抗高溫高密度鉆井液在印尼LOFIN-2井的研究和應用

駱小虎

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，北京100101）

LOFIN-2井是印尼東部塞蘭島部署的一口重點探井，垂深為5861 m，為印尼陸上最深井。該井高溫高密度井段預測溫度為150～180 ℃，密度為2.10～2.16 g/cm3，且發(fā)育裂縫性頁巖、夾粉砂質泥巖和灰?guī)r，含鹽水層。鄰井因地層造漿、鉆井液體系熱穩(wěn)定性差、濾失量控制難、井漏而誘導的鹽水侵等原因發(fā)生了高密度鉆井液嚴重增稠（有時甚至形成凍膠而喪失流動性）、起下鉆頻繁遇阻，大量排放鉆井液，嚴重影響鉆井周期和鉆井成本，為此，結合鄰井施工情況和LOFIN-2井地質情況，從抗高溫高密度鉆井液本質問題出發(fā)，利用抗溫鉆井液處理的熱穩(wěn)定性能和復合增效作用，研發(fā)了一套抗溫180 ℃的高密度水基鉆井液體系，實現(xiàn)了該井的安全、高效施工。

1 工程地質及鉆井液技術難點

1）地層情況。該井四開和五開井段鉆遇尼業(yè)府組和科拉組地層，尼業(yè)府組上部發(fā)育泥巖、粉砂巖，夾少量灰?guī)r和砂巖，下部以灰?guī)r為主，其中發(fā)育團塊狀燧石；科拉地層發(fā)育破碎性頁巖，夾粉砂質泥巖和灰?guī)r，含少量鹽水層。

2）鉆井液技術難點。該井四開φ311.2 mm井眼面臨大井眼清潔問題。四開垂深為3658 m，裸眼井段長1370 m，井眼大，四開井段中下部鉆井液密度為1.65～1.74 g/cm3，泵壓高，鉆井液排量可能會受到高泵壓的限制，影響攜巖和井眼清潔。

科拉組地層為異常高溫高壓地層，井底溫度為150～180 ℃，壓力系數(shù)高達2.05以上，頁巖地層破碎，裂縫發(fā)育，易發(fā)生井塌和井漏，誘發(fā)鹽水侵，污染鉆井液體系，粉砂質泥巖地層易水化膨脹和造漿，造成黏度大幅增加，流變性控制困難。同構造鄰井由于地層造漿、鉆井液穩(wěn)定性差、濾失量控制難、井漏導致的鹽水侵等，導致鉆井液黏度嚴重增加，大量排放和替換高密度鉆井液，新入井密度為2.05～2.10 g/cm3的鉆井液經過2～3個循環(huán)周后，即出現(xiàn)黏度大幅增加，高溫高壓濾失量急劇上升，地面黏度高達180 s以上，造成大量配制新鉆井液和排放高黏度鉆井液，鉆井液性能維護十分困難。

2 抗高溫高密度鉆井液體系設計

目前，國內外高溫水基鉆井液技術的主要技術路線分為兩類：第一類從盡可能抵抗高溫對鉆井液的破壞作用出發(fā)，重點解決處理劑高溫降解對性能的破壞作用，主要通過研發(fā)抗溫處理劑、采用高溫保護劑或增效劑來減弱高溫降解作用或抵消降解作用，采用多種處理劑且大幅提高用量來調整鉆井液的主要性能（例如高溫高壓濾失量、流變性），采用該技術路線，在鉆井液工程師的精心維護之下可以打成200 ℃以上的高溫井。但是普遍存在溫度越高，處理劑耗費越大，隨溫度等級上升而呈臺階式躍升，配制維護成本高，180 ℃以上鉆井液處理劑種類多，處理劑加量往往在25%以上，一旦性能不穩(wěn)維護困難。第二類則是利用鉆井液中處理劑的高溫交聯(lián)作用抵消或部分抵消處理劑高溫降解作用及其影響，并增強處理劑效能以改善鉆井液流變性和造壁性，能夠減少處理劑種類和用量。研究表明，利用高溫交聯(lián)作用建立鉆井液體系的核心是以磺化酚醛樹脂SMP 為核心的高溫交聯(lián)反應，一般而言，對于聚磺體系，180 ℃以上處理劑的高溫交聯(lián)將會明顯發(fā)生，溫度越高越易發(fā)生，交聯(lián)程度越高。實踐證明180、200、220 ℃是水基鉆井液中處理劑高溫降解與高溫交聯(lián)作用發(fā)生與程度高低的3個臺階。因此，根據(jù)LOFIN-2井高溫高密度（溫度為150～180 ℃，密度為 2.00～2.20 g/cm3）特點，以采取優(yōu)選抗溫處理劑、抵抗高溫對鉆井液體系的破壞為主建立鉆井液體系[1-4]。

