北部灣潿西鉆井液技術

袁怡康，郭 輝，劉傳海

北部灣潿西鉆井液技術

袁怡康1，郭 輝2，劉傳海2

（1. 中石化海洋石油工程有限公司，上海 200120； 2. 中石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術公司，山東東營 257000）

潿西地區(qū)地質構造復雜，尤其是潿洲組潿二段和流沙港組流二段泥頁巖地層斷層多、地層破碎，微裂縫發(fā)育、水敏性強，在鉆井過程中極易發(fā)生井壁坍塌、漏失，甚至發(fā)生卡鉆事故。通過分析研究潿西南地區(qū)易垮地層巖性、硬脆性泥頁巖的垮塌機理，研發(fā)了KCl-聚合醇強抑制封堵鉆井液體系，并利用這一體系已成功完成了海2井、潿4井、潿5井的施工?，F場應用表明，該鉆井液有良好的抑制性和封堵性能，保證了井壁的穩(wěn)定及井下安全。應用該鉆井液已成功施工3口井，井徑較規(guī)則，無井下復雜情況，成功解決了潿西地區(qū)的井壁穩(wěn)定問題，并在潿4井試油過程中發(fā)現高產油氣流，日產油氣超過千噸。

KCl-聚合醇強抑制封堵鉆井液；抑制；封堵

1 潿二段和流二段的垮塌原因及鉆井液對策

眾多對潿洲地區(qū)復雜層段的研究結果都反映了該地區(qū)潿洲組二段及流沙港二段硬脆性泥頁巖地層存在的兩個突出特征：一是微裂縫發(fā)育；二是伊利石、高嶺土等非膨脹性黏土礦物含量比較高（表1、表2）。由于微裂縫的存在，水基鉆井液濾液可以沿微裂縫侵入地層，引起地層黏土礦物水化膨脹。由于地層黏土礦物是以伊蒙混層、伊利石和高嶺石為主無序疊置，水化膨脹特征不同，所產生的膨脹壓力也不同，造成了黏土礦物層間的受力不均，進而導致地層頁巖沿結合膠結力最薄弱的層理和微裂縫間剝落。一般情況下，潿二段、流二段的地層坍塌時間在鉆開后的一周左右。即使使用油基鉆井液，壓力差也會沿微裂縫傳遞直到貫通（泥頁巖剝落）[1]。

表1 潿二段脆性泥頁巖的x射線衍射分析 %

表2 流二段泥頁巖樣品礦物組成對比

潿二段、流二段泥頁巖地層地應力較大，這也是易垮塌的原因之一。為了平衡應力，多采取提高鉆井液密度的方法來對付，但附加的壓差反過來又使層理、縫隙開啟，加速了濾液的侵入和壓力的傳導。

針對以上原因分析，我們采取"物化封固井壁阻緩壓力傳遞；加強抑制水化；化學位活度平衡；合理密度有效應力支撐”的“多元協同”穩(wěn)定井壁技術措施，其中加強封固及阻緩孔隙壓力傳遞是提高井下液柱壓力對井壁有效力學支撐作用的前提，有效應力支撐是井壁力學穩(wěn)定的必要條件，增強抑制、化學位活度平衡是防治泥頁巖（存在不完全半透膜效應）井壁失穩(wěn)的有效手段，這四者缺一不可[2-5]。具體措施如下：

（1）加強鉆井液對地層的有效封堵

鉆井液有效快速地實現對微裂縫地層的強封堵是阻緩鉆井液濾液和壓力向地層傳遞的首要手段。

由于微裂縫是由大小不一的孔徑所組成，因此我們采用可變形封堵材料和剛性封堵材料相結合的方法，引入“成膜封堵”概念，把各種大小可變形顆粒及膠體封堵材料復配，發(fā)揮協同效應，提高封堵性，得到低滲透率的濾餅，進而減少濾液滲入微裂縫的數量和深度，延長鉆井液對井壁浸泡的垮塌周期：

①用各種粒度的超細碳酸鈣作為剛性封堵材料，對封堵起到架橋作用。

②采用纖維類處理劑羥基成膜劑、瀝青類處理劑DYFT、LSF作為軟化封堵材料，利用其粒度和可變性的特點，和剛性材料超細碳酸鈣協同作用，對地層進行有效封堵，形成良好的泥餅，增加其強度，提高與裂縫的聯結力。

③利用聚合醇的濁點效應，當溫度超出其濁點后，聚合醇從溶液中析出，形成乳化油滴，在井內壓差的作用下被擠入井壁孔隙或裂縫，起封堵作用，同時，聚合醇具有很強的吸附性能，能夠與水分子爭搶頁巖中黏土礦物上的吸附位置，并優(yōu)先吸附到黏土礦物表面，阻止水分子進入黏土礦物的晶層中，降低了黏土膨脹壓。

