潿洲W油田全油基強(qiáng)封堵鉆井液技術(shù)*

郭永賓 管 申 劉智勤 彭 巍 徐一龍

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057）

潿洲W油田位于北部灣海域，構(gòu)造上位于潿西南凹陷2號斷裂帶中段，是一個被2號斷層及其分支斷層復(fù)雜化的斷塊構(gòu)造，該構(gòu)造西高東低，目標(biāo)區(qū)潿二段地層位于2號斷裂下降盤。下第三系潿二段為硬脆性灰色泥頁巖，埋深1 400～2 600 m，正常壓力系統(tǒng)。潿二段頂部及下部巖性成分為雜色泥巖，下部泥巖中夾有多層灰色薄層粉砂巖，泥巖普遍含鈣；中部以灰色、灰褐色泥巖為主，夾有多層深灰色薄層頁巖，頁巖局部微含鈣［1-5］。通過硬脆性泥頁巖的X射線衍射分析，硬脆性灰色泥頁巖以伊利石為主，夾黏土礦物，如蒙脫石、綠泥石、高嶺石互層。發(fā)育大套硬脆性、層理發(fā)育、由親水黏土礦物組成的泥頁巖，水敏性極強(qiáng)，泥頁巖含大量裂縫和微裂隙，鉆井液濾液易進(jìn)入加劇水化分散，且潿二段所鉆遇硬脆性灰色泥頁巖裸眼段長達(dá)1 000～1 200 m，井壁失穩(wěn)風(fēng)險極高［6-9］。為解決井壁失穩(wěn)難題，近年來發(fā)展了油基鉆井液，成為鉆探高難度井和保護(hù)儲層的重要手段。常規(guī)油基鉆井液在水敏性一般和較為致密的泥頁巖地層鉆進(jìn)時，表現(xiàn)出較好的防塌封堵性，井壁穩(wěn)定性能良好，但在應(yīng)用于水敏性較強(qiáng)和層理微裂縫發(fā)育的潿洲W油田潿二段易垮塌地層時不斷出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、儲層保護(hù)不佳等諸多問題，為該油田經(jīng)濟(jì)開發(fā)帶來諸多障礙［10-13］。因此，通過室內(nèi)研究研發(fā)了適用于潿洲W油田潿二段易垮塌地層全油基強(qiáng)封堵鉆井液體系。現(xiàn)場應(yīng)用表明，全油基強(qiáng)封堵鉆井液體系能滿足潿洲W油田潿二段易垮塌地層安全高效鉆進(jìn)和井段儲層保護(hù)的要求，可為類似地層鉆進(jìn)和儲層保護(hù)提供借鑒。

1 常規(guī)油基鉆井液存在問題

潿洲W油田前期探井采用常規(guī)油基鉆井液鉆潿二段易垮塌地層，鉆井液配方為白油+3.5%有機(jī)土+0.8%MOEMUL（主乳化劑）+1.1%MOCOAT（輔乳化劑）+2.5%MOALK（堿度調(diào)節(jié)劑）+1.5%1767（潤濕劑）+4%MOTEX（磺化瀝青封堵防塌劑）。因其油水比為80∶20左右，油基鉆井液濾液進(jìn)入地層后，在接觸大量親水礦物后，因無法及時補(bǔ)充乳化劑、潤濕劑等導(dǎo)致乳化狀態(tài)不穩(wěn)，濾液中的水相與地層接觸后造成水化分散；封堵材料和機(jī)理單一造成不規(guī)則微裂縫難以被有效封堵，導(dǎo)致井壁局部出現(xiàn)垮塌、振動篩返出大量掉塊（圖1），以及測試作業(yè)時表皮系數(shù)在15以上，儲層保護(hù)效果欠佳［14-19］。

圖1 常規(guī)油基鉆井液鉆潿二段現(xiàn)場掉塊情況Fig.1 Slough from Second Member of Weizhou Formation under conventional oil-based drilling fluid

針對潿洲W油田常規(guī)油基鉆井液使用過程中泥頁巖易水化分散和微裂縫封堵承壓效果差的情況，通過提高鉆井液油水比、改變?nèi)榛瘎┘恿勘壤蕴岣呷榛癄顟B(tài)穩(wěn)定性和優(yōu)化封堵承壓機(jī)理，進(jìn)而改善泥頁巖易水化分散和封堵承壓效果，使之達(dá)到安全高效鉆進(jìn)和儲層保護(hù)效果良好的要求，研制出了全油基強(qiáng)封堵鉆井液體系。