2.1 設計思路與參數(shù)指標

根據(jù)LOFIN-2井工程、地質特點，提出抗高溫高密度鉆井液技術參數(shù)指標，見表1。鉆井液設計重點為：①優(yōu)選鉆井液處理劑，使體系在150～180 ℃性能穩(wěn)定，達到指標設計要求，且處理劑種類和加量盡量少；②強化體系的流變性能，使之具有較低的塑性黏度和較高的動切力與φ6讀數(shù)，盡可能降低大井眼井段泥漿泵負荷。

表1 抗高溫高密度水基鉆井液體系的技術參數(shù)指標

2.2 鉆井液體系處理劑優(yōu)選

1）重晶石優(yōu)選。大于2.00 g/cm3的高密度鉆井液中存在大量重晶石，使鉆井液黏度增加，并且重晶石表面性質和粒徑大小也影響鉆井液的黏度[5]，有必要對不同產地的重晶石進行篩選。如表2所示，5#重晶石密度最高，黏度效應最低。

表2 不同產地的API級重晶石黏度效應測試結果

2）降黏劑優(yōu)選。由于鄰井暴露出高密度鉆井液增稠問題，有必要選擇高效的降黏劑，并且使體系在較低表觀黏度時具有較高低剪切黏度[6]。降黏劑THIN-40是一種聚丙烯酸酯改性聚合物，抗溫在200 ℃以上，灰褐色自由流動粉末，能夠用于淡水和海水鉆井液，主要通過降低結構黏度實現(xiàn)降黏的目的。由表3可知，降黏劑SF-260、 Desco-CF和THIN-40降低動切力、 靜切力和濾失量的能力較強，但是SF-260降低表觀黏度的效果不如Desco-CF和THIN-40，因而根據(jù)降低整個體系的黏度能力來判斷，降黏性能由弱到強依次為：SMT＜SMK＜SF-260＜Desco-CF＜THIN-40。這些處理劑在不同程度上改善了體系的濾失性能，綜合降黏性和降低濾失量情況，選用Desco-CF和THIN-40用于體系配方，2者配合使用。

表3 在基漿中加入不同降黏劑的優(yōu)選結果

3）抗溫降濾失劑優(yōu)選。據(jù)抗溫抗鹽水基鉆井液降低高溫高壓濾失量原理[1，7]，選用一種三元共聚丙烯酰胺聚合物PJL-35作為聚合物降濾失劑。PJL-35是一種自由流動的晶體狀聚合物，其抗溫能力達到180 ℃，能夠在淡水和海水鉆井液中使用，利用其季胺基作吸附基，增加高溫高壓降濾失劑高溫下在黏土表面的吸附能力，達到降低高溫高壓濾失的目的。PAC-LV、SPNH、SMP-1等作為備選降濾失劑，并選用FT-1改善泥餅質量，增強體系封堵性能和抑制性能。在選擇降濾失劑的同時觀察φ6讀數(shù)是否處于設計范圍內。由表4可知，4組配方API濾失量均小于3 mL，高溫高壓濾失量較低，但其中1#、2#、3#配方均表現(xiàn)出低剪切速率下黏度低的特點，并且體系靜切力較低，只有4#配方表現(xiàn)出低剪切速率黏度較高的特點，由此可以推斷體系的懸浮穩(wěn)定性會優(yōu)于其它3個配方，其原因可能是體系中同時加入Desco-CF和THIN-40，使得體系中發(fā)生了一定的高溫交聯(lián)作用，形成了一定的交聯(lián)結構，提高了鉆井液在低剪切速率的黏度和切力。因此，選擇PJL-35、PAC-LV、SPNH、FT-1作為體系的降濾失劑。

