松遼盆地中上部水敏性地層高密度油基鉆井液研究

張冬明

（中國石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413）

大慶油田歷時(shí)40 年的探索和研究表明，松遼盆地中上部地層資源儲(chǔ)量豐富，具有廣闊的開發(fā)前景。由于地層巖性以泥巖為主，且孔縫發(fā)育，鉆井液極易侵入地層發(fā)生水化作用，造成井壁失穩(wěn)?，F(xiàn)有鉆井液體系雖可有效抑制粘土礦物水化，但封堵能力與地層情況不匹配，無法有效保證地層的井壁穩(wěn)定性。首輪水平井施工過程中，起下鉆阻卡、剝落掉塊問題頻發(fā)，其中類油基鉆井液施工的SY-2H 井和油基鉆井液施工的LY-平1井均因發(fā)生嚴(yán)重井壁垮塌被迫提前完鉆。另外，由于地層壓力系數(shù)最高可達(dá)1.58，為滿足力學(xué)支撐，鉆井液密度維持在1.60～1.75kg/L 之間，并且水平井水平段長(zhǎng)度普遍大于1500m，沉降穩(wěn)定性與流變性控制間的矛盾導(dǎo)致鉆井液攜巖能力不足，鉆井施工后期，隨著有害固相的不斷侵入，致使鉆井液流變性控制更加困難。為此，筆者以強(qiáng)封堵、高觸變?yōu)檠芯磕繕?biāo)，形成適用于松遼盆地中上部泥巖地層的高密度油基鉆井液體系，在6口長(zhǎng)水平段水平井應(yīng)用過程中，表現(xiàn)出良好的防塌能力和攜巖效果，應(yīng)用效果顯著。

1 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

（1）井壁失穩(wěn)嚴(yán)重。由于地層巖石平均粘土礦物含量高達(dá)47%，且富含親油性含鐵綠泥石和有機(jī)質(zhì)，巖石表面油水兩親，導(dǎo)致油基鉆井液和水基鉆井液均可侵入地層內(nèi)部，劣化巖石強(qiáng)度[1-4]。另外，地層巖石孔縫發(fā)育，極大地增加了鉆井液的濾失通道，在鉆井液濾液水力尖劈的作用下，地層巖石內(nèi)部應(yīng)力分布發(fā)生變化，導(dǎo)致井周巖石強(qiáng)度降低，最終造成井壁失穩(wěn)[5-13]。

（2）高密度鉆井液的流變性控制與井眼凈化能力間的矛盾突出。為保證鉆井液對(duì)地層井壁的力學(xué)支撐，松遼盆地中上部地層鉆井液施工密度一般維持在1.60～1.75kg/L，固相含量高達(dá)30%～35%，加重材料間的摩擦力、范德華力進(jìn)一步增加了體系粘度和切力。另外，為實(shí)現(xiàn)加重材料的有效懸浮能力，體系中有機(jī)土含量相對(duì)較高，降低了體系抗污染能力，隨著低密度固相的侵入，體系流變性的控制更加困難。在水平段長(zhǎng)普遍大于1500m 的水平井施工過程中，體系的高粘高切導(dǎo)致泵壓升高，排量下降，極大地限制了體系的返砂能力，增加了井下復(fù)雜的發(fā)生。

2 鉆井液體系配方研究

為有效抑制地層水化膨脹，以乳化穩(wěn)定、低濾失和滿足地層溫度要求為目標(biāo)，進(jìn)行了乳化劑、有機(jī)土和降濾失劑的優(yōu)選，形成了抗溫150℃、破乳電壓大于600V、高溫高壓濾失量小于4mL的油基鉆井液基礎(chǔ)體系，其配方為：（油水比85:15）4.0%主乳化劑ZGQC+2.0%輔乳化劑ZNQS+4.0%有機(jī)土HFOL+4.0%降濾失劑HFNX+2.0%CaO+15%CaCl2水溶液（質(zhì)量體積比20%）。在高密度油基鉆井液基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)選油溶性剛/彈性封堵材料,提高體系的封堵防塌能力；優(yōu)選強(qiáng)極性潤濕劑，改善加重材料在油相中的分散效果，降低體系的粘度和切力；并對(duì)體系基礎(chǔ)配方進(jìn)一步優(yōu)化完善，最終形成強(qiáng)封堵、高觸變的高密度油基鉆井液體系。

