強封堵高性能水基鉆井液在伊拉克Missan油田水平井中的應用

雷志永，陳強，郭濤，張永

(中海油田服務股份有限公司油田化學事業部，天津 300452)

強封堵高性能水基鉆井液在伊拉克Missan油田水平井中的應用

雷志永，陳強，郭濤，張永

(中海油田服務股份有限公司油田化學事業部，天津 300452)

伊拉克Missan油田儲層段地層“上下易漏、中間易塌”，且密度窗口窄，極易引起井壁失穩，導致井漏、井塌、卡鉆等井下復雜情況。強封堵高性能水基鉆井液主要針對Missan油田水平井面臨泥頁巖、泥灰巖的井壁失穩及灰巖漏失問題，從解決井壁失穩入手，采用物理-化學協同封堵，加強鉆井液的封堵性，提高地層承壓能力，降低漏失風險；采用“活度”調控、滲透壓原理，提高泥、頁巖半滲透膜特性，降低鉆井液的活度，抑制地層中泥巖的水化膨脹能力，使井壁在鉆井液靜壓力的基礎上，又增加了滲透壓，進一步提高了井眼的穩定性。該體系在使用中體現出穩定的流變性，能夠很好地封堵地層微裂縫，大大提高地層承壓能力，延遲井壁穩定時間，保證鉆進中井眼的穩定性，為Missan油田首口水平井的順利完成及后續水平井的開發提供了很好的保障。

水基鉆井液；伊拉克Missan油田；水平井；井壁穩定；化學封堵；活度；抑制性

伊拉克Missan油田因其儲層段地層灰巖易漏、泥頁巖易塌的復雜性，在該區塊作業水平井史無前例，加之該區塊所鉆水平段為非標準井眼，?8in定向井段PD與井眼最小間隙僅有in(1.6mm)，密度窗口窄，極易引起井壁失穩，導致井漏、井塌、卡鉆等井下復雜情況。因此，Missan油田水平井鉆井液面臨的主要問題就是如何解決井壁穩定及漏失難題，而井壁穩定研究的趨勢與特點主要是由于地質因素、泥頁巖與泥漿相互作用和鉆井作業等因素而出現不穩定的問題，即井壁穩定問題是鉆井系統工程中所遇到的一個十分復雜的世界性難題，迄今還沒有研究出可以徹底解決這個問題的一套完整的有效方法[1～3]。井壁失穩主要原因是：鉆井液液相進入地層，引起地層孔隙壓力增高，當泥漿的壓力與孔隙壓力間的壓差不足以支撐井壁時就會導致井壁不穩定(剝落或坍塌)；水相進入頁巖地層導致黏土的水化分散，提高了膨脹壓力，導致地層失穩。由于泥頁巖中壓力傳遞比溶質和離子擴散快1～2個數量級，而溶質和離子的擴散又比鉆井液濾液快1～2個數量級；因而穩定井壁必須采用抑制與控制壓力滲透同步進行才有效。

國外鉆井液公司曾在Missan油田周邊地區鉆過多口探井，這些井均曾多次出現性能失控、井壁失穩、卡鉆、井漏、溢流等井下復雜情況。筆者優選了強封堵高性能水基鉆井液體系，大大提高了井壁承壓能力，避免漏失風險，使地層承壓能力當量鉆井液密度提高了0.15g/cm3，并在伊拉克Missan油田歷史性的首口水平井BUCS-44H井中成功應用，為解決井壁失穩問題、漏失問題及順利完成伊拉克項目提供了關鍵性技術保障。

1 Missan油田儲層段地質特點

表1 ?8in井段地層分析

表1 ?8in井段地層分析

地層巖性描述風險提示Jeribe/Euphrates白云巖為主-UpperKirkuk砂巖與黑褐色頁巖不等互層夾灰巖及薄層白云巖漏失M?LKirkuk砂巖與黑褐色頁巖不等互層漏失、坍塌Jaddala-漏失Aaliji--Shiranish黏土質亮白色灰巖縮徑、坍塌Hartha孔隙發育灰巖漏失Sadi黏土質亮白色灰巖易垮塌Tanuma頂部泥灰巖，中部薄層灰巖，下部較長頁巖垮塌性頁巖Khasib白色灰巖-Mishrif孔隙發育灰巖、致密灰巖漏失

