磨溪-高石梯上部井段優(yōu)快鉆井鉆井液技術(shù)

明顯森 舒小波 盧丹

1.中國石油川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院，油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國石油川慶鉆探川西鉆探公司

磨溪-高石梯區(qū)塊位于四川盆地安岳氣田，為加快該區(qū)塊的勘探開發(fā)，在有效封隔表層主要漏層、減少井漏復(fù)雜的基礎(chǔ)上，簡化表層井身結(jié)構(gòu)，縮短表層鉆井周期，降低鉆井成本。然而，在區(qū)塊上部地層井段存在長段泥巖易水化分散、地層膠結(jié)性差、井壁失穩(wěn)、石膏污染等問題，國外類似地層常采用油基鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)；考慮到鉆井成本和環(huán)保問題，國內(nèi)主要采用聚合物鉆井液或KCl-聚合物鉆井液，未充分達(dá)到抑制防塌保持井壁穩(wěn)定的功效，在鉆進(jìn)中經(jīng)常發(fā)生井塌、卡鉆、泥包、縮徑等井下復(fù)雜情況，井下風(fēng)險(xiǎn)較大，鉆井周期較長，上部地層的鉆井提速難以達(dá)到預(yù)期效果。為有效提高磨溪-高石梯上部井段安全快速鉆井，應(yīng)采取有效的鉆井液技術(shù)措施為安全快速鉆井提供技術(shù)保障[1-3]。結(jié)合地層情況，介紹了一種雙鹽-疏水聚合物鉆井液體系，并進(jìn)行了室內(nèi)評價(jià)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該體系對縮短鉆井周期、提高機(jī)械鉆速起到了顯著的效果，為加快磨溪-高石梯區(qū)塊的勘探開發(fā)進(jìn)程提供了技術(shù)支撐[4-8]。

1 地層簡況

磨溪-高石梯上部地層鉆遇沙溪廟組、涼高山組、自流井組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組，砂泥巖交互頻繁，地層膠結(jié)性差，易發(fā)生井壁失穩(wěn)，巖石強(qiáng)度與可鉆性差異大，使用常規(guī)鉆井液體系頻繁出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，如：高石001-X21井、X30井等多口井在自流井組發(fā)生不同程度的井壁垮塌，起下鉆遇阻、卡鉆；高石1井、高石2井在雷二、雷一石膏層發(fā)生井眼縮徑卡鉆。在工程措施到位的情況下，對鉆井液性能要求較高，鉆井液體系抑制性、防塌封堵性和失水造壁性以及良好的流變性是保證安全快速鉆井的前提。

磨溪-高石梯001井區(qū)上部地層巖性及壓力系數(shù)見表1。

表1 磨溪-高石梯001井區(qū)上部地層巖性及壓力系數(shù)層位地層巖性地層壓力系數(shù)施工難點(diǎn)沙溪廟組泥巖夾粉砂巖1.00涼高山組頁巖、泥巖夾粉砂巖1.10自流井組灰?guī)r夾泥巖、泥巖夾粉砂巖1.30須家河組砂巖、頁巖夾泥巖1.53地層垮塌、井下漏失、卡鉆、地層巖屑污染、井下溢流雷口坡-嘉三段灰?guī)r、白云巖、石膏1.60嘉二段-嘉一段膏巖夾云巖、白云巖1.95石膏污染、卡鉆、井下溢流

2 鉆井液施工難點(diǎn)

(1) 沙溪廟-自流井組泥巖夾砂巖，地層互層多、膠結(jié)性差、滲透性好，泥巖易吸水膨脹，井壁穩(wěn)定性差，地層對鉆井液密度比較敏感，井壁垮塌的風(fēng)險(xiǎn)較高，要求鉆井液具有較好的抑制性、封堵性。

