董平華 ，張 磊 ，劉海龍 ，霍宏博 ，李治衡

（1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300459；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，天津300459）

曹妃甸區(qū)塊位于渤海中部海域，油層主要分布在新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組。明化鎮(zhèn)和館陶組地層砂泥巖互層多，地層強度低，抵抗變形能力弱，易造成蠕變縮經(jīng)，泥巖伊蒙混層含量高，易水化膨脹，進而造成井下起下鉆遇阻等復雜情況，如鉆井液抑制性過強，極易造成倒劃眼困難[1-9]，特別是在淺層大斜度井和大位移井更為突出。曹妃甸區(qū)塊已鉆探井13口，已鉆井所發(fā)生的井下復雜情況主要是起下鉆阻卡劃眼、測井遇阻與遇卡，處理起下鉆阻卡（劃眼）共302.3h，占84%。13口總共起鉆90趟，起鉆遇卡倒劃眼26趟，占29%，倒劃眼過程中出現(xiàn)扭矩增大、憋泵、抬鉆具等井下復雜情況，共下鉆77趟，遇阻劃眼8趟，占10%。為提升開發(fā)井鉆井作業(yè)效率，改善所采用的鉆完井液體系與油田地層的適應性，本研究根據(jù)巖性特點，提出了改進PEC鉆井液體系優(yōu)化方向和措施，采用強包被，強封堵，多重抑制的技術方法緩解縮徑而引起的起下鉆阻卡、倒劃眼困難。室內在改進型PEC鉆井液的基礎上，通過包被劑加量優(yōu)化，封堵劑的優(yōu)選，抑制劑的評價等進一步優(yōu)化了改進型PEC鉆井液，提高了針對性并現(xiàn)場應用，降低了復雜情況，提高了起下鉆時效。

1 復雜情況分析

1.1 巖性特點和分析

曹妃甸區(qū)塊明上段和明下段上部表現(xiàn)為砂泥巖互層為主，而明下段中下部則表現(xiàn)為泥巖夾薄層砂巖，砂巖多為細砂狀結構，館陶組表現(xiàn)為厚層砂巖夾薄層泥巖的特征，砂巖為中-粗砂狀結構。明化鎮(zhèn)泥巖黏土礦物主要由伊蒙混層（61%～84%）組成，其次為伊利石（4%～12%）、高嶺石（6%～18%）、綠泥石（6%～13%），伊蒙混層中混層比為60%～65%，明化鎮(zhèn)組鉆屑粘土礦物總量在20%～28%，水化能力較強的伊蒙混層在71%～86%之間；館陶組泥巖黏土礦物主要由伊蒙混層（62%～76%）組成，其次為伊利石（4%～12%）、高嶺石（10%～14%）、綠泥石（10%～12%），伊蒙混層中混層比為（65%～70%）。館陶組鉆屑粘土礦物含量高達18%～35%，其水化能力較強伊蒙混層含量在48%～76%，高嶺石含量為12%～35%。根據(jù)實驗要求，對明化鎮(zhèn)與館陶組鉆屑進行理化性能分析，鉆屑回收率在4.2%～5.3%，鉆屑膨脹率在22.81%～37%，密度在 2.4～2.51g·cm-3，明化鎮(zhèn)和館陶組地層屬于強分散、強膨脹地層。

由于砂泥巖存在蠕變性質，裸眼段井壁會隨著鉆開時間的增加而變形破壞。室內研究了蠕變縮徑的大小隨時間的變化關系，曹妃甸淺層砂泥巖都表現(xiàn)出較強的蠕變性質，巖心蠕變率受偏應力影響，巖心發(fā)生瞬態(tài)蠕變后進入穩(wěn)定蠕變過程，偏應力越大，蠕變率增長速度越快。且隨著巖石含水率的上升，砂泥巖的穩(wěn)態(tài)蠕變速率明顯上升，瞬時形變明顯增加。

鉆井過程中，泥巖與鉆井液接觸，鉆井液中的水分向地層內滲透，在泥巖吸水過程中，泥巖會產(chǎn)生膨脹應變，進而產(chǎn)生膨脹應力。利用吸水膨脹系數(shù)測量裝置[10]測定現(xiàn)場巖芯樣品在PEC體系下垂向和徑向膨脹應變量隨吸附含水量間的關系，結果表明膨脹應變隨泥巖含水量增加急劇增加，進而引起井壁失穩(wěn)，造成復雜情況。

