火成巖發(fā)育區(qū)鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

趙海建，吳 廣，喬中山，李莊威，秦天寶，羅 偉

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津300452；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452

渤海某油田火成巖發(fā)育，鉆井作業(yè)面臨火成巖段安全鉆井周期短，井壁易失穩(wěn)坍塌，起下鉆不暢、憋壓、蹩扭矩、抬鉆具等問題。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)塊共計(jì)66 口井發(fā)生井壁失穩(wěn)復(fù)雜情況，其中7 口井發(fā)生卡鉆事故，事故處理時(shí)間長達(dá)4 005 h。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該圍區(qū)事故頻發(fā)，千米事故率高達(dá)6.71 h/km。古近系火山噴發(fā)期次多，巖性復(fù)雜多樣，單火成巖巖石類型多達(dá)7種，且火成巖空間分布復(fù)雜，跨越井段長千余米?？v向上，東一、二段火成巖巖石類型較多，整體厚度較大；東三段和沙河街組火成巖巖石類型較少，整體厚度不大。橫向上，北塊主要發(fā)育致密狀玄武巖和凝灰質(zhì)砂/泥巖，南塊主要發(fā)育沉凝灰?guī)r和凝灰?guī)r，部分井區(qū)玄武巖發(fā)育。火成巖地層圍壓高，鉆開地層后裂縫易延展，且內(nèi)部泥質(zhì)易水化膨脹，井眼極易失穩(wěn)造成坍塌，鉆探期間，每口探井均發(fā)生井壁坍塌掉塊、井徑擴(kuò)大現(xiàn)象，井壁失穩(wěn)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

筆者針對(duì)探井階段井漏及坍塌、掉塊等井壁失穩(wěn)問題進(jìn)行深入分析，研究火成巖井壁失穩(wěn)機(jī)制?；鸪蓭r地層井壁失穩(wěn)主要因素［1-2］：①構(gòu)成玄武巖和輝綠巖的主要成巖礦物為輝石和斜長石，斜長石常蝕變?yōu)楦邘X石和蒙脫石類礦物，然而發(fā)生井壁失穩(wěn)的火成巖地層中黏土礦物以蒙皂石為主，常發(fā)生水化分散和/或膨脹，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。②火成巖微裂縫發(fā)育，鉆井液進(jìn)入裂縫面，使其滑動(dòng)阻力降低，巖石強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致地層坍塌，壓力增加，井壁失穩(wěn)發(fā)生概率增大；鉆井液不能有效抑制此類地層水化時(shí)，隨著浸泡時(shí)間的增加，井壁便會(huì)垮塌掉塊。③鉆具的震動(dòng)對(duì)井壁會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致井徑擴(kuò)大率增大。

為進(jìn)一步提高生產(chǎn)時(shí)效，本課題組基于火成巖井壁失穩(wěn)機(jī)制，依據(jù)化學(xué)力學(xué)耦合方法，形成以“物理+化學(xué)”井壁固化技術(shù)及PF-AquaTrol 高效抑制劑協(xié)同鹽類的綜合抑制技術(shù)為主的高性能水基鉆井液技術(shù)，以延長安全鉆井周期，提高生產(chǎn)時(shí)效。為防止鉆井液濾液向地層的滲入，導(dǎo)致蒙脫石吸水膨脹，井壁失穩(wěn)，本課題組采用物理封堵劑PF-AquaSeal 與化學(xué)封堵劑PF-SmartSeal 相協(xié)同封堵井壁。

1 材料與方法

1.1 材料

物理封堵劑PF-AquaSeal、化學(xué)封堵劑PFSmartSeal、高效抑制劑PF-AquaTrol，均由合作商家采辦。

鉆井液A：PEC 體系，渤海油田常用鉆井液；鉆井液B：PEM體系，渤海油田常用鉆井液。

1.2 儀器與設(shè)備

電鏡：日本Hitachi公司的S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡。

1.3 方法

1.3.1 砂盤封堵實(shí)驗(yàn)方法

室內(nèi)配制PEM 體系，加入3%的封堵劑PFAquaSeal，在120 ℃、3.5 MPa壓力下評(píng)價(jià)其氣測(cè)滲透率為400 mD時(shí)砂盤PPT滲透封堵能力［3］。