④控制鉆井液中劣質固相的含量，降低失水，形成良好的泥餅，減少濾液的侵入。

（2）提高鉆井液的抑制能力，減少水化應力

①KCl的抑制作用。利用鉀離子置換泥巖晶格中的其他離子，降低泥巖的水化膨脹趨勢。

②KCl-聚合醇協同防塌作用。首先，利用聚合醇的濁點效應，通過聚合醇在鉆具、巖屑、井壁上吸附，封堵泥頁巖微裂縫和毛細管，阻止鉆井液濾液進入地層，抑制泥頁巖的水化膨脹和分散；此外，KCl和聚合醇復配使用還可以降低鉆屑分散體系的負電性，降低水活度，大幅降低濾液界面張力，抑制頁巖的表面水化。

③利用聚胺抑制劑提高鉆井液的抑制性。在KCl-聚合醇鉆井液體系中引入聚胺抑制劑，可大幅提高鉆井液體系的抑制能力。該聚胺抑制劑完全水溶，低毒，可與其它添加劑一起使用，不水解，具有成膜作用。其獨特的分子結構可充填在黏土層間，減少黏土的吸水傾向；-NH2鍵的極性很大，會優(yōu)先吸附在黏土表面促使黏土晶層間脫水，減小膨脹力。該體系被認為是替代油基鉆井液且又能安全鉆進的一類性能更高的水基鉆井液。

（3）控制鉆井液水活度，減少濾液的侵入

由于泥頁巖的滲透率極低，可部分阻止離子通過而起到半透膜作用，且泥頁巖與鉆井液間的半透膜效率可通過調整鉆井液類型和鉆井液水活度來進行改善，使化學滲透壓部分抵消水力壓差引起的壓力傳遞和濾液侵入作用，甚至使地層水流向井眼內部，促進井壁穩(wěn)定。在該區(qū)塊施工中KCl的質量分數保持在4%~6%。

2 室內評價

2.1 動態(tài)線性膨脹實驗

對清水和各種頁巖抑制劑的基本配方（基漿4%鈉土+ 0.3% PAM + 0.5% PAC）中的頁巖膨脹性進行了評價，根據實驗的要求，采用易水化泥頁巖巖粉壓制巖樣，在室內用動態(tài)線性膨脹儀測試巖樣在清水、KCl、氨基硅醇和聚醚硅醇胺抑制劑中的動態(tài)膨脹情況，結果見圖1。由圖可見，聚醚硅醇胺抑制劑的頁巖膨脹率最低，頁巖最終膨脹率最高的是清水，然后是KCl、氨基硅醇。

圖1 頁巖動態(tài)線性膨脹率

通過動態(tài)線性膨脹實驗對比，聚醚硅醇胺抑制劑同其它類型抑制劑相比較，具有優(yōu)良的抑制能力，可有效抑制黏土水化膨脹，降低亞微米顆粒固相含量，因此選擇聚醚硅醇胺抑制劑作為體系的抑制劑。

2.2 滲透堵漏試驗

采用Fann-389滲透率封堵測試儀評價鉆井液體系的封堵能力，其中，KCl-聚磺鉆井液體系配方：5%氯化鉀+ 0.5% Pam + 2%Smp-2 + 3%磺化瀝青+3%超細碳酸鈣；KCl-聚合醇強抑制封堵鉆井液配方：5%氯化鉀+0.5%聚醚硅醇胺抑制劑+2%聚合醇+2% Smp-2 + 3%磺化瀝青+1%乳化石蠟+3%超細碳酸鈣+0.5%羥基成膜劑；油基鉆井液配方：4%有機土+4%主乳+1%輔乳+3%潤濕劑+4%降失水劑+4%超細碳酸鈣。該實驗測試條件3.5 MPa/150 ℃，測試時間30 min，實驗數據見表3。

表3 鉆井液體系滲透堵漏評價

由表3數據可見，鉆井液體系在加入復合封堵劑以后濾失量減小了3.8 mL。實驗證明強封堵抑制型鉆井液能有效的提高鉆井液封堵能力。

2.3 抑制性評價試驗

采用抑制巖心膨脹實驗和巖屑回收率實驗評價了體系的抑制性能，實驗結果見表4。

表4 體系抑制性能評價

由線性靜態(tài)膨脹高度和頁巖滾動回收率實驗可以看出，強封堵抑制型鉆井液較海上常用的KCl-聚磺鉆井液抑制性能更好，具有優(yōu)異的抑制黏土水化膨脹能力。

