華北牛東地區(qū)深井抗高溫防塌鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用*

陳志學(xué)，蘭 芳，梁 為，于文華，張世清

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國(guó)石油玉門油田分公司，甘肅 酒泉 735019；3.中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095；4.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

華北油田牛東地區(qū)位于冀中坳陷霸縣凹陷牛東斷裂下降盤牛東潛山帶，其目的層埋藏深度在5600數(shù)6000 m左右，完鉆井深達(dá)6000 m以上，完鉆層位為霧迷山組，井底溫度超過200℃。牛東1井鉆至5900 m以下時(shí)，鉆井液出現(xiàn)嚴(yán)重稠化、變質(zhì)發(fā)酵、起泡等現(xiàn)象，高溫高壓失水增大，流變性能惡化，給鉆井安全帶來(lái)重大隱患，而且地層巖性主要為淺灰、灰色白云巖夾淺灰色硅質(zhì)白云巖，微裂縫發(fā)育，鉆井中易發(fā)生硬脆性垮塌，因此，對(duì)鉆井液的抗高溫封堵防塌性能要求高［1-3］。國(guó)內(nèi)外抗高溫鉆井液中水基聚磺鉆井液的熱穩(wěn)定性、流變性優(yōu)良，抗鹽、抗鈣污染能力強(qiáng)。因此，本文構(gòu)建了兩性離子聚磺鉆井液體系，并基于抗溫性能評(píng)價(jià)進(jìn)行了優(yōu)化。借助X 射線衍射（XRD）及電鏡掃描（SEM）等方法對(duì)牛東地區(qū)深層巖樣的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，探討了牛東地區(qū)深層井壁失穩(wěn)機(jī)理，進(jìn)而進(jìn)行了剛性及可變形封堵防塌劑的優(yōu)選［4-5］?；跇?gòu)建的聚磺鉆井液體系與優(yōu)選的防塌劑，形成了適用于華北牛東地區(qū)的深井抗高溫防塌鉆井液，并在牛東101 井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

復(fù)合離子型聚丙烯酸鉀鹽FA-367、防塌降濾失劑SF，河北任丘燕興化工有限公司；兩性離子聚合物降黏劑XY-27，河南新鄉(xiāng)第四化工廠；磺甲基酚醛樹脂SMP-1、抗高溫降濾失劑KJAN，河北任丘市高科化工物資有限公司；抗高溫抗鹽降濾失劑LHJS-3、HY-222，四川光亞科技股份有限公司；高溫瀝青HYL-180、超高溫瀝青HYL-200、超細(xì)碳酸鈣ZD-1（380數(shù) 245 μm）和ZD-2（245數(shù) 165 μm）、乳化石蠟EP-3，四川光亞科技股份有限公司；氫氧化鈉，華北石油華誠(chéng)石油公司；膨潤(rùn)土，山東濰坊鴻翔膨潤(rùn)土廠。鉆屑來(lái)自牛東地區(qū)沙四段和孔店組地層，實(shí)驗(yàn)配液用水為去離子水。

DX-2800 型X 射線衍射儀，丹東浩元儀器有限公司；JSM-6510 型掃描電鏡，北京科苑新創(chuàng)技術(shù)有限公司；CHANDLER 7400型高溫高壓流變儀，美國(guó)Chandler公司；150-80型高溫高壓動(dòng)態(tài)失水儀，美國(guó)施多威爾有限公司；150-80 型高溫動(dòng)態(tài)頁(yè)巖膨脹儀，美國(guó)施多威爾有限公司；OFI 173-00-1型五軸高溫滾子加熱爐，美國(guó)OFI公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 巖樣X射線衍射及掃描電鏡分析

參照中國(guó)石油天燃?xì)庑袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5163—2010《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X衍射分析方法》，利用X 射線衍射儀對(duì)牛東地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)巖樣進(jìn)行了礦物組分分析；使用掃描電鏡（SEM）觀察在不同放大倍數(shù)下巖樣的結(jié)構(gòu)。

1.2.2 巖樣水化分散劑膨脹性能測(cè)試

（1）巖樣回收率實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)收集的粒徑大于 1700 μm、小于 3350 μm的巖屑，清除表面附著物，烘干。稱取50 g 準(zhǔn)備好的巖屑，放入盛有350 mL 試液的高溫罐中，在150℃下滾動(dòng)16 h后取出、冷卻，將罐內(nèi)的鉆井液和巖樣全部倒在40目分樣篩上，在盛自來(lái)水的槽中濕式篩洗1 min，將篩余巖樣放入干燥箱烘干稱量，計(jì)算巖樣回收率。

