大慶油田致密油水平井強(qiáng)抑制防塌水基鉆井液技術(shù)

鄒 大 鵬

（大慶石油管理局鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶　163431）

大慶油田致密油水平井強(qiáng)抑制防塌水基鉆井液技術(shù)

鄒 大 鵬

（大慶石油管理局鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163431）

針對(duì)大慶油田齊家區(qū)塊致密油水平井鉆井過程中存在的井塌、卡鉆等問題，在聚磺水基鉆井液體系基礎(chǔ)上研制出強(qiáng)抑制防塌水基鉆井液。室內(nèi)研究表明，聚合醇和有機(jī)硅酸脂的協(xié)同抑制作用，可有效降低泥巖、泥頁巖水敏性，采用鋁基聚合物封堵地層微裂縫，可提高井壁穩(wěn)定能力。該體系在齊家區(qū)塊應(yīng)用5口井，均未出現(xiàn)井壁坍塌和卡鉆等事故，平均機(jī)械鉆速14.5 m/h，平均井徑擴(kuò)大率5%，水平段鉆進(jìn)摩阻30~60 kN，有效解決了大慶油田齊家區(qū)塊致密油藏長水平段水平井鉆井中存在的問題，為致密油儲(chǔ)層的高效鉆進(jìn)提供了借鑒。

齊家區(qū)塊；致密油；長水平段水平井；水基鉆井液；聚合醇；有機(jī)硅酸脂；聚合鋁封堵劑

大慶油田致密油水平井工廠化試驗(yàn)區(qū)非常規(guī)石油資源的成功開采，探索出了大慶外圍難采儲(chǔ)量有效開發(fā)新途徑。齊家區(qū)塊位于松遼盆地北部中央坳陷區(qū)，主體部分位于齊家-古龍凹陷，東部跨入大慶長垣，儲(chǔ)層致密，砂泥巖互層多。自2013年大慶油田在該區(qū)塊部署了6口長水平段水平井，其中3口井使用油基鉆井液，另外3口井使用聚磺鉆井液體系。采用油基鉆井液會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染，而使用聚磺鉆井液體系的水平井在施工過程中常發(fā)生井壁失穩(wěn)坍塌，水平段中后期定向摩阻大，起下鉆遇阻、卡鉆情況頻發(fā)，完井施工難度大。筆者結(jié)合齊家區(qū)塊水平井地質(zhì)特點(diǎn)和施工難點(diǎn)，在聚磺水基鉆井液體系基礎(chǔ)上，研發(fā)出強(qiáng)抑制防塌水基鉆井液體系，該體系具有強(qiáng)抑制性、強(qiáng)封堵性、強(qiáng)攜巖、強(qiáng)潤滑性的特點(diǎn)，能夠有效延長硬脆性泥巖失穩(wěn)周期，降低水平段施工摩阻，有效提高了機(jī)械鉆速，解決了長水平段鉆井施工中存在的問題，同時(shí)滿足了環(huán)境保護(hù)的要求［1-2］。

1　地質(zhì)概況和工程難點(diǎn)

1.1地質(zhì)概況

齊家油田主要目的層為白堊系下白堊統(tǒng)青山口組青二、三段的高臺(tái)子油層。儲(chǔ)層致密砂泥巖互層多，砂體分布零散，單砂體非常薄，小于1 m的單砂體合計(jì)占總樣品數(shù)的80.5%，儲(chǔ)層物性差，巖心統(tǒng)計(jì)孔隙度8%~17.9%，平均12.5%，滲透率0.02~7.82 mD，平均滲透率0.37 mD，屬于特低豐度、低孔低滲薄互層油藏。三開鉆遇層位為嫩江組、姚家組和青山口組，嫩江組為黑褐色油頁巖灰黑色泥巖，夾黑褐色油頁巖薄層，地層膠結(jié)能力差；姚家組上部為灰黑、黑灰色泥巖，下部為紫紅、灰綠色泥巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖，以伊利石為主，蒙脫石含量為50%，伊利石含量40%，地層水敏性強(qiáng)，該層現(xiàn)注水開發(fā)，孔隙連通性好，易井漏；青山口組以黑色泥巖、灰色泥巖為主、粉砂質(zhì)泥巖與細(xì)粒砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖不等厚互層，硬脆性泥巖長時(shí)間浸泡易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)。

