木壘2井井壁穩定鉆井液技術

邱春陽，司賢群，陳二丁

(勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257000)

木壘2井位于準噶爾盆地木壘凹陷，是一口預探直井，鉆探目的是了解木壘凹陷南部二疊系、石炭系含油氣情況，落實石炭系烴源巖發育情況。該井設計井深3 200 m，實際完鉆井深為3 300 m。該井位于山前構造帶，地層巖性復雜，施工中鉆井液技術難度大，鄰井鉆進過程井壁失穩嚴重，最大井徑達到130%，導致起下鉆阻卡嚴重，延長鉆完井周期，勘探與開發進度低。通過使用聚胺納米防塌鉆井液體系，該體系抑制性好，能夠對微納米孔隙和裂縫進行封堵，封堵效率高。現場施工過程中輔助相應的鉆井液維護處理工藝，保證了木壘2井的順利完鉆，為該區塊進一步勘探開發提供了詳實的技術參數和技術保障。

1 工程地質概況

1.1 工程概況

一開使用Φ444.5 mm鉆頭鉆至井深307.50 m，下入Φ339.7 mm表層套管至307.50 m；二開使用Φ311.2 mm鉆頭鉆至井深2 492 m，下入Φ244.5 mm技術套管至2 485.22 m；三開使用Φ215.9 mm鉆頭鉆至井深3 300 m完鉆。

1.2 地質概況

木壘2井位于準噶爾盆地木壘凹陷，該井地層自上而下鉆遇石炭系石錢灘組(C2sh)、二疊系梧桐溝組(P3Wt)、平地泉組(P2P)及石炭系巴塔瑪依內山組(C2b)。石錢灘組上部為灰色凝灰質細砂巖、粉砂巖、凝灰質角礫巖與深灰色泥巖不等厚互層；中部為灰色、灰綠色凝灰質粉砂巖、細砂巖與灰色、深灰色泥巖、砂質泥巖不等厚互層；下部以灰色、深灰色灰質、泥質粉砂巖為主夾灰色、深灰色生屑灰巖，泥巖、砂質泥巖。梧桐溝組以灰色泥巖為主夾薄層灰色粉砂巖、細砂巖。平地泉組上部以灰色泥巖、砂質泥巖為主夾薄層灰色粉砂巖、細砂巖；下部以灰色細砂巖、粉砂巖為主夾灰色泥巖、砂質泥巖。巴塔瑪依內山組上部為紫紅色安山巖、雜色火山角礫巖、深灰色玄武巖；下部為深灰色凝灰質泥巖、凝灰質砂巖互層夾深灰色炭質泥巖。

2 鉆井液技術難點

1)上部地層膠結性差，鉆進過程中機械鉆速快，大尺寸鉆頭必然產生大量巖屑，如果巖屑不能及時攜帶出井眼，會導致鉆頭重復破碎，降低施工效率；并且停泵后導致沉砂卡鉆。

2)該井處于山前構造，多期的強烈的構造運動導致地層層序倒轉，地層中發育較強的地應力。當井眼形成的瞬間，地應力沿著井眼的徑向釋放，導致井壁坍塌。鄰井曾發生卡鉆事故，損失大量的人力和物力。

3)平地泉組和巴塔瑪依內山組地層中泥巖硬脆，鉆進過程中在地層應力和機械碰撞作用下極易發生硬脆性垮塌和應力性垮塌，并且坍塌的掉塊難以破碎，容易造成掉塊卡鉆。

4)受造山運動影響，梧桐溝組和平地泉組地層不整合，易發生裂縫性漏失；下部巴塔瑪依內山組地層裂縫系發育嚴重，地層滲透性強，施工中漏失嚴重。

3 鉆井液體系研究

3.1 鉆井液體系配方

通過調研國內山前構造井[1-4]及國內外深井[5-7]鉆井液使用情況，結合鄰井鉆井液使用經驗，針對木壘2井地層巖性及鉆井液技術難點，通過優選鉆井液處理劑，形成聚胺納米防塌鉆井液體系，配方如下：

(3.0～5.0)%膨潤土漿+(0.2～0.3)%聚丙烯酸鉀KPAM+(0.5～1.0)%胺基聚醇+(1.0～2.0)%磺化酚醛樹脂+(1.0～2.0)%褐煤類降濾失劑+(0.8～1.0)%磺酸鹽共聚物降濾失劑+(2.0～3.0)%羥基鋁防塌劑+(3.0～4.0)%納米封堵劑+(2.0～3.0)%無水聚合醇+(6.0～8.0)%低熒光磺化瀝青+(6.0～8.0)%陽離子膠乳瀝青。

