博格達(dá)山北緣山前帶高效防塌鉆井液研究及應(yīng)用

李 瓊，邱春陽，姜春麗，王雪晨，張海青，陳二丁

中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東東營(yíng) 257064

博格達(dá)山北緣山前帶位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣東部，油氣資源豐富，勘探開發(fā)潛力巨大。該區(qū)塊地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉆探過程中需穿越多套軟硬泥巖，前期施工過程中多次發(fā)生大面積坍塌掉塊，造成憋卡、縮徑等井下復(fù)雜情況，導(dǎo)致鉆完井作業(yè)不順利，嚴(yán)重滯緩了區(qū)塊施工進(jìn)度。通過對(duì)博格達(dá)山北緣山前帶井壁失穩(wěn)機(jī)理研究，制定出該區(qū)塊鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)對(duì)策，采用聚胺多元防塌鉆井液體系，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了良好的井壁穩(wěn)定效果。

1 井壁失穩(wěn)機(jī)理研究

1.1 地應(yīng)力作用失穩(wěn)

博格達(dá)北緣山前帶是經(jīng)歷不同方式構(gòu)造變形疊加改造的復(fù)雜構(gòu)造區(qū)[1-3]。主體為一逆沖推覆體，內(nèi)部普遍發(fā)生強(qiáng)烈擠壓褶皺變形，地應(yīng)力分布及強(qiáng)度十分復(fù)雜，地層傾角大，井眼鉆開后，地應(yīng)力沿著井眼的徑向方向釋放，施工中使用的鉆井液密度低，鉆井液液柱壓力不能平衡地層坍塌壓力，導(dǎo)致井壁坍塌。

1.2 巖石水化作用失穩(wěn)

1)巖石礦物分析

取二疊系平地泉組巖屑試樣11個(gè)，進(jìn)行全巖礦物分析及黏土礦物分析，結(jié)果見表1、表2。從分析數(shù)據(jù)看出，地層黏土礦物組分中以伊蒙混層為主，其次為伊利石，并含有少量的綠泥石。不同地層巖樣黏土礦物含量較高，且水敏性礦物含量較高，具有潛在的水化膨脹和分散特性。

2)巖屑回收率實(shí)驗(yàn)

對(duì)目標(biāo)區(qū)塊的巖屑回收率測(cè)試結(jié)果見表3。

表1 地層全巖礦物分析結(jié)果 %

表2 黏土礦物分析結(jié)果

表3 目標(biāo)區(qū)塊復(fù)雜地層巖屑回收率

由表3可知，該區(qū)塊巖樣中，巖屑清水回收率均低于40%，巖樣黏土礦物相對(duì)含量較高，水化分散性強(qiáng)。

3)陽離子交換容量測(cè)試

表4 目標(biāo)區(qū)塊巖樣陽離子交換容量測(cè)試結(jié)果

由表4看出，區(qū)塊地層巖樣陽離子交換容量普遍較高，表明其含有大量可交換陽離子，易發(fā)生水化膨脹和分散。

1.3 孔隙及微裂縫發(fā)育失穩(wěn)

不同巖樣不同放大倍數(shù)的掃描電鏡照片見圖1～圖3。

圖1 1#巖樣掃描電鏡照片

圖2 2#巖樣掃描電鏡照片

圖3 3#巖樣掃描電鏡照片

從圖1～圖3看出，淺部地層巖樣可明顯觀察到書頁(yè)狀的蒙脫石以及蜂窩狀的伊蒙混層，表明黏土礦物發(fā)育，水敏性較強(qiáng)。纖維狀的伊利石貼附于顆粒表面或填充與粒間孔隙中。不同地層深度巖樣均有微裂縫和微孔隙發(fā)育，而且硬脆性泥頁(yè)巖中存在大量的微米級(jí)甚至納米級(jí)裂縫。大量縱橫交錯(cuò)的微納米尺寸裂隙，一方面消弱顆粒間的膠結(jié)力，另一方面鉆井液濾液在壓差和化學(xué)勢(shì)差作用下沿微裂隙侵入地層，引起泥頁(yè)巖的局部水化，產(chǎn)生較大的水化膨脹壓(即水化膜斥力較大)，使井壁失穩(wěn)。

2 井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)對(duì)策

針對(duì)區(qū)塊井壁失穩(wěn)機(jī)理，提出“復(fù)合封堵固壁—強(qiáng)效抑制水化—有效應(yīng)力支撐—增強(qiáng)潤(rùn)滑防卡—合理控制流變”的五元協(xié)同防塌鉆井液技術(shù)對(duì)策。

