塔中二、三疊系防塌鉆井液工藝技術應用

嚴 羿，馮 勇，孫 俊，祝學飛，查凌飛

（川慶鉆探工程有限公司新疆分公司，新疆庫爾勒 841000）

塔里木油田塔中區(qū)塊位于新疆塔克拉瑪干沙漠腹地，油氣資源主要埋藏在奧陶系鷹山組、一間房組，其深度在5 800～6 300m，該區(qū)塊自上而下分別鉆穿古近系、白堊系、三疊系（T）、二疊系（P）、石炭系、志留系、奧陶系桑塔木組、良里塔格組、鷹山組、一間房組。該區(qū)塊采用三開井身結構，二開井眼裸眼長度達4 300～4 800m，存在多套壓力層系等，二、三疊系埋藏在2 300～4 000m。長裸眼鉆進時，在鉆井液的浸泡下，二、三疊系泥頁巖易水化膨脹，且二疊系底部普遍含高硬度火成巖，其多為裂隙發(fā)育，水敏性強，易發(fā)生井壁大規(guī)模失穩(wěn)。起下鉆過程中發(fā)生的井壁坍塌，常造成垮塌卡鉆、埋鉆具等工程事故，此類復雜是近年來該區(qū)塊面臨的主要難題，僅2016—2019年四年間共發(fā)生15井次垮塌事故，其中造成卡鉆事故8井次，回填側鉆3井次，3口井發(fā)生回填側鉆事故，平均損失周期高達900h。

為提升鉆井液封堵防塌穩(wěn)定井壁的能力，從根本上解決二、三疊系垮塌問題，保證該井段安全快速鉆井。通過實驗摸索，形成二、三疊系專項封堵防塌工藝技術，落實物理平衡及化學封堵防塌等措施，配合二、三疊系及其上下交界面專項封堵技術，及時起下鉆及短程起下鉆對井眼井壁進行有效拉劃以形成具有強韌性優(yōu)質泥餅，保證新井眼暢通井壁穩(wěn)定，該技術應用于塔中區(qū)塊3口實驗井，取得了良好的應用效果。

1 二、三疊系井壁垮塌原因分析

1.1 二、三疊系泥巖特性

本區(qū)塊中上部地層二、三疊系巖性以硬脆性泥巖為主，具有破碎性、地層膠結差、水敏性強等顯著特征，尤其是二、三疊系交界面地層泥頁巖伊蒙間層含量高達20%～30%，非黏土礦物（碎屑顆粒）含量為30%左右，間層比高達75%～80%，鉀離子含量最高可達1 168mg/L，此類特性決定泥頁巖的硬脆特性。在鉆井液浸泡下間層黏土礦物水化膨脹，發(fā)生水化分散，形成剝落掉塊。二、三疊系鉆遇地層及巖性特點如表1所示。

表1 二、三疊系鉆遇地層及巖性特點

對二、三疊系泥巖進行水化膨脹率及巖屑回收率評價實驗，數據見表2。

表2 二、三疊系泥巖進行水化膨脹率及巖屑回收率

如表2所示，塔中三口井二、三疊系灰色泥巖、紫紅色泥巖及褐色泥巖的巖屑回收率偏低，分別為16.2%、17.8%及18.3%，二、三疊系泥巖水化膨脹嚴重，其中ZG22-H井水化膨脹率最高達到19.9%。

1.2 濾液侵入地層造成井壁不穩(wěn)定

鉆井液濾液侵入地層孔隙，可使孔隙壓力增大[1]。井筒鉆井液與地層的壓力差驅使鉆井液濾液侵入巖石孔隙，礦物顆粒之間的有效結合力降低，造成巖石中黏土水化膨脹、分散，巖石強度也隨之降低，引起井壁不穩(wěn)定，形成剝落掉塊進而造成井壁垮塌。

1.3 密度不能平衡地層坍塌壓力

二、三疊系交界面易垮塌，二疊系地層火成巖發(fā)育，巖性破碎、存在孔洞裂隙，該地層容易發(fā)生垮塌、井漏，鉆井時要注意防漏；該區(qū)塊地層坍塌壓力等地質特性設計跟實鉆情況存在一定偏差，容易引起密度誤判。因此密度選擇面臨困難。鉆井液密度過高，超過地層破裂壓力，地層易破裂發(fā)生井漏，進一步造成卡鉆等井下復雜[2]；鉆井液密度過低，不足以平衡地層應力，力學不穩(wěn)定，易形成硬脆性泥巖剝落掉塊，造成井壁垮塌。

1.4 長裸眼彎螺桿復合鉆進井壁不平整

鉆井設計對本區(qū)塊井身質量有較高要求，且多數為定向水平井，為控制井斜減少起下鉆換螺桿時間，提高純鉆時間，進一步提速提效。二開采用1.5°彎螺桿替代直螺桿進行快速鉆進，鉆進中隨鉆監(jiān)測井斜，根據隨鉆井斜數據，間斷進行定向滑動鉆進控制增斜速度，保證井身軌跡滿足設計要求。但二、三疊系彎裸桿復合鉆進，鉆頭對地層破碎不均勻，橫向物理碰撞力較大，從而造成井眼不規(guī)則形成較多的微臺階，對起下鉆或短程起下鉆造成阻卡，大t位的連續(xù)起下活動鉆具更易引起井壁垮塌。

