ULTRADRIL水基鉆井液在大慶致密油水平井中的應用

王發現，陶官忠，呂德慶

隨著新安全環保法的出臺，大慶油田油基鉆井液已全部被水基鉆井液取代，受地層地質特性的影響及開發致密油藏井身結構的特殊性，利用聚合物水基鉆井液鉆打致密油水平井出現了井壁坍塌、摩阻大、下套管遇阻及固井質量差等問題，甚至造成部分井地質目的無法實現，嚴重影響致密油開發效率和效果。通過國內外水基鉆井液技術的調研發現：ULTRADRIL水基鉆井液具有較強的頁巖抑制性和井眼穩定性，較低的結塊和泥包趨勢，且性能相對穩定，易于維護，該體系在地層塑性極高的渤海區域得到了成功，并得以大范圍應用于該區域的水平井鉆井。通過室內實驗檢測證實該體系可有效提高大慶油田青山口地層活性強、易分散泥頁巖的穩定性，且潤滑性接近油基鉆井液。ULTRADRIL水基鉆井液在大慶致密油藏開發應用可行。

1 地層地質情況

源211致密油水平井采用二開井身結構，設計封固嫩江組；三開裸眼段主要姚家組、青山口及泉頭組。

姚家組主要是由大段綠灰、黑灰、灰黑色泥巖、灰色粉砂質泥巖組成，底部夾薄層灰色泥質粉砂巖。青山口上部以綠灰、深灰、黑色泥巖為主，夾灰黑色粉砂質泥巖；中部為黑色泥巖；下部為黑色泥巖及灰黑色粉砂質泥巖、黑褐色油頁巖呈不等厚互層。泉頭組主要是灰綠、綠灰、紫紅灰綠雜紫紅、紫紅雜灰綠、深灰色泥巖、粉砂質泥巖、灰白色鈣質粉砂巖、綠灰、灰褐、棕、棕褐、黑褐色油跡、油斑、油浸泥質粉砂巖、粉砂巖、含油粉砂巖，呈不等厚互層，屬下白堊統泉頭組四段及泉頭組三段上部。

扶余油層頂界巖性界限確定在青一段底部油頁巖以下與下部灰綠色泥巖的分界。扶一油層組巖性為灰色、灰綠色砂泥巖不等厚互層，夾紫色薄層泥巖，鋯石含量高（一般40%～60%）；扶二油層組巖性主要以紫、紫紅色、肉紅色等氧化色為主，磁鐵礦含量高（一般70%～90%）。

2 技術難點

1）青山口大段泥巖，且微裂縫發育，易吸水膨脹，造成井壁大段垮塌，導致下鉆發生阻卡等復雜情況。

2）鉆進過程中地層中的泥質成分易水化分解進入鉆井液，一方面造成鉆井液固相含量的增高，鉆井液攜砂及流動性能變差，井眼清潔能力降低；另一方面井壁泥巖的不斷崩落造成井壁的規則度差，巖屑易在井徑較大處形成回流，增加巖屑返出的難度[1]。此外，較差的井壁規則度嚴重影響固井的頂替效率[2]。

3）長水平段水平井在水平段鉆進摩阻較大，拖壓嚴重，大部分鉆壓被鉆具摩阻消耗，無法加到鉆頭上，造成機械鉆速較慢，鉆井周期較長。

4）水平段鉆進，鉆具對鉆屑的重復碾壓，破壞了鉆屑的完整性，使得固控設備效率下降，加劇了有害固相對泥漿污染，同時也增加了鉆具在水平段的粘卡風險[3]。

3 ULTRADRIL水基鉆井液體系

ULTRADRIL體系中頁巖抑制劑是ULTRAHIB，它也具有水化抑制作用；聚合物ULTRACAP是第2種頁巖抑制劑具有鉆屑穩定作用。通過阻止黏土吸附水抑制頁巖，獲得完整的鉆屑。第2種抑制作用可以通過配方中K+和Ca2+置換地層中的陽離子獲得。該體系還包括ULTRAFREE防粘結和鉆速增強劑。

3.1 鉆井液體系配方

針對大慶油田地層泥質含量高，易發生井壁垮塌、鉆井液潤滑性無法滿足水平井鉆井施工需要等問題，對ULTRADRIL水基鉆井液體系進行了室內評價，在實驗基礎上確定了該體系針對大慶油田致密油藏的鉆井液配方（表1）。