（2）巖樣膨脹實(shí)驗(yàn)

將現(xiàn)場(chǎng)收集的巖屑樣品研磨過100 目篩，烘干待用。稱取10 g 處理后的巖樣，使用壓片機(jī)在14 MPa 壓力下壓制5 min 制得模擬巖樣。在150℃、3.5 MPa 條件下，使用高溫高壓動(dòng)態(tài)膨脹儀測(cè)定模擬巖樣在20 mL蒸餾水中浸泡2 h和16 h的膨脹率，以此判斷巖屑的膨脹強(qiáng)弱。

1.2.3 鉆井液常規(guī)流變性能測(cè)定

使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試鉆井液的表觀黏度、塑性黏度及動(dòng)切力，使用API 中壓濾失儀測(cè)試鉆井液的濾失量。

2.2.2 母根栽植方式 為了研究母根栽植方式對(duì)種條生長(zhǎng)的影響，開展了先栽植后灌溉和先灌溉后栽植再灌水兩種方式進(jìn)行區(qū)組試驗(yàn)。試驗(yàn)采用一年生根樁，栽植株行距30cm×60cm。栽植后進(jìn)行常規(guī)撫育管理。進(jìn)行萌芽、生根及生長(zhǎng)量觀測(cè)。

1.2.4 鉆井液高溫高壓流變性能測(cè)定

采用美國(guó)CHANDLER 7400型高溫高壓流變儀測(cè)試鉆井液高溫高壓流變性能，內(nèi)外筒組合亦是按標(biāo)準(zhǔn)的API 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)配置，該流變儀最大工作壓力210 MPa，最高測(cè)定溫度260℃。

1.2.5 鉆井液體系封堵防塌性能評(píng)價(jià)

參照中國(guó)石油天燃?xì)庑袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5621—1993《鉆井液測(cè)試程序》進(jìn)行高溫高壓滲透失水和砂床濾失量測(cè)定，評(píng)價(jià)鉆井液體系的封堵防塌性能。

（1）高溫高壓滲透失水

測(cè)定鉆井液在高溫高壓條件（200數(shù)250℃、3.5 MPa）下的滲透失水，然后將加溫罐中的鉆井液替換為清水，封閉加溫罐，在3.5 MPa下分別測(cè)定200數(shù)250℃條件下30 min的失水，每間隔5 min記錄一次失水量。

（2）砂床濾失量：用120 目的標(biāo)準(zhǔn)篩布篩取200 g 的細(xì)砂倒入高溫高壓濾失儀中作為砂床，將鉆井液沿泥漿杯內(nèi)側(cè)緩慢倒入杯中，在溫度200℃、壓力3.5 MPa、加注回壓0.69 MPa 的條件下測(cè)定30 min的失水，每間隔5 min記錄一次失水量。

2 結(jié)果與討論

2.1 牛東地區(qū)井壁的失穩(wěn)機(jī)理

2.1.1 X射線衍射分析

牛東地區(qū)全礦物及黏土礦物相對(duì)含量分析結(jié)果見表1。從表1可以看出，5個(gè)樣品中的石英含量最高，約為30%數(shù)60%，斜長(zhǎng)石含量為10%數(shù)20%，方解石含量在15%以內(nèi)，黏土礦物含量為10%數(shù)35%，隨著井深的增加，黏土礦物含量逐步降低。從黏土礦物相對(duì)含量分析結(jié)果來(lái)看，5 個(gè)巖樣中的黏土礦物均以伊/蒙混層為主，伊利石次之，并含有一定量的高嶺石和綠泥石。X射線衍射分析結(jié)果表明樣本巖屑在超深井條件下具有易垮塌的特性。

2.1.2 巖樣結(jié)構(gòu)分析

利用掃描電鏡對(duì)牛東地區(qū)深部地層巖樣進(jìn)行了構(gòu)造分析，結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，牛東地區(qū)地層巖樣的黏土礦物與其它礦物之間膠結(jié)性不好，結(jié)構(gòu)不均勻，節(jié)理、微裂縫發(fā)育，紋理清楚，屬非膨脹型破碎性白云巖。鉆進(jìn)過程中侵入的濾液不可避免地會(huì)發(fā)生水化作用，尤其是表面水化斥力會(huì)引起巖石內(nèi)部的相互擠壓，容易在井壁薄弱處引起應(yīng)力突然釋放而產(chǎn)生突發(fā)性剝落掉塊，這是牛東地區(qū)井壁失穩(wěn)的主要原因。

