杭錦旗區塊防塌防漏鉆井液技術

李建山

（ 中石化華北油氣分公司，鄭州450006）

杭錦旗區塊位于鄂爾多斯盆地北部，主要含氣 層位為上古生界下石盒子組盒3、盒2、盒1段和山西組，蘊藏著巨大的開發潛力[1-3]。杭錦旗區塊自上而下發育第四系、中生界、上古生界等多套地層，由于特殊的地質構造導致地層中存在地質破碎、砂泥巖互層嚴重、層間膠結弱、地層承壓低等特性，屬于典型斷層發育區域，地層中泥巖微裂縫發育且易水化膨脹、剝落掉塊[3-4]。因此，杭錦旗區塊具有較為嚴重的井漏及井壁失穩問題。如2017年度，華北工程公司西部分公司負責施工井中有7口發生井漏，平均單井損失時間為78.21 h。針對杭錦旗地區鉆井過程中存在的技術難點，筆者系統分析了該地區易塌易漏地層的地質特征，研發溫敏變形型封堵劑SMSHIELD-2，優選了環保高效潤滑劑SMLUB-E，研發了隨鉆防漏堵漏材料SMGF-1，通過鉆井液體系優化，最終形成杭錦旗地區防塌防漏鉆井液技術。該技術應用于杭錦旗區塊2口試驗井，取得了良好的應用效果。

1 杭錦旗區塊地質特征描述

1.1 礦物組成

杭錦旗區塊屬于致密氣藏，區塊氣井多采用三開長水平井身設計。井壁失穩、井漏等復雜事故主要出現在水平段，包括劉家溝組、石千峰組、石盒子組等地層。以2口典型井JPH-301井和JPH-378井為例，對地層巖屑進行全巖礦物和黏土礦物組分含量的X射線衍射分析，結果如表1所示。

表1 JPH-301井、JPH-378井復雜地層巖樣全巖礦物分析

由表1可知，2口井中石千峰組與石盒子組存在大段泥巖，JPH-301井下石盒子組巖屑中主要包括中深灰色細砂巖、 紅褐色泥巖和灰色泥巖，存在明顯砂泥巖互層現象， 且黏土礦物含量較高，分別為32.8%、48.7%、58.1%。JPH-378井石千峰組、 上石盒子組、 下石盒子組中黏土礦物含量也均較高。2口井所取巖屑礦物均以伊/蒙混層發育為特點， 其次為伊利石、 綠泥石和高嶺石， 屬于硬脆性泥巖。

1.2 復雜地層微觀結構

通過電鏡掃描測試，進一步分析了杭錦旗復雜地層的微觀結構，結果見圖1。由圖1可以看出，石千峰組、上石盒子組、下石盒子組巖性整體較為致密，孔隙一般小于5 μm，泥質中存在較發育的微裂縫，開度形態不一。JPH-378井下石盒子組泥巖鉆屑樣品較疏松，粒間孔隙約10 μm，同樣具有較發育的微裂縫。

圖1 杭錦旗區塊易漏、易塌地層巖屑微觀圖

1.3 儲層巖屑理化特性

分別對井區鉆屑進行滾動回收率評價實驗，及泥頁巖水化膨脹實驗，結果見表2。

表2 JPH-301井、JPH-378井復雜地層巖樣水化分散實驗

由表2可以看出，下石盒子組灰色泥巖和深灰色中細砂巖的回收率高，分別為90.75%和94.93%，而其他紅褐色泥巖及泥巖回收率低，最低回收率為29.4%，最高回收率為55.07%；整體泥巖具有較高的膨脹率，水化膨脹嚴重，而從JPH-378井收集的鉆屑的回收率普遍偏低，分析原因為收集的鉆屑夾雜部分砂巖，一定程度上降低了實驗所測膨脹率。

1.4 儲層地質特性總結及易產生問題

分析杭錦旗區塊復雜地層組構特征、理化性能測試結果，可知該區塊地層存在砂泥巖互層嚴重，巖石黏土礦物含量高的特點，黏土礦物以伊蒙混層、伊利石為主，微裂縫較為發育，屬于硬脆性泥巖；灰色泥巖滾動回收率高、膨脹率低，而紅褐色泥巖滾動回收率低、膨脹率高。因此，鉆井過程中以下問題尤為嚴重。

