擴(kuò)展安全密度窗口的鉆井液技術(shù)及其應(yīng)用

謝 俊，司西強(qiáng)，吳協(xié)力，范 波

1.中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001；2.中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井一公司，河南 濮陽(yáng) 457001

順北油氣田位于塔里木盆地東北坳陷區(qū)西部，含有多條富含油氣的斷裂帶，自勘探開(kāi)發(fā)以來(lái)，已在1 號(hào)斷裂帶整體建產(chǎn)，在5 號(hào)斷裂帶獲高產(chǎn)油氣流，是中石化重要的油氣生產(chǎn)基地，其油氣埋藏深度超過(guò)7 300 m，是世界陸上超深油氣藏之一［1］。由于埋藏深、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，鉆探過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生井壁垮塌與井漏，尤其在5 號(hào)斷裂帶南部區(qū)域的鉆探中，三開(kāi)志留系、桑塔木組等地層含大段硬脆性泥巖，易垮塌；志留系泥巖裂縫發(fā)育，壓力敏感，易井漏，并且地層有可能出鹽水。當(dāng)井壁失穩(wěn)時(shí)，可以通過(guò)提高鉆井液密度來(lái)支撐井壁，但會(huì)導(dǎo)致井漏風(fēng)險(xiǎn)大大增加；發(fā)生井漏時(shí)，為降低井漏風(fēng)險(xiǎn)，可以降低鉆井液密度，卻會(huì)導(dǎo)致井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)大大增加。這種“塌漏同存”的矛盾，直接導(dǎo)致了鉆井液安全密度窗口變窄，頻繁誘發(fā)井下復(fù)雜情況的發(fā)生，甚至嚴(yán)重影響勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)度。如順北5-5H、順北5-10 井均在三開(kāi)志留系發(fā)生井壁失穩(wěn)誘發(fā)的卡鉆事故，其中順北5-5H、順北5-6、順北52x 因在三開(kāi)無(wú)法有效調(diào)和井漏與井壁失穩(wěn)共存的矛盾，順北5-5H、順北5-6 累計(jì)處理復(fù)雜時(shí)間300 d 以上，三開(kāi)提前中完，被迫多下一層套管封隔復(fù)雜段，而順北52x 被迫棄井［2］。因此，如何擴(kuò)展鉆井液安全密度窗口，調(diào)和“塌漏同存”矛盾，是目前亟需解決的問(wèn)題。

1 鉆井液技術(shù)擴(kuò)展安全密度窗口可行性分析

1.1 井壁失穩(wěn)原因分析

對(duì)順北51x 井志留系實(shí)鉆巖性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，志留系泥巖含量72%，對(duì)巖屑進(jìn)行了X 線(xiàn)衍射礦物分析，柯坪塔格組巖屑黏土礦物平均含量為32.3%，并含有石英、斜長(zhǎng)石、方解石等脆性礦物63.6%，黏土礦物組成見(jiàn)表1。由表1可知：柯坪塔格組黏土礦物中主要含有51%伊利石，伊-蒙混層含量25%，以伊利石為主，屬于硬脆性泥巖，膨脹性黏土礦物含量較少。室內(nèi)分散及膨脹實(shí)驗(yàn)表明，柯坪塔格組黏土礦物的清水滾動(dòng)回收率平均為75%，清水中膨脹率為10%，屬于弱分散弱膨脹泥巖，但仍然具有一定的水敏性，尤其是伊利石表面水化后，仍然具有很強(qiáng)的膨脹壓。林永學(xué)等［3］對(duì)柯坪塔格組、桑塔木組泥巖進(jìn)行微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明柯坪塔格組和桑塔木組地層泥巖基質(zhì)微孔隙、微裂縫、層理等弱面極其發(fā)育，孔喉直徑主要分布在0.1～5 μm，微裂縫、層理寬度為0.5～15.0 μm。石秉忠等［4］利用CT 成像技術(shù)對(duì)硬脆性泥巖水化裂縫發(fā)展進(jìn)行了研究，結(jié)果表明硬脆性泥巖井壁失穩(wěn)，本質(zhì)上表現(xiàn)為水化作用，致使礦物顆粒間內(nèi)聚力減小或消失，原始和次生微孔縫的擴(kuò)張與擴(kuò)展演化形成宏觀(guān)裂紋，宏觀(guān)裂紋增寬成縫并發(fā)展直至破壞。他們同時(shí)發(fā)現(xiàn)，含有KCl 等具有抑制泥巖水化作用的處理劑，對(duì)裂縫擴(kuò)展速度有較為明顯的延遲作用。因此，對(duì)于志留系等裂縫發(fā)育的硬脆性泥巖，通過(guò)強(qiáng)化鉆井液抑制泥巖水化作用，減少泥巖水化產(chǎn)生的次生裂縫及延緩地層裂縫擴(kuò)展，降低地層坍塌壓力，延長(zhǎng)坍塌周期，該措施在理論上是可行的，坍塌壓力的降低意味著可以降低鉆井液密度，從而可以擴(kuò)展安全密度窗口，減少濾液沿微裂縫、層理侵入地層的現(xiàn)象，并進(jìn)一步延緩泥巖地層的水化效應(yīng)。