1.3.2 高溫高壓動(dòng)態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用PEM 體系，并將PEM 體系中封堵劑替換為PF-AquaSeal，應(yīng)用氣測(cè)滲透率為200 mD的天然巖心，在80 ℃、3.5 MPa 壓力條件下，采用JHDS-3高溫高壓動(dòng)態(tài)濾失儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)。

1.3.3 孔隙壓力傳遞實(shí)驗(yàn)方法

為了證明化學(xué)封堵劑對(duì)泥頁巖半透膜效率的改善效果，分別配制12%NaCl 溶液、12%NaCl 溶液/PHPA 鉆井液、12%NaCl 溶液/PHPA 鉆井液+2% PF-SmartSeal，采用天然頁巖巖心作介質(zhì)，進(jìn)行孔隙壓力傳遞實(shí)驗(yàn)。

1.3.4 巖心浸泡實(shí)驗(yàn)方法

采用基漿+12%NaCl溶液、基漿+12%NaCl溶液+ 2% PF-AquaTrol 兩種鉆井液進(jìn)行巖心浸泡實(shí)驗(yàn)。

1.3.5 熱滾回收率實(shí)驗(yàn)方法

采用分散性-滾動(dòng)回收率法對(duì)其抑制性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在150 ℃老化16 h 條件下，利用巖屑做滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 火山沉積交互地層井壁加固技術(shù)

2.1.1 “物理+化學(xué)”封堵劑的井壁固化效果

物理封堵劑PF-AquaSeal 為微米級(jí)不可變形、納米級(jí)可變形和可拆分的封堵聚合物，在水中易分散。納米級(jí)顆粒呈均勻分布，能有效封堵微孔隙、變形進(jìn)入微裂縫中，在高鹽度的環(huán)境下性能穩(wěn)定，可與常規(guī)堵漏材料復(fù)配使用［4］。

化學(xué)封堵劑PF-SmartSeal 是一種鋁鹽磺化有機(jī)高分子絡(luò)合物，能夠與物理封堵劑PFAquaSeal 相協(xié)同匹配，有效降低火成巖滲透率。當(dāng)pH 為10～12 時(shí)，主要以［Al（OH）4］-形態(tài)存在；當(dāng)pH 為5～8 時(shí)，生成A1（OH）3沉淀。鉆井液濾液滲入井壁淺層與大量低pH 的地層流體接觸，引發(fā)化學(xué)封堵劑絡(luò)合鋁的沉淀反應(yīng)，生成Al（OH）3沉淀或腐殖酸二價(jià)金屬離子沉淀，有效降低火成巖的滲透率和孔隙度，延緩或阻止鉆井濾液的侵入。

為了更直觀地觀察封堵劑對(duì)巖心的封堵情況，使用2% PF-SmartSeal 和2% PF-AquaSeal 的鉆井液對(duì)天然火成巖巖心進(jìn)行鉆井液封堵模擬實(shí)驗(yàn)，它們?cè)赑IERRE II頁巖形成的“內(nèi)泥餅”如圖1所示。

圖1 加入2%PF-SmartSeal和2%PF-AquaSeal的鉆井液在PIERRE Ⅱ頁巖形成的“內(nèi)泥餅”

接著通過3 000 倍電鏡對(duì)巖心流入端面進(jìn)行掃描觀察，電鏡分析結(jié)果表明：巖心流入端面堵劑封堵后孔隙度明顯減小，孔隙的直徑減少，且增加了一層有機(jī)覆蓋層，部分結(jié)果如圖2所示。

圖2 加入2%PF-SmartSeal和2%PF-AquaSeal鉆井液前、后情況（SEM3 000倍）

2.1.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果

1）砂盤封堵評(píng)價(jià)結(jié)果

為了更進(jìn)一步評(píng)價(jià)“物理+化學(xué)”井壁固化技術(shù)的封堵能力，研究中使用了砂盤封堵實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，瞬時(shí)濾失量6 mL，濾失速率恒定，砂盤實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為理想。

表1 “物理+化學(xué)”井壁固化技術(shù)砂盤實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2）高溫高壓動(dòng)態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)結(jié)果