表4 降濾失劑的優(yōu)選結果

2.3 鉆井液體系性能

抗高溫高密度鉆井液的性能見表5。

表5 抗高溫高密度鉆井液體系在不同溫度下的性能

由表5可知，鉆井液在150～180 ℃性能良好且穩(wěn)定，該體系具有抵抗此溫度范圍的能力，滿足現(xiàn)場需求。但是當溫度升高到188 ℃時，鉆井液表現(xiàn)出較強的高溫減稠作用，高溫高壓濾失量急劇增加，沉降指數(shù)超過指標要求，體系懸浮失穩(wěn)，產生重晶石沉淀。由于體系建立基礎是基于抗溫180℃聚合物降濾失劑PJL-35，當體系溫度高于此溫度時，在降低加量情況下，PJL-35將受到破壞性高溫降解，因而出現(xiàn)超過處理劑抗溫極限后，體系性能出現(xiàn)劇烈波動，體系黏度降低、高溫高壓濾失量急劇增加，實驗結果符合體系設計思路預期。

2.4 抗污染評價

如表6可知，鹽加量在5%以內，體系無沉淀，無膠凝稠化，高溫高壓濾失量仍處于可控可接受范圍；如果體系受到較強鹽水侵入，則可通過加入SMP-1，提高體系抗鹽能力到10%左右。體系中分別加入劣土和碳酸鈉（模擬受到天然氣中二氧化碳污染）后，表觀黏度與塑性黏度出現(xiàn)較大幅度上升，但動切力和濾失量仍在可接受范圍內，原因可能是優(yōu)質黏土受到處理劑的護膠保護、體系中存在的富余降黏劑發(fā)揮了降黏作用。該體系在測試溫度下能夠抗5%鹽、或5%劣土、或3%碳酸根的污染。

表6 抗高溫高密度鉆井液抗污染性能（163 ℃老化后性能）

3 現(xiàn)場應用

3.1 體系轉換

由于體系中的PJL-35和THIN-40是首次在現(xiàn)場應用，按照實驗配方在地面配漿罐進行小型試驗，通過加量漏斗緩慢加入，觀察處理劑現(xiàn)場配制狀態(tài)，完善配制工藝，配制完成后，按設計指標進行性能檢測，性能達標后進行批量配制。小型試驗配漿發(fā)現(xiàn)，PJL-35易于溶解，其增黏效率不明顯，添加效果類似PAC-LV。

該體系從四開φ311.2 mm井眼中下部開始轉換，鉆井液密度增加到1.68 g/cm3后停止使用SMP-1，開始使用PJL-35、Desco-CF、FT-1和少量潤滑劑配制膠液，進行維護處理，始終將四開井段體系黏度控制在了60～70 s，為四開下部維持井眼清潔所需排量提供了有利條件。施工記錄表明，四開完鉆垂深3660 m，下部鉆井液密度1.74 g/cm3，排量 2.9 m3/min 時泵壓達到 32.5 MPa，已接近泥漿泵泵壓極限，低黏度鉆井液為四開維持足夠排量提供了有利條件。

