伊拉克庫爾德地區鉆井液體系研究

張　坤

(大慶鉆探工程公司 鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413)

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伊拉克庫爾德地區鉆井液體系研究

張坤

(大慶鉆探工程公司 鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413)

伊拉克庫爾德地區區塊的差異性較大，地質復雜，極易出現井塌、卡鉆、斷鉆具、井涌、井漏等復雜事故。針對以上問題，開展了抗高溫、抗鹽、強抑制、高密度鉆井液體系研究以及防漏堵漏技術研究。通過調整pH值使羧基和酚羥基等抗高溫基團發生弱交聯，提高欠飽和鹽水鉆井液的懸浮能力；對加重材料進行表面改性，實現其懸浮穩定性；通過物理封堵和化學抑制等協調增效，解決塌漏同層、安全密度窗口窄等井壁穩定問題。研發的鉆井液體系抗溫達160 ℃，密度高達2.35 g·cm-3，具有較強的抗污染能力。在庫爾德地區BN-2井和MASS-1井的現場應用表明，該鉆井液體系有效地解決了鹽膏層安全鉆進、硬脆性泥頁巖井壁穩定、高壓水氣層、井漏等一系列施工難題，為鉆井施工和井下安全提供了技術保障。

伊拉克；庫爾德地區；高密度鉆井液；懸浮穩定；鈣侵；防漏堵漏

伊拉克庫爾德地區石油資源豐富，勘探區塊54個，已探明石油儲量約為450億桶，天然氣儲量約為100～200萬億立方英尺，該地區目前尚處于勘探開發的初期階段。受地質構造運動的影響，該地區區塊差異性較大、斷層錯綜復雜，鉆井施工風險很大，由于缺乏地質認識及相應的鉆井技術，井塌、卡鉆、斷鉆具、井涌、井漏等井下復雜情況導致該地區鉆井事故時間約占鉆進周期的50%，約30%井被迫中途完井。

1　庫爾德地區地質概況分析

庫爾德地區位于伊拉克北部，所轄埃爾比勒、蘇萊曼尼亞及杜胡克等3個自治省。受造山運動的影響，該地層巖性結構復雜，且多出現斷層，例如LowerBakhtiary地層含有鵝卵石，泥巖夾有薄砂巖和粉砂巖層，地層非常松散，且易坍塌，易發生表層導管竄槽；UFars和LFars地層含有巨大的泥巖互層與薄層粉砂巖、硬石膏，泥巖互層含有石灰質粘土巖，下部有石灰巖，易發生漏失，硬石膏易侵入，易導致縮徑，因此起下鉆遇阻、遇卡等問題經常出現；UShiranish和LShiranish含有塊狀灰巖，且夾有泥質灰巖和白云質灰巖，泥質灰巖夾雜灰巖和輕微鈣質的粘土巖，含鈣量高，鉆頭泥包等問題在這類地層鉆進中時常發生；Kolosh地層硬脆性泥頁巖極易發生井壁失穩、井塌等問題，從而造成起下鉆、劃眼困難，Gulnerl或Saliferous地層壓力梯度高，存在異常高壓鹽水層及高壓氣層，地層壓力系數大于2.2g·cm-3，并且伴隨有H2S產生。地層巖性非均質性強，給鉆井過程中的井眼軌跡控制造成了很大的壓力。

2　庫爾德地區鉆井問題分析

對庫爾德地區不同層位巖性進行分析，預測各層潛在的鉆井問題，結果見表1。

表1 庫爾德地區不同層位巖性及鉆井復雜問題預測

Tab.1 Lithology in different formations and prediction of drilling complex in Kurdish region

由表1可知，庫爾德地區鉆井復雜問題主要包括井塌、井涌、卡鉆、斷鉆具、井漏以及H2S污染等。

安全鉆進的鉆井液技術難點主要可歸納為以下3點：(1)上部地層膠結疏松，容易坍塌，Kolosh地層硬脆性泥頁巖井壁易發生失穩，井壁穩定難度大；(2)Kometan裂縫性灰巖地層易發生漏失，安全密度窗口較窄，在1 600～3 100 m段含有大段鹽膏層及硬石膏與砂泥巖互層，容易發生縮徑、坍塌，且塌漏同層；鉆井液要具有良好的抗鹽、抗鈣、防漏、防塌性能難度很大；(3)含鹽巖層、石膏層以及異常高壓水氣層，并伴隨高濃度的H2S，井底溫度高，要求鉆井液具有良好的抗高溫、抗鹽、抗鈣性能的同時，密度要達到2.2 g·cm-3以上，對流變性要求很高[1]。

