川西高廟111水平井水基鉆井液技術(shù)

王忠瑾，司西強(qiáng)，陸為綱，孫書(shū)芳，王繼海，任忠新，王華梁

1.中國(guó)石化中原石油工程有限公司 鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001；2.中國(guó)石化中原石油工程有限公司 鉆井二公司，河南 濮陽(yáng) 457001

高廟111水平井是西南油氣分公司在四川盆地川西坳陷新場(chǎng)構(gòu)造帶高廟子構(gòu)造布置的一口套管開(kāi)窗側(cè)鉆三維水平井。高廟111井二開(kāi)尾管完井，已完成壓裂改造，求產(chǎn)期間產(chǎn)氣3 456.77 m3，根據(jù)鉆探任務(wù)進(jìn)度安排，基于現(xiàn)有地質(zhì)認(rèn)識(shí)和工程工藝技術(shù)對(duì)高廟111井進(jìn)行開(kāi)窗側(cè)鉆，側(cè)鉆點(diǎn)1 700 m，設(shè)計(jì)垂深2 599 m、斜深3 782 m，實(shí)際完鉆井深3 540 m(水平段636.72 m)，實(shí)際側(cè)鉆井段1 700～3 540 m，裸眼段長(zhǎng)達(dá)1 840 m，整個(gè)裸眼段包含了遂寧組、上沙溪廟組和下沙溪廟組等多套易坍塌掉塊層位，井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)大。在鄰井施工過(guò)程中，遂寧組和沙溪廟組泥巖及泥沙互層頻繁發(fā)生井壁失穩(wěn)坍塌掉塊，形成“大肚子”井眼，后期施工砂子難以及時(shí)帶出，形成砂床，導(dǎo)致起下鉆遇阻，頻繁劃眼，電測(cè)下套管困難，甚至對(duì)鉆井安全、固井質(zhì)量及后期的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了較大的影響。針對(duì)上述問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)氯化鉀聚合物鉆井液體系基礎(chǔ)上，引入泥頁(yè)巖抑制劑支化聚醚胺[1]，提高瀝青類封堵劑含量加強(qiáng)鉆井液封堵性能，形成一種強(qiáng)抑制的封堵防塌鉆井液體系，并在高廟111水平井進(jìn)行了應(yīng)用，有效解決了鄰井普遍存在的井壁失穩(wěn)難題。

1 地質(zhì)工程概況

1.1 地質(zhì)巖性描述

高廟111水平井從1 700 m開(kāi)窗側(cè)鉆，鉆遇遂寧組、上沙溪廟組和下沙溪廟組，實(shí)鉆巖性分層描述如表1所示。

表1 高廟111井巖性分層描述

1.2 工程概況

本井是利用高廟111井進(jìn)行的開(kāi)窗側(cè)鉆水平井，開(kāi)窗工藝采用斜向器+銑錐開(kāi)窗方式，開(kāi)窗確定方位要求采用陀螺測(cè)量。結(jié)合高廟111井實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)，水平段采用Φ215.9 mm鉆頭開(kāi)窗側(cè)鉆。為提高側(cè)鉆可靠性，開(kāi)窗前在封隔器以上2 350～1 941.63 m井段擠打水泥塞封堵原井眼139.7 mm套管內(nèi)井段，在244.5 mm套管內(nèi)1 941.63～1 600 m井段打懸掛器位置水泥塞及側(cè)鉆水泥塞，采用憋壓候凝方式，在水泥塞承重試壓合格后、做井筒準(zhǔn)備工作，下掃塞鉆具掃塞至開(kāi)窗點(diǎn)以下(預(yù)留斜向器座掛位置)。刮管通井后下入斜向器至井深約1 700 m，定位后進(jìn)行銑錐鉆具進(jìn)行開(kāi)窗、修窗及試鉆進(jìn)5 m，然后下入常規(guī)鉆具組合盲打±15 m，井筒處理合格后再換正常鉆進(jìn)鉆具進(jìn)行造斜作業(yè)。高廟111水平井井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2 主要技術(shù)難點(diǎn)

