庫(kù)木塔克沙漠稠油油藏鉆井液體系優(yōu)選與應(yīng)用

王廣財(cái) (中石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 鄯善 838202)劉勇，周雙君 (西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830023)楊榮奎，蔡文軍，朱亮 (中石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 鄯善 838202)

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庫(kù)木塔克沙漠稠油油藏鉆井液體系優(yōu)選與應(yīng)用

王廣財(cái) (中石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 鄯善 838202)劉勇，周雙君 (西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830023)楊榮奎，蔡文軍，朱亮 (中石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 鄯善 838202)

庫(kù)木塔克沙漠腹地英也爾構(gòu)造帶稠油油藏鉆井過程中，桃東溝群地層富含蒙脫石，吸水性極強(qiáng)，極易水化膨脹分散，地層深部枯竭脫水層，在地質(zhì)形成過程中上下擠壓呈破碎性，坍塌應(yīng)力極強(qiáng)，巖性膠結(jié)性極差，巖石力學(xué)平衡極其脆弱，鉆井過程中機(jī)械、水力作用極易打破地應(yīng)力平衡，鉆井過程中導(dǎo)致坍塌卡鉆發(fā)生。其中Y14井最具有代表性，該井連續(xù)2次鉆至桃東溝群地層發(fā)生坍塌卡鉆事故，無法穿越桃東溝群地層，阻礙了庫(kù)木塔克沙漠腹地稠油油藏的勘探開發(fā)。針對(duì)該井的復(fù)雜情況，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)選出合適的成膜劑、封堵劑、潤(rùn)滑劑、乳化劑等鉆井液材料，并進(jìn)行粒度級(jí)配，形成了適合該區(qū)塊的成膜封堵鉆井液體系配方，該鉆井液體系具有良好的抑制性、封堵性、潤(rùn)滑性和流變性能，有效地降低了井下復(fù)雜事故率。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，成膜封堵鉆井液體系解決了該井桃東溝群破碎性巖性和泥巖水化膨脹引起的井壁坍塌問題，順利完成鉆探任務(wù)。

庫(kù)木塔克沙漠；稠油油藏；坍塌卡鉆；桃東溝群；成膜封堵

庫(kù)木塔克沙漠腹地英也爾構(gòu)造帶位于吐哈盆地火焰山中央隆起帶，主要鉆遇復(fù)雜地層集中在桃東溝群地層，地層水敏性強(qiáng)，地層裂縫發(fā)育呈破碎狀，膠結(jié)性差，坍塌應(yīng)力強(qiáng)，在鉆井過程中極易發(fā)生井壁失穩(wěn)，造成坍塌卡鉆事故發(fā)生。Y14井在井壁失穩(wěn)方面最具有代表性，該井在鉆進(jìn)過程中多次發(fā)生井壁坍塌、起下鉆劃眼、遇阻、遇卡等現(xiàn)象，其中，發(fā)生了2次惡性井壁坍塌導(dǎo)致卡鉆事故，第1次鉆至2610m發(fā)生坍塌卡鉆，使用多項(xiàng)技術(shù)措施，未能解卡，進(jìn)行了填井側(cè)鉆，回填報(bào)廢井段350m，落魚122.03m；第2次側(cè)鉆至2541m再次發(fā)生坍塌卡鉆，未能解卡，進(jìn)行了填井側(cè)鉆，回填報(bào)廢井段381m，落魚92.15m，2次卡鉆共計(jì)損失時(shí)間1126.50h。Y14井鉆遇桃東溝群這塊“頑石”，阻礙了庫(kù)木塔格沙漠腹地英也爾區(qū)塊稠油油藏的下一步勘探和開發(fā)[1]。針對(duì)該井的復(fù)雜情況，開展了成膜封堵鉆井液體系研究，該體系通過優(yōu)選合適的封堵劑，優(yōu)化合理的粒度級(jí)配，在孔喉處形成致密的泥餅，改善泥餅質(zhì)量，提高泥餅與地層間的粘結(jié)強(qiáng)度，高效的物理作用封堵泥頁(yè)巖孔隙裂縫，減少水對(duì)泥頁(yè)巖的滲透，達(dá)到“理想充填”狀態(tài)，起到穩(wěn)定井壁的目的[2，3]；優(yōu)選出合適的成膜劑在泥頁(yè)巖孔喉內(nèi)形成微液和液晶的油相物質(zhì)造成泥頁(yè)巖孔喉潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，增大毛細(xì)管壓力，減少水對(duì)泥頁(yè)巖的滲透，在近井壁形成一層半透膜或隔離膜結(jié)構(gòu)，封堵地層孔隙裂縫，保持井壁穩(wěn)定[4～6]；選擇合理的鉆井液密度、黏度和切力等技術(shù)措施，成功鉆穿桃東溝群地層，完成了Y14井的鉆探任務(wù)，成膜封堵鉆井液體系在該井應(yīng)用效果良好。

