低活度強封堵鉆井液體系在準中2區的研究與應用

于 雷，馮光通，劉寶鋒，張守文

(1.中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017;2.中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司，山東 東營 257017)

準中2區位于準噶爾盆地中央坳陷東道海子北凹陷的東段，主要含油氣層系為侏羅系和白堊系。2004年完鉆的成1井獲得重大油氣突破，展示了中部2區塊的有利勘探前景。由于該區塊侏羅系地層巖性復雜，井壁失穩問題突出，井徑擴大率難以控制，嚴重制約了該區塊的勘探開發速度與質量[1-2]。在分析準中2區塊井壁失穩問題的基礎上，研選了低活度強封堵鉆井液體系，并在新近部署的預探井成斜2井進行了應用，通過采用“適度降低活度+高效致密封堵”穩定井壁技術[3-7]，解決了成斜2井侏羅系地層井壁失穩難題，保證了成斜2井的順利施工，達到了鉆探目的，并為該區塊后續施工提供了良好的借鑒。

1 技術難點

1)侏羅系地層泥巖、碳質泥巖、煤層及煤線發育，局部泥煤互層。煤巖膠結性差，抗壓、抗拉強度弱，脆性大，受到鉆具撞擊與鉆井液沖刷時易坍塌；頭屯河組和西山窯組發育大段泥巖，黏土礦物中伊蒙混層含量高，水化膨脹性強且不均質，三工河組泥巖和碳質泥巖較硬，易發生硬脆性及應力性垮塌。

2)準中2區部分井型為定向井，斜井段處于侏羅系，定向井段鉆時慢，鉆井周期長，鉆井液浸泡時間長，大大增加了斜井段的井壁穩定難度；同時，定向鉆進起下鉆次數多，井筒反復經受抽吸和激動壓力變化，進一步加劇了井壁不穩定性[8-9]。

3)本井為定向井，鉆具與井壁接觸面積大，鉆進過程中摩阻和扭矩大，極易造成托壓，導致定向困難，鉆井液潤滑防卡難度大[2]。

2 鉆井液優選思路

在資料調研基礎上，結合鄰近區塊鉆井液現場施工技術，針對準中2區塊地層巖性特點及鉆井液技術難點，進行了鉆井液體系優選，以保證侏羅系地層鉆進過程中的井壁穩定、井眼潤滑與儲層保護。鉆井液體系優選思路如下：

1)降低鉆井液活度，減緩滲透水化。針對泥巖易水化膨脹、分散的特點，通過使用活度調節劑適度降低鉆井液活度，降低滲透壓，減緩泥頁巖的滲透水化速度，同時配合小分子的有機胺和大分子聚合物聚丙烯酰胺鉀鹽，多元協同增強鉆井液體系的抑制性，有效防止井壁失穩[10-11]。

2)納微顆粒協同封堵，降低濾液侵入。針對泥巖、煤巖微裂縫、層理發育的特點，通過優化多級配填充封堵劑的粒度，使其粒度分布與微裂縫尺度相匹配，同時通過添加乳化石蠟等納米級顆粒[12]，使鉆井液體系在井壁上形成薄而致密的不滲透封堵層，封堵填充層理、孔隙和微裂縫，減緩甚至隔絕鉆井液和地層之間的壓力傳遞，確保井壁穩定。

3)選用合理密度，提高有效力學支撐。力學支撐是解決泥巖硬脆性及應力性垮塌的有效手段之一。根據準中2區已完鉆井實測地層壓力情況，確定合理的鉆井液密度，鉆進中保證對地層的正壓差，通過鉆井液液柱壓力平衡地層坍塌壓力，達到防止井壁坍塌的目的。

3 鉆井液體系及性能評價

3.1 鉆井液活度的確定

取準中2區某井頭屯河組巖心，粉碎、篩選6-10目巖屑后在不同活度的鉆井液中進行了滾動，考察了鉆井液活度對巖屑回收率的影響。實驗結果見圖1。由圖1可知，當鉆井液活度小于0.95時，巖屑回收率均在85%以上，而當鉆井液活度大于0.95時，巖屑回收率急劇下降，考慮鉆井液成本等因素，確定鉆井液活度控制在0.95左右。