3.2 性能維護

四開完鉆后，將鉆井液加重至1.86 g/cm3開始五開鉆進。使用過程中性能維護要點如下。①根據(jù)地質設計和錄井數(shù)據(jù)及時調整鉆井液密度，平衡地層壓力，壓穩(wěn)鹽水層，防止鹽水過多侵入鉆井液。②補充足夠PJL-35、Desco-CF、THIN-40、SPNH膠液，維護鉆井液性能，將HTHP濾失量控制在16 mL以內，漏斗黏度控制在80 s以內，加入FT-1改善泥餅質量，增強封堵性。③利用現(xiàn)場四級固控設備和膠液稀釋將膨潤土含量控制在10～20 g/L。④根據(jù)重晶石回收的工作原理對部分固控設備進行技術改造，利用中低速離心機回收高密度固相重晶石，利用高速離心機清除低密度固相，及時清除水敏性地層巖屑分散造漿帶來鉆井液黏度、切力上升對鉆井液性能的不利影響。⑤起下鉆時，排放沉砂罐，清洗回流管線。⑥現(xiàn)場儲備不同粒徑（粗、中、細）的堵漏材料，包括復合堵漏劑、纖維狀堵漏劑、碳酸鈣顆粒、云母、聚合物堵漏劑等，制定了針對不同漏失的堵漏漿配方及施工方案。

3.3 應用效果

1）通過現(xiàn)場應用檢驗，該抗高溫高密度鉆井液體系性能穩(wěn)定，鉆井液流變性波動幅度小（五開性能見表7），配制維護簡單，綜合性能優(yōu)異，滿足印尼東部塞蘭島區(qū)塊深井鉆井作業(yè)需要。該體系塑性黏度控制在設計值內，動塑比在0.35～0.45 Pa/（mPa·s）之間，靜切力數(shù)值適中，同時具有較高的φ6讀數(shù)，表明體系具有良好的攜巖性和懸浮性能。其中實測φ6讀值高于參數(shù)設計值，該設計值需要進一步修訂。其間，該井鉆井液密度控制較好，五開井段最高氯離子含量為5000 mg/L，未發(fā)生明顯鹽水侵，鉆井液性能穩(wěn)定；在4496～4612 m井段先后發(fā)生了5次井漏，漏速為5～10 m3/h，采用常規(guī)橋塞堵漏效果良好，均一次成功，堵漏材料以細顆粒狀材料為主，復合中顆粒材料和纖維狀材料（總加量為5%～8%），堵漏劑加入鉆井液循環(huán)1周后，經振動篩篩出，鉆井液性能恢復正常。

表7 LOFIN-2井抗高溫高密度水基鉆井液性能

2）與同一構造鄰井相比，LOFIN-2在高溫高密度井段鉆井液性能穩(wěn)定，未發(fā)生因鉆井液性能不穩(wěn)定增稠而排放鉆井液的情況，高密度鉆井液維護體積大幅度減少，節(jié)約了大量鉆井液材料，大幅度縮短了鉆井周期，節(jié)約直接成本1400萬元以上。其中，LOFIN-2井五開φ215.9 mm井段比同一構造鄰井長260 m，而鉆井周期僅28 d，比鄰井節(jié)約19 d，節(jié)約鉆井日費1200萬元；在比鄰井井深深1000 m情況下，LOFIN-2井節(jié)約重晶石1300余噸，節(jié)約費用200萬元以上。

4 結論

1.根據(jù)現(xiàn)場溫度范圍，從抵抗溫度對鉆井液性能破壞出發(fā)，優(yōu)選抗溫處理劑，研制了一套抗溫180 ℃、密度2.10～1.26 g/cm3的水基鉆井液體系，室內實驗和現(xiàn)場應用均表明其流變性能易于調控，體系綜合性能優(yōu)異。室內實驗表明，一旦溫度高于處理劑抗溫極限，體系為熱穩(wěn)定性變差，高溫高壓濾失量劇烈增加，符合體系設計預期。

2.經過現(xiàn)場應用檢驗，針對該井高溫高密度（150～180 ℃，密度為 2.10～2.16 g/cm3）特點提出的鉆井液參數(shù)指標符合現(xiàn)場實際，其中沉降指數(shù)能夠有效的反映出抗高溫高密度體系的懸浮穩(wěn)定性。

3.該體系配方簡單、性能穩(wěn)定、易于配制和維護，為該區(qū)塊后續(xù)高溫高壓鉆井液體系提供了一種選擇。