表1 黏土礦物組成分析

1.2 井漏原因分析

對(duì)于易漏地層，一般都是通過(guò)隨鉆封堵等強(qiáng)化鉆井液封堵地層微裂縫，提高地層的承壓能力或漏失壓力，擴(kuò)展安全密度窗口，從而能夠?qū)@井液維持在一個(gè)較高的密度，防止地層垮塌或地層出水等。對(duì)于壓力敏感地層，當(dāng)維持較高的密度時(shí)，可能使漏層產(chǎn)生較多的壓裂裂縫，增加了地層漏失及垮塌風(fēng)險(xiǎn)。由于地質(zhì)構(gòu)造的擠壓和扭曲作用，5 號(hào)斷裂帶志留系層位縫網(wǎng)發(fā)育，存在大段、大量張開(kāi)和閉合的裂縫［2］，裂縫對(duì)鉆井液密度即壓力變化敏感，易開(kāi)啟、擴(kuò)大。圖1 為順北5-5H志留系漏層成像測(cè)井。由圖1 可知：在漏失井段多處發(fā)育由鉆井液壓裂而成的水力壓裂縫，水力壓裂縫在成像圖上的特征為沿井壁對(duì)稱(chēng)出現(xiàn)的褐黑色圖形，是由鉆井液壓裂誘導(dǎo)而成、被低電阻鉆井液所充填的人工裂縫，且因?yàn)檫^(guò)多鉆井液沿著裂縫侵入地層，加速了泥巖水化及裂縫擴(kuò)展，造成井壁崩落現(xiàn)象明顯，裂縫擴(kuò)展亦降低了漏層漏失壓力，造成堵漏成功率不高或者堵漏成功后復(fù)漏現(xiàn)象頻繁，大大增加了處理復(fù)雜問(wèn)題的時(shí)間。

圖1 順北5-5H志留系漏層成像測(cè)井

因此，壓力敏感的漏層對(duì)鉆井液密度極為敏感，保持鉆井液的強(qiáng)封堵性能，能夠減少濾液沿裂縫對(duì)地層的侵入，一方面有助于降低裂縫擴(kuò)展的速度，另一方面有助于強(qiáng)化鉆井液的抑制性能，降低地層坍塌壓力，擴(kuò)展鉆井液安全密度窗口，在確保井壁穩(wěn)定的前提下，采用較低密度鉆井液鉆進(jìn)漏層，降低鉆井液作用于井壁的壓力，有利于地層防漏，降低地層漏失及堵漏后復(fù)漏幾率，提高堵漏成功率，達(dá)到“塌漏同治”的目的。

2 多元協(xié)同抑制鉆井液技術(shù)

