復(fù)合欠飽和鹽水鉆井液體系在順北志留系復(fù)雜地層的應(yīng)用

孫方龍，李子鈺

（1.中石化華北石油工程有限公司西部分公司，新疆 輪臺(tái) 841600；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

隨著中石化華北石油工程有限公司西部分公司在順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部的勘探開發(fā)力度加大，志留系地層的施工已成為制約5 號(hào)斷裂南部勘探開發(fā)的“瓶頸”難題之一。從已鉆井的實(shí)鉆資料來看，志留系地層塔塔埃爾塔格組、柯坪塔格組地層裂縫縱橫發(fā)育，壓力敏感性強(qiáng)，漏失風(fēng)險(xiǎn)大，裂縫連通后堵漏困難；柯坪塔格組地層存在鹽水層，使得該地層密度窗口窄，在發(fā)生井漏后表現(xiàn)出明顯的重力置換現(xiàn)象［1-2］；志留系地層存在大段硬脆性泥巖，由于泥巖的水化膨脹效應(yīng)及水力楔劈引起的尖端效應(yīng)均會(huì)破壞巖石的原始強(qiáng)度，造成坍塌壓力增加［3］。上述技術(shù)難題客觀上要求低密度下的井壁穩(wěn)定性，同時(shí)還要具有較強(qiáng)抗鹽水污染能力。為此，在該井段采用KCl-NaCl 復(fù)合鹽水鉆井液體系，利用K＋的抑制性和鉆井液的低活度來確保鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性［4］，且該體系具有較強(qiáng)的抗污染能力，同時(shí)加入聚胺抑制劑，抑制粘土水化［5-9］；在施工過程中加入隨鉆堵漏材料，加強(qiáng)鉆井液的隨鉆封堵性，起到逢縫即堵的作用［10］；采用微納米封堵材料，改善泥餅質(zhì)量，也對(duì)微裂縫、微孔隙進(jìn)行有效封堵，減緩或阻止了濾液的侵入。

1 背景

順北52A 井為部署在順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部的一口探井，2019 年5 月20 日一開開鉆，2020 年2月15 日完鉆。鉆遇地層為二疊系和志留系等復(fù)雜地層，成井難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)高。綜合鄰井的鉆井資料，參考鄰井在鉆遇順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系時(shí)的施工情況，判斷順北52A 井可能發(fā)生的井下復(fù)雜難題。順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系施工情況見表1。

表1 順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系施工情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Summary of Silurian drilling activities in the southern part of the 5# fault zone in the Shunbei Oil and Gas Field

由表1 可知，順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層鉆井施工中井漏概率高，漏失量大，漏失頻繁，存在高壓鹽水層，堵漏困難，堵漏損失時(shí)間長(zhǎng)，井漏已成為嚴(yán)重制約鉆井速度的主要因素。順北51X 井在鉆遇柯坪塔格組時(shí)卡鉆；順北52X 井在塔塔埃爾塔格組地層鉆進(jìn)發(fā)生漏失，使用化學(xué)凝膠堵漏，有成功封堵漏失層段［11-14］，但漏失層位多，后續(xù)堵漏未成功，由于堵漏難度大，鉆至志留系柯坪塔格組棄井；順北5-5H 井及順北5-6 井也在鉆遇志留系地層時(shí)發(fā)生井漏，多次堵漏未成功，因而調(diào)整井身結(jié)構(gòu)；順北5-7 井由于鉆遇志留系地層時(shí)，井斜超標(biāo)，被迫提前完井。從鄰井的鉆井資料可以發(fā)現(xiàn)，順北油氣田5 號(hào)斷裂帶志留系地層存在井壁垮塌、井漏、出鹽水等“漏溢塌”同層的難題，施工難度極大。

2 地層特點(diǎn)

順北52A 井三開和四開鉆遇順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層。志留系上部地層塔塔埃爾塔格組，上段為棕褐、灰色泥巖，粉砂質(zhì)泥巖與灰色粉砂巖，細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖，粉砂巖，淺棕色泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層；下段為灰色細(xì)粒巖屑石英砂巖、細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與灰、棕褐色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖略等厚互層。志留系下部地層柯坪塔格組，上段S1k3為灰色細(xì)粒巖屑石英砂巖夾棕褐色泥巖，即瀝青砂巖段；中段S1k2為深灰、灰、棕褐色泥巖，粉砂質(zhì)泥巖，即暗色泥巖段；下段S1k1為灰色細(xì)粒巖屑石英砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與灰、深灰、棕褐、灰褐色泥巖，粉砂質(zhì)泥巖略等厚互層，即砂泥巖互層段。

