準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊提速鉆井液技術(shù)

邱春陽，王寶田，何興華，陳二丁，張海青

(中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東 東營 257064)

準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊提速鉆井液技術(shù)

邱春陽，王寶田，何興華，陳二丁，張海青

(中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東 東營 257064)

準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊地層巖性復(fù)雜，鉆井過程中存在上部地層泥包、阻卡嚴(yán)重、西山窯組煤層坍塌及三工河組硬脆性泥巖垮塌等復(fù)雜情況，致使機(jī)械鉆速低，鉆完井作業(yè)時(shí)間長。在分析現(xiàn)用鉆井液的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化胺基聚醇防塌鉆井液配方，研發(fā)了胺基硅醇防塌鉆井液，該體系抑制性好，封堵性強(qiáng)。胺基硅醇鉆井液在準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊莊301井和征1-4井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，施工中井壁穩(wěn)定，全井機(jī)械鉆速較鄰井分別提高18%和50%，鉆井周期分別縮短25%和20%，取得了優(yōu)快鉆井的效果。

準(zhǔn)中Ⅰ區(qū) 鉆井提速 胺基聚醇鉆井液 胺基硅醇鉆井液 封堵 優(yōu)化

準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊位于準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷帶的中西部，包括莫西莊、征沙村和沙窩地3個(gè)基本構(gòu)造單元，主要目的層侏羅系及其以下地層埋深多大于4 km，勘探總面積3 648 km2。該區(qū)塊地層巖性復(fù)雜，前期勘探開發(fā)中使用的鉆井液和地層匹配度差，復(fù)雜情況多，機(jī)械鉆速低，鉆完井作業(yè)時(shí)間長。為提高鉆井速度，加快準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊勘探開發(fā)進(jìn)程，通過優(yōu)化胺基聚醇防塌鉆井液配方，完善鉆井液性能，形成了胺基硅醇防塌鉆井液。該體系在征1-4井和莊301井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，施工中井壁穩(wěn)定，全井機(jī)械鉆速較鄰井分別提高18%和50%，鉆井周期分別縮短了25%和20%，取得了良好的應(yīng)用效果，達(dá)到了優(yōu)快鉆井的目的。

1 地質(zhì)簡況及鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊自上而下發(fā)育第四系、新近系+古近系、東溝組、連木沁組+勝金口組、呼圖壁組、清水河組、西山窯組和三工河組。施工中鉆井液技術(shù)難點(diǎn)主要有：

(1)上部地層膠結(jié)性差，巖性疏松，機(jī)械鉆速快，φ311.2 mm大井眼環(huán)空返速低，循環(huán)時(shí)間短，巖屑來不及攜帶出井眼，鉆頭重復(fù)破碎，黏土粒子分散在鉆井液中，導(dǎo)致環(huán)空鉆井液稠化，易在井壁形成虛厚泥餅造成起下鉆阻卡。已完鉆井中，有2口井發(fā)生阻卡，被迫劃眼。

(2)新近系及古近系地層含有紅棕色軟泥巖，泥巖吸水后膨脹，黏土膨脹后黏性大，易黏附于切削齒和鉆頭本體上造成鉆頭泥包。已完鉆井中，有2口井發(fā)生鉆頭泥包事故，其中1口井鉆頭泥包2次。

(3)白堊系上部地層泥巖吸水后膨脹分散嚴(yán)重，砂巖及粉砂巖易形成虛厚泥餅，導(dǎo)致起下鉆阻卡嚴(yán)重。已完鉆井中，有8口井發(fā)生阻卡事故，被迫反復(fù)劃眼，損失時(shí)間累計(jì)12 d。白堊系下部砂巖和泥巖互層頻繁，泥巖脆性大，垮塌后井徑大；砂巖處形成虛厚泥餅井徑小，在泥巖和砂巖交界處產(chǎn)生臺(tái)階。

(4)西山窯組煤層及碳質(zhì)泥巖發(fā)育，煤層及碳質(zhì)泥巖性脆，地層垮塌嚴(yán)重，形成大肚子井眼，導(dǎo)致電測(cè)儀器下放遇阻。

(5)三工河組地層硬脆，易發(fā)生應(yīng)力性垮塌，掉塊沉積，致使起下鉆遇阻頻繁，被迫反復(fù)劃眼，嚴(yán)重者卡鉆。已完鉆井中，有2口井發(fā)生卡鉆事故。由于地層垮塌嚴(yán)重，完井后電測(cè)儀器下不到井底，完井作業(yè)耗時(shí)長。

