準噶爾盆地南緣山前高陡構造高密度水基鉆井液技術研究

李軼，張達清，王俊文，申延晴 王越之)

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉瑪依834000 (長江大學石油工程學院， 湖北 武漢 430100)

?

準噶爾盆地南緣山前高陡構造高密度水基鉆井液技術研究

李軼，張達清，王俊文，申延晴 王越之)

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉瑪依834000 (長江大學石油工程學院， 湖北 武漢 430100)

準噶爾盆地南緣地區具有廣闊的勘探前景，該地區鉆井復雜事故多，導致鉆井速度下降、鉆井周期長。主要地質原因在于安集海河組地層巖性以泥巖為主，水敏性極強，易發生泥巖水化膨脹、分散而造成井眼縮徑、井壁垮塌。為了提高南緣地區鉆井速度，加快勘探開發進程，針對上述鉆井難點，結合南緣地區地質資料及已完鉆井的資料，對該地區鉆井液技術進行了研究。根據安集海河組地層特點，室內對現場使用的PRT鉆井液體系和有機鹽鉆井液體系進行了評價，優選出具有現有2種鉆井液體系優點的高密度PRT-有機鹽鉆井液體系配方，并對該體系的抑制性、封堵性和抗污染性進行了評價。結果表明，該鉆井液體系能很好地滿足鉆井工程的需要。將該新的鉆井液體系在現場進行了應用，使用效果良好，其中A5井?311.1mm井段較鄰井平均機械鉆速提高22%，鉆井周期縮短4d。

準噶爾盆地；南緣地區；高陡構造；PRT-有機鹽鉆井液體系

中國新疆準噶爾盆地南緣地區是油氣最豐富的地區之一[1]，南緣山前為北天山山前構造帶，受構造運動影響，平面上形成褶皺帶。該地區具有良好的生油條件，有利于油氣聚集的構造，具有很好的勘探前景。但是該地區地質條件復雜，受構造運動影響，中上部地層傾角大，斷層發育，新老地層重復，地層破碎，穩定性差；中下部大段龜裂性硬脆頁巖和強水敏性泥頁巖，易發生水化膨脹，造成縮徑和地層垮塌，其中尤以安集海河組地層造漿最為嚴重；下部是高應力和異常高壓地層，需使用高密度鉆井液。由于南緣地區復雜的地質條件以及工程技術上的難點[2]，使得在該地區鉆井過程中井下復雜事故頻繁發生，鉆井速度慢、鉆井周期長、鉆井成本高，嚴重制約了南緣地區油氣勘探開發的進程。筆者旨在減少復雜事故的發生，提高鉆井速度，降低鉆井成本，加快勘探步伐，開展了針對南緣地區的鉆井液技術研究。

1 南緣山前地質特點與鉆井液技術難點

1.1 南緣山前地質特點

根據南緣地區在1996～2013年所鉆的66口井統計，發生事故、復雜的井有44口，占所鉆井數的66.7%。近5年鉆井的平均機械鉆速都較低，在3m/h以下，鉆井周期都在100d以上，呈現出鉆井復雜、事故率高、機械鉆速低等特點，大大延長了鉆井周期，嚴重影響了該地區的鉆井進程。

1)受沉積和地層巖性的影響，地層水敏性強。根據對南緣地區安集海河組地層的黏土礦物分析，以伊-蒙混層為主，其中蒙脫石質量分數大于40%，黏土礦物質量分數大于30%(最高達70%)，說明安集海河組地層有大量易水敏黏土礦物存在。

2)受山前構造影響存在較大水平應力，最大水平應力大于上覆地層壓力、大于最小水平主應力，并且地層壓力系數當量密度超高(最高達2.50g/cm3以上)，屬高壓、超高壓力系統。

3)推覆體破碎、高陡、層間膠結弱易造成井眼失穩。由于推覆擠壓和構造運動，造成很多構造地層傾角大，斷層發育，地層破碎、微裂隙發育，鉆井過程中易塌、易漏，極可能引起坍塌卡鉆。

4)高低壓同存易引發井漏。由于存在不整合面、低壓層，且不同壓力系數地層在同一裸眼內，易導致漏、溢、塌、卡等復雜情況，再加上地層壓力預測不準確，鉆井液密度確定困難，更增加了鉆探難度。

1.2 南緣山前鉆井液難點

南緣地區安集海河組地層特點造成了在該地層鉆井液使用上的諸多難題，其鉆井液使用上存在的難點具體體現在以下幾個方面：

1)強水敏性導致泥巖劇烈分散。帶來的直接危害是泥巖水化膨脹造成縮徑，垮塌，水化分散造成鉆井液流變性難以控制。南緣地區鉆井成敗的關鍵取決于鉆井液技術，而鉆井液要達到穩定井壁的目的必須兼顧物理支撐和化學抑制兩種方法。