1 地層坍塌原因分析

1.1 地質(zhì)工程

庫(kù)木塔格沙漠腹地英也爾區(qū)塊Y14井桃東溝群地層巖性主要以黑色泥巖為主，夾雜色砂礫巖和灰色泥巖；其中黑色泥巖巖性為硬脆性泥巖，粘土礦物以蒙脫石為主，富含蒙脫石的脫水層，吸水性極強(qiáng)，極易水化膨脹分散；天然裂縫破碎性發(fā)育，近井壁的坍塌應(yīng)力增強(qiáng)，造成井壁失穩(wěn)，發(fā)生井壁坍塌。

1.2 鉆井工程

1)起鉆過程中，抽汲壓力作用于井壁，拉伸時(shí)鉆具在定向井段對(duì)破碎性裂縫地層具有誘導(dǎo)作用，導(dǎo)致井壁垮塌；

2)起鉆到遇阻遇卡的位置，需倒劃眼，大排量循環(huán)的水力沖刷作用于井壁，極易打破平衡，對(duì)井壁造成機(jī)械破壞，導(dǎo)致井壁垮塌；

3)下鉆過程中，速度過快形成激動(dòng)壓力，大批量掉塊集中堆積在一處，極易引起井壁坍塌，造成沉砂卡鉆；

4)由于地層深部枯竭脫水層，在地質(zhì)上移過程中上下擠壓呈破碎性，坍塌應(yīng)力較強(qiáng)，巖性膠結(jié)性極差，巖石力學(xué)平衡極其脆弱，鉆具緊貼于井壁，一定程度造成井壁破壞。

1.3 鉆井液性能

通過分析Y14井2次卡鉆鉆井液性能(見表1)，分析認(rèn)為聚磺鉆井液體系不再適宜桃東溝群地層特性，主要存在以下原因：

1)鉆井液分散過細(xì)(D50=8.66μm，D90=26μm)，通過返出情況發(fā)現(xiàn)掉塊存在層狀裂縫發(fā)育，不宜使用分散過細(xì)鉆井液體系；

2)鉆井液抑制能力較差，通過返出情況發(fā)現(xiàn)黑色泥巖為硬脆性吸水性極強(qiáng)，聚磺鉆井液體系不利于抑制黑色泥巖水化膨脹分散；

3)鉆井液濾失量偏大，濾液易進(jìn)入裂縫發(fā)育地層，增加泥巖吸水面積，產(chǎn)生強(qiáng)大膨脹壓力，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；

4)鉆井液黏度和切力低，水力作用對(duì)井壁的沖刷，不利于坍塌壓力強(qiáng)地層井眼穩(wěn)定。

表1 Y14井2次側(cè)鉆前聚磺鉆井液性能表

2 室內(nèi)研究

2.1 成膜降濾失性能

成膜封堵鉆井液體系依據(jù)井眼與地層系統(tǒng)傳質(zhì)、傳能的基本原理，通過控制水基鉆井液特殊組分，使用成膜劑在井筒流體與井壁界面之間形成一種隔離、封閉水相運(yùn)移的膜，以達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的[7～9]。室內(nèi)試驗(yàn)采用清水+10%膨潤(rùn)土+0.1%純堿+0.2%pH調(diào)節(jié)劑作為基漿，靜置24h后分別加入不同加量的成膜封堵劑LXY-2，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅瑹釢L120℃，16h，冷卻至室溫后測(cè)其性能，結(jié)果見表2。結(jié)果表明，成膜劑LXY-2加量達(dá)0.5%時(shí)，對(duì)鉆井液的流變性影響較小，同時(shí)可降低鉆井液濾失量，泥餅薄而致密，用水沖洗不易沖破，泥餅質(zhì)量良好，說明成膜封堵鉆井液體系具有良好的成膜降濾失性能。