2 Missan油田鉆井液開發重難點及應對措施

2.1鉆井液開發重難點

1)Kirkuk層位防漏：已鉆井的Kirkuk層位出現過井下失返性復雜漏失，因此要以防漏為主，提高地層承壓能力。

2)Tanuma層位防垮塌、防卡：已鉆井的Tanuma層位出現過井壁頁巖坍塌，極易引起硬性卡鉆，已鉆?8in井段的鉆頭處卡鉆，狗腿度大，灰巖、頁巖易出現掉片(圖1)。

3)Mishrif層位防漏：在Mishrif層位著陸，井底密度高，灰巖裂縫容易出現漏失，一旦發生失返性漏失，勢必會影響工程順利著陸，而且鉆井液液柱壓力降低，可能會引起上部Tanuma層位坍塌。

圖1 前期已鉆井?8in井段直井段巖屑掉片

2.2井壁穩定應對措施

2.2.1保持鉆井液適當的相對密度

如果鉆井液沒有合適的相對密度，無論使用任何鉆井液體系，均可能導致井壁失穩；該油田因其地層復雜性，密度高時易漏失，密度低時易垮塌，故需通過提高鉆井液的封堵性提高地層承壓能力[5]。

2.2.2改善頁巖滲透膜效率

改善頁巖滲透膜效率，降低鉆井液水活度，產生孔隙水從頁巖流向鉆井液，從而降低井壁附近頁巖的水含量和孔隙壓力；該體系通過物理-化學協同封堵改善頁巖滲透膜效率，以便能很好地封固地層，防止濾液的浸入，提高地層承壓能力，延長井壁穩定時間。

3 強封堵高性能水基鉆井液及關鍵技術措施

3.1強封堵高性能水基鉆井液

強封堵高性能水基鉆井液主要針對Missan油田水平井面臨泥頁巖、泥灰巖的井壁失穩及灰巖漏失問題，采用物理-化學協同封堵，加強鉆井液的封堵性，提高地層承壓能力，降低漏失風險；采用“活度”調控、滲透壓原理，提高泥、頁巖半滲透膜特性，降低鉆井液的活度，抑制地層中泥巖的水化膨脹能力，使井壁在鉆井液靜壓力的基礎上，又增加了滲透壓，進一步提高了井眼的穩定性；同時需結合穩定的流變性，保證鉆進中井眼的穩定性。

鉆井液基礎配方:1.5%～2%預水化膨潤土漿+0.3%～0.8%NaOH+0.2%～0.4%Na2CO3+0.3%～0.5%提切劑PF-VIS+1.5%～3%淀粉FLC+(10%～飽和)復合鹽+1.5%～3%瀝青SOLTEX+1%～2%物理封堵劑PF-GREENSEAL+1%～2%化學封堵劑PF-CHEMSEAL+0%～1.5%隨鉆堵漏劑PF-SZDL+0%～3%抑制性聚合醇PF-JLX-C+0%～3%抗鹽潤滑劑PF-ZKRH2；采用重晶石調節密度至1.28g/cm3。測試其基礎性能如表2所示，強封堵高性能水基鉆井液流變性能穩定，具有低黏度高剪切力的性質且濾失量較小，說明鉆井液能夠形成有效的泥餅，阻止濾液的侵入，泥餅潤滑系數僅0.11，已經能夠達到油基鉆井液的水平井作業要求。

表2 鉆井液基礎性能

注1：μa為表觀黏度；μp為塑性黏度；τd為動切力；Nφ6、Nφ3分別為六速旋轉黏度計6、3r/min對應的讀值；τi、τf分別為初 切力和終切力；VAPI為API濾失量；Vhthp為高溫高壓濾失量。

注2：老化條件為120℃×16h。

3.2關鍵技術措施

通過引入自主生產的封堵劑，提升了鉆井液的封堵性，可有效封堵孔喉及微裂縫，達到強封堵的效果(圖2)，同時由于封堵劑中的化學效應，使鉆井液性能調控變得更加“智能”。

3.2.1物理封堵劑

物理封堵劑PF-GREENSEAL是一種白色固體顆粒，易在水中分散。它是微米級不可變形材料，同時是納米級可變形可拆分封堵聚合物，納米級顆粒度分布均勻，可封堵微孔隙及變形進入微裂縫中，減少孔隙壓力傳遞，在高鹽度的環境下穩定，可與常規堵漏材料達成級配，從而更好地封固地層。封堵機理：在正向壓差作用下迅速進入近井壁帶，形成致密隔離層帶(內泥餅)，封堵微裂縫和孔喉，減緩壓力傳遞，降低濾液滲透，延長井壁穩定時間。