1.2工程難點(diǎn)

齊家區(qū)塊水平井一般井深在3 000~3 500 m之間，典型井身結(jié)構(gòu)為一開?444.5 mm鉆頭開鉆，井深500 m；二開?311 mm鉆頭鉆至1 450 m；三開?215.9 mm鉆頭開鉆，1 600 m處開始造斜，著陸點(diǎn)2 000~2 100 m，水平段長1 000~1 500 m，完鉆井深3 000~3 500 m。齊家大位移水平井一般水平位移大于1 000 m以上，水垂比接近1，由于儲(chǔ)層鉆遇率較低，水平段井眼軌跡變化較為頻繁，狗腿度平均在0~5°/30 m，井眼曲率波動(dòng)較大，極易形成巖屑床，水平段后期摩阻大［3］。使用聚磺水基鉆井液，起下鉆不暢，頻繁發(fā)生卡鉆事故，齊平1-2井、齊平7井發(fā)生多次起下鉆阻卡，平均通井劃眼損失時(shí)間7 d，并且多口井發(fā)生完鉆下套管下不到底的情況，施工難度很大。

2　強(qiáng)抑制防塌水基鉆井液體系室內(nèi)研究

2.1強(qiáng)抑制防塌水基鉆井液作用機(jī)理

強(qiáng)抑制防塌水基鉆井液體系主抑制劑為聚乙二醇和有機(jī)硅酸脂。聚乙二醇在近井壁地帶形成有效保護(hù)膜，通過吸附、擴(kuò)散等途徑結(jié)合到黏土晶層端部，抑制黏土顆粒水化分散；聚乙二醇濁點(diǎn)效應(yīng)能有效封堵黏土層片之間的縫隙，同時(shí)改變?yōu)V液性質(zhì)來降低濾液活性，降低泥頁巖水敏性。有機(jī)硅酸脂是有機(jī)硅氧烷分子中與碳連接的氫被脂基取代的有機(jī)化合物，分子中的≡Si─OH和黏土顆粒表面的≡Si─O─鍵形成≡Si≡O(shè)─Si≡鍵，使之在黏土顆粒表面形成牢固吸附層，脂基R1OR2在黏土表面形成疏水結(jié)構(gòu)，減緩了黏土表面的水化作用。通過有機(jī)硅酸脂和聚乙二醇的協(xié)同作用，既能起到抑制作用，又不形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提供了良好的體系抑制環(huán)境［4］。

采用絡(luò)合鋁化學(xué)方法增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性，鋁基聚合物在適當(dāng)?shù)臈l件下，鋁元素會(huì)生成一種兩性氫氧化物，利用氫氧化鋁在頁巖孔喉內(nèi)或微裂縫內(nèi)的沉積作用，最終與地層礦物的基質(zhì)結(jié)合成一體，同時(shí)添加礦物纖維作為輔助封堵，并形成一種物理的屏蔽封堵帶，阻止鉆井液濾液進(jìn)一步侵入泥頁巖內(nèi)部，可顯著增強(qiáng)泥頁巖井壁穩(wěn)定性［5］。