1)復(fù)合封堵固壁

固相粒度分布調(diào)節(jié)與封堵材料柔韌性相結(jié)合。在做好常規(guī)封堵的同時(shí)，注重微納米縫隙的封堵。傳統(tǒng)水基鉆井液封堵劑的粒徑多為微米尺度，難以進(jìn)入地層的納米尺度孔隙、裂隙形成內(nèi)泥餅，會(huì)阻緩濾液和壓力傳遞。故引入納米封堵劑和滲透成膜處理劑，納米封堵劑能有效封堵地層微納米孔[4-6]，滲透成膜處理劑在井壁外圍形成保護(hù)層[7-8]，阻止或減小鉆井液及濾液進(jìn)入地層，提高封堵層強(qiáng)度。同時(shí)，柔性粒子可通過纏繞和多點(diǎn)吸附作用增加摩擦阻力，在形成的堵塞中縱橫交錯(cuò)、相互拉扯，提高封堵層的承壓能力。

2)強(qiáng)效抑制水化

鉆井液抑制性是防塌、防縮、防造漿的關(guān)鍵。針對(duì)目標(biāo)區(qū)塊地層水化、分散性能強(qiáng)的特點(diǎn)，要求鉆井液體系抑制性強(qiáng)。因此，引入聚胺抑制劑[9]，吸附在黏土表面后，在增強(qiáng)黏土表面疏水性的同時(shí)可有效阻止自由水進(jìn)入黏土片層，降低泥頁(yè)巖及黏土礦物的水化程度，防止井壁失穩(wěn)。引入KCl，鉀離子能夠嵌入黏土礦物的晶層之間，防止黏土礦物吸水膨脹。引入復(fù)合表面活性劑[10-12]，能有效降低鉆井液表面張力，增大其與井壁巖石的接觸角，抑制頁(yè)巖的水化膨脹；同時(shí)，能有效阻緩頁(yè)巖孔隙壓力傳遞，降低頁(yè)巖滲透率，從而增強(qiáng)頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性。

3)有效應(yīng)力支撐

保持適當(dāng)壓差鉆井是防止井壁垮塌的先決條件，任何由于力學(xué)因素引起的井壁垮塌，只有通過力學(xué)支撐即選用合適的鉆井液密度才能解決[13]。確定鉆井液液柱壓力所能提供確保井壁力學(xué)穩(wěn)定的鉆井液密度，是確保井壁穩(wěn)定的前提條件。現(xiàn)場(chǎng)施工中依據(jù)所鉆地層地應(yīng)力、孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力來確定合理的鉆井液密度，保持地層的力學(xué)平衡，防止地層坍塌與塑性變形。

4)增強(qiáng)潤(rùn)滑防卡

博格達(dá)山北緣山前帶地層巖石較硬，研磨性差，施工周期長(zhǎng)，低密度固相長(zhǎng)期累積，導(dǎo)致體系本身的潤(rùn)滑性能降低。因此，引入納米乳液，納米乳液能夠在鉆具上形成一層油膜，降低施工中產(chǎn)生的摩阻和扭矩；納米乳液的小尺寸效應(yīng)能夠提高泥餅的致密性，改善泥餅的厚度，提高鉆井液的潤(rùn)滑能力[14-16]。

5)合理控制流變性

由于地層黏土礦物含量高，地層造漿性強(qiáng)。鉆探過程中黏土易侵入鉆井液體系中，導(dǎo)致鉆井液流變性惡化，流變性失穩(wěn)直接導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

3 鉆井液體系

3.1 鉆井液體系配方

針對(duì)目標(biāo)區(qū)塊山前構(gòu)造地層特性，確定了以強(qiáng)抑制和強(qiáng)封堵為主，注重平衡地層應(yīng)力，兼顧鉆井液體系流動(dòng)性及潤(rùn)滑性作為鉆井液技術(shù)的主攻方向。配制適合博格達(dá)山北緣山前帶鉆井施工的聚胺多元防塌鉆井液體系，配方為：(3%～5%)膨潤(rùn)土漿+(2%～4%)聚胺抑制劑+(2%～5%)復(fù)合表面活性劑+(2%～3%)滲透成膜處理劑+(3%～5%)多級(jí)配納米封堵劑+(2%～3%)柔性粒子+(3%～5%)KCl+(2%～3%)SMP-II+(2%～3%)液體潤(rùn)滑劑NMR+加重劑。

