鶯歌海盆地高溫高壓氣田定向井水基鉆井液優(yōu)化與實(shí)踐

同武軍

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深水鉆采技術(shù)公司，廣東湛江 524057）

南海鶯歌海盆地既存在高壓，也存在高溫，是目前世界海上三大高溫高壓地區(qū)之一。由于高溫高壓、天然氣和深井的特點(diǎn)，加之海上特殊環(huán)境，出現(xiàn)作業(yè)周期長、非生產(chǎn)時(shí)間長（30%～67%）、達(dá)不到地質(zhì)目的、井眼報(bào)廢、成本高等一系列問題。因此，高溫高壓天然氣井鉆井技術(shù)，仍然是一個(gè)國際性的技術(shù)難題[1，2]。

鶯歌海盆地位于中國海南島的西面，其中X-X構(gòu)造是大型泥底辟構(gòu)造，其構(gòu)造特征和泥底辟活動(dòng)密切相關(guān)。深層的欠壓實(shí)泥巖在高溫高壓作用下，塑性流動(dòng)上拱，使上覆地層局部隆起，形成穹隆狀的背斜，構(gòu)造中心部位即為泥底辟。構(gòu)造面臨地溫梯度高、壓力系數(shù)大、壓力窗口窄、儲層滲透率低、上部地層頁巖的水敏性強(qiáng)等技術(shù)挑戰(zhàn)，鉆井作業(yè)實(shí)踐過程中，存在著上部井段泥巖易水化膨脹，導(dǎo)致縮徑，且容易形成泥球，井眼清潔困難；鉆井液安全窗口窄，加上地層薄弱，容易發(fā)生井漏；鉆井液的高溫穩(wěn)定性、流變性、濾失性控制以及低滲透儲層的儲層保護(hù)困難等難題。經(jīng)過多年的高溫高壓探井鉆井液技術(shù)實(shí)踐和總結(jié)，逐漸形成了該區(qū)域極具特色的高溫高壓氣田定向井鉆井液優(yōu)化設(shè)計(jì)和技術(shù)體系，并完成了從高溫高壓氣井直井到定向井鉆井液技術(shù)的跨越。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的高溫高壓水基鉆井液體系具有高溫穩(wěn)定性強(qiáng)、潤滑性好以及泥頁巖抑制能力、封堵能力及抗污染能力強(qiáng)和儲層保護(hù)效果優(yōu)良等一系列優(yōu)點(diǎn)，對類似井及該區(qū)域后續(xù)氣田定向井具有較好的借鑒意義[3-10]。

1 氣田地質(zhì)概況

X-X高溫高壓氣田是中國海域第一個(gè)開發(fā)的高溫高壓氣田。位于南海北部大陸架西區(qū)的鶯歌海盆地，距離海南省東方市約113 km。氣田所處海區(qū)屬低緯熱帶氣候、海況受臺風(fēng)和季風(fēng)影響，最高氣溫36.4℃，水深為63.5 m。

氣田構(gòu)造位于鶯歌海盆地中央坳陷北區(qū)，是發(fā)育在更新統(tǒng)底辟塌陷背景上的中層（黃流組一段）背斜圈閉。氣田中深層黃流組氣藏鉆遇地層從上到下依次為：新生界第四系樂東組、新近系上新統(tǒng)鶯歌海組、中新統(tǒng)黃流組和梅山組，基底未鉆穿，含氣層主要位于黃流組一段。

各層段主要巖性描述如下：

（1）樂東組：上部為灰色泥巖夾灰色細(xì)砂巖，下部為灰色粉—細(xì)砂巖與灰色泥巖呈不等厚互層，上部成巖性較差，往下成巖性變好。

（2）鶯歌海組一段：主要為厚層灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，頂部發(fā)育灰色粉-細(xì)砂巖，局部夾泥質(zhì)粉砂巖，與下伏地層呈整合接觸。

（3）鶯歌海組二段：上部為灰色粉砂巖與泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層，局部夾粉砂質(zhì)泥巖；下部為大套灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部夾薄層泥質(zhì)粉砂巖，與下伏地層呈整合接觸。

（4）黃流組一段：上部為大套厚層灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，頂部夾粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖薄層；下部地層主要為灰色－淺灰色厚層粉細(xì)砂巖、生物擾動(dòng)的泥質(zhì)粉砂巖，夾灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，區(qū)域上與下伏的黃流組二段呈假整合－不整合接觸。

2 鉆井液主要技術(shù)難點(diǎn)

