瑪湖油田胺基鉆井液體系應(yīng)用研究

房炎偉，余加水，吳義成，張蔚，李博，劉裕雙，郝維

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司鉆井液分公司，新疆克拉瑪依 834000；2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，北京 102200)

胺基鉆井液體系是一種性能較好的水基鉆井液體系，胺基基團(tuán)半徑與黏土晶體的六角形網(wǎng)格相近，可以嵌入黏土晶片氧原子形成的六角形網(wǎng)眼中(胺基基團(tuán)半徑約為0.135 nm，黏土六角形網(wǎng)眼為0.134 nm)，形成一種強(qiáng)鍵，使水難以進(jìn)入晶層間，不會(huì)引起晶層的膨脹[1]，由胺基處理劑配合形成的胺基鉆井液體系抑制能力強(qiáng)，具有“去水化”功能，對(duì)降低敏感性泥頁(yè)巖失穩(wěn)及提高鉆速等具有較好的效果。

瑪湖油田是準(zhǔn)噶爾盆地的油田，由于井壁不穩(wěn)定、水平段長(zhǎng)等原因[2-3]，鉆井復(fù)雜情況較多。在改進(jìn)鉆井液技術(shù)水平的研究中，將胺基鉆井液體系應(yīng)用到瑪湖油田中易發(fā)生問(wèn)題的造斜段及水平段[2-3]，對(duì)地層的適應(yīng)性較好。

1 復(fù)雜地層失穩(wěn)機(jī)理研究

瑪湖油田鉆井過(guò)程中易發(fā)生復(fù)雜問(wèn)題的地層為克拉瑪依組至百口泉組，其中克拉瑪依組地層易坍塌掉塊，百口泉組地層易井漏。在使用水基鉆井液對(duì)該區(qū)塊鉆井時(shí)，地層崩落掉塊、井壁失穩(wěn)時(shí)有發(fā)生，井徑不規(guī)則[3-4]，如瑪湖區(qū)塊某井造斜段3 606~3 636 m，井徑擴(kuò)大率高達(dá)51.5%，鉆具阻卡頻繁，電測(cè)遇阻。對(duì)克拉瑪依組巖樣的理化性質(zhì)和裂縫性質(zhì)研究表明，其失穩(wěn)的主要影響因素為鉆井液的抑制性與封堵性能[4-7]。

1.1 地層理化性質(zhì)研究

取克拉瑪依組巖樣粉碎過(guò)篩0.074 mm (200目)，與OCMA膨潤(rùn)土進(jìn)行對(duì)比，按GB/T 20973—2007《膨潤(rùn)土》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定亞甲基藍(lán)含量和陽(yáng)離子交換容量，測(cè)定蒙脫石率，再配制成(w)15%黏土懸浮液，測(cè)定膠體率，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 克拉瑪依組巖樣理化性能

由表1可見(jiàn)：克拉瑪依組巖樣的膠體率較高，但蒙脫石率較低，表明巖樣表面水化能力較強(qiáng)，滲透膨脹能力較弱，易發(fā)生物理化學(xué)失穩(wěn)[4-7]。

1.2 地層裂縫性分析

室溫下克拉瑪依組巖樣經(jīng)清水浸泡24 h前后的對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 巖樣清水中浸泡前后對(duì)比

由圖1可見(jiàn)：室溫下將克拉瑪依組巖樣經(jīng)清水浸泡24 h后，與巖樣原樣相比，巖樣分散成許多碎塊，這是由于巖樣內(nèi)部存在較多裂縫，與清水接觸后，水沿著這些裂縫進(jìn)入巖樣內(nèi)部引起巖屑分解。同時(shí)，巖樣浸泡后發(fā)生層理性解理，進(jìn)一步表明巖樣內(nèi)部原始應(yīng)力裂縫發(fā)育，容易發(fā)生裂縫性失穩(wěn)。

