邱春陽(yáng) 張翔宇 趙紅香 王雪晨 張海青 陳二丁

中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

0 引言

塔里木盆地順北區(qū)塊位于順托果勒低隆的北部，區(qū)塊勘探面積3 135.39 km2，油氣儲(chǔ)量預(yù)測(cè)達(dá)到17×108t。該區(qū)塊油氣埋藏較深，以中奧陶統(tǒng)一間房組為主要目的層，平均垂深大于7 300 m。由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，施工中需要穿越多套地層。前期勘探開(kāi)發(fā)中，上部地層施工順暢，機(jī)械鉆速高；但是在石炭系及以下深部地層，鉆進(jìn)過(guò)程中井壁失穩(wěn)嚴(yán)重，復(fù)雜情況時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重滯緩了該區(qū)塊的勘探與開(kāi)發(fā)進(jìn)程。為保證鉆進(jìn)過(guò)程中井壁穩(wěn)定、提高鉆完井時(shí)效，針對(duì)順北區(qū)塊深部地層巖性，研發(fā)了聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系，該體系在順北區(qū)塊2口超深井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

順北區(qū)塊油氣埋藏較深，平均垂深在7 300 m以上，一般采取四開(kāi)制水平井施工。一開(kāi)采用?444.5 mm鉆頭開(kāi)鉆，鉆至井深約1 000 m完鉆，下入?339.7 mm套管。二開(kāi)采用?311.2 mm鉆頭開(kāi)鉆，鉆至井深5 000 m，下入?244.5 mm套管。三開(kāi)采用?215.9 mm鉆頭開(kāi)鉆，鉆至井深7 300 m，下入?177.8 mm套管。四開(kāi)采用?149.2 mm鉆頭開(kāi)鉆，出套管開(kāi)始定向，鉆至井深約8 000 m完鉆。

1.2 地質(zhì)概況

順北區(qū)塊位于順托果勒低隆北部，地層自上而下發(fā)育第四系、庫(kù)車組、康村組、吉迪克組、蘇維依組、席姆格列木群、巴什基奇克組、巴西蓋組、舒善河組、哈拉哈塘組、阿克庫(kù)勒組、柯吐?tīng)柦M、阿恰群、卡拉沙依組、巴楚祖、東河塘組、塔塔埃爾塔格組、柯坪塔格組、桑塔木組、良里塔格組、恰爾巴可組和一間房組。

2 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

1）下志留統(tǒng)卡拉沙依組主要為泥巖和砂巖互層，砂巖滲透性強(qiáng)，水化后導(dǎo)致巖層垂向強(qiáng)度降低，造成砂、泥巖層間解理，在鉆具碰撞及水力沖刷等外力作用下易垮塌。泥巖垮塌后，上部與其互層的砂巖也會(huì)坍塌，最后造成連鎖垮塌的惡性局面。

2）下志留統(tǒng)塔塔埃爾塔格組發(fā)育大段泥巖，實(shí)鉆揭示地層巖石密度低。巖礦分析表明，地層主要以石英、方解石和黏土礦物為主，黏土礦物中高嶺石發(fā)育，表面發(fā)育微裂縫，并且?guī)r層中膠結(jié)物質(zhì)主要為黏土礦物。黏土礦物水化后，導(dǎo)致巖層間的膠結(jié)強(qiáng)度降低，在外力作用下造成大段泥巖坍塌。

3）下志留統(tǒng)柯坪塔格組上部主要為砂礫巖，中部為泥巖，下部為泥巖和砂巖呈不等厚互層。砂礫巖成分以石英為主，研磨性強(qiáng)；中部泥巖地層主要為硬脆性泥巖，施工中易發(fā)生硬脆性坍塌。下部砂泥巖地層軟硬交錯(cuò)，施工中易發(fā)生嚴(yán)重的蹩跳鉆，導(dǎo)致鉆具作用在巖石上的應(yīng)力增加，易引起互層巖石破碎，加劇坍塌現(xiàn)象發(fā)生。