2.1 封堵材料優(yōu)選

將封堵材料樣品在柴油中配制成2%溶液，利用Horiba 激光粒度儀對(duì)樣品粒度進(jìn)行分析，最終優(yōu)選出了軟彈性材料FHKL、剛性材料CXG-1和復(fù)合型材料DLQH，粒度分布如圖1 所示。結(jié)果顯示，封堵材料FHKL 和CXG-1的粒度中值分別為10.09μm 和8.57μm，滿足地層微米級(jí)孔縫的封堵寬度；封堵材料DLQH 的粒度中值為174.22μm，可對(duì)縫寬更大的構(gòu)造裂縫形成有效填充。

圖1 封堵材料粒度分布

配制鉆井液基漿，加入1.0%FHKL、2.0%CXG-1和1.0%DLQH，150℃熱滾16h，利用PPA 高溫高壓濾失性封堵儀，測(cè)試鉆井液在150℃、3.5MPa條件下通過孔徑3μm、5μm、10μm陶瓷片的漏失量，數(shù)據(jù)見表1。

表1 封堵儀高溫高壓漏失量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入封堵材料后，基漿在高溫高壓條件下通過不同孔徑陶瓷片的漏失量明顯降低，證明了所選封堵材料對(duì)3～10μm 孔隙具備有效的封堵能力。

2.2 潤濕劑優(yōu)選

按照基礎(chǔ)配方配制密度為1.80kg/L 的鉆井液體系，加入200目的巖屑粉，加量10%，形成高固相含量鉆井液體系，再以2%加量加入潤濕劑樣品，150℃熱滾16h，評(píng)價(jià)樣品對(duì)體系流變性的影響。與此同時(shí)，將熱滾后的鉆井液體系在150℃環(huán)境中靜止3d，量取上下層鉆井液密度，計(jì)算體系靜態(tài)沉降因子SF，SF=下層密度/(上層密度+下層密度)，當(dāng)SF=0.50 時(shí)，說明未發(fā)生靜態(tài)沉降，SF＞0.52 時(shí)，說明靜態(tài)沉降穩(wěn)定性較差，數(shù)據(jù)見表2。

表2 潤濕劑對(duì)高密度基漿流變性和沉降穩(wěn)定性的影響

結(jié)果顯示，潤濕劑JYTC 對(duì)高密度基漿的降粘切效果最為突出，表觀粘度降低17.4%，終切降低41.5%，并且體系的高溫靜態(tài)沉降穩(wěn)定性得到明顯改善。其原因在于，強(qiáng)極性潤濕劑JYTC 可對(duì)加重材料進(jìn)行表面改性，削弱水橋作用，減少顆粒間的相互聚集和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.3 高密度油基鉆井液配方

以低濾失、低粘高切和乳化穩(wěn)定為目標(biāo)，在原基礎(chǔ)體系中引入優(yōu)選的封堵材料和潤濕劑，并進(jìn)一步優(yōu)化各核心處理劑加量，最終優(yōu)選出了適用1.55～1.80kg/L密度范圍的鉆井液體系，其配方為：4.0%主乳化劑ZGQC+2.0%輔乳化劑ZNQS+1.0%潤濕劑JYTC+3.0%有機(jī)土HFOL+4.0%降濾失劑HFNX+2.0%CaO+1.0%封堵劑FHKL+2.0%封堵劑CXG-1+1.0%封堵劑DLQH+15.0%CaCl2水溶液（質(zhì)量體積比20%）+重晶石 粉（油水比85∶15）,性能如表3所示。

