沙11井下部地層井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)

邱春陽，溫守云，張海青

(中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東東營 257064)

沙11井位于準(zhǔn)噶爾盆地達(dá)巴松凸起沙窩地斜坡，是一口重點(diǎn)預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深4 770.00 m，鉆探目的為了解中部1區(qū)塊沙窩地地區(qū)侏羅系三工河組及八道灣組砂體含油氣情況。采用三開制井身結(jié)構(gòu)鉆進(jìn)。一開φ444.5 mm鉆頭鉆深706.00 m，φ339.7 mm 表套下深 705.75 m;二開 φ311.2 mm鉆頭鉆深 3 376.00 m，φ244.5 mm 技套下深3 374.86 m;三 開 φ215.9 mm鉆頭鉆至井深4 700.00 m完鉆，φ139.7 mm 技套下深 4 694.59 m完井。該區(qū)塊上部地層鉆進(jìn)順利，鉆速快，但由于白堊系吐谷魯群組及以下地層地質(zhì)情況復(fù)雜，井壁失穩(wěn)頻發(fā)生，嚴(yán)重延長(zhǎng)鉆井周期。為保證鉆井施工順利，提高勘探開發(fā)效率，優(yōu)選了聚胺潤滑防塌鉆井液，配合相應(yīng)的鉆井液現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理工藝，順利鉆至目的層，為該區(qū)塊下步勘探開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

沙11井自上而下鉆遇新近系沙灣組和紫泥泉子組、白堊系東溝組和吐谷魯群組、侏羅系西山窯組、三工河組和八道灣組、三疊系白堿灘組，復(fù)雜情況多發(fā)井段主要在白堊系吐谷魯群組及其下部地層，鉆井液技術(shù)難點(diǎn)如下:

1)吐谷魯群組沉積較厚，上部地層泥頁巖水敏性強(qiáng)，吸水后膨脹分散，造成起下鉆阻卡;下部地層泥頁巖和砂巖互層頻繁，砂巖吸水后強(qiáng)度降低，造成其上支撐的泥巖垮塌，最終造成互層砂巖垮塌的惡性循環(huán)。

2)西山窯組煤層發(fā)育，泥頁巖中夾雜煤線，局部泥巖和煤巖互層。煤層性脆，抗拉及抗壓強(qiáng)度低，在外力撞擊下易破碎、坍塌;煤巖坍塌促使其上支撐的泥頁巖坍塌，形成“大肚子”井眼。

3)三工河組和八道灣組地層巖性堅(jiān)硬，研磨性強(qiáng)，地應(yīng)力作用強(qiáng)［1］，施工中如果鉆井液密度低，液柱壓力不能平衡地應(yīng)力，地應(yīng)力釋放導(dǎo)致井壁掉塊嚴(yán)重，且掉塊不易破碎，易造成卡鉆事故。

4)二開井眼大，使用大尺寸鉆頭鉆進(jìn)產(chǎn)屑量大，由于鉆井液環(huán)空返速低，巖屑在上返過程中會(huì)黏附在井壁上，形成虛厚泥餅，造成起下鉆遇阻或沉砂卡鉆事故。

5)三開地層可鉆性差，導(dǎo)致鉆井施工周期長(zhǎng)，裸眼井段在鉆井液中長(zhǎng)時(shí)間浸泡、各種工況下鉆進(jìn)液液柱壓力變化及未知因素嚴(yán)重影響三開裸眼井段的井壁穩(wěn)定。

2 井壁穩(wěn)定技術(shù)措施

1)鉆至吐谷魯群組，使用大分子聚合物和抑制劑，保證抑制劑和大分子聚合物在鉆井液中含量充足，使聚合物能有效包被絮凝鉆屑，防止泥頁巖發(fā)生水敏性垮塌;防止巖屑分散在鉆井液中形成虛泥餅導(dǎo)致縮徑卡鉆。

2)鉆至侏羅系地層，使用封堵劑，通過鉆井液在井壁上形成良好泥餅，對(duì)煤層、孔隙及裂縫進(jìn)行嚴(yán)封堵，防止鉆井液濾液侵入地層孔隙和微裂縫;有效發(fā)揮鉆井液液柱壓力對(duì)井壁的物理支撐作用，穩(wěn)定井壁。

3)保持鉆井液具有合適的流變性，使鉆井液具有適宜的懸浮攜帶能力，能將井底掉塊帶出，凈化井眼;在煤層段保證鉆井液在環(huán)空實(shí)現(xiàn)“平板層流”，減少流體對(duì)井壁的沖刷，防止井壁失穩(wěn)。