(2) 須家河組油氣顯示頻繁，易鉆遇淺層氣，要求鉆井液在高密度下維持低黏切，鉆井液具有較好的脫氣性。

(3) 雷口坡組及嘉陵江組存在大段石膏層，應(yīng)避免石膏吸水膨脹程度過大導(dǎo)致縮徑、卡鉆，以及防止石膏污染鉆井液。

(4) 長裸眼井段(約2500 m)起下鉆摩阻和壓差大，合理制定鉆井液密度，避免密度使用不當(dāng)，引起井壁失穩(wěn)，造成井下垮塌或井下漏失。

(5) 縱向上多壓力系統(tǒng)、存在局部高壓特征。上部沙溪廟組屬于常壓，雷口坡組壓力系數(shù)達(dá)到1.60，嘉陵江組高達(dá)1.95，易出現(xiàn)噴、漏、塌、卡等井下復(fù)雜情況，必須保持優(yōu)良的鉆井液流變性、抗污染能力、潤滑性、封堵性。

3 鉆井液技術(shù)

因地層互層多、膠結(jié)性差，鉆井過程中頻繁發(fā)生垮塌、卡鉆、鉆井液污染等井下復(fù)雜情況。針對磨溪-高石梯區(qū)塊鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀，采用復(fù)合鹽、疏水抑制劑以及包被抑制劑提高抑制能力，防塌潤滑劑和固體潤滑劑復(fù)配改善潤滑性，聚陰離子纖維素和超細(xì)鈣提高濾失封堵性為主要技術(shù)思路，分別評價(jià)了鉆井液的流變性、高溫穩(wěn)定性、抑制性、抗污染能力和潤滑能力。以克服上部井段泥巖水化分散、地層膠結(jié)性差、石膏污染所造成的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)沙溪廟-嘉陵江井段安全鉆井提速[9-10]。

3.1 鉆井液配方

(1) 一開444.5 mm井眼(0～500 m)：4%(w)～5%(w)原礦土漿+0.3%(w)～0.5%(w)低分子降失水劑+0.6%(w)～1.0%(w)包被抑制劑+7%(w)KCl。

(2) 二開311.2 mm井眼(500～3000 m)：3%(w)～4%(w)原礦土漿+0.3%(w)NaOH+0.6%(w)～1.0%(w)低分子降失水劑+0.4%(w)～0.6%

表2 高溫老化實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)條件密度/(g·cm-3)AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaFL/mLFL(HTHP,120 ℃)/mLGel/PapH值老化前1.8033.027.06.03.25.41.5/7.59.5120 ℃×16 h1.8030.525.05.53.85.81.5/7.09.0120 ℃×24 h1.8031.025.55.53.85.81.5/7.09.0120 ℃×48 h1.8029.524.05.04.26.21.0/6.59.0

(w)包被抑制劑+0.2%(w)～0.3%(w)IND30+2%(w)～3%(w)抗高溫降失水劑+3%(w)～5%(w)磺化酚醛樹脂(水劑)+1%(w)～1.5%(w)CQ-SIA疏水抑制劑+3%(w)～5%(w)防塌潤滑劑+0.3%(w)～0.5%(w)乳化劑+2%(w)～3%(w)固體潤滑劑+0.4%(w)～0.8%(w)CaO+7%(w)～8%(w)KCl+10%(w)有機(jī)鹽+1%(w)～3%(w)超細(xì)碳酸鈣+重晶石。

疏水抑制劑CQ-SIA的抑制機(jī)理主要是引入疏水單體，通過季銨離子、胺基插入黏土晶層，吸附于巖屑表面，將表面潤濕反轉(zhuǎn)，阻止水進(jìn)入巖石內(nèi)部，從而抑制黏土礦物的水化膨脹與分散，實(shí)現(xiàn)抑制作用。

3.2 高溫穩(wěn)定性

實(shí)驗(yàn)按照第3.1節(jié)配方(2)配制鉆井液，分別在120 ℃下熱滾16 h、24 h和48 h，考察溫度對鉆井液流變性的影響規(guī)律，評價(jià)該鉆井液體系的高溫穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

從表2可知:該體系具有聚磺鉆井液的特點(diǎn)，經(jīng)過120 ℃高溫老化后，表觀黏度、塑性黏度以及動(dòng)切力變化較小，說明處理劑在高溫下未發(fā)生降解或斷鏈，保持了體系良好的穩(wěn)定性；中壓失水和高溫高壓失水量低，降低了濾液對地層的污染而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，防塌封堵性強(qiáng)；高溫?zé)釢L后，性能未出現(xiàn)較大波動(dòng)，說明該體系具有較好的熱穩(wěn)定性[11]。