由于該區(qū)塊探井作業(yè)受鉆井液的高溫穩(wěn)定性、環(huán)保及成本控制等因素的限制，在前期勘探過程中，上部Φ444.5 mm井段優(yōu)選采用了國產(chǎn)的PDF-PLUS/KCl水基鉆井液體系，Φ311.15 mm井段上部使用PDF-PLUS/KCl，下部井段使用PDF-THERM體系，Φ212.73 mm井段使用的是PDF-THERM和DURATHERM高溫高壓水基鉆井液體系，滿足了作業(yè)需要，但成本相對較高，并且在作業(yè)過程中出現(xiàn)了一些問題：Φ311.15 mm井段作業(yè)易產(chǎn)生泥球，井眼清潔困難，甚至套管壁也容易粘上大塊泥團(tuán)；Φ311.15 mm井段起鉆困難，上部井段易縮徑，探井作業(yè)時(shí)出現(xiàn)3次卡鉆的事故；儲層井段鉆井液泥餅厚，影響電測作業(yè)，探井作業(yè)出現(xiàn)2次卡電測儀器事故；固井作業(yè)易井漏，探井作業(yè)時(shí)出現(xiàn)3次Φ244.48 mm套管固井作業(yè)中鉆井液失返的井下復(fù)雜情況；高密度鉆井液的泥餅厚導(dǎo)致固井時(shí)泥餅難以清除，影響固井質(zhì)量；該區(qū)塊地層薄弱，鉆進(jìn)過程中多次出現(xiàn)井漏；高溫高壓井控風(fēng)險(xiǎn)高，探井作業(yè)期間出現(xiàn)過2次重要的壓井作業(yè)等（見表1，表2）。

通過對該區(qū)塊以往探井作業(yè)情況的分析，總結(jié)得出其高溫高壓探井面臨的主要技術(shù)難題，如多套壓力系統(tǒng)共存，且地層壓力過渡帶短，容易誘發(fā)井噴、井漏等情況；高溫對鉆井液處理劑影響較大，有可能導(dǎo)致鉆井液性能惡化、甚至無法鉆進(jìn)，引起復(fù)雜情況等；探井使用的PDF-PLUS/KCl體系，在作業(yè)中出現(xiàn)的起泥球、起下鉆遇阻卡等復(fù)雜情況；該區(qū)塊儲層段多以低孔低滲為主，做好低滲氣藏的儲層保護(hù)，另外，由于高溫高壓氣田定向井作業(yè)的特殊性，對鉆井液提出新的技術(shù)難題。

（1）鶯歌海組二段鉆遇大套泥巖，由于巖性特點(diǎn)及定向井中的巖屑運(yùn)移特征，巖屑更容易聚結(jié)成球，造成井下復(fù)雜等；另外，鉆遇壓力過渡帶井段，由于鉆井液密度使用較高，也容易造成巖屑起泥球。

（2）高密度鉆井液使用，對于定向井來說，對鉆井液的攜巖能力要求高，井內(nèi)巖屑更容易形成巖屑床，井眼清潔困難；另外，在高鉆井液、高固相含量條件下，對鉆井液體系的潤滑性要求高。

3 PDF-PLUS/KCl水基鉆井液體系優(yōu)化

針對前期探井作業(yè)過程中PDF-PLUS/KCl鉆井液體系出現(xiàn)的問題（井下復(fù)雜情況主要出現(xiàn)在Φ311.15 mm井段），再結(jié)合項(xiàng)目的地質(zhì)情況、開發(fā)要求和方案、井眼軌跡設(shè)計(jì)以及開發(fā)方式等特點(diǎn)，以及定向井中鉆井液面臨的攜巖問題、流變控制問題及重晶石沉降問題，需要對前期探井使用的PDF-PLUS/KCl體系，做進(jìn)一步的優(yōu)化試驗(yàn)，以滿足定向井作業(yè)需要。體系的基本配方：海水+5 kg/m3燒堿+3 kg/m3純堿+2 kg/m3～3 kg/m3PF-VIS+20 kg/m3～30 kg/m3PF-DYFT+50 kg/m3KCl+20 kg/m3PF-UHIB/PF-LUBE。

表1 區(qū)塊周邊探井井身結(jié)構(gòu)

表2 X-X氣田定向井井身結(jié)構(gòu)

3.1 膨潤土含量確定

從一系列的配方試驗(yàn)結(jié)果中得出，隨著膨潤土含量的增加，流變性越來越高，無土相配方泥餅松散不成形，隨著膨潤土含量增加，泥餅厚度逐漸增加，初步選定為10 kg/m3、20 kg/m3的膨潤土含量進(jìn)行針對性試驗(yàn)。

