準噶爾盆地超深井鉆井液體系的研究與應用

楊云鋒

(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

曹光福，申延晴，張浩，楊英波，李君

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉瑪依 834000)

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準噶爾盆地超深井鉆井液體系的研究與應用

楊云鋒

(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

曹光福，申延晴，張浩，楊英波，李君

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉瑪依 834000)

新疆準噶爾盆地達巴松凸起地層巖性復雜，地層壓力體系多變，鉆井過程中易發生噴、漏、塌、卡等復雜事故，鉆井施工難度大，對鉆井液性能要求高。針對地層復雜情況，室內研究出用胺基鉆井液體系鉆長裸眼二開井段，用有機鹽鉆井液體系鉆高壓高溫三開和四開井段，并成功地在DT1井應用。室內研究和現場應用結果表明：該鉆井液體系具有很好的流變性，濾失量小，泥餅質量好，潤滑性好，抑制性強，抗污染能力強。現場應用時井壁穩定，沒有出現高壓地層井噴和裂縫地層井漏等問題，全井無井下復雜事故，各次完鉆電測和下套管均一次成功。該井的試驗成功為后續探井高效鉆探奠定了良好的技術基礎。

胺基鉆井液；有機鹽鉆井液；流變性；濾失量；井壁穩定；井噴；井漏

1　地質概況

準噶爾盆地達巴松凸起地層巖性復雜，西山窯組和八道灣組都存在著不同發育程度的煤層，長度幾米到幾十米不等[1]。由于在煤層上不能形成較好的泥餅來保護井壁，且煤層自身在鉆進過程中由于地層壓力激動等因素的影響，極易剝落掉塊、坍塌，易造成卡鉆，同時形成“大肚子”致使下部地層鉆屑上返時在“大肚子”部位來回返滾，不能正常返出，當堆集到一定程度時易造成砂橋卡鉆，當停止循環時，“大肚子”部位的堆集鉆屑有可能快速下沉造成埋鉆現象[2]。

準噶爾盆地各地層的壓力因數均有較大變化，由于壓力因數有較大變化，鉆井過程中又無法做到在每個壓力系統都下一層套管，致使泥漿工程有一定的難度，在壓力高的地層容易引起井噴、井塌，而在壓力低的地層又易引起井漏[3]。整個盆地在所鉆進的地層剖面上都不同程度地含有黏土礦物，且蒙脫石和伊利石質量分數均較高，表明地層黏土水化膨脹的趨勢很強，一般水基鉆井液很難滿足井壁穩定性要求。表1為各地層組含黏土礦物質量分數及地層壓力因數的情況。

表1　DT1井各地層組黏土礦物質量分數及地層壓力因數

2　鉆井液體系研究

2.1鉆井液配方

針對準噶爾盆地復雜的地質情況，在室內設計了2套鉆井液體系：用于二開地層的胺基鉆井液體系和用于三、四開地層的有機鹽鉆井液體系。胺基鉆井液主要由聚合物包被劑PMHA、聚胺抑制劑JA-1、無機鹽抑制劑KCl和聚合物增黏劑、降黏劑及潤滑劑，再輔加瀝青類可變性粒子組成，形成一種協同抑制防塌效果，滿足現場防止煤層易剝落掉塊和抑制黏土礦物的水化膨脹的目的[4,5]。由于三開和四開地層為異常高壓地層，地層黏土礦物中伊利石質量分數最高，伊-蒙混層比也最高，要求鉆井液有很強的抑制黏土水化分散的能力，且井底溫度達到150℃左右，孔隙壓力梯度當量密度變化大，最高為2.10g/cm3。因此，選擇在上部地層鉆井液的基礎上引入有機鹽，將其改進成有機鹽鉆井液體系，以滿足現場防塌抑制、抗高溫和高密度的要求[6,7]。

胺基鉆井液體系配方：4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.5%KOH+10%KCl+0.8%聚合物降濾失劑SP-8+0.8%包被劑PMHA-2+0.7%銨鹽降濾失劑NPAN+0.5%低黏度羧甲基纖維素CMC-LV+3%磺化酚醛樹脂SMP-1(粉)+1.5%褐煤樹脂降濾失劑SPNH+1%低熒光潤滑劑+2%陽離子乳化瀝青+3%磺化瀝青粉+2%聚胺抑制劑JA-1+0.8%CaO+2%超微細碳酸鈣QCX-1+0.3%快速鉆井劑KSZJ-1+1%固體潤滑劑+2%隨鉆堵漏劑+1%ZL+重晶石(配方中的百分數為質量分數，下同)。

有機鹽鉆井液配方：2%～3%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.5%KOH+7%KCl+0.7%聚合物降濾失劑SP-8+0.5%包被劑PMHA-2+3%磺化酚醛樹脂SMP-2+2%褐煤樹脂降濾失劑SPNH+0.5%低黏度羧甲基纖維素CMC-LV+3%高效防塌瀝青粉KH-n+10%有機鹽加重劑OS-100+3%降黏劑TX+2%聚胺抑制劑JA-1+1%固體潤滑劑+3%降濾失劑PHT+1%低熒光潤滑劑+2%隨鉆堵漏劑+0.8%CaO+2%超微細碳酸鈣QCX-1+1%隨鉆堵漏劑WC-1+活化重晶石。

