延安東部氣田成膜防塌鉆井液體系優(yōu)選和應用

羅紅芳，張文哲，何小曲，李國榮

（1.延安職業(yè)技術(shù)學院，陜西 延安716000；2.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西 西安710075）

1 延安東部氣田地層井壁失穩(wěn)機理分析

1.1 地層特征分析

延安東部氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，橫跨延長縣、宜川縣和延川縣。通過對延安東部氣田上古生界地層礦物組分分析，粘土礦物以伊利石及伊蒙混層為主，屬硬脆性泥頁巖地層［1-2］。由于地層內(nèi)部微裂隙比較發(fā)育（見圖1），井眼鉆開后，若鉆井液的封堵性不高、失水造壁性不強，鉆井液及其濾液高溫高壓下處于紊流狀態(tài)，極易順著裂縫層理面發(fā)生滲流，造成地層水化而強度降低，最終導致井壁失穩(wěn)，發(fā)生坍塌、掉塊和卡鉆等復雜情況。該區(qū)地層不存在強構(gòu)造應力，但存在扭轉(zhuǎn)，層理裂縫發(fā)育明顯；該區(qū)古生界地層屬于晚成巖時期，含易坍塌的多套煤層和炭質(zhì)泥巖，易水化膨脹和分散，發(fā)生縮徑阻卡，需加強鉆井液的抑制水化膨脹作用［3-4］。

圖1 裂縫發(fā)育的石盒子組地層（垂深2103 m）掃描電鏡圖Fig.1 SEM image of Shihezi formation with developed fractures(vertical depth:2103m)

1.2 井壁失穩(wěn)機理研究

延安氣田“雙石組”泥頁巖滲透率最高僅為100×10-9μm2，屬特低滲地層。由于泥頁巖孔隙很小，屬于微納米級，毛細管效應突出，比表面大，表面吸附水，吸水能力較強，鉆井液中含有可水化的陽離子水化并伴隨陽離子釋放，削弱巖石之間的聯(lián)結(jié)，加之水化不均勻，導致地層巖石局部強度下降而發(fā)生剝落掉塊。由此可見，必須強化鉆井液封堵能力，最大程度減少鉆井液濾液滲入地層，從而避免或削弱孔隙壓力二次傳遞，降低原狀地層坍塌壓力增量。針對延安東部氣田泥頁巖地層理化特性的研究表明［5］，造成延安氣田上古生界地層井壁失穩(wěn)的主要原因是鉆井液沿泥頁巖層理裂縫面滲入，導致巖石強度降低和井下復雜。

成膜水基鉆井液［6-9］又稱隔離膜鉆井液，是將交聯(lián)聚合物改性，通過物理吸附或一系列化學反應在井壁表面形成一層隔離膜，這種隔離膜可有效防止鉆井液濾液侵入地層內(nèi)部，強化鉆井液封堵性、抑制性和失水造壁性，有效實現(xiàn)泥頁巖易坍塌層的井壁穩(wěn)定，對氣層保護至關(guān)重要［10-11］。

2 成膜鉆井液體系研發(fā)

針對上述情況，通過對核心處理劑評價和優(yōu)選，研發(fā)出了密度合理的具有強抑制性的成膜防塌鉆井液體系。該鉆井液體系既能有效防止井壁坍塌，也能夠很好地解決延安東部氣田鉆進時經(jīng)常遇到的井壁失穩(wěn)等復雜問題。

2.1 處理劑評價

2.1.1 降濾失劑RHPT-1的評價

抗溫抗鹽兩性離子降濾失劑RHPT-1是聚合物自由基改性后的產(chǎn)物，除了良好的降濾失作用外，提切效果好且增粘有限，保證鉆井液具有很強的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和較好的剪切稀釋性，有效地維護鉆井液性能的穩(wěn)定［12］。實驗對RHPT-1的加量進行確定，配置粘土含量4%的膨潤土漿，預水化24 h，加入1.5%SMC、3%SMP-Ⅱ攪拌30 min，加入7%KCl攪 拌30 min后，分 別 加 入0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%的RHPT-1，攪拌1 h后裝罐，在100℃下熱滾16 h，在50℃測定6個轉(zhuǎn)速的讀值（并計算AV、PV、YP、YP/PV）和高溫高壓失水量大?。ㄒ姳?）。

從表1可以看出，隨著RHPT-1加量增加，鉆井液越來越稠，動塑比一直增加，當RHPT-1加量為0.5%的時候，表觀粘度和塑性粘度均不大，且動塑比為0.50，能夠使鉆井液有效地攜帶巖屑并且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不過強，當RHPT-1加量超過0.5%后，鉆井液粘度急劇增大，但HTHP失水量卻減幅很小。因此確定RHPT-1最優(yōu)加量為0.5%。