2.1 化學(xué)固壁劑選擇

目前現(xiàn)場(chǎng)使用的聚磺鉀胺基鉆井液體系具有良好的抗溫及抑制性能，為控制井壁穩(wěn)定，在志留系等易坍塌層位，鉆井液密度需要控制在1.38～1.41 g/cm3，較高的密度不利于壓力敏感地層的防漏，井漏及復(fù)漏頻繁，并誘發(fā)井壁垮塌。為了擴(kuò)展安全密度窗口，降低鉆井液密度，通過(guò)向聚磺鉀胺基鉆井液中引入聚合鋁鹽，強(qiáng)化鉆井液的化學(xué)抑制及化學(xué)固壁性能，形成氯化鉀-胺基-鋁鹽多元協(xié)同抑制鉆井液技術(shù)。

黏土礦物主要是含水的鋁硅酸鹽，硅酸鹽、鋁酸鹽等與黏土礦物在結(jié)構(gòu)方面相似，在高溫下能夠與黏土礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)起到化學(xué)固壁作用。硅酸鹽溶膠對(duì)鉆井液體系pH 非常敏感，當(dāng)體系pH 低于11 時(shí)，硅酸鹽非常容易發(fā)生縮聚，生成多聚體，并可能進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)形成凝膠，對(duì)鉆井液體系流變性能影響極大［5-6］。而鋁酸鹽對(duì)鉆井液體系pH 的敏感度要低于硅酸鹽，當(dāng)體系pH 保持8 以上時(shí)，鋁酸鹽大部分保持溶解狀態(tài)（見(jiàn)圖2），且不溶物不會(huì)相互交聯(lián)成為凝膠，對(duì)體系流變性能基本沒(méi)有影響，同時(shí)其適應(yīng)的pH 較低，有利于高溫下井壁穩(wěn)定，因此選擇聚合鋁鹽強(qiáng)化鉆井液化學(xué)固壁性能。

圖2 pH變化對(duì)聚合鋁鹽溶解度的影響［7］

2.2 鉆井液的抑制機(jī)制

KCl 具有獨(dú)特的晶格固定作用，其抑制泥巖膨脹能力優(yōu)于NaCl 與CaCl2，是最常用的無(wú)機(jī)鹽抑制劑，高溫高壓下，通過(guò)離子交換，能夠?qū)⒁恍┮姿蛎浀貙愚D(zhuǎn)化為低分散低膨脹的伊利石。

胺基頁(yè)巖抑制劑是近年來(lái)發(fā)展的一種新型環(huán)保頁(yè)巖抑制劑，胺基氮原子上的未共用電子對(duì)能與質(zhì)子結(jié)合形成正電銨離子［8］，通過(guò)離子交換減弱黏土顆粒表面的親水性，具有加量低、抑制性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。聚合鋁鹽在pH 8～9 時(shí)，以水溶性的四羥基鋁陰離子存在，當(dāng)鉆遇地層水（pH 一般在5～6）時(shí)，鋁絡(luò)合離子會(huì)立即生成Al（OH）3沉淀，在井壁孔喉內(nèi)或微裂縫內(nèi)迅速沉積，Al（OH）3沉淀還可通過(guò)進(jìn)一步與地層黏土礦物發(fā)生物理化學(xué)作用，最終成為地層頁(yè)巖晶體的一部分，封堵地層中的層理與微裂縫，減弱鉆井液濾液對(duì)地層的侵害作用，增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性，起到封堵固壁作用［9］。

2.3 多元協(xié)同抑制鉆井液性能評(píng)價(jià)

以現(xiàn)場(chǎng)聚磺鉀胺基鉆井液為基礎(chǔ)，引入1%～2%聚合鋁鹽AOP-1，形成多元抑制協(xié)同鉆井液體系。該體系為（3%～4%）膨潤(rùn)土+（0.5%～1.0%）降濾失劑+（2%～4%）磺化褐煤SMC+ （2%～4%）磺化酚酫樹(shù)脂SMP+（2%～3%）磺化瀝青+（2%～3%）陽(yáng)離子瀝青膠乳+（0.3%～0.5%）抗鹽抗高溫聚合物+（0.1%～0.2%）NaOH+（5%～7%）KCl+（0.3%～0.5%）聚磺鉀胺+（1%～2%）聚合鋁鹽AOP-1+重晶石（調(diào)節(jié)密度至1.35 g/cm3）。

