巨厚煤層鉆井液的研制及在伊寧1井的應(yīng)用

夏烈虎，管中原，鄭文武，張靈霞，劉中信，蒲尚樹

(1.中國(guó)石化河南石油工程有限公司，河南南陽(yáng) 473132；2.中國(guó)石化河南油田分公司工程技術(shù)研究院；3.中國(guó)石化河南石油工程有限公司鉆井公司)

巨厚煤層鉆井液的研制及在伊寧1井的應(yīng)用

夏烈虎1，管中原1，鄭文武1，張靈霞2，劉中信1，蒲尚樹3

(1.中國(guó)石化河南石油工程有限公司，河南南陽(yáng) 473132；2.中國(guó)石化河南油田分公司工程技術(shù)研究院；3.中國(guó)石化河南石油工程有限公司鉆井公司)

針對(duì)伊寧1井三開西山窯組和八道灣組碎屑泥巖及炭質(zhì)泥巖夾多套厚煤層，膠結(jié)差、微裂縫發(fā)育、性脆易破碎垮塌諸多難題，研制出抗溫、強(qiáng)封堵抑制防塌聚磺鉆井液體系。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該鉆井液體系抗溫抑制性強(qiáng)、潤(rùn)滑防塌效果好、性能穩(wěn)定、高溫高壓濾失量低，有效控制了碎屑泥巖的吸水膨脹縮徑及造漿和煤層及炭質(zhì)泥巖的垮塌，保證了3 194～4 540 m井段41個(gè)共178 m的巨厚煤層和26個(gè)炭質(zhì)泥巖層的順利鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中井眼穩(wěn)定，起下鉆順暢，而且電測(cè)一次成功。

伊寧1井；巨厚煤層；鉆井液；河南油田

伊寧1井是河南油田在伊犁盆地伊寧凹陷寧1井?dāng)啾菢?gòu)造上部署的第一口重點(diǎn)預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深5 500 m，主要目的層為三疊系白堿灘組和克拉瑪依組，設(shè)計(jì)鉆遇地層有新生界古近系、中生界白堊系、侏羅系和三疊系。其中，2 000～4 500 m的侏羅系西山窯組、三工河組和八道灣組為灰色細(xì)碎屑巖、炭質(zhì)泥巖夾多套厚煤層。

伊寧1井為四開井深結(jié)構(gòu)，一開用φ660.4 mm鉆頭，坂土聚合物鉆井液鉆至井深215 m，下φ508 mm表層套管至212.61 m；二開用φ406.4 mm鉆頭，聚合物鉆井液鉆至1 809 m，下φ339.7 mm技術(shù)套管至1807.62 m；三開用φ311.1 mm鉆頭，先用聚合物，后用抗高溫強(qiáng)封堵抑制聚磺防塌鉆井液，順利鉆至4 553 m(其中，3 194～4 540 m共41個(gè)煤層總厚178 m，單層最厚為30 m，并含大段碎屑泥巖和炭質(zhì)泥巖)，下φ244.5 mm的技術(shù)套管至4 549.42 m；四開用φ215.9 mm鉆頭，用非滲透聚磺防塌鉆井液鉆至完鉆井深5 540 m，下φ139.7 mm的生產(chǎn)套管至5 532.52 m。

1 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)分析

(1)煤巖硬度小強(qiáng)度低，為鱗片狀，無膠結(jié)，微裂縫發(fā)育，存在大量的親水表面和強(qiáng)烈的毛細(xì)管作用，性脆易破碎。鉆井液進(jìn)入煤層后，毛細(xì)管效應(yīng)引起煤巖內(nèi)聚力下降，微裂縫變大，煤巖強(qiáng)度下降；在鉆井機(jī)械力作用下，壓力波動(dòng)、水力沖擊振動(dòng)、鉆柱的機(jī)械碰撞等都會(huì)誘發(fā)或加劇煤層的坍塌，加之井深、裸眼段長(zhǎng)、起下鉆次數(shù)多，更會(huì)加劇上述的作用，引起煤層破碎坍塌。這就要求鉆井液有很好的封堵防煤層垮塌的能力。

