川西中淺層長水平段井油基鉆井液技術(shù)研究

摘" " " 要：隨著川西沙溪廟組氣藏的開采，儲層物性逐年變差，為取得水平井產(chǎn)量的突破，該層位開發(fā)井設(shè)計(jì)水平段長達(dá)1 800～3 000 m，且多采用三維軌跡。長水平段+三維軌跡井眼導(dǎo)致摩阻大，井眼清潔難度高，極易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)及阻卡復(fù)雜問題。為保證施工安全，針對以上難題，研發(fā)了配套的強(qiáng)封堵油基鉆井液體系，該體系通過引入多級配油基微納米封堵材料，利用油基鉆井液體系所具有的強(qiáng)抑制性和優(yōu)異的潤滑性，同時(shí)合理鉆井液密度，并保證其良好的流變性。室內(nèi)評價(jià)表明，該體系具有良好的潤滑性、抗污染能力及封堵防塌能力。通過現(xiàn)場先導(dǎo)試驗(yàn)應(yīng)用，該體系性能良好穩(wěn)定，為后續(xù)川西中淺層長水平段井的安全高效施工提供了有力支撐。

關(guān)" 鍵" 詞：川西中淺層；長水平段；油基鉆井液；封堵性

中圖分類號：TE254.6" " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）08-1220-06

川西中淺層致密砂巖氣藏資源豐富，探明儲量達(dá)4 018.08億方，是中石化“十三五”增儲上產(chǎn)的主要陣地。隨著不斷的開采，儲層物性逐年變差，2016年至今，經(jīng)歷了多種增產(chǎn)工藝，取得了一定的效果，但總體規(guī)模較小。為取得水平井產(chǎn)量的突破，該區(qū)塊水平井段長不斷增加，目前設(shè)計(jì)水平段已長達(dá)1 800～3 000 m，同時(shí)多采用小三維或三維軌跡，給鉆井工程施工帶來極大的挑戰(zhàn)。

該區(qū)塊前期已施工井水平段長均小于1 500 m且以常規(guī)套管完井、一體化建井兩種完井方案為主，但仍然存在二開Φ241.3 mm井段造斜效率低、井眼清潔性差，多數(shù)井鉆井周期超設(shè)計(jì)等問題。2021年～2022年川西中江區(qū)塊沙溪廟組水平井共施工6井次，鉆井周期超期率達(dá)67%，且復(fù)雜故障率達(dá)50%，以斷鉆具和粘附卡鉆故障為主。長水平段施工中的高摩阻和鉆具尺寸小導(dǎo)致的排量受限[1]，同時(shí)沙溪廟組地層泥巖水化分散和裂縫發(fā)育，對鉆井液的潤滑性和封堵性能提出了極高的要求，而前期使用的常規(guī)的鉀基聚磺鉆井液體系已無法滿足長水平段鉆井安全施工的需要[2]。油基鉆井液具有強(qiáng)抑制性、強(qiáng)封堵性、優(yōu)良潤滑性、有利于井壁穩(wěn)定和對油氣層損害程度較小等多種優(yōu)點(diǎn)[3-4]，同時(shí)，油基鉆井液還具有配方簡單、維護(hù)簡易和重復(fù)利用率高等優(yōu)勢[5-7]，是目前川西中淺層長水平段水平井安全施工的首選。

1" 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1" 井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

沙溪廟組氣藏具有地層壓力高，儲層致密低滲透、裂縫發(fā)育、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)[8]，其地層巖性為砂巖泥巖不等厚互層，泥巖易水化膨脹，砂巖結(jié)構(gòu)疏松，井筒流體在正壓差作用下沿微裂縫壓力穿透，可誘發(fā)井壁微裂縫形成“尖劈”效應(yīng)，導(dǎo)致泥巖吸水膨脹伴隨剝蝕性掉塊[9]，進(jìn)而起下阻卡頻繁，造成周期性井壁失穩(wěn)。

1.2" 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

1）沙溪廟組地層巖性以砂泥巖為主，穩(wěn)定性較差，極易發(fā)生井壁掉塊、坍塌，因此保證井壁穩(wěn)定性，同時(shí)做好井眼清潔工作是鉆井液的重難點(diǎn)[10]。

2）水平段鉆進(jìn)過程中，由于重力作用，鉆具與井下接觸面積大，在壓差作用下與泥餅之間粘附，造成起下鉆摩阻大，且水平段越長，摩阻越大，易造成粘附卡鉆[11]。因此防卡是該段鉆井液技術(shù)的難點(diǎn)之一。