2.1 地層壓力系數(shù)高

本井地層壓力系數(shù)達(dá)1.8，設(shè)計(jì)鉆井液密度達(dá)2.05 g/cm3，根據(jù)高廟區(qū)塊鄰井實(shí)鉆情況，實(shí)鉆鉆井液密度達(dá)2.10～2.15 g/cm3。高密度鉆井液固相含量高，既要求處理劑加入鉆井液中具有較低的高溫高壓濾失量以及較好的抗污染能力，又要求鉆井液具有較好的流變性及沉降穩(wěn)定性，加之鉆井過(guò)程中劣質(zhì)鉆屑積累導(dǎo)致鉆井液固相控制更加困難，易造成鉆井液黏度、切力大幅上漲且不穩(wěn)定，流型調(diào)節(jié)難度大。

2.2 地層造漿嚴(yán)重

鉆遇遂寧組和上沙溪廟組，根據(jù)鄰井高沙311HF井、高廟32-1井等井的現(xiàn)場(chǎng)施工情況看，該區(qū)塊地層以泥巖發(fā)育為主，地層造漿嚴(yán)重，易造成鉆井液搬含上漲而導(dǎo)致鉆井液黏切上漲難以控制，造成后期維護(hù)處理頻繁，工作量大，泥漿成本偏高。地層易造漿特性要求鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性能。

2.3 地層巖性交錯(cuò)，井壁穩(wěn)定要求高

本井從遂寧組開(kāi)始造斜，鉆穿上沙溪廟組，在下沙溪廟組著陸。鉆遇地層主要為棕紅色(粉砂質(zhì))泥巖夾淺灰、(泥質(zhì))粉砂巖，淺灰色細(xì)粒巖屑砂巖，紫棕色泥巖與淺灰、淺綠灰色細(xì)粒巖屑砂巖，粉砂巖不等厚互層等，巖性變換交錯(cuò)。地層中的泥巖易吸水膨脹剝落掉塊，對(duì)鉆井液的防塌能力提出了更高的要求。鄰井高沙311HF下鉆至井深1 973 m開(kāi)始遇阻，循環(huán)劃眼時(shí)返出大量泥餅和掉塊；鉆進(jìn)至井深2 300 m時(shí)循環(huán)起鉆至井深2 180 m遇阻倒劃眼；一開(kāi)中完通井下鉆在井段2 030～2 300 m遇阻。下鉆至2 840 m(下沙溪廟組)、起鉆至2 890 m分別遇阻。高廟33-4HF井鉆至2 300～2 800 m處，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的井塌現(xiàn)象，從振動(dòng)篩返出的掉塊最大達(dá)100 mm×90 mm×30 mm。

2.4 裸眼段長(zhǎng)，井眼軌跡差，對(duì)潤(rùn)滑性要求高

本井為一口開(kāi)窗側(cè)鉆三維水平井，為了避開(kāi)原井眼，設(shè)計(jì)井眼軌跡復(fù)雜，本井AB靶連線方位198.83°，側(cè)鉆點(diǎn)1 700 m，位移9.32 m；軌跡需要先向310°方向增斜，在井深1 920 m處井斜增至28.57°，走側(cè)向位移61.30 m；再在井深2 160 m將井斜降至17°，方位252°；然后在井深2 390 m再將井斜增至28.57°，方位降至198.83°調(diào)整至對(duì)靶點(diǎn)方位，走側(cè)向位移82.58 m。定向段反復(fù)增、降井斜，繞障扭方位，軌跡復(fù)雜，這就要求鉆井液具有更好的泥餅質(zhì)量及潤(rùn)滑性能，能有效降低摩阻與扭矩，滿足造斜段和水平段的安全施工。

