鶯歌海盆地高溫高壓氣田定向井水基鉆井液優化與實踐

同武軍

（中海油能源發展股份有限公司工程技術深水鉆采技術公司，廣東湛江 524057）

南海鶯歌海盆地既存在高壓，也存在高溫，是目前世界海上三大高溫高壓地區之一。由于高溫高壓、天然氣和深井的特點，加之海上特殊環境，出現作業周期長、非生產時間長（30%～67%）、達不到地質目的、井眼報廢、成本高等一系列問題。因此，高溫高壓天然氣井鉆井技術，仍然是一個國際性的技術難題[1，2]。

鶯歌海盆地位于中國海南島的西面，其中X-X構造是大型泥底辟構造，其構造特征和泥底辟活動密切相關。深層的欠壓實泥巖在高溫高壓作用下，塑性流動上拱，使上覆地層局部隆起，形成穹隆狀的背斜，構造中心部位即為泥底辟。構造面臨地溫梯度高、壓力系數大、壓力窗口窄、儲層滲透率低、上部地層頁巖的水敏性強等技術挑戰，鉆井作業實踐過程中，存在著上部井段泥巖易水化膨脹，導致縮徑，且容易形成泥球，井眼清潔困難；鉆井液安全窗口窄，加上地層薄弱，容易發生井漏；鉆井液的高溫穩定性、流變性、濾失性控制以及低滲透儲層的儲層保護困難等難題。經過多年的高溫高壓探井鉆井液技術實踐和總結，逐漸形成了該區域極具特色的高溫高壓氣田定向井鉆井液優化設計和技術體系，并完成了從高溫高壓氣井直井到定向井鉆井液技術的跨越。結果表明，優化設計后的高溫高壓水基鉆井液體系具有高溫穩定性強、潤滑性好以及泥頁巖抑制能力、封堵能力及抗污染能力強和儲層保護效果優良等一系列優點，對類似井及該區域后續氣田定向井具有較好的借鑒意義[3-10]。

1 氣田地質概況

X-X高溫高壓氣田是中國海域第一個開發的高溫高壓氣田。位于南海北部大陸架西區的鶯歌海盆地，距離海南省東方市約113 km。氣田所處海區屬低緯熱帶氣候、海況受臺風和季風影響，最高氣溫36.4℃，水深為63.5 m。

氣田構造位于鶯歌海盆地中央坳陷北區，是發育在更新統底辟塌陷背景上的中層（黃流組一段）背斜圈閉。氣田中深層黃流組氣藏鉆遇地層從上到下依次為：新生界第四系樂東組、新近系上新統鶯歌海組、中新統黃流組和梅山組，基底未鉆穿，含氣層主要位于黃流組一段。

各層段主要巖性描述如下：

（1）樂東組：上部為灰色泥巖夾灰色細砂巖，下部為灰色粉—細砂巖與灰色泥巖呈不等厚互層，上部成巖性較差，往下成巖性變好。

（2）鶯歌海組一段：主要為厚層灰色泥巖、粉砂質泥巖，頂部發育灰色粉-細砂巖，局部夾泥質粉砂巖，與下伏地層呈整合接觸。

（3）鶯歌海組二段：上部為灰色粉砂巖與泥質粉砂巖不等厚互層，局部夾粉砂質泥巖；下部為大套灰色泥巖、粉砂質泥巖，局部夾薄層泥質粉砂巖，與下伏地層呈整合接觸。

（4）黃流組一段：上部為大套厚層灰色泥巖、粉砂質泥巖，頂部夾粉砂巖、泥質粉砂巖薄層；下部地層主要為灰色－淺灰色厚層粉細砂巖、生物擾動的泥質粉砂巖，夾灰色泥巖、粉砂質泥巖，區域上與下伏的黃流組二段呈假整合－不整合接觸。

2 鉆井液主要技術難點

由于該區塊探井作業受鉆井液的高溫穩定性、環保及成本控制等因素的限制，在前期勘探過程中，上部Φ444.5 mm井段優選采用了國產的PDF-PLUS/KCl水基鉆井液體系，Φ311.15 mm井段上部使用PDF-PLUS/KCl，下部井段使用PDF-THERM體系，Φ212.73 mm井段使用的是PDF-THERM和DURATHERM高溫高壓水基鉆井液體系，滿足了作業需要，但成本相對較高，并且在作業過程中出現了一些問題：Φ311.15 mm井段作業易產生泥球，井眼清潔困難，甚至套管壁也容易粘上大塊泥團；Φ311.15 mm井段起鉆困難，上部井段易縮徑，探井作業時出現3次卡鉆的事故；儲層井段鉆井液泥餅厚，影響電測作業，探井作業出現2次卡電測儀器事故；固井作業易井漏，探井作業時出現3次Φ244.48 mm套管固井作業中鉆井液失返的井下復雜情況；高密度鉆井液的泥餅厚導致固井時泥餅難以清除，影響固井質量；該區塊地層薄弱，鉆進過程中多次出現井漏；高溫高壓井控風險高，探井作業期間出現過2次重要的壓井作業等（見表1，表2）。