2.2抑制劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

選取有機(jī)硅酸脂DI-Ⅰ、聚乙二醇AY-Ⅱ、氨基聚合醇QB-Ⅰ、小陽離子抑制劑 NW-Ⅰ，進(jìn)行巖屑回收率實(shí)驗(yàn)、膨脹量實(shí)驗(yàn)、黏土容量限實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.1巖屑滾動(dòng)回收率及膨脹量實(shí)驗(yàn)基漿配方：5%膨潤土+0.3%Na2CO3+0.02%KOH，在基漿中分別加入不同的抑制劑，取齊家區(qū)塊姚家組巖塊，考察其滾動(dòng)回收率及膨脹量實(shí)驗(yàn)［6-7］（表1），從而判斷其抑制性變化，實(shí)驗(yàn)條件為120 ℃老化16 h。

表1　滾動(dòng)回收率及膨脹量實(shí)驗(yàn)

從滾動(dòng)回收率結(jié)果可以看出，抑制性強(qiáng)弱順序?yàn)椋篈Y-Ⅱ＞QB-Ⅰ＞DI-Ⅰ＞NW-Ⅰ，膨脹量測試表明DI-Ⅰ抑制效果較好，AY-Ⅱ和QB-Ⅰ抑制效果相當(dāng)，NW-Ⅰ抑制效果較差。

2.2.2黏土容量限實(shí)驗(yàn)針對(duì)姚家組泥巖分散性強(qiáng)的特性，進(jìn)行了黏土容量限實(shí)驗(yàn)。分別在膨潤土基漿中加入不同抑制劑，基漿配方：5%膨潤土+0.3%純堿，分別添加3%、6%的膨潤土，經(jīng)過120 ℃高溫?zé)釢L16 h，對(duì)比測試流變性（表2）。

從黏土容量限實(shí)驗(yàn)得知，QB-Ⅰ受黏土侵入影響較大，鉆井液發(fā)生了絮凝，終切較高，流變性較差，抗黏土侵能力依次為DI-Ⅰ＞AY-Ⅱ＞QB-Ⅰ。

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，有機(jī)硅酸脂DI-Ⅰ和聚乙二醇AY-Ⅱ配合使用，鉆井液的抑制性、抗黏土侵能力都較好，因此，選擇DI-Ⅰ和AY-Ⅱ作為體系主抑制劑。

2.3封堵實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用FA-BX便攜式無滲透濾失儀，實(shí)驗(yàn)條件為0.7 MPa、7.5 min，取5%膨潤土+0.3%純堿，水化16 h后 作為基漿，每次樣品基漿量350 mL，砂床體積200 mL，加入3%堵漏材料，分別通過40/70目砂床、20/40目砂床、10/20目砂床進(jìn)行封堵測試［8］，結(jié)果見表3。

表2　黏土容量限實(shí)驗(yàn)對(duì)比

表3　砂床鉆井液封堵實(shí)驗(yàn)

根據(jù)砂床漏失實(shí)驗(yàn)，植物類封堵劑和礦物類封堵劑封堵性能不夠理想，鋁基聚合物封堵劑在通過砂床表現(xiàn)最好，能夠快速填充孔隙通道，并形成承壓屏障，且該處理劑配伍性較好，因此，選擇鋁基聚合物封堵劑ASP作為封堵劑。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

3.1配漿

強(qiáng)抑制防塌水基鉆井液配方為：4%~8%膨潤土 + 0.3% ~ 0.5 %Na2CO3+ 0.02% ~ 0.03%KOH + 2.0% ~4.0%降濾失劑FRJ-1 + 1.5% ~ 3.0%磺化瀝青FT-1 + 1.0% ~ 3.0%聚乙二醇AY-Ⅱ + 1.0% ~2.0%有機(jī)硅酸脂DI-Ⅰ + 0.3% ~ 0.6%包被劑KPAM + 0.03% ~ 0.05%黃原膠XCD + 2.0% ~ 3.0%封堵劑APS + 3.0% ~ 8.0%高效潤滑劑。采取地面循環(huán)方式對(duì)鉆井液充分循環(huán)，測得配漿鉆井液性能為：密度 1.10 g/cm3，黏度45 s，API失水3.0 mL，塑性黏度17 mPa·s，動(dòng)切力5 Pa，初切2 Pa，終切4 Pa，pH值10，性能符合開鉆要求。配漿時(shí)注意必須將抑制劑一次性加足，并隨著巖屑吸附消耗不斷補(bǔ)充，保持有機(jī)硅酸脂含量不低于1%，聚乙二醇含量不低于2%。