3 鉆井液技術(shù)對(duì)策

現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配方：2%～3%預(yù)水化膨潤(rùn)土漿+1%～2%降濾失劑(Lv-CMC和HP)+0.5%～1%銨鹽+0.2%～0.5%固相化學(xué)清潔劑ZSC201+1%～2%樹(shù)脂褐煤HA+1%～1.2%磺化瀝青FT-1+3%～4%氯化鉀+燒堿+重晶石(根據(jù)實(shí)際情況添加)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配方來(lái)看，鉆井液具有一定的抑制防塌能力，但是針對(duì)高廟子區(qū)塊的復(fù)雜情況，鉆井液難以控制泥巖的水化分散，不足以保障井壁穩(wěn)定。針對(duì)這種情況，在現(xiàn)場(chǎng)鉆井液中引入一種新型泥頁(yè)巖強(qiáng)抑制劑支化聚醚胺PEA-1產(chǎn)品，加量為0.3%～0.5%，將氯化鉀及銨鹽加量適當(dāng)提高，加強(qiáng)鉆井液抑制防塌性能，并且提高磺化瀝青加量并復(fù)配膏狀乳化瀝青增強(qiáng)鉆井液封堵性能。

3.1 鉆井液抑制性

在現(xiàn)場(chǎng)氯化鉀聚合物鉆井液體系中加入0.3%～0.5%支化聚醚胺PEA-1產(chǎn)品，提高鉆井液抑制性能。支化聚醚胺PEA-1是由中原石油工程公司鉆井工程技術(shù)研究院原創(chuàng)研發(fā)的一種新型胺基抑制劑，該產(chǎn)品含有多個(gè)胺基吸附基團(tuán)，抑制黏土水化分散效果突出，它能夠隨濾液進(jìn)入近井壁地帶，拉緊黏土晶層間距，防止井壁坍塌；在較低加量條件下具有極強(qiáng)的相對(duì)抑制率，同等加量條件下比市售聚胺基抑制劑相對(duì)抑制率高。支化聚醚胺PEA-1在200 ℃下相對(duì)抑制率如圖2所示。

圖2 不同產(chǎn)品的相對(duì)抑制率對(duì)比

由圖2可知：在0.3%加量條件下，市售聚胺基抑制劑相對(duì)抑制率為85.58%，而支化聚醚胺PEA-1相對(duì)抑制率高達(dá)99.28%，相同條件下PEA-1能夠起到更好的抑制防塌作用。適當(dāng)提高氯化鉀及銨鹽含量，減少PEA-1消耗，在維持鉆井液具有較強(qiáng)抑制性能的同時(shí)降低成本。

3.2 鉆井液封堵性

調(diào)研了鄰井的鉆井施工情況，多數(shù)井在上沙溪廟組和下沙溪廟組交接地層，巖性變化大，加之下沙溪廟組結(jié)構(gòu)疏松，發(fā)生泥巖吸水膨脹、剝落掉塊形成“大肚子”井眼，造成遇阻和卡鉆等井下復(fù)雜事故。在加強(qiáng)鉆井液抑制性能的同時(shí)，必須加強(qiáng)鉆井液的封堵性能。室內(nèi)優(yōu)選出膏狀乳化瀝青，在鉆至下沙溪廟前100 m，使用乳化瀝青及磺化瀝青對(duì)地層進(jìn)行封堵，加量均在2%～3%。此外，根據(jù)施工過(guò)程中鉆井液的MBT數(shù)值，可以適當(dāng)補(bǔ)充預(yù)水化的優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土漿，采用Bettersize2000激光粒度儀測(cè)試預(yù)水化的4%膨潤(rùn)土漿黏土顆粒D50值為5.429 μm，具有很好的封堵特性，與乳化瀝青和磺化瀝青配合使用，能夠很好地提高鉆井液的封堵能力和濾餅質(zhì)量。