通過對該區塊以往探井作業情況的分析，總結得出其高溫高壓探井面臨的主要技術難題，如多套壓力系統共存，且地層壓力過渡帶短，容易誘發井噴、井漏等情況；高溫對鉆井液處理劑影響較大，有可能導致鉆井液性能惡化、甚至無法鉆進，引起復雜情況等；探井使用的PDF-PLUS/KCl體系，在作業中出現的起泥球、起下鉆遇阻卡等復雜情況；該區塊儲層段多以低孔低滲為主，做好低滲氣藏的儲層保護，另外，由于高溫高壓氣田定向井作業的特殊性，對鉆井液提出新的技術難題。

（1）鶯歌海組二段鉆遇大套泥巖，由于巖性特點及定向井中的巖屑運移特征，巖屑更容易聚結成球，造成井下復雜等；另外，鉆遇壓力過渡帶井段，由于鉆井液密度使用較高，也容易造成巖屑起泥球。

（2）高密度鉆井液使用，對于定向井來說，對鉆井液的攜巖能力要求高，井內巖屑更容易形成巖屑床，井眼清潔困難；另外，在高鉆井液、高固相含量條件下，對鉆井液體系的潤滑性要求高。

3 PDF-PLUS/KCl水基鉆井液體系優化

針對前期探井作業過程中PDF-PLUS/KCl鉆井液體系出現的問題（井下復雜情況主要出現在Φ311.15 mm井段），再結合項目的地質情況、開發要求和方案、井眼軌跡設計以及開發方式等特點，以及定向井中鉆井液面臨的攜巖問題、流變控制問題及重晶石沉降問題，需要對前期探井使用的PDF-PLUS/KCl體系，做進一步的優化試驗，以滿足定向井作業需要。體系的基本配方：海水+5 kg/m3燒堿+3 kg/m3純堿+2 kg/m3～3 kg/m3PF-VIS+20 kg/m3～30 kg/m3PF-DYFT+50 kg/m3KCl+20 kg/m3PF-UHIB/PF-LUBE。

表1 區塊周邊探井井身結構

表2 X-X氣田定向井井身結構

3.1 膨潤土含量確定

從一系列的配方試驗結果中得出，隨著膨潤土含量的增加，流變性越來越高，無土相配方泥餅松散不成形，隨著膨潤土含量增加，泥餅厚度逐漸增加，初步選定為10 kg/m3、20 kg/m3的膨潤土含量進行針對性試驗。

從后續的試驗中得出，10 kg/m3的膨潤土含量與20 kg/m3的膨潤土含量在泥漿性能上基本差別不大，考慮固相對體系的影響，優化出最佳的膨潤土含量為10 kg/m3。

3.2 封堵材料選擇及加量調整

選用PF-LPF H及PF-LSF兩種封堵材料進行試驗，結果表明，PF-LPF H對滾前流變性影響較大，而滾后性能較為合適，而PF-LSF對滾前及滾后性能流變影響較小，綜合所有的試驗結果并本著性能相近的前提下，優化封堵材料PF-LPF H/PF-LSF的加入量為20 kg/m3。

3.3 抑制劑加量調整

通過一系列的試驗，研究了甲酸鉀對體系的影響，結果表明，在基礎配方中加入甲酸鉀，不用的甲酸鉀加量對基礎配方的性能影響不大；后續試驗研究了甲酸鉀加量對體系中加入PF-LPF H及PF-LSF的影響，通過試驗證明，體系中甲酸鉀在20 kg/m3PF-LPF H和20 kg/m3PF-LSF中的最佳加量分別為30 kg/m3和20 kg/m3。

通過對體系進行的一系列優化試驗，得出了優化后的PDF-PLUS/KCl體系的配方如下：海水+10 kg/m3膨潤土+5 kg/m3燒堿+2.5 kg/m3純堿+20 kg/m3～30 kg/m3PF-DYFT+7 kg/m3～10 kg/m3PF-PLUS+30 kg/m3KCl+20 kg/m3PF-UHIB+10 kg/m3～20 kg/m3PFHLUB+3 kg/m3PF-VIS。需要注意的是，當鉆遇砂巖時補入功能材料：20 kg/m3PF-LPF H。

在前期探井作業成功的基礎上，在定向生產井中需要增加軟抑制劑聚胺PF-UHIB來改善泥漿的抑制性使返出的鉆屑成型，通過改變巖屑表面電性的防泥包潤滑劑PF-HLUB（防聚結）來解決泥巖巖屑的聚結問題。