2 現(xiàn)用鉆井液分析

準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊早期使用聚磺防塌鉆井液施工，該鉆井液配制簡便，抗溫及容納固相能力強(qiáng)，解決了該區(qū)塊深井抗溫性的難題。采用瀝青和超細(xì)碳酸鈣對(duì)地層進(jìn)行正壓封堵，起到了一定的防塌效果。但在起下鉆等負(fù)壓環(huán)境下封堵粒子被擠出，封堵強(qiáng)度低，防塌效果差；由于體系的抑制性及抗污染能力差，導(dǎo)致在軟泥巖地層鉆進(jìn)時(shí)起下鉆阻卡嚴(yán)重。

為抑制泥頁巖水化膨脹，在聚磺防塌鉆井液基礎(chǔ)上引入K+和Ca2+，輔助相應(yīng)的抗鹽抗鈣處理劑，形成鉀鹽及鈣鹽聚磺防塌鉆井液。應(yīng)用表明，Ca2+和K+的引入增強(qiáng)了聚磺防塌鉆井液的抑制性，在一定程度上緩解了軟泥巖起下鉆阻卡的難題，但仍然未解決地層的封堵性問題，井壁垮塌依然存在。

近年，國內(nèi)外研發(fā)了有機(jī)胺高性能水基鉆井液，并在準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊進(jìn)行了應(yīng)用。體系中使用胺基聚醇作為抑制劑。使用過程中發(fā)現(xiàn)，胺基聚醇在抑制地層中黏土礦物水化的同時(shí)，對(duì)鉆井液中基礎(chǔ)活性土也起到了抑制作用，造成活性土在一定程度上聚結(jié)，不能有效分散，致使鉆井液性能遭破壞，表現(xiàn)為鉆井液濾失量增大，封堵造壁性變差，造成井壁失穩(wěn)。

3 鉆井液體系研究

3.1鉆井液配方

通過調(diào)研國內(nèi)深井及煤層鉆井液使用情況[1-3]，針對(duì)準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)地層巖性及鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，優(yōu)選胺基硅醇和雙膜承壓劑，對(duì)胺基聚醇鉆井液進(jìn)行改性，形成胺基硅醇防塌鉆井液，配方如下：

4.0%～5.0%膨潤土+0.4%～0.8%聚丙烯酸鉀KPAM+2.0%～3.0%磺化酚醛樹脂SMP-2+2.0%～3.0%抗溫抗鹽鈣降濾失劑+0.5%～1.5%鋁絡(luò)合物防塌劑+0.5%～1.5%胺基硅醇+0.5%～1.5%雙膜承壓劑+2.0%～4.0%低熒光井壁穩(wěn)定劑+2.0%～3.0%超細(xì)碳酸鈣+2.0%～4.0%全油基潤滑劑。

3.2作用機(jī)理

胺基硅醇是在胺基的基礎(chǔ)上引入了硅羥基而形成，能夠在黏土表面形成疏水層，阻止胺基對(duì)黏土顆粒的影響，因此胺基硅醇的加入對(duì)體系的流變性和濾失量影響不大；分子中的Si-OH鍵與黏土上的Si-OH鍵高溫縮聚成Si-O-Si鍵，胺基通過電荷吸附在黏土顆粒表面，同時(shí)形成牢固的化學(xué)吸附，阻止和減緩了黏土表面的水化作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了體系的抑制能力。

在鉆井液中鋁絡(luò)合物以溶解的絡(luò)離子形式存在；當(dāng)鋁離子隨鉆井液濾液進(jìn)入地層時(shí)，由于地層水pH值在5～6之間，鋁絡(luò)合物與黏土結(jié)合形成具有固結(jié)作用的硅鋁酸鹽不滲透層，提高對(duì)地層的封堵強(qiáng)度，有效阻止濾液的進(jìn)一步侵入[4]。

雙膜承壓劑是由惰性材料和活性材料組成，惰性顆粒形狀多變，能夠在井壁上形成具有一定強(qiáng)度的屏蔽膜，對(duì)地層不同形狀的孔隙和裂縫進(jìn)行暫堵；活性材料能夠與地層孔隙及裂縫中的砂子和黏土膠結(jié)，形成骨架結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生膠凝，進(jìn)而在近井壁地帶形成膠結(jié)，增加封堵強(qiáng)度，達(dá)到持久承壓穩(wěn)定井壁的目的[5]。

