長慶氣田小井眼鉆井液技術(shù)研究與應用

王清臣，張建卿，胡祖彪，王偉良，侍德益，魏艷

（川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，西安 710021）

小井眼鉆井技術(shù)能夠降低鉆井成本，縮短鉆井周期，減少鉆井廢棄物，提高經(jīng)濟效益。長慶油田設(shè)計了小井眼鉆井施工，但由于井眼尺寸較小，鉆井液施工工藝和常規(guī)φ215.9 mm 井眼有較大差異。2017 年長慶鉆井總公司施工了7 口φ152.4 mm 井眼，電測成功率只有14.3%，并且伴有井漏和自呼吸現(xiàn)象、井壁難以穩(wěn)定、攜巖困難等技術(shù)難題，對鉆井液技術(shù)和工藝提出了更高要求[1-8]。通過研究水力參數(shù)、巖屑清除及鉆井液性能等因素對井壁穩(wěn)定和電測成功率的影響，研究出了一套適合于蘇里格氣田小井眼施工的鉆井液技術(shù)和工藝，并在2018 年和2019 年施工中取得了較好效果，截至目前長慶氣田施工φ165.1 mm 井眼235 口井，電測成功率為84.7%，φ152.4 mm 井眼7 口井，電測成功率為100%。

1 鉆井液技術(shù)難點

1.1 易發(fā)生自呼吸現(xiàn)象、井壁穩(wěn)定性差

小井眼環(huán)空間隙小，開停泵的環(huán)空壓耗變化大，在水力尖劈作用下，在近井壁巖石處誘發(fā)很多微裂縫，開泵后循環(huán)當量密度大，鉆井液被壓入井壁，停泵后循環(huán)當量密度降低，被壓入井壁的鉆井液又有一部分返回井筒，鉆井液反復進出井壁，加速泥巖的水化，并且小井眼井壁受到的交變應力大且不穩(wěn)定，井壁產(chǎn)生疲勞破壞，加劇井壁的失穩(wěn)[9-12]。

1.2 環(huán)空壓耗高、易發(fā)生漏失

環(huán)空大多數(shù)并不是中心對稱的，偏心容易導致環(huán)空中心的不穩(wěn)定性。鉆柱的旋轉(zhuǎn)速度在常規(guī)井眼中對環(huán)空壓耗的影響往往忽略不計，但在小井眼鉆井施工中，由鉆柱旋轉(zhuǎn)帶來的螺旋流是影響鉆井液流態(tài)的因素之一，故鉆柱轉(zhuǎn)速對環(huán)空壓耗的影響很大，由于小井眼鉆井鉆速較高，環(huán)空間隙較小，高速鉆進時，小井眼的環(huán)空壓耗較φ215.9 mm 井眼大得多，循環(huán)當量密度也就高得多，特別是扶正器處，環(huán)空壓耗急劇增高，會在弱承壓地層產(chǎn)生誘發(fā)性漏失[13-14]。

1.3 攜巖困難、易形成巖屑床和砂橋

1）在小井眼鉆進過程中，由于環(huán)空間隙較小，鉆井液的排量較常規(guī)井眼變小，同時由于鉆速較快，大量的巖屑不能及時被攜帶排出；另一方面，由于鉆柱轉(zhuǎn)速較快，鉆井液在小井眼鉆井時環(huán)空返速較高，由于存在剪切稀釋作用，給攜砂洗井帶來了很多困難。大部分鉆屑是通過鉆桿的旋轉(zhuǎn)呈螺旋上升狀沿鉆桿本體被逐漸攜帶出井筒，因此鉆桿旋轉(zhuǎn)對鉆屑的清除起決定性作用。小井眼由于鉆具剛性較弱、井眼軌跡不易穩(wěn)定，滑動鉆進（鉆桿不旋轉(zhuǎn)）時間多，因此較常規(guī)井眼鉆屑清除率低，更易形成巖屑床[15-16]。

2）井壁上的巖屑受到重力、浮力、流體拖曳力和流體舉升力的影響。重力和浮力是定值，拖曳力和舉升力是破壞巖屑床，將鉆屑帶出井筒的關(guān)鍵因素。小井眼的拖曳力和舉升力均小于常規(guī)井，因此小井眼形成巖屑床后，更難以清除。