3.4 配方對比試驗

優化出基本配方后，又進一步做了一系列的配方對比試驗，分別為滾動回收率對比、沉降穩定性及抗鈣污染試驗對比等。

不同體系對HOLEGLUG模擬鉆屑的滾動回收率（見圖1），可以得到，加入PF-UHIB（聚胺）的優化后的PDF-PLUS/KCl體系抑制性最強，對HOLEGLUG模擬鉆屑的滾動回收率可達100%。

對優化后的PDF-PLUS/KCl體系進行120℃和150℃的0～60°的沉降試驗情況（見圖2），沉降因子為0.5時表明為發生沉降，大于0.52時說明沉降穩定性較差，從試驗結果看到，沉降因子基本都在0.51以內，說明改進后的KCl/PLUS體系具有很好的沉降穩定性。

對使用兩種封堵劑PF-LPF H及PF-LSF的優化后的PDF-PLUS/KCl體系分別進行了抗鈣土污染試驗，結果（見表3），從表3可以看出，加入兩種封堵劑的PDF-PLUS/KCl體系在抗鈣污染后性能變化趨勢基本上差不多，但從流變性的影響來看，加入PFLSF的PDF-PLUS/KCl體系在抗鈣污染后變化趨勢相對較小。

4 現場應用

圖1 滾動回收率對比試驗

圖2 沉降穩定性結果

表3 優化后體系抗鈣污染試驗結果

針對該區塊前期探井作業中PDF-PLUS/KCl鉆井液出現的問題，氣田方案設計階段，對Φ311.15 mm井段要使用的PDF-PLUS/KCl鉆井液體系做了針對性的優化設計，通過現場的作業實踐來看，優化后的PDFPLUS/KCl水基鉆井液體系成功解決了Φ311.15 mm井段鶯歌海組二段泥巖問題，比前期該地區探井作業中使用的PDF-THERM體系應用效果好，即使在排量較低的情況下，“圓餅”狀鉆屑雖仍然無法避免，但總量偏少，質軟且尺寸相對較小，且在上層的Φ339.73 mm套管鞋處循環時，能循環干凈，節省較多循環時間。另外，通過材料的優選，極大的提高了低剪切速率下的鉆屑攜帶能力，聚胺的引入極大的提高了滾動回收率，更好的抑制鉆屑的粘連及分散，且在流變性可控的情況下，Φ311.15 mm井段使用PDF-PLUS/KCl體系鉆進，完鉆后再補入磺化材料，提高抗溫性這種作業方式是可行的，滿足了作業需要。

鉆井液的主要維護思路（見表4）：鶯歌海組二段以上，堅持 PF-PLUS 的持續使用，密度 1.50 s·g～1.55 s·g，盡量鉆深，且卡準地層，其體系基本配方為：5.0 kg/m3～8.0 kg/m3PF-PAC-LV+5.0 kg/m3～10.0 kg/m3PF-PLUS+10.0 kg/m3～30.0 kg/m3KCl+10.0 kg/m3～20.0 kg/m3PFDYFT+10.0 kg/m3～20.0 kg/m3PF-UHIB+10.0 kg/m3～20.0 kg/m3PF-HLUBE；鶯歌海組二段以下，泥漿中不再加入PF-PLUS，通過加入磺化材料來改善泥餅質量，提高泥漿的抗溫性，其體系基本配方為：3.0 kg/m3～5.0 kg/m3PF-PAC-LV+20.0 kg/m3～40.0 kg/m3KCl+10.0 kg/m3～20.0 kg/m3PF-DYFT+10.0 kg/m3～20.0 kg/m3PF-HLUBE+30.0 kg/m3～40.0 kg/m3PF-SPNH-HT+30.0 kg/m3～40.0 kg/m3PF-SMP-HT。

表4 Φ311.15 mm井段的鉆井液性能

4.1 PDF-PLUS/KCl鉆井液重難點的應對措施

4.1.1 泥球及井眼清潔問題

（1）維持鉆井液良好的包被抑制性：鶯歌海組二段以上地層，材料使用盡量簡化，以PF-PLUS為主，維持 PF-PLUS 加量在 7 kg/m3～10 kg/m3，KCl加量在20 kg/m3～30 kg/m3；鶯歌海組二段以下地層，使用KCl和PF-UHIB來提高泥漿抑制性，必要時可配合使用防泥包潤滑劑PF-HLUB來改變巖屑表面的電性，防止巖屑聚結。

（2）密度控制：低密度下對防止泥球的形成是有利的，因此鶯歌海組二段以上，盡量使用較低的鉆井液密度鉆進，鶯歌海組二段鉆進時的鉆井液密度控制在 1.35 g/cm3～1.50 g/cm3。

