渤中34-X 區(qū)塊儲層保護鉆井液技術研究及應用

宋曉偉

（中海油服務股份有限公司油田化學事業(yè)部，天津 300452）

BZ34-X 區(qū)塊儲層段為沙河街組沙一段，油藏埋藏較深，地層微裂隙非常發(fā)育，易坍塌，具有低孔中滲的特征，巖心分析孔隙度分布在10.1%～15.7%，平均孔隙度12.7%。該地層在沉積過程及成巖后，溶解作用形成了部分溶蝕孔與溶蝕微裂縫，鉆井液濾液通過微裂縫侵入地層，導致泥頁巖水化膨脹，進而導致巖石內部相互擠壓，在井壁薄弱處隨著地應力釋放而產生剝落掉塊，造成井壁失穩(wěn)等問題[1]。傳統(tǒng)的鉆井液體系不能滿足在保證防塌的同時有效的保護儲層，同時，由于該區(qū)塊采用傳統(tǒng)套管完井，產量不能達到配產要求。針對渤中區(qū)塊沙河街特點，本文開發(fā)出一套新型強抑制儲層保護鉆開液，以甲酸鉀和海水1:1 混合為連續(xù)相，采用逐級擬合充填技術，保留裸眼完井對儲層保護的優(yōu)勢，同時有效抑制易坍塌，降低作業(yè)風險。該體系在BZ34-X-P1 井成功應用，配產滿足油藏要求，實現(xiàn)了安全鉆井與儲層保護的目的，為推廣使用和批量作業(yè)提供了不可多得的經驗。

1 作業(yè)難點

（1）在渤中區(qū)塊以前的探井與開發(fā)井作業(yè)中均存在沙河街地層井壁失穩(wěn)情況，甚至發(fā)生井壁嚴重坍塌和惡性的卡鉆事故，如BZ34-X-A1 井由于井壁失穩(wěn)導致尾管不能下到位，如何提高井壁穩(wěn)定性是該區(qū)塊的重難點。提高井壁穩(wěn)定性主要通過以下三種措施：①減少濾液進入地層與頁巖地層作用；②提高濾液對頁巖地層的抑制性；③鉆井液配方的優(yōu)化，合適鉆井液流變性設計和控制，減少因鉆井液流變性能不合理產生的力學作用對地層造成井壁失穩(wěn)[2]。

（2）BZ34-X 區(qū)塊傳統(tǒng)完井方式為套管射孔完井，而BZ34-X-P1 井屬152.4 mm 非常規(guī)小井眼，采用裸眼下打孔管完井，沙河街儲層保護工作是鉆井液的又一大難點；優(yōu)選采用打孔管+管外封隔器的作業(yè)方案，在裸眼完井的基礎上可實施電纜射孔作業(yè)，保護儲層。

2 強抑制儲層保護鉆開液配方優(yōu)選及評價

2.1 抑制劑的優(yōu)選

分析沙河街地層在前期鉆井過程中出現(xiàn)的井壁不穩(wěn)定情況，鉆井過程中，沙河街地層孔隙壓力大，鉆井液壓力與孔隙壓力之差及鉆井液水活度與頁巖水活度的差異所引起的鉆井液與頁巖間的水化學勢之差是鉆井液向頁巖驅動水的動力[3]。通過加入無機鹽可以降低水基鉆井液中的水活度，從而抑制頁巖水化膨脹。以前常規(guī)做法是采用KCl 聚合物體系，提高鉆井液的密度和封堵性，由于K+相對于其他陽離子來說水化能低，因此能夠優(yōu)先被黏土吸附，使得晶層間脫水促使晶層空間受到壓縮，同時K+粒徑能夠進入黏土氧六角環(huán)之間的間隙，形成氫鍵。在這兩種作用下形成較致密的結構，從而起到抑制水化的作用[4]。但K+抑制性不足以穩(wěn)定井壁，同時常規(guī)封堵材料無法進入微裂縫，不能克服和規(guī)避地應力釋放導致的井壁失穩(wěn)和井眼坍塌[5，6]。甲酸鉀鉆井液具有密度高、熱穩(wěn)定性好、固相低、對環(huán)境無污染、對地層傷害小、無腐蝕等特點。與常規(guī)鉆井液相比，甲酸鉀鉆井液的潤滑性能好、摩擦系數(shù)低，能大幅度減少卡鉆事故，在高達165 ℃的井底溫度條件下，甲酸鉀鉆井液性能仍能保持穩(wěn)定，其腐蝕性低到可忽視的程度[7]，能有效提高機械鉆速和油井產能。甲酸鉀鉆井液在國外高溫高壓井的鉆完井作業(yè)中取得了較好的應用效果[8]。

