渤海中深層井壁強化技術研究與應用

張 鵬

（中海油田服務股份有限公司油田化學事業部，天津 300452）

近年來，隨著海洋油氣勘探開發的不斷深入，渤海中深層鉆井面臨著同一裸眼井段壓力系數差異性大，存在噴、漏同層，鉆井安全密度窗口窄的世界性技術難題，常規鉆井液技術已經無法滿足窄安全密度窗口下鉆井需要[1-2]。鉆井液井壁強化技術創新是解決上述難題的關鍵，井壁強化技術在近井壁帶形成井眼壓力安全殼，提高薄弱層承壓能力，改善井眼的完整性，拓寬安全密度窗口，因而在薄弱地層與高壓層同一裸眼井鉆探中擁有巨大的技術潛力和廣闊的應用前景[3]。

1 現場復雜情況分析

通過對渤海2008-2013 年96 口井160 井次井漏，2014-2019 年91 口井130 井次漏失情況進行匯總分析，發現深部地層漏失明顯增多，3 000 m 以上井深的井漏失情況占比由17%增加至59%，下第三系漏失情況增多，由2008-2013 年的占比42%增長至63%，薄弱層等地層自然漏失由13%增長至90%，2014-2019年20 m3/h 以上漏速漏失占比64%，嚴重漏失比例高，且2019 年27 口井發生漏失，占比30%（6 年總數92口），漏失發生頻率明顯開始增高，發生漏失情況時，鉆井液密度高于1.30 g/cm3漏失的井次增多，堵漏成功率隨著漏失情況發生變化，呈下降趨勢，從2008-2013年的92%降低到2014-2019 年的86%。

結合渤海中深層地層特點，分析得出井漏頻率升高的主要原因包含以下幾個方面：

（1）泥頁巖水化膨脹：鉆開地層后，鉆井液在壓差作用下侵入近井壁帶地層，并迅速在近井壁帶形成濾餅，濾液與地層頁巖發生表面水化作用，泥頁巖水化膨脹，孔隙壓力增大，使地層強度降低[4]。

（2）地層裂縫微裂縫與泥頁巖水化的協同促進作用：裂縫與微裂縫的存在一方面使泥頁巖在強度上有所降低，同時也給鉆井液濾液侵入提供了通道，鉆井液濾液在壓差、毛細作用、電化學勢差等驅動力的作用下沿地層裂縫、微裂縫侵入，微裂縫發生“水力尖劈”作用，導致微裂縫開裂、擴展、分叉、再擴展、相互貫通，最后與主裂縫貫通后沿最薄弱地方發生破壞，形成井壁掉塊等井壁失穩現象[5]。

（3）地層層理發育：硬脆性泥頁巖層理發育，質地較脆，易收到鉆井液沖刷作用和鉆具機械撞擊影響，導致井壁出現掉塊，層理發育的地層更容易受外力導致剝落[6]。

2 技術對策研究

基于上述機理分析，針對渤海油田東營組、沙河街組地層特征，現場計劃采用“低活度”+“強抑制”+“強化封堵”鉆井液井壁強化技術來解決這一難題。

2.1 “低活度”技術

鉆井液活度即鉆井液濾液活度，指鉆井液中水相的活度值，是其中鹽濃度與純水的逸度比，能夠反映鉆井液的抑制性能。它與地層活度的關系為當外界濾液活度高于地層活度時，在滲透壓的作用下，濾液中的水分子會侵入地層巖石，向地層黏土表面運移且形成定向水膜，產生雙電層斥力，推開相互作用的黏土片層，使黏土體積變大，產生滲透膨脹，即發生滲透水化；外界濾液活度在一定范圍低于地層活度時，水分子以配位鍵、靜電作用和氫鍵等方式被吸附在黏土礦物的層間和黏土表面，但一般不超過4 層吸附層，不會引起明顯的黏土礦物膨脹，即發生表面水化；當外界濾液活度低于地層活度超過某一范圍時，同樣在滲透壓的作用下，地層巖石中的水分子會反過來進入外界濾液中，即發生去水化。所以維持鉆井液低活度能夠有效的減小化學勢差，減少濾液對地層黏土礦物的水化作用，進而減小發生井壁失穩的幾率[7-8]。研究顯示渤海多個區塊沙河街層位泥頁巖活度一般為0.66～0.85，實驗表明使用12%NaCl 復配5%KCl 可以將活度降低至0.789，現場在該區塊東營組、沙河街組使用時會需要更強的抑制性，將配方優化為12%NaCl 復配10%～12%KCl 可以將鉆井液活度進一步降低至與地層活度平衡甚至更低，從而達到更好的井壁穩定性能。

