張 平

(中國石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830011)

順北蓬1井是中國石化部署在塔里木盆地順托果勒低隆起北緣的一口重點超深風險預探井，目的為探索順8井北三維區(qū)北東向隱伏斷裂控制下的儲層發(fā)育特征、橫向展布規(guī)律及含油氣性，為深化油藏研究和該地區(qū)下一步的勘探部署提供依據(jù)。該井設計井深9 075.19 m，采用五開井身結(jié)構(gòu)。其中，二開為φ444.5 mm大尺寸井眼，中完井深5 350.00 m，裸眼段長4 751.00 m，需鉆穿三疊系和二疊系地層。三疊系阿克庫勒組和柯吐爾組地層以泥巖為主，夾砂礫巖，鉆進時易水化膨脹，井眼失穩(wěn)問題突出；二疊系發(fā)育巨厚英安巖及玄武巖等火成巖，地層裂縫孔隙發(fā)育，有井塌和井漏雙重風險[1]。順北蓬1井的鄰井在鉆進該地層時頻繁出現(xiàn)問題：順北評2H井采用1.25～1.26 kg/L鉆井液鉆進二疊系地層(4 790.00～5 305.00 m井段)過程中發(fā)生較大漏失3次，累計漏失鉆井液220.9 m3，耗時4.25 d；順北5井以長裸眼形式穿過二疊系地層(4 966.00～5 388.00 m井段)，鉆進中無漏失，但在三疊系中下部—奧陶系恰爾巴克組地層(4 284.00～7 317.00 m井段)后期鉆井及中完階段阻卡頻繁，且三疊系—二疊系地層井徑擴大率達到24.5%；順北3井鉆進二疊系地層(4 436.00～4 982.00 m井段)時漏失卡鉆1次，只得回填側(cè)鉆，側(cè)鉆前漏失6次，累計漏失1 026.0 m3，側(cè)鉆后鉆進二疊系及以深地層漏失7次(為反復漏失)，累計漏失1 584.0 m3?？梢?，要順利完成順北蓬1井二開大尺寸井眼鉆井施工，不發(fā)生井塌、井漏等問題，須研究超長大尺寸井眼井筒強化鉆井液技術(shù)。為此，筆者在分析三疊系、二疊系地層井塌井漏原因的基礎(chǔ)上，優(yōu)選抑制劑、防塌劑和封堵劑等處理劑，構(gòu)建了強抑制強封堵鉆井液體系，結(jié)合現(xiàn)場具體情況制定了技術(shù)措施，配套了施工工藝，成功完成了順北蓬1井二開大尺寸長裸眼段鉆井施工，并創(chuàng)造了φ444.5 mm鉆頭鉆深5 350.00 m和φ339.7 mm套管下深5 349.00 m的國內(nèi)石油工程新紀錄。

1 井塌井漏原因分析

1.1 三疊系地層井眼失穩(wěn)機理

1.1.1 礦物組成

巖石礦物組成反映地層巖石特性，研究巖石的礦物組成是分析井眼失穩(wěn)機理的基礎(chǔ)[2]，可為解決工程地質(zhì)及井眼穩(wěn)定問題提供重要依據(jù)。為此，采用X-射線衍射的方法，對順北區(qū)塊三疊系柯吐爾組地層的礦物組成進行了定量分析，結(jié)果見表1。

表1 三疊系柯吐爾組地層礦物組成分析Table 1 Stratigraphic mineral composition analysis of Triassic Ketuer Formation

由表1可知，三疊系柯吐爾組地層以黏土礦物為主，含量達26.6%～44.7%，黏土礦物中蒙脫石、伊/蒙混層含量高達55.3%～68.7%，水敏效應較強；同時，石英、長石和方解石等脆性礦物的平均含量達50%以上，屬于典型的硬脆性泥頁巖，鉆井過程中在外力作用下容易產(chǎn)生誘導裂縫，增加井眼失穩(wěn)風險。

1.1.2 微觀結(jié)構(gòu)特征

井眼失穩(wěn)現(xiàn)象與地層巖石的微觀結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)[3-4]。為此，采用掃描電子顯微鏡觀察了三疊系地層巖樣的微觀形貌特征，如圖1所示。