室內對比評價了海水、飽和KCl 鹽水、飽和HCOOK鹽水和飽和HCOONa 鹽水的水活度值，分別為0.99、0.85、0.25、0.3。飽和HCOOK 的水活度值最低，飽和HCOONa 鹽水次之。利用X 射線衍射儀，采用定向薄片法測定BZ34-X 區(qū)塊巖樣中主要水敏性黏土礦物晶面間距（以下簡稱晶面間距）與甲酸鹽和氯化鉀試液和濃度的關系（見表1），以此評價其抑制水化膨脹效果。從表1 可以看出，HCOOK 溶液浸泡后的巖屑，晶層間距最小，抑制泥巖水化膨脹性最強。這是由于HCOOK溶液中高濃度的離子能夠壓縮黏土膠體顆粒雙電層，從而減弱黏土所帶負電性來達到降低頁巖水化膨脹的目的[9]。故選用抑制性強的甲酸鉀溶液作為內相和抑制劑，提高內相溶液的抑制防塌性能，進一步提高鉆井液對頁巖地層的抑制防塌效果。

表1 無機鹽對水化后黏土礦物晶面間距的影響

2.2 體系構建

結合活度理論和地層水的活度，采用濃度為50%的HCOOK 鹽水作為基液，達到降低鉆井液活度，減少濾液浸入地層，甚至使地層水反向侵入鉆井液的目的；抗高溫淀粉作為降濾失劑在甲酸鉀鉆井液中，其熱穩(wěn)定性高于150 ℃，遠遠超過傳統(tǒng)淀粉的降解溫度，具有改善流變性和控制濾失的作用。同時復配化學封堵劑，增加頁巖半透膜效應和井壁的機械強度，提高沙河街地層的井壁穩(wěn)定性。沙河街地層孔隙壓力大，常規(guī)低密度無固相體系不能平衡地層壓力，須采用高密度無固相體系，密度越高越不利于儲層保護，為實現(xiàn)高密度鉆井液的儲層鉆進，結合傳統(tǒng)無固相體系的優(yōu)勢，采用逐級擬合充填技術，提高儲保效果。針對非常規(guī)小井眼作業(yè)，為滿足工程裸眼下打孔管作業(yè)，通過大量室內實驗，最終形成一種新型儲層強抑制鉆開液體系。

基本配方：混合比例溶液（海水與甲酸鉀按體積比1:1 混合）+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.15%提切劑+3%抗高溫淀粉降失水劑+2%化學封堵劑PF-ChemSeal+3%聚合醇，石灰石加重至1.45 g/cm3。

2.3 封堵性能評價

化學封堵劑可以在高鹽度體系中實現(xiàn)對頁巖表面和頁巖微裂縫的封堵作用。在體系高pH 值條件下，以可溶鋁絡合物存在。鉆進過程中，化學封堵劑隨濾液與低pH 值的頁巖表面或與頁巖微裂縫中的原生地層水（pH 值為4～5）接觸時，沉淀反應迅速發(fā)生，形成致密的絡合鋁礦物內泥餅，封堵頁巖孔隙和微裂縫，阻止濾液向頁巖深處濾失，降低孔隙壓力傳遞對頁巖地層原有穩(wěn)定壓力系統(tǒng)的破壞作用[10]。

