新疆塔東區(qū)塊古城15井鉆井液技術(shù)

馬宏文

（中國石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

1 工程概況

古城15井位于新疆巴音郭楞蒙古自治州且末縣境內(nèi)，是大慶鉆探在新疆塔東區(qū)塊施工的一口重點(diǎn)深層預(yù)探井，目的是落實(shí)中下奧陶統(tǒng)鷹山組中下部白云巖儲(chǔ)層含氣情況，并探索鷹山組頂和蓬萊壩組頂表層風(fēng)化殼巖溶儲(chǔ)層含氣性。該井完鉆井深7096m，鉆遇地層主要包括第四系、第三系、白堊系、三疊系、石炭系、奧陶系和寒武系，目的層埋藏深，地溫梯度較高，地質(zhì)條件復(fù)雜，易發(fā)生井壁剝落、坍塌和漏失等井下復(fù)雜[1]，導(dǎo)致后續(xù)施工困難，鉆井周期延長，成本大幅增加?；谠搮^(qū)塊地質(zhì)特點(diǎn)和超深井長裸眼段施工對(duì)鉆井液技術(shù)的要求，有針對(duì)性地采用了三套鉆井液體系，有效保障了該井安全、快速鉆進(jìn)，縮短了鉆井周期，提高了勘探開發(fā)效率。

2 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

（1）該井一開鉆遇地層巖性多為流砂層及成巖性差的砂泥巖互層，地層疏松，膠結(jié)性差，易坍塌、漏失，損壞井架基礎(chǔ)，且該井段返速低，巖屑濃度高，低返速條件下的攜帶、懸浮巖屑是鉆井液重點(diǎn)解決的問題。

（2）該井二開白堊系、三疊系和奧陶系等地層含有大段泥巖、泥巖鹽膏互層，且鹽膏層、復(fù)合鹽膏層發(fā)育，井壁易縮徑、剝落、坍塌，同時(shí)易發(fā)生鹽侵、鈣侵和鹽水侵，對(duì)鉆井液抑制性和抗污染能力要求較高。

（3）該井三開以奧陶系黑色炭質(zhì)泥巖為主，俗稱“黑被子”，巖性堅(jiān)硬致密，可鉆性較差，層理裂隙發(fā)育，易發(fā)生剝落掉塊、坍塌，且該開次排量低，機(jī)械鉆速慢，對(duì)鉆井液懸浮、攜屑能力要求較高。

（4）三開裸眼段長達(dá)2092m，隨井深逐漸增加，摩阻增大，對(duì)鉆井液潤滑性要求較高。

（5）該井油氣埋藏深，地溫梯度高，井底溫度高達(dá)200℃，對(duì)鉆井液抗溫能力要求高。

（6）該地區(qū)壓力層系多，含有H2S氣體，對(duì)現(xiàn)場維護(hù)和安全鉆進(jìn)要求高。

3 施工對(duì)策研究

3.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為降低深井施工風(fēng)險(xiǎn)，在借鑒塔里木油田深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將該井設(shè)計(jì)成四次鉆井。一開降低表套下入深度，利于表層封固，降低成本；二開技套下深至奧陶系卻爾卻克組上部，封固鹽膏層、復(fù)合鹽膏層，防止井壁縮徑變形；三開、四開技套下深至吐木休克組，封固上部地層，保護(hù)儲(chǔ)層，同時(shí)利用扭力沖擊器+特制PDC鉆頭，提高機(jī)械鉆速。

3.2 鉆井液體系設(shè)計(jì)

根據(jù)古城區(qū)塊地質(zhì)特點(diǎn)及深井施工防塌、防卡、防漏及完井作業(yè)要求，研究人員設(shè)計(jì)出三套鉆井液體系，即一開0～804m井段為高粘膨潤土—聚合物鉆井液體系，主要解決第四系和新近系上部井段地層松散、流砂層易坍塌的問題；二開804～3803m井段為鹽水聚合物鉆井液，重點(diǎn)解決白堊系易水化膨脹、滲透性強(qiáng)及井壁易失穩(wěn)等問題；三開（3803～5895m）、四開（5895～7096m）設(shè)計(jì)為鹽水聚磺鉆井液，主要解決抗高溫及高壓鹽水層污染等問題，針對(duì)各開次地層特點(diǎn)及工程技術(shù)要求，對(duì)應(yīng)調(diào)整各井段鉆井液性能參數(shù)（見表1）。