2 全油基強(qiáng)封堵鉆井液體系研究

2.1 乳化劑配比對破乳電壓的影響

在油基鉆井液中，一般把油水比高于95∶5的油基鉆井液稱為全油基鉆井液，油水比越高，泥頁巖越難水化分散。乳化劑的親水親油平衡值（HLB）是衡量以油為連續(xù)相的乳狀液的黏度和穩(wěn)定性的重要參數(shù)。親水親油轉(zhuǎn)折點HLB值為10。HLB值小于10為親油性，大于10為親水性。因此，乳化劑的HLB值越低，加量越大，其親油性越強(qiáng)，破乳電壓越高，體系越穩(wěn)定。目前使用的主乳化劑MOEMUL的HLB值為3，輔乳化劑MOCOAT的HLB值為4，均為HLB值較低的乳化劑。因此，以潿洲W油田前期探井使用的常規(guī)油基鉆井液為基礎(chǔ)，通過提高鉆井液油水比和低HLB值乳化劑加量來提高乳狀液穩(wěn)定性，降低泥頁巖水化分散的幾率。使用HWY-2智能破乳電壓測試儀對油水比為95∶5下不同乳化劑加量的鉆井液破乳電壓進(jìn)行測量，結(jié)果見表1。由表1可以看出，隨著主乳化劑MOEMUL和輔乳化劑MOCOAT加量的增大，鉆井液的破乳電壓在提高，說明乳狀液穩(wěn)定性變好。當(dāng)主乳化劑MOEMUL和輔乳化劑MOCOAT的加量分別為1.3%和1.5%時，其破乳電壓達(dá)到了2 000 V，在高油水比和高破乳電壓下，乳狀液更穩(wěn)定，泥頁巖水化分散的幾率大大降低。

表1 復(fù)合乳化劑效果評價結(jié)果Table 1 Evaluation result of compound emulsifier

2.2 封堵承壓性能優(yōu)化

2.2.1 潿二段硬脆性泥頁巖易垮塌機(jī)理和解決方法

通過X射線衍射分析和電鏡掃描可以發(fā)現(xiàn)，潿二段的硬脆性易垮塌泥頁巖有2個特點：層理微裂縫發(fā)育且不規(guī)則，是造成地層垮塌的外部因素；同時硬脆性灰色泥頁巖中以伊利石、高嶺石等黏土礦物為主，水化膨脹造成巖石受力不均，減少有效應(yīng)力，導(dǎo)致“水力切割”，為造成地層垮塌的內(nèi)部因素。因此，地層垮塌總體可以歸結(jié)為2個階段：①鉆井液中的濾液進(jìn)入層理和微裂縫，在接觸親水礦物后濾液乳化狀態(tài)不穩(wěn)，濾液中的水相與地層接觸；②雖然伊利石等黏土礦物膨脹率不高，但是與濾液中的水相接觸時依然會有一定程度上的膨脹，造成井筒內(nèi)部受力不平衡，加速了微裂縫的擴(kuò)張，導(dǎo)致井筒上的巖塊剝落，形成掉塊。

通過對垮塌機(jī)理分析和梳理，認(rèn)為需要進(jìn)行復(fù)合封堵承壓：①在已鉆開井筒周圍形成“護(hù)壁膜”，防止濾液進(jìn)入井筒內(nèi)部；②進(jìn)入井筒的濾液不能傷害地層的初始物性；③形成的“護(hù)壁膜”必須有封堵承壓能力，這樣才能在鉆進(jìn)過程中提高鉆井液的密度，以平衡坍塌壓力的需求。因此，優(yōu)化后的油基鉆井液必須具備強(qiáng)封堵性能，且鉆井液濾液需要具有較強(qiáng)的抑制性。

2.2.2 封堵材料優(yōu)選與適配

潿洲W油田的潿洲組二段泥頁巖不規(guī)則微裂縫發(fā)育，因此提出以復(fù)合粒徑的封堵材料和多重封堵機(jī)理進(jìn)行全面的封堵，使鉆井液在井筒周圍形成有效的“護(hù)壁膜”濾餅，進(jìn)而提高井壁的封堵效果。