2 鉆井液技術(shù)對策

2.1 設(shè)定合理的水利參數(shù)

由于小井眼鉆井鉆速較高，環(huán)空間隙較小，高速鉆進時，小井眼的環(huán)空壓耗和循環(huán)當量密度較高，增加了起下鉆時波動的壓力，容易導致井下復雜情況的發(fā)生。因此，合理的水力參數(shù)能夠降低循環(huán)壓耗，減小井壁受到的交變應力，從源頭上解決誘發(fā)性漏失、自呼吸現(xiàn)象的發(fā)生，還能盡量提高井眼凈化能力，清除鉆屑[17-18]。

2.2 確定適合小井眼施工的鉆井液體系

小井眼對鉆井液性能的要求更高，由于井眼環(huán)空間隙較小，鉆井液流體受力較復雜，在環(huán)空中往往表現(xiàn)為紊流的流態(tài)，對井壁穩(wěn)定性帶來不利影響，因此鉆井液需要具備低黏度、低濾失量、適當切力和強抑制的特性，解決鉆井施工中存在的循環(huán)壓耗大、井壁穩(wěn)定性差、易發(fā)生漏失、攜巖困難等問題。

2.3 采用特殊鉆屑清除工藝

通過難點分析可知，小井眼鉆屑較常規(guī)井眼更難以清除，延長洗井時間、重漿舉砂等工藝均能取得較好的巖屑清除效果，此外，在鉆具中接入巖屑清除器對巖屑有較好的破碎清除效果。

3 小井眼水力參數(shù)的合理設(shè)定

設(shè)定合理的水力參數(shù)對小井眼施工有極其重要的作用，泵排量過小不利于清潔井筒，泵排量過大不利于防漏，并且地層交變應力增大，也不利于井壁穩(wěn)定[19]。

3.1 基于防漏的考量

劉家溝組地層易漏，承壓能力低，易發(fā)生誘發(fā)性漏失，再加上環(huán)空間隙小，交變應力大且不穩(wěn)定等因素，極易發(fā)生漏失和自呼吸現(xiàn)象，因此需要設(shè)定合理的泵排量和循環(huán)當量鉆井液密度。對于φ215.9 mm 井眼，鉆至石千峰組地層，密度升高至1.18 g/cm3左右時，劉家溝組地層易發(fā)生漏失，但是φ165.1 mm 井眼的環(huán)空壓耗高得多，因此在劉家溝組地層鉆進時有必要計算鉆井液循環(huán)壓耗和循環(huán)當量密度，見表1 和表2。

表1 劉家溝組地層鉆進時的部分水力參數(shù)

表2 劉家溝組地層鉆穿后的部分水力參數(shù)

根據(jù)劉家溝組地層漏失資料，計算出大部分井的循環(huán)當量密度為1.218 g/cm3時發(fā)生漏失。由此反推出小井眼的安全排量，鉆穿劉家溝組地層及以上地層井段泵排量為24 L/s 左右，鉆穿劉家溝組以下地層井段的泵排量為20 L/s 左右。

3.2 基于井眼凈化的考量

過大的排量不利于防漏，但過小的排量又不利于井眼凈化，因此還需要通過計算井眼環(huán)空凈化能力Lc，設(shè)置有利于井眼凈化的泵排量，見表3 和表4。

參考常規(guī)井眼的環(huán)空凈化能力，小井眼的環(huán)空凈化能力Lc應該不小于常規(guī)井眼，因此鉆穿劉家溝組地層及以上地層井段和以下井段泵排量均為21 L/s 左右。綜合考慮防漏和井眼凈化因素，劉家溝組及以上井段的泵排量設(shè)置為22～24 L/s，最佳排量推薦為23 L/s；石千峰組地層及以下井段的泵排量設(shè)置為20～21 L/s，最佳排量推薦為21 L/s。