(2)煤層之間為灰色細(xì)碎屑泥巖及炭質(zhì)泥巖，細(xì)碎屑泥巖質(zhì)純、性軟、易吸水膨脹縮徑和分散造漿，巖屑成快狀；炭質(zhì)泥巖質(zhì)雜、較硬脆、微裂縫發(fā)育、吸水膨脹及造漿性較差、易破碎，巖屑成片狀。鉆井液進(jìn)入碎屑泥巖及炭質(zhì)泥巖段，會(huì)使泥巖吸水膨脹，擠壓炭質(zhì)泥巖和煤巖，引起垮塌。這就要求鉆井液不僅要有抑制碎屑泥巖膨脹縮徑和分散造漿的能力，還要有很強(qiáng)的防炭質(zhì)泥巖及煤層垮塌的作用。

(3)細(xì)碎屑泥巖及炭質(zhì)泥巖夾多層煤層地層，煤層一旦垮塌，就會(huì)形成糖葫蘆井眼，與其相連的上部細(xì)碎屑泥巖及炭質(zhì)泥巖就會(huì)失去支撐作用，在鉆井液壓力波動(dòng)、水力沖擊和鉆具的機(jī)械碰撞下易垮塌。大量的大塊垮塌物積存在井眼大肚子中，就會(huì)造成鉆井液攜帶困難和起下鉆阻卡。

(4)該區(qū)塊地溫梯度較高，達(dá)3.5 ℃/100 m，預(yù)計(jì)三開完4 500 m井底溫度達(dá)150 ℃左右。高溫會(huì)導(dǎo)致部分鉆井液處理劑降解失效，鉆井液增稠或減稠，需解決鉆井液在高溫下的流變性控制、濾失造壁性控制等問題。

2 鉆井液配方的優(yōu)選[1-4]

2.1 抗高溫大分子絮凝抑制劑

實(shí)驗(yàn)用寧1井3 804～3 842 m八道灣組3.2～2.0 mm的碎屑泥巖巖樣，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%大分子聚合物溶液中滾動(dòng)16 h(140 ℃)，回收率結(jié)果見表1；以寧1井3 804～3 842 m八道灣組0.15 mm巖粉作樣品，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的大分子聚合物溶液中進(jìn)行抑制膨脹實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。從中可看出，CP-1處理劑的巖屑滾動(dòng)回收率和抑制巖粉膨脹降低率都最高，其次是KPAM和FA-367。

表1 抑制劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

2.2 封堵劑

實(shí)驗(yàn)用5%加堿膨潤(rùn)土漿+2.0%巖粉(寧1井3 804～3 842 m八道灣組)+0.2%CP-1為作為基漿，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的聚合醇JMS-1、FT-1、SFT-120、SFT-160，測(cè)砂床濾失量、中壓濾失量和高溫高壓濾失量(150℃、3.5MPa)，其結(jié)果見表2。從中看出，常溫下各種封堵劑的降中壓濾失量差別不大，降高溫高壓濾失量最好的是SFT-160。

表2 封堵劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果

封堵劑砂床濾失量/mLFLAPI/mLFLHTHP/mL基漿4．28．339．0JMS-11．27．634．8SFT-1200．27．519．6SFT-1600．37．418．2FT-10．27．732．4

2.3 高溫高壓降濾失劑

實(shí)驗(yàn)基漿同2.2，加入抗高溫降濾失劑，測(cè)得的濾失結(jié)果如表3所示，從中可以看出，CSMP-I、SMP-1、SPNH 降高溫高壓濾失量較好，CSMP-I+SPNH 復(fù)配加入后，降高溫高壓濾失量效果更好，明顯優(yōu)于CSMP-I、SMP-1、SPNH。

2.4 潤(rùn)滑劑

實(shí)驗(yàn)基漿同2.2，用E.P極壓潤(rùn)滑儀評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑在基漿中的潤(rùn)滑系數(shù)，同時(shí)測(cè)定了起泡性能，結(jié)果如表4所示。從中可看出，在相同加量情況下，抗高溫潤(rùn)滑劑JRH626潤(rùn)滑性最好，其次是固體潤(rùn)滑劑GR-1、乳化石蠟SL-1和聚合醇JMS-1。