表3 不同密度體系常規(guī)性能

3 鉆井液性能評(píng)價(jià)

通過開展高密度油基鉆井液封堵性、高溫高壓流變性和抗污染性室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其在松遼盆地中上部地層井底條件下的綜合性能。

3.1 封堵性能

將地層巖芯安裝在模擬實(shí)驗(yàn)裝置的巖芯室內(nèi)，分別倒入清水、1.55kg/L和1.80kg/L密度的油基鉆井液，圍壓穩(wěn)定在5MPa，上游驅(qū)動(dòng)壓力穩(wěn)定在3MPa，下游壓力加載至2MPa后關(guān)閉試液通道，以此在巖芯兩側(cè)形成1MPa的初始驅(qū)動(dòng)壓差，記錄下游壓力隨時(shí)間的變化情況，繪制壓力傳遞測(cè)試曲線，以壓力傳遞平衡時(shí)間衡量待測(cè)流體對(duì)地層巖樣的封堵能力，平衡時(shí)間越長(zhǎng)封堵效果越好，結(jié)果如圖2所示。

圖2 壓力傳遞曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，清水在42min 時(shí)達(dá)到上下游壓力平衡，而1.55kg/L 和1.80kg/L 密度油基鉆井液分別驅(qū)替4.3h和4.6h達(dá)到平衡，油基鉆井液與清水相比，壓力傳遞速率被極大放緩，表明該油基鉆井液可有效封堵地層巖石孔縫，阻緩濾液在巖樣中的傳遞速率，有利于保證井壁穩(wěn)定性。

3.2 高溫高壓流變性

配制1.80kg/L 密度油基鉆井液體系，150℃熱滾16h，冷卻后12000轉(zhuǎn)高攪20min,保證待測(cè)鉆井液性能穩(wěn)定。利用Fan ix77型全自動(dòng)高溫高壓流變儀模擬不同井深對(duì)應(yīng)的溫度和壓力，對(duì)鉆井液體系流變性進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)溫度80℃～150℃，實(shí)驗(yàn)壓力為各設(shè)置溫度對(duì)應(yīng)地層垂深條件下鉆井液產(chǎn)生的液柱壓力，數(shù)據(jù)見表4。

表4 高溫高壓流變性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫高壓環(huán)境當(dāng)中，該體系在高剪切速率條件下具有較低的粘度，低剪切速率條件下具有較高的粘度，表現(xiàn)出良好的剪切稀釋性；在模擬3700m 井深150℃、66MPa 條件下，體系塑性粘度20mPa·s、動(dòng)切力8Pa，具有低粘高切的流變特性。

3.3 抗污染性

3.3.1 抗巖屑侵

鉆井施工過程中，低密度固相的侵入將影響乳狀液的油水界面張力和體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而影響體系性能。為驗(yàn)證體系抗巖屑侵能力，配制1.80kg/L 密度油基鉆井液，加入5%～25%巖屑粉（200 目），150℃熱滾16h，對(duì)體系流變性、乳化穩(wěn)定性和濾失性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表5。

表5 抗巖屑污染評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)巖屑粉加量在5%～20%時(shí)，體系粘度、切力增加，破乳電壓降低，高溫高壓濾失量基本無影響，整體性能在可接受范圍內(nèi)，但巖屑粉加量達(dá)到25%時(shí)體系流變性發(fā)生明顯惡化。分析原因在于體系的潤濕性改變了巖屑粉的表面特性，提高了其在油相中的分散程度，但當(dāng)固相含量超出了體系潤濕能力時(shí)，顆粒間作用力增強(qiáng)，導(dǎo)致體系粘切急劇升高。