4）上奧陶統(tǒng)桑塔木組坍塌壓力高，巖性為輝綠巖和凝灰?guī)r，輝綠巖以長(zhǎng)石為主，并含有鈦鐵礦物[1]，鉆進(jìn)過(guò)程中易發(fā)生硬脆性大塊垮塌，并且掉塊硬度高，不易破碎，易造成卡鉆。地層裂縫和孔隙發(fā)育性強(qiáng)，鉆井液濾液在壓差下侵入孔隙和微細(xì)裂縫，導(dǎo)致其中的黏土礦物水化，造成進(jìn)一步坍塌。

5）順北區(qū)塊的水平井井深大于7 500 m，井底溫度高達(dá)170℃，為短半徑水平井，且水平段井眼直徑小于150.00 mm。超深井小井眼鉆進(jìn)過(guò)程中，特別是在水平段施工，鉆壓傳遞困難，鉆井液井眼凈化及潤(rùn)滑防卡技術(shù)難度大。

3 鉆井液體系

3.1 鉆井液體系配方

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)超深井[2-6]及水平井[7-10]鉆井液技術(shù)，借鑒鄰井[11-15]鉆井液施工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)順北區(qū)塊地層巖性和施工中鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)處理劑優(yōu)選及性能優(yōu)化，研發(fā)了聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系，配方為：（3.0%～5.0%）膨潤(rùn)土+（0.2%～0.4%）燒堿+（3.0%～5.0%）氯化鉀KCl+（0.3%～0.5%）聚丙烯酸鉀KPAM+（0.5～1.0）%聚胺抑制劑+（0.3%～0.5%）磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP-2+（3.0%～4.0%）磺化酚醛樹(shù)脂SMP-3+（3.0%～4.0%）褐煤樹(shù)脂SPNH+（4.0%～6.0%）形變封堵劑+（3.0%～4.0%）微納米封堵劑+（3.0%～6.0%）油基潤(rùn)滑劑+（0.5%～1.0%）乳化劑SP-80。

3.2 鉆井液作用機(jī)理

聚胺抑制劑分子中的Si—OH鍵與黏土上的Si—OH鍵縮聚成Si—O—Si鍵，胺基通過(guò)電荷吸附在黏土顆粒表面，形成牢固的化學(xué)吸附；分子中的硅羥基能夠在黏土表面形成疏水層，阻止和減緩了黏土表面的水化作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了體系的抑制能力[16]。

微納米封堵劑由不同微納米級(jí)粒徑的活性材料組成，具有空間位阻效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和多表面效應(yīng)?？臻g位阻效應(yīng)使微納米封堵劑能夠迅速分散在鉆井液體系中，而不會(huì)在鉆井液中團(tuán)聚，保證鉆井液體系在井壁上形成致密泥餅；小尺寸效應(yīng)保證泥餅具有一定的韌性和延展性，在鉆具碰撞下變形而不會(huì)脫落，始終保持對(duì)井壁的封堵；多表面效應(yīng)使得泥餅表面具有疏水性，改善泥餅表面的平滑度，提高泥餅的潤(rùn)滑性[17-19]。

形變封堵劑是由不同軟化點(diǎn)的瀝青類粒子組成，在井底不同的溫度范圍內(nèi)，部分瀝青粒子軟化變形，封堵孔隙和微細(xì)裂縫。當(dāng)井底溫度超過(guò)瀝青的軟化點(diǎn)時(shí)，瀝青變成疏水粒子，能夠吸附到井壁上，進(jìn)一步封堵地層。

3.3 鉆井液性能評(píng)價(jià)

3.3.1 抗溫性能評(píng)價(jià)

按照配方配制不同密度的鉆井液體系，然后在180℃下老化16 h，測(cè)量其流變性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，不同密度的鉆井液在180℃老化后的流變性好，并且高溫高壓濾失量低，說(shuō)明聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系抗溫性能好。

