順北4 井抗高溫高密度鉆井液技術應用

苗文靜，宋曉勇

（中國石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南鄭州 450000）

順北4 井是部署在塔里木盆地塔中北坡順托果勒低隆，順北Ⅳ號斷裂帶的一口重點探井，完鉆井深為8 270 m。本井為超深井，井底溫度達到170 ℃以上，井底溫度高，在高溫下維護鉆井液穩定性難度大，大斜度定向段鉆進對鉆井液的潤滑性要求較高，同時對隨鉆測斜儀器抗高溫要求高。

1 地質工程簡況

1.1 地質概況

順北4 井是塔里木盆地塔中北坡順托果勒低隆，順北Ⅳ號斷裂帶的一口重點探井，完鉆井深為8 270 m。新生界、白堊系上部地層成巖差，鉆速快，要求鉆井液有很好的攜巖洗井能力和維護井壁能力，注意防止垮塌及卡鉆；下部地層易滲漏縮徑；泥巖吸水膨脹剝落掉塊、甚至垮塌，要求鉆井液具有強的抑制能力和防塌能力；自卻爾卻克組地層以下普遍存在異常高壓，奧陶系一間房組、鷹山組裂縫可能發育，容易發生井漏、垮塌等，深部地層巖石壓實程度高，地層可鉆性差，機械鉆速低。對鉆井液性能要求較高，要嚴格控制鉆井液密度、排量、泵壓等鉆井參數。本井為超深井，井底溫度將達170 ℃以上，井底溫度高，在高溫下維護鉆井液穩定性難度大。井壁掉塊嚴重，阻卡頻繁，對鉆井液的潤滑性要求較高，同時對隨鉆測斜儀器抗高溫要求高。建議使用高溫高密度聚磺混油鉆井液體系，該體系的抗高溫性能和潤滑性能確保井下安全順利。

1.2 工程概況

裂縫發育的卻爾卻克組極易出現井漏和井壁失穩。加強鉆井液的高溫高壓失水控制及提高封堵性，防止因失水大、擠進裂縫，造成掉塊剝落垮塌。井下失穩、鉆進蹩扭頻繁、通井處理困難。井下溫度高，鉆頭有因高溫淬火變色的現象。六開井深井口鉆具負荷大。裸眼段井眼尺寸和環空間隙小易造成鉆具磨損（表1）。井眼軌跡反復降斜增斜不平滑，個別點易疲勞磨損，且底部鉆具抗扭強度低。井下高溫高壓的環境對定向儀器的要求特別高，極易出現故障。

表1 順北4 井井身結構表

2 鉆井液技術難點及措施

（1）奧陶系卻爾卻克組主要發育灰質泥巖、粉砂質泥巖、泥灰巖和火成巖侵入體。火成巖侵入體膠結性差，應力大，易坍塌；與砂泥巖地層交界面間發育微裂縫，發生井漏的風險較高。鉆進該地層前，調整好鉆井液性能，提高隨鉆封無堵和防塌性能，控制API 失水≤4 mL，HTHP 失水≤10 mL，加入多功能隨鉆堵漏劑，補充瀝青類防塌劑，確保鉆井液的封堵防塌能力，強化井眼穩定性。

（2）建議使用1.80 g/cm3以上鉆井液揭開火成巖侵入體，視井內情況逐步調整鉆井液密度[1-2]，使用合理的鉆井液密度平衡火成巖侵入體地層的應力，防止井壁發生坍塌。

（3）鉆進火成巖侵入體過程中需進一步強化鉆井液抑制性，補充氯化鉀、多元共聚物降濾失劑等材料增強鉆井液抑制防塌能力。提高抑制性的同時要保證鉆井液的攜巖性能。

（4）深部地層溫度在170 ℃左右，地層溫度較高。務必要增強鉆井液的抗溫、耐溫能力。鉆井液實驗要求在170 ℃熱滾48 h 后，常溫靜置24 h 上下無密度差；170 ℃靜置7 d 后無明顯固體沉降物，沉降系數≤0.54，保證鉆井液具有良好的流變性、抗溫及沉降穩定性。