2.1 5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層巖性裂縫分析

對(duì)順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層進(jìn)行巖心取樣，并對(duì)所取巖心進(jìn)行觀測(cè)，分析該志留系地層裂縫發(fā)育情況。塔塔埃爾塔格組巖心裂縫見圖1，柯坪塔格組巖心裂縫見圖2。

圖1 塔塔埃爾塔格組巖心裂縫Fig.1 Fractures in cores from Tata Ertag Formation

圖2 柯坪塔格組巖心裂縫Fig.2 Fractures in cores from Kepingtag Formation

由圖1、圖2 可知，志留系地層裂縫發(fā)育，存在局部輕微破碎，部分裂縫開啟，未填充，說明志留系地層易井漏和易失穩(wěn)。并且從圖中可以發(fā)現(xiàn)，順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層發(fā)育的地層裂隙中，既有縱裂縫，也有橫裂縫，因此地層復(fù)雜性更高，若發(fā)生井漏或井壁失穩(wěn)情況，處理維護(hù)難度更大。

2.2 5 號(hào)斷裂帶南部志留系成像測(cè)井

除了通過巖心取樣的方式得到了志留系地層的地層特征外，還利用了成像測(cè)井技術(shù)對(duì)順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層進(jìn)行勘測(cè)，用以識(shí)別5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層的地層特征，并與所取巖心所示地層特征進(jìn)行對(duì)比。順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層成像測(cè)井見圖3。

圖3 志留系成像測(cè)井Fig.3 Silurian imaging logging

由圖3 成像測(cè)井資料可知，順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層存在許多天然裂縫，誘導(dǎo)縫較多，縱向裂縫發(fā)育程度高，裂縫尺寸大，且發(fā)育有較多橫向裂縫。成像測(cè)井資料解釋與取心所示地層特征結(jié)果吻合，且與實(shí)鉆施工情況一致。

2.3 5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層泥巖成分分析

對(duì)所取巖心巖樣進(jìn)行成分分析，研究地層的巖性組成及比例，并利用掃描電鏡從微觀的角度觀測(cè)地層巖石的微裂縫發(fā)育狀況，做到宏觀分析與微觀研究相結(jié)合，系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)和觀測(cè)斷裂帶地層巖石的礦物組成及微裂縫結(jié)構(gòu)。志留系硬脆性泥巖成分比例見表2 和表3，地層巖樣掃描電鏡圖片見圖4。

表2 志留系硬脆性泥巖成分比例Table 2 Composition percentage of Silurian hard and brittle mudstone

表3 粘土成分比例Table 3 Composition percentage of clay

圖4 志留系地層巖樣掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.4 Scanning electron microscope picture of the Silurian stratum rock sample

由表2 和表3 可知，順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層的泥巖中石英、斜長(zhǎng)石、白云石等含量較高，屬于典型的硬脆性泥巖［15］，且粘土礦物組分中伊蒙混層含量較高，達(dá)到45.835%，說明志留系地層具有較強(qiáng)的水化膨脹性，同時(shí)也驗(yàn)證了志留系地層井壁具有不穩(wěn)定性。由圖4 可知，該志留系地層存在不同尺寸的微裂縫，圖片中最大的微裂縫尺寸有5.92 μm，當(dāng)鉆井液濾液進(jìn)入該志留系地層后，易因水力楔劈引起的尖端效應(yīng)造成坍塌壓力增加。

3 5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層主要鉆井技術(shù)難點(diǎn)與對(duì)策

根據(jù)順北52A 井的鄰井資料、順北52A 井的成像測(cè)井資料及其巖心的觀測(cè)結(jié)果和成分分析實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層裂隙發(fā)育，且從縱橫兩向發(fā)展，微裂縫發(fā)育的尺寸也較大，漏失風(fēng)險(xiǎn)高，因此需要保證所使用鉆井液具有良好的封堵性能。

（2）順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層發(fā)育有大段的泥巖，根據(jù)成分分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，巖石中具有1/5 的粘土成分中，包含了45%以上的伊蒙混層及34%以上的伊利石，表明該志留系地層具有較強(qiáng)的水化膨脹性，易產(chǎn)生井壁坍塌，故需要鉆井液具有強(qiáng)抑制性。

（3）順北油氣田5 號(hào)斷裂帶南部志留系地層中存在鹽水層，根據(jù)鄰井資料顯示，多口鄰井在該志留系地層井漏后發(fā)生鹽水侵，這就要求所使用的鉆井液具有良好的抗鹽水污染能力。

（4）鄰井志留系地層鉆井施工中采用最低密度為1.33 g/cm3的鉆井液，在施工過程中也發(fā)生漏失，說明了志留系漏失壓力低。為平衡石炭系及志留系的坍塌壓力同時(shí)降低井漏的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)選擇合適的鉆井液密度進(jìn)行鉆進(jìn)。

