超高溫鉆井液在楊稅務(wù)潛山深井中的應(yīng)用

楊文權(quán) ，張宇，程智 ，羅仁文，何勇波，王東明，肖飛 ，薛莉

（1.渤海鉆探工程有限公司，天津300452；2.渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津300452 3. 華北油田公司勘探事業(yè)部，河北任丘062550；4.渤海鉆探庫爾勒分公司，新疆庫爾勒841000）

華北油田楊稅務(wù)區(qū)塊安X井奧陶系潛山取得高產(chǎn)油氣流重大發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了冀中北部奧陶系深潛山勘探的新突破。低固相超高溫鉆井液技術(shù)在安探4X井首次成功應(yīng)用后，為了保證勘探部署的順利實(shí)施，需對配套的超高溫鉆井液技術(shù)繼續(xù)進(jìn)行升級優(yōu)化。楊稅務(wù)區(qū)塊潛山地層巖性主要為灰?guī)r、泥巖，由于地溫梯度高（2.91 ℃/100 m），井底預(yù)測最高溫度在210～230 ℃之間，裸眼段長度普遍在1000 m以上[1-4]，為應(yīng)對可能遇到的泥巖導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)問題，鉆井液不僅要保證高溫條件下具有良好的攜巖效果，而且需要控制高溫高壓濾失量，保證鉆井液的護(hù)壁防塌能力。

1 室內(nèi)研究

針對現(xiàn)場鉆井需求，鉆井液配方優(yōu)化的基本思路為，首先確定膨潤土的最優(yōu)加量，然后優(yōu)選合適的高溫保護(hù)劑，在此基礎(chǔ)上，研選抗高溫增黏降濾失劑和抗高溫防塌劑構(gòu)建形成體系配方。與高密度鉆井液表現(xiàn)不同的是，低密度鉆井液在高溫條件下對膨潤土容量限制更寬，同時(shí)要求增黏降濾失劑在高溫下不但能夠有效地控制高溫高壓濾失量，而且具有較高的黏度和切力，有利于井下巖屑的攜帶。

1.1 膨潤土含量的確定

膨潤土的含量是超高溫下鉆井液性能調(diào)整的關(guān)鍵因素。高密度鉆井液在超高溫條件下，要求嚴(yán)格控制膨潤土的含量，一般超過200 ℃，為了保持鉆井液性能的穩(wěn)定，盡量控制膨潤土含量在2.0%左右，避免鉆井液高溫增稠，流變性失控。而根據(jù)安探4X井室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，低密度鉆井液與之不同的是，具有更寬的膨潤土使用范圍，含量在3.5%左右，最高不超過4%。[7]因此，針對材料替代后的配方，室內(nèi)對不同膨潤土含量的鉆井液性能進(jìn)行了評價(jià)，鉆井液配方如下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

（3%～4.5%）膨潤土漿+0.2%NaOH+2%石油樹脂類+1%高溫保護(hù)劑+1%降濾失劑BH-HFL+1%納米防塌劑BH-RDJ，石灰石加重到1.15 g/cm3

表1 不同膨潤土含量的鉆井液性能

從表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著膨潤土加量的增加，當(dāng)膨潤土含量在4%以內(nèi)時(shí)，鉆井液高溫老化后的流變性具有較合理的性能，當(dāng)膨潤土含量增加到4.5%時(shí)，鉆井液的動(dòng)切力在高溫老化后具有較高的數(shù)值，說明鉆井液體系出現(xiàn)了一定程度的高溫增稠現(xiàn)象。因此，確定優(yōu)化后的鉆井液配方嚴(yán)格控制膨潤土含量在4%。

1.2 高溫保護(hù)劑含量的確定

高溫保護(hù)劑的加入可以提升鉆井液的抗溫效果，一方面其中的表面活性劑成分與聚合物的相互作用增加聚合物分子上的親水基團(tuán)，克服高溫去水化作用和取代基脫落造成的分子親水性的不足；另一方面，是因?yàn)殂@井液中含有大量的膠體顆粒，高溫保護(hù)劑在顆粒表面的吸附阻止了高溫導(dǎo)致的聚合物分子不可逆卷曲現(xiàn)象的發(fā)生[8-9]。不同高溫保護(hù)劑含量下的鉆井液性能見表2。

評價(jià)配方：4%膨潤土漿+0.2%NaOH+2%石油樹脂類+（0～3%）高溫保護(hù)劑+1%增黏降濾失劑BH-HFL+1%納米潤滑防塌劑BH-RDJ，石灰石加重到1.15 g/cm3

