準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前高陡構(gòu)造高密度水基鉆井液技術(shù)研究

李軼，張達清，王俊文，申延晴 王越之)

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉瑪依834000 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100)

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準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前高陡構(gòu)造高密度水基鉆井液技術(shù)研究

李軼，張達清，王俊文，申延晴 王越之)

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉瑪依834000 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100)

準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)具有廣闊的勘探前景，該地區(qū)鉆井復(fù)雜事故多，導(dǎo)致鉆井速度下降、鉆井周期長。主要地質(zhì)原因在于安集海河組地層巖性以泥巖為主，水敏性極強，易發(fā)生泥巖水化膨脹、分散而造成井眼縮徑、井壁垮塌。為了提高南緣地區(qū)鉆井速度，加快勘探開發(fā)進程，針對上述鉆井難點，結(jié)合南緣地區(qū)地質(zhì)資料及已完鉆井的資料，對該地區(qū)鉆井液技術(shù)進行了研究。根據(jù)安集海河組地層特點，室內(nèi)對現(xiàn)場使用的PRT鉆井液體系和有機鹽鉆井液體系進行了評價，優(yōu)選出具有現(xiàn)有2種鉆井液體系優(yōu)點的高密度PRT-有機鹽鉆井液體系配方，并對該體系的抑制性、封堵性和抗污染性進行了評價。結(jié)果表明，該鉆井液體系能很好地滿足鉆井工程的需要。將該新的鉆井液體系在現(xiàn)場進行了應(yīng)用，使用效果良好，其中A5井?311.1mm井段較鄰井平均機械鉆速提高22%，鉆井周期縮短4d。

準(zhǔn)噶爾盆地；南緣地區(qū)；高陡構(gòu)造；PRT-有機鹽鉆井液體系

中國新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)是油氣最豐富的地區(qū)之一[1]，南緣山前為北天山山前構(gòu)造帶，受構(gòu)造運動影響，平面上形成褶皺帶。該地區(qū)具有良好的生油條件，有利于油氣聚集的構(gòu)造，具有很好的勘探前景。但是該地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，受構(gòu)造運動影響，中上部地層傾角大，斷層發(fā)育，新老地層重復(fù)，地層破碎，穩(wěn)定性差；中下部大段龜裂性硬脆頁巖和強水敏性泥頁巖，易發(fā)生水化膨脹，造成縮徑和地層垮塌，其中尤以安集海河組地層造漿最為嚴(yán)重；下部是高應(yīng)力和異常高壓地層，需使用高密度鉆井液。由于南緣地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件以及工程技術(shù)上的難點[2]，使得在該地區(qū)鉆井過程中井下復(fù)雜事故頻繁發(fā)生，鉆井速度慢、鉆井周期長、鉆井成本高，嚴(yán)重制約了南緣地區(qū)油氣勘探開發(fā)的進程。筆者旨在減少復(fù)雜事故的發(fā)生，提高鉆井速度，降低鉆井成本，加快勘探步伐，開展了針對南緣地區(qū)的鉆井液技術(shù)研究。

1 南緣山前地質(zhì)特點與鉆井液技術(shù)難點

1.1 南緣山前地質(zhì)特點

根據(jù)南緣地區(qū)在1996～2013年所鉆的66口井統(tǒng)計，發(fā)生事故、復(fù)雜的井有44口，占所鉆井?dāng)?shù)的66.7%。近5年鉆井的平均機械鉆速都較低，在3m/h以下，鉆井周期都在100d以上，呈現(xiàn)出鉆井復(fù)雜、事故率高、機械鉆速低等特點，大大延長了鉆井周期，嚴(yán)重影響了該地區(qū)的鉆井進程。

1)受沉積和地層巖性的影響，地層水敏性強。根據(jù)對南緣地區(qū)安集海河組地層的黏土礦物分析，以伊-蒙混層為主，其中蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%(最高達70%)，說明安集海河組地層有大量易水敏黏土礦物存在。