2 胺基鉆井液的性能研究

胺基鉆井液體系主要由頁(yè)巖抑制劑、包被劑、降失水劑、封堵劑組成，處理劑分子結(jié)構(gòu)中均含有胺基基團(tuán)，通過(guò)多種處理劑組合形成體系抑制優(yōu)勢(shì)。抑制劑XZ-301是一種小分子無(wú)規(guī)三元共聚物，分子鏈中含胺基和羧基基團(tuán)，主要起抑制表面水化作用，胺基小分子部分解離成銨正離子，在化學(xué)勢(shì)差下，進(jìn)入黏土層間，置換出無(wú)機(jī)陽(yáng)離子，促進(jìn)黏土晶層間脫水，減小膨脹力，壓縮晶層，從而抑制黏土水化。包被劑XZ-102是一種高分子無(wú)規(guī)多元共聚物，含有季胺基和胺基吸附基團(tuán)，胺基基團(tuán)能夠與頁(yè)巖、鉆屑以及黏土表面形成更強(qiáng)的相互吸附作用，有利于提高抑制性，在鉆井液中實(shí)現(xiàn)胺基多點(diǎn)吸附巖屑和高分子鏈包被鉆屑的雙重效果，有效地包被抑制黏土和鉆屑的水化分散，抑制地層造漿。XZ-201是一種多元聚合物降濾失劑，具有較好的抗鹽性能，降低濾失量效果好，可調(diào)節(jié)鉆井液體系的流變性，提高體系的動(dòng)塑比，防止井壁垮塌。抗溫降濾失劑XZ-501是一種可變形聚合物，可以在井壁上形成致密的泥餅，有效降低濾失量，穩(wěn)定井壁。XZ-601是一種乳膠封堵劑，在鉆井液中分散的微小封堵劑顆粒可在滲透性或微裂縫地層形成封閉膜，阻止鉆井液滲透入地層，并有效降低鉆井液濾失量。

由于胺基基團(tuán)的強(qiáng)抑制作用，以及各胺基處理劑的性能互相協(xié)調(diào)[6]，胺基鉆井液體系對(duì)黏土的水化膨脹降低率可以達(dá)到93%以上，在解決泥頁(yè)巖水化引起的井壁失穩(wěn)中起到重要作用。并且胺基鉆井液體系具有低的剪切稀釋特征，在較大程度上能降低泥巖對(duì)鉆柱和鉆頭的粘附，保障攜巖能力，提高長(zhǎng)水平井段的井眼清潔性，以及有效地降低摩擦阻力和扭矩。

2.1 鉆井液抑制性和封堵性研究

選用優(yōu)選出的胺基鉆井液配方進(jìn)行抑制性研究。配方(w)為：2%膨潤(rùn)土+0.5% XZ-102+0.5%XZ-201+1% XZ-301+1.5% XZ-501+2% XZ-601+5%KCl+10% NaCl+重晶石。選取克拉瑪依組巖芯，根據(jù)SY/T 5613—2000《泥頁(yè)巖理化性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行泥頁(yè)巖抑制性試驗(yàn)，對(duì)比體系為聚磺鉆井液體系，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 頁(yè)巖膨脹試驗(yàn)

由表2可見(jiàn)：按標(biāo)準(zhǔn)制作的巖芯在2種鉆井液體系中浸泡180 min后，胺基鉆井液體系的頁(yè)巖膨脹率遠(yuǎn)低于聚磺鉆井液體系，表明胺基鉆井液體系具有較好的抑制性。

在120 ℃下熱滾24 h，巖芯滾動(dòng)回收率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 巖芯滾動(dòng)回收率試驗(yàn)

由表3可見(jiàn)：胺基鉆井液中巖芯滾動(dòng)回收率較高，表明胺基鉆井液除了抑制性強(qiáng)之外，還能有效封堵微裂縫，對(duì)控制克拉瑪依組地層的泥頁(yè)巖水化分散和封堵作用強(qiáng)，可以促進(jìn)穩(wěn)定井壁[4-9]。

2.2 鉆井液封堵性研究

鉆井液對(duì)石炭系地層的封堵作用可采用砂床濾失試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用高溫高壓濾失儀(GGS42-2A型，青島普德)，將高溫高壓濾失試驗(yàn)中的濾紙換成砂層，使用經(jīng)清水洗凈后烘干的砂子(0.12~0.25 mm)，在壓力機(jī)中加壓10 MPa，保持30 min，再裝入底座，上層加入鉆井液，按測(cè)試API濾失量的方法加壓測(cè)試濾失量和濾液進(jìn)入砂床的深度。試驗(yàn)溫度120 ℃，試驗(yàn)時(shí)間30 min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 砂床濾失試驗(yàn)結(jié)果

