準噶爾盆地中部2區塊鉆井液研發及應用

邱春陽， 王寶田, 何興華, 司賢群

(中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工程技術公司， 山東 東營 257064)

中部2區塊位于準噶爾盆地中央坳陷內，區塊主體處于東道海子北凹陷中部，向西達到漠北凸起邊緣.中部2區塊勘探程度較低，僅在西部有成1井完鉆.由于地質構造復雜，鉆遇地層較多，施工中復雜事故不斷，上部地層起下鉆阻卡，下部地層井壁失穩，嚴重制約該區塊的勘探開發進程.為了為確保勘探施工的順利，提高探井鉆探成功率及準確評價和發現中部2區塊地下油氣資源，急需研發與之相適宜的鉆井液體系.

1 地質概況及鉆井液技術難點

中部2區塊鉆遇地層較多，區塊自上而下發育新近系、古近系，白堊系東溝組、連木沁+勝金口組、呼圖壁組和清水河組，侏羅系頭屯河組、西山窯組、三工河組和八道灣組，從地層特點及井身結構來看，施工中易出現以下技術難點：

1)東溝組到清水河組，地層褐紅色、棕紅色和紫紅色泥巖較軟，易吸水膨脹縮徑，導致起下鉆遇阻.

2)井身結構設計上看，二開裸眼井段長達3200m.裸眼段上部和下部地層壓力不同，巖性特征不同，鉆井液密度和維護處理工藝不同，易發生上漏下塌的復雜情況；另外，裸眼段長，施工周期增長，致使井壁浸泡時間長，起下鉆次數多，對井壁碰撞、抽吸的機率增多，井壁失穩趨勢增大.

3)侏羅系發育碳質泥巖、煤層及煤線，局部泥巖、砂巖及煤互層，特別是西山窯組發育多套煤層，煤巖的彈性模量較低，抗壓、抗拉強度弱，脆性大，膠結性差，受到鉆井液沖刷與鉆具振動時易坍塌；碳質泥巖較硬，易發生應力性垮塌；泥巖、砂巖及煤巖互層時，泥巖及砂巖的水化導致其上煤層因支撐強度降低而坍塌，同樣，煤層的坍塌也會促使上部泥頁巖坍塌，形成惡性循環，井壁失穩嚴重.

4)三開井底溫度高，鉆井液處理劑在高溫下易發生老化，分子鏈斷裂，鉆井液體系性能惡化；高溫下，膨潤土發生惰性，維護鉆井液性能的穩定越來越困難；據調研，侏羅系中下部地層異常高壓[1-2]，必須使用高密度鉆井液體系進行鉆進，高溫下，高密度鉆井液流變性的調控具有一定難度.

2 鉆井液體系的研究

2.1 鉆井液體系的選擇

通過國內長裸眼井、煤層、深井及超深井鉆井液使用情況調研[3-7]，結合鄰近區塊鉆井液施工經驗，針對準噶爾盆地中部2區塊地層巖性特點及施工難點，經過處理劑優選及性能優化，研發了鋁胺抑制防塌鉆井液，基本配方如下：

(4.0～6.0)%膨潤土+(0.3～0.6)%聚丙烯酸鉀KPAM+(1.0～2.0)%鋁絡合物抑制劑+(0.5～1.0)%有機胺+(2.0～3.5)%無水聚合醇+(2.0～3.0)%抗高溫抗鹽防塌降濾失劑+(3.0～5.0)%磺化酚醛樹脂SMP-1+(0.5～1.5)%非滲透成膜封堵劑+(3.0～5.0)%低熒光井壁穩定劑+(2.0～3.0)%超細碳酸鈣.

2.2 鉆井液體系作用機理

有機胺分子上多個獨立的胺基可充填在粘土顆粒的晶層之間，并把它們束縛在一起，有效地減少粘土的吸水傾向，其抑制作用具有長效性，抗沖刷能力強，保證鉆井作業結束后也具有長時間的抑制效果[8].

鋁絡合物在pH值為9時以液態存在，當其滲入地層后，在溫度、壓力和適當的pH值條件下，與粘土結合形成具有固結作用的硅鋁酸鹽不滲透層，阻止濾液的進一步侵入.當它進入頁巖內部后，與地層中多價陽離子發生化學反應生成沉淀，增強其在頁巖孔喉或微裂縫內的井壁穩定性[9].

聚合醇具有“濁點效應”，當地層溫度低于濁點溫度時，聚合醇吸附在鉆具和固體顆粒表面，形成憎水膜，阻止泥頁巖水化分散，穩定井壁，改善潤滑性，防止鉆頭泥包.當地層溫度高于其濁點溫度時，聚合醇從鉆井液中析出，粘附在鉆具和井壁上，封堵巖石孔隙，阻止濾液滲入地層，實現穩定井壁的作用[10].

非滲透成膜封堵劑，在井壁巖石表面形成致密非滲透封堵薄膜，能夠有效封堵不同滲透性地層和微裂縫泥頁巖地層，穩定井壁[11].

低熒光井壁穩定劑是瀝青類產品，通過“軟化點”機理[12]，配合超細碳酸鈣，封堵地層層理、孔隙和微細裂縫，達到穩定井壁的效果.

3 鉆井液性能評價

3.1 抑制性能評價

采用頁巖膨脹實驗和抑制巖屑分散實驗，對鉆井液的抑制性進行了考察，實驗結果見表1.