2)受山前構(gòu)造影響存在較大水平應(yīng)力，最大水平應(yīng)力大于上覆地層壓力、大于最小水平主應(yīng)力，并且地層壓力系數(shù)當(dāng)量密度超高(最高達2.50g/cm3以上)，屬高壓、超高壓力系統(tǒng)。

3)推覆體破碎、高陡、層間膠結(jié)弱易造成井眼失穩(wěn)。由于推覆擠壓和構(gòu)造運動，造成很多構(gòu)造地層傾角大，斷層發(fā)育，地層破碎、微裂隙發(fā)育，鉆井過程中易塌、易漏，極可能引起坍塌卡鉆。

4)高低壓同存易引發(fā)井漏。由于存在不整合面、低壓層，且不同壓力系數(shù)地層在同一裸眼內(nèi)，易導(dǎo)致漏、溢、塌、卡等復(fù)雜情況，再加上地層壓力預(yù)測不準(zhǔn)確，鉆井液密度確定困難，更增加了鉆探難度。

1.2 南緣山前鉆井液難點

南緣地區(qū)安集海河組地層特點造成了在該地層鉆井液使用上的諸多難題，其鉆井液使用上存在的難點具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)強水敏性導(dǎo)致泥巖劇烈分散。帶來的直接危害是泥巖水化膨脹造成縮徑，垮塌，水化分散造成鉆井液流變性難以控制。南緣地區(qū)鉆井成敗的關(guān)鍵取決于鉆井液技術(shù)，而鉆井液要達到穩(wěn)定井壁的目的必須兼顧物理支撐和化學(xué)抑制兩種方法。

2)強應(yīng)力、高壓、超高壓需要使用高密度、超高密度鉆井液。而高密度、超高密度鉆井液高固相含量的特點決定了其流變性、失水造壁性等綜合性能難于兼顧。山前推覆斷褶帶構(gòu)造應(yīng)力大，特別是在應(yīng)力集中的地區(qū)，應(yīng)力釋放易造成鉆井中塌縮阻卡、卡鉆等井下復(fù)雜情況。由于地應(yīng)力大、地層傾角大、地層水化能力強等原因，穩(wěn)定井壁所需鉆井液密度高，在高鉆井液密度下機械鉆速極慢，鉆井周期長，這又相應(yīng)加長了鉆井液對井壁的浸泡時間。

3)推覆破碎、高陡、弱層間膠結(jié)易造成井眼失穩(wěn)。這是造成安集海河組地層阻卡及卡鉆等井下復(fù)雜與事故的主要原因。高密度鉆井液[3～5]性能調(diào)控、維護處理較困難，失水造壁性、流變性與抑制性等綜合性能難于同時兼顧，鉆井液維護處理成本高。

2 高密度水基鉆井液技術(shù)

南緣地區(qū)在以往的鉆井過程中，在安集海河組地層主要采用有機鹽鉆井液體系和鉀鈣(聚磺)鉆井液體系(簡稱PRT)的水基鉆井液體系。兩種體系鉆井液在強水敏性、推覆破碎、高密度、高地應(yīng)力的安集海河組地層易垮塌地層使用時各有優(yōu)劣。PRT體系的流變性、失水造壁性等綜合性能較好，其抑制性比有機鹽體系弱，這對易失穩(wěn)的安集海河組地層有負(fù)面影響；有機鹽體系表現(xiàn)出更強的抑制性，但在使用高密度時流變性難以控制，這對機械鉆速、堵漏等施工有負(fù)面影響。為了更好地適應(yīng)該地區(qū)的鉆井需求，對南緣地區(qū)以往所用的鉆井液體系進行改進，研究了在PRT體系中引入有機鹽的新鉆井液體系(簡稱為PRT-有機鹽體系)，以增強其抑制性，并結(jié)合PRT體系具有優(yōu)良的流變性和失水造壁性的特點，以達到更好的綜合性能目的。

