聚胺抑制防塌鉆井液技術在勝利濱5井工廠的應用

邱春陽，周建民，趙紅香，王雪晨，張海青

1.中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院；2.中國石化勝利石油工程有限公司渤海鉆井公司：山東東營 257000

濱5井工廠位于濟陽坳陷東營凹陷濱南-利津斷裂構造帶，油藏位于沙四段上部，埋深約2 750.0 m。上部地層易形成小井眼造成縮徑；沙河街組易發生軟泥巖縮徑及硬脆性垮塌；長裸眼定向過程中井壁穩定性差。為完善濱5斷塊主體注采井網，提高儲量控制程度，提高油藏采收率，設計采用定向井方式開發濱5井組。前期使用的聚合物潤滑防塌鉆井液和地層配伍性差，致使施工中鉆完井時效低。為提高濱5井工廠開發效率，預防并減少井下復雜情況的發生，優選了聚胺抑制防塌鉆井液體系，該體系在濱5井工廠6口井進行了現場應用，施工中井壁穩定，機械鉆速高，取得了良好的應用效果。

1 濱5井工廠地質工程概況

濱5井工廠位于濟陽坳陷東營凹陷濱南-利津斷裂構造帶，該區塊自上而下發育平原組、明化鎮組、館陶組、東營組和沙河街組。

濱5井工廠設計斜深約3 000 m，采用二開制定向井方式施工。一開采用φ346.1 mm鉆頭鉆至井深約300 m，下入φ273.1 mm表層套管；二開采用φ215.9 mm鉆頭開鉆，在井深約1 300 m開始造斜，鉆至設計井深完鉆，完井井斜近30°，下入φ139.7 mm油層套管。

2 鉆井液施工難點

館陶組和東營組地層黏土礦物含量高，地層水化分散嚴重。黏土水化后很快分散在鉆井液體系中，導致鉆井液黏切劇增，在滲透性好的砂巖地層形成小井眼，造成起下鉆阻卡；沙河街組地層層理發育，泥巖軟硬交錯，鉆井液濾液沿著層理滲入后，灰色硬泥巖井段易發生硬脆性垮塌，紫紅色軟泥巖井段易發生縮徑，造成起下鉆阻卡；二開裸眼井段長達2 500 m，地層巖性不同，受鉆井液浸泡時間長，井壁失穩幾率增大。定向鉆井過程中，井斜20°是形成巖屑床的臨界角度。巖屑上返過程中在重力作用下沉降在下井壁，如果巖屑不能及時被攜帶出井眼，則會逐漸形成巖屑床，造成起下鉆阻卡，鉆井液井眼凈化技術難度大。在定向過程中，鉆具處于下偏心狀態，鉆具緊貼下井壁移動。巖屑床的形成，輕則造成工程摩阻和扭矩增加，重則造成鉆壓不能傳遞到鉆頭上，形成“托壓”現象；濱5井工廠斜井段長達1 700 m，定向過程中鉆井液潤滑防卡技術難度大。

3 鉆井液體系研究

3.1 鉆井液體系優選

根據鉆井液技術難點，針對地層巖性和工程施工情況，鉆井液必須具備如下要求：

1)抑制性強。既能對上部松軟地層黏土礦物進行有效抑制，防止其水化分散；也能抑制沙河街組泥巖的水化膨脹，保證井壁穩定。

2)封堵性強。既能對上部疏松地層進行有效封堵，防止形成小井眼；也能對沙河街組層理發育地層進行封堵，防止發生剝蝕掉塊。

3)潤滑性好。能夠降低工程定向過程中產生的摩阻和扭矩，保證定向順暢。

4)流變性好。不但滿足上部地層快速鉆井的要求，也能滿足下部定向過程中懸浮攜帶巖屑的需要，保證井眼凈化。

3.2 鉆井液體系配方

依據鉆井液體系優選思路，經過調研國內定向井鉆井液和防塌鉆井液技術[1-6]，優選了聚胺抑制防塌鉆井液體系，基本配方為：

3.0%～5.0%膨潤土+0.2%～0.35%燒堿NaOH+0.2%～0.4%聚丙烯酰胺PAM+0.5%～1.5%聚胺抑制劑+0.5%～1.0%銨鹽+1.0%～2.0%硅氟降濾失劑+1.0%～2.0%抗溫抗鹽防塌降濾失劑+2.0%～4.0%彈性封堵劑+2.0%～3.0%白油潤滑劑。

3.3 鉆井液體系機理分析

聚胺抑制劑中的胺基能夠嵌入黏土礦物的晶層之間，阻止水分子進入，從而防止黏土礦物水化膨脹；聚胺抑制劑在水解過程中產生陽離子，能吸附到黏土顆粒上，從而抑制黏土礦物水化分散[7]。彈性封堵劑為超細碳酸鈣和瀝青的復配產品，瀝青具有軟化點，在適當溫度和壓力下能夠發生彈性變形，配合超細碳酸鈣，能夠封堵不同形狀和不同直徑的孔隙和微細裂縫，穩定井壁。