3 現場應用情況

3.1 施工簡介

第五開次由于地質預測與實鉆差異大，發生了嚴重的井壁掉塊井內情況復雜，共進行了二次回填側鉆。第一次自7 180.00 m 鉆進至7 499.06 m，水平位移92.28 m，回填側鉆。第二次自7 027.98 m 鉆進至7 548.00 m，回填側鉆。第三次自7 100.00 m 鉆進至五開中完井深7 777.00 m。鉆遇地層主要為卻爾卻克組和恰爾巴克組。第六開次自7 777.00 m 鉆至完鉆井深8 270.00 m，鉆遇地層為一間房組和鷹山組。

3.2 五開鉆井液技術措施要點

奧陶系卻爾卻克組存在大段深灰色泥巖，性脆，井壁穩定性差，易水化剝落掉塊，使用的鉆井液體系為：聚磺混油鉆井液，需增強鉆井液的抑制性與防塌性能。在確保井控安全的前提下，要控制合理的鉆井液密度，預防大量漏失。根據五開地層特性及技術難點，制定鉆井液方案如下：

3.2.1 五開鉆井液基礎配方及主要處理劑 五開采用高溫高密度聚磺混油鉆井液體系的基本配方：2.5%～3.0%膨潤土+0.1%～0.2%純堿+0.2%～0.3%抗高溫聚合物+0.2%～0.3%抗氧化劑+5%～8%抗溫降失水劑+2%超細碳酸鈣+1%～3%非滲透劑+0.5%乳化劑+5%～7%原油。

處理添加劑：抗氧化劑、超細碳酸鈣、稀釋劑、流型調節劑、低相對分子質量降濾失劑。

小型實驗配方：井漿+2%QS-2+3%SMP-2+3%SML-4+3%SPNH+2%SMC+0.5%PFL-H+0.5%LV-PAC+1%PB-1（表2）。

表2 小型實驗與鉆井液實際性能對照表

3.2.2 五開鉆井液維護措施

（1）利用上開次井漿掃水泥塞，根據掃塞情況，向井漿中加入適量純堿。并放掉受水泥污染的井漿，最大限度清除水泥對鉆井液的污染。適量補充預水化好的膨潤土漿和高濃度膠液，調整鉆井液性能，使之達到設計性能要求。

膠液配方：1%～2%磺化材料（磺化褐煤、褐煤樹脂、磺化酚醛樹脂Ⅰ型或磺化酚醛樹脂Ⅱ型）+0.2%～0.5%抗高溫抗鹽降濾失劑+0.5%聚陰離子纖維素+0.3%～0.5%高密度潤滑劑+0.1%燒堿+1%～2%超細碳酸鈣+1%～2%抗高溫降濾失水劑。

（2）開鉆前調整密度不低于1.80 g/cm3，保證密度均勻，通過膠液補充降濾失劑、防塌劑、抑制劑等處理劑，膠液均勻補充至循環井漿中，保持鉆井液性能穩定。

（3）鉆遇大段深層硬脆性泥巖，為提高鉆井液防塌抑制性，按配方加入30～50 kg/m3氯化鉀、5～10 kg/m3聚胺抑制劑、2～4 kg/m3聚丙烯酸鉀提高抑制性，采用抗高溫防塌劑、高軟化點瀝青防塌劑、微納米封堵劑復配超細碳酸鈣等封堵劑，加量不得低于30 kg/m3，保證鉆井液的抑制和防塌性能，能及時封堵微裂縫，防止泥巖水化造成剝落掉塊。

（4）嚴格控制鉆井液失水，API 失水控制在4 mL以內，高溫高壓失水控制在10 mL 以內。加入1%～2%超細碳酸鈣、1%～2%微納米封堵劑等改變泥餅質量，使泥餅薄而韌；加入高效隨鉆封堵劑、單向屏蔽暫堵劑等隨鉆堵漏材料，可以實現提高地層承壓能力，起到防漏的效果。

（5）加大磺化類抗溫處理劑用量在50 kg/m3以上，同時加入磺酸鹽共聚物、聚陰離子纖維素、抗氧化劑等確保鉆井液體系抗溫性能。結合摩阻及起下鉆情況，適時補充高質量潤滑劑，確保鉆井液潤滑性良好，降低摩阻，減少阻卡。