3.3 鉆井液潤(rùn)滑性

高廟111水平井設(shè)計(jì)裸眼段長(zhǎng)達(dá)2 082 m，加之井眼軌跡設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性能要求高。本井?dāng)M采取兩方面措施來(lái)降低摩阻和扭矩。一方面補(bǔ)充2%～4%液體潤(rùn)滑劑增加鉆井液潤(rùn)滑性能，另一方面通過(guò)加入乳化瀝青、磺化瀝青、小分子降濾失劑和石墨等處理劑來(lái)提高濾餅質(zhì)量，使形成的濾餅薄而韌且致密。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 鉆井液維護(hù)措施

1)在現(xiàn)場(chǎng)鉆井液中加入支化聚醚胺PEA-1前先做小型實(shí)驗(yàn)，確定PEA-1與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的配伍性能以及加量，現(xiàn)場(chǎng)鉆井液加入PEA-1前后性能如表2所示。

表2 小型實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)鉆井液加入PEA-1前后性能

由表2可以看出：支化聚醚胺PEA-1加量為0.3%～1.0%時(shí)，小型實(shí)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液流變性能及濾失量基本無(wú)影響，現(xiàn)場(chǎng)加入時(shí)按照循環(huán)周加入0.3%的PEA-1產(chǎn)品，加入前后實(shí)測(cè)鉆井液性能無(wú)變化，支化聚醚胺與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液適應(yīng)性較好。

2)鉆井液密度。根據(jù)導(dǎo)眼井高廟111井實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)及井下實(shí)際情況，適當(dāng)提高鉆井液密度。

3)鉆井液流變性能。①采用密度4.2 g/cm3的優(yōu)質(zhì)重晶石作為加重劑，減少人為引入劣質(zhì)固相進(jìn)入鉆井液；②引入泥頁(yè)巖強(qiáng)抑制劑支化聚醚胺PEA-1，有效抑制泥巖鉆屑水化分散，使搬土含量控制在20～30 g/L；③及時(shí)補(bǔ)充氯化鉀、銨鹽、樹(shù)脂和小分子聚合物等配制的加重膠液，利于控制鉆井液流型，增強(qiáng)鉆井液抑制性的同時(shí)減少支化聚醚胺的消耗；④在遂寧組和上沙溪廟組適當(dāng)提高ZSC-201含量，該處理劑具有較好的抑制增效作用。在有效加量范圍內(nèi)對(duì)鉆井液濾失量和流變性等影響小，能有效抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹分散，清除鉆井液中的有害固相，減少鉆井液中的亞微米粒子含量，保證鉆井液清潔[2-5]。⑤及時(shí)掏沉沙罐，振動(dòng)篩采用孔徑小于0.076 mm的篩網(wǎng)，合理使用高低速離心機(jī)，除去鉆井液中的有害固相，保證鉆井液清潔。

4)鉆井液潤(rùn)滑性能。①本井在造斜段加入3%～4%改性油酸酯類潤(rùn)滑劑；②提高鉆井液潤(rùn)滑性不僅可以通過(guò)加入潤(rùn)滑劑來(lái)提高，提高濾餅質(zhì)量也是降低定向、起下鉆摩阻的一種有效手段。本井在施工過(guò)程中加入乳化瀝青、磺化瀝青、石墨和樹(shù)脂等處理劑來(lái)提高濾餅質(zhì)量。

5)鉆井液封堵性能。上部遂寧組泥巖段地層鉆進(jìn)期間，適當(dāng)加入磺化瀝青FT-1和超細(xì)鈣等加強(qiáng)鉆井液封堵性能即可，減少鉆井液消耗；鉆至上沙溪廟組，補(bǔ)充1%～1.5%乳化瀝青等加強(qiáng)鉆井液封堵性能；鉆至下沙溪廟組前50～100 m，提高乳化瀝青和磺化瀝青FT-1含量，進(jìn)一步提高鉆井液封堵性能，保障交接層面泥沙互層的井壁穩(wěn)定。