表3 劉家溝組地層及以上井段不同排量的環(huán)空凈化能力Lc

表4 石千峰組地層及以下井段不同排量的環(huán)空凈化能力Lc

4 鉆井液體系的確定

小井眼鉆井所需鉆井液要具有較強的抑制性，以減弱泥巖的水化，提高井壁穩(wěn)定性。低黏度低濾失量，有利于防止循環(huán)時鉆井液高速上返產(chǎn)生過大的壓力降，避免在井壁上形成厚泥餅影響鉆進。又由于小井眼鉆井的循環(huán)壓耗較高，對鉆井液的黏度和密度較敏感，選擇鉆井液體系應具有低黏度、高切力和強抑制性[20-23]。

4.1 鉆井液技術(shù)對策

①選擇合理的鉆井液密度。通過分析鄰井施工情況，結(jié)合泄壓情況，實時調(diào)節(jié)鉆井液密度，保證鉆井液密度在安全窗口內(nèi)，減少井漏或溢流等復雜情況的發(fā)生。②控制好鉆井液的流變性。合理控制排量和泵壓，保證環(huán)空返速，同時控制好鉆井液的流變性，使其低黏度和高切力，保證鉆井液的攜巖和凈化能力，降低壓力波動。③降低鉆井液的濾失量，提高其抑制性和井壁穩(wěn)定性。采用優(yōu)質(zhì)的降濾失劑，降低體系濾失量；同時采用抑制性強的抑制劑和抑制性強封堵性好的井壁穩(wěn)定劑，形成化學物理固壁，防止濾液的侵入，避免地層垮塌。

4.2 鉆井液配方確定

4.2.1 泥巖抑制劑的選擇

由于小井眼的環(huán)空間隙小，當有較大的掉塊時，極易發(fā)生卡鉆。因此，從復合抑制劑CQFY、氯化鈉、甲酸鈉、甲酸鉀、復合鹽、氯化鈣和氧化鈣等7 種抑制劑中進行評價和篩選，優(yōu)選出抑制性最強的處理劑。

1）巖塊滾動崩裂及抗壓強度實驗。將7 種抑制劑配制成5%水溶液，并分別加入易塌層位（石盒子組地層）的巖心，將盛有巖心的溶液放入老化罐中滾動16 h，對滾動后依然完好的巖心進行抗壓強度測試，結(jié)果見圖1。將完好的巖心繼續(xù)進行抗壓測試，實驗結(jié)果見表5。由圖1 和表5 可知，僅有復合抑制劑CQFY、氯化鈉和甲酸鉀浸泡后的巖心完好，其它巖心均裂成2～3 塊；CQFY 的抗壓強度最大，可達15.99 MPa，且滾動后其巖心完整，基本無裂痕。由此可知CQFY 的抑制性最強。

圖1 巖心在不同抑制劑水溶液中熱滾后形態(tài)

表5 巖心在不同抑制劑中滾動后的狀態(tài)

2）巖屑滾動回收率實驗。在加量為5%抑制劑水溶液中進行巖屑滾動回收率實驗，結(jié)果見表6?？芍珻QFY 的一次回收率和二次回收率均高于其它抑制劑，說明CQFY 對巖屑的抑制效果最好。

通過上述實驗可以看出，CQFY 的抑制性最強，因此鉆井液體系的主抑制劑選用CQFY。

表6 巖屑在5%抑制劑水溶液中的回收率

4.2.2 降濾失劑的優(yōu)選

鉆井液降濾失劑除了要具有較好的降濾失效果，還應有較低的黏度效應，以避免循環(huán)時鉆井液高速上返產(chǎn)生過大的壓力降。因此定義了一個黏濾比的概念，即降低基漿單位毫升濾失量時，其表觀黏度升高值，也就是表觀黏度/濾失量，數(shù)值越低越好?？紤]到環(huán)保因素，選擇了天然高分子降濾失劑NAT20、降濾失劑GD-K、PAC-LV、NPAN、LY-1、Redu1 等6 種降濾失劑進行了黏濾比的評價，結(jié)果見圖2。由圖2 可知，天然高分子降濾失劑NAT20 的黏濾比最低，可以滿足小井眼鉆井液低黏度低濾失量的要求，選擇NAT20。