2)強應力、高壓、超高壓需要使用高密度、超高密度鉆井液。而高密度、超高密度鉆井液高固相含量的特點決定了其流變性、失水造壁性等綜合性能難于兼顧。山前推覆斷褶帶構造應力大，特別是在應力集中的地區，應力釋放易造成鉆井中塌縮阻卡、卡鉆等井下復雜情況。由于地應力大、地層傾角大、地層水化能力強等原因，穩定井壁所需鉆井液密度高，在高鉆井液密度下機械鉆速極慢，鉆井周期長，這又相應加長了鉆井液對井壁的浸泡時間。

3)推覆破碎、高陡、弱層間膠結易造成井眼失穩。這是造成安集海河組地層阻卡及卡鉆等井下復雜與事故的主要原因。高密度鉆井液[3～5]性能調控、維護處理較困難，失水造壁性、流變性與抑制性等綜合性能難于同時兼顧，鉆井液維護處理成本高。

2 高密度水基鉆井液技術

南緣地區在以往的鉆井過程中，在安集海河組地層主要采用有機鹽鉆井液體系和鉀鈣(聚磺)鉆井液體系(簡稱PRT)的水基鉆井液體系。兩種體系鉆井液在強水敏性、推覆破碎、高密度、高地應力的安集海河組地層易垮塌地層使用時各有優劣。PRT體系的流變性、失水造壁性等綜合性能較好，其抑制性比有機鹽體系弱，這對易失穩的安集海河組地層有負面影響；有機鹽體系表現出更強的抑制性，但在使用高密度時流變性難以控制，這對機械鉆速、堵漏等施工有負面影響。為了更好地適應該地區的鉆井需求，對南緣地區以往所用的鉆井液體系進行改進，研究了在PRT體系中引入有機鹽的新鉆井液體系(簡稱為PRT-有機鹽體系)，以增強其抑制性，并結合PRT體系具有優良的流變性和失水造壁性的特點，以達到更好的綜合性能目的。

2.1 鉆井液配方

通過在室內對不同處理劑在不同加量下的效果進行評價后，篩選出PRT-有機鹽鉆井液體系基本配方為：原漿+0.1%聚合物包被劑FA367+0.2%聚合物稀釋劑XY-27+5%褐煤類降濾失劑TX+1%KOH+2%護膠降濾失劑RSTF+10%瀝青類降濾失劑PPL+0.5%LV-CMC+10%KCl+1%天然瀝青+0.3%～0.5%石灰+重晶石(配方中的百分數為質量分數)，鉆井液密度為2.50～2.60g/cm3。

2.2 性能評價

1)抑制性 采用巖屑滾動回收率法對比評價該地區以往使用的PRT鉆井液體系、有機鹽鉆井液體系、改進后的PRT-有機鹽鉆井液體系抑制性，試驗結果見表1。

表1 各鉆井液體系的滾動回收率對比

可以看出，有機鹽鉆井液體系和PRT-有機鹽鉆井液體系滾動回收率相差不大且明顯高于PRT鉆井液體系，說明PRT-有機鹽鉆井液體系抑制性能很好。

2)封堵性 將PRT-有機鹽鉆井液體系與該地區以往使用的有機鹽鉆井液體系和PRT鉆井液體系的封堵性能進行對比。在120℃條件下，分別測試了在3.5、5MPa的壓力條件下3種鉆井液體系的高溫高壓濾失量，試驗結果如表2所示。PRT-有機鹽鉆井液體系的濾失量在2種壓力條件下均小于其他2種鉆井液體系，表明PRT-有機鹽鉆井液體系具有良好的封堵性能。

表2 鉆井液體系的封堵性能對比

3)抗污染性 向PRT-有機鹽鉆井液(表3中用M代替)中分別加入質量分數5%的鹽、質量分數2%的石膏、質量分數8%的膨潤土粉和質量分數5%的水泥，高速攪拌30min后裝入老化罐中，在120℃下熱滾16h，冷至50℃時測定鉆井液被以上介質污染前后的性能，評價該鉆井液的抗污染性。實驗數據如表3所示。在高密度PRT-有機鹽鉆井液中分別加入鹽、石膏、膨潤土和水泥后鉆井液的流變性、濾失量變化都很小，形成的泥餅質量好，表明其具有較強的抗鹽、膏、黏土和水污染的能力。

表3 PRT-有機鹽鉆井液抗污染性

注：ρ為密度；μf漏斗黏度；μa為表觀黏度；μp為塑性黏度；τd為動切力；τi為初切力；τf為終切力；VAPI為API濾失量；Vhthp為泥餅厚度為2mm時高溫高壓濾失量。