3.3主要性能評(píng)價(jià)

3.3.1 抑制性能評(píng)價(jià)

采用巖心膨脹實(shí)驗(yàn)和抑制巖屑分散實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了體系的抑制性，結(jié)果見表1。

表1 抑制性能評(píng)價(jià)

由表1看出，胺基硅醇防塌鉆井液頁巖膨脹高度和巖屑回收率比胺基聚醇防塌鉆井液高一些，但是二者都顯著高于聚磺防塌鉆井液和鉀鹽聚磺防塌鉆井液，說明胺基硅醇鉆井液抑制性強(qiáng)。

3.3.2 封堵性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)采用直徑為30～40目的石英砂作為過濾介質(zhì)，加入配制好的鉆井液，采用中壓砂床濾失實(shí)驗(yàn)和高溫高壓砂床濾失實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了體系的封堵性能，結(jié)果見表2。

表2 封堵性能評(píng)價(jià)

由表2看出，胺基聚醇防塌鉆井液經(jīng)過優(yōu)化后，形成的胺基硅醇防塌鉆井液中壓砂床侵入深度和高溫高壓砂床濾失量都明顯降低，表明優(yōu)化后的胺基硅醇防塌鉆井液封堵性能明顯提高，能夠封堵地層孔隙及裂縫，保護(hù)井壁穩(wěn)定。

4 鉆井液提速機(jī)理及優(yōu)快技術(shù)思路

4.1鉆井液提速機(jī)理

(1)降低固相含量。鉆井液固相含量在7%以下時(shí)，隨著固相含量的降低，機(jī)械鉆速提高很快，而當(dāng)固相含量超過7%時(shí)，降低固相含量以提高鉆井速度的效果卻不明顯[6]。

(2)減小鉆井液與地層的壓差。采用低密度鉆進(jìn)能夠減少液柱壓力與地層之間的壓差，從而降低壓持效應(yīng)，巖屑破碎后，水力作用下容易被帶走，避免鉆頭重復(fù)切削，提高破巖效率。

(3)提高鉆井液滲透能力，降低巖石強(qiáng)度。鉆井液濾液進(jìn)入地層孔隙及縫隙后，降低巖石的膠結(jié)強(qiáng)度，提高巖石的可鉆性。通過放寬濾失量來達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的必須視地層而行。準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊上部地層壓實(shí)性差，機(jī)械鉆速快，在井壁坍塌之前完成施工作業(yè)，實(shí)踐證明是可行的，因此在鉆進(jìn)過程中放寬濾失量的限制。準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊下部地層巖性復(fù)雜，機(jī)械鉆速降低，必須嚴(yán)控濾失量，特別是高溫高壓濾失量。

(4)潤滑減阻。鉆井過程中的摩擦來自鉆具在旋轉(zhuǎn)及起下鉆過程中與套管、井壁及鉆井液組分之間的摩擦。提高鉆井液的潤滑性可顯著降低鉆具與上述三者之間的摩擦，降低施工中產(chǎn)生的摩阻和扭矩，減少動(dòng)力損失，提高鉆頭破巖能力，從而提高機(jī)械鉆速。

(5)調(diào)節(jié)鉆井液流變性，充分發(fā)揮水馬力作用。在保證鉆井液懸浮攜帶能力的前提下，降低鉆井液的粘切可減少鉆井液在鉆桿內(nèi)部及環(huán)空流動(dòng)中產(chǎn)生的壓耗，釋放鉆頭水馬力，提高機(jī)械鉆速。

4.2優(yōu)快技術(shù)思路

4.2.1 二開優(yōu)快技術(shù)思路

(1)足量的聚合物，保證鉆屑被有效包被并絮凝；(2)足量的胺基硅醇，抑制黏土礦物的水化膨脹；(3)采用低粘度、低密度及低切力鉆井液鉆進(jìn)，放寬中壓濾失量，減小環(huán)空壓耗，釋放泥漿泵功率；(4)充分運(yùn)轉(zhuǎn)固控設(shè)備，及時(shí)清除鉆屑，確保鉆井液的低固相含量；(5)保證排量，提高環(huán)空上返速度，降低環(huán)空中巖屑的濃度，同時(shí)適當(dāng)沖刷井壁；(6)加強(qiáng)短起下鉆工作，機(jī)械鉆速高時(shí)，每鉆200 m短起下鉆一次，及時(shí)修整井壁；鉆速慢時(shí)，每隔24 h或進(jìn)尺300 m短起下鉆一次，保證井眼暢通。