表1 古城15井鉆井液體系設(shè)計(jì)

3.3 現(xiàn)場施工工藝優(yōu)化

一開鉆遇地層為新生界第四系和第三系，巖性多為流砂層及成巖性差的砂泥巖互層，地層疏松，膠結(jié)性差，易坍塌、漏失，損壞井架基礎(chǔ)，故鉆井液堅(jiān)持高粘切、低密度、適度放大失水的原則。二開井眼大，鉆速快，環(huán)空鉆屑濃度相對(duì)較高[2]，將排量提升至45L/s以上，配合短起下鉆破壞虛泥餅，保證井眼清潔。三開鉆遇“黑被子”地層，巖性堅(jiān)硬致密，可鉆性較差，機(jī)械鉆速低，排量小，每100～200m短起下循環(huán)鉆井液沖刷井壁，攜帶巖屑，保證井壁穩(wěn)定。四開井眼小，管內(nèi)壓耗較大，具有易憋壓憋鉆、巖屑攜帶困難等特點(diǎn)，在保證環(huán)空返速前提下，采用適當(dāng)降低排量和提高轉(zhuǎn)數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)巖屑的高效運(yùn)移。具體施工參數(shù)見表2。

表2 古城15井鉆井施工水力參數(shù)

古城15井一開施工井段為流砂層，由于地層疏松易坍塌損壞基礎(chǔ)，因此采取提高鉆井液粘度，增大鉆頭水眼直徑，鉆進(jìn)期間不劃眼等措施施工；二開為避免虛泥餅的形成，提高井壁規(guī)則程度，采取鉆井液適度放開失水，提高排量等措施施工；三開鉆速慢，排量低，為維持井壁穩(wěn)定，采取勤劃眼、勤短起下的施工措施，每100～200m短起下一次，沖刷井壁；四開井眼小，環(huán)空間隙小，環(huán)空壓耗較大，適當(dāng)降低鉆井液粘度和切力，將鉆井液密度維持在適當(dāng)水平，按時(shí)間和進(jìn)尺開展短起下施工。通過合理利用以上措施，較好地保證了本井的安全施工。

4 現(xiàn)場施工

4.1 一開井段（0～804m）

配制膨潤土漿100m3，預(yù)水化24h，添加2%聚合物降濾失劑ZY-1提高鉆井液液相粘度和切力，開鉆前，將鉆井液漏斗粘度調(diào)節(jié)至100s以上，密度控制在1.10g/cm3左右，鉆進(jìn)過程中以補(bǔ)充膨潤土漿和膠液為主，膠液以“細(xì)水常流”形式加入，從而保證鉆井液各項(xiàng)性能穩(wěn)定。為降低流砂層漏失量，盡量將鉆井液保持在低剪切速率下高粘高切流態(tài)，增大鉆頭水眼尺寸，排量控制在30L/s左右，控制鉆速，順利鉆穿60m流砂層。進(jìn)入泥巖層后，通過加入膠液的方式逐漸將鉆井液粘度降低至60～80s，排量提高至60L/s，以便提高鉆速。此過程未出現(xiàn)任何掛卡、遇阻現(xiàn)象，起下鉆順利。一完后充分循環(huán)洗井，并加入一定量潤滑劑，增強(qiáng)體系的潤滑性，保證下套管、固井作業(yè)順利進(jìn)行。