在確定鉆井液活度后，經過處理劑優選及性能優化，確定了低活度強封堵鉆井液體系的配方如下：

3%～4%膨潤土+0.3%～0.5%燒堿+0.3%～0.5%有機胺+0.1%～0.2%聚丙烯酰胺鉀鹽+0.2%～0.4% 天然高分子降濾失劑+10%～15%活度調節劑+0.3%～0.5% 改性銨鹽+0.3%～0.5%磺酸鹽共聚物降濾失劑+2%～3%磺化酚醛樹脂+3%～5%膠乳瀝青+1%～2%抗高溫防塌降粘降濾失劑+2%～3%多級配填充封堵劑+0.5%～1%乳化石蠟+3%～5%潤滑劑。

3.2 常規性能評價

室內評價了體系的常規性能，實驗結果見表1。

表1 低活度強封堵鉆井液體系基本性能

注：老化條件為150 ℃，滾動16 h。

由表1可知，低活度強封堵鉆井液流變性好，中壓和高溫高壓濾失量均較低，有利于攜巖和穩定井壁。

3.3 抑制性能評價

取鄰近區塊董8井頭屯河組泥巖巖屑，用壓力機在12 MPa下壓制5 min制得巖心柱。考察了低活度強封堵鉆井液抑制巖屑膨脹能力，并與聚磺防塌鉆井液、模擬地層水進行了對比，實驗結果見圖2。

從圖2結果可以看出，低活度強封堵鉆井液濾液抑制性優良，對頭屯河組泥巖抑制膨脹效果好于模擬地層水，遠高于聚磺防塌鉆井液，表明低活度強封堵鉆井液體系具有優良的抑制性能。

取董8井頭屯河組泥巖巖屑進行滾動分散回收實驗，并與清水、聚磺防塌鉆井液體系進行對比，實驗結果見表2。

從表2中可以看出，針對水化分散性較強的頭屯河，低活度強封堵鉆井液體系的巖屑一次回收率均達到90%以上，遠高于清水和聚合物鉆井液體系。

表2 巖屑滾動回收率實驗結果

說明該體系具有良好的抑制頁巖分散的作用，對保持井壁穩定十分有利。

3.4 封堵性能評價

3.4.1 砂床封堵實驗

室內通過砂床濾失儀評價了低活度強封堵鉆井液體系對80～100目砂床的封堵效果，實驗中低活度強封堵鉆井液體系在砂床中的侵入深度僅為0.75 cm，展現出優異的封堵能力。

3.4.2 壓力傳遞實驗

采用SHM-3型高溫高壓井壁穩定性模擬實驗裝置進行了壓力傳遞實驗，分別測定灰色空白巖樣、4%基漿以及低活度強封堵鉆井液體系作用后的壓力傳遞曲線來評價低活度強封堵鉆井液體系的封堵性能。實驗方法為將試驗巖心放入巖心夾持器中，經上游試液入口泵入測試液體與巖心上端面接觸，維持巖心頂端壓力2 MPa，底端初始壓力1 MPa，通過監測底壓變化來獲得試液的壓力傳遞速率，從而評價鉆井液的封堵性能。

由壓力傳遞實驗可知，低活度強封堵鉆井液體系作用后傳遞1 MPa壓差所需時間約為9.13 h，較空白巖樣(約為0.51 h)和4%基漿(1.16 h)均有較大幅度的提高，傳遞1 MPa壓差所需時間分別為空白巖樣和4%基漿的17.90倍和7.87倍，進一步說明低活度強封堵鉆井液體系能有效阻緩孔隙壓力傳遞，具有較好的封堵性能。

4 現場應用

成斜2井為三開次定向井，具體井身結構為：一開Φ444.5 mm×400 m+Φ339.7 mm套管×397 m，二開Φ311.2 mm×3 250 m+Φ244.5 mm套管×3 248 m，三開Φ215.9 mm×4 475 m+Φ139.7 mm套管×4 603 m。造斜點2 000 m，最大井斜30.85°。成斜2井鉆遇地層自上而下為新生界、白堊系和侏羅系，侏羅系自上而下為頭屯河、西山窯、三工河、八道灣組。

