勝利油田頁巖油藏鉆井液技術(shù)

萬緒新，劉振東，侯業(yè)貴

(1.中石化勝利油田分公司石油工程監(jiān)督中心，山東東營257017;2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017)

截止目前，勝利油田共完成渤頁平1、渤頁平2、渤頁平1－2井及梁頁1HF井等4口頁巖油藏水平井的鉆井施工，在頁巖油藏勘探開發(fā)上取得了一定的進展。勝利油田頁巖油藏水平井上部井段都存在著大斜度井身軌跡下鉆井液潤滑防卡問題及易坍塌井段井壁穩(wěn)定問題;水平段存在著頁巖易水化分散造成垮塌卡鉆的問題。根據(jù)鄰井資料及研究結(jié)果，上部井段采用聚胺強抑制鉆井液技術(shù)，水平段采用油基鉆井液技術(shù)，順利完成了這幾口井的施工工作。本文就是在這一背景下，對已完成的幾口井的鉆井液技術(shù)進行了歸納，同時對現(xiàn)場應(yīng)用中存在的一些問題進行了分析和探討，目的是提高鉆井液現(xiàn)場適應(yīng)性，為頁巖油藏的勘探開發(fā)提供更好的技術(shù)方案。

1 地質(zhì)概況及鉆井液施工難點分析

渤頁平1、渤頁平2及渤頁平1－2井位于濟陽坳陷沾化凹陷羅家鼻狀構(gòu)造帶，該構(gòu)造帶是一個近南北向的大型水下隆起，北臨渤南洼陷，南靠陳家莊凸起。羅家鼻狀構(gòu)造帶在沙三段時期沉積了數(shù)百米的暗色泥頁巖，本區(qū)新生界古近系地層被數(shù)條北西向延伸的盆傾斷層切割，形成斷階帶。據(jù)該區(qū)實鉆和物探資料分析，設(shè)計井區(qū)沙三段油、泥頁巖裂縫發(fā)育，易形成泥巖裂縫油氣藏。梁頁1HF井位于濟陽坳陷東營凹陷利津洼陷帶南坡梁頁1HF塊較高部位。利津洼陷沙三下—沙四上時期，盆地處于斷陷—坳陷階段，沉降速度加快，湖盆的沉積環(huán)境逐漸由濱淺湖轉(zhuǎn)變?yōu)榘肷詈詈蚨鴱南碌缴习l(fā)育了以油頁巖、泥巖及灰質(zhì)泥巖為主的地層［1－2］。

針對勝利油田頁巖油藏地層特點，鉆井液施工主要存在以下難點。

(1)大斜度井身軌跡下鉆井液的潤滑防卡難度較大。由于井斜較大，定向段長，為保證本井段順利施工，應(yīng)提高鉆井液潤滑性能。

(2)易坍塌井段存在井壁失穩(wěn)的問題，鉆井液控制難度大。二開井段鉆遇泥頁巖較長，巖石穩(wěn)定性差，泥巖易水化膨脹和分散，極易出現(xiàn)井壁坍塌和剝蝕掉快等問題，要求鉆井液具有良好的井壁穩(wěn)定能力、攜巖性好、封堵性強。

(3)部分區(qū)塊存在易漏地層，漏失發(fā)生幾率較高，易出現(xiàn)復(fù)雜情況，要求做好防漏堵漏的技術(shù)措施。

(4)采用油基鉆井液，存在密度高，流變性難以調(diào)控的難題。同時水平段較長，井眼清潔難度大。油基鉆井液在高溫條件下的切力較低，長水平段下的攜巖能力差，容易形成巖屑床，造成憋泵、摩阻大等復(fù)雜情況。同時頁巖地層微裂縫發(fā)育，對油基鉆井液封堵能力要求也較高。

2 聚胺強抑制強封堵鉆井液技術(shù)

2.1 鉆井液配方及性能評價

鉆井液基本配方：3% ～5%膨潤土+0.2% ～0.3%NaOH+0.1% ～0.2%PAM+0.3% ～0.5%銨鹽+1.5%～3%KFT+0.1%～0.3%LV－CMC+1%～2%極壓潤滑劑+2% ～4%白油+0.3% ～0.5%聚胺抑制劑+2% ～3%SD102+1.5% ～3%膠乳瀝青+1% ～2%納米乳液+1%～3%超細碳酸鈣。