4.2 二開井段（804～3803m）

回收一完老漿40m3作為二開基漿，同時(shí)配制濃度為20%的膨潤土漿30～50m3備用，將鉆井液轉(zhuǎn)化為鹽水聚合物體系，通過地面循環(huán)將一完老漿與新漿混合均勻，控制膨潤土含量在20～30g/L之間，漏斗粘度控制在50～55s之間，API濾失量控制在6.0mL以下，通過加入流型調(diào)節(jié)劑將鉆井液粘度、切力、動(dòng)塑比、n和K值調(diào)整到最佳。二開后加入適量純堿處理水泥塞中的鈣離子，膠液中增加包被劑的加量，并加入一定量的極壓潤滑劑和固體潤滑劑，提高體系的潤滑性。進(jìn)入三疊系后，逐步提高封堵劑和超細(xì)碳酸鈣的用量，利用封堵劑在地層溫度和一定壓力下可以軟化變形的特點(diǎn)，并配合不同目數(shù)超細(xì)碳酸鈣架橋的封堵理論，提高鉆井液對(duì)層理/裂隙地層的聯(lián)結(jié)力，提高近井壁地帶承壓能力，同時(shí)提高抑制劑加量，防止石炭系和奧陶系大段泥巖水化膨脹，復(fù)合鹽膏層“蠕變”縮徑，影響井壁穩(wěn)定。二完后，短起下提拉井壁，然后長起下鉆通井，充分循環(huán)鉆井液，底部注入封閉漿，保證下套管順利。

4.3 三開井段（3803～5895m）

三開鉆遇地層為奧陶系，發(fā)育有大段泥巖和不同厚度的復(fù)合鹽膏層，泥巖層理裂隙發(fā)育，易發(fā)生剝落掉塊、坍塌等復(fù)雜，復(fù)合鹽膏層易蠕變縮徑，進(jìn)而影響井壁穩(wěn)定。根據(jù)該井段地質(zhì)條件，采用低固相鹽水聚磺鉆井液體系，在提高體系抗溫性的同時(shí)，體系中加入足量無機(jī)抑制劑氯化鉀，提高鉆井液礦化度，降低鉆井液濾液活度，防止鹽膏層蠕變縮徑，并配合使用粘土穩(wěn)定劑進(jìn)一步抑制粘土水化膨脹，利用磺化瀝青和超細(xì)碳酸鈣封堵地層，保持井壁穩(wěn)定。

三開前利用離心機(jī)徹底清除鉆井液中的劣質(zhì)固相，嚴(yán)格控制膨潤土含量在30～50g/L之間，并參照三開設(shè)計(jì)配方，做好現(xiàn)場配方室內(nèi)小型實(shí)驗(yàn)，參照小型實(shí)驗(yàn)配方與加藥順序，對(duì)二開鉆井液進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化，采用重晶石粉調(diào)整鉆井液密度。通過地面循環(huán)系統(tǒng)將老漿與新漿混合均勻，利用流型調(diào)節(jié)劑調(diào)整鉆井液粘度和切力，待鉆井液各項(xiàng)性能滿足施工要求后加入3%極壓潤滑劑及2%固體潤滑劑，提高鉆井液潤滑防卡能力。鉆進(jìn)過程中鉆井液性能穩(wěn)定，API濾失量始終維持在4.0mL以下，摩阻系數(shù)不超過0.1，現(xiàn)場維護(hù)以補(bǔ)充膠液為主，并及時(shí)補(bǔ)充抑制劑和潤滑劑，控制泥頁巖地層粘土礦物水化膨脹分散，同時(shí)強(qiáng)化四級(jí)固控設(shè)備的使用，特別是離心機(jī)的使用，最大限度地清除劣質(zhì)固相，降低環(huán)空巖屑濃度，防止阻卡。該井段裸眼段長達(dá)2092m，為提高鉆井液潤滑防卡能力，采用極壓潤滑劑與固體潤滑劑復(fù)配作用，極大地提高了體系的潤滑能力，有效避免了長裸眼段卡鉆的發(fā)生，整個(gè)過程起下鉆無任何掛卡顯示。三完后，長起下鉆通井，充分循環(huán)鉆井液攜帶巖屑，底部注入封閉漿，加入一定量潤滑劑，保證下套管順利。