4 鉆井液體系組成與性能

根據(jù)鄰井資料顯示，志留系地層可能鉆遇鹽水層，且考慮到志留系地層巖石成分中泥巖含量高，因此以KCl-NaCl 欠飽和復(fù)合鹽水體系為基礎(chǔ)，室內(nèi)優(yōu)選關(guān)鍵處理劑的加量，以流變性、抑制性、封堵性及抗污染性為主要考察指標(biāo)，不斷優(yōu)化基礎(chǔ)配方，最終形成一套適用于該斷裂帶志留系地層鉆進(jìn)的鉆井液體系。

配方：3% 膨潤(rùn)土＋0.1% 燒堿＋0.2% 純堿＋0.3%陽離子乳液聚合物＋0.3%低粘羧甲基纖維素鈉＋1% 陽離子聚丙烯酰胺＋1% 磺甲基酚醛樹脂＋1% 褐煤樹脂＋1% 抗高溫抗鹽聚合物（RHTP-1）＋2%磺化瀝青＋3%高軟化點(diǎn)乳化瀝青＋0.5% 有機(jī)硅醇抑制劑＋0.5% 聚胺＋5%KCl＋18%NaCl＋重晶石（密度1.32 g/cm3）。

4.1 抗鹽水侵評(píng)價(jià)

在優(yōu)化鉆井液體系配方下，分別加入不同量的NaCl，對(duì) 比150 ℃老 化16 h 后鉆井液性能，結(jié)果見表4。

表4 抗鹽水侵實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Anti-saline intrusion test results

由表4 可以看出，隨著NaCl 加量的提升，鉆井液粘度稍有上升，動(dòng)切力稍有降低，API 和高溫高壓濾失量都相應(yīng)增加，但污染后性能變化不大，說明該體系具有良好的抗鹽水侵能力。

4.2 抑制性評(píng)價(jià)

由于斷裂帶志留系地層巖石成分中泥巖含量高，考慮到泥巖易水化膨脹產(chǎn)生水力楔劈引起的尖端效應(yīng)均會(huì)破壞巖石的原始強(qiáng)度，造成坍塌壓力增加，因此使用KCl-NaCl 的欠飽和復(fù)合鹽水體系，利用K＋的抑制性和鉆井液的低活度來確保鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性；在此基礎(chǔ)上，同時(shí)加入聚胺和有機(jī)硅醇抑制劑，進(jìn)一步起到協(xié)同抑制增效作用，聚胺類頁巖抑制劑主要是由于胺基特有的吸附作用，通過帶正電的銨離子吸附在粘土表面，同時(shí)通過氫鍵作用加強(qiáng)對(duì)粘土片層的束縛，從而阻止水分子的進(jìn)入，抑制粘土水化，增加體系的抑制性及防塌性。優(yōu)選配方的抑制性對(duì)比評(píng)價(jià)如表5 所示。

由表5 數(shù)據(jù)可見，優(yōu)選配方巖心膨脹率低，滾動(dòng)回收率高，從而可見抑制性能優(yōu)良。

表5 鉆井液抑制性能測(cè)定結(jié)果Table 5 Measurement results of drilling fluid inhibition performance

4.3 封堵性評(píng)價(jià)

志留系地層微裂隙及層理發(fā)育，因此在KCl-NaCl 欠飽和復(fù)合鹽水鉆井液體系中加入高軟化點(diǎn)乳化瀝青RHJ-3 及磺化瀝青FT-3，由于志留系地層井深超6299.5 m，井底溫度高，在高溫高壓下瀝青被軟化并擠入頁巖微裂縫，并能在頁巖表面覆蓋一層致密的薄膜，對(duì)頁巖起到屏障作用，以此增強(qiáng)體系的封堵性；且在鉆井液中加入隨鉆堵漏材料FDL 和SZD，提高鉆井液體系的堵漏性能。對(duì)優(yōu)選配方進(jìn)行砂床實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 砂床實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of sand bed experiment

由表6 數(shù)據(jù)可知，30 min 鉆井液體系侵入砂子的最大深度為81 mm，說明該優(yōu)選KCl-NaCl 欠飽和復(fù)合鹽水鉆井液體系的封堵效果良好。

此外在體系中加入微納米封堵材料，可以形成質(zhì)量更好的泥餅，提高井壁質(zhì)量；同時(shí)也對(duì)泥巖微裂縫、微孔隙進(jìn)行封堵，減緩或阻止鉆井液濾液沿著微裂縫、微孔隙的進(jìn)入，降低因水力楔劈引起的尖端效應(yīng)造成的坍塌壓力增加。加入微納米封堵材料前后泥餅對(duì)比見圖5。