傳統(tǒng)的高溫高壓砂床濾失實(shí)驗(yàn)和砂盤實(shí)驗(yàn)對(duì)鉆井液封堵性能的評(píng)價(jià)都是在靜態(tài)條件下進(jìn)行的，泥餅的形成過程也是靜態(tài)的，不能真實(shí)模擬實(shí)際鉆井過程中鉆井液在循環(huán)狀態(tài)下形成泥餅的過程。為了評(píng)價(jià)鉆井液在動(dòng)態(tài)下的封堵能力，本研究引入了高溫高壓動(dòng)態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)［5］。

如果不考慮鉆井液的瞬時(shí)濾失量、單位面積濾失量與時(shí)間的平方根成直線關(guān)系，本文就用動(dòng)態(tài)濾失量和動(dòng)態(tài)濾失速率的方法來考察處理劑封堵情況，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：隨時(shí)間的增長，濾失速率逐漸降低并趨于恒定，且濾失速率有趨近于0 的趨勢(shì)，這說明該技術(shù)中的可變形物理封堵十分有效。

圖3 加入2%PF-SmartSeal和2%PF-AquaSeal的鉆井液動(dòng)態(tài)濾失速率隨時(shí)間的變化曲線

3）孔隙壓力傳遞評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在圍壓8.0 MPa、鉆井液壓力5.5 MPa、實(shí)驗(yàn)溫度70 ℃的條件下，分別對(duì)不同鉆井液進(jìn)行了孔隙壓力傳遞的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4及圖5所示。

從圖4和圖5可以看出：實(shí)驗(yàn)流體為12%NaCl 水溶液時(shí)，上端溶液壓力較下端低，火成巖兩端溶液的活度相等，不存在滲透壓。在巖心上下端所施加壓力壓差的作用下，溶液從壓力高的上端迅速向下端滲透，導(dǎo)致下端的壓力迅速升高。

圖4 不同鉆井液孔隙壓力傳遞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 膜效率隨時(shí)間的變化曲線

當(dāng)上端流體換成12%NaCl溶液時(shí)，下端壓力上升的速度有略微的減緩，主要是上端溶液的活度較下端低，在火成巖兩端形成了由下到上的滲透壓，減緩了水從壓力高的上端向壓力較低的下端滲透的速度。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，減緩的程度很小，說明原始的火成巖的膜效率很低。

當(dāng)上端流體換成12% NaCl/PHPA 鉆井液時(shí)，下端壓力上升的速度有了明顯放緩，說明鉆井液對(duì)火成巖起到了一定的封堵效果，但在封堵后的膜效率條件下形成的滲透壓仍然低于上下端的壓差，所以液體仍然是從上端向下端滲透。

在12%NaCl/PHPA 鉆井液中加入2%的PFSmartSeal 后，下端的壓力在實(shí)驗(yàn)開始后迅速降低，說明巖心兩端的滲透壓大于兩端的壓差2.75 MPa，下端的水在滲透壓的作用下往上端滲透，充分說明了火成巖得到了有效的封堵，膜效率有了明顯的提高。對(duì)比加PF-SmartSeal 前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明PF-SmartSeal 對(duì)火成巖納米級(jí)孔隙封堵有效，進(jìn)而提高了火成巖的膜效率。從圖5也可以看出，其半透膜效率的增長趨勢(shì)與油基鉆井液近似，說明其封堵效果接近油基鉆井液。

2.2 PF-AquaTrol 高效抑制劑協(xié)同鹽類的綜合抑制技術(shù)

眾所周知，低活度鹽NaCl 可降低鉆井液活度，鉆井液活度低于地層流體活度時(shí)，滲透壓阻止壓力從鉆井液向地層傳遞，可延長井壁的坍塌周期。在此基礎(chǔ)上引入PF- AquaTrol 高效抑制劑，與復(fù)合鹽進(jìn)行協(xié)同抑制，可有效提高火成巖的半滲透膜效率，增大滲透壓，有效阻止和延緩濾液侵入地層，達(dá)到最佳的協(xié)同綜合抑制效果［6-8］。

2.2.1 巖心浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證PF-AquaTrol 的應(yīng)用效果，采用基漿+12% NaCl 溶液、基漿+ 12% NaCl 溶液+2% PFAquaTrol 兩種鉆井液進(jìn)行巖心浸泡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 巖心浸泡對(duì)比實(shí)驗(yàn)