從后續(xù)的試驗(yàn)中得出，10 kg/m3的膨潤土含量與20 kg/m3的膨潤土含量在泥漿性能上基本差別不大，考慮固相對體系的影響，優(yōu)化出最佳的膨潤土含量為10 kg/m3。

3.2 封堵材料選擇及加量調(diào)整

選用PF-LPF H及PF-LSF兩種封堵材料進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，PF-LPF H對滾前流變性影響較大，而滾后性能較為合適，而PF-LSF對滾前及滾后性能流變影響較小，綜合所有的試驗(yàn)結(jié)果并本著性能相近的前提下，優(yōu)化封堵材料PF-LPF H/PF-LSF的加入量為20 kg/m3。

3.3 抑制劑加量調(diào)整

通過一系列的試驗(yàn)，研究了甲酸鉀對體系的影響，結(jié)果表明，在基礎(chǔ)配方中加入甲酸鉀，不用的甲酸鉀加量對基礎(chǔ)配方的性能影響不大；后續(xù)試驗(yàn)研究了甲酸鉀加量對體系中加入PF-LPF H及PF-LSF的影響，通過試驗(yàn)證明，體系中甲酸鉀在20 kg/m3PF-LPF H和20 kg/m3PF-LSF中的最佳加量分別為30 kg/m3和20 kg/m3。

通過對體系進(jìn)行的一系列優(yōu)化試驗(yàn)，得出了優(yōu)化后的PDF-PLUS/KCl體系的配方如下：海水+10 kg/m3膨潤土+5 kg/m3燒堿+2.5 kg/m3純堿+20 kg/m3～30 kg/m3PF-DYFT+7 kg/m3～10 kg/m3PF-PLUS+30 kg/m3KCl+20 kg/m3PF-UHIB+10 kg/m3～20 kg/m3PFHLUB+3 kg/m3PF-VIS。需要注意的是，當(dāng)鉆遇砂巖時(shí)補(bǔ)入功能材料：20 kg/m3PF-LPF H。

在前期探井作業(yè)成功的基礎(chǔ)上，在定向生產(chǎn)井中需要增加軟抑制劑聚胺PF-UHIB來改善泥漿的抑制性使返出的鉆屑成型，通過改變巖屑表面電性的防泥包潤滑劑PF-HLUB（防聚結(jié)）來解決泥巖巖屑的聚結(jié)問題。

3.4 配方對比試驗(yàn)

優(yōu)化出基本配方后，又進(jìn)一步做了一系列的配方對比試驗(yàn)，分別為滾動(dòng)回收率對比、沉降穩(wěn)定性及抗鈣污染試驗(yàn)對比等。

不同體系對HOLEGLUG模擬鉆屑的滾動(dòng)回收率（見圖1），可以得到，加入PF-UHIB（聚胺）的優(yōu)化后的PDF-PLUS/KCl體系抑制性最強(qiáng)，對HOLEGLUG模擬鉆屑的滾動(dòng)回收率可達(dá)100%。

對優(yōu)化后的PDF-PLUS/KCl體系進(jìn)行120℃和150℃的0～60°的沉降試驗(yàn)情況（見圖2），沉降因子為0.5時(shí)表明為發(fā)生沉降，大于0.52時(shí)說明沉降穩(wěn)定性較差，從試驗(yàn)結(jié)果看到，沉降因子基本都在0.51以內(nèi)，說明改進(jìn)后的KCl/PLUS體系具有很好的沉降穩(wěn)定性。

對使用兩種封堵劑PF-LPF H及PF-LSF的優(yōu)化后的PDF-PLUS/KCl體系分別進(jìn)行了抗鈣土污染試驗(yàn)，結(jié)果（見表3），從表3可以看出，加入兩種封堵劑的PDF-PLUS/KCl體系在抗鈣污染后性能變化趨勢基本上差不多，但從流變性的影響來看，加入PFLSF的PDF-PLUS/KCl體系在抗鈣污染后變化趨勢相對較小。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

圖1 滾動(dòng)回收率對比試驗(yàn)