由圖1可知，三疊系地層微孔隙發(fā)育，連通性較好，微裂縫、層理發(fā)育，裂縫寬度為1～14 μm。分析認為，鉆井過程中，鉆井液濾液會沿著微裂縫優(yōu)先侵入地層內(nèi)部，與地層發(fā)生水化作用，導致地層內(nèi)部應力不平衡，使地層強度降低，最終在微裂縫等力學弱面發(fā)生剝落掉塊和坍塌[5-9]。

1.1.3 理化性能

選取三疊系地層巖樣，參照石油天然氣行業(yè)標準《鉆井液用聚丙烯酰胺鉀鹽》(SY/T 5946—2002)，進行了巖樣膨脹特性和水化分散試驗，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 水化膨脹特性試驗結(jié)果Fig.2 Test results of hydration expansion characteristics

圖3 滾動分散回收率試驗結(jié)果Fig.3 Results of rolling dispersion recovery test

由圖2、圖3可知，三疊系地層巖樣水化分散性較強，水化膨脹性較弱，但水化膨脹初期膨脹速率較快。分析認為，泥頁巖與入井流體接觸后在短時間內(nèi)達到吸附平衡，強烈的局部水化作用將改變地層內(nèi)部的應力狀態(tài)，使巖石強度降低，導致井眼失穩(wěn)。

測試了三疊系地層巖樣比表面積和比親水量，并將其與蒙脫石、伊利石進行了對比，結(jié)果見表2。

由表2可知，三疊系巖樣的單位吸水量較低(平均為0.55 g/g)，但比親水量較大(平均為10.54 mg/m2)，與蒙脫石相當，水化膜短程斥力將導致水化界面變形或破裂。強烈的局部水化作用將改變地層內(nèi)部的應力狀態(tài)，促使微裂縫開裂、延伸、相互貫通，最終沿層理、微裂縫等力學弱面發(fā)生剪切破壞。因此，鉆井中應加強鉆井液對黏土水化效應的抑制作用[10-13]。

表2三疊系地層巖樣及蒙脫石、伊利石的比表面積和比親水量

Table2ThespecificareaandspecifichydrophiliccapacityofTriassicstrata

巖樣比表面積/(m2·g-1)單位吸水量/(g·g-1)比親水量/(mg·m-2)1#55.230.6211.172#57.310.6110.733#53.480.5510.244#44.280.4410.00蒙脫石823.108.159.91伊利石103.221.1911.62

1.2 二疊系火成巖漏失原因

二疊系地層易漏失是影響順北區(qū)塊安全快速鉆井的主要因素，該區(qū)塊已鉆井二疊系地層鉆井漏失發(fā)生率達到50%以上。部分已鉆井的鉆井液漏失情況見表3。

表3順北區(qū)塊部分井二疊系地層鉆井液漏失情況

Table3StatisticsontheleakageofpartialwellsinBlockShunbei

井號漏失井深/m漏失類型漏失發(fā)生時間漏失量/m3順北5-1X4 953.43間歇性鉆進9.483 950.00～5 362.11失返性下套管及固井600.00順北5-2失返性固井158.00順北5-34 823.67間歇性鉆進92.774 274.74失返性下套管及固井352.72順北75 075.89失返性鉆進174.054 818.00失返性下套管及固井304.00順北鷹14 975.19間歇性鉆進36.705 005.68間歇性鉆進14.305 396.00失返性固井356.00

順北區(qū)塊二疊系地層發(fā)育巨厚英安巖及玄武巖等火成巖，埋深4 424.00～5 370.00 m，層厚400.00～700.00 m，主要為英安巖與凝灰?guī)r互層[14]。通過分析順北3井二疊系地層成像測井資料和順北5-5井二疊系地層巖心可知，該區(qū)塊二疊系英安巖、凝灰?guī)r內(nèi)部微裂縫發(fā)育，縱向分布以溶蝕孔洞為主，裂縫寬度0.5～3.0 mm。進一步分析認為，火成巖微觀裂縫對井筒壓力比較敏感，鉆井液密度稍高則易發(fā)生裂縫擴展性漏失，二疊系火成巖縱向裂縫與溶洞發(fā)育、連通性好和壓力敏感性是施工過程中發(fā)生漏失的主要原因。