綜上所述，PRT-有機鹽鉆井液流變性好和濾失量低，鉆屑滾動回收率高，抑制性強，抗污染性強，能夠較好地滿足在安集海河組地層的鉆井要求。

3 現場應用

3.1 應用情況

A5井是該地區的一口預探井，該井設計井深3850m，實鉆井深3950m。A5井在?311.1mm井段鉆進安集海河組，根據其地層異常高壓、分散性極強、易塌的特點，擬采用PRT-有機鹽鉆井液體系。使用該鉆井液體系在A5井安集海河組鉆進過程中，(短)起下鉆25次，均做到一次到底；同時鉆進過程中扭矩平穩，砂樣代表性好，鉆屑呈原生片狀且棱角分明；電測井徑規則，安集海河組未出現大井腔和垮塌現象，最大井徑擴大率為4.6%，平均井徑擴大率為3.2%，下套管一次成功。全井段鉆井施工安全順利，鉆進及起下鉆作業無阻卡，井身質量優良。

3.2 處理及維護

1)安集海河組地應力強、易塌、易縮徑、易造漿，?311.1mm井段前按試驗配方加入TX堿液和低濃度聚合物膠液調整膨潤土質量分數在1.3%左右，加入有機鹽，保證有機鹽質量分數在25%左右，KCl質量分數在10%左右，PPL質量分數達10%，漏斗黏度為50～55s，高溫高壓濾失量小于5mL，性能調整合格后進行?311.1mm井段鉆進。

2)以TX堿液混配有機鹽為主，小分子聚合物為輔，強化鉆井液體系的抑制能力，維護高密度下鉆井液流變性。

3)在保持體系抑制性的基礎上，以高溫高壓性能及流變性指標作為性能調控的指導方針，始終保證體系的封堵造壁性、潤滑防卡性及流變性在最優的范圍。

4)鉆井液中K+質量濃度控制在38000～42000mg/L，Ca2+質量濃度控制在180～300mg/L，膨潤土質量濃度控制在22～29g/L。

5)根據井下實際情況的需要，及時合理調整鉆井液密度。

6)根據井下情況，注重加強封堵防塌性。采用PPL、RSTF、MFG等來綜合提高體系的封堵性，確保井壁的穩定。

7)做好超高密度下的防漏堵漏工作，備足堵漏材料及儲備漿。

8)加強固控措施，選用100～120目篩過濾鉆井液，盡量減少體系中的有害固相。

9)地面配制好處理漿，均勻混入，做到超高密度下鉆井液性能的維護，最大限度地保持性能穩定，減少因性能調整而引起的波動。

10)采用PPL、RSTF、天然瀝青等來提高造壁封堵性，高溫高壓濾失量小于等于5mL，泥餅厚度小于1.5mm。

11)嚴格短起下鉆拉劃井壁，每鉆進50～100m短起下鉆一次。

3.3 應用效果

A5井在?311.1mm井段(2257～3056m)使用PRT-有機鹽鉆井液體系取得了較好的應用效果，相比鄰井A6井其?311.1mm井段機械鉆速平均提高了22%，鉆井周期縮短了4d(表4)。

表4 A5、A6井?311.1mm井段鉆井指標對比

4 結論

1)新疆南緣地區鉆井地層的主要難點是水敏性強，水平應力大，地層壓力系數超高，井眼不穩定，易導致漏、溢、塌、卡等復雜情況。長期以來鉆井的平均機械鉆速在3m/h以下，鉆井液體系不能很好地滿足鉆井工作的需要。

2)PRT-有機鹽鉆井液體系是在現有PRT鉆井液體系與有機鹽鉆井液體系兩種體系的基礎上開發的一種新的鉆井液體系，該體系吸取了以前兩種體系的優點。通過室內研究與現場使用形成了一套成熟的處理技術方法，且其性能能夠較好地適應和滿足南緣地區山前構造復雜地層的鉆井需求，配方相對簡單，維護處理方便，價格便宜。

[1]孫自明，何治亮，牟澤輝. 準噶爾盆地南緣構造特征及有利勘探方向[J]. 石油與天然氣地質，2004，25(2)：216～221.

[2] 阮彪. 新疆油田烏夏地區二疊系地層延時特性及鉆井提速技術研究[D]. 荊州： 長江大學，2013.

[3] 蔡利山，林永學，田璐，等. 超高密度鉆井液技術進展[J]. 鉆井液與完井液，2011，28(5)：70～77.

[4] 樊相生，曾李，張勇，等. 元壩地區高密度超高密度鉆井液技術[J]. 鉆井液與完井液，2014，31(2)：31～34.

[5] Abdullah M A, Hisham A N, Yusuf K, et al. Dispersants for cement and salt contaminated manganese tetraoxide high-density water-based drilling fluids[J].SPE177935，2015.

[編輯] 帥群

2016-05-10

李軼(1986-)，男，工程師，主要從事鉆井工程技術管理與研究；通信作者：王越之，cjdxwyz@126.com。

TE254

A

1673-1409(2016)35-0084-04

[引著格式]李軼，張達清，王俊文，等.準噶爾盆地南緣山前高陡構造高密度水基鉆井液技術研究[J].長江大學學報(自科版),2016,13(35):84～87.