潿洲W油田前期使用MOTEX磺化瀝青作為油基鉆井液的封堵材料，但使用效果欠佳，鉆井液優(yōu)化前配方：白油+3.5%有機(jī)土+0.8%MOEMUL（主乳化劑）+1.1%MOCOAT（輔乳化劑）+2.5%MOALK（潤濕劑）+1.5%1767（輔乳化劑）+4%MOTEX（封堵防塌劑）。因此，此次優(yōu)化作業(yè)決定置換封堵材料，引入“護(hù)壁膜”理念，在油基鉆井液使用多重封堵機(jī)理的復(fù)合粒徑封堵材料：①M(fèi)ORLF乳化瀝青為柔性的亞微米乳液充填封堵粒子，有“糊壁”的效果，同時改變鉆井液顆粒的粒徑級配，提高濾餅質(zhì)量，控制高溫高壓濾失量在低位，加量為2%；②EZCARB為高品質(zhì)超細(xì)碳酸鈣，其作用主要以充填為主，加量為2%；③MOLSF防塌樹脂，其特點是分布粒徑較廣，可以形成有效的粒徑級配對微裂縫進(jìn)行有效的封堵，且各組分軟化點不同，在進(jìn)入潿洲組二段前加量超過3%，保證其濃度充足；隨著后續(xù)溫度升高，MOLSF開始軟化，對濾餅質(zhì)量產(chǎn)生明顯的改善，高溫高壓濾失量顯著降低；④成膜劑MOCMJ能夠附著在井筒周圍并形成良好的半透膜，可以對粒子進(jìn)行有選擇性的通過，加量為2%。鉆井液優(yōu)化后配方：白油+3.5%有機(jī)土+0.8%MOEMUL（主乳化劑）+1.1%MOCOAT（輔乳化劑）+2.5%MOALK（潤濕劑）+1.5%1767（輔乳化劑）+2%MORLF（乳化瀝青防塌劑）+2%EZCARB（優(yōu)質(zhì)超細(xì)碳酸鈣）+3%LSF（防塌樹脂）。優(yōu)化前后的油基鉆井液在實驗室內(nèi)獲得的高溫高壓濾失量和承壓能力評價結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化前后的油基鉆井液高溫高壓濾失及承壓能力評價Table 2 Evaluation of HTHP filtration and pressure sealing capability before and after optimization

從表2可以看出，優(yōu)化后的全油基強(qiáng)封堵鉆井液在濾餅質(zhì)量上有了很大的提高，其高溫高壓濾失量和濾餅抗壓強(qiáng)度明顯好于前期探井使用油基鉆井液，對于微裂縫發(fā)育的易垮塌地層和斷層起到了很好的封堵和承壓效果。

2.3 黏度與切力提升試驗

在油基鉆井液中，黏度與切力的提升較為困難，因此室內(nèi)試驗評價了黏度與切力的提升效果，結(jié)果見表3。由表3可以看出，在高油水比的條件下，隨著有機(jī)土、乳化瀝青MORLF加量的增加，鉆井液的塑性黏度與切力增大，3.5%有機(jī)土+2%MORLF乳化瀝青所獲得的塑性黏度和切力能夠滿足要求。

表3 黏度與切力提升試驗Table 3 Optimization test of viscosity and gel

2.4 性能評價

2.4.1 流變性

表4為實驗室內(nèi)使用優(yōu)化后的全油基鉆井液進(jìn)行流變性測試結(jié)果，從表4可以看出，優(yōu)化后的鉆井液配方在150℃的老化條件下依然具有較好的流變性，體系穩(wěn)定，滿足作業(yè)設(shè)計要求。

表4 全油基鉆井液流變性測試結(jié)果Table 4 Rheology test result of full oil-based drilling fluid

2.4.2 沉降穩(wěn)定性

在實驗室內(nèi)配置密度為1.6 g／cm3的油基鉆井液，在150℃下滾動16 h，后續(xù)靜置燒杯內(nèi)24 h，隨后測得燒杯中鉆井液上部密度為1.59 g／cm3，下部密度為1.61 g／cm3，未發(fā)現(xiàn)密度大幅度置換，說明優(yōu)化后的油基鉆井液有較好的沉降穩(wěn)定性。

使用優(yōu)化后的全油基鉆井液在150℃下靜置24 h前后進(jìn)行對比其性能，實驗結(jié)果見表5。從表5可以看出，在150℃的條件下，鉆井液的切力和黏度同時隨著靜置時間的增加而增長，且靜置后鉆井液的動切力與塑性黏度的比值為0.61，表明優(yōu)化后的體系具有較強(qiáng)的剪切稀釋性和良好的懸浮鉆屑能力。

表5 全油基鉆井液沉降穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table 5 Sag stability test result of full oil-baseddrilling fluid

