 可知，與初步配方相比，加入抗高溫提切劑HB-2 體系的黏度偏低，API 濾失量偏大；加入抗高溫提切劑HE-300 的體系經(jīng)220 ℃/16 h 老化后，黏度大幅度下降，說明HE-300 抗超高溫能力差。所以，綜合以上兩點(diǎn)，選定抗高溫提切劑為初步配方中所用。

1.3.2 抗高溫樹脂的優(yōu)選 在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定膨潤土用量為3.5 %和抗高溫提切劑，其他鉆井液處理劑用量取中值，對初步配方中的抗高溫樹脂進(jìn)行了優(yōu)選，結(jié)果（見表4）。

由表4 可知，與初步配方相比，加入抗高溫樹脂SMP-3 和抗高溫樹脂SMP-Ⅲ的體系的黏度偏低，而API 濾失量變化不大，這在保證濾失造壁性的同時，有利于解決鉆井液黏度大而造成開泵困難、鉆屑難以去除或鉆井過程中激動壓力過大等影響安全鉆井[8]的問題。與加入抗高溫樹脂SMP-Ⅲ的體系相比，加入抗高溫樹脂SMP-3 的體系220 ℃/16 h 老化前后，其黏度、切力及API 濾失量更優(yōu)，特別是動塑比在0.5 左右，符合現(xiàn)場應(yīng)用要求，所以，選定抗高溫樹脂為SMP-3。

1.3.3 降濾失劑的優(yōu)選 在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定膨潤土用量為3.5 %、抗高溫提切劑和抗高溫樹脂，對初步配方中的抗超高溫降濾失劑進(jìn)行了優(yōu)選。為與現(xiàn)場應(yīng)用要求更加接近，增測體系經(jīng)220 ℃/16 h 老化后、70 ℃時的性能，結(jié)果（見表5）。

由表5 可知，與加入抗超高溫降濾失劑DSP-2 的體系相比，初步配方220 ℃/16h 老化前后其黏度、切力略高，API 濾失量偏低。說明初步配方中所用超高溫降濾失劑高溫護(hù)膠能力強(qiáng)，所以選定超高溫降濾失劑為初步配方中所用。

表3 抗高溫提切劑對鉆井液體系性能的影響

表4 抗高溫樹脂對鉆井液體系性能的影響

表5 抗超高溫降濾失劑對鉆井液體系性能的影響

1.3.4 頁巖抑制劑的優(yōu)選 在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定膨潤土用量為3.5 %、抗高溫提切劑、抗高溫樹脂和抗超高溫降濾失劑，對初步配方中的頁巖抑制劑進(jìn)行了優(yōu)選。按照現(xiàn)場應(yīng)用要求，測試70 ℃及220 ℃/16 h后、70 ℃的性能，結(jié)果（見表6）。

由表6 可知，與初步配方相比，加入頁巖抑制劑FF-Ⅰ和DYFT-Ⅱ的體系經(jīng)220 ℃/16 h 老化后，黏度、切力偏高，更符合現(xiàn)場應(yīng)用要求；但API 濾失量偏大，分析原因可能是初步配方中所用的頁巖抑制劑中含有部分納米顆粒，起到了堵孔降濾失劑的作用。與加頁巖抑制劑DYFT-Ⅱ的體系相比，加入頁巖抑制劑FF-Ⅰ體系的切力更高，特別是220 ℃/16 h 老化后動塑比為0.85，體系攜巖能力強(qiáng)，有利于實(shí)現(xiàn)低固相。所以綜合以上幾點(diǎn)，選定頁巖抑制劑FF-Ⅰ。

在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，最終形成了一套密度范圍為1.10 g/cm3～1.20 g/cm3、抗溫達(dá)220 ℃、抑制性好的低固相超高溫鉆井液體系：3 %～4 %膨潤土+1.8 %～2.3 %包被劑（1 %低黏包被劑、0.3 %復(fù)合離子包被劑、0.5 %～1 %高黏包被劑）+2%～4%降濾失劑（0.5%中、小分子聚合物降濾失劑、1 %～1.5 %有機(jī)硅聚合物降濾失劑、0.5 %～1 %磺酸鹽聚合物降濾失劑、0.5 %～1 %抗超高溫降濾失劑）+2 %抗高溫樹脂SMP-3+2 %頁巖抑制劑FF-Ⅰ+1.5 %抗高溫提切劑+超細(xì)碳酸鈣。該體系抗溫可達(dá)220 ℃，超高溫老化后，表觀黏度為65.5 mPa·s，動塑比為0.87 左右，API 濾失量為4.0 mL，高溫高壓濾失量為11 mL。

2 安探4X 井現(xiàn)場應(yīng)用

安探4X 井是華北油田楊稅務(wù)潛山的一口超高溫探井，完鉆井深為6 455 m，井底最高溫達(dá)到206 ℃，是目前華北油田完鉆的最深井。該井四開超高溫井段所用鉆井液出現(xiàn)聚合物抗溫能力不高、提升拉力大、返出砂子細(xì)問題。將研制的低固相超高溫鉆井液應(yīng)用于該井段，成功解決了該井段鉆井液出現(xiàn)的問題，取得了良好的應(yīng)用效果?，F(xiàn)場實(shí)測鉆井液性能（見表7），鉆進(jìn)中返出的巖屑（見圖1）。

圖1 安探4X 井鉆進(jìn)中返出的巖屑

由表7 可知，低固相超高溫鉆井液體系性能穩(wěn)定，流變性良好，具有較強(qiáng)的包被抑制性，實(shí)現(xiàn)了鉆井液低固相。由圖1 可知，鉆進(jìn)中返出鉆屑均為鉆頭破碎的巖屑，體系封堵造壁性強(qiáng)，能有效抑制井壁垮塌、掉塊；同時可有效懸浮攜帶鉆屑，凈化井眼，很好地滿足了后續(xù)地質(zhì)錄井的要求。

表6 頁巖抑制劑對鉆井液體系性能的影響

表7 安探4X 井鉆井液性能

3 結(jié)論及認(rèn)識

（1）針對華北油田楊稅務(wù)潛山儲層溫度極高，壓力中等偏低，且存在大段非均質(zhì)碳酸鹽的問題，研發(fā)出低固相超高溫鉆井液體系。該體系抗溫可達(dá)220 ℃，流變性良好，且具有較強(qiáng)的包被抑制性和封堵造壁性，符合楊稅務(wù)潛山超高溫井段的應(yīng)用要求。

（2）低固相超高溫鉆井液在安探4X 井超高溫井段應(yīng)用，成功解決了低密度情況下低固相難實(shí)現(xiàn)的難題，取得了良好的應(yīng)用效果，為該區(qū)塊超高溫井的順利鉆進(jìn)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，也為后續(xù)華北油田復(fù)雜地層超深井的施工打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）低固相超高溫鉆井液體系中所用抗超高溫降濾失劑為進(jìn)口產(chǎn)品，價格高，增大生產(chǎn)成本，尋找性價比高的抗超高溫降濾失劑，降低生產(chǎn)成本是下一步工作的重點(diǎn)。