2.1 鉆井液配方

通過在室內(nèi)對不同處理劑在不同加量下的效果進行評價后，篩選出PRT-有機鹽鉆井液體系基本配方為：原漿+0.1%聚合物包被劑FA367+0.2%聚合物稀釋劑XY-27+5%褐煤類降濾失劑TX+1%KOH+2%護膠降濾失劑RSTF+10%瀝青類降濾失劑PPL+0.5%LV-CMC+10%KCl+1%天然瀝青+0.3%～0.5%石灰+重晶石(配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，鉆井液密度為2.50～2.60g/cm3。

2.2 性能評價

1)抑制性 采用巖屑滾動回收率法對比評價該地區(qū)以往使用的PRT鉆井液體系、有機鹽鉆井液體系、改進后的PRT-有機鹽鉆井液體系抑制性，試驗結(jié)果見表1。

表1 各鉆井液體系的滾動回收率對比

可以看出，有機鹽鉆井液體系和PRT-有機鹽鉆井液體系滾動回收率相差不大且明顯高于PRT鉆井液體系，說明PRT-有機鹽鉆井液體系抑制性能很好。

2)封堵性 將PRT-有機鹽鉆井液體系與該地區(qū)以往使用的有機鹽鉆井液體系和PRT鉆井液體系的封堵性能進行對比。在120℃條件下，分別測試了在3.5、5MPa的壓力條件下3種鉆井液體系的高溫高壓濾失量，試驗結(jié)果如表2所示。PRT-有機鹽鉆井液體系的濾失量在2種壓力條件下均小于其他2種鉆井液體系，表明PRT-有機鹽鉆井液體系具有良好的封堵性能。

表2 鉆井液體系的封堵性能對比

3)抗污染性 向PRT-有機鹽鉆井液(表3中用M代替)中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的鹽、質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的石膏、質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的膨潤土粉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的水泥，高速攪拌30min后裝入老化罐中，在120℃下熱滾16h，冷至50℃時測定鉆井液被以上介質(zhì)污染前后的性能，評價該鉆井液的抗污染性。實驗數(shù)據(jù)如表3所示。在高密度PRT-有機鹽鉆井液中分別加入鹽、石膏、膨潤土和水泥后鉆井液的流變性、濾失量變化都很小，形成的泥餅質(zhì)量好，表明其具有較強的抗鹽、膏、黏土和水污染的能力。

表3 PRT-有機鹽鉆井液抗污染性

注：ρ為密度；μf漏斗黏度；μa為表觀黏度；μp為塑性黏度；τd為動切力；τi為初切力；τf為終切力；VAPI為API濾失量；Vhthp為泥餅厚度為2mm時高溫高壓濾失量。

綜上所述，PRT-有機鹽鉆井液流變性好和濾失量低，鉆屑滾動回收率高，抑制性強，抗污染性強，能夠較好地滿足在安集海河組地層的鉆井要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 應(yīng)用情況

A5井是該地區(qū)的一口預(yù)探井，該井設(shè)計井深3850m，實鉆井深3950m。A5井在?311.1mm井段鉆進安集海河組，根據(jù)其地層異常高壓、分散性極強、易塌的特點，擬采用PRT-有機鹽鉆井液體系。使用該鉆井液體系在A5井安集海河組鉆進過程中，(短)起下鉆25次，均做到一次到底；同時鉆進過程中扭矩平穩(wěn)，砂樣代表性好，鉆屑呈原生片狀且棱角分明；電測井徑規(guī)則，安集海河組未出現(xiàn)大井腔和垮塌現(xiàn)象，最大井徑擴大率為4.6%，平均井徑擴大率為3.2%，下套管一次成功。全井段鉆井施工安全順利，鉆進及起下鉆作業(yè)無阻卡，井身質(zhì)量優(yōu)良。

3.2 處理及維護

1)安集海河組地應(yīng)力強、易塌、易縮徑、易造漿，?311.1mm井段前按試驗配方加入TX堿液和低濃度聚合物膠液調(diào)整膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.3%左右，加入有機鹽，保證有機鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%左右，KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%左右，PPL質(zhì)量分?jǐn)?shù)達10%，漏斗黏度為50～55s，高溫高壓濾失量小于5mL，性能調(diào)整合格后進行?311.1mm井段鉆進。