4 鉆井液性能評價

4.1 抑制性能評價

采用巖心膨脹高度和巖屑回收率實驗評價了優選鉆井液的抑制性能。巖屑回收率實驗采用鄰井沙二段泥巖作為巖屑，實驗結果見表1。

表1 抑制性能評價

從表1可以看出，優選的聚胺抑制防塌鉆井液8 h巖心膨脹高度低，巖屑回收率高達90.8%，表明聚胺抑制防塌鉆井液抑制性強，能夠預防泥頁巖的水化膨脹。

4.2 封堵性能評價

采用中壓砂床(砂子直徑40～60目)封堵實驗和高溫高壓砂床(砂子直徑80～120目)封堵實驗評價了聚胺抑制防塌鉆井液的封堵性能，其中高溫高壓砂床封堵實驗溫度為120 ℃(地層溫度為120 ℃)，壓力控制在3.5 MPa，結果見表2。聚胺抑制防塌鉆井液封堵性好，不僅能封堵上部疏松地層，還能對下部地層具有良好的封堵作用。

表2 封堵性能評價

4.3 攜巖能力評價

取優選的聚胺抑制防塌鉆井液，加入到攜巖效率測定儀中，模擬直井和定向井，評價鉆井液的攜巖能力，結果見表3。

表3 攜巖性能評價

從表3可以看出，與聚合物潤滑防塌鉆井液相比，模擬直井鉆進中，兩種鉆井液的攜巖能力區別不大；但當井斜達到30°時，聚胺抑制防塌鉆井液的攜巖效率達到96.4%，遠高于聚合物潤滑防塌鉆井液相對應的數值，說明聚胺抑制防塌鉆井液體系懸浮攜帶能力強。

4.4 潤滑性能評價

采用泥餅黏滯系數測定儀和極壓潤滑系數測定儀評價了聚胺抑制防塌鉆井液體系的潤滑性能，結果見表4。

表4 潤滑性能評價

從表4可以看出，聚胺抑制防塌鉆井液泥餅黏附系數低，并且極壓潤滑系數很小，說明體系潤滑性能好，能夠降低定向中產生的摩阻和扭矩，保證施工順利。

5 現場應用

5.1 現場施工工藝

聚胺抑制防塌鉆井液在濱5井工廠6口井進行了現場應用。施工采用工藝如下。

1)清水開鉆，讓地層自然造漿，保證排量36 L/s，沖刷井壁，形成開放式井眼；中完時用高黏羧甲基纖維素提高黏切凈化井眼，然后配制稠漿封井。

2)二開采用一開井漿開鉆，逐漸補充各種處理劑，調控鉆井液流變性；定向前保持低黏低切的紊流流型，適當沖刷井壁；定向后提高鉆井液黏切，流型控制在層流狀態，凈化井眼。上部地層加入銨鹽控制鉆井液濾失量，中壓濾失量控制在8.0 mL左右；定向前，加入硅氟降濾失劑，中壓濾失量控制在5.0 mL左右；進入沙河街組，使用抗溫抗鹽降濾失劑控制中壓濾失量在2.0 mL以內，預防泥頁巖水化膨脹。上部地層聚胺抑制劑含量在1.0%以上，聚丙烯酰胺含量在0.3%，強化鉆井液的抑制性，防止黏土礦物水化；進入沙河街組，聚胺抑制劑含量控制在0.5%，聚丙烯酰胺含量在0.2%，保持鉆井液的抑制性。加入2%彈性封堵劑，封堵上部疏松地層；進入沙河街組，一次性加入3.0%彈性封堵劑，以后定期補充，封堵地層層理，穩定井壁。

3)定向前，加入2%白油潤滑劑，保證鉆井液的潤滑性；定向后，加入1.0%潤滑劑，并隨著進尺增加定期補充，增強鉆井液的潤滑性；發現定向摩阻和扭矩增加后，進行短起下鉆，攪動巖屑床。下鉆到底后，配制稠漿凈化井眼。

4)合理使用固控設備，振動篩、除砂器、除泥器和離心機利用率達到100%，控制鉆井液密度，凈化鉆井液；進入沙三段，鉆井液密度提高后，間斷開動離心機，保證井眼力學平衡。

5)完鉆后，充分循環，適當增加排量，提高井眼凈化效果；待振動篩無返砂后，起鉆至井深1500 m，下鉆到底后，配制稠漿洗井；起鉆前，用0.5%磺酸鹽共聚物、1.0%白油潤滑劑和1.5%彈性封堵劑配制潤滑封井漿封井，確保完井作業順利。

5.2 應用效果

井壁穩定，施工中井壁穩定，解決了軟泥巖縮徑及硬脆性泥巖垮塌的難題，二開定向長裸眼段施工中井壁穩定，完井作業順利。井眼凈化效果好，鉆井液流變性控制良好，井眼凈化效果好，無巖屑床形成，保證了定向施工順暢。

潤滑防卡效果好，定向過程中摩阻和扭矩低，起下鉆順暢，定向軌跡良好。達到了優快鉆井的效果。施工中機械鉆速高，井身質量好，取得了優快鉆井的良好效果。濱5井組鉆完井時效統計見表5。

表5 濱5井組鉆完井時效

6 結論及建議

1)通過分析濱5井工廠地層巖性及優選思路，研發了聚胺抑制防塌鉆井液體系。該體系抑制性好，封堵性、潤滑性及巖屑攜帶能力強。

2)聚胺抑制防塌鉆井液在濱5井工廠進行了現場應用，鉆進中井壁穩定，定向順暢，取得了優快鉆井的良好效果。

3)該區塊沙河街組地層易失穩，施工中必須保證鉆井液體系的抑制性和封堵性，定向中必須輔助一定的工程措施。