3.3 六開鉆井液技術措施要點

鉆遇地層為奧陶系一間房組和鷹山組，碳酸鹽巖儲層溶洞、裂縫較發育，易發生漏失、溢流等復雜情況，切實做好井控安全工作。在井控安全的前提下，控制好鉆井液密度，預防惡性漏失。完鉆井深達8 270 m，根據順北4 井定向儀器數據，該井井底平均溫度為157 ℃左右，詳見表3。

表3 井下溫度測定表

優選抗溫處理劑、抗高溫護膠劑，可輔以表面活性劑或抗氧化劑，加強鉆井液的抗溫、耐溫能力，維持良好的流變性。針對地層巖性特點及預測工程技術難點，制定鉆井液方案如下：

3.3.1 六開鉆井液基礎配方及處理劑 聚磺混油鉆井液體系的基本配方：2.5%～3.0%膨潤土+0.1%～0.2%純堿+0.2%～0.3%抗高溫聚合物+0.2%～0.3%抗氧化劑+5%～8%抗溫降失水劑+2%超細碳酸鈣+1%～3%非滲透劑+0.5%乳化劑+6%～8%原油。

處理添加劑：抗氧化劑、超細碳酸鈣、稀釋劑、非滲透處理劑、單向壓力屏蔽劑、超細石灰石等。

小型實驗配方：井漿+2%QS-2+3%SMP-2+3%SML-4+3%SPNH+2%SMC+0.5%PFL-H+0.5%LVPAC+2%PB-1（表4）。

表4 小型實驗與鉆井液實際性能對照表

（1）按配方要求加入處理劑，調整鉆井液性能達到設計要求，六開鉆進過程中，及時補充原油及乳化劑，確保定向鉆進順利。

（2）優選抗高溫處理劑，為確保鉆井液具有良好的抗溫性能，磺化類材料加量在80 kg/m3以上。

（3）處理劑高溫降解及膨潤土高溫減稠，均會造成pH 值下降。加強鉆井液pH 監測，及時補充燒堿，控制pH≥10（具體加量以小型實驗為依據）。

（4）加強鉆井液的日常監測維護，儲層段務必增強鉆井液的常溫、高溫沉降穩定性，要求170 ℃靜置72 h后無明顯固體沉淀物，沉降系數＜0.54；發生漏失后，吊灌漿性能應與井漿性能一致，具有良好的流變性、抗高溫和沉降穩定性能。

結論：對循環井漿高溫沉降測試結果表明（表5），井漿經180 ℃老化后具有良好的沉降穩定性能，SF＜0.54，滿足鉆進對井漿沉降穩定性的要求。

表5 沉降實驗數據表

3.3.2 六開鉆井液維護措施

（1）地質預測順北4 井井底溫度高，須加強抗溫材料的補充，磺化類材料加量在80 kg/m3以上，抗鹽抗高溫稀釋劑在5～10 kg/m3，確保鉆井液的抗溫、耐溫能力，維護流變性能穩定。

（2）優選抗高溫性能良好的多元共聚物降濾失劑、磺化酚醛樹脂、褐煤樹脂及抗鹽抗高溫稀釋劑等處理劑，保證鉆井液的抗高溫性能。

（3）根據實鉆情況及地震資料分析，鉆遇地層斷裂帶裂縫發育，鉆井液通過強化微納米封堵減小壓力傳導，嚴格控制失水降低水力尖劈效應。

（4）開鉆前補充1.5%超細碳酸鈣（1 200 目）+1.5%超細碳酸鈣（2 500 目）+1%～3%高溫高壓屏蔽劑（軟化點165～170 ℃）+1%～3%高軟化點陽離子乳化瀝青（軟化點165～170 ℃）。

（5）控制HTHP 失水≤10 mL，初失水≤1.0 mL（初失水指測定HTHP 失水時，溫度到達測試溫度后，打開底部閥桿瞬時收集的濾液體積），快速在破碎地層形成致密泥餅。