1）井壁失穩。該區地層泥頁巖有較多的微裂縫，在鉆井過程中也易產生誘導裂縫，在外力的作用下泥頁巖極易沿裂縫破裂甚至剝落，造成井壁失穩；鉆井液濾液沿微裂縫或節理面侵入地層深部后，擴大泥頁巖水化面積，降低了泥巖的結合強度和層理面之間的結合力，使泥巖沿層理面或微裂隙裂開，進一步造成井壁失穩[5-7]。

2）漏失嚴重。該區塊由于微裂縫發育，一方面易導致井漏，另一方面在鉆井過程中也易產生誘導裂縫，進一步加劇井漏；劉家溝、石千峰組存在泥巖互層、層間膠結弱、地層承壓低，導致鉆井液安全密度窗口窄，加大了低壓地層漏失風險[8-11]。

2 防塌防漏鉆井液體系

杭錦旗區塊解決井壁失穩技術思路為：以加入具有高效封堵防塌作用的封堵劑為主，增強鉆井液的封堵、造壁作用，同時適時提高鉆井液密度，并保證鉆井液合理流變性，降低物理沖刷作用[12-13]，從整體上提高鉆井液的綜合防塌能力。

2.1 封堵防塌處理劑研發

目前鉆井液的封堵防塌處理劑主要有乳化瀝青、磺化瀝青、氧化瀝青等瀝青類處理劑[14]、聚合醇[15]等處理劑。針對杭錦旗區塊地層裂縫發育非均質性的特點， 制備了溫敏變形型封堵劑SMSHIELD-2。SMSHIELD-2結構如下：以剛性芳環為主結構單元， 以碳-碳鍵、 碳-氮鍵等剛性、高穩定性化學鍵連接形成主鏈分子， 采用交聯劑使主鏈分子間架橋成復雜網狀結構， 保證主鏈分子的強度和穩定性；在主鏈分子中引入聚氧乙烯鏈等可變形基團， 低溫下由于分子剛性強且具有復雜的交聯結構， 封堵劑無變形性， 當達到一定溫度， 分子內部黏聚力發生一定程度降低， 使分子出現可形變特性。

利用溫度掃描實驗測試SMSHIELD-2形變溫度區間及程度：取5 g SMSHIELD-2置于燒杯中，利用油浴對燒杯進行加熱，觀察SMSHIELD-2變形情況。通過測試可得，90 ℃時，SMSHIELD-2外部已出現“軟化”變形現象，隨著溫度增加，其可變形區域可逐漸增大，至180 ℃時外表面已完全“軟化”。SMSHIELD-2“軟化”后，利用玻璃棒攪拌測試，具有極強的黏滯力和結構強度，這保證了封堵劑可以滯留在不同形狀的裂縫內并具有較好的封堵能力。室內評價了SMSHIELD-2的封堵性能，并與國內外封堵防塌劑進行對比，結果如表3所示。

表3 溫敏變形型封堵劑SMSHIELD-2同國內外封堵劑效果對比

由表3可知，溫敏變形型封堵劑SMSHIELD-2在1%的加量下，基漿濾失量為23 mL，低于國內外封堵劑在2.5%加量下的基漿濾失量，當SMSHIELD-2加量為2.5%時，高溫高壓濾失量進一步降低至15 mL，基漿濾失量降低率達到75%。可見SMSHIELD-2具有顯著的封堵防塌效果。

為考察濾餅韌性，對高溫高壓濾失后所得濾餅進行高溫烘干測試，如圖2所示，烘干時間為4 h。對比樣品烘干后濾餅皸裂明顯，完整性被破壞；而SMSHIELD-2形成的濾餅，高溫烘干后依然具有較好的完整性，說明其具有較強的韌性，有助于增強鉆井液封堵及造壁作用，保證井壁穩定。其原因在于，SMSHIELD-2封堵劑具有可變形性，可以充分填充在濾餅各個空間，膠連、黏合濾餅各組分，提高濾餅致密程度的同時，提高其韌性。同時，SMSHIELD-2本身含一定量的疏水基團，可在濾餅表面聚結成一層疏水膜，將自由水束縛在濾餅內，從而進一步提高了濾餅完整性。

圖2 濾餅烘干4 h 后實物圖

通過泥頁巖巖心壓力傳遞實驗測試進一步考察封堵效果，對比巖心封堵前后的掃描電鏡（見圖3），發現未加入前巖心表面存在不同尺度的微裂縫，且分布不均勻，而加入處理劑后，巖心表面的裂縫已被明顯封堵，表面更加致密，幾乎沒有任何裂縫，表明SMSHIELD-2具有非常強的封堵能力。