圖6結(jié)果表明：通過在鉆井液中加入PFAquaTrol 高效抑制劑，可有效防止火成巖的分散和水化，對(duì)井筒清潔和井壁穩(wěn)定起到很好的保護(hù)作用，安全鉆井周期提高40%。

2.2.2 熱滾回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了評(píng)價(jià)PF-AquaTrol 高效抑制劑的抑制能力，采用分散性-熱滾回收率法對(duì)其抑制性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在150 ℃老化16 h 條件下，利用巖屑做熱滾回收率實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示o

表2 熱滾回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：隨著PF-AquaTrol 加量的增加，一次熱滾回收率和二次熱滾回收率逐漸增加，當(dāng)AquaTrol加量達(dá)到2%時(shí)，鉆井液對(duì)鉆屑的熱滾回收率達(dá)到97.07%，已經(jīng)可以保證具有足夠高的抑制性。

2.2.3 火成巖膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了更加真實(shí)地評(píng)價(jià)PF-AquaTrol 高效抑制劑協(xié)同鹽類的綜合抑制技術(shù)的抑制能力，研究分別使用常溫常壓膨脹實(shí)驗(yàn)和高溫高壓膨脹實(shí)驗(yàn)對(duì)不同鉆井液的火成巖膨脹情況進(jìn)行了對(duì)比。

常溫常壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同鉆井液常溫常壓火成巖膨脹曲線

由圖7可知：24 h 內(nèi)，改進(jìn)型PEC + 2% PFAquaTrol+12%NaCl 溶液鉆井液的最終膨脹率為22.39%，相比海水、PEM 鉆井液和改進(jìn)型PEC 鉆井液的膨脹率都要低。

高溫高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同鉆井液高溫高壓火成巖膨脹曲線

由圖8可知：24 h 內(nèi)改進(jìn)型PEC + 2% PFAquaTrol+12%NaCl溶液鉆井液的最終膨脹率為0.69%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于海水、PEM 鉆井液及改進(jìn)型PEC鉆井液的膨脹率。兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)說明PF-AquaTrol 高效抑制劑協(xié)同鹽類的綜合抑制技術(shù)在常溫常壓下及高溫高壓下的抑制性要優(yōu)于PEM 鉆井液和改進(jìn)型PEC鉆井液。

由此可以看出，PF-AquaTrol高效抑制劑協(xié)同鹽類的綜合抑制技術(shù)能夠有效提高安全鉆井周期，提高生產(chǎn)時(shí)效。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研發(fā)火成巖井壁加固鉆井提效鉆井液技術(shù)，累計(jì)在43口井應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果如圖9～11所示。

圖9 鉆井液技術(shù)應(yīng)用前后生產(chǎn)時(shí)效對(duì)比

由圖9和圖10可知：應(yīng)用后憋壓、蹩扭矩等復(fù)雜情況減少，安全鉆井周期明顯延長、井眼狀況明顯改善，倒劃眼時(shí)效提高70%，平均生產(chǎn)時(shí)效提高10%。

圖10 鉆井液技術(shù)應(yīng)用前后倒劃眼速度對(duì)比

自20世紀(jì)80年代至今，海上鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)先后經(jīng)歷了多次變革，通過鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)革新，某區(qū)塊單井鉆井工期（2019年）比1985—1990年的工期縮短89.6%（圖11）。

圖11 某區(qū)塊單井鉆井工期統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

1）引入“物理+化學(xué)”智能化井壁固化技術(shù)，有效阻止蒙脫石吸水膨脹，維持井壁穩(wěn)定。

2）引入PF-AquaTrol 高效抑制劑，與復(fù)合鹽進(jìn)行協(xié)同抑制，可有效提高火成巖的半滲透膜效率，增大滲透壓，有效阻止和延緩濾液侵入地層，達(dá)到最佳的協(xié)同綜合抑制效果。

3）優(yōu)化后的鉆井液技術(shù)在渤海某油田取得了良好的應(yīng)用效果，延長了安全鉆井周期，提高了生產(chǎn)時(shí)效，同時(shí)為后續(xù)火成巖發(fā)育區(qū)油田安全鉆井提供了技術(shù)保障。