4.1 主要工藝技術措施

1)二開上部地層以聚合物膠液維護為主，保持鉆井液較低的黏切和足夠的排量，提高大井眼的攜帶能力，同時維護良好的鉆井液流動性來沖刷虛泥餅。東溝組底部對鉆井液進行預處理，加入循環總量約0.7%改性銨鹽調整鉆井液流變性，以及0.1%～0.3%天然高分子降濾失劑初步降低濾失量。調整流變性后視進尺情況進行短程起下鉆，先期暢通井眼，為進入侏羅系前逐步降低濾失量奠定基礎。

2)進入侏羅系將體系轉換為低活度強封堵鉆井液體系，一次性加入10%的活度調節劑，并繼續補充天然高分子降濾失劑加量至0.5%，銨鹽加量至0.5%，控制鉆井液濾失量小于12 mL。

3)三開鉆進前先使用純堿處理水泥污染，補充有機胺、活度調節劑提高體系的抑制性能，添加磺酸鹽共聚物、磺化酚醛樹脂、防塌降黏降濾失劑將中壓失水控制在5 mL以內，高溫高壓失水控制在15 mL以內，并改善泥餅質量。

4)鉆進過程中以循環周處理，稠膠液維護為主，鉆進過程中加入聚丙烯酰胺鉀鹽和有機胺的膠液，鉆至西山窯組前50 m，一次性加入3%膠乳瀝青，同時配合磺化酚醛樹脂、多級配填充封堵劑，將鉆井液中壓濾失量控制在4 mL以內。

5)鉆進至西山窯組后，西山窯發育有煤線、煤層，極易坍塌，易發生井漏。逐步將密度從1.22 g/cm3提高到1.30 g/cm3，及時補充膠乳瀝青，乳化石蠟和多級配填充封堵劑，進一步提高鉆井液的封堵防塌能力。西山窯組煤層易坍塌破碎，在鉆進過層中，逐步混入護好膠水化好的膨潤土漿提高鉆井液黏切，改善鉆井液流變性，控制動塑比在0.6左右，初切控制在7Pa以上，減少對井壁的沖刷。

6)隨著井深的增加，到4 000 m后，提高鉆井液中磺化酚醛樹脂的含量，增加鉆井液的抗溫性能，配合磺酸鹽共聚物的使用，進一步控制鉆井液中壓濾失量在4 mL以內，高溫高壓失水控制在12 mL以下，提高鉆井液中多級配填充封堵劑和膠乳瀝青的含量，改善泥餅質量，加強封堵防塌，同時加入極壓潤滑劑，進一步增加鉆井液的潤滑防塌性能。

7)鉆進到4 149.5 m進行取心作業，在起鉆前充分循環，使用稠漿清潔井眼，配制40 m3結構力強的潤滑防塌封井漿封閉井底，取心筒順利到底，取心進尺2.0 m，出芯2.0 m，收獲率100%。

8)鉆至設計井深后，用稠鉆井液將鉆屑攜帶干凈后，短起下保證井眼暢通，同時配制性能優良的潤滑封堵防塌鉆井液80 m3封井，完井電測施工順利。

4.2 應用效果

4.2.1 鉆井液性能穩定

成斜2井鉆進過程中漏斗黏度、塑性黏度及動切力隨井深的增加均有所增大，但基本保持穩定。整個施工過程中鉆井液各項性能穩定，流變性好，攜巖性能優良，為該井的安全快速鉆進提供了保障。

4.2.2 抑制防塌性能好

成斜2井在鉆進過程中沒有發生掉塊坍塌，全井起下鉆通暢，沒有發生任何阻卡現象，井壁穩定性好，井眼規則，二開及三開電測成功率100%，二開井眼平均井徑擴大率3.79%，三開目的層頭屯河組平均井徑擴大率6.4%，三工河組平均井徑擴大率3.95 %，展示了該體系良好的抑制防塌性能。

4.2.3 潤滑性能優良

整個斜井段鉆進過程中，鉆井液濾餅黏滯系數一直保持在0.052 4～0.061 2，斜井段鉆進摩阻在8～10 t，平均扭矩在10 kN·m以下，展示了良好的潤滑性。

5 結論

1)研制的低活度強封堵鉆井液體系可以有效抑制頭屯河組泥巖的水化，該鉆井液體系通過降低活度減緩滲透水化、強化物理封堵有效避免了泥巖的水化坍塌。

2)成斜2井的成功應用表明，應用“適度降低活度+高效致密封堵”技術后，侏羅系泥頁巖地層的井壁穩定效果顯著。