2 二、三疊系防塌鉆井液工藝技術要點

2.1 鉆井液配方優(yōu)化

通過實驗室摸索，對瀝青類防塌劑、抑制性處理劑等多種防塌性處理劑進行優(yōu)選，并對處理劑進行了優(yōu)化組合， 最終形成二、三疊系防塌鉆井液配方。

2.1.1 優(yōu)選防塌封堵處理劑

瀝青類處理劑乳化瀝青SY-A01、磺化瀝青FT-1A和天然瀝青CPA等。針對本區(qū)塊二、三疊系井深在2 300～4 000m，選擇軟化點在80～120℃的乳化瀝青SY-A01及天然瀝青CPA，與鉆井液不同濃度和粒徑的固相成分對地層孔隙進行變形填充，從而形成護壁能力強的泥餅，有效阻止鉆井液中的固相及濾液繼續(xù)侵入地層[4]。再配合使用磺化瀝青FT-1A，其含有磺酸基，水化作用強，能吸附于泥頁巖晶層斷面上阻止頁巖顆粒的水化分散；同時不溶于水的瀝青部分又能起到填充孔隙和裂縫的封堵作用，并通過復配加入抗高溫降濾失劑，改善泥餅質量，控制較低的濾失量來提高鉆井液的防塌性能。

抑制類處理劑的選擇，首選常規(guī)的無機鹽類頁巖抑制劑KCl，KCl具有較強的抑制頁巖滲透水化的能力，當其被黏土吸附后，由于水化能低，會促使晶層間脫水使晶層受到壓縮，形成緊密的構造，從而能夠有效地抑制黏土水化[5]。

頁巖抑制劑陽離子聚乙二醇CPI是一種低分子量帶陽離子基團聚合物，其能進入到黏土晶層中，從而起到抑制黏土礦物水化分散的作用[6]。由于CPI分子量偏低，在鉆屑上的吸附速度快，迅速吸附在鉆屑上抑制其分散。

封堵類處理劑方面，鉆井液用堵漏劑纖維聚合物微粒TYSD是一種植物棉纖維類堵漏劑，其采用多種惰性多形態(tài)封堵劑和特殊成膜聚合物復合而成，能快速堵塞地層裂隙，阻止地層裂隙的擴張延伸，組分中的纖維可在井壁及裂隙中快速吸附（架橋）結網，形成的承壓能力較強的泥餅，阻止鉆井液濾液進入地層穩(wěn)定井壁。

聚合醇PGCS在鉆井液中處于溶解狀態(tài)，當溫度超過50℃， PGCS就會析出來產生濁點效應，在井筒壓差的作用下，PGCS顆粒便會擠入地層空隙及微裂之中，從而起到穩(wěn)定井壁的作用。

聚合物類成膜封堵類處理劑FDM是一種納米～微米級高分子聚合物乳液產品，其在孔隙性、微裂性地層表面濾失而形成致密的非滲透、可變形性高分子膜，在地層孔隙中形成致密的封堵層，阻止鉆井液濾液侵入地層，防止泥頁巖孔隙或裂隙水化，同時通過改善泥餅質量，減少鉆井液濾失，有效穩(wěn)定井壁。

2.1.2 鉆井液基本配方

通過實驗對各類處理劑進行優(yōu)選和配方優(yōu)化，形成一套用于現場應用的性能最優(yōu)鉆井液配方，該配方水化膨脹率2.39%，巖屑回收率91.6%，具有良好的抑制性和抗污染能力?；九浞饺缦拢?/p>

4%膨 潤 土+0.2%～0.5%NaOH+1.5%SMP-3+1.5%SPNH+1%MYK-1（聚合物降濾失劑）+3%SY-A01（乳化瀝青）+1%FT-1A（磺化瀝青）+0.5%CPI（陽離子抑制劑）+1%PGCS（聚合醇）+2%FDM（成膜封堵劑）+5%KCl（氯化鉀）+1%TYSD（纖維封堵劑）+3%LE-5（油性潤滑劑）+0.3%～0.8%FA367（包被抑制劑）+5%YX（超細碳酸鈣）。鉆井液配方實驗，如表3所示。