鉆井液性能見表1。

表1 渤頁平1井部分井段鉆井液性能

與常規(guī)聚合物鉆井液體系相比，胺基鉆井液體系能夠有效地抑制粘土礦物的膨脹，對巖石的強度影響較小，更有利于井壁穩(wěn)定;在配方中加入納米乳液，通過納米粒子深入到裂縫及孔隙內(nèi)部來提高封堵效果;同時在對鉆井液中固相粒度分布分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)“理想充填理論”，添加碳酸鈣顆粒，優(yōu)化粒度分布曲線，進一步提高鉆井液的封堵能力，保證鉆井液在泥頁巖地層安全有效。

用10 μm陶瓷盤中在滲透率堵塞儀中進行了粒度分布調(diào)整實驗。實驗結(jié)果如圖1所示。鉆井液中加入的不同粒徑的碳酸鈣的配比分別為：2500目∶1000目∶500目=10∶50∶40。鉆井液中的粒度分布的D90值為13.4 μm，與陶瓷盤孔徑相近，根據(jù)“理想充填理論”，在壓差作用下，鉆井液中的固相顆?？梢杂行Х舛绿沾杀P中的孔喉。

2.2 鉆井液性能維護處理措施

2.2.1 性能維護措施

圖1 鉆井液在10 μm陶瓷盤中的濾失量

上部井段通過高分子聚合物、低分子抑制劑膠液(濃度0.5%)，控制鉆井液中劣質(zhì)固相處于弱分散狀態(tài)，充分利用四級固控設(shè)備，及時清除有害固相，使鉆井液加重前處于低粘、低切、低固相狀態(tài)。鉆進至東營組底部(渤頁平1井在2415 m，渤頁平2井在2220 m)逐步將鉆井液體系轉(zhuǎn)換為胺基強抑制鉆井液體系，適度改善鉆井液的分散狀態(tài)，調(diào)整鉆井液流變性能。隨著井深的增加，井下溫度逐步升高(渤頁平1井井底溫度達120℃)。此時，可通過以下措施穩(wěn)定體系性能：

(1)加入樹脂及瀝青類材料提高體系的抗溫和封堵能力;

(2)通過調(diào)節(jié)pH值控制體系的分散程度;

(3)通過減少高分子聚合物的加量，逐步提高低分子聚合物含量、鉆井液塑性粘度及終切;

(4)隨著井斜角的增大，摩阻逐漸增加，鉆進過程中加入液體潤滑劑提高鉆井液的潤滑能力;

(5)進入沙河街地層后，逐步補充胺基抑制劑，通過胺基特有的吸附作用降低粘土層間距，從而減弱頁巖孔隙壓力的傳遞、抑制地層頁巖的水化膨脹，防止鉆頭泥包，同時逐步加入納米乳液，提高鉆井液對頁巖地層的封堵效果;

(6)鉆進到泥頁巖地層后，通過現(xiàn)場小型試驗，確定超細碳酸鈣顆粒的加量，然后試探性的加入碳酸鈣顆粒，對鉆井液中固相的粒度級配進行有效調(diào)整，達到“理想暫堵”的效果，提高封堵能力。

2.2.2 防漏堵漏措施［3－4］

勝利油田羅家區(qū)塊(在河口羅鎮(zhèn))漏失井段為沙河街組生物灰?guī)r、砂礫巖地層，該井段地層壓力較低，存在著晶間孔隙、溶蝕裂縫、晶簇孔洞、裂縫、縫合線等天然裂縫。根據(jù)地質(zhì)資料及鄰井實鉆情況，該地區(qū)多口井發(fā)生不同程度的漏失，其中渤頁平2井漏失近3000 m3。從統(tǒng)計結(jié)果看，該區(qū)塊漏失主要發(fā)生在沙一段和沙二段。因此，在鉆穿漏層前，首先優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)，調(diào)整好鉆井液性能。現(xiàn)場可通過補充膨潤土漿、補充膠液以及利用固控設(shè)備的方式將鉆井液密度控制在下限，全面調(diào)整鉆井液性能，并利用隨鉆堵漏劑進行承壓堵漏提高地層承壓能力。若發(fā)生漏失，可在現(xiàn)場配制高濃度堵漏漿，具體可在骨架材料的基礎(chǔ)上，利用柔性粒子、纖維材料、填隙材料相配合，做到粒度合理搭配，提高堵漏成功率。