2 井筒強化鉆井液技術(shù)

2.1 三疊系地層井眼穩(wěn)定措施

通過以上分析可知，在順北區(qū)塊三疊系地層大尺寸長裸眼鉆進過程中，鉆井液的抑制防塌性能是關(guān)鍵。為此，通過室內(nèi)試驗優(yōu)選了鉆井液關(guān)鍵處理劑，進行了井筒強化鉆井液技術(shù)研究。

2.1.1 強化鉆井液的黏土水化抑制性能

篩選效果較好的抑制劑對于長裸眼的井眼穩(wěn)定至關(guān)重要。在對規(guī)?；瘧玫囊种苿┻M行初步篩選的基礎(chǔ)上，通過線性膨脹和滾動回收試驗，對無機抑制劑KCl、有機抑制劑SMJA-1與D230和小陽離子NL-5等進行了優(yōu)選。

將一定量的膨潤土分別加入去離子水和上述抑制劑的水溶液(質(zhì)量分數(shù)為1.0%)中，計算其線性膨脹率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 膨潤土線性膨脹試驗結(jié)果Fig.4 Results of linear expansion test

從圖4可以看出，膨潤土在去離子水中的線性膨脹率最大，達到48.5%；在SMJA-1溶液中線性膨脹率最小，僅為10.6%，說明SMJA-1具有較強的抑制黏土水化膨脹的能力。

將取自順北區(qū)塊三疊系地層的泥頁巖巖屑，分別加入蒸餾水和質(zhì)量分數(shù)為1.0%的KCl、SMJA-1、D230和NL-5溶液中，進行熱滾回收率試驗，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，巖屑在蒸餾水中的回收率為23.5%，最低；在SMJA-1溶液中的回收率為86.3%，最高。這說明SMJA-1的抑制效果優(yōu)于其他抑制劑。

綜合考慮線性膨脹、熱滾回收率試驗、KCl對泥巖的抑制作用及該井鉆井液設計中對K+濃度的要求，最終選擇SMJA-1和KCl為鉆井液的主要抑制劑。

圖5 泥頁巖巖屑熱滾回收率試驗結(jié)果Fig.5 Results of shale cuttings hot-rolling recovery rate test

2.1.2 強化鉆井液的封堵性能

針對三疊系地層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)及溫度特征，決定選用剛性粒子、可變形粒子常規(guī)封堵材料與微納米尺度封堵材料相結(jié)合，通過合理的粒度級配，在近井壁形成一層致密承壓封堵層，阻緩壓力傳遞及濾液侵入。為此，對常用的SMNA-1、MFJ-3和NM-1等3種可變形粒子防塌劑進行了性能評價試驗。試驗通過向基漿中分別加入不同質(zhì)量分數(shù)的上述3種封堵防塌劑，測定濾失量的變化，結(jié)果見圖6。

圖6 封堵防塌劑濾失量試驗結(jié)果Fig.6 Results of plugging and anti-sloughing agent fluid loss test

從圖6可以看出，隨著封堵防塌劑加量的增大，基漿的API濾失量先急劇下降，出現(xiàn)拐點后下降幅度越來越小，其中SMNA-1的降濾失效果最好，最優(yōu)加量為2.0%。

根據(jù)以上研究，形成了防治三疊系地層井眼失穩(wěn)的強抑制強封堵鉆井液體系，其配方(記為配方1)為：4.0%膨潤土+0.2%Na2CO3+2.0%SPNH+2.0%SMC+1.5%SMP-2+0.3%PAC-LV+0.5%KPAM+1.0%SMJA-1+1.5%KCl+2.0%SMNA-1+1.0%QS-2+0.5%液體潤滑劑SMJH-1。

2.2 二疊系地層防漏堵漏技術(shù)對策

根據(jù)二疊系地層的漏失特征，采取以防為主、隨鉆封堵的技術(shù)思路，即在鉆進中向鉆井液中加入一定濃度的堵漏材料，使其在裂縫近井壁地帶形成致密封堵層，阻斷井筒壓力向地層傳遞，防止裂縫開啟及延伸。

2.2.1 隨鉆防漏材料篩選

利用無滲透濾失儀(20～40目砂床)評價了超細碳酸鈣QS-2、屏蔽暫堵劑PB-1、竹纖維等常用隨鉆防漏材料和封堵劑SMGF-1的封堵性能，試驗結(jié)果見表4。