由表4可見(jiàn)：砂床濾失試驗(yàn)中鉆井液侵入砂床深度不足5 cm，表明在井下環(huán)境中鉆井液具有較強(qiáng)的封堵作用。

綜上分析，鉆井液對(duì)石炭系破碎巖層侵入程度低，配合提高封堵劑含量，加強(qiáng)地層膠結(jié)作用，同時(shí)配合抑制性和流型調(diào)節(jié)減輕沖刷效果，對(duì)裂縫性地層可起到較強(qiáng)的穩(wěn)定作用。

2.3 鉆井液水力學(xué)研究

鉆井液的流型、水力參數(shù)、剪切稀釋性應(yīng)能滿足穩(wěn)定地層、懸浮攜巖的要求，在水平井段鉆井的情況下，還需考慮采用適當(dāng)?shù)你@井液水力學(xué)參數(shù)，以避免對(duì)地層沖刷作用過(guò)大造成井徑不規(guī)則，使得定向工具面不穩(wěn)定、托壓嚴(yán)重等問(wèn)題，還需要求鉆井液具有良好的抑制造壁、防塌、潤(rùn)滑性、儲(chǔ)層保護(hù)及有利于清除巖屑床等性能。

根據(jù)瑪湖油田地層的壓力情況，在胺基鉆井液基礎(chǔ)配方中加入重晶石至密度1.60 g/cm3，再進(jìn)行流變性研究[10]，滾動(dòng)老化試驗(yàn)條件為120 ℃，時(shí)間為16 h，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 鉆井液流變性能表

由表5可見(jiàn)：鉆井液體系高溫滾動(dòng)老化試驗(yàn)前后體系的黏度、切力、中壓及高溫高壓濾失量穩(wěn)定，流變性能好，動(dòng)塑比高。

根據(jù)鉆井液配方熱滾后的流變性數(shù)據(jù)進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算，采用賓漢流體模型，計(jì)算環(huán)空鉆井液雷諾數(shù)，鉆頭尺寸選擇117.5 mm，井眼擴(kuò)大率為10%，鉆桿直徑73 mm，鉆井泵排量7 L/s。

根據(jù)賓漢方程：

環(huán)空流雷諾數(shù)方程：

式中：τ——剪應(yīng)力，Pa；

τ0——屈服值，Pa；

ηp——塑性黏度，Pa·s；

γ——剪切速率，s-1；

Re——雷諾數(shù)；

ρ——密度，kg/m3；

Dh——井眼直徑，m；

D0——鉆桿外徑，m；

V——流速，m/s。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：Re=2 200。

依據(jù)鉆井液流態(tài)判定準(zhǔn)則，Re＞2 100為紊流，Re＜2 100為層流，胺基鉆井液處于紊流向?qū)恿鞯倪^(guò)渡段，是一種平板型層流的流型，一方面近井壁地帶流線呈平行態(tài)，流速低且不易形成滯留區(qū)，另一方面環(huán)空中相鄰層面流線間剪切作用大，流體呈整體向前推動(dòng)型態(tài)，鉆屑在此流體中不易下沉，對(duì)防止形成巖屑床有利。

2.4 儲(chǔ)層保護(hù)效果

瑪湖油田克拉瑪依組水平井段長(zhǎng)度超過(guò)1 000 m，是主要儲(chǔ)層段，需對(duì)其儲(chǔ)層保護(hù)效果進(jìn)行研究，采用巖芯滲透率試驗(yàn)[8]，試驗(yàn)條件為壓差3.5 MPa，溫度60 ℃，剪切速率150 s-1，時(shí)間4 h，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 巖芯滲透率試驗(yàn)

由表6可見(jiàn)：經(jīng)過(guò)2組平行試驗(yàn)，胺基鉆井液的滲透率恢復(fù)值都達(dá)到了85%以上，巖芯滲透率恢復(fù)值越高，表明對(duì)儲(chǔ)層傷害程度越小，表明該鉆井液可以滿足瑪湖油田的儲(chǔ)層保護(hù)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

3.1 復(fù)雜地層概況

胺基鉆井液試驗(yàn)井為MaHW6300井，重點(diǎn)井段是三開(kāi)井段，易出現(xiàn)鉆井復(fù)雜，地層為克拉瑪依組、百口泉組。克拉瑪依組地層巖性以灰色泥巖為主，夾泥質(zhì)細(xì)砂巖，百口泉組地層巖性以泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖含礫細(xì)砂巖、砂礫巖為主。