3 現場應用效果

潿西探區(qū)是中國石化在北部灣海域的唯一探礦區(qū)域，由上海海洋油氣分公司負責管理，自2015年之前已完成4口井的勘探任務，在鉆井施工中采取常規(guī)KCl-聚磺海水鉆井液體系，在海1井、潿1井、潿3井分別出現了泥巖井壁垮塌、井漏、起下鉆遇阻、卡鉆等各種復雜現象，導致施工周期延長、成本增加。

因此，我們研發(fā)了KCl-聚合醇強抑制封堵鉆井液體系，鉆井液性能見表5，并已經在潿西的海2井、潿4井、潿5井進行了現場應用。在現場施工過程中，我們采取物化封固井壁阻緩壓力傳遞、加強抑制水化、化學位活度平衡和合理密度有效應力支撐的“多元協同”穩(wěn)定井壁技術措施，有效解決了潿二段和流二段的垮塌，成功地完成了這3口井的施工，鉆井施工順利，未發(fā)生井下復雜事故。避免了長時間起下鉆遇阻劃眼，保證了井眼清潔及起下鉆、測斜、電測的順利進行，縮短了建井周期，降低了鉆井成本。其中潿四井順利完成兩層含油層測試，并試獲高產油氣流，日產油氣超過千噸。該井于2016年1月5日完成測試，第一層在井口壓力為6.73 MPa條件下，試獲日產高品質原油1 458 m3、天然氣7.18×104m3，第二層在井口壓力為6.68 MPa條件下，試獲日產高品質原油1 349 m3、天然氣7.6×104m3，創(chuàng)中國石化海域油氣勘探單井最高紀錄，也是近十年來國內罕見的高產測試探井。

表5 潿4井鉆井液性能

4 結論與建議

（1）KCl-聚合醇強抑制封堵鉆井液體系成功地解決了潿西地區(qū)潿2段及流2段的井壁垮塌問題，縮短了建井周期，降低了勘探成本。

（2）KCl-聚合醇強抑制封堵鉆井液體系具有很好的抑制性能和屏蔽暫堵性能，能夠有效的保護油氣層，有助于在勘探施工過程中的油氣發(fā)現。

[1]李虎成，段澤輝，胡永堂，等.潿洲組地層井壁穩(wěn)定性技術在潿洲11-1N油田的應用[J].中國科技博覽，2010（31）：6.

[2]程玉生，符士山，王韶春.潿西南地區(qū)探井鉆井液技術[J].鉆井液與完井液，2009，26（2）：90-92.

[3]于培志.聚合醇鉆井液體系的研究與應用[J].石油鉆采工藝，2001，23（5）：30-32.

[4]王洪寶，王慶，孟紅霞，等.聚合醇鉆井液在水平井鉆井中的應用[J].油田化學，2003，20（3）：200-201.

[5]劉平德，牛亞斌，張梅.一種新型聚合醇鉆井液體系的研制[J].天然氣工業(yè)，2005，25（1）：100-102.

Study of Drilling Fluid Technology for Weixi Block on Beibu Gulf

YUAN Yikang1, GUO Hui2, LIU Chuanhai2
（1. SINOPEC Offshore Oilfield Services Company, Shanghai 200120, China; 2. Drilling Engineering and Technology Company of Shengli Petroleum Engineering Corporation Limited of SINOPEC, Shandong Dongying 257000, China)

Geological structure is complex in Weixi block. Especially the mudstone intervals in the 2ndsegment of Weizhou Formation and 2ndsegment of Liushagang Formation are characterized by well-developed faults, micro fractures and strong sensitivity. During the drilling operation, collapse, drilling mud leakage and even sticking accidents is easily happened. Based on the analysis and study on the collapse mechanism in the hard and brittle mudstone in Weixi， KCl-Polyglycol drilling fluid system， a strong inhibition and plugging drilling fluid， was developed and used in the drilling operations of Well H2， Well W4 and Well W5 successively. Field application shown the drilling fluid system has good inhibition and seal performance， which guaranteed wellbore stability and downhole safety. The application of KCl-Polyglycol drilling fluid system ensures the wellbore stability and also contributes to the success of Well W4 from high production of more than one thousand tons of oil and gas per day was tested.

Polyglycol drilling fluid systems； inhibition； sealing

TE254

A DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.03.103

1008-2336（2016）03-0103-04

2016-06-23；改回日期：2016-07-14

袁怡康，男，1962年生，工程師，1984年畢業(yè)于廈門大學化學系分析化學專業(yè)，主要從事海上鉆井液的現場服務和現場監(jiān)督工作。E-mail：yuanyikang@sina.com。