4)適宜的鉆井液密度，保證鉆井液液柱壓力對(duì)井壁形成正壓差，依靠鉆井液液柱壓力平衡地層坍塌壓力，保證井壁穩(wěn)定。

3 鉆井液體系研究

3.1 鉆井液體系配方

通過調(diào)研國內(nèi)深井［2－4］及煤層［5－7］鉆井液使用情況，結(jié)合鄰井鉆井液使用情況，針對(duì)沙11井地層巖性及施工中鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，經(jīng)鉆井液優(yōu)選，確定使用聚胺潤滑防塌鉆井液，基本配方為:

(3.0%～5.0%)膨潤土 +(0.3%～0.5%)NaOH+(0.2%～ 0.3%)Na2CO3+(0.3%～0.4%)聚丙烯酸鉀 KPAM+(0.5%～ 1.5%)有機(jī)胺+(1.5%～3.0%)無水聚合醇 WJH－1+(2.0%～3.0%)耐溫抗鹽防塌降濾失劑KFT－2+(2.0%～3.0%)磺化酚醛樹脂 SMP－2+(3.0%～4.0%)抗鹽抗鈣降濾失劑 JZC－1+(2.0%～3.0%)陽離子防塌劑 WFT －666+(2.0%～3.0%)井壁穩(wěn)定劑 HQ －1+(1.0%～2.0%)非滲透處理劑 LW －7+(2.0%～4.0%)超細(xì)碳酸鈣+(2.0%～3.0%)白油 +(0.5%～1.0%)硅氟稀釋劑。

3.2 作用機(jī)理

有機(jī)胺分子中含多個(gè)獨(dú)立的胺基，其可充填在黏土顆粒晶層間，并將他們束縛在一起，有效減少黏土的吸水傾向;另有機(jī)胺在體系中顯堿性，并使體系pH長(zhǎng)時(shí)間保持在堿性范圍內(nèi)，使鉆井液中各處理劑效能得到有效發(fā)揮，因此，其抑制作用具有長(zhǎng)效性［8］。

聚合醇具有“濁點(diǎn)效應(yīng)”，當(dāng)?shù)貙訙囟鹊陀跐狳c(diǎn)溫度時(shí)，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(wěn)定井壁，改善潤滑性，防止鉆頭泥包。當(dāng)?shù)貙訙囟雀哂谄錆狳c(diǎn)溫度時(shí)，聚合醇從鉆井液中析出，黏附在鉆具和井壁上，封堵巖石孔隙，阻止濾液滲入地層，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定井壁的作用［9］。

陽離子防塌劑由于帶高的正電荷，中和能力強(qiáng)，架橋作用好，能以較快的速度和較強(qiáng)的靜電作用力，以單分子層形式覆在黏土上，使黏土比表面和表面負(fù)電荷大大下降，使黏土的水敏性基本喪失，起到穩(wěn)定黏土的作用［10］。

非滲透處理劑的引入增強(qiáng)了體系的封堵性能，因?yàn)榉菨B透處理劑能在井壁巖石表面形成致密非滲透封堵薄膜，有效封堵不同滲透性地層和微裂縫泥頁巖地層，穩(wěn)定井壁［11］。

4 鉆井液性能評(píng)價(jià)

4.1 抑制性能

采用頁巖線性膨脹實(shí)驗(yàn)和抑制巖屑分散實(shí)驗(yàn)，考察聚胺潤滑防塌鉆井液的抑制性，結(jié)果見表1。聚胺潤滑防塌鉆井液抑制性強(qiáng)，8 h巖心膨脹高度僅1.37 mm，巖屑回收率達(dá)92.6%，顯著高于聚磺防塌鉆井液。這說明聚胺潤滑防塌鉆井液的抑制性強(qiáng)于聚磺防塌鉆井液，有機(jī)胺抑制劑和無水聚合醇的加入增強(qiáng)了體系抑制性，防止泥頁巖的水化膨脹分散。

表1 鉆井液的抑制性能

4.2 封堵性能

按配方配制聚磺防塌鉆井液和聚胺潤滑防塌鉆井液，聚磺防塌鉆井液配方:(4.0%～5.0%)膨潤土+(0.2%～0.4%)聚丙烯酸鉀 KPAM+(3.0%～5.0%)磺化酚醛樹脂 SMP－2+(2.0%～4.0%)褐煤樹脂SPNH+(3.0%～5.0%)低熒光磺化瀝青 ZX－8+(3.0%～5.0%)超細(xì)碳酸鈣，加入直徑為30～40目的石英砂管中，固定后加壓0.69 MPa，考察鉆井液的封堵防塌能力，結(jié)果見表2。聚磺防塌鉆井液加壓15，60 min后侵入砂床的深度分別為 1.3，4.2 cm;而聚胺潤滑防塌鉆井液相對(duì)應(yīng)的深度分別為1.2，2.6 cm，說明聚胺潤滑防塌鉆井液封堵能力強(qiáng)，短時(shí)間內(nèi)形成承壓封堵帶，施工中能防止鉆井液濾液向地層滲透。