2.2 “強抑制”技術

針對渤海油田東營組、沙河街組泥頁巖易水化的問題，現場使用多種抑制劑復配來提高體系抑制性，代表配方為12%NaCl+5%～10%KCl+2%～3%PF-JLX C。其中NaCl 的作用是提高鉆井液體系的礦化度，降低活度，以平衡泥頁巖中水的活度，防止井壁泥巖水化膨脹或坍塌。由于12%NaCl 溶液具有比清水較高的黏度，滲透壓較高，增加了超低剪切速率下的黏度，減少濾液侵入地層，對降低膨脹壓有較好的效果。KCl 主要是靠K+晶格鑲嵌，黏土吸附后，降低水化能，晶層壓縮，形成緊密構造，抑制黏土水化[9]。

聚合醇PF-JLX C 因為其濁點效應[10]，當溫度高于濁點溫度時，會從鉆井液中析出，形成微粒封堵地層孔隙，同時其表面類似油相的表面膜會進一步防止濾液對地層的侵入，從而穩定井壁，而NaCl 和KCl 的加入會降低PF-JLX C 的濁點，同時提高PF-JLX C 在地層上的吸附量，對PF-JLX C 的抑制性起到增效的作用。幾種抑制劑的復配使用會使體系的抑制性進一步增強。

2.3 “強化封堵”技術

強化封堵是使用符合1/3 規則的惰性材料在裂縫微裂縫中架橋堆積、擬合，變形粒子進行孔隙填充，最后在近井壁帶形成致密的封堵層，既能延緩濾液對地層的侵入，也能有效的提高地層承壓能力，防止因地層虧空造成井漏[11]。常規配方中常使用磺化瀝青作為主要封堵材料，但當井底溫度達不到磺化瀝青的軟化點時，磺化瀝青并不能發生軟化變形，在裂縫中發生團聚，封堵效果無法滿足現場需求。

因此需要研發一種井壁強化封堵劑，由剛性粒子、軟性粒子以及可變形粒子按照一定的比例混合而成，其中剛性粒子抗壓強度高，且具有很好的粒徑分布，封堵漏失地層時，大顆粒可酸溶性的剛性粒子對裂縫組成架橋粒子，小顆粒進行填充，進一步提高封堵層的強度。軟性材料可通過纏繞和多點吸附作用增加摩擦阻力，在形成的堵塞中它們縱橫交錯、相互拉扯，從而增加封堵強度。可變形材料起填充封堵作用，在小空隙內吸水膨脹以后進一步填充孔隙，降低封堵環的滲透率，阻止濾液進入，進一步提高封堵環的承壓能力。

3 室內評價

3.1 加固粒子優選

由于可視砂床能夠直觀的看出鉆井液侵入砂床深度，因此選用此實驗來對各粒子進行優選實驗，實驗對象主要分為三類：剛性粒子，柔性粒子，可變形粒子。基漿配方為：4%海水般土漿+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.35%PAC-HV；實驗漿配方為基漿+3%粒子，不同種類粒子侵入深度（見表1）。

表1 不同粒子砂床侵入深度

通過實驗可以看出，粒徑合適的柔性粒子封堵砂床的效果最好，可變形粒子由于在壓力作用下會產生明顯的形變，加壓后封堵效果普遍不理想。各類粒子中封堵效果最好的分別為GX-4、RX-3、KBX-2。

3.2 粒子配比關系確定

通過調整GX-4、RX-3、KBX-2 的比例，在總加量相同的情況下，與常規封堵材料NSEAL、FT-1 等通過常溫可視砂床與高溫高壓砂床實驗進行評價，尋找粒子最佳配比關系。常溫可視砂床實驗結果（見圖1）。