表1 加入RHPT-1后鉆井液基漿性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of base drilling mud added with RHPT-1

2.1.2 封堵型降濾失劑CMJ-2的評價

封堵型降濾失劑CMJ-2具有較好的膜結(jié)構(gòu)（見圖2），高溫高壓封堵性和失水造壁性強，配伍性好，可有效保證鉆井液體系抗溫、抗鹽能力，在高、低密度下均有較好的配伍性和穩(wěn)定性。封堵型降濾失劑CMJ-2已在國內(nèi)氣井廣泛應用，具有易調(diào)配、加量少等優(yōu)點，且使用效果良好［13-15］。

圖2 CMJ-2膜結(jié)構(gòu)（×2590）Fig.2 CMJ-2 membrane structure(×2590)

室內(nèi)對封堵型降濾失劑CMJ-2的加量進行了優(yōu)化，配置4%鈉膨潤土的基礎(chǔ)漿，預水化24 h，加入1.5%SMC、3%SMP-Ⅱ攪拌30 min后，加入7%KCl攪拌30 min，加入0.5%RHPT-1，攪拌30 min后，分別加入1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%CMJ-2，攪拌1 h后裝罐，在100℃下熱滾16 h，在50℃高溫條件下測定體系流變性能和高溫高壓失水量大小（見表2）。

由表2可以看出，當加入CMJ-2以后，泥餅變得很薄很致密（見圖3），且HTHP失水量大幅度減少，相比現(xiàn)場常用聚磺鉆井液體系性能提升很高。當CMJ-2加量超過2.0%以后鉆井液粘度繼續(xù)增加但失水量基本不變，所以確定其最優(yōu)加量為2.0%。

圖3 HTHP泥餅質(zhì)量對比Fig.3 Quality HTHP mud cake

表2 加入CMJ-2后鉆井液基漿性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of base drilling fluid added with CMJ-2

2.2 成膜鉆井液配方確定

根據(jù)優(yōu)選出的RHPT-1和CMJ-2處理劑，設(shè)計出了適用于延長氣井的成膜鉆井液體系，體系配方：4%土漿+0.15%～0.20%XC+0.50%RHPT-1+2.0%CMJ-2+7%KCl+1.5%～3.0%SMP-2+1.5%～2.0%SMC+2.0%～5.0%EP-2+1.0%～3.0%白瀝青+0.5%～1.5%JN-303+CaCO3（120～200目，密度1.25 g/cm3）。該體系經(jīng)100℃熱滾16 h后，其不同溫度下性能見表3。

表3 成膜鉆井液配方體系性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of the film-forming drilling fluid system

2.3 成膜鉆井液性能評價

實驗就該體系潤滑性、抑制性、抗污染能力（抗土侵、抗鈣、抗鹽）、抗溫能力、熱穩(wěn)定性等性能進行了評價。

2.3.1 潤滑性

室內(nèi)通過測定泥餅粘滯系數(shù)、潤滑系數(shù)和極壓膜強度來綜合表征體系潤滑性。采用粘滯系數(shù)測定儀測量泥餅粘滯系數(shù)，鉆井液極壓潤滑測試儀測定潤滑系數(shù)和極壓膜強度。實驗結(jié)果見表4。

表4 成膜鉆井液體系潤滑性評價結(jié)果Table 4 Lubricity evaluation results of the film-forming drilling fluid system

由表4可知，該體系的API、HTHP泥餅摩阻系數(shù)和極壓潤滑系數(shù)均較低，且滑塊無任何劃痕跡象，膜強度高。這歸功于體系中潤滑劑JN-303和CMJ-2協(xié)同作用的結(jié)果。因此，該水基鉆井液體系具有很好的潤滑性能，能有效降低摩阻、防止泥包，減少井下復雜事故發(fā)生，為安全順利鉆井提供保障。

2.3.2 抑制性

鉆井液抑制性主要考察其滾動回收率和線性膨脹率，其結(jié)果見表5和表6。

表5 成膜鉆井液體系滾動回收率測試結(jié)果Table 5 Test results of the rolling recovery rate of the film-forming drilling fluid system

表6 成膜鉆井液體系線性膨脹性測試結(jié)果Table 6 Test results of linear expansion of the film-forming drilling fluid system