表2 鉆井液的封堵性能

4.3 潤滑性能

采用滑塊摩阻系數(shù)測(cè)定儀，考察聚胺潤滑防塌鉆井液的潤滑性能，結(jié)果見表3。與聚磺防塌鉆井液相比，聚胺潤滑防塌鉆井液摩阻系數(shù)低，具有良好的潤滑性，施工中能降低產(chǎn)生的摩阻和扭矩，防止卡鉆事故的發(fā)生。

表3 鉆井液的潤滑性能評(píng)價(jià)

5 現(xiàn)場(chǎng)聚胺潤滑防塌鉆井液施工工藝

聚胺潤滑防塌鉆井液從二開下部吐谷魯群組開始使用，在東溝組底部鉆進(jìn)中，按照配方低限加入各種鉆井液處理劑，將鉆井液由聚合物鉆井液轉(zhuǎn)變?yōu)榫郯窛櫥浪@井液，施工中鉆井液維護(hù)處理工藝如下:

5.1 吐谷魯群組鉆井液維護(hù)處理

1)鉆井液密度控制在1.15 g/cm3內(nèi)，鉆進(jìn)中根據(jù)實(shí)鉆情況及地層壓力監(jiān)測(cè)情況及時(shí)調(diào)整，完井時(shí)密度提高至1.20 g/cm3，從力學(xué)上保持井壁穩(wěn)定。

2)漏斗黏度控制在50 s，在保證鉆井液懸浮攜帶能力的前提下，保持鉆井液的低黏低切，增加鉆井液環(huán)空返速，適當(dāng)沖刷井壁，防止形成虛厚泥餅。二開中完，配制高黏高切鉆井液泵入井中，將井底掉塊及巖屑帶出，凈化井眼。電測(cè)前，配制潤滑封井漿封住井深2 400 m以下900 m裸眼段，保證中完作業(yè)順利進(jìn)行。

3)上部地層中壓濾失量控制在6～8 mL，適當(dāng)沖刷水敏性泥頁巖地層;下部地層中壓濾失量控制在5 mL以內(nèi)，減弱泥頁巖的吸水傾向。

4)大分子聚合物KPAM含量大于0.4%，保證聚合物包被并絮凝鉆屑，防止其分散在鉆井液中而導(dǎo)致鉆井液流變性差。有機(jī)胺含量控制在1.0%，無水聚合醇含量控制在3.0%，抑制水敏性泥頁巖膨脹。

5)使用1.5%低熒光井壁穩(wěn)定劑、2.0%超細(xì)碳酸鈣和0.5%非滲透處理劑，封堵二開上部疏松地層，增加地層的承壓能力，防止井漏。

6)加入1.5%白油潤滑劑，增強(qiáng)鉆井液潤滑性，降低施工中產(chǎn)生的摩阻和扭矩，防止發(fā)生起下鉆阻卡。

7)鉆進(jìn)中使用好固控設(shè)備，振動(dòng)篩、除砂器和除泥器的使用率達(dá)100%，鉆井液密度提高后，合理使用離心機(jī)，控制鉆井液中劣質(zhì)固相和低密度固相含量，保持鉆井液具有良好的流變性。

8)加強(qiáng)短程起下鉆措施，每隔200 m進(jìn)行一次短起下鉆，鉆進(jìn)水敏性泥巖時(shí)提高短起下鉆次數(shù)，刮掉吸附在井壁上虛厚泥餅，防止造成起下鉆遇阻等復(fù)雜情況。

5.2 侏羅系及白堿灘組鉆井液維護(hù)處理

1)密度控制。鉆井液密度控制在下限開鉆，根據(jù)實(shí)鉆情況及時(shí)調(diào)整，西山窯組地層出現(xiàn)掉塊后，提高鉆井液密度至1.25 g/cm3，保持鉆井液液柱壓力對(duì)地層的正壓差。三工河組、八道灣組及白堿灘組鉆進(jìn)時(shí)鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)上限，井下出現(xiàn)掉塊后，提高鉆井液密度，平衡地應(yīng)力，防止地層發(fā)生硬脆性垮塌。