3）按反演的摩阻系數(shù)計(jì)算可知，三維井軌跡類型摩阻最大，同時(shí)鉆具易發(fā)生屈曲，加上長水平段施工，大大增加了施工的難度，因此潤滑性能是該段鉆井液施工的重點(diǎn)。

1.3" 油基鉆井液體系思路

通過沙溪廟組井壁失穩(wěn)機(jī)理分析，考慮水平段長，且為三維軌跡，結(jié)合前期已施工井的實(shí)鉆情況，鉆井液具有以下特性：

1）潤滑性。油基鉆井液以油相作為主要組成部分，具有優(yōu)異的潤滑性能。

2）封堵性能。引入與油基鉆井液體系配伍好，且與地層孔隙匹配的多種堵漏材料，實(shí)現(xiàn)多級復(fù)配，保證強(qiáng)封堵性能[12]，降低濾液侵入量，減少泥巖的水化，達(dá)到井壁穩(wěn)定的目的。

3）流變性。引入流性調(diào)節(jié)劑調(diào)控動(dòng)塑比，提高鉆井液的攜砂能力[13]，保證井眼清潔。

2" 鉆井液配方研究

2.1" 油基鉆井液基礎(chǔ)配方優(yōu)選

通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選了應(yīng)用較好的3種油基鉆井液體系，按照各自樣品和比例配制基漿，油水比：80：20（3#白油：25%氯化鈣鹽水），不添加重晶石和封堵劑。實(shí)驗(yàn)對3種體系的全性能進(jìn)行了評價(jià)。

體系1配方：2.5%主乳+2.0%輔乳+2.5%有機(jī)土+2%生石灰+4%降濾失劑；

體系2配方：0.6%主乳+1.5%輔乳+0.8%潤濕劑+3%有機(jī)土+2%生石灰+8%降濾失劑；

體系3配方：2.5%乳化劑+0.5%潤濕劑+2%有機(jī)土+2.5%生石灰+2%降濾失劑+1%流型調(diào)節(jié)劑。

對比3種體系老化不同時(shí)間后的流變性能、電穩(wěn)定性、潤滑系數(shù)和高溫高壓濾失量等關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)果如圖1-圖4所示。

通過上述4項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)對比，同時(shí)考慮川西中淺層長水平段密度較高，但井底溫度不高（約100 ℃），從性能和成本綜合考慮體系3為優(yōu)選體系。結(jié)合沙溪廟組地層密度，優(yōu)選出密度為1.90 g/cm3的油基鉆井液基礎(chǔ)配方：3#白油∶水相（25%CaCl2）=80∶20+1.75%有機(jī)土+3.0%乳化劑+1.0%潤濕劑+2%降濾失劑+2.5%CaO +1.0%流型調(diào)節(jié)劑。

2.2" 封堵劑優(yōu)選

2.2.1" 封堵劑單劑優(yōu)選

以上述優(yōu)化后的密度為1.9 g/cm3的油基鉆井液基礎(chǔ)配方作為基漿，通過高溫高壓濾失量對不同的堵漏劑進(jìn)行了優(yōu)選，具體配方如表2所示。

按照油基配方的順序，依次加入材料高速攪拌配制基漿乳液，再低速攪拌加重至1.90 g/cm3。分別加入不同種類、不同比例的封堵劑，在溫度100 ℃滾動(dòng)16 h，再用GGS42型高溫高壓濾失儀測量溫度100 ℃，壓差3.5 MPa的濾失量。通過每隔5分鐘觀察記錄濾失量來比較各種配方的差異性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：添加氧化瀝青和成膜封堵劑的高溫高壓濾失量較低。

2.2.2" 封堵劑復(fù)配優(yōu)選

在鉆井液體系中，單一的封堵材料一般效果欠佳，需要優(yōu)選多級粒徑和合適濁點(diǎn)、軟化點(diǎn)的封堵類處理劑進(jìn)行復(fù)配，通過“多元協(xié)同”封堵作用增強(qiáng)地層的封堵性能，實(shí)現(xiàn)廣譜封堵，穩(wěn)定井壁的目的。因此對封堵劑進(jìn)行復(fù)配優(yōu)選評價(jià)。