（3）較高的低剪切速率黏度，使用PF-VIS調整鉆井液黏度在 45 s～55 s，Φ6/Φ3 在 3～8/5～10，YP 維持在8 Pa～15 Pa，隨著密度的增加，適當調整鉆井液的黏切。

（4）維持鉆井液穩定的流變性，防止泥漿性能大起大落，在黏度低時造成巖屑下沉，形成巖屑床。

4.1.2 起下鉆困難問題

（1）做好井眼清潔工作；（2）維持良好的包被抑制性，防止泥巖粘井壁；（3）上部使用PF-PAC LV，使用PF-DYFT改善泥餅質量，完鉆后使用PF-SMP HT、PF-SPNH HT提高鉆井液的抗溫性并降低濾失量。

4.1.3 高溫高壓下鉆井液的流變性調控問題

（1）當鉆井液密度低于 1.50 s·g，使用 PF-VIS提高泥漿黏度至45 s～55 s，YP值在10 Pa以上。

（2）盡可能鉆深一些后，再提高pH，使用封堵材料與磺化材料膠液維持泥漿的黏度在50 s～60 s，在保證井眼清潔的前提下，盡量維持黏度的下限，為后續加重預留空間；Φ311.15 mm井段鉆完后，短起前再加入磺化材料并提高密度，增加抗溫性的同時，調整好流變性。

（3）使用好各項固控設備，保證泥漿的清潔。

（4）本井段井底溫度可能會達到130℃～140℃，鉆進過程中如出口溫度較高，可按照300 L/h～600 L/h的速度向循環體系中補充燒堿水，以彌補溫度高時自由水的蒸發。

4.2 鉆井液關鍵控制技術

4.2.1 密度的控制 開鉆密度為1.35 s·g，鉆進過程中根據壓力系數及前期作業經驗，鉆進至垂深2 400 m左右，提高泥漿密度至 1.40 s·g～1.45 s·g，鉆進至垂深 2 600 m，提高泥漿密度至 1.50 s·g～1.55 s·g，鉆進至垂深 2 700 m，提高泥漿密度至1.60 s·g～1.65 s·g左右，根據短起下鉆情況，必要時可提高泥漿密度至1.70 s·g，循環時再加入磺化材料并加重至1.60 s·g～1.65 s·g，根據短起下鉆情況及時調整鉆井液密度。

4.2.2 流變性的控制 各井的Φ311.15 mm井段穩斜段較長，井眼清潔問題是重點。鉆進過程中，可維持比探井較高的泥漿流變性，保證井眼的清潔，尤其是在泵排量受限的情況下，工程上要適當控制ROP鉆進，泥漿方面維持10 Pa以上的YP值，并使用PF-VIS提高泥漿的Φ6/Φ3轉讀值，保證井眼的清潔。另外，本井段井底溫度可能達到130℃～140℃，如出口溫度高，泥漿中自由水蒸發較快，則需要向泥漿中按300 L/h～600 L/h的速度補充燒堿水，維持泥漿的流變性。

4.2.3 包被抑制性控制 在垂深2 600 m之前地層的鉆進過程中，通過細水長流的方式補充高濃度的PFPLUS膠液，以隨時補充被鉆屑消耗的PF-PLUS，維持鉆井液中的PF-PLUS濃度，維持良好的包被性。通過使用KCl及PF-UHIB來提高泥漿的抑制性，根據振動篩返砂情況及K+的消耗情況，及時向循環系統中補充KCl，以維持泥漿具有良好的抑制性。

4.2.4 CO2和H2S氣體的預防措施 東方區塊地層普遍存在CO2，現場需密切關注CO2及H2S的含量，維持較高的堿度，控制pH值>9.5，可提前適當加入1 kg/m3～3 kg/m3石灰來增加泥漿的儲備堿度，當測出空氣中含有硫化氫時，向泥漿中加入除硫劑（堿式碳酸鋅PF-SSY），并保持泥漿pH值在10以上。

5 結論

（1）通過室內試驗及現場實鉆，優化后的PDFPLUS/KCl體系，提高了泥漿的低剪切速率黏度，保證鉆屑的攜帶及懸浮，引入的PF-UHIB和防泥包潤滑劑PF-HLUBE，以及合理的鉆井液密度選擇等措施，成功解決了鶯歌海組地層鉆進中的鉆屑起泥球問題。

（2）鉆井液維護的重點，鶯歌海組二段以上地層，堅持 PF-PLUS 的持續使用，密度 1.50 s·g～1.55 s·g；鶯歌海組二段以下地層，泥漿中不再加入PF-PLUS，通過加入磺化材料來改善泥餅質量，提高泥漿的抗溫性。

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