3.2 鉆井液體系作用機理

胺基聚醇分子上多個獨立的胺基可充填在黏土顆粒的晶層之間，并把它們束縛在一起，有效地減少黏土的吸水傾向，其抑制作用具有長效性[8]。

羥基鋁防塌劑滲入地層后，與黏土結合形成具有固結作用的硅鋁酸鹽不滲透層，阻止濾液的進一步侵入；進入頁巖內部后，與地層中多價陽離子發生化學反應生成沉淀，增強井壁穩定性[9]。

納米封堵劑顆粒尺寸小，能更快地吸附在井壁及黏土顆粒表面，并在其表面形成油膜，阻止井壁及黏土顆粒的水化，并能提高鉆井液的潤滑性；納米封堵劑更容易擠入地層孔隙、層理及微細裂縫中，起到有效的封堵作用[10]。

陽離子膠乳瀝青呈正電性，在井底溫度作用下，在井壁巖石表面形成一層牢固的瀝青薄膜，阻止濾液向地層滲透；正壓差下，瀝青乳液顆粒進入地層的微孔隙和微裂隙中，配合超細碳酸鈣，封堵地層微孔隙和微裂隙，穩定井壁[11]。

聚合醇具有“濁點效應”，當地層溫度低于濁點溫度時，聚合醇吸附在鉆具和固體顆粒表面，形成憎水膜，阻止泥頁巖水化分散，穩定井壁，改善潤滑性，防止鉆頭泥包。當地層溫度高于其濁點溫度時，聚合醇從鉆井液中析出，粘附在鉆具和井壁上，封堵巖石孔隙，阻止濾液滲入地層，實現穩定井壁的作用[12]。

4 現場鉆井液施工工藝

4.1 一開鉆井液施工工藝

1)配制10%膨潤土漿200 m3，預水化24 h后開鉆。

2)鉆進中加入0.5%高黏聚陰離子纖維素，保持鉆井液漏斗黏度大于50 s，保證鉆井液體系的懸浮和攜帶能力。

3)鉆完進尺后，適當提高鉆井液黏度和切力，增強鉆井液體系的攜巖能力。

4)下套管前，配置封井漿封井，確保下套管順利。

5)施工效果：下套管施工順利；開泵順利；固井施工順利。

4.2 二開鉆井液施工工藝

1)套管內處理一開井漿，凈化鉆井液。加入低黏聚陰離子纖維素LV-PAC，鉆井液漏斗黏度至45 s左右開鉆。

2)按照循環周補充0.4%聚丙烯酸鉀KPAM膠液，保證鉆井液體系的包被性能，防止巖屑遇水分散；均勻加入1.0%胺基聚醇，抑制泥頁巖水化膨脹。

3)鉆進過程中補充10%膨潤土漿，保證膨潤土粒子對井壁孔隙及微裂縫的封堵，提高鉆井液體系的造壁性能和攜帶能力；根據鉆井液體積消耗速度，適當加入纖維類堵漏材料，封堵地層中大的微裂縫，防止井壁漏失。

4)二開上部井段(<2 000 m)，采用低黏聚陰離子纖維素和褐煤控制鉆井液的濾失量至5 mL；下部井段，采用磺化酚醛樹脂和褐煤控制鉆井液的濾失量至5 mL以內。

5)采用超細碳酸鈣和低熒光磺化瀝青，配合高含量膨潤土漿，使鉆井液體系能夠在井壁上形成良好泥餅；輔助加入無水聚合醇和井壁穩定劑，對地層孔隙及微裂縫進行封堵，提高井壁穩定性。

6)鉆井液密度控制在設計下限，并隨著地層壓力變化調整；進入平地泉組，鉆井液密度控制在設計上限；平地泉組下段，地層出現掉塊，申請提高鉆井液密度，保證鉆井液液柱壓力平衡地層坍塌壓力。

7)充分利用四級固控設備，振動篩、除砂器和除泥器使用率達到100%，間斷開啟離心機，保證鉆井液體系具有良好的流變性。

8)工程上嚴格執行短起下鉆措施，刮掉吸附在井壁上的虛厚泥餅；下鉆過程中適當劃眼，破碎井底的掉塊，暢通井眼。

9)中完后，充分循環鉆井液，適當提高鉆井液黏度和切力，凈化井眼；起鉆前，用羥基鋁防塌劑和低熒光磺化瀝青配制封井漿，封住下部1 500 m井段，保證中完作業順利進行。二開鉆井液性能控制如表1 所示。

