大慶中淺層低成本水基鉆井液技術研究與應用

張仁彪（大慶鉆探工程公司鉆井三公司）

大慶油田中淺層除發育常規油氣資源外，還蘊藏著豐富的致密油等非常規油氣資源，是保障大慶油氣產量的主力層位。但在中淺層鉆井過程中，常發生造漿、縮徑、剝落掉塊，甚至是井壁坍塌等復雜事故。油基鉆井液雖然具有優良的抑制性和井壁穩定效果，但是高成本、高污染，以及后期處理難的問題限制了油基鉆井液的推廣應用范圍。以往使用的水基鉆井液，又存在配方復雜，處理劑種類繁多、加量大和現場維護困難等問題。因此，通過技術攻關，以優選的抑制劑、降濾失劑和潤滑劑等處理劑為主，研發出一套低成本中淺層水基鉆井液，替代了油基鉆井液，保障了大慶油田中淺層油氣資源的高效開發[1-2]。

1 鉆井施工難點及解決對策

1.1 鉆井施工難點

1）大慶油田中淺層從上到下依次發育嫩江組、姚家組、青山口組和泉頭組等層位。其中，嫩江組黏土礦物含量高，蒙脫石含量超過50%，清水滾動回收率為0，線型膨脹率大于20%，鉆進中極易發生造漿、縮徑和鉆頭泥包等現象，這對鉆井液抑制性提出了極高要求。

2）姚家組層位黏土礦物含量以伊蒙混層為主，遇到外來液相很容易發生表面水化及滲透水化，導致井壁剝落、掉塊，甚至是井壁坍塌等事故的發生，也要求鉆井液較強抑制性。

3）青山口組地層和泉頭組地層還有大量尺寸不一的微裂縫，外來液相在壓差作用下進入到深部地層后，會降低泥頁巖強度，甚至引起井壁垮塌和鉆井液漏失，因此要求鉆井液具有較強封堵防塌能力。

4）致密油水平井設計過程中，造斜段和水平段都比較長，這樣鉆具就會與井壁產生大面積接觸，因此需要鉆井液具有良好的潤滑性能。

5）以往使用的水基鉆井液配方復雜，處理劑種類繁多，有4 種抑制劑，3 種降濾失劑，且加量較大，使鉆井液成本較高，每方成本大于4 500元，鉆井液現場維護工作量巨大。

1.2 解決對策

1）優選高效泥頁巖抑制劑，提高鉆井液對上部地層的抑制能力，避免地層造漿、井徑縮小、剝落掉塊等復雜。

2）優選與聚胺抑制劑配伍的封堵降濾失劑，提高鉆井液對青山口和泉頭組地層微裂縫的封堵能力，避免井壁坍塌與剝落情況的發生。

3）優選高效液體潤滑劑，提高鉆井液的潤滑防卡能力，降低起下鉆摩阻。

4）在原水基鉆井液配方基礎上，用優選的聚胺抑制劑和封堵降濾失劑替代原有的4種抑制劑和3種降濾失劑，簡化鉆井液配方，降低鉆井液成本[3]。

2 鉆井液體系研究

2.1 抑制劑

抑制劑種類繁多，作用機理和抑制效果也各不相同。聚胺是一種含有較多伯胺基、叔胺基基團的低分子量抑制劑，因其對泥頁巖具有良好的抑制效果，而在國內外油田進行了大范圍的應用。在室內從9種聚胺抑制劑中優選出一種抑制性強、對鉆井液流變性影響小的樣品，實驗結果如表1 和表2 所示。由表1可知，隨著聚胺加量增加滾動回收率逐漸變大，線型膨脹率也逐漸變小，說明優選的聚胺具有良好的抑制性能；由表2可知，聚胺對鉆井液流變性能影響較小[4-6]。

表1 抑制性對比數據

2.2 封堵降濾失劑

鉆井液中常用的封堵防塌劑多為瀝青、磺化瀝青和改性瀝青等。因為顆粒粒徑較大，對縫寬較小的微裂縫封堵能力較差。納米級乳液封堵劑由于粒徑分布范圍廣，能實現納米級到微米級微裂縫的有效封堵，所以在致密油地層鉆井中使用較多，效果也很理想。在室內采用裂縫封堵評價實驗對乳液封堵劑進行優選[7]，優選出一種對地層裂縫具有良好封堵能力的納米級乳液封堵劑，由圖1可知，乳液封堵劑對不同裂縫都具有良好的封堵能力。

圖1 納米乳液封堵劑對納米級裂縫的封堵效果

2.3 潤滑劑

通過實驗，在室內優選出極壓潤滑系數降低率最高的液體潤滑劑，這種潤滑劑在加量僅為4%的情況下，極壓潤滑系數降低率達到82%以上，能滿足鉆井液對潤滑性的需求。

2.4 配方研究

在原水基鉆井液配方基礎上，用優選的抑制劑和封堵降濾失劑替代原體系中的抑制劑和降濾失劑，最終形成低成本中淺層水基鉆井液配方：3.0%膨潤土+0.25%純堿+0.02%KOH+1.5%～2.0%聚胺抑制劑+2.0%～3.0%乳液封堵劑+0.2%～0.4%包被劑+1.0%～2.0%碳酸鈣，潤滑劑根據現場不同井段的施工情況而確定加量。