表3 高溫高壓降濾失劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果

降濾失劑FLAPI/mLFLHTHP/mL基漿8．339．0陽(yáng)離子磺化酚醛樹CSMP-I6．826．2磺化酚醛樹SMP-16．625．6褐煤樹脂SPNH6．224．6磺化褐煤SMC7．627．4磺化腐植酸鉻7．828．0CSMP-I+SPNH5．818．2

表4 潤(rùn)滑劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果

潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑性系數(shù)起泡率/%基漿0．3500．5%抗高溫潤(rùn)滑劑JRH6260．1331．0%抗高溫潤(rùn)滑劑JRH6260．1171．0%固體潤(rùn)滑劑GR-10．1512．0%固體潤(rùn)滑劑GR-10．1331．0%乳化石蠟SL-10．1842．0%乳化石蠟SL-10．1582．0%聚合醇JMS-10．173

通過上述實(shí)驗(yàn)，得出伊寧1井三開鉆煤層抗溫強(qiáng)封堵抑制防塌聚磺鉆井液配方為：5.0%鈉膨潤(rùn)土漿+0.1%NaOH+0.15%CP-1+0.20%FA-367+2.0% CSMP-I+2.0%SPNH+1.5%SFT-120+1.5%SFT-160+0.5% JRH626+2.0% GR-1。用石灰石粉加重至1.30 g/cm3，150 ℃滾動(dòng)16 h后，性能見表5。

表5 鉆井液老化前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果(測(cè)溫25℃)

參數(shù)老化前老化后ρ/(g·cm-3)1．301．29PV/MPa·s3530YP/Pa128Gel/(Pa·Pa-1)3/132/8FLAPI/mL3．22．2FLHTHP/mL12．4

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

3.1 鉆井液工藝技術(shù)

(1)鉆井液體系的轉(zhuǎn)換。按設(shè)計(jì)要求，三開使用密度1.20～1.28 g/cm3的聚合物鉆井液鉆至2 900 m西山窯組地層，將鉆井液轉(zhuǎn)換成強(qiáng)封堵抑制防塌鉆井液體系。轉(zhuǎn)換辦法是在井漿中加入抑制劑、封堵防塌劑、潤(rùn)滑處理劑、固體粉劑配成膠液，JMS-1、 JRH626、GR-1等在鉆進(jìn)中按循環(huán)周均勻加入，膠液配方為：生產(chǎn)水+0.2%NaOH+0.3%CP-1+0.5% FA-367+3%SPNH+3% CSMP-I+3%SFT-120。

(2)補(bǔ)充預(yù)水化好的坂土漿，用石灰石粉逐步提高鉆井液密度至1.30 g/cm3設(shè)計(jì)要求。鉆煤層前鉆井液中的坂土含量為45 g/L，CP-1、FA-367的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0.10%以上，SPNH、CSMP-I、SFT-120的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)2.0%，JMS-1、JRH626質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)1.0%，隨鉆加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的GR-1和QS-2后，進(jìn)一步改善泥餅質(zhì)量，封堵煤層孔隙、裂縫，減少了鉆井液濾液滲入量。

(3)鉆井液性能的維護(hù)處理。用燒堿調(diào)整鉆井液的pH值在8.5～9.5，避免pH值過高造成泥巖鉆屑細(xì)分散影響鉆井液性能；及時(shí)補(bǔ)充護(hù)膠的預(yù)水化坂土漿，保證鉆井液中的坂土含量在40～50 g/L；CP-1、FA-367、SPNH、CSMP-I、SFT-120等固體粉劑配成膠液攪拌溶解后，與JMS-1、JRH626、 GR-1在鉆進(jìn)中按循環(huán)周均勻加入。根據(jù)鉆井液性能的變化要求，適時(shí)調(diào)整處理劑的加量，保證鉆井液中的抑制劑、封堵防塌劑和潤(rùn)滑劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

(4)維持低的鉆井液濾失量。煤層鉆進(jìn)過程中，由于濾液的浸入，泥巖吸水膨脹，擠壓炭質(zhì)泥巖和煤巖更加破碎，會(huì)引起垮塌。進(jìn)入煤層前維持低壓濾失量3.4～4.0 mL、高溫高壓濾失量8～12 mL，同時(shí)加入封堵材料，以在煤巖表面形成良好的濾餅，保護(hù)煤層穩(wěn)定。