2.2鉆井液性能

2.2.1抗溫性

室內配制胺基鉆井液和有機鹽鉆井液，分別在130℃和150℃下滾動16、48、72h，在50℃下測其性能，結果見表2和表3。

表2　胺基鉆井液的抗溫性能

注1：ρ為鉆井液密度；μf為漏斗黏度；τi為初切力；τf為終切力；μp為塑性黏度；τ為動切力；VAPI為API濾失量；Vhthp高溫高壓濾失量。下同。

注2：高溫高壓濾失量測定試驗條件為130℃×3.45MPa。

表3　有機鹽鉆井液的抗溫性能

注：高溫高壓濾失量測定試驗條件為150℃×3.45MPa。

2.2.2抑制性

室內選用新疆南緣安集海地層露頭巖心，用滾動回收率法評價胺基鉆井液體系和有機鹽鉆井液體系的抑制性。試驗條件為130℃下滾動16h，測得自來水中巖屑回收率為15.98%，胺基鉆井液中巖屑回收率為89.91%，有機鹽鉆井液中巖屑回收率為92.4%。試驗結果表明胺基鉆井液和有機鹽鉆井液具有很強的防塌抑制性，且在胺基鉆井液基礎上改進的有機鹽鉆井液的抑制性比胺基鉆井液更好。

2.2.3抗污染

二開鉆進過程中會鉆遇黏土層和石膏層，為了考察鉆井液的抗污染性，在胺基鉆井液中分別加入分散性較強的夏子街土和CaSO4，充分攪拌30min，在100℃下熱滾16h，測其流變性、濾失量及潤滑系數，結果見表4。

三開和四開鉆進過程中會鉆遇黏土層、石膏層和碳酸鹽巖層(主要成分為NaHCO3)。為了考察鉆井液的抗污染性，在有機鹽鉆井液體系中分別加入分散性較強的夏子街土、CaSO4和NaHCO3，充分攪拌30min，在150℃下熱滾16h，測其流變性、濾失量及潤滑系數，結果見表5。

表4　胺基鉆井液的抗污染能力

表5　有機鹽鉆井液的抗污染能力

由表4和表5可知，胺基鉆井液和有機鹽鉆井液中加入15%夏子街土后，鉆井液的黏度、切力均有所增加，但增加的幅度均不大、濾失量和潤滑性變化不大。胺基鉆井液加入CaSO4后和有機鹽鉆井液加入CaSO4和NaHCO3后，黏度、切力、濾失量、潤滑系數均變化不大，表明這2套鉆井液體系抗石膏污染和抗碳酸鹽污染能力很強，能滿足現場施工要求。

2.2.4沉降穩定性

將胺基鉆井液和有機鹽鉆井液分別在130℃和150℃老化72h后倒入1000mL的量筒中靜止16、48、72h，測定量筒上部、下部密度，密度差均不超過0.01g/cm3，且無重晶石下沉等現象。試驗結果表明鉆井液沉降穩定性好，攜砂懸砂性能滿足安全鉆井的要求。

3　現場應用

3.1試驗井基本情況與井深結構

圖1　DT1井井身結構圖

DT1井地處新疆維吾爾自治區和布克賽爾縣境內，位于準噶爾盆地中央坳陷達巴松凸起D1井背斜圈閉，距D1井東偏北1.86km，D10井南偏西11.54km，D9井南偏西2.48km。該井是一口四開直井，設計井深為6000m，實際完鉆井深6226m，目的層為石炭系，是一口勘探井。該井井身結構如圖1所示。

3.2鉆井液現場應用及維護

二開井段(500～3885m)白堊系為大段泥巖，且地層滲透性較好，易吸水膨脹造成井眼縮徑垮塌，下部侏羅系煤層發育，西山窯組和八道灣組含7～8段煤層，最長煤層厚度超過10m，井眼承壓能力較低，易發生坍塌和井漏等復雜情況。因此二開井段鉆井液維護的總體方案是上部大段泥巖采用強抑制，針對大段泥巖吸水膨脹縮徑垮塌問題，鉆井液通過高質量分數的包被劑、胺基抑制劑及氯化鉀來加強抑制性，并減輕提下鉆掛卡程度，從而縮短提下鉆時間。針對西山窯組和八道灣組煤層發育段，通過降低鉆井液濾失量，預防與煤層膠結的泥巖因吸水膨脹擠壓造成煤層不穩定，同時嚴格控制泥漿的密度，保持合理的液柱壓力，從而保證煤層物理平衡，并合理控制膨潤土質量分數和封堵材料，確保形成致密的優質泥餅，保證井眼穩定。該開次的鉆井液性能為：密度1.10～1.45g/cm3，中壓濾失量低于5mL，動切力控制在10Pa左右，初切力控制在2～3Pa,終切力控制在5～10Pa；塑性黏度控制在18～28mPa·s左右，保證鉆屑及時帶出井口。