2.2 封堵造壁性能

采用FA無滲透型鉆井液濾失儀進(jìn)行砂床試驗(yàn)，可直觀地驗(yàn)證成膜封堵鉆井液形成封閉膜層，具體步如下：先在可視管中加入350cm3粒徑為0.15～0.85mm的砂子，再加入預(yù)先配好的鉆井液500cm3，上緊杯蓋，接通氣源將壓力調(diào)至0.69MPa，打開放氣閥，氣源進(jìn)入鉆井液杯中，測(cè)量開始，觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果(見表3)，并準(zhǔn)備接收濾液。結(jié)果表明，成膜封堵鉆井液濾液侵入深度大大降低，封堵后在濾餅表面形成一層連續(xù)性的封堵膜，說明成膜封堵鉆井液體系具有良好的封堵造壁能力。

表2 降濾失性能評(píng)價(jià)

表3 封堵性能評(píng)價(jià)

2.3 乳化降粘性能

庫(kù)木塔克沙漠腹地稠油油藏鉆井過程中，鉆遇稠油瀝青層，嚴(yán)重危害鉆井安全[10]，稠油瀝青污染鉆井液，導(dǎo)致振動(dòng)篩跑漿，鉆井液流動(dòng)性變差。試驗(yàn)選用已污染鉆井液，加入不同加量的磺化單寧SMT和乳化劑KRNM，熱滾120℃，16h，冷卻至室溫后測(cè)量其流變性能，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，加入不同加量磺化單寧SMT和乳化劑KRNM，鉆井液流變性能均不同程度地降低，改善污染鉆井液流變性能，滿足井下需求。

表4 乳化性能評(píng)價(jià)

2.4 配方確定

通過室內(nèi)評(píng)價(jià)研究，最終確定成膜封堵鉆井液體系的基本配方如下：清水+10%土粉+0.2%pH調(diào)節(jié)劑+0.1%純堿+0.3%抑制劑+0.15%增粘劑+1%抗高溫降濾失劑+1%磺化酚醛樹脂+2%磺化褐煤+1%磺化單寧+3%潤(rùn)滑劑+3%防塌劑+5%超細(xì)碳酸鈣+1%單封+0.5%LXY-2+0.2%乳化劑。

2.5 性能評(píng)價(jià)

2.5.1 抑制性能評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)該體系的抑制效果，對(duì)成膜封堵鉆井液體系進(jìn)行了頁(yè)巖膨脹性試驗(yàn)評(píng)價(jià)和泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率試驗(yàn)評(píng)價(jià)，試驗(yàn)稱取Y14井2406m混合巖屑粉。

1)泥頁(yè)巖膨脹試驗(yàn)。利用NP-01型頁(yè)巖膨脹測(cè)試儀測(cè)定抑制劑對(duì)抑制頁(yè)巖膨脹的能力。由圖1可知，成膜封堵鉆井液體系具有很強(qiáng)的抑制黏土水化膨脹能力。

2)泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收試驗(yàn)。泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率試驗(yàn)可以用來評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖的分散特性，研究鉆井液抑制地層分散能力的強(qiáng)弱。由圖2可知，成膜封堵鉆井液體系的巖屑滾動(dòng)回收率為84.99%，具備良好的頁(yè)巖抑制性。

圖1 泥頁(yè)巖膨脹試驗(yàn)評(píng)價(jià)

圖2 泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率試驗(yàn)評(píng)價(jià)

2.5.2 抗溫性能評(píng)價(jià)

將成膜封堵鉆井液配方在不同溫度下恒溫滾動(dòng)16h后，冷卻至常溫下測(cè)量性能，評(píng)價(jià)成膜封堵鉆井液的抗溫效果，結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，成膜封堵鉆井液體系在不同溫度下流變性和濾失性未發(fā)生突變，經(jīng)老化后黏度下降，但變化不大，濾失量變化不大，具有良好的抗溫性能、流變性能、攜砂能力和懸浮能力，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)要求。

表5 抗溫性能評(píng)價(jià)

2.5.3 封堵性能評(píng)價(jià)

調(diào)節(jié)粒度分布，提高封堵性，聚磺鉆井液體系粒度分布(見圖3)較為集中(D50=8.66μm，D90=26μm)，且分散過細(xì)；采用成膜封堵鉆井液體系，在鉆至桃東溝群前，用超細(xì)碳酸鈣、瀝青粉等屏蔽材料，通過不同粒度的屏蔽劑，調(diào)控鉆井液粒度分布，使其緊密堆積，達(dá)到最佳封堵效果，減小液相的滲入量和深度[11～13]。調(diào)整后(見圖4)鉆井液粒度分布D50為25.56 μm，D90為60.60μm，具有良好的封堵效果，順利鉆穿桃東溝群地層，完成了預(yù)期目標(biāo)。

