抗高溫強封堵合成基鉆井液在勝利渤南頁巖油區(qū)塊的應用

邱春陽 李 波 王 偉 慈國良 劉 偉 陳二丁

中石化勝利石油工程有限公司鉆井液技術服務中心

0 引言

勝利渤南頁巖油區(qū)塊（以下簡稱為“渤南區(qū)塊”）位于濟陽坳陷沾化凹陷渤南洼陷，該區(qū)塊頁巖油分布面積廣，前期已完鉆井均見良好油氣顯示，表明該區(qū)塊勘探潛力大，是新儲量的接替區(qū)塊。前期勘探中，由于使用的水基鉆井液體系抑制性弱、封堵能力差，不能有效抑制漸新統(tǒng)沙河街組地層中膏泥巖的蠕變及油泥巖、油頁巖的水化膨脹，致使施工的多口井遭遇不同程度的井壁失穩(wěn)情況。輕者反復劃眼，曾經(jīng)單口井在沙三段劃眼達兩個月之久；嚴重者發(fā)生坍塌，沙河街組井徑平均擴大率均超過30%；完井后，電測顯示儲層均遭到不同程度的污染，產(chǎn)油不理想。針對這種情況展開研究，優(yōu)選抗高溫強封堵合成基鉆井液體系?，F(xiàn)場應用于渤南區(qū)塊3口井，通過該鉆井液體系對地層實現(xiàn)強封堵技術，保證了3口井的順利鉆進，鉆進時效快，油層保護效果好，為區(qū)塊后續(xù)勘探開發(fā)提供了技術保障。

1 渤南區(qū)塊地質(zhì)工程概況

位于濟陽坳陷沾化凹陷的渤南區(qū)塊，在埕南大斷層和孤西斷層控制下形成了數(shù)條斷裂帶。該區(qū)塊長期處于還原半深湖相沉積環(huán)境，發(fā)育巨厚的暗色泥巖和膏泥巖、油泥巖、油頁巖。渤南區(qū)塊直井和定向井均采用三開制井身結(jié)構，一開采用?444.5 mm鉆頭鉆進，下入?339.7 mm表層套管；二開采用?311.2 mm鉆頭鉆進，下入?244.5 mm套管至井深約3 500 m；三開采用?215.9 mm鉆頭鉆至井深約5 500 m完鉆，下入?139.7 mm套管完井。

2 渤南區(qū)塊鉆井液技術難點

通過調(diào)研渤南區(qū)塊前期工程鉆井情況和鉆井液體系施工情況，獲知該區(qū)塊上部地層施工順利，機械鉆速較快，但進入沙河街組后，復雜情況時常發(fā)生，井壁穩(wěn)定難度大。鉆井液的技術難點主要表現(xiàn)在以下方面。

1）沙一段至沙三段油泥巖不連續(xù)發(fā)育，油泥巖易水化，水化后迅速變軟，井眼鉆開后，在上覆地層巖石的壓力下，油泥巖會沿著井眼徑向蠕動，導致井眼變小，造成起下鉆阻卡。

2）沙四上段含石膏巖及石膏質(zhì)泥巖，而石膏巖及石膏質(zhì)泥巖較軟，易發(fā)生塑性變形，造成起下鉆阻卡；石膏巖發(fā)生蠕變后，上覆與其互層的暗色泥巖因支撐力降低而發(fā)生坍塌，進而造成連鎖坍塌的惡性局面。

3）沙河街組下部油頁巖發(fā)育，油頁巖孔隙及層理發(fā)育較好，易造成井漏；并且鉆井液濾液在壓力下進入油頁巖中，致使其中的黏土礦物水化，產(chǎn)生剝蝕掉塊；尤其是定向鉆進過程中，上井壁懸空無支撐，井壁失穩(wěn)加劇。

4）斜井段定向鉆進過程中，巖屑上返時在重力作用下易沉降在下井壁，形成巖屑床，致使鉆壓不能有效傳遞到鉆頭，造成“托壓”，導致施工不暢，長水平段井眼凈化難度大。

5）水平段長近2 000 m，定向中鉆具緊貼下井壁運行，產(chǎn)生的摩阻和扭矩大，巖屑床的形成導致摩阻和扭矩更大；定向軌跡一般采用“增—穩(wěn)—增—穩(wěn)”式，易形成“狗腿度”，鉆具運動中產(chǎn)生較大的摩阻和扭矩；渤南區(qū)塊發(fā)育超壓[1]，地層壓力約70 MPa，鉆井液密度高達1.85 g/cm3，鉆井液本身固相含量高，潤滑防卡難度更大。