配方1：基漿+2%超細(xì)碳酸鈣I型+2%氧化瀝青；

配方2：基漿+1%超細(xì)碳酸鈣I型+2%氧化瀝青+1%成膜封堵劑；

配方3：基漿+1%超細(xì)碳酸鈣I型+2%氧化瀝青+2%成膜封堵劑；

配方4：基漿+2%超細(xì)碳酸鈣I型+2%氧化瀝青+2%成膜封堵劑；

配方5：基漿+2%超細(xì)碳酸鈣I型+1%氧化瀝青+1%成膜封堵劑；

配方6：基漿+2%超細(xì)碳酸鈣I型+2%氧化瀝青+1%成膜封堵劑。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示：

2.3" 體系配方綜合評價(jià)

2.3.1" 常規(guī)性能評價(jià)

通過堵漏劑的優(yōu)選，確定了最終的油基鉆井液配方為：3#白油∶水相（25%CaCl2）=80∶20+1.75%有機(jī)土+3.0%乳化劑+1.0%潤濕劑+2%降濾失劑+2.5%CaO+1.0%流型調(diào)節(jié)劑+1%超細(xì)碳酸鈣I型+2%氧化瀝青+1%成膜封堵劑+重晶石加重至1.90 g/cm3。其性能如表4所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該油基鉆井液體系破乳電壓達(dá)118 4 V，EP潤滑系數(shù)和頁巖滾動(dòng)回收率分別為0.070和96.2%，表明體系具有良好穩(wěn)定性、優(yōu)異的潤滑性能和良好的抑制性。此外體系的高溫高壓濾失量為0.4，且泥餅致密，在3.5MPa的壓差條件下濾失量極小，從圖6泥餅圖可發(fā)現(xiàn)API泥餅薄，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該泥餅致密而且很硬，表現(xiàn)為濾失量很低，同時(shí)高溫高壓形成的泥餅也很薄，而且HTHP泥餅易從濾紙上剝離，這對于實(shí)際鉆井過程中低層表面泥餅的洗脫，提高固井質(zhì)量具有積極的意義。

2.3.2" 潤滑性能評價(jià)

室內(nèi)使用極壓潤滑儀和泥餅粘附系數(shù)測定儀對不同密度的油基鉆井液的EP潤滑系數(shù)和泥餅粘附系數(shù)Kf進(jìn)行了測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表。

通常EP值越低，鉆井液的潤滑性越好。數(shù)據(jù)表明，該油基鉆井液題的EP潤滑系數(shù)隨著密度的增加而逐漸增加，在2.0 g/cm3密度以下該體系的EP潤滑系數(shù)均小于0.085，這表明該體系具有良好的潤滑性能，這對于長水平井鉆井降低摩阻具有重要的意義。

2.3.3" 抗污染性能評價(jià)

1）抗水污染評價(jià)

室內(nèi)以密度1.90 g/cm3體系配方為例，評價(jià)外界水的侵入對該油基鉆井液性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水加量增加，體系塑性粘度和動(dòng)切力都逐漸增高，在10%侵入量范圍內(nèi)，二者變化不大，當(dāng)侵入量達(dá)15%時(shí)，此時(shí)該油基鉆井液的油水比已經(jīng)高達(dá)60∶40，體系仍具有良好的乳化穩(wěn)定性，此時(shí)的高溫高壓濾失量僅為3.2 mL，說明該鉆井液體系具有良好的抗水污染效果。

2）抗鉆屑污染評價(jià)

室內(nèi)以密度1.90 g/cm3體系配方為例，評價(jià)了該油基鉆井液在加入5～10目鉆屑的抗污染能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該體系具有良好的抗鉆屑污染性能，鉆屑對其流變性能基本沒有影響，10%鉆屑的侵入不會(huì)造成鉆井液性能的較大改變，這對于泥頁巖地層施工過程中油基鉆井液的性能維護(hù)具有積極的意義。

2.3.4" 封堵性能評價(jià)

1）砂盤封堵性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)

按照優(yōu)選油基鉆井液配方配制密度1.90 g/cm3油基鉆井液作為評價(jià)漿，選用孔隙40μm的砂盤，測試壓力3.5 MPa，測試溫度為100 ℃，觀察時(shí)間30 min后鉆井液的封堵現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：鉆井液濾失量為2.4 mL，濾餅厚度為2 mm，試驗(yàn)后砂盤情況如圖8所示。

2）中壓砂床實(shí)驗(yàn)