2.4.3 抗污染性

1）抗水污染。

對優(yōu)化后密度為1.6 g／cm3的全油基鉆井液抗水污染性能進(jìn)行了實驗評價，結(jié)果見表6。由表6可以看出，隨著水進(jìn)入鉆井液體系的加量增大，鉆井液體系的切力、黏度變化較小，同時高溫高壓濾失量不變，鉆井液體系性能較為穩(wěn)定，說明鉆井液體系具有很好的抗水污染性能。

表6 全油基鉆井液抗水污染試驗結(jié)果Table 6 Anti-water pollution test result of full oil-based drilling fluid

2）抗劣質(zhì)紅土污染。

對優(yōu)化后密度為1.6 g／cm3的全油基鉆井液抗劣質(zhì)紅土污染性能進(jìn)行了實驗評價，結(jié)果見表7。由表7可以看出，隨劣質(zhì)紅土加量增加，鉆井液體系的切力和黏度變化不大，優(yōu)化后的全油基鉆井液配方具有較好的抗劣質(zhì)紅土污染性能，可滿足鉆井要求。

表7 全油基鉆井液優(yōu)化后抗劣質(zhì)紅土污染試驗結(jié)果Table 7 Anti-clay pollution capabity test results of optimized full oil-based drilling fluid

2.4.4 儲層保護(hù)性能

選用潿洲W油田一口預(yù)探井WZK-1井垂深2 110.00 m處的2塊天然巖心，并置于油中浸泡，然后干燥并將其抽空，測得巖心的油相滲透率Ko；隨后用優(yōu)化前后的油基鉆井液進(jìn)行反向巖心污染實驗，實驗條件為溫度80℃，壓力3.5 MPa，時間4 h；最后，測得的污染后巖心油相滲透率為Kd，進(jìn)行巖心滲透率恢復(fù)值Kd／Ko計算。實驗結(jié)果（表8）表明，優(yōu)化前的鉆井液配方所取得的滲透率恢復(fù)值為90.32%，優(yōu)化后的配方取得98.77%，證明優(yōu)化后的配方具有良好的儲層保護(hù)效果。

表8 優(yōu)化前后全油基鉆井液儲層保護(hù)試驗結(jié)果Table 8 Reservoir protection test results of full oil-based drilling fluid optimized before and after

2.4.5 抑制性

采用滾動回收方式對優(yōu)化前后的油基鉆井液熱滾回收率進(jìn)行評價，實驗條件：150℃、16 h。實驗結(jié)果表明：優(yōu)化前的配方所取得熱滾回收率為88.7%，優(yōu)化后的配方所取得熱滾回收率為99.10%，表明優(yōu)化后的配方在高油水比、復(fù)合乳化劑條件下，其乳化狀態(tài)穩(wěn)定性更強(qiáng)，具有很強(qiáng)的抑制泥頁巖水化分散的能力，更有利于井壁穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

潿洲W油田開發(fā)項目在11口定向井應(yīng)用了優(yōu)化后的全油基強(qiáng)封堵鉆井液。該區(qū)塊在前期探井鉆探階段使用優(yōu)化前的油基鉆井液，在潿二段易垮塌地層鉆進(jìn)期間由于鉆井液抑制泥頁巖水化能力和封堵效果較差，造成垮塌、鉆進(jìn)扭矩大，導(dǎo)致起下鉆頻繁遇阻，平均每口井起下鉆阻卡達(dá)15次；且倒劃眼期間頻繁憋扭矩達(dá)30次，實際鉆井周期比設(shè)計鉆井周期多4～5 d；同時由于缺乏復(fù)合粒徑的封堵材料和多重封堵機(jī)理進(jìn)行全面的封堵，造成測試表皮系數(shù)偏高，測試表皮系數(shù)通常達(dá)到15以上，儲層保護(hù)效果不理想。優(yōu)化后的全油基強(qiáng)封堵鉆井液體系由于提高了油水比、采用復(fù)合乳化劑并優(yōu)化了乳化劑配比以提高乳狀液穩(wěn)定性，同時采用了復(fù)合封堵材料和多機(jī)制封堵機(jī)理，解決了易垮塌地層長裸眼井段井壁失穩(wěn)和儲層保護(hù)差的難題，鉆進(jìn)過程中沒有出現(xiàn)掉塊及剝落片，起下鉆過程中沒有遇阻，下套管作業(yè)順利，實際鉆井工期比設(shè)計提前27 d；投產(chǎn)測試表皮系數(shù)平均在-4.0，投產(chǎn)超油藏配產(chǎn)3倍，儲層保護(hù)效果優(yōu)良。