3.3 抑制分散能力

(1) 滾動(dòng)回收率。實(shí)驗(yàn)采用SY/T 6335-1997《鉆井液用頁巖抑制劑評價(jià)方法》測試程序中滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)對鉆井液進(jìn)行了評價(jià)，在100 ℃×16 h熱滾后，計(jì)算回收率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

滾動(dòng)回收數(shù)據(jù)表明：泥巖為水敏性地層，與水相互作用后會(huì)水化分散、膨脹，巖屑回收率低。該泥巖在清

表3 滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)編號(hào)實(shí)驗(yàn)配方回收巖屑/g回收率/%1350 mL清水+50 g泥巖17.6235.242350 mL清水+1%(w)CQ-SIA+50 g泥巖46.2392.463350 mL 鉀聚磺水基鉆井液+50 g泥巖42.3784.744350 mL 雙鹽-疏水聚合物鉆井液+50 g頁巖49.7399.46

水中的回收率為35.24%，在雙鹽-疏水聚合物鉆井液中回收率為99.46%；泥巖與疏水抑制劑CQ-SIA相互作用后，滾動(dòng)回收率為92.46%，因該體系中抑制劑雙親特性，CQ-SIA吸附在頁巖表面使其由水潤濕轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐櫇瘢柚棺杂伤M(jìn)入巖層內(nèi)部；同時(shí)復(fù)合鹽提供的K+進(jìn)入黏土層間，減少了黏土的水化，進(jìn)一步提高體系的抑制能力[12]。滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)表明，該雙鹽-疏水聚合物鉆井液具有較好的抑制性，能夠有效地抑制泥巖水化膨脹和分散。

(2) 線型膨脹實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用SY/T 6335-1997測試程序中膨脹試驗(yàn)考察常用抑制劑線性膨脹規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1表明，盡管各抑制劑溶液都能顯著抑制膨潤土水化膨脹，但膨潤土在“17%(w)復(fù)合鹽+1.5%(w)CQ-SIA”溶液中的膨脹高度明顯低于其他幾種抑制劑溶液中的膨脹高度，通過大分子聚合物包被抑制劑KPAM與“17%(w)復(fù)合鹽+1.5%(w)CQ-SIA”復(fù)配，形成雙鹽-疏水聚合物鉆井液，能夠達(dá)到在強(qiáng)水敏性地層鉆進(jìn)抑制能力的要求。

3.4 抗污染能力

實(shí)驗(yàn)將取樣的露頭泥巖制樣成過0.045 mm篩孔的巖屑粉，分別在鉆井液中加入10%(w)、15%(w)泥巖粉，1%(w)、3%(w)的CaSO4，在120 ℃，16 h熱滾條件下，考察泥巖粉和石膏CaSO4對該鉆井液性能的影響，評價(jià)雙鹽-疏水聚合物鉆井液的抗污染能力。

表4 鉆井液抗污染能力評價(jià)實(shí)驗(yàn)污染實(shí)驗(yàn)w/%密度/(g·cm-3)AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/PaFL/mL空白實(shí)驗(yàn)1.8033.027.06.01.5/7.53.2巖屑污染101.8132.025.56.51.5/8.03.2151.8234.027.07.01.5/8.53.0CaSO4污染11.8034.527.57.01.5/8.53.431.8036.027.58.52.0/9.03.6

從表4可知，向鉆井液中加入10%(w)和15%(w)泥巖粉，鉆井液表觀黏度、塑性黏度、靜切力、中壓失水量上漲幅度較小，因抑制能力的作用，外來泥巖粉的侵入能夠有效抑制其水化分散，只是增加了固相含量，對鉆井液流變性影響小，抗巖屑污染能力強(qiáng)。通過石膏污染實(shí)驗(yàn)可知，鉆井液流變參數(shù)和失水小幅度上漲，因該鉆井液中加入CaO，對鉆井液進(jìn)行預(yù)處理，通過同離子效應(yīng)，能夠大大降低石膏在鉆井液中的溶解度，對鉆井液流變性能影響較小。實(shí)驗(yàn)表明,雙鹽-疏水鉆井液體系具有良好的抗巖屑污染和石膏污染的能力。

3.5 潤滑性評價(jià)

