超深水平井鉀胺鹽抗高溫防塌鉆井液技術

邱春陽，張翔宇，朱福軍，秦 濤，王 智，溫守云

中國石化勝利石油工程有限公司鉆井液技術服務中心，山東 東營 257000

躍進區(qū)塊位于塔里木盆地順托果勒低緣北隆，該區(qū)塊儲層埋藏較深，油氣埋深約7 500 m，施工中需穿越多套地層，地層巖性和壓力系數(shù)差異大，井下溫度高。為擴大泄油面積，提高油氣采收率，常常采用三開制水平井方式鉆進，一開采用?346.1 mm 鉆頭鉆進至井深約2 000 m，下入?273.1 mm 技術套管；二開采用?250.88 mm 鉆頭鉆進至井深約7 000 m，下入?193.70 mm 技術套管；三開采用?149.2 mm 鉆頭開鉆，在井深約7 200 m開始造斜，達到設計井深后完鉆。

通過調研得知，國內相似地層及鄰近區(qū)塊鉆井施工中大多采用聚磺潤滑防塌鉆井液體系、復合鹽潤滑防塌鉆井液體系和油基鉆井液體系。聚磺潤滑防塌鉆井液體系抗溫性強，但是其抑制大段泥頁巖水化膨脹效果不好，導致施工中不斷劃眼；復合鹽潤滑防塌鉆井液體系抑制性強，一定程度上解決了泥頁巖的水化坍塌問題，但其高溫下的流變性難于調控；油基鉆井液的使用，解決了大段泥頁巖的水化膨脹和高溫下流變性的調控難題，但其成本高，且環(huán)保問題突出。在借鑒上述各種鉆井液體系施工經驗的基礎上，本文優(yōu)選鉀胺鹽抗高溫潤滑防塌鉆井液體系，輔助現(xiàn)場鉆井液維護處理工藝，以保證躍進區(qū)塊5 口井的順利施工，鉆進過程中井壁穩(wěn)定，特別是小井眼水平段鉆進過程中定向順暢，鉆井液流變性穩(wěn)定，以期為該區(qū)塊后續(xù)勘探開發(fā)提供寶貴的技術參數(shù)。

1 躍進區(qū)塊鉆井液技術難點

躍進區(qū)塊鉆進過程中鉆井液技術難點主要在二開直井段和三開水平段。

二開直井段，康村組和吉迪克組地層砂泥巖互層中含有石膏及膏質泥巖，施工中井眼縮徑嚴重，導致起下鉆阻卡等復雜情況；卡拉沙依組至桑塔木組地層中發(fā)育大段泥巖，泥巖水化坍塌易造成卡鉆；二疊系地層火成巖發(fā)育，地層孔隙裂縫發(fā)育性強，鉆井液濾液滲入其中后，易導致其中的膠結物質水化，造成井壁坍塌。二開穿越多套地層，地層巖性和壓力系數(shù)差異大，鉆井液維護處理不一樣，井壁穩(wěn)定技術難度大。二開裸眼段長達5 000 m，裸眼段長，鉆井周期長，井壁受鉆井液浸泡時間長，導致井壁失穩(wěn)加劇。

三開水平段，采用?149.2 mm 鉆頭定向鉆進，受井身結構限制，鉆井液排量小，其環(huán)空返速達不到舉升巖屑所需的臨界值，井眼凈化難度大。為了將巖屑攜帶出井眼，必須增大鉆井液體系的黏度和切力，這樣會增大井底環(huán)空壓耗，易造成井漏。水平段鉆進過程中，上井壁在鉆井液密度徑向支撐下能夠保持穩(wěn)定，但在起鉆過程中，上井壁失去鉆井液支撐易導致垮塌；定向施工中，在500 m 井段進行造斜、增斜及穩(wěn)斜鉆進，井眼軌跡平滑性差，鉆井液潤滑技術難度大；隨著水平段的增長，鉆進中鉆壓的傳遞、防黏及巖屑床等問題越來越突出。此外，三開井底溫度高達170 ℃，高溫下的鉆井液處理劑大分子容易發(fā)生斷鏈現(xiàn)象，鉆井液流變性難以控制，流變性失穩(wěn)間接導致井壁失穩(wěn)。