3 性能評價

3.1 流變性能

在室內對研發的低成本中淺層鉆井液的流變性能進行了評價，實驗結果如表3 所示。由表3 可知，鉆井液在老化前后性能穩定，API 濾失量不超過2 mL，具有較高的巖屑攜帶能力。

表3 鉆井液基本性能數據

表2 聚胺抑制劑對鉆井液性能的影響

3.2 抑制性

采用泥頁巖滾動回收實驗和線型膨脹實驗對鉆井液體系的抑制性能進行評價，實驗結果如表4所示。由表4可知，低成本中淺層水基鉆井液膨脹率僅為7.63%，滾動回收率高達93.20%，鉆井液抑制能力強。

表4 中淺層水基鉆井液抑制性評價結果

3.3 封堵性能

在室內制作縫寬分別為50、100、200 μ m的微裂縫，評價鉆井液體系的封堵性能[8]，實驗結果如圖2 所示。由圖2 可知，該鉆井液體系對50、100、200 μ m 三個級別微裂縫都具有良好的封堵能力，說明該體系能夠實現從納米級到微米級不同縫寬裂縫的有效封堵。

圖2 納米乳液封堵劑對不同微裂縫的封堵效果

3.4 潤滑性能

采用極壓潤滑儀、黏附系數測定儀對鉆井液潤滑性進行評價，實驗結果顯示鉆井液的極壓潤滑系數為0.09，泥餅黏附系數為0.95，鉆井液潤滑性良好。

3.5 抗巖屑侵性能

將泥頁巖巖屑烘干粉碎，按不同加量加入到鉆井液中，實驗結果如表5 所示。由表5 可知，鉆井液能夠抗20%的巖屑侵。

4 現場應用

LP2 井是1 口中淺層長水平段水平井，水平段長度超過1 500 m，從上到下分別鉆遇嫩江組、姚家組和青山口組等層位，要求鉆井液具有較強的抑制性、封堵能力和潤滑性能。針對上述實際情況，該井二開后使用低成本中淺層水基鉆井液體系。配漿時一次性加入不低于1.0%的聚胺抑制劑，鉆進過程中盡量維持在1.0%～1.5%，重點是抑制泥頁巖水化分散；在進入青山口組進行造斜時，把封堵防塌劑加量提高至3.0%，增強井壁穩定能力；進入水平段以后，保證鉆井液中潤滑劑的加量不低于5.0%，以確保體系較強的潤滑性，防止托壓現象發生，同時將降濾失劑和封堵防塌劑加量調整到設計上限，API濾失量控制在3 mL以內，確保井壁穩定，現場性能如表6。

表5 鉆井液抗巖屑污染性能

表6 LP2井現場鉆井液性能

現場應用結果表明，所研制的低成本中淺層水基鉆井液體系性能良好，鉆井過程中起下鉆暢通，后期電測、下套管作業也一次成功，各項性能指標都滿足了鉆井要求。低成本水基鉆井液優勢主要表現在以下幾個方面：鉆井液的API 濾失量低，始終維持在2.0 mL左右，避免了嫩江組造漿和縮徑；體系流變性易于控制，流動性好，動塑比高，攜巖能力強，有效避免了井底巖屑床堆積；抑制性強，能很好地抑制泥頁巖的水化分散，保持井壁穩定，鉆進過程中未出現任何因鉆井液而引起的井塌、卡鉆和漏失等井下復雜情況；體系極壓潤滑系數在0.12以下，潤滑性好，未發生壓差卡鉆事故；平均機械鉆速高達10.58 m/h，井徑規則，達到了預期效果；鉆井液配方簡化以后，方便體系性能調節和維護，減少了現場人員工作量；鉆井液每方成本和單井節約成本如圖3 和圖4 所示，由圖可知，低成本水基鉆井液方成本比油基鉆井液和常規水基鉆井液具有優勢，單井分別節約126萬元和28萬元，該鉆井液體系減少了井下復雜情況、提高了固井質量，縮短了鉆井周期，具有良好的經濟效益和社會效益。

圖3 鉆井液方成本對比

圖4 單井鉆井液成本節約對比

5 結論

1）針對大慶中淺層地層地質特點，通過優選聚胺抑制劑、封堵降濾失劑和潤滑劑，并簡化鉆井液配方，開發出一套綜合性能優異的低成本中淺層水基鉆井液體系。

2）研究表明，低成本中淺層水基鉆井液體系具有良好的流變、降濾失和封堵抑制性能，能夠很好地抑制泥頁巖地層的水化分散，滾動回收率在90%以上，且具有較強的潤滑性與抗污染能力，極壓潤滑系數為0.09，抗巖屑侵高達20%，可滿足現場施工作業要求。

3）低成本中淺層水基鉆井液體系抑制防塌效果顯著，成功解決了裂縫性泥頁巖地層易失穩的難題，井壁穩定，井徑規則，井下安全，具有廣闊應用前景。