2.3 現(xiàn)場施工工況及效果

渤頁平1井2011年10月6日16：00二開鉆進，采用聚胺強抑制強封堵鉆井液，24日0：00鉆至井深2984.00 m二開完鉆，27日1：00順利完成電測任務(wù)，29日16：30下入φ244.5 mm×2983.33 m技術(shù)套管，同日20：30固井結(jié)束。渤頁平2井于2012年2月14日二開，3月1日21：25鉆至井深2343.54 m，發(fā)生井漏，鉆井液井口失返，在實施靜止堵漏及多次水泥堵漏后，進行擴劃眼、鉆進、循環(huán)鉆井液過程中未發(fā)生漏失，4月7日二開完鉆，完鉆井深2581 m。渤頁平1－2井2013年3月18日23：00二開鉆進，采用聚胺強抑制強封堵鉆井液技術(shù)，于4月4日21：00鉆至井深2957.00 m二開完鉆。

針對頁巖油藏上部地層的井壁穩(wěn)定問題，上述實例中采用的聚胺強抑制強封堵鉆井液在應(yīng)用中表現(xiàn)出了良好的抑制性能和封堵能力。同時，通過合理的聚合物含量、潤滑材料的配合使用，保證了定向段鉆進過程中摩阻小、無明顯托壓現(xiàn)象。在鉆遇沙三下油頁巖、油泥巖等地層時，鉆井液體系通過提高抑制性、強化封堵、保持良好流變性減少井壁沖刷、嚴格控制鉆井液濾失量等技術(shù)措施，鉆進時未出現(xiàn)掉塊，其中，渤頁平1井該段井徑擴大率僅為6%，顯示了鉆井液良好的防塌效果。

3 低毒油基鉆井液技術(shù)

3.1 鉆井液配方及性能評價

針對頁巖油藏，三開水平段均采用低毒、低污染的油基鉆井液體系，配方為：精制白油+25%CaCl2+2% ～3%乳化劑EMUL+1% ～3%潤濕劑WET－1+2%～3%有機土+2%封堵劑FB+2%降濾失劑CFA+2%CaO+重晶石。

鉆井液配方性能評價實驗結(jié)果見表2。

表2 油基鉆井液配方性能評價實驗結(jié)果

3.2 維護處理工藝［5－10］

3.2.1 流變性調(diào)整

現(xiàn)場通過固控設(shè)備控制固相，減少無用固相，降低塑性粘度，加入基漿或氯化鈣鹽水控制油水比，獲得最優(yōu)的油水比，同時配合加入潤濕劑改變其泥漿體系中固相的潤濕性，平均每150 m左右補充加入200 kg，達到破壞細微水滴吸附在固相顆粒上的目的，最終調(diào)整流變性能;前期油基鉆井液流變性盡量采用較低粘切，鉆進期間鉆井液粘度應(yīng)控制在一個穩(wěn)定水平，后期隨井深增加，水平段增長，在適當(dāng)調(diào)整油水比、增加親油膠體含量措施下，油基鉆井液粘切適當(dāng)增加，以保證鉆井液的攜巖能力。

3.2.2 乳化穩(wěn)定性調(diào)整

導(dǎo)致破乳電壓變化的因素除了剪切時間，鉆井液中加入親水固體也是一個重要原因，如加重過程中使用的重晶石等加重材料也往往會使乳液穩(wěn)定性變差，原因是因為當(dāng)大量親水固體進入鉆井液時，親水固體會吸附乳化劑和潤濕劑，從而導(dǎo)致其過量消耗，從而使乳液穩(wěn)定性變差。為保證油基鉆井液的乳化穩(wěn)定性，需要及時補充乳化劑及潤濕劑，并注意調(diào)整好油水比，盡快恢復(fù)原有穩(wěn)定性。利用鉆井液液滴在頁巖巖心上的接觸來評價鉆井液潤濕性，同時反映乳液穩(wěn)定性的好壞。渤頁平2井性能調(diào)整的一個變化過程中的接觸角變化如圖2～4所示。在加入一定的乳化劑和潤濕劑之后，鉆井液性能基本恢復(fù)到初始狀態(tài)，達到了調(diào)整的目的。