表4 隨鉆防漏材料優(yōu)選試驗結(jié)果Table 4 Results of lost circulation materials selection test

根據(jù)試驗結(jié)果，確定將SMGF-1作為該井段的隨鉆防漏材料。且由表4可知，SMGF-1與其他材料配合使用可達到更好的封堵效果。因此，最終確定防漏配方為：井漿+2.0%～3.0%QS-2(500～800目)+ 1.0%～3.0% SMGF-1+3.0%高軟化點瀝青。研究認為，該配方可封堵縫寬為0.5 mm的裂縫，承壓能力大于7.0 MPa。

2.2.2 停鉆專堵技術(shù)措施

通過室內(nèi)試驗，從強度、回彈率、圓度和球度等方面綜合考慮，確定將云母、碳酸鈣、高強支撐劑GQJ系列產(chǎn)品和礦物纖維作為二疊系地層堵漏材料。根據(jù)SAN-2工程分布理論[15]，對顆粒材料進行合理的粒徑級配，根據(jù)地層裂縫尺度和漏失特征，確定纖維和片狀材料的加量，最終形成了適用于不同漏速的橋接堵漏配方。

1) 漏速不大于10 m3/h時，配方為：井漿+5.0%～10.0%碳酸鈣+3.0%～5.0%GQJ-3+1.0%～3.0%云母+1.0%～2.0%礦物纖維+1.0%～3.0%SMGF-1。利用DLM-01型堵漏模擬裝置評價了上述配方的承壓能力，結(jié)果表明，該配方可封堵縫寬為1.0～2.0 mm的裂縫，承壓能力大于7.0 MPa。

2) 漏速大于10 m3/h而不大于30 m3/h時，配方為：井漿+8.0%～10.0%碳酸鈣+1.0%～3.0%GQJ-2+3.0%～5.0%GQJ-3+2.0%～4.0%云母+1.0%～3.0%礦物纖維+3.0%～5.0% SMGF-1。利用DLM-01型堵漏模擬裝置評價了上述配方的承壓能力，結(jié)果表明，該配方可以封堵縫寬為2.0～3.0 mm的裂縫，承壓能力大于7.0 MPa。

3) 漏速大于30 m3/h時，配方為：井漿+10.0%～15.0%碳酸鈣+1.0%～3.0%GQJ-1+2.0%～4.0%GQJ-2+4.0%～6.0%GQJ-3+2.0%～4.0%云母+1.0%～3.0%礦物纖維+3.0%～5.0% SMGF-1。利用DLM-01型堵漏模擬裝置評價了上述配方的承壓能力，結(jié)果表明，該配方可封堵縫寬為3.0～5.0 mm的裂縫，承壓能力大于7.0 MPa。

3 現(xiàn)場應用

3.1 現(xiàn)場施工工藝

結(jié)合室內(nèi)研究成果，對順北蓬1井二開φ444.5 mm長裸眼段實施了如下井筒強化鉆井液工藝措施：

1) 鉆進期間，全力開動四級固控設備清除有害固相。

2) 鉆至井深3 870.00 m時，一次性加入1.5 t聚胺和58.0 t KCl，鉆井液中聚胺的質(zhì)量分數(shù)不小于1.0%，鉀離子濃度不低于15 000 mg/L。

3) 三疊系地層采用強抑制強封堵鉆井液，處理劑嚴格按照配方1的加量進行維護，控制鉆井液各項性能。具體為：逐步加入20 kg/m3磺化酚醛樹脂、20 kg/m3褐煤樹脂等降濾失劑，鑲嵌成膜防塌劑濃度應不低于20 kg/m3，配合10～20 kg/m3超細碳酸鈣、5～10 kg/m3單向壓力屏蔽劑和3～8 kg/m3微納米封堵劑，控制三疊系以深地層API濾失量≤4 mL、高溫高壓濾失量≤10 mL。