表2 不同高溫保護(hù)劑含量的鉆井液性能

由表2可以看出，未加高溫保護(hù)劑時(shí)，鉆井液高溫老化后表觀黏度下降降幅達(dá)58.7%，中壓濾失量達(dá)7.6 mL，加入高溫保護(hù)劑后，鉆井液表觀黏度下降趨勢減緩，降幅在45%左右，中壓濾失量在1%表面活性劑的加量時(shí)即降至4.6 mL，中壓濾失量得到有效控制，這是由于高溫保護(hù)劑在一定程度上阻止了高溫導(dǎo)致的鉆井液聚合物分子鏈的不可逆卷曲及斷鏈。在加入3%高溫保護(hù)劑后，鉆井液高溫老化后動(dòng)切力出現(xiàn)了下降。因此，確定優(yōu)化后的鉆井液配方控制高溫保護(hù)劑含量在2%左右，最高不超過3%。

1.3 增黏降濾失劑的優(yōu)選

通常降濾失劑均為合成聚合物或天然改性高分子，在高溫下易發(fā)生分子鏈斷裂而降解，失去降濾失功能[10-13]。要提高降濾失劑的抗溫性能，需要通過分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其抗溫性能，室內(nèi)優(yōu)選了一種以AMPS等抗高溫單體為主要原料合成的聚合物BH-HFL作為降濾失劑，該聚合物以AMPS等抗高溫單體為主要原料合成，AMPS作為帶有磺酸基團(tuán)的乙烯基單體，具有良好的熱穩(wěn)定性，可以有效提高聚合物抗溫能力，并評價(jià)了其含量對高溫下鉆井液流變性的影響，結(jié)果見表3。

評價(jià)配方：4%膨潤土漿+0.2%NaOH+2%石油樹脂類+2%高溫保護(hù)劑+（0～3%）增黏降濾失劑BH-HFL+1%納米潤滑防塌劑BH-RDJ，石灰石加重到1.15 g/cm3

表3 不同降濾失劑含量的鉆井液性能

通過表3可以發(fā)現(xiàn)，加入優(yōu)選的增黏降濾失劑后，高溫老化后鉆井液的濾失量有了明顯下降，230 ℃下的濾失量由未添加降濾失劑的9.6 mL降至4.2 mL，同時(shí)流變性也維持在合理的范圍內(nèi)，表明鉆井液的抗溫能力得到了明顯提升，增黏降濾失劑加量在2%時(shí)，有著較好的切力，保證了鉆井液的攜巖能力。因此，確定優(yōu)化后的鉆井液配方控制增黏降濾失劑含量在2%。

1.4 防塌劑含量的確定

目前防塌劑主要通過提高鉆井液的抑制性和封堵能力的方法穩(wěn)定井壁[14-15]。選用以熱穩(wěn)定性較強(qiáng)的剛性芳環(huán)為骨架的封堵型防塌劑，室內(nèi)優(yōu)選了一種納米潤滑防塌劑BH-RDJ，該防塌劑以熱穩(wěn)定性較強(qiáng)的剛性芳環(huán)為骨架，并評價(jià)了其含量對高溫下鉆井液流變性的影響，結(jié)果見表4。

評價(jià)配方：4%膨潤土漿+0.2%NaOH+2%石油樹脂類+2%高溫保護(hù)劑+2%增黏降濾失劑BHHFL+（0～3%）納米潤滑防塌劑BH-RDJ，石灰石加重到1.15 g/cm3

表4 不同防塌劑含量的鉆井液性能

通過表4可知，加入優(yōu)選的納米潤滑防塌劑后，可以在近井壁形成一層致密承壓封堵層，高溫老化后鉆井液的濾失量進(jìn)一步下降，230 ℃下的濾失量可降至4.0 mL，同時(shí)流變性穩(wěn)定性好，維持在合理的范圍內(nèi)，表明鉆井液的抗溫能力得到明顯提升，納米潤滑防塌劑加量在2%時(shí)，有著較好的流變性及切力，保證了鉆井液的攜巖能力。因此確定優(yōu)化后的鉆井液配方控制納米潤滑防塌劑含量在2%。

1.5 體系配方的確定

楊稅務(wù)區(qū)塊潛山深井，以安X井為例，在井深6000 m以后，預(yù)計(jì)井底溫度達(dá)到200 ℃以上，鉆進(jìn)至井深6300 m以后預(yù)計(jì)井底溫度達(dá)到230 ℃以上，在關(guān)鍵處理劑優(yōu)化基礎(chǔ)上，確定配方如下。