6）地層溫度高達180 ℃，高溫下，分子無規(guī)則運動劇烈，大分子聚合物類處理劑和表面活性劑分子鏈發(fā)生斷裂或重聚，造成鉆井液流變性惡化，流變性失穩(wěn)直接導致井壁失穩(wěn)。

7）鉆井液密度高達1.85 g/cm3，高溫下鉆井液體系的沉降穩(wěn)定性降低，易造成重晶石粉沉降，造成起下鉆阻卡；渤南區(qū)塊沙河街組地層含有硫化氫，鉆井液體系遭受硫化氫污染，高密度下性能惡化嚴重，極難調(diào)控。

8）石膏及膏質(zhì)泥巖易水化溶解，造成鉆井液體系流變性惡化，濾失量增大；儲層油氣顯示活躍，油侵后造成鉆井液黏切變化大；巖屑在鉆具的反復研磨下粒徑變小，低密度固相侵入導致體系黏切增大，起下鉆時產(chǎn)生的波動壓力大。

3 井壁穩(wěn)定鉆井液技術對策

針對上述井壁穩(wěn)定技術難點，鉆井液采用以下技術對策。

1）強化鉆井液體系的抑制性。優(yōu)選黏土礦物水化抑制劑，能夠高效抑制油泥巖和油頁巖的水化，避免或減緩膏泥巖的溶脹，減弱微裂縫尖劈效應，保持巖石的原始強度。

2）增強鉆井液體系的封堵性。優(yōu)選粒徑為納米到微米尺寸級的粒子，與常規(guī)封堵劑相結(jié)合，使鉆井液能夠在井壁表面形成韌性好的低滲透率的薄泥餅，多尺度封堵地層層理、孔隙和微細裂縫，有效阻緩壓力傳遞，隔絕鉆井液向地層侵入的動力源頭。

3）保證鉆井液體系的高溫流變性。要求鉆井液體系的抗溫性強，在高溫下仍然具有良好的流變性，能夠懸浮攜帶巖屑以凈化井眼，遭受鹽膏侵后流變性依然保持穩(wěn)定。

4）保證鉆井液體系的高溫潤滑性。要求鉆井液體系在高溫下仍然具有良好的潤滑性，最大限度地降低斜井段和水平段定向施工中產(chǎn)生的摩阻和扭矩，滿足工程上安全快速鉆進的需要，防止產(chǎn)生托壓。

4 鉆井液體系研究

通過調(diào)研得知，渤南區(qū)塊前期施工中，先后使用過強抑制聚磺封堵防塌鉆井液體系、復合鹽聚磺防塌鉆井液體系和聚胺強抑制防塌鉆井液體系，對沙河街組地層的井壁穩(wěn)定起到一定的作用，但均未能解決井壁失穩(wěn)問題。因此，在借鑒國內(nèi)優(yōu)質(zhì)抗高溫鉆井液體系施工經(jīng)驗的基礎上[2-20]，優(yōu)選合成基鉆井液體系，并加以完善，從而形成適用于渤南區(qū)塊的抗高溫、強封堵鉆井液體系。

合成基鉆井液體系的連續(xù)相為氣制油，氣制油是一種無毒、黏度很低的流體，用其配制的鉆井液抗溫性強，高溫下具有良好的流變性、抗污染性和潤滑性；同時，合成基鉆井液依靠氯化鈣水溶液調(diào)節(jié)活度，能夠徹底預防地層黏土礦物水化分散，可取得防塌、減阻、保持油層巖石原始物性的效果，達到安全快速鉆井、保護儲層的目的。

在合成基鉆井液配方[21]的基礎上進行完善。首先，優(yōu)選抗高溫乳化劑，進一步提高體系的抗高溫穩(wěn)定性；其次，通過選擇多級配超細碳酸鈣剛性粒子，配合彈性封堵粒子，進一步增強鉆井液體系的封堵能力，使鉆井液體系在近井壁地帶形成不滲透的封堵層，封堵地層孔隙和微細裂縫，達到穩(wěn)定井壁的目的。