圖2 沉降穩(wěn)定性結(jié)果

表3 優(yōu)化后體系抗鈣污染試驗(yàn)結(jié)果

針對該區(qū)塊前期探井作業(yè)中PDF-PLUS/KCl鉆井液出現(xiàn)的問題，氣田方案設(shè)計(jì)階段，對Φ311.15 mm井段要使用的PDF-PLUS/KCl鉆井液體系做了針對性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過現(xiàn)場的作業(yè)實(shí)踐來看，優(yōu)化后的PDFPLUS/KCl水基鉆井液體系成功解決了Φ311.15 mm井段鶯歌海組二段泥巖問題，比前期該地區(qū)探井作業(yè)中使用的PDF-THERM體系應(yīng)用效果好，即使在排量較低的情況下，“圓餅”狀鉆屑雖仍然無法避免，但總量偏少，質(zhì)軟且尺寸相對較小，且在上層的Φ339.73 mm套管鞋處循環(huán)時(shí)，能循環(huán)干凈，節(jié)省較多循環(huán)時(shí)間。另外，通過材料的優(yōu)選，極大的提高了低剪切速率下的鉆屑攜帶能力，聚胺的引入極大的提高了滾動(dòng)回收率，更好的抑制鉆屑的粘連及分散，且在流變性可控的情況下，Φ311.15 mm井段使用PDF-PLUS/KCl體系鉆進(jìn)，完鉆后再補(bǔ)入磺化材料，提高抗溫性這種作業(yè)方式是可行的，滿足了作業(yè)需要。

鉆井液的主要維護(hù)思路（見表4）：鶯歌海組二段以上，堅(jiān)持 PF-PLUS 的持續(xù)使用，密度 1.50 s·g～1.55 s·g，盡量鉆深，且卡準(zhǔn)地層，其體系基本配方為：5.0 kg/m3～8.0 kg/m3PF-PAC-LV+5.0 kg/m3～10.0 kg/m3PF-PLUS+10.0 kg/m3～30.0 kg/m3KCl+10.0 kg/m3～20.0 kg/m3PFDYFT+10.0 kg/m3～20.0 kg/m3PF-UHIB+10.0 kg/m3～20.0 kg/m3PF-HLUBE；鶯歌海組二段以下，泥漿中不再加入PF-PLUS，通過加入磺化材料來改善泥餅質(zhì)量，提高泥漿的抗溫性，其體系基本配方為：3.0 kg/m3～5.0 kg/m3PF-PAC-LV+20.0 kg/m3～40.0 kg/m3KCl+10.0 kg/m3～20.0 kg/m3PF-DYFT+10.0 kg/m3～20.0 kg/m3PF-HLUBE+30.0 kg/m3～40.0 kg/m3PF-SPNH-HT+30.0 kg/m3～40.0 kg/m3PF-SMP-HT。

表4 Φ311.15 mm井段的鉆井液性能

4.1 PDF-PLUS/KCl鉆井液重難點(diǎn)的應(yīng)對措施

4.1.1 泥球及井眼清潔問題

（1）維持鉆井液良好的包被抑制性：鶯歌海組二段以上地層，材料使用盡量簡化，以PF-PLUS為主，維持 PF-PLUS 加量在 7 kg/m3～10 kg/m3，KCl加量在20 kg/m3～30 kg/m3；鶯歌海組二段以下地層，使用KCl和PF-UHIB來提高泥漿抑制性，必要時(shí)可配合使用防泥包潤滑劑PF-HLUB來改變巖屑表面的電性，防止巖屑聚結(jié)。

（2）密度控制：低密度下對防止泥球的形成是有利的，因此鶯歌海組二段以上，盡量使用較低的鉆井液密度鉆進(jìn)，鶯歌海組二段鉆進(jìn)時(shí)的鉆井液密度控制在 1.35 g/cm3～1.50 g/cm3。

（3）較高的低剪切速率黏度，使用PF-VIS調(diào)整鉆井液黏度在 45 s～55 s，Φ6/Φ3 在 3～8/5～10，YP 維持在8 Pa～15 Pa，隨著密度的增加，適當(dāng)調(diào)整鉆井液的黏切。

（4）維持鉆井液穩(wěn)定的流變性，防止泥漿性能大起大落，在黏度低時(shí)造成巖屑下沉，形成巖屑床。

4.1.2 起下鉆困難問題

（1）做好井眼清潔工作；（2）維持良好的包被抑制性，防止泥巖粘井壁；（3）上部使用PF-PAC LV，使用PF-DYFT改善泥餅質(zhì)量，完鉆后使用PF-SMP HT、PF-SPNH HT提高鉆井液的抗溫性并降低濾失量。