4%膨潤土+0.2%NaOH+2%石油樹脂類降濾失劑+2%高溫保護(hù)劑+2%增黏降濾失劑BHHFL+2%納米潤滑防塌劑BH-RDJ

表5為從安X井現(xiàn)場取樣的評價(jià)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的鉆井液經(jīng)過220 ℃高溫老化后流變性幾乎不變，同時(shí)很好地控制了高溫高壓濾失量，在230 ℃的情況下也保持了較好的流變性，同時(shí)濾失量也控制在較低的范圍，能夠滿足高溫鉆進(jìn)需求。

表5 抗溫230 ℃鉆井液的配方評價(jià)（密度為1.16 g/cm3）

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該配方的抗溫性能，采用高溫高壓流變儀 （OFITE1100型）測試了體系配方在高溫狀態(tài)下的流變性，結(jié)果見表6。由表6可以看出，該配方的流變性雖然隨著溫度的升高逐步下降，但下降趨勢整體穩(wěn)定，保持了較好的初終切及動(dòng)切力，在180 ℃的情況下該鉆井液體系穩(wěn)定。為進(jìn)一步評價(jià)其抗溫性能，進(jìn)行了220 ℃高溫流變性評價(jià)，結(jié)果見表7。

表6 抗溫230 ℃鉆井液的高溫流變性

對比2組評價(jià)數(shù)據(jù)，可以看出，2組評價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性好，進(jìn)一步表明該配方抗溫性能穩(wěn)定，且能保持較好的初終切力及動(dòng)切力，同時(shí)，由表7可以看出，整體性能無突然變化，動(dòng)切力在220 ℃下由2.3 Pa上升至4.5 Pa，表明在220 ℃左右，抗溫材料的效果有了進(jìn)一步發(fā)揮，這可能是由于抗溫材料的耐熱分子結(jié)構(gòu)在高溫下才充分舒展，發(fā)揮作用，表明該鉆井液配方在高溫下整體穩(wěn)定，可以保持正常的維護(hù)周期，現(xiàn)場應(yīng)用中不會(huì)出現(xiàn)性能一步惡化的現(xiàn)象。

表7 抗溫220 ℃鉆井液配方的高溫流變性

2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

目前，該鉆井液體系已在楊稅務(wù)區(qū)塊應(yīng)用7井次，大幅提升了鉆井液的抗高溫性能和高溫下的懸浮攜砂效果，鉆井液體系在高溫條件下具有良好的流變穩(wěn)定性，保證了井下作業(yè)的正常進(jìn)行。應(yīng)用井次見表8。

表8 抗230 ℃鉆井液的應(yīng)用井次

現(xiàn)場應(yīng)用中，井溫接近180 ℃時(shí)，逐步增加抗溫鉆井液材料的用量，以膠液形式調(diào)整鉆井液，同時(shí)保持膨潤土含量4%。楊稅務(wù)區(qū)塊潛山井鉆進(jìn)過程中，鉆井液性能穩(wěn)定，攜砂效果好，井壁穩(wěn)定，起下鉆無掛阻。由表8可以看出，楊稅務(wù)區(qū)塊鉆進(jìn)至井深6000 m左右時(shí)，井底溫度普遍達(dá)到200 ℃，由于井底溫度過高，原鉆井液配方材料在高溫作用下效果逐漸變差，動(dòng)切力出現(xiàn)了明顯下降，降幅在25%以上，最高達(dá)38.5%，表明鉆井液懸浮巖屑能力逐漸降低，難以滿足下步鉆井需要。

隨著抗溫230 ℃材料的逐步加入，鉆井液的切力、動(dòng)切力、高溫高壓濾失量逐漸恢復(fù)，動(dòng)塑比也維持在合理范圍，表明經(jīng)過抗溫230 ℃配方初步調(diào)整后，鉆井液具備了足夠的抗溫能力，其中安X-3井在井深6300 m之后，井底溫度接近230 ℃，動(dòng)切力達(dá)到16 Pa（見圖1），表明體系仍保持著足夠的抗溫能力。

圖1 楊稅務(wù)部分井鉆井液的動(dòng)切力變化

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1.通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，確定了合適的抗溫鉆井液膨潤土，高溫保護(hù)劑以及增黏降濾失劑和納米潤滑防塌劑的含量，最終確定了抗230℃的鉆井液體系配方，大幅提升了鉆井液的抗高溫性能和高溫下的懸浮攜砂效果。

2.該鉆井液配方室內(nèi)評價(jià)在常溫及高溫下整體穩(wěn)定，擁有較好的流變性、動(dòng)切力及較低的失水。

3.該鉆井液體系已在楊稅務(wù)區(qū)塊應(yīng)用7井次，鉆井液體系在高溫條件下具有良好的流變穩(wěn)定性，保證了該區(qū)塊井下作業(yè)的正常進(jìn)行。