3.2直井段

直井段嫩二段地層膠結(jié)能力差，進(jìn)入嫩二段前提高鉆井液密度到1.20 g/cm3，姚二、三段造漿性強(qiáng)，易水化膨脹縮徑，為防鉆頭泥包，每鉆進(jìn)100 m補(bǔ)充0.1 t的KPAM、0.2 t的DI-Ⅰ和0.4 t的AY-Ⅱ，關(guān)注加入后振動(dòng)篩返砂情況，鉆進(jìn)過程中以膠液的形式補(bǔ)充FT-1和FRJ-1，提高鉆井液的濾餅質(zhì)量和防塌能力，為造斜段做準(zhǔn)備。

3.3造斜段

造斜開始加入6 t高效潤滑劑。由于姚一段地層葡萄花油層連通性好，進(jìn)入該層位前加入鋁基聚合物封堵劑5 t，鉆進(jìn)中按比例使用KPAM 、DI-Ⅰ及AY-Ⅱ保持鉆井液足夠抑制性，控制泥巖分散造漿，保持巖屑成型度，使用KOH水溶液保持pH值為9~10.5，使用FT-1和FRJ-1膠液控制濾失量和改善濾餅質(zhì)量，造斜段井斜角大于40°使用黃原膠將動(dòng)塑比提高到0.4 Pa/（mPa·s）以上，每鉆進(jìn)100 m補(bǔ)充高效潤滑劑1t，保持鉆井液良好潤滑性，整個(gè)造斜段鉆具提放摩阻不超過40 kN，振動(dòng)篩返砂效果好。

3.4水平段

水平段為青山口組青二、三段的高臺(tái)子油層。青山口組易發(fā)生剝落坍塌，該井段進(jìn)一步提高鉆井液封堵能力和井壁穩(wěn)定能力，保持DI-Ⅰ濃度1%、AY-Ⅱ濃度3%，F(xiàn)T-1濃度3%，鋁基聚合物封堵劑ASP濃度2%，控制鉆井液濾失小于2 mL，改善鉆井液潤滑能力，鉆井液密度1.28~1.30 g/cm3，每鉆進(jìn)100 m補(bǔ)充高效潤滑劑2 t，含油量不少于6%，使水平段鉆壓保持30~50 kN，潤滑效果較好，無托壓現(xiàn)象，使用離心機(jī)降低低密度固相含量，保持動(dòng)塑比大于0.4 Pa/（mPa·s），確保水平段后期返砂的要求［9-10］。

齊平2-6井施工周期28 d，同比以往使用聚磺鉆井液體系縮短7 d以上，鉆井液性能穩(wěn)定（表4），平均機(jī)械鉆速達(dá)到15 m/h，全井起下鉆通暢，下套管一次順利到底，沒有發(fā)生任何阻卡現(xiàn)象。

表4　齊2-平6井鉆井液性能

4　結(jié)論

（1）強(qiáng)抑制防塌水基鉆井液體系，在造斜段以鉆井液抑制性和封堵造壁性為主，提高鉆井液抗污染能力，增強(qiáng)了地層承壓能力，水平段強(qiáng)化封堵，采用聚合醇、磺化瀝青、鋁基聚合物封堵劑，實(shí)現(xiàn)固液封堵相結(jié)合，鉆井液井壁穩(wěn)定能力顯著增強(qiáng)，水平段后期適當(dāng)提高潤滑劑加量有效降低摩阻，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。