表1 抑制性能評價實驗

由表1可知，巖心在鋁胺抑制防塌鉆井液中16h 的線膨脹高度僅為0.52mm，顯著低于在聚磺鉆井液中的膨脹高度(1.45mm)；并且鋁胺抑制防塌鉆井液的巖屑回收率達到93.5%，顯著高于聚磺鉆井液的回收率，可見鋁胺抑制防塌鉆井液抑制性強，能顯著降低泥頁巖的水化膨脹.

3.2 封堵性能評價

采用直徑為30～40(0.420～0.590μm)目的石英砂作為過濾介質，分別加入聚磺鉆井液和鋁胺抑制防塌鉆井液，固定后加壓0.69MPa，檢驗鉆井液的封堵能力.實驗結果見表2中所示.

表2 封堵性能評價實驗

鋁胺抑制防塌鉆井液加壓15min后侵入砂床的深度為0.8cm，加壓60min后侵入砂床的深度為1.1cm，相差不大，說明鋁胺抑制防塌鉆井液在壓差下，能夠快速形成一個承壓封堵帶，阻止濾液向地層的滲透.

4 現場鉆井液技術

4.1 合理密度支撐

由于力學因素引起的井壁垮塌，只有通過力學平衡才能解決.在二開裸眼段下部及煤層鉆進時，保證對地層的正壓差，通過鉆井液液柱徑向支撐平衡地層坍塌壓力，達到防止井壁坍塌的目的.

4.2 多元協同抑制

針對二開上部地層泥巖易吸水膨脹及煤泥互層特點，使用鋁絡合物、有機胺和無水聚合醇，多元協同增強鉆井液濾液的抑制性，一則抑制泥巖段的吸水膨脹，防止縮徑卡鉆；二則降低泥煤互層中泥巖的水化程度，防止煤層段的井壁失穩.

4.3 雙重封堵防塌

鉆進到二開長裸眼段和煤層井段時，鉆井液中加入瀝青和非滲透成膜封堵劑，配合不同粒徑的超細碳酸鈣，依靠封堵材料協同作用，使鉆井液能夠在井壁上形成一層薄而致密的不滲透嚴封堵層，一則封堵長裸眼段上部疏松地層，增加其承壓能力；二則封堵煤層，以減緩鉆井液濾液對地層的侵入，并有效發揮鉆井液液柱壓力對井壁的物理支撐作用.

4.4 流變性調控

二開上部地層鉆進中保持鉆井液低粘、低切及低固相，釋放鉆頭水馬力，適當沖刷井壁，提高機械鉆速；二開下部地層及煤層段鉆進中適當增加鉆井液的粘切，變紊流為層流，增強鉆井液護壁防塌能力，保持井壁穩定；使用抗高溫處理劑，并以膠液形式補充，保持其足夠的含量，以確保鉆井液的穩定性.

5 現場應用

5.1 應用井概況

成3井是部署在準噶爾盆地中央坳陷東道海子北凹陷東北部成3井區巖性圈閉高部位的一口重點預探井，主探侏羅系八道灣和頭屯河組，兼探三工河組含油氣情況.該井采用三開制方式鉆進，一開Ф444.5mm鉆頭鉆深507.00m，Ф339.7mm套管下深506.47m；二開Ф311.2mm鉆頭鉆深3 775.00m，Ф244.5mm套管下深3 772.78m；三開Ф215.9mm鉆頭鉆深4 821.00m完鉆，裸眼完井.

5.2 應用效果

成3井從二開使用鋁胺抑制防塌鉆井液體系，取得了良好的應用效果.

1)抑制性好

鄰井在連木沁組至清水河組井段鉆進時造漿嚴重，使用常規聚磺鉆井液體系流變性變差，鉆井液性能控制困難.而本井使用鋁胺抑制防塌鉆井液體系后，抑制性明顯增強，流變性好.

2)封堵性強

二開裸眼段長達3268m，施工中井壁穩定，起下鉆暢通無阻，平均井徑擴大率為8.95%；三開侏羅系井壁穩定，平均井徑擴大率僅為5.24%.

3)煤層防塌效果好

侏羅系鉆遇純煤層共計12層，累計51m，鉆遇煤層時井壁穩定，西山窯組井徑平均擴大率為6.39%，解決了侏羅系煤層段的井壁失穩難題.

4)完井作業順利

下套管順利；電測順利，測井12次，一次成功率100%；共取芯4筒，取芯進尺32.65m，芯長32.65m，取芯收獲率100%，圓滿完成了取芯任務.

5)提高了施工效率

二開預計機械鉆速1.59m/h，實際8.89m/h，機械鉆速提高了5.59倍.三開預計機械鉆速1.05m/h，實際4.40m/h，機械鉆速提高了4.19倍.全井平均機械鉆速為7.68m/h，施工效率比預期提高了4倍.

6 結論

(1)鋁胺抑制防塌鉆井液采用多元抑制及雙重封堵措施，抑制性強，封堵性好，配合現場鉆井液技術，解決了長裸眼及煤層段的井壁失穩難題.

(2)二開裸眼段長，地層壓力上低下高，鉆至二開下部井段時，鉆井液中要加足封堵材料，提高上部地層的承壓能力，防止發生復雜事故.

(3)煤層段井壁穩定的關鍵是鉆井液具有良好的封堵性和抑制性，基礎是鉆井液具有良好的流變性，前提是必須保持鉆井液液柱對地層的正壓差.

(4)鋁胺抑制防塌鉆井液體系必須控制有機胺的加量，防止加量過多弱化體系的造壁性和封堵性.

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