4.1 抗高溫乳化劑的優(yōu)選

合成基鉆井液體系的抗溫性關鍵在于乳化劑。乳化劑能夠有效降低油水兩相的界面張力[22]，在油水界面形成界面膜，界面膜的強度決定了體系的穩(wěn)定性。實驗用不同的乳化劑分別配制密度為2.0 g/cm3的鉆井液，乳化劑加量相同，180 ℃下老化16 h，測量鉆井液體系老化后的流變性、高溫高壓破乳電壓和沉降穩(wěn)定性。實驗配方：360 mL基礎油+4.0%乳化劑+3.0%有機土+3.0%降濾失劑+5.0%封堵劑+40 mL氯化鈣水溶液（氯化鈣濃度為25%）+2.5%石灰+重晶石+3.0%潤濕劑。實驗結(jié)果（表1）表明，用3#乳化劑和5#乳化劑配制的鉆井液，其高溫高壓濾失量低、高溫高壓破乳電壓高，并且沉降穩(wěn)定性好；但是用5#乳化劑配制的合成基鉆井液黏切偏大，鉆進過程中產(chǎn)生的環(huán)空壓耗大，起下鉆過程中產(chǎn)生的激動壓力大，易于誘發(fā)復雜情況。因此，選擇3#乳化劑配制合成基鉆井液體系。

表1 抗高溫乳化劑的優(yōu)選實驗結(jié)果表

4.2 封堵性能評價

通過乳化劑的選擇后，確定合成基鉆井液體系配方為：360 mL基礎油+4.0%乳化劑3#+3.0%有機土+3.0%降濾失劑+3%多級配封堵劑+5.0%彈性封堵劑+40 mL氯化鈣水溶液（氯化鈣濃度為25%）+2.5%石灰+重晶石+3.0%潤濕劑。采用高溫高壓砂床濾失實驗和高溫高壓可視砂床濾失實驗，評價該鉆井液體系在溫度180 ℃、壓差為3.5 MPa下的封堵能力。實驗結(jié)果如表2所示，和渤南區(qū)塊前期應用的3種鉆井液（強抑制聚磺封堵防塌鉆井液、復合鹽聚磺防塌鉆井液和聚胺強抑制防塌鉆井液）相比，抗高溫強封堵合成基鉆井液的高溫高壓濾失量最低，同時其30 min高溫高壓可視砂床的侵入深度只有5.4 cm，說明抗高溫強封堵合成基鉆井液能夠快速在井壁上形成屏蔽暫堵帶，防止鉆井液濾液侵入地層。

表2 不同鉆井液體系的封堵性能評價實驗結(jié)果表

4.3 除硫劑對合成基鉆井液的影響

渤南區(qū)塊沙河街組地層中含有硫化氫，鉆進過程中為防止硫化氫污染鉆井液，在鉆井液中需加入除硫劑（堿式碳酸鋅）。按照配方配制密度為2.0 g/cm3的抗高溫強封堵合成基鉆井液體系，加入不同含量的堿式碳酸鋅，以考察除硫劑對鉆井液性能的影響。實驗結(jié)果如表3所示，除硫劑的加入，對鉆井液體系的性能（流變性、高溫高壓下的穩(wěn)定性）影響不大，并且鉆井液的高溫高壓濾失量隨除硫劑的增加有下降趨勢，表明除硫劑的加入對鉆井液體系的性能沒有不利影響。