3　鉆井液技術對策

為了實現安全鉆穿石膏層、高壓水氣層和易漏失的地層，室內開展了抗高溫、抗鹽、強抑制、高密度鉆井液體系的研究及配套防漏堵漏技術。

3.1鉆井液體系研究

3.1.1鉆井液技術難點的解決措施

1)提高欠飽和鹽水鉆井液的懸浮能力

在高溫欠飽和鹽水環境下，鉆井液的流變性難以控制。由于褐煤類處理劑分子鏈上的羧基以及樹脂類處理劑分子鏈上的酚羥基具有良好的抗高溫特性，通過調整pH值能夠使其發生弱的交聯，一方面平衡高溫下單劑斷鏈的問題，另一方面實現增效的作用，從而保證體系的高溫穩定性以及懸浮能力。

2)改善加重劑的懸浮穩定性[2]

結合DLVO理論，在鉆井液體系中引入HLB值>7的表面活性劑，一方面增大顆粒表面電位的絕對值，從而增強顆粒間靜電排斥作用；二是通過表面形成吸附層的強化位阻效應產生顆粒間強位阻排斥力；三是對加重劑表面潤濕性進行改進，提高溶劑化膜強度及增大厚度，增強溶劑化排斥作用以實現欠飽和鹽水環境中的加重劑均勻分散，懸浮穩定，從而保障加重劑在高溫環境下不發生聚集沉降。

3)塌漏同層、安全密度窗口窄的井壁穩定問題[3]

通過化學抑制、物理封堵雙重協調作用，提高地層的承壓能力及擴展安全密度窗口，在實現井壁穩定的同時，有效預防漏失：(1)加入不同粒徑的碳酸鈣復配填充材料及超細可膨脹材料，提高地層的承壓能力，預防漏失，同時利用可變形粒子封堵孔隙及裂縫，提高地層承壓能力，擴展安全密度窗口；(2)針對Kolosh地層的大段硬脆性泥頁巖，加入聚胺抑制劑和聚合醇，配合加入無機鹽，通過化學抑制作用控制泥頁巖的水化分散，利用聚合醇的“濁點效應”，封堵微裂縫，從而保證井壁穩定，確保鉆進安全順利。

3.1.2高密度鉆井液體系的構建

室內優選了抗高溫能力較強及抗鹽、抗鈣效果好的褐煤類降濾失劑、樹脂類降濾失劑、增黏包被劑及封堵防塌劑，同時優選出表面活性劑，實現鉆井液體系在160 ℃、密度2.35 g·cm-3時具有良好流變性及沉降穩定性，以滿足現場施工需求。鉆井液體系為：清水+0.05%～0.1%NaOH+0.03%～0.05%Na2CO3+0.2%～0.4%DRISTEMP+2%～3% SPNH+2%～3%SMP-2+1%～3%F-Soltex+25%～30%NaCl+1%～3%聚合醇+0.05%～0.1%聚胺+0.5%～0.7%SP-80+5%～8%CaCO3-F+5%～8%CaCO3-M。

3.1.3鉆井液性能評價

1)流變性及高溫穩定性

將鉆井液體系加重至2.35 g·cm-3，評價其在160 ℃條件下老化24 h、48 h、72 h后的流變性及濾失量，結果見表2。

表2 鉆井液老化不同時間后的性能

Tab.2 Properties of drilling fluid after aging different time

注：AV為表觀黏度，PV為塑性黏度，YP為動切力，Gel(10″/10′)為10 s和10 min時的凝膠強度，FLAPI為API濾失量，FLHTHP為高溫高壓濾失量。

室內研究表明，鉆井液經160 ℃老化后的黏度略有降低，且長時間老化鉆井液流變性變化平穩，體系FLHTHP略微增加，但變化幅度較小，表明鉆井液體系具有較好的流變性及高溫穩定性。

2)沉降穩定性

將老化(160 ℃×24 h)后的抗高溫、高密度(2.35 g·cm-3)鉆井液體系分別靜置16 h、24 h、48 h、72 h后測定鉆井液密度，考察鉆井液體系的穩定性，結果見表3。