針對躍進區(qū)塊超深水平井的特點，鉆井施工中鉆井液體系需要具備較強的抑制性，具備較好的封堵性、流變性、潤滑性以及抗高溫等性能。

鉆井液體系抑制性強，能夠抑制泥頁巖的水化膨脹，并且保證鉆井液體系的抑制具有長效性，能夠長時間抑制泥頁巖的水化，防止大段泥頁巖水化膨脹后坍塌。

鉆井液體系封堵性好，能夠形成薄而韌的致密泥餅，一則對上部疏松地層進行封堵，防止鉆井液滲入地層；二則對二疊系火成巖地層進行封堵，防止地層發(fā)生井漏；三則對大段泥頁巖進行封堵，防止泥頁巖水化后坍塌，保持井壁穩(wěn)定。

鉆井液體系流變性好，能夠適應二開長裸眼井段快速鉆進的要求，保證井眼凈化，做到護壁防塌；能夠適應三開水平段定向鉆進的要求，在保證井眼凈化的基礎上，最大可能降低環(huán)空壓耗，防止環(huán)空壓耗過大造成井漏。

鉆井液體系潤滑性好，能夠在二開長裸眼井段施工中保證起下鉆順暢；能夠降低三開定向過程中產生的摩阻和扭矩，保證定向順暢。

鉆井液體系抗溫性好，能夠保證鉆井液體系在高溫下依然具有良好的流變性，即保證鉆井液體系在高溫下具有良好的懸浮攜帶能力，能夠把巖屑攜帶出井眼。

2 鉆井液體系配方

通過對國內超深井［1-5］及超深水平井［6-10］鉆井液體系使用情況進行調研，并借鑒臨近區(qū)塊［11-15］鉆井液施工經驗，針對躍進區(qū)塊地層巖性和鉆井液體系選擇思路，本文選擇鉀鹽和胺基聚醇作為體系的抑制劑，選擇磺化瀝青和超細碳酸鈣作為體系的封堵劑，選擇磺化酚醛樹脂、褐煤樹脂和磺酸鹽共聚物降濾失劑作為體系的降濾失劑。鉀鹽（KCl）中的K+和胺基聚醇［16］分子上多個獨立的胺基可充填在黏土顆粒的晶層之間，并把它們束縛在一起，有效地減少黏土的吸水傾向，其抑制作用具有長效性，且抗沖刷能力強，保證鉆井作業(yè)結束后也具有長時間的抑制效果；超細碳酸鈣由不同微米粒徑的剛性粒子組成，磺化瀝青具有“軟化點”，當?shù)貙訙囟群蛙浕c相近時，磺化瀝青變軟，在超細碳酸鈣的輔助下，封堵地層不同大小和不同形狀的孔隙和微細裂縫，保持井壁穩(wěn)定；磺化酚醛樹脂、褐煤樹脂和磺酸鹽共聚物不但增強體系的抗溫性，而且保證體系具有很強的抗鹽抗鈣能力，能夠保證鉆井液體系在高溫作用及流體污染情況下依然具有良好的流變性［17］。

經過處理劑優(yōu)選及性能優(yōu)化，本文采用鉀胺鹽抗高溫潤滑防塌鉆井液體系，其基本配方為（3.0%～4.0%）膨潤土+（0.2%～0.4%）燒堿+（0.3%～0.5%）聚丙烯酸鉀KPAM +（3.0%～5.0%）氯化鉀+（0.5%～1.0%）胺基聚醇+（0.5%～1.0%）磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP-2 +（3.0%～4.0%）磺化酚醛樹脂SMP-3+（3.0%～4.0%）褐煤樹脂SPNH+（4.0%～6.0%）磺化瀝青 +（3.0%～4.0%）超細碳酸鈣+（3.0%～5.0%）油基潤滑劑+（2.0%～4.0%）固體潤滑劑。