1.2 技術思路

根據(jù)巖性特點和分析，曹妃甸油田明化鎮(zhèn)組與館陶組膠結差，孔滲高，巖石強度低，易水化膨脹和蠕變縮徑，地層被鉆開瞬間，發(fā)生瞬間塑性變形，鉆井液濾液進入引發(fā)蠕變和水化膨脹，造成井徑縮小，起鉆阻卡，抬鉆具、憋泵等現(xiàn)象，砂泥巖交界處，最為嚴重。若采用強抑制的氯化鉀鉆井液鉆進，起下鉆阻卡更為嚴重，因為K+主要是通過其鑲嵌作用來抑制粘土水化膨脹，但過多的K+會導致井壁硬化而影響起下鉆速度[11]。為解決上述難題，提出兩點優(yōu)化思路，一是降低K+加量，優(yōu)選其他抑制劑，實現(xiàn)綜合抑制。二是加強鉆井液封堵性能，形成高質量的泥漿，減少鉆井液濾液侵入，降低砂泥巖的蠕變和水化膨脹程度。

2 改進型PEC鉆井液配方優(yōu)化

2.1 包被劑加量優(yōu)化

采用PLH作為包被劑，通過其抑制明化鎮(zhèn)組與館陶組地層分散效果來優(yōu)選其加量。將明化鎮(zhèn)組泥巖鉆屑，干燥后稱取50g加入到350mL鉆井液中，在90℃下熱滾16h，冷卻后過40目篩，篩余在105℃下烘干后稱重，計算鉆屑回收率，實驗結果見表1。

表1 PLH加量對回收率影響（%）Tab.1 Effect of PLH addition on recovery

表1結果顯示，加入PLH可以大幅度提高鉆屑回收率，隨著加量的增加，回收率增加，PLH加量在0.6%時鉆屑一次回收率可以達到87.54%，效果良好，初步選取0.6%PLH加量進行后續(xù)實驗。

2.2 封堵劑優(yōu)化

為減少鉆井濾液進入地層，需在鉆井液中加入封堵劑。本研究對現(xiàn)場常用的封堵劑PF-SZDL、PF-LSF、PF-LPF進行優(yōu)選，實驗結果見表2。鉆井液在80℃，3.5MPa條件下進行高溫高壓濾失量實驗后，使用清水在相同條件下對泥餅進行滲透率測試。加入1.0%SZDL后泥餅滲透速率從0.56mL·min-1降低到0.14mL·min-1，加入1.0%PF-LSF以及1.0%PF-LPF泥餅滲透速率從 0.56mL·min-1降到0.089mL·min-1。PF-LSF 與 PF-LPF 1∶1 復配使用以及PF-SZDL都能顯著提升鉆井液的封堵能力，有效降低鉆井液的濾失速度，提高泥餅質量，但提高用量后，封堵效果提升不明顯，綜上所述，后續(xù)采用1.0%PF-SZDL+1.0%PF-LSF+1.0%PF-LPF復配使用。

表2 封堵劑加量對鉆井液性能影響Tab.2 Effect of the amount of plugging agent on drilling fluid performance

2.3 抑制劑優(yōu)化

為減緩起下鉆遇阻卡情況，需要加強鉆井液綜合抑制性，從鉆屑回收率、抑制膨脹率、鉆井液抗鉆屑污染能力3個方面評價抑制性。按標準《SY/T5613-2016鉆井液測試泥頁巖理化性能試驗方法》測量鉆屑回收率和巖心膨脹率來評價抑制性。實驗結果見表3。

表3 無機鹽抑制劑對鉆屑回收率和巖心膨脹率影響實驗Tab.3 Effects of inorganic salts on drill cuttings recovery and core expansion

在隨著NaCl和KCl的加量增加，鉆屑一次回收率有所上升，在12%NaCl加量下一次回收率達到8.94%，相對清水提高4.44%；在10%KCl加量下一次回收率為9.50，相對清水提高5.00%，兩者對鉆屑滾動回收率提升效果相差不大，作為穩(wěn)定鉆井液體系的作用上兩者性能差距不大。隨著KCl的加量的增多，巖心膨脹率有所下降，但是在KCl的作用下巖石強度下降較小，泥巖水化膨脹或縮徑后井壁強度較大，造成倒劃眼困難，嚴重情況下將造成井壁坍塌。NaCl的加入使得巖心膨脹率有所增加，這是由于伊蒙混層中蒙皂石在Na+作用下由鈣土轉化為鈉土，使得膨脹率增加，但NaCl的加入巖石強度下降較大，使得倒劃眼更容易，可以提高倒劃眼速度，此結果與現(xiàn)場鉆井液使用效果相符，因此，選用NaCl作為抑制劑。

為進一步提高鉆井液的抑制性，實驗引入有機插層抑制劑進一步評價抑制性能。實驗結果見表4。

表4 抑制劑加量對膨脹率的影響Tab.4 Effect of the amount of inhibitor on the expansion rate

在80℃下。使用12%NaCl做抑制劑的改進PEC體系能大大降低明化鎮(zhèn)泥巖的膨脹率，相對清水可降低22.27%，在加入BIOTROL后能進一步抑制膨脹，加入12%NaCl和1.0%BIOTROL后改進PEC鉆井液對泥巖膨脹率的抑制性相對清水提高23.01%。在90℃下測量鉆屑一次、二次回收率，加入BIOTROL抑制劑后鉆屑滾動回收率得到明顯的提高，特別是BIOTROL吸附在鉆屑表面的二次抑制能力作用下，BIOTROL加量為0.5%時，抑制性已經(jīng)有明顯提高；在BIOTROL加量為1.0%時，二次滾動回收率即可達到86.23%。根據(jù)實驗結果，選取12%NaCl+0.5%BIOTROL作為抑制劑。