由表3可看出，該鉆井液體系靜置72 h后未出現加重劑沉降的現象，鉆井液上、下密度差僅為0.01 g·cm-3，體現出優良的沉降穩定性。

3)抑制性

室內研究采用大慶嫩江組強造漿性泥巖的巖屑對抗高溫、高密度鉆井液的抑制性進行分析，評價其滾動回收率，結果見表4。

由表4可知，抗高溫、高密度鉆井液的滾動回收率較清水顯著提高，具有很好的抑制能力，能夠滿足現場鉆井施工的需求。

表3 鉆井液靜置不同時間后的密度

Tab.3Density of drilling fluid after standing different time

靜置時間/h上層密度/(g·cm-3)下層密度/(g·cm-3)162.352.35242.342.35482.342.35722.342.35

表4 鉆井液的滾動回收率

Tab.4 Rolling recovery of drilling fluid

4)抗污染性能

針對庫爾德地區含有大段鹽膏層的特點，對抗高溫、高密度鉆井液的抗鉆屑污染能力及抗氯化鈣污染能力進行室內評價[4]，結果見表5。

表5 鉆屑和氯化鈣對鉆井液性能的影響

Tab.5 Effects of cuttings and CaCl2on properties of drilling fluid

注：老化條件：160 ℃。

由表5可知，抗高溫、高密度鉆井液體系表現出良好的抗鉆屑污染及抗氯化鈣污染能力，能夠滿足現場鉆井施工需求。

3.2防漏堵漏技術措施[5-7]

由于庫爾德地區裂縫性灰巖地層極易發生漏失，安全密度窗口較窄，所以，防漏和堵漏是鉆井施工能否順利進行的關鍵。對于防漏和堵漏來說，鉆井液僅是一種技術手段，要想更好地防漏堵漏，需要各個施工環節緊密配合。鉆進過程中應以防漏為主、堵漏為輔。

(1)防漏技術方案

針對庫爾德地區同時存在孔隙性漏失和微裂縫性漏失的情況，防漏主要通過合理的井身結構設計、ECD控制、加入適當的防漏材料提高地層承壓能力以及降低鉆井液密度等方法來實現。

(2)堵漏技術方案

對于裂縫(孔洞)性漏失，鉆井液封堵材料可以用包括片狀、粒狀、可膨脹性材料、纖維等等，堵漏材料的加量以及粒徑的匹配則要根據不同地層裂縫的大小以及漏失的速度來確定。同時結合室內研究的情況以及現場初步試驗來確定最佳的堵漏劑配方，繼而形成合適的堵漏工藝。利用具有良好粒徑匹配的封堵材料，在井筒附近快速建立封堵，從而避免或降低漏失，提高堵漏成功率。

堵漏漿配方：清水+5%～8%膨潤土+0.05%～0.1%NaOH+0.03%～0.05%Na2CO3+2.5%Mica-M+5%～8%CaCO3-C+3%～4%Kseal+3%～4%NPE+3%～4%復合堵漏劑-F+3%～4%復合堵漏劑-M+3%～4%復合堵漏劑-C。

4　現場應用

將抗高溫、高密度鉆井液體系在庫爾德地區的BN-2井和MASS-1井進行了現場應用，結果表明，該體系有效地解決了鹽膏層的安全鉆進、硬脆性泥頁巖井壁穩定、高壓水氣層以及井漏等施工難題。其中，BN-2井在與鄰井井深增加1 103 m的前提下鉆進周期同比縮短了59 d，鉆井液的漏失量減少了3 000 m3，MASS-1井與鄰井相比鉆進周期縮短46 d，鉆井液漏失量減少了1 200 m3。2口井的現場應用表明，抗高溫、高密度鉆井液體系具有良好的流變性及降濾失性能、良好的抗氯化鈣及抗鉆屑污染能力，現場井眼規則，無明顯井徑擴大或縮徑現象。

4.1鉆井液抗鹽膏污染能力

在施工過程鉆遇鹽膏層時，采用高礦化度鹽水維護鉆井液體系，并隨時監測鉆井液的性能隨井深的變化。BN-2井鉆遇鹽膏層時鉆井液的性能如表6所示。

4.2井壁穩定性

庫爾德地區的Kolash等地層由于含有大量微裂縫的泥頁巖，在鉆進過程中易發生剝落坍塌。且在鄰井鉆進過程中現場掉塊現象時有發生，經常造成憋泵或起下鉆遇阻現象。經過室內研究及經驗累積，在二開施工期間，在保證抗高溫、高密度鉆井液低的濾失量的同時，在體系中引入無機鹽提高抑制性，同時加入瀝青類封堵材料，提高地層承壓能力的同時減少壓力和濾液的傳遞，從而延長井眼安全周期，保證現場施工的順利進行。現場應用結果表明，BN-2井和MASS-1井在鉆進過程中施工順利，井眼規則，無井眼坍塌等復雜事故發生。