3 現(xiàn)場應用

3.1 現(xiàn)場鉆井液施工工藝

3.1.1 二開鉆井液施工工藝

開鉆前，在套管內循環(huán)鉆井液，加入預水化膨潤土漿，補充泥漿量，待鉆井液循環(huán)均勻、性能穩(wěn)定后開鉆。

鉆進過程中，加入膠液維護鉆井液性能。上部地層疏松，每鉆進100 m 補充膠液40 m3，膠液配方為0.2%燒堿+0.5%聚丙烯酸鉀+1.0%胺基聚醇+1.5%銨鹽；井深4 000 m后，根據(jù)地層消耗補充膠液，膠液配方為0.2%燒堿+0.2%聚丙烯酸鉀+0.5%胺基聚醇+4%磺化酚醛樹脂SMP-3+3%褐煤樹脂SPNH。上部地層，加入2.0%超細碳酸鈣，封堵上部疏松地層，防止形成虛厚泥餅；進入侏羅系，加入2.0%磺化瀝青和1.0%超細碳酸鈣，封堵地層孔隙及微細裂縫；進入三疊系，加入2.0%磺化瀝青和2.0%超細碳酸鈣，使之在井壁上形成致密泥餅；進入二疊系，繼續(xù)加入1.5%超細碳酸鈣和1.0%隨鉆堵漏劑，封堵地層大的裂縫，防止井漏。隨著井深的增加，逐漸提高瀝青的含量，并增加瀝青的軟化點，確保瀝青的軟化點和地層溫度相匹配，保持鉆井液能封堵地層孔隙和裂縫。

定期檢測鉆井液中Cl-的含量，保持Cl-質量濃度在15 000～20 000 mg/L，胺基聚醇的質量分數(shù)在0.5%以上。施工中逐漸補充降濾失劑，控制鉆井液的濾失量，井深3 000 m 時，鉆井液中壓濾失量控制在10.0 mL；進入三疊系，繼續(xù)補充降濾失劑，將中壓濾失量控制在5.0 mL；進入二疊系，將高溫高壓濾失量控制在12.0 mL 以內，防止泥頁巖水化，保持井壁穩(wěn)定。上部地層，鉆井液密度保持自然密度鉆進；進入三疊系，密度控制在1.23～1.28 g/cm3；進入二疊系，密度維持在1.28 g/cm3，防止二疊系發(fā)生井漏；進入石炭系，密度維持在1.30 g/cm3，直至中完，保持井眼的力學平衡，保持井壁穩(wěn)定。

施工過程中，一要注意起下鉆摩阻和轉盤扭矩情況，適時補充液體潤滑劑。隨著井深的增加，逐漸補充潤滑劑，保證起下鉆暢通無阻，保證鉆進順利。進入二疊系，加入1.0%液體潤滑劑；進入志留系，加入1.5%液體潤滑劑，增加鉆井液體系的潤滑性。二要合理使用固控設備。上部地層快速鉆進期間，開動四級固控設備，降低鉆井液中的劣質固相，保持鉆井液體系的低黏低切狀態(tài)；進入三疊系，鉆井液密度提高后，加大振動篩篩布目數(shù)，并間斷啟動離心機，凈化鉆井液，保證鉆井液體系流變性穩(wěn)定。

此外，工程中需要密切配合，上部地層鉆進過程中，保證大排量，提高環(huán)空中鉆井液的上返速度，增加井眼的凈化效果；井深4 000 m后，降低泵排量，防止沖刷井壁；每鉆進1 000 m 進行一次短起下鉆，刮掉吸附在井壁上的虛厚泥餅，暢通井眼；每次下鉆時，分段開泵頂通鉆井液，避免在二疊系易漏地層開泵，開泵時先小排量頂通，再慢慢提高至正常排量；控制起下鉆速度，防止起下鉆速度過快導致過大的激動壓力造成井壁失穩(wěn)。中完后，配制稠鉆井液凈化井眼；用牙輪鉆頭通井，待上提下放鉆具無顯示后大排量循環(huán)兩周鉆井液；振動篩無明顯返砂后，配制潤滑封井漿封閉下部4 000 m 裸眼段，保證電測順利；電測后通井循環(huán)，然后進行短起下鉆，井眼暢通后配制潤滑封井鉆井液封閉井下3 000 m 裸眼段，保證下套管順利進行。

以躍進3-5H 井為例，二開鉆井液性能控制見表1。

表1 二開鉆井液性能控制情況

3.1.2 三開鉆井液維護處理工藝

預處理：使用二開井漿鉆水泥塞；充分循環(huán)鉆井液，開動四級固控設備，除去鉆井液中劣質固相；補充1%磺化酚醛樹脂SMP-3、2%褐煤樹脂SPNH、1.5%磺化瀝青和2%油基潤滑劑，充分循環(huán)，待鉆井液性能符合設計后開鉆。