圖3 SMSHIELD-2封堵實驗掃描電鏡微觀圖

圖4 為SMSHIELD-2對室溫下鉆井液流變性能的影響。

圖4 SMSHIELD-2對室溫下鉆井液流變性能的影響

圖4 中鉆井液基礎配方為：4%膨潤土漿+0.5%SMPFL+4%SMP+4%SMC，加有不同加量SMSHIELD-2的鉆井液的塑性黏度和動切力變化不大，說明SMSHIELD-2的作用機理為惰性封堵機理，對鉆井液流變性能幾乎沒有任何影響。這為合理設計鉆井液流變性提供了保障。

2.2 潤滑劑優選

杭錦旗區塊多采用長水平段設計，在斜井段存在施工摩阻大且鉆具扭矩高的問題，水平段也極有可能發生托壓問題。針對上述問題，優選了環保高效潤滑劑SMLUB-E。該產品具有吸附高效、迅速、均勻的特點，可在井下固相表面聚集成膜，保證鉆井液潤滑性，降低固相界面間摩阻。按照鉆井液用潤滑劑技術要求（Q/CNPC 88—2003），將該產品同國內外10種常用潤滑劑進行對比實驗，測試鉆井液基漿配方：4%膨潤土漿+0.5%SMPFL+4%SMP+4%SMC。實驗結果如圖5所示。

圖5 SMLUB-E與國內外潤滑劑潤滑效果對比

由圖5可以看出，環保高效潤滑劑SMLUB-E于160 ℃老化后的極壓潤滑系數在所有對比潤滑劑中最低，可低至0.033，展現出其優異的潤滑性能。

2.3 防塌鉆井液配方研究

結合杭錦旗區塊地層特征， 開展直井段、斜井段及水平段鉆井液配方研究。直井段最終確定鉆井液配方為4%膨潤土漿+0.5%NH4-HPAN+0.5%LV-CMC+2%SMSHIELD-2+0.3%KPAM，實驗數據見表4。上直井段適當放寬中壓濾失量，保持鉆井液低黏度、低切力、低密度，為快速鉆進提供條件。

表4 杭錦旗區塊直井段鉆井液配方性能

斜井段，鉆井液配方為：直井段鉆井液+1.5%SMP-1+1.5%SPNH，實驗數據見表5。斜井段采用LV-CMC、SMP-1、SPNH控制鉆井液的濾失量，并采用SMSHIELD-2提高鉆井液的封堵防塌能力，隨著井斜的增加可補充適量的潤滑劑SMLUB-E，改善鉆井液的潤滑性。

表5 杭錦旗區塊斜井段鉆井液配方實驗

水平段鉆井液配方：斜井段鉆井液+2%SMLUB-E+0.1%XC+2%PB-1，實驗數據見表6。

表6 杭錦旗區塊水井段鉆井液配方實驗

水平段采用SMP-1、SPNH等控制鉆井液的濾失量低于5 mL，采用SMSHIELD-2提高鉆井液的封堵防塌能力，在鉆井液中加入屏蔽暫堵劑、超細碳酸鈣等，加強儲層保護，隨著水平段的延伸，保持SMLUB-E潤滑劑的含量在2%以上，強化鉆井液的潤滑性，降低摩阻、扭矩，為定向鉆進提供保障。

3 隨鉆承壓堵漏鉆井液

3.1 堵漏劑優選

針對該區塊漏失嚴重問題，采用隨鉆封堵技術，提高上部地層的承壓能力，著重提高鉆井液防漏性能，兼具堵漏。由于該區塊地層裂縫發育且開度形態不一，在鉆井液動態壓力作用下裂縫會進一步擴大，擬采用具有不同粒徑大小的復合型堵漏材料，進行針對性裂縫封堵。因此，在優選顆粒材料、纖維材料和遇水膨脹材料的基礎上，加入片狀顆粒材料云母，構成了水基鉆井液用隨鉆防漏堵漏材料SMGF-1。其中，云母和碳酸鈣細度均小于200目，礦物纖維細度小于100目，膨脹橡膠粉末細度小于100目。云母、碳酸鈣、礦物纖維和橡膠組成配比為（2～5）∶（4～8）∶（2～5）∶（0.5～3）。