10)施工效果：鉆進過程中井壁穩定，井徑平均擴大率為9.35%；電測順利；下套管一次到底。

4.3 三開鉆井液施工工藝

1)預處理。在二開套管內循環鉆井液，開動四級固控設備凈化鉆井液，然后按照設計下限補充處理劑，待鉆井液性能達到設計要求后開鉆。

2)抑制性控制。采取適度抑制的原則，按照循環周均勻補充聚合物KPAM和胺基聚醇，適當加入褐煤類降濾失劑，保證鉆井液體系的適當分散，保持其抑制性和封堵性的統一。

3)封堵性控制。定期補充10%預水化膨潤土漿，保持膨潤土粒子對井壁的封堵；補充羥基鋁防塌劑、納米封堵劑和磺化瀝青，隨著井深而增加其含量，逐漸增加其封堵性。

4)濾失量的控制。采用磺化酚醛樹脂和磺酸鹽共聚物降濾失劑控制鉆井液的濾失量。中壓濾失量控制在3.0 mL以內，高溫高壓濾失量控制在12 mL以內，降低濾液向地層的滲透。

5)流變性控制。漏斗黏度控制在65 s左右，動塑比控制在0.3左右，保證鉆井液具有良好的懸浮攜帶能力，防止環空壓耗過大造成井壁失穩；每次起鉆前封井，保證高溫下鉆井液良好的流變性。

表1 二開鉆井液性能控制情況

6)固控設備使用。保持振動篩、除砂器和除泥器利用率達到100%，定期開動離心機，降低鉆井液體系中的低密度固相含量，保證鉆井液體系良好的流變性。

7)鉆進過程中，要注意觀察井口返漿情況，振動篩上的巖屑返出、巖屑的形狀變化，做好井眼穩定性防護及監視工作，避免出現井眼垮塌的惡性事故，提高鉆井液的懸浮、攜帶巖屑能力，確保正常鉆進。

8)密度控制。鉆井液密度控制在設計中限，以后隨著地層壓力監控情況隨時調控；下部井段，鉆井液密度控制在設計上限，保證鉆井液液柱壓力支撐地層坍塌壓力，保持井筒的力學平衡。

9)完井措施。完鉆后，充分循環鉆井液，然后進行短起下鉆，刮掉黏附在井壁上的虛厚泥餅以暢通井眼；下鉆到底后，循環鉆井液，配制稠鉆井液洗井，待振動篩上無巖屑返出后，配制高黏切鉆井液封井。三開鉆井液性能控制如表2所示。

10)施工效果：鉆進過程中井壁穩定，井徑平均擴大率為8.89%，是該區塊井身質量最好的一口井；完井作業順利。

表2 三開鉆井液性能控制情況

5 復雜情況處理

二開完鉆后，循環鉆井液時發生井漏。地層為平地泉組，鉆井液失返。

5.1 復雜情況處理

1)第1次堵漏。現場施工小組確定如下堵漏措施，堵漏配方為：50 m3井漿+14%核桃殼+12%復合堵漏劑+2%云母片+4%單項壓力封閉劑，泵入堵漏漿40 m3，未見泥漿返出；又泵入泥漿19 m3，靜止堵漏；繼續泵入鉆井液后，鉆井液未返，堵漏失敗。

2)第2次堵漏。重新配制堵漏漿，堵漏漿配方為：50 m3井漿+12%核桃殼(粗)+8%核桃殼(中)+4%核桃殼(細)+4%棉籽皮+4%云母片+4%復合堵漏劑+3%隨鉆堵漏劑，泵入堵漏漿38 m3，最后井口返出泥漿，繼續泵入井漿12 m3，井口返漿正常，堵漏成功。

5.2 第1次堵漏失敗分析

井漏為失返性漏失，第一次配制堵漏漿中的堵漏劑顆粒粒徑小，堵漏漿進入漏失通道后，堵漏段塞形成的堵漏強度低，在鉆井液液柱壓力的作用下，導致堵漏段塞不能在漏失通道留存，致使堵漏失敗。

6 結論

1)聚胺納米防塌鉆井液體系抑制性能好，封堵能力強，配合現場鉆井液維護處理工藝和應對復雜情況的處理措施，保證木壘2井順利鉆至目的層。

2)鉆井液中使用羥基鋁防塌劑、納米封堵劑和陽離子膠乳瀝青，通過各種處理劑“多元協同” 防塌作用，達到了井壁穩定的效果，全井起下鉆順利，下套管順利了，電測順利。

3)木壘區塊位于山前構造地形，中部地層破碎，裂縫發育性好，要準備好堵漏材料，還必須添加納米級封堵劑，封堵地層孔隙和微裂縫，防止井塌。

4)木壘區塊下部石炭系地層堅硬，機械鉆速低，必須定期開動離心機，最大限度地除去低密度固相含量，保證鉆井液具有良好的流變性。

5)采用聚胺納米封堵防塌鉆井液體系施工，保證了井壁穩定，但是，全井機械鉆速低，應該對體系進行進一步優化，以利于提高機械鉆速。