表6 BN-2井鉆遇鹽膏層時鉆井液的性能

Tab.6 Property of drilling fluid when meeting gypsum layer of well BN-2

注：FV為漏斗黏度。

4.3防漏堵漏試驗

在BN-2井鉆進過程中對防漏堵漏材料進行優化，有效解決了鉆進過程中的漏失問題，具體情況見表7。

由于MASS-1井地層的壓力梯度高于BN-2井，若在提高密度的同時發生嚴重的井漏問題，則后果不堪設想。現場為了保證井下的安全，在總結BN-2井防漏堵漏的經驗后，采用隨鉆防漏的鉆井方式，在鉆進過程中，不斷補充隨鉆防漏堵漏材料，從而提高地層承壓能力，有效擴大安全密度窗口，最終保證全井無明顯漏失。

表7 BN-2井漏失情況統計及處理效果

Tab.7Fluid loss and treatment evaluation of well BN-2

開次漏失量/m3堵漏次數處理方式評價一開12800清水盲鉆-二開660隨鉆堵漏成功三開25553清水盲鉆/堵漏漿堵漏成功四開5.40隨鉆堵漏成功五開160.62堵漏漿堵漏成功

5　結論

通過對庫爾德地區的地質特點及鉆井液技術難點的分析，確定了不同井段的安全鉆進鉆井液技術對策以及防漏堵漏的相關措施；采用物理封堵及化學抑制的雙重作用提高地層的承壓能力，擴大安全密度窗口，有效解決了鉆進過程中鹽膏層的安全鉆進、硬脆性泥頁巖的井壁穩定、高壓水氣層以及井漏等施工難題，從而保證了現場安全鉆進的需求。針對該地區地質特點研發的抗高溫、高密度鉆井液體系在庫爾德地區的BN-2井及MASS-1井得到成功應用。

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Drilling Fluid System Suitable for Kurdish Region in Iraq

ZHANG Kun

(InstituteofDrillingEngineeringandTechnology,DaqingOilfieldDrillingEngineeringCompany,Daqing163413,China)

TherearemanydifferencesbetweenblocksandgeologicalcomplexinKurdishregionofIraq.Complicatedaccidentssuchaswellcollapse,sticking,drillingpipebreaking,well-kickingandwell-pluggingconstantlyoccurwhiledrilling.Inordertoresolvetheseproblems,asystemofhighdensitydrillingfluidwhichcanendurehightemperatureandsaltwithstronginhibitionisstudied.Technologyofleakpreventionandpluggingisalsostudied.ByadjustingthepHvalue,thecarboxylgroup,phenolhydroxylgroupandotherhightemperatureresistantgroupscangenerateweakcross-linkingandenhancethesuspensionofunder-saturatedsaltwaterdrillingfluid.Bysurfacemodificationofweightingagent,thestabilityofsuspensioncanbeextended.Bysynergyofphysicalpluggingandchemicalinhibition,collapseandplugginginthesameformation,narrowrangeofsafedensityandotherboreholestabilityproblemsaresolved.Thenoveldrillingfluidsystemcanresist160 ℃anditsdensitycanreach2.35g·cm-3withgoodanti-pollutionproperty.FieldapplicationofthedrillingfluidsysteminwellsofBN-2andMASS-1ofKurdishregionindicatesthat,thesafetyproblemsofdrillinginsaltbet,friablehardformationstability,highpressureaqueousgasbedandwell-pluggingaresolved.Thenewdrillingfluidsystemprovidestechniquesecurityofwellconstructingsafety.

Iraq;Kurdishregion;highdensitydrillingfluid;suspensionstability;calciumcontamination;leakpreventionandplugging

2016-05-31

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.10.012

TE 254

A

1672-5425(2016)10-0053-05

張坤.伊拉克庫爾德地區鉆井液體系研究[J].化學與生物工程，2016，33(10)：53-57.