下面以潿洲W-X1井定向井作業(yè)為例，此井易垮塌地層裸眼長度將近1 200 m，是一口典型的復(fù)雜工況井，對優(yōu)化后的全油基強(qiáng)封堵鉆井液的現(xiàn)場維護(hù)處理情況進(jìn)行介紹。

潿洲W-X1井表層導(dǎo)管通過鉆井船打樁錘入，入泥110 m，一開采用海水般土漿鉆井液鉆φ406 mm井眼，依次鉆遇望樓崗組、燈樓角組、角尾組、下洋組、潿一段，下φ339.7 mm套管至潿一段硬質(zhì)雜色泥巖；二開采用全油基強(qiáng)封堵鉆井液鉆φ311.1 mm井眼，下φ244.5 mm套管封固潿二段灰色泥巖易垮塌地層及目的層；最后套管內(nèi)射孔完井?，F(xiàn)場作業(yè)為確保鉆井液滿足長裸眼段井壁穩(wěn)定及儲層保護(hù)目標(biāo)，采取了以下處理措施：

1）潿洲組二段鉆進(jìn)期間嚴(yán)格控制水含量小于3%。配方中除了有機(jī)土、乳化瀝青對全油基鉆井液的切力、黏度起作用，油水比也會對切力、黏度有影響，含水量上升時對乳狀液穩(wěn)定不利，所以在鉆井作業(yè)中對全油基鉆井液的含水量要控制在3%以內(nèi)。

2）進(jìn)入潿洲組二段前逐漸提高鉆井液密度至1.50 g／cm3，同時提高PF-MOLSF防塌樹脂總濃度為14%～16%，PF-MORLF乳化瀝青總濃度為5.0%～5.5%，通過補(bǔ)充乳化劑維護(hù)乳狀液穩(wěn)定性，油水比盡量維持在95∶5以上，破乳電壓在1 900～2 000 V，保證返出巖屑干爽。

3）進(jìn)入潿洲組二段后，適當(dāng)改變活動池中有機(jī)土和MORLF（乳化瀝青）的加量以調(diào)節(jié)全油基鉆井液的切力和黏度。

4）預(yù)計在2 389 m鉆遇斷層，進(jìn)斷層前50 m先循環(huán)井眼干凈，降低環(huán)空鉆屑濃度；同時向活動池加入EZCARB（高品質(zhì)超細(xì)碳酸鈣）2 t和MOLSF（防塌樹脂）1 t，以增加全油基鉆井液的封堵能力，進(jìn)而提高濾餅的韌度和護(hù)壁能力。

在潿洲組二段長達(dá)1 200 m的易垮塌地層鉆進(jìn)過程中振動篩返出沒有發(fā)現(xiàn)掉塊，且沒有出現(xiàn)完鉆后短起下鉆遇阻卡，長起下套管順利，井徑規(guī)則，表明井壁穩(wěn)定性良好，沒有出現(xiàn)前期井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。此井投產(chǎn)后即進(jìn)行產(chǎn)能測試，表皮系數(shù)測得為-4，而采用優(yōu)化前的油基鉆井液在臨近探井測試時取得表皮系數(shù)均大于15，表明配方優(yōu)化后的全油基強(qiáng)封堵鉆井液在井壁穩(wěn)定和儲層保護(hù)方面得到了較大幅度的提高。易垮塌地層鉆進(jìn)期間鉆井液性能見表9。

表9 X1井2 200～3 200 m井段全油基鉆井液性能Table 9 Rheology of full oil-based drilling fluid in 2 200～3 200 m of Well X1

4 結(jié)論

1）通過提高鉆井液油水比、采用復(fù)合乳化劑并優(yōu)化乳化劑加量比例以提高乳狀液穩(wěn)定性和優(yōu)化封堵承壓機(jī)理，進(jìn)而改善泥頁巖易水化分散和封堵承壓效果，同時對黏度與切力提升進(jìn)行實驗室試驗優(yōu)化。室內(nèi)評價研究表明，優(yōu)化后的全油基強(qiáng)封堵油基鉆井液在流變性、沉降穩(wěn)定性、抗水／土污染性、儲層保護(hù)性、抑制性，均能達(dá)到潿洲W油田潿二段易垮塌地層對鉆井液性能的要求。

2）現(xiàn)場應(yīng)用表明，優(yōu)化后的全油基鉆井液可以有效解決潿洲W油田潿二段易垮塌地層井壁失穩(wěn)以及儲層保護(hù)問題，可為類似地層鉆進(jìn)提供借鑒。