3.3.2 抗鹽水侵

地層水侵入將導(dǎo)致油基鉆井液含水量增高，影響乳狀液滴的穩(wěn)定性和分散狀態(tài)，從而導(dǎo)致體系性能惡化。為分析該高密度油基鉆井液體系抗水侵能力，配制1.80kg/L 密度油基鉆井液體系，以5%～15%體積分?jǐn)?shù)加入飽和鹽水溶液，150℃熱滾16h后，評(píng)價(jià)體系流變性、乳化穩(wěn)定性和濾失性，結(jié)果見表6。

表6 抗飽和鹽水污染評(píng)價(jià)

數(shù)據(jù)顯示，隨著飽和鹽水體積分?jǐn)?shù)的增加，體系粘度、切力明顯升高，破乳電壓降低，濾失量略有增加，但飽和鹽水體積分?jǐn)?shù)到達(dá)15%時(shí)，體系破乳電壓依然保持在400V以上，證明了該體系具有較好的抗飽和鹽水污染能力。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，形成的高密度油基鉆井液體系具有優(yōu)異的封堵能力，在高溫高壓條件下流變性低粘高切，抗污染能力突出，具有較好的綜合性能。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 總體應(yīng)用效果

高密度油基鉆井液體系在松遼盆地中上部水敏性地層共完成6口水平井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該體系憑借出色的封堵防塌能力和攜巖能力保證了長(zhǎng)水平段水平井的井壁穩(wěn)定性和井眼清潔。6口井平均完鉆井深4977.5m，平均水平段長(zhǎng)2133.8m，三開平均鉆井周期17.7d。其中D1-G1 井平均井徑擴(kuò)大率僅為8.4%，D1-G2 井三開平均機(jī)械鉆速達(dá)到19.75m/h，D1-Q2等三口井下套管施工前均未進(jìn)行通井作業(yè)，套管順利下至井底。

4.2 D1-G2井

D1-G2 井完鉆井深4658m，完鉆垂深3156m，水平段長(zhǎng)2005m。高密度油基鉆井液完成了該井三開?215.9mm 井段的鉆井施工。施工過程中，鉆井液性能維護(hù)的重點(diǎn)是保證體系切力和封堵劑的有效加量。為防止巖屑床的形成，當(dāng)井斜角超過60°后，體系動(dòng)切力維持在10Pa 以上；進(jìn)入水平段后，嚴(yán)格控制封堵材料加量4%以上，高溫高壓濾失量小于2.0mL；加重過程中按重晶石/潤濕劑質(zhì)量比1000/1的比例補(bǔ)充潤濕劑，保證加重材料的沉降穩(wěn)定性，鉆井液具體性能如表7所示。該井完井起鉆無任何刮卡顯示，起鉆后直接下套管，一次下到底，無阻卡情況發(fā)生。

表7 D1-G2井現(xiàn)場(chǎng)鉆井液基本性能

5 結(jié)論

（1）松遼盆地中上部地層粘土礦物含量高，孔縫發(fā)育，巖石表面親油親水，導(dǎo)致鉆井液極易侵入地層，降低巖石強(qiáng)度，誘發(fā)井壁失穩(wěn)。與此同時(shí)，高密度鉆井液中大量加重材料導(dǎo)致體系粘切偏高，限制了體系在長(zhǎng)水平段水平井的井眼凈化能力。

（2）針對(duì)松遼盆地中上部地層鉆井液施工難點(diǎn)，重點(diǎn)優(yōu)選封堵材料和潤濕劑，形成了一套高密度油基鉆井液，該體系最高密度可達(dá)1.80kg/L，破乳電壓大于800V，可有效阻緩液柱壓力在地層巖石中的傳遞，高溫高壓條件下低粘高切。

（3）高密度油基鉆井液技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，施工過程中未發(fā)生井壁剝落、卡鉆等復(fù)雜，三開平均機(jī)械鉆速最高可達(dá)19.75m/h，解決了松遼盆地中上部水敏性地層井壁穩(wěn)定性差和長(zhǎng)水平段水平井?dāng)y巖困難的難題，具有廣闊的應(yīng)用前景。