3 優(yōu)化后改進PEC性能評價

根據(jù)實驗研究優(yōu)化后改進PEC配方為：2%海水膨潤土漿+0.3%NaOH+0.2%Na2CO3+0.6%PLH+0.25%PF-PAC-LV+1.5%PF-FLOTROL+0.1%XC+1%PF-SZDL+1%PF-LPF+1%PF-LSF+0.5%PF-BIOTROL+12%NaCl+石灰石加重。

3.1 基礎性能

表5結果表明，該鉆井液隨密度提高仍保持良好的流變性能，熱滾后性能穩(wěn)定，保持較低的粘度和較高的切力，有利于攜巖，且常壓失水保持在4mL以下，有利于井壁穩(wěn)定，綜合性能較好。

表5 不同密度下改進PEC鉆井液性能Tab.5 Improved PEC drilling fluid performance at different densities

3.2 抗鉆屑污染性能評價

室內采用明化鎮(zhèn)鉆屑過100目篩，篩余鉆屑加入改進PEC鉆井液后以11000r·min-1高速攪拌10～20min，老化前后測量其流變性等性能。實驗結果見表6，可以看出，改進PEC鉆井液在鉆屑濃度為20%時滾后 AV 增加了 5mPa·s，PV 增加了 4mPa·s，YP增加了1Pa，流變性隨著鉆屑含量的增加變化不大，失水略有上漲，可以看出改進PEC具有良好的抗鉆屑污染能力。

表6 改進PEC抗鉆屑污染能力評價實驗結果Tab.6 Evaluation experiment of improved PEC anti-drilling cuttings pollution ability

3.3 封堵性能評價

室內借助滲透封堵儀（PPT）評價了鉆井液對滲透性砂盤的封堵能力，評價結果見表7。

表7 鉆井液基漿PPT封堵性結果Tab.7 PPT plugging results of drilling fluid base slurry

不加封堵劑的改進PEC基漿對2D砂盤濾失量比較大，PPT濾失量達到35mL，表明不加封堵劑封堵效果較差。添加封堵劑過后，濾失量降低至11mL，濾失速率由 1.18mL·min-1降至 0.37mL·min-1，濾失量和濾失速率大大降低，表明鉆井液具有良好的封堵性能，可有效降低濾失。

3.4 現(xiàn)場應用情況

優(yōu)化后的改進型PEC鉆井液在曹妃甸油田A59井進行了應用，二開311.15mm井眼，設計井深2764m，裸眼段長是2354m，最大井斜70°?，F(xiàn)場鉆井液實際性能見表8，結果表明優(yōu)化后的鉆井液流變性能穩(wěn)定，固相含量低，API失水小于4mL，表現(xiàn)出了較好的抑制能力，抗污染能力強，封堵性能良好。同時，本井與已鉆井A10和A28H井的倒劃眼速度對比，結果見圖1。

表8 A59H現(xiàn)場鉆井液性能Tab.8 A59H field drilling fluid performance

圖1 倒劃眼速度對比Fig.1 Comparison of backreaming speed

圖1 結果表明，使用優(yōu)化后鉆井液的A59倒劃眼速度相比A10和A28H井提高20%以上，大大提高起下鉆效率。

4 結論

（1）曹妃甸區(qū)塊淺部地層強度低，泥巖黏土礦物主要由伊蒙混層組成，屬于強分散、強膨脹地層，存在水化膨脹和蠕變特性。

（2）曹妃甸區(qū)塊探井作業(yè)期間主要復雜情況為起下鉆遇阻，主要發(fā)生在311mm井段，分析認為主要為常規(guī)鉆井液體系鉀離子過高，井壁水化膨脹和蠕變協(xié)同作用造成縮徑引起。

（3）針對起下鉆時效低的問題，從鉆井液優(yōu)化上著手，采用強包被、強封堵改進型PEC鉆井液，采用NaCl替代KCl，配合插層抑制劑，實現(xiàn)綜合抑制，既可穩(wěn)定井壁，又可避免井壁過硬，提高起下鉆效率，優(yōu)選處理劑為：包被劑0.6%PLH，封堵劑1%PFSZDL+1%PF-LPF+1%PF-LSF，抑制劑0.5%PFBIOTROL+12%NaCl。

（4）優(yōu)化后的改進型PEC體系綜合性能良好，提高了對曹妃甸區(qū)塊的針對性和適應性，現(xiàn)場用后，流變性控制良好，起下鉆順暢，倒劃眼速度大大提高。