3.2 鉆井液體系性能評(píng)價(jià)

3.2.1抗溫性能評(píng)價(jià)

表5 鉆井液體系抗溫性能評(píng)價(jià)

從表5中看出，高溫老化后，聚胺多元防塌鉆井液各種性能參數(shù)基本穩(wěn)定，無嚴(yán)重稀釋、顯著增稠、固相聚沉、高溫膠凝現(xiàn)象，表明鉆井液體系具有優(yōu)良的抗溫能力。

3.2.2抑制性能評(píng)價(jià)

采用巖心膨脹試驗(yàn)和巖屑(ML1井平地泉組泥巖)回收率試驗(yàn)評(píng)價(jià)了優(yōu)化后鉆井液體系的抑制性，結(jié)果見表6。

表6 抑制性能評(píng)價(jià)

由表6看出，與常規(guī)聚磺防塌鉆井液相比，聚胺多元防塌鉆井液16 h線性膨脹率只有4.5%，巖屑回收率高達(dá)95.54%。表明聚胺多元防塌鉆井液抑制性強(qiáng)，能有效地抑制巖屑的高溫分散。

3.2.3封堵性能評(píng)價(jià)

封堵性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 封堵性能評(píng)價(jià)

由表7可看出，聚胺多元防塌鉆井液體系形成的泥餅薄而韌，滲透率低且承壓能力好，能有效地降低鉆井液的濾失量，防止井壁巖石水化膨脹、剝落掉塊，具有較強(qiáng)的封堵能力。

3.2.4攜巖效率評(píng)價(jià)

攜巖效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 攜巖效率評(píng)價(jià)

由表8可看出，聚胺多元防塌鉆井液體系在井斜30°時(shí)，井眼的清潔效率達(dá)到90%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)聚磺防塌鉆井液體系，說明聚胺多元防塌鉆井液體系井眼清潔效率高，懸浮攜帶能力強(qiáng)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

聚胺多元防塌鉆井液在ML2井三開井段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，ML2井是重點(diǎn)預(yù)探井，位于博格達(dá)山北緣木壘凹陷地區(qū)，設(shè)計(jì)井深3 200 m，完鉆井深3 300 m，二開φ244.5 mm技術(shù)套管下深至2 485.22 m三開采用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深3 300 m完鉆，φ139.7 mm套管下深至3 197 m完井。應(yīng)用效果如下。

1)井壁穩(wěn)定性好。在該區(qū)塊使用常規(guī)鉆井液體系所鉆的井，地層剝落掉塊嚴(yán)重；而應(yīng)用聚胺多元防塌鉆井液體系后，鉆進(jìn)過程中井壁穩(wěn)定，電測(cè)一次成功率100%，平均井徑擴(kuò)大率8.8%。

2)井眼清潔能力強(qiáng)，鉆頭防泥包效果顯著。聚胺多元防塌鉆井液體系流變性好，懸浮攜帶能力強(qiáng)，施工中井眼通暢，起下鉆和下套管作業(yè)順暢。三開井段鉆井液性能見表9。

表9 ML2井三開井段鉆井液性能

5 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

1)通過對(duì)目標(biāo)區(qū)塊地質(zhì)特點(diǎn)、地層組構(gòu)及理化性能分析，明確了井壁失穩(wěn)機(jī)理，提出了“復(fù)合封堵固壁—強(qiáng)效抑制水化—有效應(yīng)力支撐—增強(qiáng)潤(rùn)滑防卡—合理控制流變”的五元協(xié)同防塌鉆井液技術(shù)對(duì)策。

2)配制了聚胺多元防塌鉆井液體系，該體系抑制性強(qiáng)，封堵性能好，井眼清潔效率高。

3)聚胺多元防塌鉆井液體系在博格達(dá)山北緣山前帶ML2井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，施工中井壁穩(wěn)定，井下安全，起下鉆暢通無阻，鉆完井作業(yè)順利。

4)博格達(dá)山北緣山前帶地層傾角大，地層破碎，地應(yīng)力作用強(qiáng)，保證鉆井液體系具有良好的封堵性是井壁穩(wěn)定的基礎(chǔ)，施工中控制合適的鉆井液密度是井壁穩(wěn)定的前提。