2)以TX堿液混配有機鹽為主，小分子聚合物為輔，強化鉆井液體系的抑制能力，維護高密度下鉆井液流變性。

3)在保持體系抑制性的基礎(chǔ)上，以高溫高壓性能及流變性指標(biāo)作為性能調(diào)控的指導(dǎo)方針，始終保證體系的封堵造壁性、潤滑防卡性及流變性在最優(yōu)的范圍。

4)鉆井液中K+質(zhì)量濃度控制在38000～42000mg/L，Ca2+質(zhì)量濃度控制在180～300mg/L，膨潤土質(zhì)量濃度控制在22～29g/L。

5)根據(jù)井下實際情況的需要，及時合理調(diào)整鉆井液密度。

6)根據(jù)井下情況，注重加強封堵防塌性。采用PPL、RSTF、MFG等來綜合提高體系的封堵性，確保井壁的穩(wěn)定。

7)做好超高密度下的防漏堵漏工作，備足堵漏材料及儲備漿。

8)加強固控措施，選用100～120目篩過濾鉆井液，盡量減少體系中的有害固相。

9)地面配制好處理漿，均勻混入，做到超高密度下鉆井液性能的維護，最大限度地保持性能穩(wěn)定，減少因性能調(diào)整而引起的波動。

10)采用PPL、RSTF、天然瀝青等來提高造壁封堵性，高溫高壓濾失量小于等于5mL，泥餅厚度小于1.5mm。

11)嚴(yán)格短起下鉆拉劃井壁，每鉆進50～100m短起下鉆一次。

3.3 應(yīng)用效果

A5井在?311.1mm井段(2257～3056m)使用PRT-有機鹽鉆井液體系取得了較好的應(yīng)用效果，相比鄰井A6井其?311.1mm井段機械鉆速平均提高了22%，鉆井周期縮短了4d(表4)。

表4 A5、A6井?311.1mm井段鉆井指標(biāo)對比

4 結(jié)論

1)新疆南緣地區(qū)鉆井地層的主要難點是水敏性強，水平應(yīng)力大，地層壓力系數(shù)超高，井眼不穩(wěn)定，易導(dǎo)致漏、溢、塌、卡等復(fù)雜情況。長期以來鉆井的平均機械鉆速在3m/h以下，鉆井液體系不能很好地滿足鉆井工作的需要。

2)PRT-有機鹽鉆井液體系是在現(xiàn)有PRT鉆井液體系與有機鹽鉆井液體系兩種體系的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新的鉆井液體系，該體系吸取了以前兩種體系的優(yōu)點。通過室內(nèi)研究與現(xiàn)場使用形成了一套成熟的處理技術(shù)方法，且其性能能夠較好地適應(yīng)和滿足南緣地區(qū)山前構(gòu)造復(fù)雜地層的鉆井需求，配方相對簡單，維護處理方便，價格便宜。

[1]孫自明，何治亮，牟澤輝. 準(zhǔn)噶爾盆地南緣構(gòu)造特征及有利勘探方向[J]. 石油與天然氣地質(zhì)，2004，25(2)：216～221.

[2] 阮彪. 新疆油田烏夏地區(qū)二疊系地層延時特性及鉆井提速技術(shù)研究[D]. 荊州： 長江大學(xué)，2013.

[3] 蔡利山，林永學(xué)，田璐，等. 超高密度鉆井液技術(shù)進展[J]. 鉆井液與完井液，2011，28(5)：70～77.

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[5] Abdullah M A, Hisham A N, Yusuf K, et al. Dispersants for cement and salt contaminated manganese tetraoxide high-density water-based drilling fluids[J].SPE177935，2015.

[編輯] 帥群

2016-05-10

李軼(1986-)，男，工程師，主要從事鉆井工程技術(shù)管理與研究；通信作者：王越之，cjdxwyz@126.com。

TE254

A

1673-1409(2016)35-0084-04

[引著格式]李軼，張達清，王俊文，等.準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前高陡構(gòu)造高密度水基鉆井液技術(shù)研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版),2016,13(35):84～87.