開鉆后，控制鉆井液密度在設計下限；定向造斜及穩(wěn)斜鉆進時，逐漸提高鉆井液密度；至水平段鉆進時，控制鉆井液密度在設計上限，保持井眼的力學平衡，穩(wěn)定井壁。鉆進過程中，加入膠液維護鉆井液性能，膠液配方為0.25%聚丙烯酸鉀KPAM+0.5% 磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP-2+0.5%胺基聚醇，控制鉆井液流型為層流，保持鉆井液體系具有合適的黏度和切力，提高井眼的凈化效果。使用磺化酚醛樹脂SMP-3、褐煤樹脂SPNH 和磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP-2 調控鉆井液的濾失量，確保中壓濾失量小于2.0 mL，高溫高壓濾失量低于12.0 mL，以減緩濾液在高溫高壓環(huán)境向地層滲透。保證鉆井液中磺化瀝青的含量在4.0%，超細碳酸鈣的含量在2.0%，使之在井壁形成良好泥餅；定期補充8%預水化膨潤土漿，調整鉆井液體系中的顆粒級配，增強鉆井液體系的封堵性。定向鉆進時，加入2%固體潤滑劑，降低定向過程中產生的摩阻和扭矩；隨著井斜的增大，逐步加大油基潤滑劑的含量，保證其含量達到5%，配合適當固體潤滑劑，防止黏卡等復雜情況的發(fā)生。

施工過程中，隨著斜井段的增加，鉆具緊靠下井壁運行，摩阻逐漸增大，定向至水平段后，巖屑逐漸沉降在下井壁，形成巖屑床，摩阻變得更大。工程上根據(jù)摩阻的變化情況及振動篩返砂情況，每鉆進50 ～100 m 進行起下鉆，及時破壞巖屑床，確保井下安全。合理使用固控設備，振動篩、除砂器和除泥器使用率達到100%；間斷使用離心機，減少鉆井液中的有害固相。

完鉆后，充分循環(huán)鉆井液，確保井眼凈化后，泵入潤滑封井漿封閉整個裸眼井段，確保電測順利，其中的封井漿配方為井漿+1.0%磺化酚醛樹脂SMP-3+1.0%褐煤樹脂SPNH+2.0%油基潤滑劑+1.0%固體潤滑劑。

以躍進3-5H 井為例，三開鉆井液性能控制見表2。

表2 三開鉆井液性能控制情況

3.2 應用效果

1）抑制性好，有效解決了奧陶系桑塔木組大段泥頁巖水化膨脹導致井壁失穩(wěn)的難題，施工中井壁穩(wěn)定，起下鉆暢通無阻，定向過程中摩阻和扭矩低。

2）封堵能力強，有效解決了二疊系火成巖、志留系柯坪塔格組和奧陶系桑塔木組層理孔隙發(fā)育導致井壁失穩(wěn)的難題，施工中井壁穩(wěn)定，振動篩返砂正常，全井無復雜事故發(fā)生。

3）中完作業(yè)順利，下套管作業(yè)順利，電測一次成功率達到100%，電測顯示井身質量為優(yōu)秀。

4）抗溫性好，三開定向過程中鉆井液流變性穩(wěn)定，鉆井液體系懸浮攜帶能力強，井眼凈化效果好，無巖屑床形成。

5）機械鉆速高，和前期已經完鉆的8 口井相比，應用該鉆井液體系的5 口井鉆完井周期明顯縮短，平均機械鉆速明顯提高（見表3），達到了提速增效的目的。

表3 躍進區(qū)塊鉆完井時效比較

4 結論

躍進區(qū)塊屬超深水平井，二開裸眼段長，必須根據(jù)不同地層巖性維護鉆井液性能，保證鉆井液體系的抑制性和封堵性。該區(qū)塊井底溫度高，必須保證鉆井液體系的抗溫性，確保小井眼施工中具有良好的流變性。

通過躍進區(qū)塊地質巖性分析，提出了鉆井液體系優(yōu)選思路，研發(fā)了鉀胺鹽抗高溫潤滑防塌鉆井液體系，并在躍進區(qū)塊5 口井進行了現(xiàn)場應用，取得了良好的應用效果，鉆完井周期明顯縮短，平均機械鉆速明顯提高，為該區(qū)塊后續(xù)勘探開發(fā)提供了技術保障。