三開(kāi)井段自3 502 m開(kāi)始造斜，3 807 m進(jìn)入水平井段，設(shè)計(jì)完鉆井深為4 869 m。井眼直徑為117.5 mm，采用常規(guī)MWD定向鉆具組合。

三開(kāi)井段設(shè)計(jì)鉆井液密度為1.40~1.60 g/cm3，克拉瑪依組地層壓力高，易發(fā)生井壁失穩(wěn)，鉆進(jìn)中普遍存在掉塊垮塌現(xiàn)象。下部百口泉組是主要儲(chǔ)層，裂縫發(fā)育，常發(fā)生鉆井液漏失。

3.2 胺基鉆井液體系應(yīng)用情況

MaHW6300井二開(kāi)、三開(kāi)采用胺基鉆井液體系，二開(kāi)施工情況順利，無(wú)事故、無(wú)復(fù)雜，在二開(kāi)完井后循環(huán)調(diào)整鉆井液性能，達(dá)到三開(kāi)密度、流變性等要求后開(kāi)鉆。三開(kāi)井段地層最高溫度約為112 ℃，井溫高、密度高、地層情況復(fù)雜，鉆井液調(diào)控重點(diǎn)是抑制性、抗溫降濾失性能和保持良好流變性能。

克拉瑪依組地層的施工重點(diǎn)是加強(qiáng)鉆井液的強(qiáng)抑制性和封堵性，控制因物理化學(xué)因素導(dǎo)致的地層失穩(wěn)，在易坍塌井段采用設(shè)計(jì)密度上限以平衡井眼最大主應(yīng)力[4-9]。百口泉組地層的施工重點(diǎn)是控制好鉆井液流變性，保障水平井段巖屑攜帶效果，防止水平井下井壁巖屑堆積[10]，并保持有效的油層保護(hù)劑含量，做好儲(chǔ)層保護(hù)措施。

在三開(kāi)井段全面調(diào)整鉆井液性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求后開(kāi)鉆，起始鉆井液密度采用1.55 g/cm3，鉆進(jìn)至克拉瑪依組易坍塌井段密度提高至1.60 g/cm3，三開(kāi)井段的鉆井液應(yīng)用性能見(jiàn)表7。

表7 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用性能

由表7可見(jiàn)：在現(xiàn)場(chǎng)施工中，胺基鉆井液性能較為穩(wěn)定，可根據(jù)施工要求進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后性能保持較好，全井無(wú)施工復(fù)雜現(xiàn)象，易于現(xiàn)場(chǎng)施工，表明該鉆井液體系與瑪湖油田三疊系地層的相容性較強(qiáng)。

現(xiàn)場(chǎng)鉆井液應(yīng)用性能較符合設(shè)計(jì)體系流型，鉆井過(guò)程中無(wú)發(fā)生井壁失穩(wěn)，攜巖性能正常，定向鉆進(jìn)過(guò)程中無(wú)嚴(yán)重托壓現(xiàn)象。

水平井段在長(zhǎng)1 100 m的施工中鉆井液屈服值高，動(dòng)塑比高，鉆井摩阻低，起下鉆暢通，表明胺基鉆井液流變性能好，對(duì)水平井段的井眼凈化能力強(qiáng)，由此提高了鉆速，全井平均鉆速為7.02 m/h，井徑擴(kuò)大率6.29%，相較于該區(qū)塊平均鉆速5.88 m/h有明顯提高。

4 結(jié)論

1)瑪湖區(qū)塊主要復(fù)雜層位為克拉瑪依組和百口泉組，克拉瑪依組表面水化能力較強(qiáng)，易發(fā)生硬脆性失穩(wěn)；百口泉組地層裂縫發(fā)育，易發(fā)生井漏。

2)胺基鉆井液體系的研究表明：體系抗溫能力良好，抑制性和封堵能力強(qiáng)，對(duì)易坍塌的克拉瑪依組巖芯有較強(qiáng)的抑制作用，水力學(xué)特征符合平板型層流特征。

3)胺基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：胺基鉆井液的流變特性好，性能穩(wěn)定，長(zhǎng)水平井段井眼凈化能力強(qiáng)，泥頁(yè)巖地層未發(fā)生井眼坍塌問(wèn)題，對(duì)提高鉆井效益有較高效果。