4.4 四開井段（5895～7096m）

四開鉆遇地層以碳酸鹽巖沉積為主，裂縫發(fā)育，易破碎、垮塌、漏失，且為小井眼鉆進(jìn)，在控制膨潤土含量的基礎(chǔ)上，利用流型調(diào)節(jié)劑將鉆井液流態(tài)調(diào)制成為低粘高切賓漢流體，便于小井眼攜帶巖屑，并依據(jù)設(shè)計(jì)加入一定量的高酸溶性隨鉆堵漏劑，提高鉆井液對(duì)裂縫的封堵能力，減少鉆進(jìn)過程中漏失情況的發(fā)生；鑒于目的層含有硫化氫氣體，該體系pH值控制在10.0以上，并加入一定量除硫劑，防止硫化氫氣體外泄發(fā)生安全事故。進(jìn)入目的層前，加入油層保護(hù)劑，利用屏蔽暫堵技術(shù)充分保護(hù)儲(chǔ)層。

利用固相設(shè)備徹底清除鉆井液中的劣質(zhì)固相，嚴(yán)格控制膨潤土含量在25～30g/L之間，加入KOH將pH值調(diào)整至10.0以上，循環(huán)過程中通過加入適量流型調(diào)節(jié)劑調(diào)整鉆井液粘切，性能滿足要求后加入4%極壓潤滑劑和2%固體潤滑劑，提高體系潤滑防卡能力，并利用石灰石粉調(diào)整鉆井液密度，便于保護(hù)儲(chǔ)層。實(shí)鉆過程中鉆井液濾失量控制在2.0mL以下，現(xiàn)場維護(hù)以補(bǔ)充低密度高濃度膠液為主，利用流型調(diào)節(jié)劑調(diào)整鉆井液粘切值，控制動(dòng)塑比在0.4以上，便于小井眼攜帶巖屑；加大離心機(jī)的使用力度，嚴(yán)格控制固相含量，鉆井液密度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，避免傷害儲(chǔ)層，為油層的發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。下篩管前多次通井，起鉆前注入10m3含4%固體潤滑劑的高潤滑防卡封閉液，有效解決了窄環(huán)空間隙完井易卡的難題，保證了篩管的順利下入。

古城15井現(xiàn)場施工順利，鉆井液性能穩(wěn)定，流變性好，濾失量低，抑制性、封堵能力和抗污染能力強(qiáng)，有效保障了大段泥巖地層、復(fù)合鹽膏層和裂隙/層理發(fā)育地層的安全高效鉆進(jìn)，施工周期167.21d，與同區(qū)塊鄰井相比機(jī)械鉆速提高30%以上，效果顯著。部分鉆井液性能如表3所示。

表3 鉆井液性能參數(shù)隨井深變化數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

（1）一開使用高粘切膨潤土聚合物鉆井液，可在近井壁地帶形成一層滯留層[3]，實(shí)現(xiàn)封堵流砂層孔道、減緩漏失量的目的，高粘切鉆井液懸浮性好，攜巖能力強(qiáng)，能夠滿足低環(huán)空返速巖屑運(yùn)移要求，解決了大井眼返速低與井眼清潔的矛盾。

（2）二開鹽水聚合物鉆井液抑制能力突出，通過復(fù)配使用無機(jī)鹽抑制劑氯化鉀與聚胺抑制劑，進(jìn)一步提高了體系的抑制能力，有效解決了大段泥巖、復(fù)合鹽膏層井壁失穩(wěn)難題。

（3）三開、四開低固相鹽水聚磺鉆井液具有抗溫性好、封堵防塌能力強(qiáng)等特點(diǎn)，通過鉆井液高礦化度低活度來控制粘土礦物分散[4]，穩(wěn)定井壁的同時(shí)，利用流型調(diào)節(jié)劑維持鉆井液低粘高切的流態(tài)，便于小井眼懸浮、攜帶巖屑，并使用合理的現(xiàn)場維護(hù)措施和有效的固控技術(shù)來控制劣質(zhì)固相含量，降低鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害。