4) 鉆至井深4 800.00 m(二疊系地層之前)時，以配方1為基礎(chǔ)進行隨鉆防漏，向井漿中循環(huán)加入4.0% QS-2(500～800目)、3.0% SMGF-1和3.0%高軟化點瀝青。在二疊系地層鉆進期間鉆井液密度控制在1.23～1.30 kg/L，API濾失量≤4 mL，高溫高壓濾失量≤10 mL，以低黏低切鉆進，保持良好的流動性，控制塑性黏度為18 ～25 mPa·s，動切力為4 ～10 Pa，以保證環(huán)空流動阻力、降低井漏風險。

5) 嚴格控制起下鉆速度，每柱鉆桿起下時間控制在 65～70 s，以避免起下鉆時產(chǎn)生抽汲和激動壓力。下鉆頂通時緩慢開泵，先小排量循環(huán)，待井口返漿并且泵壓正常后再逐漸提高排量，盡可能減小開泵產(chǎn)生的激動壓力，防止誘發(fā)井漏。

6) 下套管時根據(jù)地層巖性特征及井眼狀況，結(jié)合循環(huán)系統(tǒng)實際情況，分別對三疊系中下部、二疊系漏層及井底進行分段打封閉漿，具體采取的防漏技術(shù)措施包括：

a) 按“井漿+0.5%液體潤滑劑+1.0%乳化瀝青RHJ-3”配方配制封井漿，封閉三疊系中下部地層，實際入井42.0 m3；

b) 二疊系漏層按“井漿+2.0%SQD-98+2.0%CXD+2.0%云母+2.0%SMGF-2+0.5%SMTQ+2.0%石灰石粉+2.0%GQJ-5+1.0%液體潤滑劑+1.0%固體潤滑劑+1.0%乳化瀝青RHJ-3”配制封井漿，實際入井35.0 m3；

c) 按井漿+1.0%液體潤滑劑+1.0%固體潤滑劑+1.0%溫敏變形封堵劑+1.0%SPNH+0.2%PFL”配方封閉井底，實際入井42.0 m3。

3.2 應用效果分析

順北蓬1井二開鉆進過程中鉆井液性能保持穩(wěn)定，返出的泥巖鉆屑棱角分明，完整度高，裸眼段井筒穩(wěn)定、鉆進順暢，未出現(xiàn)失穩(wěn)垮塌問題。二開井段平均井徑擴大率僅為4.7%(如圖7所示)，創(chuàng)造了順北二疊系地層平均井徑擴大率最小紀錄。另外，防漏、堵漏效果也非常顯著，鉆進過程中井壁單位面積滲漏量較鄰井降低25.1%。二開長裸眼測井和下套管等作業(yè)均一次性順利到底，未發(fā)生因鉆井液問題引發(fā)的井下故障。

圖7 順北蓬1井二開井段電測井徑曲線Fig.7 Caliper curve of the second spud section in Well SHBP1

而且，順北蓬1井先后創(chuàng)造了φ444.5 mm鉆頭鉆深5 350.00 m和φ339.7 mm套管下深5 349.00 m等2項國內(nèi)石油工程紀錄。

4 結(jié) 論

1) 順北區(qū)塊三疊系地層主要為硬脆性泥頁巖，微裂縫、層理發(fā)育，裂縫寬度為1～14 μm，鉆井液濾液沿微裂縫侵入井壁、降低地層強度是引起井眼失穩(wěn)的主要原因。二疊系英安巖、凝灰?guī)r內(nèi)部微裂縫發(fā)育，裂縫寬度為0.5～3.0 mm，縱向分布以溶蝕孔洞為主并與裂縫溝通，是引起井漏的主要原因。

2) 室內(nèi)優(yōu)選的以聚胺SMJA-1和KCl為主要抑制劑的鉆井液體系，能有效抑制泥頁巖表面水化作用，保持巖石的原始強度；選用的以可變形粒子SMNA-1和常微納米尺度封堵材料SMGF-1，搭配合理的粒度級配，能在近井壁形成一層致密承壓封堵層，阻緩壓力傳遞及濾液侵入。

3) 研究的以強抑制強封堵鉆井液及配套施工工藝為核心的井筒強化鉆井液技術(shù)，在順北蓬1井二開大井眼長裸眼井段取得了良好效果，鉆井施工順利并創(chuàng)造了2項石油工程新紀錄，可為后續(xù)順北區(qū)塊類似井的鉆井施工提供借鑒。

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