表3 鉆井液配方實驗

2.2 鉆井液工藝技術現場應用

2.2.1 白堊系、三疊系交界面

①鉆進至白堊系底部，調整三疊系維護膠液配方：鉆井水+0.5%FA367+1%MYK-1+0.5%CPI +1%PGCS。

②進入三疊系50～100m逐步上提鉆井液密度至1.25～1.32g/cm3（每100m 約提高0.02g/cm3）。

③進行一次短程起下鉆，對上部快速鉆進期間的井壁進行一次拉劃，以破壞因長時間浸泡形成的虛厚泥餅，保持井眼通暢。

④短程起下鉆前，對白堊系與三疊系破碎性交界面進行專項封堵[7]。專項封堵防塌鉆井液配方：井漿+1%TYSD+2%PGCS+5%YX+石灰石粉。

2.2.2 三疊系、二疊系交界面

①三疊系鉆進期間，根據鉆井進尺，向井漿補充3%～5%KCl，控制鉆井液K+含量15 000～25 000mg/L。并維持膠液配方0.5～0.8%FA367+0.5%CPI+1%MYK-1+1%PGCS。

②三疊系下部至二疊系上部鉆進期間逐步提高鉆井液密度至1.35g/cm3，每鉆進100m約提高密度0.01g/cm3，短程起下鉆前應將井漿密度比正常鉆井時提高0.02g/cm3。

③短程起下鉆前，對三疊系與二疊系不穩(wěn)定交界面進行專項封堵。專項封堵防塌鉆井液配方：井漿+1%FT-1A +2%SYA01+1%TYSD+2%FDM+2%PGCS+5%YX+石灰石粉。

2.2.3 鉆穿二疊系

①進入二疊系，調整鉆井液膠液配方：鉆井水+0.2%NaOH+1.5%SMP-3+1.5%SPNH+1%MYK-1+0.5%CPI+1%PGCS+0.3%FA367。井漿中一次性補充油性潤滑劑LE-5，將鉆井液油含提高到3%，經過一個循環(huán)周后，向井漿中加3%SY-A01、2%FT-1A及2% FDM。

②根據鉆井進尺，及時補充KCl，控制鉆井液K+含量30 000mg/L左右。

③鉆進期間逐步逐步提高鉆井液密度至1.35g/cm3，每鉆進100m上提鉆井液密度0.02g/cm3。

④鉆穿二疊系進行短程起下鉆，短程起下鉆前，采取重稠漿（高于井漿密度0.2～0.3g/cm3）+雷特纖維結合變排量進行井眼攜砂，保證井眼清潔；攜砂完畢后，對整個二、三疊系進行最后一次專項封堵，進一步穩(wěn)定二、三疊系。專項封堵防塌鉆井液配方：井漿+1%FT-1A+3%SY-A01+1%TYSD+2%FDM+2%PGCS+5%YX+5%LE-5+重晶石粉。

2.3 現場鉆井液性能

在工藝技術實施期間，主要思路在首要加強鉆井液合適的密度支撐，其次是通過乳化瀝青SY-A01、磺化瀝青FT-1A、天然瀝青CPA、陽離子抑制劑CPI、聚合醇PGCS、成膜封堵劑FDM、氯化鉀KCl以及纖維封堵劑TYSD協(xié)同封堵防塌作用，進一步提升鉆井液的失水造壁性、封堵防塌能力以形成優(yōu)質的泥餅，保證井壁穩(wěn)定，井眼暢通。實驗井鉆井液性能如表4所示。

表4 現場鉆井液性能

3 工程應用效果

通過實驗井對防塌鉆井液工藝技術的應用，實鉆中采用階梯方式進行密度提升，以合適密度對井壁進行有效支撐；根據二、三疊系黏土礦物特性，優(yōu)選出強包被、強抑制性，防塌封堵性能強的鉆井液體系，鉆井液中通過聚合物降濾失劑與固-液封堵防塌類處理劑協(xié)同作用，降低濾失量與泥餅滲透性，濾餅致密，韌性好，鞏固井壁；在機泵允許的情況下盡量提高環(huán)空返速同時保持鉆井液具有合適的黏切，既滿足攜砂要求又保證環(huán)空鉆井液處于層流狀態(tài)，減少對井壁的沖蝕；通過強化短程起下鉆，配合適當的起下鉆速度，避免大規(guī)模垮塌的發(fā)生，實驗3口井二、三疊系均未出現井壁垮塌，鉆井液維護量少，巖屑代表性強，井徑規(guī)則，二、三疊系平均井徑擴大率為8.3%，低于實驗前10.6%的井徑擴大率，實驗效果良好，達到了預期效果。

4 結束語

1）以強抑制強封堵防塌為主線的鉆井液技術思路，通過優(yōu)選處理劑，合理復配，形成一套適合塔中區(qū)塊的防塌鉆井液體系。該防塌鉆井液體系鉆井液維護簡單，鉆井液高溫穩(wěn)定性良好，高溫高壓濾失量小，形成的泥餅薄且韌性強。

2）該鉆井液工藝技術結合物理平衡及化學封堵防塌等措施，配合二、三疊系及其上下交界面專項封堵技術，必要的井眼清潔，及時的起下鉆及短程起下鉆對塔中區(qū)塊二、三疊系井眼進行有效拉劃，最大限度破壞井壁微臺階，進一步保證井眼暢通及井壁穩(wěn)定，應用于塔中區(qū)塊3口實驗井，取得了良好的應用效果。