表1 ULTRADRIL水基鉆井液體系配方

3.2 鉆井液性能評價

3.2.1 室內高溫老化性能實驗

考慮扶余油層地層溫度在90℃左右，設定UL?TRADRIL水基鉆井液體系室內實驗溫度為100℃。16 h的老化實驗（表2）表明：初始鉆井液性能與16 h后的鉆井液性能變化不大，流變性能穩定，動塑性比基本未變，高溫高壓失水保持較低水平，該體系完全能夠滿足目前100℃作業環境的要求。

表2 ULTRADRIL水基鉆井液性能表

3.2.2 室內抑制性實驗

收集現場鉆遇的灰綠色泥巖、紅棕色泥巖、黑褐色油頁巖，分別對ULTRADRIL水基鉆井液、油基鉆井液及聚合物水基鉆井液進行鉆屑滾動回收實驗，實驗結果見表3。聚合物水基鉆井液的黑色油頁巖巖屑回收率較低，僅有74.33%，灰綠色泥巖及紅棕色泥巖在95%左右，ULTRADRIL水基鉆井液與油基鉆井液對3種泥巖的回收率相近，均優于聚合物水基鉆井液。ULTRADRIL水基鉆井液體系對灰綠色泥巖、紅棕色泥巖及黑褐色油頁巖具有較強的抑制作用。

表3 巖屑滾動回收實驗對比數據表 /%

3.2.3 抗污染性能

抗污染實驗主要驗證ULTRADRIL水基鉆井液對膨潤土、水泥抗污染能力，在加入膨潤土及水泥后，除水泥對鉆井液的pH影響較大外，表觀黏度、塑性黏度等性能變化不大，具體結果見表4，說明該鉆井液具有較強的抗污染能力。

3.2.4 潤滑性

鉆井液潤滑對水平井提速、鉆完井施工順利尤為重要[4]。使用OFI測試儀做金屬與金屬潤滑性能測量，ULTRADRIL水基鉆井液的滑塊摩阻系數為0.09，與油基鉆井液相近，略高于聚合物水基鉆井液體系，具體數據見表5。

綜合評價ULTRADRIL水基鉆井液體系性能，該體系的抑制性、潤滑性優于聚合物水基鉆井液體系，這兩項性能介于油基鉆井液與聚合物水基鉆井液之間。但是，它的環保性更優于油基鉆井液，能夠滿足現場試驗的要求。

表4 ULTRADRIL水基鉆井液污染實驗數據表

表5 各類鉆井液摩阻系數對比表

4 現場試驗措施

2017年4月，ULTRADRIL水基鉆井液逐步在源211區塊進行投井試驗，該體系主要用在二開以后的造斜段和水平段。截至2017年8月，完成了在該區域的4口水平井的試驗工作，達到了預期的效果。

4.1 強化固控，減少污染

二開前，加強對固控設備的維護保養，避免固控設備“帶病”工作。堅持狠抓振動篩第一固控的工作，做到了每次接立柱全面檢查篩布，并盡可能用高目數篩布。堅持離心機24 h工作，最大限度地發揮離心機功能。

4.2 抑制包被常抓不懈，保證抑制性充分

在保證KCl濃度6%的基本抑制前提下，通過有機抑制劑ULTRAHIB和有機包被劑ULTRACAP對鉆屑進行更進一步地抑制與包被，確保鉆屑的完整性。鉆進過程中，堅持根據進尺和地層巖性的不同，足量補充抑制劑和包被劑。檢查振動篩返出情況是觀察抑制性效果的基本方法。

4.3 加強潤滑性，保證鉆井正常作業

為保證在水平段的正常鉆進，泥漿好的潤滑性是前提。鉆進中，除按配方加入潤滑劑，根據井下情況，堅持每天補充必要的潤滑劑。

4.4 工程措施積極配合，做鉆井液的堅強后盾

為保證水平井鉆進的正常作業，除了泥漿方面需要有與地層匹配的鉆井液體系外，恰當的工程措施是鉆井液充分發揮作用的堅強后盾[5]。在4口水平井的作業過程中，重點做到：①充分的循環排量，保證鉆屑能及時帶出井內；②滿足井眼清潔的鉆具轉速，在條件允許的情況下，鉆具轉速控制在100～120 r/min，以提高井眼的清潔度；③堅持低黏度塞與重塞交替清掃井底，有利于攪動和清潔井壁附著鉆屑；④堅持定期短起鉆，通常鉆進200 m進行一次必要的短起，有利于修復井壁和清除鉆屑；⑤起鉆前，堅持循環3～4個上返時間，直接振動篩清潔[6]。