圖2 不同降濾失劑的黏濾比

NAT20 是一種將天然高分子物質(zhì)膠化、接枝水溶化及特殊化學處理制得的降濾失劑。其分子鏈上能與黏土結(jié)合的基團較多，護膠能力強，易形成薄泥餅，降濾失能力強，其分子量不高（平均為50 000），對鉆井液黏度影響不大。

4.2.3 封堵劑的優(yōu)選

選擇無熒光白瀝青NFA-25、封堵劑ZDS、封堵劑LG-130 和白瀝青A 作為封堵劑，在滲透率儀上做透水實驗，結(jié)果見表7?？芍琋FA-25 泥餅的初透水時間最長，30 min 透水量最小，說明其泥餅的致密性好，封堵性最好。這是因為NFA-25是無毒、無熒光的油溶性物質(zhì)，一部分溶于水，一部分溶于油，具有乳化性能和潤滑性能，在鉆井液中，NFA-25 能與水、膨潤土乳化、結(jié)合在一起，形成可壓縮性濾餅，起到封堵防塌的作用。在小井眼鉆井中，NFA-25 可有效封堵鉆進中產(chǎn)生的微裂縫，降低孔隙壓力傳輸?shù)耐瑫r避免濾液進一步侵入地層，有效提高井壁的穩(wěn)定性。另外，NFA-25 能與各種鉆井液處理劑配伍，均能達到滿足鉆井工程需要的性能，對黏度和切力無不利影響。因此選擇NFA-25 作為鉆井液體系的封堵劑。表7 中實驗用基漿配方如下。

4% 膨潤土漿+1% 天然高分子降濾失劑NAT20 +0.1%XCD+5%CQFY

表7 不同封堵劑的透水實驗

4.3 鉆井液性能評價

4.3.1 常規(guī)性能

鉆井液基本性能見表8?？芍?，該鉆井液熱滾前后的濾失量和黏度低，切力合理，流變性能穩(wěn)定，可有效懸浮巖屑，封堵性能好，滿足小井眼井的施工要求。鉆井液配方如下。

4%膨潤土漿+（0.5%～1%）NAT20+（1%～2%）NFA-25+（0.1%～0.2%）XCD+（3%～5%）CQFY

表8 鉆井液的常規(guī)性能

4.3.2 抑制性

用巖屑回收率實驗和線性膨脹實驗評價該鉆井液體系的抑制性?？芍?，該體系的巖屑回收率可達90%以上，8 h 線性膨脹率低于2%，說明該鉆井液體系能有效抑制泥頁巖的水化膨脹及分散，具有很強的抑制能力。

5 現(xiàn)場應用及效果

截至目前，蘇里格氣田目前施工φ165.1 mm井眼235 口井，φ152.4 mm 井眼7 口，均使用了該技術(shù)，取得了良好效果，見表9 和表10。

5.1 井漏復雜降低

采用該技術(shù)后，ECD大幅度降低，完鉆ECD降低了0.07 g/cm3，使當量循環(huán)密度控制在地層安全窗口內(nèi)，避免了地層自呼吸現(xiàn)象的發(fā)生，降低了井漏的發(fā)生率。

表9 水力參數(shù)重新設(shè)定后的效果對比

5.2 電測成功率提高

使用該鉆井液體系后，在降低鉆井液黏度、維持濾失量穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，提高了鉆井液抑制性，增強了鉆井液維護井壁穩(wěn)定的能力，避免了起下鉆遇阻現(xiàn)象的發(fā)生，并大幅度提高了電測成功率。

表10 使用該鉆井液后井徑的擴大率和電測成功率

6 結(jié)論

1.綜合考慮鉆井液的上返速度和環(huán)空凈化能力，以及合理的泵排量，對降低循環(huán)壓耗有很大作用。

2.降低鉆井液密度并設(shè)置合理的泵排量，能夠較好地解決地層自呼吸現(xiàn)象，防止井漏的發(fā)生，并具有良好的環(huán)空凈化能力。

3.形成的適用于小井眼施工的鉆井液體系，在施工中表現(xiàn)出黏度低、切力高、抑制性強的特性，取得了電測成功率高和鉆速快的良好效果。