雙鹽-疏水聚合物鉆井液體系通過防塌潤滑劑和固體潤滑劑復(fù)配來強(qiáng)化鉆井液的潤滑能力，測試了該體系的極壓潤滑系數(shù)，并與其他類型的鉆井液進(jìn)行對比，結(jié)果見圖2。

從圖2可知，雙鹽-疏水聚合物鉆井液采用防塌潤滑劑和固體潤滑劑復(fù)配，通過防塌潤滑劑在巖石表面吸附形成潤滑油膜和固體潤滑劑減少鉆柱與井壁之間的摩擦力，利用其化學(xué)和物理作用能夠提供較好的潤滑能力，在長裸眼段鉆進(jìn)、起下鉆中，對降低摩阻有較大的益處。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 應(yīng)用效果

高石001-X38井在上部地層沙溪廟組-嘉陵江組，一開444.5 mm井段采用鉀聚合物鉆井液，鉆至504 m，成功下入表層套管；二開311.2 mm井眼采用雙鹽-疏水聚合物體系鉆至中完井深2961 m，用時(shí)18.68天，縮短了鉆井周期，創(chuàng)造了高石001區(qū)塊311.2 mm井眼最短鉆進(jìn)周期18.68天、最快機(jī)械鉆速8.46 m/h兩項(xiàng)記錄。

通過對比磨溪-高石梯鄰井資料，高石001-X38井采用雙鹽-疏水聚合物鉆井液體系，克服了上部地層泥巖/石膏污染、井壁失穩(wěn)垮塌、卡鉆等井下復(fù)雜情況，優(yōu)良的鉆井液性能，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本，時(shí)效對比見表5。

表5 311.2 mm井眼鄰井時(shí)效對比情況井號(hào)進(jìn)尺/m機(jī)械鉆速/(m·h-1)完井周期/天高石001-X342415.007.8321.44高石001-X362495.896.1126.35高石001-X372474.005.7027.55高石001-X382450.008.4618.68

4.2 鉆井液實(shí)施工藝

雙鹽-疏水聚合物鉆井液體系在不同密度下性能穩(wěn)定，能夠較好地滿足磨溪-高石梯上部井段提速鉆進(jìn)的需要。應(yīng)用表明，該體系性能優(yōu)越，下鉆、通井、下套管均一次順利到底，鉆井液性能參數(shù)見表6。

5 結(jié)論與建議

(1) 介紹了一種利用KCl、Weigh-2和疏水抑制劑CQ-SIA提高抑制能力，防塌潤滑劑和固體潤滑劑復(fù)配改善潤滑性，聚陰離子纖維素和超細(xì)鈣提高濾失封堵性的鉆井液體系，配方為：3%(w)～4%(w)原礦土漿+0.3%(w)NaOH+0.6%(w)～1.0%(w)低分子降失水劑+0.4%(w)～0.6%(w)包被抑制劑+0.2%(w)～0.3%(w)IND30+2%(w)～3%(w)抗高溫降失水劑+3%(w)～5%(w)磺化酚醛樹脂(水劑)+1%(w)～1.5%(w)CQ-SIA疏水抑制劑+3%(w)～5%(w)防塌潤滑劑+0.3%(w)～0.5%(w)乳化劑+2%(w)～3%(w)固體潤滑劑+0.4%(w)～0.8%(w)CaO+7%(w)～8%(w)KCl+10%(w)有機(jī)鹽+1%(w)～3%(w)超細(xì)碳酸鈣+重晶石。

(2) 鉆井液性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，雙鹽-疏水聚合物鉆井液失水造壁性好、抑制封堵性強(qiáng)，中壓失水3.2 mL，滾動(dòng)回收率99.46%，15%(w)泥巖污染和3%(w)石膏污染對鉆井液性能基本無影響。

(3) 高石001-X38井現(xiàn)場應(yīng)用表明，雙鹽-疏水聚合物鉆井液使用最高密度1.85 g/cm3、完成進(jìn)尺2450 m，鉆井液性能優(yōu)良，保證了上部地層順利鉆進(jìn)，創(chuàng)造高石001區(qū)塊311.2 mm井眼最短鉆進(jìn)周期18.68天、最快機(jī)械鉆速8.46m/h兩項(xiàng)記錄，為該區(qū)塊安全鉆井提速提供了技術(shù)保障。