(5)充分用好固控設(shè)備，及時(shí)清除鉆井液中的劣質(zhì)固相是控制好鉆井液性能的基礎(chǔ)。鉆煤層期間，使用孔徑0.125 mm的篩布，除砂器運(yùn)轉(zhuǎn)率100%，間斷使用離心機(jī)，及時(shí)清除鉆井液中的巖屑和煤屑。必要時(shí)用石灰石粉加重，保持鉆井液密度穩(wěn)定在1.30 g/cm3，含砂量穩(wěn)定在0.05%～0.1%，摩阻系數(shù)穩(wěn)定在0.05～0.07。

(6)維持鉆井液為平板型層流。為減輕鉆井液對(duì)井壁的沖刷作用和有效提高鉆井液的攜巖性，在整個(gè)鉆含煤地層期間，控制鉆井液為平板型層流。漏斗黏度70～80 s，塑性黏度15～25 mPa·s，動(dòng)切力10～13 Pa，動(dòng)塑比0.6～0.7 Pa/mPa·s，靜切力3～5 Pa /10～15 Pa。

3.2 應(yīng)用效果

(1)該井使用上述鉆井液工藝技術(shù)和工程技術(shù)措施，安全順利鉆穿在3 194～4 540 m井段41個(gè)煤層共178 m的巨厚煤層，最厚一個(gè)煤層達(dá)30 m，以及26個(gè)炭質(zhì)泥巖層102 m。

(2)鉆進(jìn)過程中井眼穩(wěn)定，起下鉆順暢，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的大塊垮塌和起下鉆阻卡現(xiàn)象。

(3)中完電測(cè)順利，無阻卡，一次成功。

(4)電測(cè)顯示，自3 100～4 550 m井段平均井徑擴(kuò)大率為8.6%，其中，最大處在4 200～4 225 m的炭質(zhì)泥巖井段，為22.36%，最小處在4500～4 550 m井段的巨厚煤層井段，為1.6%。41個(gè)煤層178 m，平均井徑擴(kuò)大率為10.6%。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)研究的抗溫強(qiáng)封堵抑制防塌聚磺鉆井液抑制性好，封堵能力強(qiáng)，潤(rùn)滑性好，既能抑制碎屑泥巖的水化膨脹縮徑和分散造漿，又有很好的封堵護(hù)壁防塌作用，保證了3100～4 553 m井段41層共178 m的巨厚煤層和碎屑泥巖及炭質(zhì)泥巖段的井壁穩(wěn)定。

(2)進(jìn)入煤層段前，鉆井液密度為1.20～1.28 g/cm3，煤層段鉆進(jìn)時(shí)的鉆井液密度為1.30 g/cm3，避免了上下大幅度波動(dòng)，低壓濾失量為3.4～4.0 mL，高溫高壓濾失量為8～12 mL。

(3)合適平穩(wěn)的鉆井液密度、較高的黏切、平板型層流以及低的高溫高壓濾失量對(duì)保證煤層及炭質(zhì)泥巖段井壁穩(wěn)定性是不可缺少的要求。

[1] 夏宏南,劉小力,王小建,等.煤層鉆井液技術(shù)研究綜述[J].內(nèi)蒙古石油化工,2006,16(6):1-3.

[2] 王錦昌,鄧紅琳,袁立鶴,等.大牛地氣田煤層失穩(wěn)機(jī)理分析及對(duì)策[J].石油鉆采工藝,2012,34(2)：4-8.

[3] 夏延波，席風(fēng)林，雍富華.等.煤層氣井沙試3井鉆井液體系的研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液,2005,22(1)：71-73.

[4] 石向前，安朝明，羅楊淑.吐哈油田煤層安全鉆進(jìn)技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù),2002,30(2)：22-23.

編輯：劉洪樹

1673-8217(2015)03-0095-03

2014-10-30

夏烈虎，高級(jí)工程師，1973年生， 1996年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程(鉆井)專業(yè)，現(xiàn)從事鉆井工程管理及技術(shù)工作。

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