2.3.1 抑制性能評(píng)價(jià)

用順北51x 井柯坪塔格組及桑塔木組巖屑進(jìn)行了清水、聚磺鉀胺基鉆井液體系、多元協(xié)同抑制鉆井液體系巖屑滾動(dòng)回收率及頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)。

取現(xiàn)場(chǎng)順北51x井柯坪塔格組巖屑，在105 ℃條件下干燥4 h后，冷卻至室溫，過(guò)1.7～4.75 mm孔徑篩布，稱(chēng)取約10 g過(guò)1.7～4.75 mm孔徑的巖屑，質(zhì)量記為m1，加入待測(cè)液中，在150 ℃下滾動(dòng)16 h后，過(guò)0.38 mm孔徑的篩布，篩余部分在105 ℃條件下干燥4 h，冷卻至室溫稱(chēng)質(zhì)量，質(zhì)量記為m2，滾動(dòng)回收率=m2/m1×100%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：多元協(xié)同抑制鉆井液體系的巖屑一次回收率為96%，較清水及聚磺鉀胺基鉆井液體系有顯著提高，表明鉆井液中引入聚合鋁鹽后，發(fā)揮了多元協(xié)同的抑制性能，鉆井液抑制泥巖水化性能得到強(qiáng)化。

表2 巖屑滾動(dòng)回收率評(píng)價(jià)

取現(xiàn)場(chǎng)順北51x桑塔木組巖屑，在105 ℃條件下干燥4 h 后，冷卻至室溫，過(guò)0.1 mm 孔徑篩布，然后稱(chēng)取約10 g 過(guò)0.1 mm 孔徑的巖屑，在4 MPa 下壓制5 min 得到人造巖心，采用NP-2 型頁(yè)巖膨脹測(cè)試儀測(cè)試其線(xiàn)性膨脹率，測(cè)試條件為室溫、6 h，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知：隨著膨脹時(shí)間的延長(zhǎng)，3 種體系的線(xiàn)性膨脹率均有所增加；相同膨脹時(shí)間下，多元協(xié)同抑制體系的線(xiàn)性膨脹率最低。說(shuō)明多元協(xié)同抑制體系抑制桑塔木組泥巖巖屑水化膨脹的能力明顯優(yōu)于聚磺鉀胺基體系，具有良好的井壁穩(wěn)定能力。

圖3 不同鉆井液體系抑制膨脹實(shí)驗(yàn)

2.3.2 抗污性能評(píng)價(jià)

由于志留系地層存在大段的泥巖，且地層可能滲出較高礦化度的鹽水，因此，在室內(nèi)對(duì)該體系的抗污染性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要包括抗土污染、抗鉆屑污染以及抗飽和鹽水污染，實(shí)驗(yàn)條件為140 ℃下熱滾16 h，結(jié)果如表3 所示。污染用土為配漿用鈉膨潤(rùn)土，鉆屑為順北51x 井志留系塔埃爾塔格組過(guò)0.1 mm 孔徑篩布的巖屑。由表3 可知：抗配漿土及鉆屑粉污染分別為5%及10%時(shí)，體系受污染前后性能穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的固相容納能力，同時(shí)具有良好的抗飽和鹽水入侵的能力。