3.2 隨鉆堵漏鉆井液研究

隨鉆堵漏鉆井液基漿為：4%膨潤土漿+0.3%KPAM+0.5%NH4-HPAN+0.5%LV-CMC+1.5%SMP-1+1.5%SPNH+2%SMSHIELD-2+2%SMLUB-E+0.1%XC。分類測量了不同加量下，常溫和100 ℃熱滾后水基鉆井液的流變性能，如表7。可以看出，隨著SMGF-1加量的增加，常溫下黏度和切力變化幅度較小；100 ℃熱滾16 h，水基鉆井液的黏度和切力變化幅度也不大，可以滿足現場鉆井的要求。

評價隨鉆防漏材料SMGF-1在常溫下和熱滾后的砂床封堵性能，評價方法如下：在FA型無滲透鉆井液濾失儀的可視透明圓柱筒中加入20～40目潔凈干燥的建筑砂，壓實鋪平后使高度達到20 cm，慢慢加入500 mL實驗漿，在0.7 MPa下加壓30 min后測定實驗漿侵入深度，見表7。可以看出，隨著SMGF-1加量的增加，濾液侵入深度逐漸減少，在水基鉆井液中加入3%SMGF-1，濾液侵入深度小于3 cm，較只加超細碳酸鈣有很大程度的改善，可以滿足現場隨鉆防漏堵漏的要求。

表7 SMGF-1對水基鉆井液流變性能的影響及砂床侵入實驗結果

利用DLM-01型堵漏模擬裝置評價防漏堵漏材料SMGF-1的砂床承壓能力：將20～40目砂子填滿雙側開口的圓桶型漏失模塊，裝入模擬裝置中，將實驗堵漏漿加入模擬裝置漿杯中，組裝好儀器，開始加壓。每次加壓0.5 MPa，穩壓5 min，壓力穩住基本不降后再繼續加壓，持續加壓壓力不再上升，該壓力即為承壓壓力，實驗結果如表8所示。

表8 砂床承壓實驗

可以看出，SMGF-1加量達到1%后，就能夠承受一定的壓力，加量達到3%后，承壓能力可以達到7.0 MPa以上。現場應用過程中，加量最好達到3%以上，可以達到較理想的隨鉆防漏堵漏效果。

4 現場應用

防塌鉆井液及隨鉆堵漏鉆井液技術在杭錦旗區塊2口評價井進行了現場試驗，以其中一口為例。該井斜深為4540 m，垂深為3545.22 m，二開、三開井段鉆遇劉家溝組、 石千峰組、 上石盒子組、 下石盒子組（未穿）， 大段砂泥巖互層， 泥頁巖段易水化膨脹、產生剝落掉塊垮塌等。二開采用隨鉆堵漏鉆井液，井下鉆進正常，無漏失情況，一次性鉆穿劉家溝組易漏地層。三開時采用低固相防塌鉆井液，加強了固相控制，保持鉆井液造壁性能和封堵防塌性能，控制濾失量小于5 mL。鉆井液主要性能見表9。

表9 封堵鉆井液與防塌鉆井液性能

通過防塌鉆井液及封堵鉆井液的應用，順利鉆穿杭錦旗區塊易漏地層，減少了堵漏時間，保證了所鉆遇泥巖地層井壁穩定，鉆井期間未出現井壁坍塌問題，井徑擴大率小于5%，與杭錦旗區塊其他井相比，井下事故大大下降，節約了鉆井成本。

5 結論

1.杭錦旗區塊存在地質破碎、砂泥巖互層嚴重、層間膠結弱、地層承壓低等特性，屬于斷層典型發育的區域。石千峰組與石盒子組存在大段泥巖，泥質中存在較發育的微裂縫，開度形態不一，易發生坍塌、掉塊等，導致井壁失穩。

2.針對井壁失穩現象，開發出溫敏變形型封堵劑SMSHIELD-2，優選出高效潤滑劑SMLUB-E，形成了防塌鉆井液，解決了石千峰組與石盒子組地層井壁失穩問題。

3.采用具有不同粒徑大小堵漏材料進行復配，形成水基鉆井液用隨鉆防漏堵漏材料SMGF-1，實現對不同類型、大小裂縫針對性封堵，解決鉆井中的井漏問題。

4.研制的防塌防漏技術在杭錦旗區塊2口試驗井取得成功應用，順利鉆穿易漏層，在泥巖段未出現坍塌現象，井徑擴大率小于5%，保證了高效鉆井。