6)短起下。上部泥巖地層，每鉆進(jìn)150～200 m，進(jìn)行一次短起下，及時(shí)破壞井壁上的軟泥餅，防止縮徑；下部泥沙互層、砂層，每鉆進(jìn)100～150 m進(jìn)行一次短起下，及時(shí)清理井壁的細(xì)砂，降低摩阻和扭矩，防止憋鉆、卡鉆。

4.2 應(yīng)用效果

1)井壁穩(wěn)定。本井的強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系具有良好的抑制鉆屑水化分散的能力，振動(dòng)篩返出的沙溪廟組鉆屑完整(圖3)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，遂寧組、上沙溪廟組及下沙溪廟組井壁穩(wěn)定，未見(jiàn)任何掉塊；而原高廟111井眼鉆至遂寧組和上沙溪廟組，井壁失穩(wěn)，從振動(dòng)篩返出大量掉塊(最大110 mm×50 mm×10 mm)，見(jiàn)圖4。調(diào)研鄰井鉆進(jìn)過(guò)程中均呈現(xiàn)不同程度的井壁失穩(wěn)，失穩(wěn)周期一般在3～20 d；本井自2020年9月25日23:00進(jìn)行開(kāi)窗作業(yè)，9月27日進(jìn)行側(cè)鉆水平段定向施工，鉆井液浸泡地層長(zhǎng)達(dá)78 d，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，初步解決了前期井出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)問(wèn)題。

2)鉆井液性能穩(wěn)定。本井鉆井液抑制性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的固相容納能力，在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆遇遂寧組大段泥巖及沙溪廟組泥沙互層，雖然侵入鉆井液中的泥巖較多，但是鉆井液的流變性及失水等性能保持穩(wěn)定，表明提高鉆井液抑制性能后，有助于鉆井液性能的穩(wěn)定。提高鉆井液封堵性后，有利于形成薄而致密的濾餅，減少濾液侵入地層，減弱鉆井液的壓力傳遞，可保障沙溪廟組泥沙互層的井壁穩(wěn)定。分段鉆井液性能見(jiàn)表3。由表3可知：正常鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井液黏度保持在55～70 s，在保障鉆井液具有良好攜砂能力下，保持鉆井液對(duì)井壁的沖刷清潔作用，能及時(shí)有效清除附著在井壁上的細(xì)砂，降低鉆進(jìn)過(guò)程及起下鉆過(guò)程中的摩阻和扭矩。

圖3 沙溪廟組返出的鉆屑

圖4 高廟111井遂寧組掉塊

表3 高廟111水平井分段鉆井液性能

5 認(rèn)識(shí)及建議

1)調(diào)研了川西高廟子、中江等區(qū)塊鉆井液應(yīng)用施工情況，發(fā)現(xiàn)在定向段和水平段長(zhǎng)，鉆遇遂寧組、上沙溪廟組和下沙溪廟組，巖性頻繁交錯(cuò)變換，易吸水膨脹剝落掉塊造成井眼垮塌，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化鉆井液抑制防塌及封堵性能。

2)在現(xiàn)場(chǎng)氯化鉀聚合物鉆井液基礎(chǔ)上引入泥頁(yè)巖強(qiáng)抑制劑支化聚醚胺形成一種強(qiáng)抑制防塌鉆井液，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，鉆井液抑制性能明顯增強(qiáng)，有效抑制了泥巖的分散，保障了井壁穩(wěn)定。

3)基于井眼軌跡設(shè)計(jì)復(fù)雜，給水平段施工帶來(lái)極大困難，尤其是鉆進(jìn)過(guò)程中扭矩大，起下鉆上提下放摩阻大，需要反復(fù)劃眼。施工周期無(wú)限延長(zhǎng)，井眼坍塌風(fēng)險(xiǎn)增大，并且易造成卡鉆及落魚(yú)事故，建議根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化井眼軌跡設(shè)計(jì)。