表3 鉆井液體系抗污性能評(píng)價(jià)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

多元協(xié)同抑制鉆井液技術(shù)在順北5-9 井（SHB5-9）三開(kāi)進(jìn)行了應(yīng)用，SHB5-9 是中石化西北油田分公司部署于順北5 號(hào)斷裂帶南部區(qū)域的一口四開(kāi)制評(píng)價(jià)井，設(shè)計(jì)井深8 410 m，完鉆井深8 411 m，其中三開(kāi)井段5 115～7 648 m，志留系井段5 486～6 761 m。為了解決志留系“塌漏同存”的難題，在該井使用了多元協(xié)同抑制鉆井液技術(shù)，取得良好的施工效果，初步實(shí)現(xiàn)了“塌漏同治”的目標(biāo)。

3.1 鉆井液維護(hù)措施

1）鉆井液轉(zhuǎn)換：采用多元協(xié)同抑制強(qiáng)化鉆井液化學(xué)抑制性能，確保鉆井液濾液中K+含量不低于20 000 mg/L，聚胺加量不低于0.3%，在做好鉆井液護(hù)膠的基礎(chǔ)上，KCl 和聚胺可以直接加入循環(huán)鉆井液中，將聚合鋁鹽配制成5%的高濃度膠液，以細(xì)水長(zhǎng)流的形式緩慢加入鉆井液，同時(shí)，膠液中加入0.5%聚合物，最終使鉆井液中的聚合鋁鹽含量不低于1%。

2）失水控制：控制中壓失水小于4.0 mL，高溫高壓失水小于12.0 mL。聚合物及磺化處理劑等以膠液的形式補(bǔ)入鉆井液中，聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～1.0%，磺化處理劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～2.0%。當(dāng)失水穩(wěn)定的時(shí)候，聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，磺化處理劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%；當(dāng)需要降低失水時(shí)，則可提高兩者的配制濃度。

3）流變性能控制：在漏層鉆進(jìn)時(shí)，控制黏度為55～60 s，適當(dāng)提高鉆井液的黏度切力，以提高鉆井液的懸浮能力，預(yù)防發(fā)生井漏時(shí)排量下降造成的沉沙卡鉆；鉆穿漏層后，控制黏度為50～55 s。

4）密度控制：強(qiáng)化鉆井液抑制性能后，拓寬了鉆井液安全密度窗口，因此，在志留系漏層鉆進(jìn)時(shí)，控制鉆井液密度在1.30～1.35 g/cm3。

5）封堵性能控制：采用磺化瀝青和陽(yáng)離子瀝青膠乳復(fù)配使用，瀝青總含量控制在4%～6%，保證鉆井液具有良好的封堵性能，減少濾液的侵入。在漏層鉆進(jìn)過(guò)程中，向鉆井液中加入1%～2%的微裂縫封堵劑MFP-1進(jìn)行隨鉆封堵，提高地層漏失壓力及承壓能力。同時(shí)，地面?zhèn)湟还拶|(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%的隨鉆封堵漿，在漏層鉆進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)井下實(shí)際情況，每班加入5 m3封堵漿，以補(bǔ)充隨鉆封堵材料的消耗。

6）封閉漿：每次起鉆前，配制適量的抗溫防塌封閉漿，封閉易坍塌地層，封閉漿配方為井漿+（0.3%～0.5%）SMP+（0.3%～0.5%）SMC+0.1%聚磺鉀胺。

3.2 應(yīng)用效果

1）擴(kuò)展安全密度窗口：通過(guò)使用多元協(xié)同抑制鉆井液技術(shù)，強(qiáng)化了鉆井液穩(wěn)定井壁的能力，實(shí)現(xiàn)了低密度1.34 g/cm3鉆進(jìn)志留系“塌漏同存”段及桑塔木組泥巖段，較鄰井同井段應(yīng)用鉆井液密度1.38～1.41 g/cm3普遍下降0.04～0.07 g/cm3，有效擴(kuò)展了安全密度窗口。以志留系平均井深6 000 m 計(jì)算，環(huán)空靜液柱壓力下降2.4～4.2 MPa，如果在志留系進(jìn)行擠堵施工，憋壓一般也不超過(guò)4 MPa?？梢?jiàn)，通過(guò)擴(kuò)展安全密度窗口，大幅降低了鉆井液作用于井壁的壓力。