4.2.2 三開優(yōu)快技術(shù)思路

(1)嚴(yán)控中壓濾失量和高溫高壓濾失量；(2)加足鋁絡(luò)合物防塌劑、雙膜承壓劑和低熒光井壁穩(wěn)定劑，提高封堵能力；(3)提高鉆井液密度至設(shè)計(jì)上限，利用液柱徑向支撐穩(wěn)定井壁；(4)適當(dāng)加入潤滑劑，降低摩阻和扭矩；(5)保持鉆井液環(huán)空呈層流狀態(tài)，防止沖刷井壁；(6)嚴(yán)控起下鉆速度，避免在煤層及破碎地層開泵，防止壓力激動(dòng)。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

莊301井設(shè)計(jì)井深4 350 m，一開φ444.5 mm鉆頭鉆深125.00 m，φ339.7 mm套管下深124.19 m；二開φ311.2 mm鉆頭鉆深1 704.00 m，φ244.5 mm套管下深1 702.52 m；三開φ215.9 mm鉆頭鉆至井深4 360.00 m完鉆，取心后裸眼完井。征1-4井位于準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊征沙村構(gòu)造，設(shè)計(jì)井深4 855 m，一開φ444.5 mm鉆頭鉆深158.00 m，φ339.7 mm套管下深157.75 m；二開φ311.2 mm鉆頭鉆深2 521.00 m，φ244.5 mm套管下深2 520.03 m；三開φ215.9 mm鉆頭鉆至井深4 900.00 m完鉆，φ139.7 mm油層套管下深4 895.55 m完井。

5.1二開施工工藝

(1)聚合物含量保持在0.4%以上，胺基硅醇加量1%以上，抑制地層造漿；(2)漏斗粘度控制在40 s左右，保持鉆井液紊流流型；(3)中壓濾失量控制在8 mL左右，中完時(shí)中壓濾失量控制在5 mL；(4)排量控制在51 L/s，轉(zhuǎn)速90～100 r/min，適當(dāng)沖刷井壁；(5)均勻補(bǔ)充預(yù)水化膨潤土漿，保證鉆井液的造壁性；(6)開動(dòng)四級(jí)固控設(shè)備，去除鉆井液中劣質(zhì)固相；(7)中完前，降低濾失量至設(shè)計(jì)要求，配制漏斗粘度為80 s的稠漿凈化井眼；(8)中完封井，封井漿配方為：井漿+1%潤滑劑+2%抗溫抗鹽鈣降濾失劑+0.5%磺酸鹽共聚物降濾失劑，保證電測(cè)及下套管順利。

5.2三開施工工藝

(1)開鉆前，清淘循環(huán)罐，利用固控設(shè)備除去鉆井液中的劣質(zhì)固相，膨潤土含量控制在4%～5%，漏斗粘度在40 s以內(nèi)。按照配方低限加入各種處理劑，充分循環(huán)，待性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求后開鉆。(2)聚合物含量保持在0.3%，胺基硅醇含量保持在0.5%，抑制泥頁巖水化。(3)西山窯組前漏斗粘度控制在40～45 s，動(dòng)塑比控制在0.3%左右；進(jìn)入西山窯組后漏斗粘度控制在50～55 s，三工河組提高至60 s，動(dòng)塑比控制在0.5%。(4)西山窯組前中壓濾失量控制在5 mL左右；進(jìn)入西山窯組后降低至3 mL以內(nèi)，高溫高壓濾失量控制在12 mL以內(nèi)。(5)進(jìn)入西山窯組，一次性加入2%低熒光井壁穩(wěn)定劑、2%超細(xì)碳酸鈣、1%鋁絡(luò)合物防塌劑和1%雙膜承壓劑，增強(qiáng)鉆井液的防塌能力。(6)西山窯組前加入1.5%潤滑劑；進(jìn)入西山窯組后，潤滑劑含量提高至2.5%，降低鉆井過程中產(chǎn)生的摩阻和扭矩。(7)完鉆后充分循環(huán)，短程起下鉆后泵入70 m3封井漿，封井漿配方為：井漿+0.5%抗溫抗鹽鈣降失水劑+2%塑料小球+2%磺化酚醛樹脂SMP-2，確保完井作業(yè)順利。