4.1.3 高溫高壓下鉆井液的流變性調(diào)控問題

（1）當(dāng)鉆井液密度低于 1.50 s·g，使用 PF-VIS提高泥漿黏度至45 s～55 s，YP值在10 Pa以上。

（2）盡可能鉆深一些后，再提高pH，使用封堵材料與磺化材料膠液維持泥漿的黏度在50 s～60 s，在保證井眼清潔的前提下，盡量維持黏度的下限，為后續(xù)加重預(yù)留空間；Φ311.15 mm井段鉆完后，短起前再加入磺化材料并提高密度，增加抗溫性的同時(shí)，調(diào)整好流變性。

（3）使用好各項(xiàng)固控設(shè)備，保證泥漿的清潔。

（4）本井段井底溫度可能會達(dá)到130℃～140℃，鉆進(jìn)過程中如出口溫度較高，可按照300 L/h～600 L/h的速度向循環(huán)體系中補(bǔ)充燒堿水，以彌補(bǔ)溫度高時(shí)自由水的蒸發(fā)。

4.2 鉆井液關(guān)鍵控制技術(shù)

4.2.1 密度的控制 開鉆密度為1.35 s·g，鉆進(jìn)過程中根據(jù)壓力系數(shù)及前期作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，鉆進(jìn)至垂深2 400 m左右，提高泥漿密度至 1.40 s·g～1.45 s·g，鉆進(jìn)至垂深 2 600 m，提高泥漿密度至 1.50 s·g～1.55 s·g，鉆進(jìn)至垂深 2 700 m，提高泥漿密度至1.60 s·g～1.65 s·g左右，根據(jù)短起下鉆情況，必要時(shí)可提高泥漿密度至1.70 s·g，循環(huán)時(shí)再加入磺化材料并加重至1.60 s·g～1.65 s·g，根據(jù)短起下鉆情況及時(shí)調(diào)整鉆井液密度。

4.2.2 流變性的控制 各井的Φ311.15 mm井段穩(wěn)斜段較長，井眼清潔問題是重點(diǎn)。鉆進(jìn)過程中，可維持比探井較高的泥漿流變性，保證井眼的清潔，尤其是在泵排量受限的情況下，工程上要適當(dāng)控制ROP鉆進(jìn)，泥漿方面維持10 Pa以上的YP值，并使用PF-VIS提高泥漿的Φ6/Φ3轉(zhuǎn)讀值，保證井眼的清潔。另外，本井段井底溫度可能達(dá)到130℃～140℃，如出口溫度高，泥漿中自由水蒸發(fā)較快，則需要向泥漿中按300 L/h～600 L/h的速度補(bǔ)充燒堿水，維持泥漿的流變性。

4.2.3 包被抑制性控制 在垂深2 600 m之前地層的鉆進(jìn)過程中，通過細(xì)水長流的方式補(bǔ)充高濃度的PFPLUS膠液，以隨時(shí)補(bǔ)充被鉆屑消耗的PF-PLUS，維持鉆井液中的PF-PLUS濃度，維持良好的包被性。通過使用KCl及PF-UHIB來提高泥漿的抑制性，根據(jù)振動(dòng)篩返砂情況及K+的消耗情況，及時(shí)向循環(huán)系統(tǒng)中補(bǔ)充KCl，以維持泥漿具有良好的抑制性。

4.2.4 CO2和H2S氣體的預(yù)防措施 東方區(qū)塊地層普遍存在CO2，現(xiàn)場需密切關(guān)注CO2及H2S的含量，維持較高的堿度，控制pH值>9.5，可提前適當(dāng)加入1 kg/m3～3 kg/m3石灰來增加泥漿的儲備堿度，當(dāng)測出空氣中含有硫化氫時(shí)，向泥漿中加入除硫劑（堿式碳酸鋅PF-SSY），并保持泥漿pH值在10以上。

5 結(jié)論

（1）通過室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)鉆，優(yōu)化后的PDFPLUS/KCl體系，提高了泥漿的低剪切速率黏度，保證鉆屑的攜帶及懸浮，引入的PF-UHIB和防泥包潤滑劑PF-HLUBE，以及合理的鉆井液密度選擇等措施，成功解決了鶯歌海組地層鉆進(jìn)中的鉆屑起泥球問題。

（2）鉆井液維護(hù)的重點(diǎn)，鶯歌海組二段以上地層，堅(jiān)持 PF-PLUS 的持續(xù)使用，密度 1.50 s·g～1.55 s·g；鶯歌海組二段以下地層，泥漿中不再加入PF-PLUS，通過加入磺化材料來改善泥餅質(zhì)量，提高泥漿的抗溫性。

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