圖1 常溫砂床侵入實驗結果

為模擬實際鉆井條件，使用高溫高壓砂床進行模擬，先將套筒升溫至120 ℃，在3.5 MPa 下實驗30 min，記錄濾失量；為模擬高壓差下的情形，將壓力升高至5 MPa，記錄30 min 的濾失量；之后將鉆井液替換為清水，記錄120 ℃，3.5 MPa 下30 min 濾失量以評價泥餅質量好壞，實驗結果（見圖2）。

圖2 高溫高壓砂床濾失實驗結果

通過以上實驗可以看出，剛性粒子、柔性粒子、可變形粒子最佳配比為2∶1∶2。將材料按比例混合后命名為井壁強化封堵劑，在鉆井液中加入后可以起到強化封堵，穩定井壁的作用。

3.3 對常規鉆井液體系的影響

選取目前渤海常規的PEM、PEC 體系，評價井壁強化封堵劑對鉆井液體系性能的影響。

3.3.1 流變性及濾失量 在體系中分別加入3%井壁強化封堵劑，測量體系120 ℃熱滾前后流變性及濾失量變化情況，結果（見表2）。從表2 中可以看出，井壁強化封堵劑對流變性影響不大，但能夠降低體系API濾失量。

表2 井壁強化封堵劑對常規鉆井液體系性能影響

3.3.2 高溫高壓砂床封堵效果 分別評價井壁強化封堵劑在PEM、PEC 體系中對20～40 目，40～60 目砂床的封堵情況，實驗結果（見圖3），從圖3 可以看出，井壁強化封堵劑在不同體系，不同目數的砂床中均能起到良好的封堵效果，減少了井筒壓力向地層傳遞的速度，有效加固井壁。

4 現場應用

4.1 現場基本情況

錦州區塊是渤海油田重要的勘探開發區塊，但是東營組坍塌壓力高，鉆井液安全窗口窄，水基鉆井液使用時，坍塌壓力隨井眼暴露時間不斷升高，而大位移井作業周期長，作業難度大。錦州區塊自開發以來，相繼使用PEC 體系和陽離子體系，未能完全解決井壁失穩的問題，甚至更換合成基鉆井液后，仍然發生井漏、井塌事故。

渤海X6 井311.15 mm 井段使用合成基作業，中完下套管期間發生嚴重的井塌事故，下244.475 mm 套管至2 964 m 遇阻，起套管通井，通井及短起下極其困難。通井后下套管至3 154 m 再次遇阻無法通過，就地固井。通井作業期間振動篩返出大量掉塊，且通井極為困難，頻繁蹩扭矩。

4.2 技術對策

通過技術分析，在本井215.9 mm 井段使用水基鉆井液時，采用井壁強化技術，具體措施如下：

（1）低活度：采用100 kg/m3KCl，120 kg/m3NaCl 活度平衡；

（2）強抑制：采用100 kg/m3KCl，30～50 kg/m3PFJLX C 增強鉆井液抑制性；

（3）強化封堵：隨鉆加入3%井壁強化封堵劑配合PF-NRL、PF-LSF、PF-NSEAL、PF-EZCARB 等封堵材料進行聯合封堵。封堵材料總加量為145 kg/m3（沙河街組155 kg/m3）。

4.3 應用效果

X6 井215.9 mm 井段應用水基井壁強化技術，最終裸眼長1 763 m，為渤海大位移井之最，作業中未發生井壁垮塌等復雜情況，高效完成X6 井作業，獲得甲方肯定。

5 結論

（1）通過對渤海井漏情況及中深層地質特點進行分析，得出其漏失的主要原因是地層裂縫微裂縫與泥頁巖水化的協同促進作用；并針對這一機理，提出了“低活度”+“強抑制”+“強化封堵”的井壁強化技術。

（2）對大量不同種類的封堵材料進行篩選、評價、復配，研發了一種適合渤海地層特點的井壁強化封堵劑。該處理劑對鉆井液流變性影響小，但是能夠明顯降低鉆井液濾失量，改善高溫高壓砂床封堵效果，提高井壁穩定性能。

（3）井壁強化技術成果在渤海X6 井215.9 mm 井段進行應用，在使用合成基鉆井液都出現井塌的情況下，最終裸眼長1 763 m，為渤海大位移井之最，應用井段中未發生井壁垮塌等復雜情況，驗證了井壁強化技術的可行性。