圖3 卡鉆時(shí)聚磺鉆井液體系粒度分布

圖4 成膜封堵鉆井液體系粒度分布

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 工程地質(zhì)概況

英也爾油田Y14井地層分序(見表6)。該井主要復(fù)雜井段集中在桃東溝群地層，巖性為黑色硬脆性泥巖，黏土礦物以蒙脫石為主，易吸水分散膨脹，呈裂縫破碎性發(fā)育，導(dǎo)致井壁坍塌。

表6 Y14井地質(zhì)分層表

Y14井井型為定向井，井身結(jié)構(gòu)為二開，使用?241mm鉆頭，完鉆井深為4130m，完鉆垂深為3844m，完鉆井斜20.20°，全井最大井斜50.69°(對(duì)應(yīng)斜深3350m)。

該井前期采用聚磺鉆井液體系，發(fā)生2次井塌事故后，回填至2160m開始側(cè)鉆，鉆井液轉(zhuǎn)換為成膜封堵鉆井液體系，安全鉆穿桃東溝群地層，鉆至目的層位順利完鉆，測(cè)井、下入技術(shù)套管等一次成功，并順利固井。

3.2 技術(shù)措施

1)進(jìn)入桃東溝群前，用超細(xì)碳酸鈣、瀝青粉等屏蔽材料，調(diào)控粒度分布，使其緊密堆積，達(dá)到最佳封堵效果，減小液相的滲入量和深度。配合封堵劑、乳化劑、潤(rùn)滑劑等油相物質(zhì)造成泥巖孔喉、裂縫潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)或表面張力改變，減少毛細(xì)管作用水對(duì)地層的吸入滲透。

2)鉆進(jìn)過程中保證鉆井液中成膜劑含量達(dá)0.5%，降低鉆井液濾液活性，減緩泥巖的分散膨脹。

3)優(yōu)化復(fù)配降濾失劑，最大限度提高濾餅的致密柔韌性，提高濾餅的抗沖刷能力。

4)適當(dāng)提高鉆井液粘切，以減小鉆井液對(duì)破碎層的沖刷力，懸浮可能坍塌的巖屑避免聚集，同時(shí)滿足上部不規(guī)則大井徑井段巖屑的攜帶。

5)進(jìn)入桃東溝群，為達(dá)到有效封堵效果，禁止使用離心機(jī)，避免大顆粒封堵材料的清除和固相粒度分布失衡，使封堵效果下降。

6)進(jìn)入T3k、P3w、P3q等大段礫狀砂巖層后，清除劣質(zhì)固相，提高濾餅的致密柔韌性和抗承壓能力，避免粘卡的發(fā)生，同時(shí)施加適量的潤(rùn)滑劑滿足定向鉆井的需要。

7)鉆遇稠油瀝青層時(shí)，及時(shí)加入1%磺化單寧SMT和0.2%乳化劑KRNM，改善污染鉆井液流變性能，確保鉆井液具有良好的流變性能。

3.3 鉆井液性能

Y14井在2160～4130m井段應(yīng)用成膜封堵鉆井液體系，應(yīng)用井段鉆井液性能良好，漏斗黏度為88～135s，動(dòng)塑比基本保持在0.70以上，既有良好的抑制和封堵防塌能力，也具有良好的攜帶能力，鉆井液性能見表7。

表7 成膜封堵鉆井液體系轉(zhuǎn)化前后性能對(duì)比

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1)針對(duì)英也爾區(qū)塊桃東溝群破碎性地層復(fù)雜情況，成膜封堵鉆井液體系具有良好的抑制封堵防塌效果。

2)成膜封堵鉆井液具有合理的粒度分布，適度使用固控設(shè)備，達(dá)到最佳封堵效果，減小液相的滲入量和深度。

3)成膜封堵鉆井液具有良好的靜態(tài)懸砂動(dòng)態(tài)攜砂能力，有效解決了英也爾區(qū)塊復(fù)雜地質(zhì)條件鉆井液技術(shù)難題，提高鉆井效率顯著。

4)成膜封堵鉆井液具有良好的流變性能，最大程度地預(yù)防和改善稠油瀝青污染鉆井液，滿足安全鉆井井下需求。

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[編輯] 洪云飛

2016-09-28

王廣財(cái)(1985-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事鉆井液完井液技術(shù)方面的研究工作；E-mail:wangguangcaith@petrochina.com.cn。

TE254

A

1673-1409(2016)34-0057-06

[引著格式]王廣財(cái)，劉勇，周雙君，等.庫(kù)木塔克沙漠稠油油藏鉆井液體系優(yōu)選與應(yīng)用[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(34)：57～62.