為了直觀評價化學封堵劑在頁巖表面的封堵效果，室內采用S4800 發(fā)射掃描電鏡儀進行了掃描實驗，通過放大3 000 倍，對使用化學封堵劑PF-ChemSeal前后的頁巖表面進行了微觀形貌對比。掃描結果顯示，泥頁巖表面存在大量的孔隙和微裂縫；使用PFChemSeal 封堵后，在掃描鏡下頁巖表面縫隙幾乎不可見，表明PF-ChemSeal 能對孔隙和微裂縫進行了有效封堵，能有效降低鉆井液濾失量和加固井壁。

2.4 抑制性能評價

將新型儲層強抑制鉆開液體系與KCl 聚合物體系以及無固相體系對比實驗，評價其流變性能和抑制性能，實驗結果（見表2）。從表2 可知，熱滾后三種體系的流變性能差別不大，強抑制鉆開液體系采用提切劑提黏，流變性好；利用抗高溫淀粉降失水，熱穩(wěn)定性能好，F(xiàn)LHTHP失水在三者中最低，且?guī)r屑滾動回收率在三者中最高，表明新型儲層強抑制鉆開液具有強抑制能力。

表2 三種體系對比實驗

2.5 返排實驗

對新型儲層強抑制鉆開液體系進行返排實驗（見表3），實驗表明，新型儲層強抑制鉆開液體系投產返排壓力低，適合于儲層裸眼完井。

表3 強抑制鉆開液返排實驗數(shù)據(jù)

2.6 抗污染評價

室內評價了不同巖屑加量對新型儲層強抑制鉆開液體系的影響實驗（見表4），從表4 可以看出，隨著巖屑加量的增加，鉆井液黏切略有增加，其他性能基本無變化，說明新型儲層強抑制鉆開液體系具有較強的抗污染能力。

表4 體系抗污染能力評價實驗

3 現(xiàn)場應用

BZ34-X-P1 井為BZ34-X 區(qū)塊一口常規(guī)定向井，屬于152.4 mm 小井眼作業(yè)，完鉆深度為3 452 m（垂深為3 367.56 m）。使用強抑制鉆開液體系鉆進期間，各項鉆井參數(shù)平穩(wěn)，監(jiān)測泥漿性能穩(wěn)定，倒劃眼作業(yè)順利，振動篩未觀察到明顯的掉片。優(yōu)選采用打孔管+管外封隔器的作業(yè)方案。在裸眼段下打孔管（在裸眼完井的基礎上可實施電纜射孔作業(yè)），井眼空置40 h，下打孔管順利到位，期間無遇阻顯示。對比傳統(tǒng)套管射孔完井，BZ34-X-P1S1 井下打孔管裸眼完井在渤海灣是首次嘗試，節(jié)省鉆完井工期4 d，平均配產50 m3，產液量65.5 m3/d 達到配產需求。

地面配制新型儲層強抑制鉆開液體系后，充分剪切循環(huán)，替入井筒，循環(huán)一個周期后，振動篩取樣，測試性能。由于工程原因，本井暫停作業(yè)，鉆井液留在井筒內長達半個月，再次轉入本井作業(yè)，開泵后循環(huán)一個周期監(jiān)測鉆井液性能（見表5）。由表5 可以看出，該體系在井筒內靜置15 d 后的性能和前期開鉆基本一樣。

表5 開鉆和靜置15 d 后的鉆井液性能對比

4 結論

（1）本體系是針對于沙河街地層的作業(yè)難點，為解決BZ34-X 區(qū)塊沙河街鉆完井作業(yè)困難研發(fā)的一種全新的體系，在應用中表現(xiàn)了其獨特的優(yōu)點。

（2）該井作業(yè)施工順利，效果良好，體系穩(wěn)定和以往該區(qū)塊使用的其他鉆井液體系對比，本體系能有效提高沙河街地層的穩(wěn)定性，降低坍塌風險。

（3）在無固相鉆井液體系基礎上，采用逐級擬合充填技術滿足高密度儲層鉆進，投產數(shù)據(jù)滿足油藏配產要求，體現(xiàn)該體系有一定的儲層保護和環(huán)保性能。

（4）現(xiàn)場效果表明，本體系針對性強，能有效解決該區(qū)塊作業(yè)難點，降低作業(yè)風險，縮短鉆井工期，大大降低鉆井成本，可在區(qū)塊推廣使用和批量作業(yè)。