4 復雜井段技術難點及處理措施

4.1 大段硬脆性泥巖地層及灰巖夾層

五開主要鉆遇奧陶系上統卻爾卻克組，地層巖性主要為厚灰色泥巖、灰質泥巖偶夾灰色泥灰巖，地層易出現水化剝落垮塌掉塊。鉆井液密度調整至1.80 g/cm3左右，該地層存在一定的水化特性，鉆井液日常維護應強化封堵，嚴格控制失水，降低因井漿抑制性不足、失水大造成水化剝落垮塌的風險。鉆進期間做好抑制、潤滑、失水以及防塌性能維護工作。

4.2 破碎帶地層

針對在奧陶系卻爾卻克組下部7 512～7 592 m 可能鉆遇破碎帶，容易發生放空、井漏等復雜情況，提前準備好堵漏漿，鉆井液中保證隨鉆堵漏材料的有效含量。并且鉆井液中提前加入0.5%～1.0%的除硫劑，預防萬一斷層貫通儲層，氣體上竄，氣體內可能含有硫化氫，造成鉆具氫脆。

鉆遇破碎帶后鉆井液配方：4%～4.5%膨潤土+0.1%～0.2%純堿+0.2%～0.3%抗高溫聚合物+5%～8%聚磺抗溫降失水劑+2%陽離子磺化瀝青+0.5%高效抗高溫降失水劑+0.5%聚陰離子纖維素。

4.3 高壓高溫地層

地層溫度高，鉆進過程中及時補充含磺酸鹽基團降濾失劑、磺化材料、聚陰離子纖維素等處理劑，保持其有效含量穩定。提高鉆井液高溫穩定性，保持高密度鉆井液具有良好的流變性、抑制和潤滑性能。依據地層特點，鉆井液應“主封堵、輔抑制、嚴格控制濾失量”，并采用“少聚多磺”原則強化鉆井液抗溫能力。

聚磺混油鉆井液體系的基本配方：1.5%～2.5%膨潤土+0.2%～0.3%純堿+0.2%～0.4%燒堿+2%～3%抗高溫降濾失劑+6%～9%抗溫磺化材料+2%～3%抗高溫鑲嵌成膜防塌劑+1%～2%高溫流型調節劑+0.5%～1.0%抗高溫護膠劑+2%～4%高酸溶儲保型封堵劑+1%～1.5%高密度潤滑劑+4%～6%原油。

處理添加劑：抗氧化劑、超細碳酸鈣、非滲透處理劑、單向壓力屏蔽劑，石灰石加重劑等。

為保證良好的攜巖效果，及時補充土漿，保證返砂正常。優選抗高溫性能良好的聚合物、磺化酚醛樹脂、褐煤樹脂等處理劑配成濃膠液，及時補充抗氧化劑、含磺酸鹽基團處理劑、聚陰離子纖維素等，磺化材料加量在6%以上，確保鉆井液具有良好的抗溫性能。調整鉆井液pH 值大于11，加入足量除硫劑，防止硫化氫對鉆具和人員的損害。

5 施工效果評價

（1）順北4 井六開采用抗高溫高密度混油鉆井液體系。鉆井液維護以抗高溫為主，在井控安全的前提下，調整鉆井液流型，補充2%～3%高酸溶暫堵材料，未發生漏失。

（2）順北4 井在鉆井液中加入瀝青質封堵防塌劑如FF-Ⅱ、SMNA-1、SPT-2、YK-H、FF-Ⅲ等，鉆井液性能穩定，返出鉆屑顆粒大，棱角分明。

（3）順北4 井在抗高溫抗鹽降濾失處理劑的使用，SMP-1、SMC、PFL-H、PAC-LV、SML-4 等加入鉆井液后，降失水效果較好同時還能有效地改善泥餅質量，形成致密而韌性的泥餅，鉆井液實驗性能較為明顯。

（4）順北4 井六開共進行8 趟鉆進作業（包括4 趟定向+復合鉆進、4 趟復合鉆進）。定向糾斜及復合鉆進期間，鉆井液性能穩定，井壁穩定，少見薄狀掉塊出現，占返砂量＜5%。8 趟起下鉆作業均無明顯掛卡及遇阻現象。鉆進期間8 趟起下鉆作業無阻卡顯示，通井無明顯阻卡點、4 趟測井順利到底，表明井漿保持良好的高溫沉降穩定性能，順利完成順北4 井六開鉆井液施工任務。