表3 不同含量除硫劑對鉆井液體系性能影響結(jié)果表

5 現(xiàn)場鉆井液施工技術

鉆井液體系應用于現(xiàn)場施工，總結(jié)有如下幾方面的技術經(jīng)驗，以保證鉆井液體系的應用效果。

5.1 井壁穩(wěn)定技術

1）嚴密監(jiān)測振動篩巖屑形狀和顏色變化，發(fā)現(xiàn)井壁失穩(wěn)，及時處理。

2）嚴格控制鉆井液高溫高壓濾失量，防止油泥巖和油頁巖水化。

3）保證超細碳酸鈣與瀝青類封堵劑的有效含量，定期補充。

4）控制鉆井液密度，保證井壁穩(wěn)定所需要的力學平衡。

5.2 井眼凈化技術

1）嚴密監(jiān)測振動篩巖屑量的變化，發(fā)現(xiàn)巖屑量返出異常，立即停止鉆進，循環(huán)鉆井液，調(diào)整鉆井液流變性。

2）保證體系六速旋轉(zhuǎn)黏度計Φ3（3轉(zhuǎn)）讀數(shù)大于4，確保鉆井液的懸浮攜帶能力。

3）定期進行短起下鉆與長起下鉆，配合倒劃眼，破除巖屑床。

4）定期用有機土和瀝青配制高黏切攜砂液，凈化井眼。

5）水平段加大排量，采用紊流沖刷沉砂床，凈化井眼。

5.3 潤滑防卡技術

1）嚴密監(jiān)測鉆具摩阻和扭矩變化，保證鉆井液體系的潤滑性。

2）嚴格控制鉆井液中劣質(zhì)固相含量，振動篩的篩布目數(shù)不低于200目，保證一級固控的去除效率。

3）控制鉆井液體系的油水比，定期補充基礎油和乳化劑。

4）盡量采用復合鉆進，適當劃眼，修復井眼軌跡，保證定向施工順暢。

5.4 流變性調(diào)控技術

1）定期補充乳化劑和潤濕劑，保證體系高溫下流變性穩(wěn)定。

2）定期檢測鉆井液的抗溫性和沉降穩(wěn)定性。

3）定期監(jiān)測鉆井液中離子含量變化，防止流體侵入。

4）定期監(jiān)測鉆井液堿度值，特別是每次下鉆到底后井底返出鉆井液的堿度值，防止H2S侵入。

5）重晶石粉密度不低于4.2 g/cm3，嚴控其黏土含量。

6 現(xiàn)場鉆井液施工工藝

抗高溫強封堵合成基鉆井液體系在渤南區(qū)塊3口井三開井段進行了現(xiàn)場應用，現(xiàn)場鉆井液施工工藝如下。

1）二開中完后，清理泥漿槽和循環(huán)罐，保證無沉砂積水。將預先配制好的合成基基漿倒入循環(huán)罐，應用地面循環(huán)管匯均勻加重，保證性能均勻穩(wěn)定。

2）現(xiàn)場預先配制8～10 m3隔離液，隔離液漏斗黏度不低于140 s；泵入隔離液，后面大排量跟入合成基鉆井液，替漿過程中不能停泵，防止混漿。隔離液返出后，放掉混漿；替漿完成后，在套管內(nèi)循環(huán)鉆井液，調(diào)整鉆井液性能，待性能達到設計要求后開鉆。

3）定期測量鉆井液體系破乳電壓，一旦發(fā)現(xiàn)破乳電壓有下降趨勢，補充乳化劑，保證高溫下鉆井液流變性的穩(wěn)定。

4）嚴密監(jiān)測鉆井液流變性。通過調(diào)整油水比和增稠劑加量來調(diào)控鉆井液黏度和切力，即確保鉆井液沉降穩(wěn)定性良好的同時，黏度和切力控制在最小范圍；每鉆進20 m補充25 kg潤濕劑；每次加重前加入0.5%潤濕劑，改善鉆井液流變性和沉降穩(wěn)定性。

5）開鉆后，加入2%粒徑為2 000～3 000目的碳酸鈣；進入沙二段后，加入3%粒徑為2 000～5 000目的碳酸鈣，配合瀝青，封堵地層孔縫，穩(wěn)定井壁。

6）密度控制在設計下限；進入膏泥巖層前，密度提高至設計上限，平衡膏巖層蠕變壓力，防止發(fā)生縮徑等復雜情況。以BYP5井為例，鉆井液性能控制情況如表4所示。

表4 BYP5井鉆井液性能控制情況表

7 結(jié)論和建議

抗高溫強封堵合成基鉆井液體系成功應用于渤南區(qū)塊3口井的三開井段，應用結(jié)果表明：

1）井壁穩(wěn)定性好。該鉆井液體系解決了渤南區(qū)塊沙河街組儲層油泥巖、油頁巖水化坍塌及膏泥巖蠕變縮徑的難題，施工中井壁穩(wěn)定，完井作業(yè)順利；井身質(zhì)量好，體系應用井段井徑平均擴大率低于2.5%，井徑最大擴大率低于4.0%。

2）井眼凈化效果良好。3口井完鉆垂深均在3 600 m以上，水平段長度均大于950 m，井底溫度最高達174 ℃，但該鉆井液體系在高溫下流變性好，懸浮攜帶能力強，每次起下鉆暢通無阻；斜井段沒有巖屑床形成，定向過程中沒有“托壓”情況發(fā)生。

3）機械鉆速高。和前期施工的6口井相比，3口應用井的鉆井周期明顯縮短，機械鉆速明顯提高。其中BYP5井完鉆井深5 379.59 m，水平段長1 059.59 m，側(cè)鉆點井深3 982 m，水平段平均機械鉆速11.81 m/h，創(chuàng)造了勝利油田頁巖油井側(cè)鉆點最深、平均機械鉆速最快的兩項紀錄。

4）儲層保護好。該鉆井液體系儲層保護性好，3口井鉆進期間均見到良好油氣顯示；完井后測試，平均單井日產(chǎn)量超過30 t；投產(chǎn)后，獲得日穩(wěn)產(chǎn)25 t的工業(yè)油流。

5）渤南區(qū)塊地層溫度高、壓力高、巖性復雜，針對這種情況，抗高溫強封堵合成基鉆井液體系的成功應用表明，鉆井施工中需要確保鉆井液體系的抑制性和封堵性，并合理調(diào)控鉆井液的流變性和密度。