三開、四開井段(3885～6226m)鉆遇二疊系烏爾禾組，其棕色棕褐色塑性泥巖中黏土礦物質量分數高，分散性較強，易水化膨脹和分散，造成井壁不穩，同時鉆井過程中易發生阻卡。因此在三開井段需加強泥漿的抑制性能。風城組、石炭系含異常高壓油氣水層，易發生油氣水侵甚至漏噴同層的嚴重復雜，且四開井段砂巖地層發育、滲透性好，易形成虛厚泥餅。因此四開井段在鉆進過程中合理調整泥漿密度，盡可能保持近平衡鉆進。利用KCl、聚合物PMHA-2及聚胺JA-1多元復合抑制技術抑制黏土礦物水化膨脹和分散，同時利用TX、KH-n、固體潤滑劑及PHT等對泥餅進行封堵，形成致密優質泥餅。在鉆進過程中加大抗高溫降濾失劑的使用，保持SMP-2、SPNH的含量不低于4%，CMC-LV作為輔助降濾失劑，API濾失量控制在3.0mL以下，高溫高壓濾失量控制在6mL左右。四開鉆井液轉化時加入2%QCX-1和1%WC-1，鉆進中不斷補充各種瀝青，使其質量分數不低于3%，提高了封堵造壁能力，確保了井壁穩定，有效保護了儲層和井下安全。

3.3應用效果

通過采用胺基鉆井液體系，保證了二開井段長距離大尺寸裸眼井段安全鉆進；三開、四開井段有機鹽鉆井液的應用避免鉆進過程中油氣水侵甚至漏噴同層等復雜情況。DT1井僅用159d完成了6226m的全部進尺，鉆進過程無惡性復雜情況發生，實現零事故，達到安全鉆進施工的要求，而鄰井3口井復雜事故時率分別為6.54%、3.34%、7.18%。DT1井鉆井月速1105.86m/臺月，鉆井月速較D1井提高51.23%、較D9井提高28.1%、較D10井提高48.12%。通過鉆井液技術細化措施，實現了一開、二開、三開、四開電測一次成功，大尺寸套管一次到位。另外，該鉆井液抗溫性和潤滑性較好，不僅減小了鉆具扭矩、摩阻，也延長了鉆頭軸承壽命，二開SF65BGVH3，三開U513S、HJT537GK等鉆頭的純鉆時間均超過110h，二疊系、石炭系使用高效牙輪鉆頭機械鉆速較鄰井同井段機械鉆速提高了67%～122%，單只鉆頭進尺提高了約3倍。

4　結論

1)用聚合物包被劑PMHA-2、聚胺抑制劑JA-1、無機鹽抑制劑KCl和聚合物增黏劑、降黏劑及潤滑劑，再輔加瀝青類可變性粒子等處理劑，配制出具有協同防塌抑制效果的聚胺鉆井液體系。該體系室內評價和現場應用均表現出很強的抑制性、抗溫性和抗石膏侵，很好地防止了上部地層煤層易剝落掉塊和抑制黏土礦物的水化膨脹。

2)在聚胺鉆井液中加入有機鹽和其他降濾失劑和封堵劑轉化為有機鹽鉆井液體系。該體系室內評價和現場應用均表現出很強的抑制性、抗溫性、抗石膏侵和抗碳酸鹽侵，流變性和潤滑性好，避免鉆進過程中油氣水侵甚至漏噴同層等復雜情況。

3)用胺基鉆井液體系和有機鹽鉆井液體系成功地鉆完DT1井，且無惡性復雜情況發生，實現零事故。延長鉆頭使用時間，提高了機械鉆速，為后續高效鉆探奠定了良好的技術基礎。

[1]李丕龍.準噶爾盆地石油地質特征與大油氣田勘探方向[J].石油學報，2005,26(6)：7～9.

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[3] 邱春陽，秦濤，王寶田，等. 準噶爾盆地中部4區塊侏羅系井壁穩定鉆井液技術[J].鉆采工藝，2015,38(5)：77～80.

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[6] 李向碧，鄭有成，王蘭.KCl—有機鹽鉆井液在高石梯—磨溪區塊上部井段鉆井提速中的應用[J].鉆井工程，2014,34(3)：121～125.

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[編輯]帥群

2016-01-22

國家自然科學基金項目(51174036)。

楊云鋒(1991-)，男，碩士生，主要從事油田化學方面的學習與研究，18772618122@163.com。

TE254

A

1673-1409(2016)29-0039-04

[引著格式]楊云鋒，曹光福，申延晴，等.準噶爾盆地超深井鉆井液體系的研究與應用[J].長江大學學報(自科版),2016,13(29):39～42.