表1 牛東1井黏土礦物含量測(cè)定結(jié)果

圖1 牛東地區(qū)5585.66數(shù)5587.44 m地層巖心電鏡掃描照片

2.1.3 巖樣的水化膨脹分散性能

牛東1 井巖屑在清水中150℃下滾動(dòng)16 h 后的回收率及在清水中（150℃、3.5 MPa）浸泡2 h和16 h的膨脹率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2?？梢钥闯觯?000 m以上的地層巖屑回收率大部分超過40%，最高63%，且?guī)r屑樣本的膨脹率較低，基本都在15%以內(nèi)。而井深低于3500 m的地層巖屑的回收率很低，在26%以內(nèi)，且?guī)r屑膨脹率較高，超過20%。針對(duì)該地區(qū)尤其是深層井段，為了減少鉆井液內(nèi)水向泥巖內(nèi)運(yùn)移，需加強(qiáng)鉆井液封堵防塌性能。

表2 牛東1井鉆屑的水化膨脹分散性

2.2 抗高溫防塌鉆井液體系研選

2.2.1 抗高溫鉆井液體系研選

根據(jù)高溫協(xié)同增效原理，選取復(fù)合離子型聚丙烯酸鉀鹽FA-367、磺甲基酚醛樹脂SMP-1、抗高溫抗鹽降濾失劑LHJS-3、HY-222 作為可變因素，采用正交實(shí)驗(yàn)法以在5%坂土漿中加入藥劑后的鉆井液的高溫高壓失水為考察依據(jù)優(yōu)選得到如下兩個(gè)鉆井液配方［6-7］。配方1：5%坂土漿+0.6%XY-27+0.5%FA-367+2% LHJS-3+2% SMP-1+3% HY-222+3%KJAN+0.3%NaOH+4%ZD-1，pH值9.5；配方2：5%坂土漿+0.6%XY-27+0.5%FA-367+2%LHJS-3+2%SMP-1+3% HY-222+1% KJAN+0.2% NaOH+4%ZD-1，pH值9.5。

兩種配方鉆井液的常規(guī)性能測(cè)試結(jié)果見表3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，配方1 和配方2 鉆井液在200數(shù)240℃熱滾16 h 前后、200℃持續(xù)熱滾48 h 的流變參數(shù)穩(wěn)定，并保持在較合理水平，未出現(xiàn)嚴(yán)重增稠、顯著稀釋、膠凝、聚沉等現(xiàn)象，250℃高溫高壓失水≤17 mL（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為≤18 mL）。與配方2 鉆井液相比，配方1鉆井液在200℃、220℃、240℃熱滾前后的流變參數(shù)變化更小，高溫流變穩(wěn)定性更優(yōu)，可用于牛東地區(qū)潛山深層高溫地層的鉆井。

2.2.2 鉆井液封堵防塌劑研選

將砂粒按一定級(jí)配和重量組成封堵測(cè)試的砂床，在設(shè)定溫度（井塌地層溫度）和壓力下（3.5 MPa），測(cè)試鉆井液經(jīng)砂床滲濾后的濾失量，評(píng)價(jià)封堵劑的封堵效果。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M鉆井液在地層的滲濾過程，封堵劑在滲濾介質(zhì)中形成內(nèi)泥餅，能夠揭示體系的封堵防塌機(jī)理。通過砂床濾失實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)優(yōu)選了剛性封堵劑及可變形封堵劑［8-9］。

表3 配方1、2鉆井液不同溫度流變、濾失性能評(píng)價(jià)

（1）剛性封堵劑優(yōu)選

在配方1鉆井液中分別加入一定量的超細(xì)碳酸鈣ZD-1或ZD-2后，鉆井液的常規(guī)流變性能、高溫高壓滲透失水和砂床濾失量的測(cè)試結(jié)果見表4。加入超細(xì)碳酸鈣后，體系的表觀黏度、塑性黏度及動(dòng)切力略有增加，高溫高壓濾失量略有降低，表明剛性封堵劑與體系的配伍性較好；ZD-1和ZD-2加入后，體系的砂床濾失量包括初濾失量及總濾失量降低幅度較大，且隨著加量由2%增至4%，砂床濾失量持續(xù)降低，其中ZD-1 加入后砂床濾失量降幅更大，即粒徑更細(xì)的超細(xì)碳酸鈣ZD-1的封堵效果更好。