5.3應(yīng)用效果

(1)施工中井壁穩(wěn)定，起下鉆順暢。莊301井完井密度為1.20 g/cm3，而鄰井最低完井密度為1.24 g/cm3；征1-4井完井密度為1.28 g/cm3，而鄰井最低完井密度為1.34 g/cm3，達(dá)到了低密度下井壁穩(wěn)定的效果，有助于儲(chǔ)層保護(hù)。

(2)取心順利。全井下套管順利；電測(cè)順利，一次成功率100%。

(3)井身質(zhì)量良好。莊301井平均井徑擴(kuò)大率11%，征1-4井平均井徑擴(kuò)大率13.59%。

(4)提高了施工效率。莊301井鉆井周期39.79 d，較鄰井(莊106井)縮短了25%；全井機(jī)械鉆速為11.15 m/h，提高了近20%。征1-4井鉆井周期61.46 d，較鄰井(征11井)縮短了20%；全井機(jī)械鉆速為12.96 m/h，提高了近50%，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)高效鉆井的目的。莫西莊和征沙村鉆時(shí)情況分別見表3和表4。

表3 莫西莊地區(qū)鉆井時(shí)效

表4 征沙村地區(qū)鉆井時(shí)效

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)通過準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊前期鉆井液使用情況分析，經(jīng)過對(duì)胺基聚醇防塌鉆井液進(jìn)行改性，形成了胺基硅醇防塌鉆井液，該體系抑制性好，封堵能力強(qiáng)。

(2)胺基硅醇防塌鉆井液在準(zhǔn)中Ⅰ區(qū)塊莊301井和征1-4井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，解決了上部地層易泥包鉆頭、起下鉆遇阻、西山窯組煤層失穩(wěn)和八道灣組硬脆性泥巖坍塌的難題。

(3)上部地層優(yōu)快鉆井的關(guān)鍵在于鉆井液的低粘切、低密度、低固相和工程上的高排量和高轉(zhuǎn)速，搶在泥頁巖坍塌之前完成施工作業(yè)；下部地層優(yōu)快鉆井的關(guān)鍵在于井壁穩(wěn)定。

[1]王關(guān)清，陳元頓.深探井和超深井鉆井的難點(diǎn)分析和對(duì)策探討[J].石油鉆采工藝，1998，20(1)：1-17。

[2]黃治中，楊玉良，馬世昌.不滲透技術(shù)是確?；魻柟拱布：咏M井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵[J].新疆石油科技，2008，18(1):9-12.

[3]梁大川，蒲曉林，徐興華.煤巖坍塌的特殊性及鉆井液對(duì)策[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，24(6):28-31.

[4]郭京華，田鳳，張全明，等．鋁絡(luò)合物鉀鹽強(qiáng)抑制性鉆井液的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2004，21(3)：23-26．

[5]左興凱．非滲透鉆井完井液體系的研究與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2008,36(4)：41-44．

[6]屈沅治，孫金聲.快速鉆井液技術(shù)新進(jìn)展[J].鉆井液與完井液,2006,23(3):98-101.

(編輯 謝 葵)

ROP enhancing drilling fluid technology for block Ⅰof central Junggar Basin

Qiu Chunyang，Wang Baotian，He Xinghua，Chen Erding，Zhang Haiqing

(DrillingEngineeringTechnologyCorporation，ShengliPetroleumEngineerCo.LTD，Dongying257064,China)

The formation lithology is complex in the blockⅠ of central Junggar Basin. In drilling process，there were down-hole complex problems such as serious bit balling and blockage in upper formation，coalbed collapse in Xishanyao Formation，and sloughing of hard brittle mudstones in Sangonghe Formation，and so on,thus resulting in lower rate of penetration (ROP) and longer working time of drilling and completion.Based on the analyses of the current drilling fluids used in the block，the formula of amine polymeric alcohol drilling fluid was optimized，and the amine polymeric silanol drilling fluid was developed.The system has high inhibitive capability and strong plugging.In Zhuang 301 well and Zheng 1-4 well，the results showed that due to the stable wellbores，the ROP was increased by 18% and 20%，respectively.And then the drilling period was respectively shortened by 25% and 20% compared with the adjacent wells.As a result，the effect of optimal and fast drilling was achieved.

blockⅠ in central Junggar Basin；ROP enhancing；amine polymeric alcohol；amine polymeric silanol；plugging；optimization

TE254

A

2015-03-03；改回日期2015-05-04。

邱春陽(1978—)，高級(jí)工程師，主要從事鉆井液技術(shù)研究和應(yīng)用工作。電話：13954652979，E-mail：drillingwell@163.com。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2015.03.016