3.2.2化學封堵劑

化學封堵劑PF-CHEMSEAL是種黑褐色片狀固體，鋁鹽磺化有機高分子絡合物。它可與匹配的物理封堵劑協同，更有效改善半滲透膜效率，能夠降低泥頁巖滲透率，減緩孔隙壓力傳遞速度。在10

圖2 物理-化學協同封堵電鏡掃描效果(×3000倍)

圖3 PF-CHEMSEAL在PIERREⅡ頁巖形成的“內泥餅”

4 現場維護及應用效果

4.1現場鉆井液關鍵技術措施

1)開鉆維持鉆井液固相含量在20～25kg/m3，保證造壁性；控制好鉆井液黏度，鉆進中漏斗黏度在60～70s較為理想，返出巖屑成型好，若過低，對井壁沖刷較大，會出現少量掉片。

2)該體系現場應用過程中，pH值對鉆井液黏度影響大，可通過控制pH值來控制黏度，因PF-VIS對pH值過于敏感，pH值過高，會破壞體系結構，鉆井液黏度會驟降，失去懸浮能力，pH值過低，PF-CHEMSEAL會以固相形式篩出，故應及時補充燒堿水，維持鉆井液pH值在9～10較為理想。

3)采用物理封堵劑PF-GREENSEAL、化學封堵劑PF-CHEMSEAL和復合鹽的配合使用來提高地層承壓能力，并及時補充各封堵材料加量。若鉆進過程中仍有較多頁巖或灰巖掉片，可以適當提高井漿PF-GREENSEAL的量，同時維持瀝青含量。

4)鉆進至Upper Kirkuk時，含有薄層砂巖，特別是BU組砂巖較厚約100m，可以提前使用除砂除泥器(特別是除泥器效果更佳)，否則相對密度上漲較快。盡量不要使用離心機，離心機對材料損耗太大，而且會造成固相含量降低。

5)鉆進至定向井段及時補充潤滑劑加量，并復配使用塑料小球PF-BLAB與彈性石墨PF-GRA。保障鉆井液潤滑性，降低摩阻。若有托壓現象，可半小時投放1包塑料小球防止托壓；下套管前墊封閉漿，按照質量分數為1%的量加入塑料小球，且聚合醇PF-JLX-C和潤滑劑PF-ZKRH2的質量分數各提高2%。

6)鉆井液維持動切力在8～18Pa，Nφ3在2～6，Nφ6在3～8，但鉆井液密度較高時，要避免當量循環密度過高而引起井漏。

7)及時檢測密度和返出情況，若有掉塊，可適當提高相對密度，以防相對密度過低導致井壁坍塌，相對密度過高導致漏失，同時維持漏斗黏度在65s左右，減少對井壁的沖刷效應，以及防止形成巖屑床，特別是井斜40～60°井段。直井段鉆進中維持相對密度在1.27以下，在長起過程中，需提高鉆井液的相對密度，維持井筒里的靜液注壓力，以防壓力釋放導致坍塌，待下鉆到底用除泥器甩至原相對密度。穿過Tanuma地層后，相對密度逐漸提高至1.30～1.32，完鉆后通井期間相對密度逐步提高0.05，以保證通井順利，建議在提高相對密度前適當補充隨鉆堵漏劑PF-SZDL材料。

4.2現場應用效果

4.2.1良好的流變性能

高性能水基鉆井液在鉆進Missan油田儲層段過程中，鉆井液性能穩定，維護處理簡單，開泵循環通暢，達到了安全快速鉆進的目的。以BUCS-44H井為例(表3)，從入井后直到完鉆，期間鉆井液流變性能穩定。