由圖5 可看出，加入微納米封堵材料的鉆井液所形成的泥餅更加薄而致密，泥餅質(zhì)量更好。

圖5 加入微納米封堵材料前后泥餅對(duì)比Fig.5 Comparison of mud cakes before and after adding micro and nano plugging materials

5 施工措施與應(yīng)用效果

5.1 現(xiàn)場(chǎng)施工

由于鄰井志留系地層鉆井施工中采用最低密度為1.33 g/cm3的鉆井液，在施工過程中也發(fā)生漏失，說明了志留系漏失壓力低，因此順北52A 井采用1.32 g/cm3的鉆井液密度進(jìn)行鉆進(jìn)。

為保持井壁穩(wěn)定性，防止因下鉆和開泵產(chǎn)生的“激動(dòng)”壓力造成井漏，每次長(zhǎng)起鉆前均在復(fù)雜地層井段注入封閉漿進(jìn)行封閉，封閉漿中加入隨鉆封堵材料（FDL、SZD）和防塌材料（高軟化點(diǎn)乳化瀝青RHJ-3、磺化瀝青FT-3），提高封閉漿的封堵防塌性能。

嚴(yán)格控制鉆井操作措施，降低了誘導(dǎo)性的漏失，如控制起下鉆速度（裸眼井段起下鉆速度控制在6 s/m 以上）；采取分段頂通和循環(huán)（出套管前至少循環(huán)一個(gè)遲到時(shí)間）；控制開泵速度（出漿口出漿前泵沖控制在10 沖之內(nèi)，出漿后逐步多次緩慢提至正常排量）等一系列詳細(xì)的工程操作措施，降低了人為因素誘發(fā)的井漏風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 應(yīng)用效果

順北52A 井在志留系鉆進(jìn)期間采用1.32 g/cm3鉆井液密度，同時(shí)使用在封堵、抑制防塌等方面具有協(xié)同增效的欠飽和鹽水鉆井液體系，志留系鉆井施工過程中均未發(fā)生漏失，且井壁穩(wěn)定。順北52A 井志留系鉆進(jìn)時(shí)間較設(shè)計(jì)節(jié)約2.06 d，而鄰井順北52X、順北5-5H、順北5-6、順北5-7、順北5-8、順北5-9、順北5-10、順北5-15H、順北53X 等井在志留系施工中均發(fā)生多次漏失，因漏失損失的時(shí)間較長(zhǎng)。順北52A 志留系地層測(cè)井井徑變化見圖6。

圖6 順北52A 志留系地層測(cè)井井徑Fig.6 Caliper-logging results of Shunbei 52A in the Silurian formation

由順北52A 志留系地層測(cè)井井徑變化圖可以看到，KCl-NaCl 復(fù)合欠飽和鹽水鉆井液體系在順北志留系地層的應(yīng)用中，在志留系上部地層，很好地維護(hù)了井壁的穩(wěn)定性，防止了井塌和井徑變化，而在志留系下部地層中，部分井段出現(xiàn)了井徑擴(kuò)大現(xiàn)象，波動(dòng)較大，但程度不高，因此KCl-NaCl 復(fù)合欠飽和鹽水鉆井液體系在順北志留系地層中很好地維護(hù)了井壁，對(duì)井徑的控制效果良好。通過使用欠飽和鹽水鉆井液體系，保證了順北52A 井志留系地層的施工安全，預(yù)防井漏和坍塌效果好，節(jié)約鉆井時(shí)間，加快了順北油氣田的勘探開發(fā)。

6 結(jié)論

順北52A 井使用KCl-NaCl 復(fù)合欠飽和鹽水鉆井液并結(jié)合防漏、防塌協(xié)同技術(shù)，成功鉆開志留系地層，并順利完井，由此得到以下結(jié)論：

（1）志留系地層存在鹽水層，采用欠飽和鹽水鉆井液體系，可以很好地抗鹽水污染。

（2）志留系地層發(fā)育有大段泥巖，易水化膨脹，同時(shí)存在微裂縫、微孔隙、層理發(fā)育，使用抑制性較強(qiáng)的復(fù)合欠飽和鹽水鉆井液體系，保證鉆井液中K＋的有效含量，且在鉆井液中加入聚胺等抑制劑，可以最大程度地維持巖石的原始強(qiáng)度，防止掉塊跨塌，保持井壁的穩(wěn)定性。

（3）志留系地層塔塔埃爾塔格組、柯坪塔格組地層裂縫發(fā)育，同時(shí)裂縫開啟壓力低，井漏風(fēng)險(xiǎn)高，易發(fā)生誘導(dǎo)性漏失，在施工過程中宜采用較低的鉆井液密度，同時(shí)在鉆井液中加入隨鉆堵漏材料，加強(qiáng)隨鉆封堵性、防止地層漏失，很好地起到了逢縫即堵的作用。