（2）該體系在全井施工中性能始終保持穩(wěn)定，解決硬脆性泥巖周期性井壁失穩(wěn)、返砂不徹底的問題，有效克服井眼軌跡變化頻繁，水平段摩阻大和起下鉆阻卡等問題，提高了機(jī)械鉆速，為安全快速鉆進(jìn)提供了有利條件。

（3）該體系在齊家區(qū)塊已應(yīng)用5口井，鉆完井施工順暢，無任何復(fù)雜情況發(fā)生，具有與油基鉆井液相媲美的效果，同時(shí)保護(hù)了環(huán)境，為齊家區(qū)塊大位移水平井致密油開發(fā)提供了鉆井技術(shù)保障。

［1］李文明，向剛，王安泰，等.蘇里格氣田大位移水平井鉆井液技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2012，34（3）：33-35.

［2］劉成貴.史南油田強(qiáng)抑制聚磺防塌鉆井液體系研究與應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2013，36（2）：105-107.

［3］郭元恒，何世明，劉忠飛，等.長水平段水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析及對(duì)策［J］.石油鉆采工藝，2013，35（1）：14-18.

［4］張津林.有機(jī)硅鉆井液在冀中油田的應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2009，31（2）：301-304.

［5］王建華，鄢捷年，丁彤偉.高性能水基鉆井液研究進(jìn)展［J］.鉆井液與完井液，2007，24（1）：72-74.

［6］唐代緒，侯業(yè)貴，高楊，等.勝利油田頁巖油水平井鉆井液技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2012，34（5）：45-48.

［7］楊國興，張珍，周成華，等.川西沙溪廟組水平井封堵防卡鉆井液技術(shù)［J］.鉆井液與完井液，2012，29（4）：35-40.

［8］徐同臺(tái)，盧淑琴，何瑞兵，等.鉆井液用封堵劑的評(píng)價(jià)方法及影響因素［J］.鉆井液與完井液，2009，26（2）：60-64.

［9］劉忠飛，何世明，全家正，等.川西首口頁巖氣水平井鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：18-21.

［10］唐洪林，唐志軍，閆振來，等.金平1井淺層長水平段水平井鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝.2008，30（6）：11-15.

（修改稿收到日期2015-04-18）

〔編輯朱偉〕

High inhibition and anti-sloughing water-based drilling fluid technology for horizontal wells in tight oil reservoirs in Daqing Oilfield

ZOU Dapeng
（Drilling Engineering and Technology Research Institute, Daqing Petroleum Administration Bureau,Daqing 163431, China）

In view of the problems like wellbore collapse or sticking. during drilling of horizontal wells in tight oil reservoirs in Qijia Block of Daqing Oilfield, a high inhibition and anti-sloughing water-based drilling fluid was developed based on polysulfonate water-based drilling fluid system. Lab research shows that co-suppression of polyalcohol and organic silicat can effectively reduce the water sensitivity of mudstone and mud shale. Using polyaluminum plugging agent to seal the micro-fissures in the formation can also improve the wellbore stability capacity. This system was used in five wells in Qijia Block, and no accidents like wellbore collapse and lost circulation occurred. The average ROP was 14.5 m/h, the average hole size enlargement was 5% and the friction drag during drilling of horizontal section was 30kN to 60 kN. So this technology effectively addressed the problems in the drilling of horizontal well with long horizontal interval in tight oil reservoirs of Qijia Block of Daqing Oilfield, and provided reference for effective drilling in tight oil reservoirs.

Qijia Block; tight oil; horizontal well with long horizontal interval; water-based drilling fluid; polyalcohol; organic silicat; polyaluminum plugging agent

254

B

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0036 – 04

10.13639/j.odpt.2015.03.009

鄒大鵬，1983年生。2015年畢業(yè)于齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)在從事鉆井液技術(shù)研究和服務(wù)工作，工程師。電話：0459-4893631。E-mail：zoudapeng20213@sina.com。

引用格式：鄒大鵬.大慶油田致密油水平井強(qiáng)抑制防塌水基鉆井液技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（3）：36-39.