2)流變性控制。以膠液形式維護(hù)鉆井液流變性(膠液配方:0.3%聚丙烯酸鉀KPAM+5.0%磺化酚醛樹脂SMP－2+4.0%耐溫抗鹽防塌降濾失劑KFT+6.0%耐溫抗鹽鈣降濾失劑+4.0%無水聚合醇+1.0%有機(jī)胺)，適當(dāng)加入硅氟稀釋劑，西山窯組鉆進(jìn)中漏斗黏度控制在60 s，在保證鉆井液懸浮攜帶能力的前提下，控制流體的環(huán)空壓耗;進(jìn)入三工河組后漏斗黏度提高至65 s，增加鉆井液的懸浮攜帶能力，凈化井眼。

3)濾失量控制。中壓濾失量控制在5 mL以內(nèi)，高溫高壓濾失量控制在12 mL以內(nèi);隨著井深增加降低濾失量;進(jìn)入三工河組后，中壓濾失量控制在3 mL以內(nèi)，高溫高壓濾失量控制在10 mL以內(nèi)，防止泥頁巖膨脹分散。

4)抑制性控制。保證大分子聚合物有效含量大于0.25%，增加鉆井液濾液黏度，保證泥餅致密性;控制有機(jī)胺含量小于0.50%，保證鉆井液具有一定的抑制性，防止有機(jī)胺加量過多弱化鉆井液的封堵性。

5)封堵性控制。使用2.0%陽離子防塌劑、3.0%井壁穩(wěn)定劑、3.0%超細(xì)碳酸鈣和1.0%非滲透處理劑，在鉆進(jìn)過程中以干劑形式補(bǔ)充，使鉆井液能在井壁上形成嚴(yán)封堵層，封堵煤層、裂縫和微細(xì)裂縫;隔絕鉆井液液柱壓力和地層壓力的傳遞，保證鉆井液液柱壓力有效支撐井壁。

6)潤滑性控制。保證鉆井液中白油含量達(dá)2.0%，保證體系潤滑性，確保起下鉆順暢。

7)固相控制。振動(dòng)篩、除砂器和除泥器使用率達(dá)100%，根據(jù)鉆井液中固相含量情況啟動(dòng)離心機(jī)，及時(shí)清除鉆井液中的有害固相。

8)工程配合措施。每鉆進(jìn)200 m或每鉆進(jìn)24 h進(jìn)行一次短起下鉆，配合長(zhǎng)起下鉆，刮掉井壁上吸附的虛厚泥餅，修整井壁;控制起下鉆速度，下鉆過程中避免在煤層段開泵;開泵時(shí)先轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤再小排量開泵，防止激動(dòng)壓力過大造成井下復(fù)雜情況。

9)完井作業(yè)。完井后，充分循環(huán)，待振動(dòng)篩無返砂后，用1.0%白油潤滑劑、2.0%磺化酚醛樹脂SMP－2、0.5%非滲透處理劑和2.0%井壁穩(wěn)定劑配制潤滑封井漿封井，確定電測(cè)及下套管作業(yè)順利。

6 結(jié)論及建議

1)聚胺潤滑防塌鉆井液抑制性強(qiáng)，配合白油潤滑劑，解決了白堊系吐谷魯群組水敏性泥巖起下鉆遇阻的難題，施工中井壁穩(wěn)定，起下鉆順暢，中完電測(cè)及下套管一次成功率100%。

2)聚胺潤滑防塌鉆井液封堵性強(qiáng)，解決了侏羅系煤層垮塌及硬脆性泥巖垮塌的難題，施工中井壁穩(wěn)定，起下鉆無阻，井下安全，完井電測(cè)及下套管一次成功率100%。

3)全井共取巖心6桶，取巖心順利，進(jìn)尺48 m，巖心長(zhǎng)46.8 m，收獲率97.5%;二開平均井徑擴(kuò)大率為6.0%，井身質(zhì)量良好。三開平均井徑擴(kuò)大率為17.6%，井下略有掉塊，但鉆井液懸浮攜帶能力強(qiáng)，及時(shí)將掉塊帶出，沒有引發(fā)復(fù)雜情況。

4)吐谷魯群組泥巖水敏性強(qiáng)，施工中易造成起下鉆遇阻，必須加強(qiáng)鉆井液的抑制性，適當(dāng)加入潤滑劑，同時(shí)配合工程短起下鉆措施，適當(dāng)增加排量沖刷，保證井眼暢通。

5)侏羅系地應(yīng)力作用強(qiáng)，煤層及硬脆性泥巖垮塌嚴(yán)重，保證井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵是鉆井液具有良好的封堵性，前提是合適的鉆井液密度，基礎(chǔ)是鉆井液具有良好的流變性。

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