5 現場應用效果

使用ULTRADRIL水基鉆井液體系在源211區塊4口致密油水平井進行了現場試驗，現場表現良好，阻卡情況大幅度降低，井身質量、固井質量及機械鉆速均有提高。

5.1 提高了機械鉆速

在源211區塊使用ULTRADRIL水基鉆井液施工4口水平井造斜段平均機械鉆速5.69 m/h，較未使用該體系施工的5口井造斜段機械鉆速提高11.8%；水平段平均機械鉆速8.37 m/h，提升34.8%，該體系有效提高了該地區機械鉆速。

5.2 降低了復雜事故發生率

ULTRADRIL水基鉆井液的井壁穩定能力有效地阻止了井壁的剝落、坍塌，確保井徑具有較高的規則度，是防止復雜情況發生的重要保障。使用該體系施工的4口井平均每口井發生復雜情況為1.75次，未使用該體系施工的井平均發生復雜情況4.4次，減少2.65次，大幅度縮短了施工周期。

5.3 完善了固井質量

源211區塊9口水平井均采用水平井綜合固井技術實施固井，使用聚合物水基鉆井液施工的5口井平均固井優質水平段占總水平段的22.1%，合格水平段占總井段42.5%，不合格水平段占總水平段35.4%。使用ULTRADRIL水基鉆井液施工4口井平均固井優質水平段占總水平段的79.2%，合格水平段占總井段13.6%，不合格水平段占總水平段7.2%，固井質量明顯優于聚合物水基鉆井液體系施工的水平井。主要是因為ULTRADRIL水基鉆井液較聚合物水基鉆井液體系具有更強的泥巖抑制性，可有效抑制地層中的泥巖水化分解，防止井壁垮塌，形成的井壁規則度較高。另外該體系的超強懸浮劑攜砂能力，攜砂效果好，有效防止了巖屑床的形成，保證了井眼的清潔。良好的井眼環境，為提高頂替效率提供了有利條件。

6 結論與認識

1）從已完4口井現場試驗的效果可以看出，UL?TRADRIL水基鉆井液體系對鉆遇的泥巖具有強抑制作用，可有效防止因青山口泥巖垮塌造成的復雜情況。

2）該鉆井液體系可有效抑制泥巖水解分散，確保井眼具有較高的規則度，為保證固井質量奠定了良好基礎。

3）ULTRADRIL水基鉆井液體系具有良好的潤滑性，大幅度降低了造斜段及水平段的鉆進摩阻，解決了因嚴重托壓造成的機械鉆速低、鉆井周期長的問題。

4）該水基鉆井液體系具有良好的攜砂能力，為鉆進施工提供了清潔的井眼。

5）由于該體系屬于鹽水鉆井液體系，電阻率過低，無法滿足完井電測的要求，需在測井方式上給予考慮。

6）ULTRADRIL水基鉆井液體系能夠滿足源211區塊致密油水平井的鉆井工作，是否滿足大慶其他致密油水平井鉆井要求有待通過進一步的試驗驗證。

[1]劉社明,董易凡,楊圣方,等.高效水基鉆井液在蘇里格南小井眼的應用與評價[J].石油工業技術監督,2017,33(9):8-11.

[2]張克勤.國外水基鉆井液半透膜的研究概述[J].鉆井液與完井液，2003,20(6):1-5.

[3]鄢捷年.鉆井液工藝學[M].東營:石油大學出版社,2001.

[4]沈 偉.大位移井鉆井液潤滑性研究的現狀與思考[J].石油勘探技術,2001,29(1):25-28.

[5]萬仁薄.現代完井工程[M].北京:石油工業出版社,2000.

[6]屈建省,許樹謙,郭小陽.特殊固井技術[M].北京:石油工業出版社,2006.