2）穩(wěn)定井壁：雖然鉆井液密度較鄰井較大幅度下降，但仍然保持了易塌地層的井壁穩(wěn)定。志留系各井的井徑擴(kuò)大率如圖4 所示，桑塔木組各井的井徑擴(kuò)大率如圖5 所示。由圖4～5 可知：志留系井徑擴(kuò)大率為10.68%，桑塔木組井徑擴(kuò)大率為4.07%，鉆井過(guò)程中各鉆井參數(shù)穩(wěn)定，起下鉆順暢，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)導(dǎo)致的卡鉆等復(fù)雜事故，中完電測(cè)一次成功，下套管順利。

圖4 志留系井徑擴(kuò)大率對(duì)比

圖5 桑塔木組井徑擴(kuò)大率對(duì)比

3）減少井漏次數(shù)：通過(guò)成功降低易漏地層鉆井液密度，降低了鉆井液作用于井壁的壓力，同時(shí)采取隨鉆封堵措施，取得了良好的防漏效果，在志留系漏失6 次，與鄰井平均井漏次數(shù)16 次相比降低62.5%。同時(shí)，鉆穿志留系后，在剩余井段鉆井以及在中完下套管、固井過(guò)程中，都未發(fā)生復(fù)漏或井漏。

4）提高鉆井時(shí)效：在鉆穿志留系漏層后，施工方考慮到鉆井液密度較低的情況，井下扭矩、泵壓等鉆井參數(shù)保持平穩(wěn)，鉆井液表現(xiàn)出良好的井壁穩(wěn)定及防漏效果，為提高志留系下部桑塔木組的機(jī)械鉆速，決定大膽嘗試使用螺桿提速，并提高排量，使用螺桿加扶正器后，底部鉆具組合變得復(fù)雜，如果井壁失穩(wěn)或因排量提高造成井漏，將大幅增加處理復(fù)雜情況的困難及卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。施工結(jié)果表明，多元協(xié)同抑制鉆井液具有良好的穩(wěn)定井壁能力，確保了志留系及桑塔木組易塌地層的井壁穩(wěn)定，同時(shí)由于鉆井液密度較低，為上提排量提供了空間，大大降低了使用提速工具等復(fù)雜鉆具結(jié)構(gòu)的井下風(fēng)險(xiǎn)，有效縮短了鉆井周期，三開(kāi)鉆井周期95 d，與鄰井平均鉆井周期177.5 d 相比降低了46.5%，大幅提高了鉆井時(shí)效。

4 結(jié)論

1）順北5 號(hào)斷裂帶志留系地層含有大段的硬脆性泥巖，并存在大量張開(kāi)和閉合的裂縫，對(duì)壓力極為敏感，易垮塌及漏失，較高的鉆井液密度不利于防漏及井壁穩(wěn)定。通過(guò)強(qiáng)化鉆井液的抑制性能，提高鉆井液穩(wěn)定井壁能力，能夠擴(kuò)展鉆井液安全密度窗口，進(jìn)而可采用較低密度鉆井液鉆進(jìn)漏層，減少地層漏失及堵漏后復(fù)漏幾率，達(dá)到“塌漏同治”的目的。

2）在聚磺鉀胺基鉆井液基礎(chǔ)上，通過(guò)引入聚合鋁鹽等抑制劑，強(qiáng)化鉆井液抑制及化學(xué)固壁性能，構(gòu)建了多元協(xié)同抑制鉆井液技術(shù)，室內(nèi)評(píng)價(jià)表明，其抑制性較鉀胺基鉆井液有較大幅度提升，具有良好的抗土、抗鉆屑、抗飽和鹽水等抗污染性能。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，多元協(xié)同抑制鉆井液技術(shù)能夠有效擴(kuò)展鉆井液安全密度窗口，在確保易塌地層井壁穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，井漏次數(shù)較鄰井大幅下降，有效解決了“塌漏同存”的難題，在順北區(qū)塊具有很好的推廣及應(yīng)用前景。