按照優(yōu)選油基鉆井液配方配制油基鉆井液，在溫度100 ℃下滾動(dòng)老化24 h。篩取40目的石英砂放入筒狀可透視的鉆井液杯中按壓平整，再倒入500 mL油基鉆井液，上緊杯蓋，接通氣源將壓力調(diào)至 0.69 MPa，打開進(jìn)氣閥，測量30 min，觀察鉆井液滲透情況。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：該油基鉆井液在中壓條件下浸入度約2～4 mm。

（3）高溫高壓濾餅表征實(shí)驗(yàn)

采用最優(yōu)油基鉆井液體系配方，在100 ℃條件下測定其高溫高壓濾失量為0.2 mL，泥餅厚度

0.5 mm。泥餅掃描電鏡圖如下：

通過掃描電鏡可以觀察到高溫高壓濾餅致密且表面有一層油膜。綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：油基鉆井液中的微粒子，當(dāng)遇到致漏裂縫和誘導(dǎo)裂縫時(shí)，通過顆粒架橋（變縫為孔），化學(xué)封堵填充，在鉆井液液柱壓力作用，富有彈性的外（油膜）泥餅受壓實(shí)作用變得致密、結(jié)實(shí)，內(nèi)泥餅被牢牢粘結(jié)在地層表面和封堵層上，形成超低滲透率泥餅，封堵能力明顯增強(qiáng)。

3" 現(xiàn)場應(yīng)用分析

強(qiáng)封堵油基鉆井液體系在川西中淺層長水平段井ZJ X01H井二開進(jìn)行先導(dǎo)試驗(yàn)應(yīng)用，體系的強(qiáng)封堵性能和潤滑性能保障了該井二開2 400 m長水平段安全鉆進(jìn)，在施工過程中，鉆井液性能穩(wěn)定（表8），攜砂效果好，井壁穩(wěn)定，起下鉆正常，摩阻控制在60 t以內(nèi)，圓滿完成了該井完鉆指標(biāo)，為后續(xù)大規(guī)模采用三維軌跡長水平段井身結(jié)構(gòu)開發(fā)川西中淺層沙溪廟組氣藏提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

4" 結(jié) 論

1）針對川西中淺層長水平段井，以油基鉆井液體系為基礎(chǔ)，引入與其配伍性良好的多元協(xié)同的復(fù)合封堵材料，構(gòu)建了配套的強(qiáng)封堵油基鉆井液體系，該體系能良好的適應(yīng)川西中淺層地層，封堵防塌能力和潤滑性能遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的鉀基聚磺鉆井液體系。

2）該體系具有良好的潤滑性、強(qiáng)封堵性和抗污染能力，在ZJ X01H井二開進(jìn)行先導(dǎo)試驗(yàn)取得了顯著的應(yīng)用效果，解決了該區(qū)塊長水平段中井壁失穩(wěn)和摩阻大等難題，建議可在后續(xù)川西中淺層三維軌跡長水平段井中推廣應(yīng)用。

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Research on Oil-based Drilling Fluid Technology of Long

Horizontal Wells in Middle and Shallow Strata in Western Sichuan

ZHANG Xue

（Drilling Engineering Research Institute， Sinopec Southwest Petroleum Engineering Co.， Ltd.， Deyang Sichuan 618000， China）

Abstract：" With exploitation of the western Sichuan Shaximiao Formation gas reservoir， reservoir physical properties become worse year by year. In order to achieve a breakthrough in horizontal well production， the horizontal length of the development well was designed to be 1 800 ～ 3 000 m， and 3D trajectory was mostly used. The long horizontal section with 3D trajectory borehole led to large friction， high difficulty in borehole cleaning， and was easy to cause complex problems such as wall instability and resistance stuck. In order to ensure the safety of the construction， a strong plugging oil-based drilling fluid system was developed to solve the above problems. Through the introduction of multistage distribution oil-based micro/nano plugging addictives， the system took the advantages of the strong inhibition and excellent lubricity of oil-based drilling fluid system， and ensured its good rheology with reasonable density simultaneously. Laboratory evaluation showed that the system had good lubricity， anti-pollution ability， plugging and anti-collapse ability. Through the field pilot test application， the system had good performance and stability， which provided strong support for the subsequent safe and efficient construction of long horizontal wells in middle shallow strata in western Sichuan.

Key words： Middle-shallow strata of west Sichuan; Long horizontal wells; Oil-based drilling fluids; Plugging property