（2）可變型封堵劑優(yōu)選

在配方1鉆井液中分別加入一定量的可變型封堵劑乳化石蠟EP-3、高溫瀝青HYL-180或超高溫瀝青HYL-200 后，鉆井液的常規(guī)流變性能、高溫高壓滲透失水和砂床濾失量的測(cè)試結(jié)果見表5。3 種可變形封堵劑的加入對(duì)鉆井液體系的流變性、高溫高壓濾失性能影響較小，體系中加入4%HYL-180 及HYL-200后的高溫高壓濾失量有所降低，表明三種封堵劑與體系配伍性良好。與EP-3相比，HYL-180及HYL-200的加入能夠顯著降低配方1鉆井液的砂床濾失量，其中HYL-200降低幅度更大；在配方1鉆井液中加入不同加量的HYL-200 后的砂床濾失量相近，加入2%的HYL-200即可大幅降低砂床濾失量。

表4 兩種剛性封堵劑封堵性能評(píng)價(jià)結(jié)果

（3）鉆井液封堵防塌劑優(yōu)選

在配方1 鉆井液中加入4% ZD-1 和3%HYL-200 后，鉆井液的常規(guī)流變性能、高溫高壓滲透失水和砂床濾失量的測(cè)試結(jié)果見表6。加入剛性封堵劑ZD-1 和可變形封堵劑HYL-200 后，體系的流變性包括表觀黏度、塑性黏度及動(dòng)切力變化較小，高溫高壓失水略有降低，表明該組合具有良好的配伍性；復(fù)配封堵劑加入后，體系的砂床濾失量大幅降低，較剛性/可變形封堵劑分別單獨(dú)加入時(shí)的降低幅度更大，表明該復(fù)配組合具有良好的協(xié)同防塌性能。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

牛東1井地溫梯度為3.14℃/100 m，實(shí)測(cè)井底溫度高達(dá)217℃。常規(guī)鉆井液體系使用過程中無(wú)法起到有效抑制、攜巖等作用，使得井徑擴(kuò)大嚴(yán)重，井下阻卡頻繁發(fā)生，多次劃眼處理復(fù)雜事故，累計(jì)耗時(shí)超過20 d，延誤了鉆井周期。在牛東101 井井段5584.66數(shù)6100 m 應(yīng)用了室內(nèi)研選的配方為5%土漿+2%SMP-1+2%LHJS-3+3%HY-222+3%KJAN+0.6% XY-27+0.5% FA-367+0.2% NaOH+3% ZD-1+3%HYL-200的兩性離子聚磺抗高溫防塌鉆井液體系。鉆井過程中井內(nèi)返出的鉆井液性能穩(wěn)定，取樣進(jìn)行高溫高壓流變性能測(cè)試，結(jié)果見表7，與室內(nèi)研究結(jié)果基本相符。該體系現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理方便，穩(wěn)定周期較長(zhǎng)。在61 d的鉆井施工過程中，井下未出現(xiàn)井塌、卡鉆等復(fù)雜情況，起下鉆暢通，完井電測(cè)一次成功，與鄰井牛東1井同井段相比，平均井徑擴(kuò)大率從56.74%降低為9.6%，確保了牛東101井深部地層鉆井施工安全。

表5 3種可變型封堵劑封堵效果評(píng)價(jià)

表6 復(fù)配封堵劑加入體系后的流變性、濾失性及封堵性效果

表7 牛東101井鉆井中鉆井液高溫高壓流變性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

牛東地區(qū)深部地層巖樣黏土礦物含量較低，節(jié)理、微裂縫發(fā)育，屬非膨脹型破碎性白云巖；鉆進(jìn)過程中濾液侵入是引起井壁失穩(wěn)的主要原因，鉆井液性能應(yīng)以封堵防塌為主。

基于協(xié)同增效的剛性及可變形封堵防塌劑，構(gòu)建的兩性離子聚磺抗高溫防塌鉆井液體系抗溫達(dá)240℃，流變性、濾失性能優(yōu)良，且具有良好的封堵性，能夠有效封堵微孔隙；該體系在牛東地區(qū)高溫（217℃）深層成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，未發(fā)生井下事故復(fù)雜，基本滿足深部地層安全快速鉆井要求。