由表5可以看出，新建立的成膜鉆井液體系對紅層土的滾動回收率達到92%以上，比紅層土在清水浸泡條件下效果優(yōu)異很多；對巖屑的滾動回收率保持在95%以上，對比清水浸泡巖心數(shù)據(jù)，表明該成膜鉆井液體系能有效抑制粘土水化分散。

由表6可以看出，浸泡后，成膜鉆井液體系濾液線性膨脹率均低于10%，可見該體系能夠很好地抑制粘土水化膨脹。結(jié)合滾動回收率實驗結(jié)果，該體系可有效抑制粘土水化膨脹和水化分散，具有很強的抑制性，可有效保證井壁穩(wěn)定。

2.3.3 抗污染能力

2.3.3.1 抗粘土污染

延安氣田上古生界地層粘土礦物含量高，室內(nèi)就該成膜鉆井液體系抗粘土污染能力進行了評價，結(jié)果見表7。

表7 成膜鉆井液體系抗粘土污染情況Table 7 Anti-clay pollution of the film-forming drilling fluid system

由表7可知，當體系加入粘土量在5.0%以內(nèi)時，該體系流變性幾乎不受粘土影響，體系很穩(wěn)定；粘土加量超過5.0%時，該體系粘切增加幅度較大，泥漿增稠，剪切稀釋性較差。表明該體系抗粘土侵不超過5.0%，仍具有較強的抗粘土污染能力。

2.3.3.2 抗鹽污染

該體系抗鹽污染能力評價結(jié)果見表8。

表8 成膜鉆井液體系抗鹽污染情況Table 8 Salt pollution resistance of the film-forming drilling fluid system

由表8可以看出，當NaCl含量從1.0%增加到7.0%時，該體系流變性能基本保持不變，具有較好的抗鹽能力。

2.3.3.3 抗鈣污染

該體系抗鈣污染能力評價結(jié)果見表9。

表9 成膜鉆井液體系抗鈣污染情況Table 9 Anti-calcium pollution of the film-forming drilling fluid system

由表9可以看出，當CaSO4含量從0.5%增加到2.0%時，該體系性能穩(wěn)定，具有較好的抗鈣能力。

2.3.4 熱穩(wěn)定性

該體系的熱穩(wěn)定性評價結(jié)果見表10。

表10 成膜鉆井液體系熱穩(wěn)定性評價Table 10 Thermal stability evaluation of the film-forming drilling fluid system

由表10可知，在100℃下，隨著熱滾時間延長，該體系流變性能和失水造壁性能保持不變，證明該體系具有良好的熱穩(wěn)定能力。

3 現(xiàn)場應用

2019年，該成膜防塌鉆井液體系在延長縣張家灘區(qū)3口天然氣水平井中進行了應用。鉆井施工過程中，井壁穩(wěn)定、有效攜巖和潤滑減阻效果好，現(xiàn)場 鉆井液性能測試結(jié)果如表11所示。

表11 現(xiàn)場鉆井液性能測試結(jié)果Table 11 Drilling fluid performance field test results

從3口水平井現(xiàn)場鉆井情況可知，二開使用的聚合物體系或聚磺體系，在鉆井過程中失水量均較大，經(jīng)測定滲透率降低率都在30%左右，封堵地層能力較差，導致YYP3、YYP6兩口井二開鉆至2400～2500 m石盒子組泥巖段時出現(xiàn)掉塊、坍塌等復雜情況，不能有效穩(wěn)定井壁。而三開轉(zhuǎn)化為成膜防塌水基鉆井液體系后，抑制、封堵作用增強，API失水量控制在3.0 mL以內(nèi)，滲透率降低率＞70%，防塌能力顯著增強。施工過程中井壁始終保持穩(wěn)定，無掉塊、坍塌等復雜情況發(fā)生，證明了該體系的有效性和適用性，具有一定的推廣價值。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)對延安東部氣田地層井壁失穩(wěn)機理分析，延安東部氣田泥頁巖地層理化特性顯著，地層粘土礦物含量高、層理裂縫發(fā)育，鉆井液沿裂縫面的侵入，粘土水化膨脹和分散加劇，導致地層強度的降低，是造成泥頁巖井壁失穩(wěn)的主要原因。

（2）通過對主要處理劑RHPT-1和CMJ-2的優(yōu)選，研發(fā)出了密度、粘度合理的成膜防塌鉆井液體系，該體系流變性和失水造壁性較好，且具有很好的抗污染和熱穩(wěn)定能力。

（3）現(xiàn)場成功應用3口水平井，有效解決了延安東部氣田石千峰組和石盒子組地層易井壁失穩(wěn)等問題，優(yōu)快鉆井效果顯著，具有很好的推廣價值。