表3 BUCS-44H井?8in井段泥漿流變性能

表3 BUCS-44H井?8in井段泥漿流變性能

井深/mμf/sρ/(g·cm-3)μa/(mPa·s)μp/(mPa·s)τd/PaN?6N?3τi/Paτf/PaVAPI/mLpH值2832581 2338 02711 05423 51 811 02852481 2331 5238 5431 53 52 411 02860541 2335 0269 0541 53 52 210 02872581 2437 02710 0541 53 51 89 52912611 2539 02811 06424 51 69 03051651 2544 53014 56423 51 88 53102631 2644 03014 06423 51 89 03313641 2643 52913 56423 51 69 53525661 2849 03415 06423 51 28 03894641 3147 53710 55423 50 78 54083(著陸)651 3646 03511 0652 53 50 69 0

注：μf為漏斗黏度。

4.2.2優異的潤滑性能

目前現場采用黏滯系數儀監測鉆井液潤滑性，摩擦系數在0.10以下，滿足保證現場作業要求。開鉆后將循環池中PF-JLX-C的量提高至30kg/m3。鉆至定向井段，同時使用塑料小球PF-BLAB與彈性石墨PF-GRA，并逐步提高潤滑劑質量分數至2%，保障鉆井液潤滑性，降低摩阻。

4.2.3獨特的“液體套管”功能

鉆進中鉆井液流變性能穩定、易調，這是由于鉆井液體系加入了2種“智能”封堵劑，其在體系中能夠充分發揮其特性，鉆井液性能調控變得更加“智能”。由于使用了2種封堵劑，加上鉆井液自由水少，使鉆井液具有明顯的“高溫(50℃)稀釋，低溫變稠”的凝膠現象。長起過程中，由于溫度變低，其對井壁具有穩定作用；當下鉆過程中將結構破壞，溫度提高，鉆井液又恢復其良好流變性能。這對于井壁具有一定的保護作用，起到“液體套管”的作用。

4.2.4封堵性強，井眼穩定

對于相同井深的直井，作業周期基本一致，水平井作業過程中鉆井液基本無消耗。水平井直井段沒有大肚子形成，井徑更加規則，說明鉆井液的封堵性極強，2種“智能”封堵劑能夠很好地封固地層，對井壁起到加固作用，提高了井壁承壓能力。在可測的直井段易垮塌漏失地層起下鉆沒有任何阻掛現象，起下鉆通暢，電測順利，井徑規則，井眼穩定，井底無沉砂，下套管固井作業順利，確保了井下安全，為下一開儲層作業奠定了夯實的基礎。

5 結論

1)強封堵高性能水基鉆井液在使用中體現出穩定的流變性，綜合性能優異，多項性能指標接近于油基泥漿，潤滑系數可降低至0.1，同時體現出獨特的“液體套管”功能，完全能夠滿足Missan油田水平井作業需求。

2)該體系采用復合鹽“活度”調控、滲透壓原理，提高泥、頁巖半滲透膜特性，抑制地層中泥巖的水化膨脹能力，進一步提高了井眼的穩定性。

3)該體系采用物理-化學協同封堵，能夠很好地封堵地層微裂縫，大大提高地層承壓能力，延遲井壁穩定時間，保證鉆進中井眼的穩定性，為Missan油田后續水平井的開發提供了很好的保障。

4)Missan油田水平井的順利完鉆，為伊拉克乃至更多中東地區的復雜水平井作業、易漏易塌非常規井眼作業、小井眼作業都提供了寶貴的成功經驗，是不可多得的依據和參考，更對伊拉克Missan油田的開發意義重大。

[1]武毅，侯少紅，劉海涵，等．Missan油田小井眼鉆井井身結構優化設計[J]．長江大學學報(自科版)，2015，12(26)：37～41.

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[3]張義楷，王志松，史長林，等．伊拉克米桑油田碳酸鹽巖儲層成巖作用[J].科學技術與工程，2016,16(5)：45～53.

[4]陳德銘，劉煥玉，董殿彬，等．伊拉克米桑油田AGCS27井裂縫性嚴重漏失堵漏新方法[J]．鉆井液與完井液，2015，32(5)：55～57.

[5]侯杰，劉永貴，李海.高性能水基鉆井液在大慶油田致密油藏水平井中的應用[J].石油鉆探技術，2015，43(4)：59～65.

[編輯] 帥群

TE254

A

1673-1409(2017)19-0063-05

2016-08-20

雷志永(1987-)，男，工程師，現在從事鉆井液技術研究工作，leizhy@cosl.com.cn。

[引著格式]雷志永，陳強，郭濤，等.強封堵高性能水基鉆井液在伊拉克Missan油田水平井中的應用[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(19):63～67.