圖2 加重前鉆井液接觸角

圖3 加重后的鉆井液接觸角

圖4 加重后鉆井液+1%乳化劑+0.5%潤濕劑后接觸角

3.2.3 封堵能力調(diào)控

采用納微相封堵顆粒提高鉆井液封堵性，最大程度減少水相對泥頁巖的侵入。同時，根據(jù)不同封堵顆粒的粒度分布情況，合理級配，達到最理想的封堵效果。納微封堵材料優(yōu)選實驗結(jié)果見表3。

表3 鉆井液封堵劑優(yōu)選

渤頁平1井鉆井液配制過程中通過添加一系列封堵和降濾失材料，將新配制油基鉆井液的API濾失量控制在1 mL以內(nèi)，HTHP濾失量控制在5 mL以內(nèi)。鉆進期間又多次補充封堵劑及降濾失劑將鉆井液的HTHP濾失量降至3 mL以內(nèi)。該井鉆井液封堵性良好，保證了井壁穩(wěn)定，鉆井過程中起下鉆順暢。梁頁1井利用納米封堵材料將鉆井液HTHP濾失量一直控制的非常低，性能穩(wěn)定，阻止了水對頁巖的侵入，保證了井壁穩(wěn)定。該井鉆進至3526 m時，工程實施短起下作業(yè)時出現(xiàn)漏失，堵漏過程中井壁穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何掉塊、坍塌等情況，說明了鉆井液的強封堵性。

3.2.4 活度及油水比調(diào)控

油基鉆井液現(xiàn)場采用合理的鉆井液密度及鉆井液濾液活度，可有效防止地層水的侵入及油基鉆井液中水相缺失，以保證鉆井液合理的油水比，具體結(jié)果見圖5所示。日常維護中，根據(jù)所測的鉆屑活度及油水比實時調(diào)整，使油基鉆井液的活度始終低于鉆屑活度0.02～0.10的范圍內(nèi)。三開初始鉆井液油水比為80∶20，受鉆井液潤濕吸收及基液補充等影響，油水比有所變動，但基本維持在80∶20上下，現(xiàn)場主要采用濃度10%～25%的氯化鈣水溶液緩慢補充進鉆井液，以控制鉆井液水相含量及降低活度。

3.3 應(yīng)用效果

油基鉆井液在頁巖地層的應(yīng)用過程中，表現(xiàn)出了良好的頁巖抑制效果，潤滑能力以及井眼清潔能力。

圖5 渤頁平1井油水比變化曲線

(1)體系流變性能控制合理。使用油基鉆井液鉆進期間，鉆屑上返及時、均質(zhì)、棱角分明，無掉塊返出，起下鉆順暢。渤頁平2井水平位移1329.75 m，水平段881.88 m，平均機械鉆速達到8.22 m/h。梁頁1HF井完鉆井深3961.97 m，水平段長626.2 m，位移1003.16 m。

(2)井壁穩(wěn)定。渤頁平1井完鉆井深4335.54 m，三開套管下入至3748.86 m，井徑擴大率為1.9%;渤頁平2三開井段井徑規(guī)則，井徑擴大率僅為2.3%，電測施工中鉆井液靜止時間達110 h，電測順利。

(3)井眼清潔能力強。渤頁平2井鉆井過程中無托壓現(xiàn)象、扭矩小;起下鉆摩阻小(70～80 kN);完井下入磨鞋修整井眼施工中，起下鉆順利，振動篩返出鉆屑量極少;后期壓裂管柱順利下入，說明井底基本無巖屑床。

4 認識及建議

(1)胺基鉆井液針對泥頁巖地層具有良好的抑制性能和封堵能力?？赏ㄟ^進一步加入納米封堵劑、潤滑劑等材料，調(diào)整鉆井液固相粒度合理分布，提高鉆井液在沙河街地層的適用性，保證井壁穩(wěn)定性。

(2)從應(yīng)用效果來看，油基鉆井液有良好的井壁穩(wěn)定性能和潤滑性能，能較好地保證井眼規(guī)則，保證起下鉆順利和頁巖層的井下安全。

(3)可在油基鉆井液中加入納微米顆粒，提高鉆井液中固相顆粒的合理級配，進一步增加體系的封堵能力，這對鉆井液在硬脆性泥頁巖中的使用非常重要，可更加有效地保證該地層的井壁穩(wěn)定。

(4)有必要建立油基鉆井液體系流變性和密度預(yù)測模型，指導(dǎo)油基鉆井液現(xiàn)場施工，提高鉆井速度和效益。

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