表1 抗溫性能評(píng)價(jià)表

3.3.2 抑制性能評(píng)價(jià)

采用巖心膨脹試驗(yàn)和巖屑（巖屑采用順北某井塔塔埃爾塔格組地層泥巖）回收率試驗(yàn)評(píng)價(jià)了體系的抑制性，結(jié)果如表2所示。

從表2看出，與常規(guī)聚磺防塌鉆井液體系相比，聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系的8 h頁(yè)巖膨脹高度低，并且?guī)r屑回收率高達(dá)92.4%，說(shuō)明聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系的抑制性強(qiáng)。

表2 抑制性能評(píng)價(jià)表

3.3.3 封堵性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)采用直徑為40目～60目的石英砂作為過(guò)濾介質(zhì)，加入配制好的鉆井液，分別倒入TSCL-2型高溫高壓可視砂床濾失儀（砂床厚度12 cm）和GGS71型高溫高壓濾失儀中，于150 ℃下加壓

3.5 MPa，評(píng)價(jià)了鉆井液體系的封堵性能，結(jié)果如表3所示。

從表3看出，和常規(guī)聚磺防塌鉆井液相比，聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液侵入可視高溫高壓砂床深度只有3.1cm，并且高溫高壓砂床濾失量?jī)H僅6.2 mL，說(shuō)明聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系封堵性能好。

表3 封堵性能評(píng)價(jià)表

3.3.4 潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

利用EP-C極壓潤(rùn)滑儀和GNF-1泥餅黏附系數(shù)儀對(duì)不同鉆井液體系的潤(rùn)滑性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果如表4所示。

表4 潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)表

從表4看出，與常規(guī)聚磺潤(rùn)滑防塌鉆井液體系相比，聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系的極壓潤(rùn)滑系數(shù)低，泥餅黏附系數(shù)小，說(shuō)明聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系的潤(rùn)滑性能強(qiáng)，能夠降低定向過(guò)程中產(chǎn)生的摩阻和扭矩。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系在順北區(qū)塊三開(kāi)和四開(kāi)井段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)鉆井液施工工藝如下。

1）預(yù)處理。聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液由二開(kāi)井漿轉(zhuǎn)化而成，轉(zhuǎn)化前，循環(huán)鉆井液，開(kāi)動(dòng)四級(jí)固控設(shè)備，清除體系中的劣質(zhì)固相；然后加入3.0%磺化酚醛樹(shù)脂SMP-3、3.0%褐煤樹(shù)脂和4.0%形變封堵劑，充分循環(huán)；鉆井液密度提高至1.30 g/cm3后，開(kāi)始鉆進(jìn)。

2）流變性調(diào)控。鉆進(jìn)過(guò)程中，按照循環(huán)周及時(shí)補(bǔ)充膠液及預(yù)水化膨潤(rùn)土漿維護(hù)鉆井液性能；定期檢測(cè)Cl-含量，及時(shí)補(bǔ)充KCl。三開(kāi)鉆進(jìn)，鉆井液漏斗黏度控制在60 s左右。三開(kāi)膠液配方：井場(chǎng)水+0.5%燒堿NaOH+0.4%聚丙烯酸鉀KPAM+1.0%聚胺抑制劑+4.0%磺化酚醛樹(shù)脂SMP-3+3.0%褐煤樹(shù)脂+0.5%磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP-2；四開(kāi)進(jìn)入一間房組，漏斗黏度控制在55 s左右，防止小井眼產(chǎn)生過(guò)大的環(huán)空壓耗而導(dǎo)致井漏。四開(kāi)膠液配方：井場(chǎng)水+0.5%燒堿NaOH+0.3%聚丙烯酸鉀KPAM+6.0%磺化酚醛樹(shù)脂SMP-3+5.0%褐煤樹(shù)脂+（0.5～1.0）%磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP-2。

3）封堵性調(diào)控。石炭系鉆進(jìn)，加入3.0%形變封堵劑和2.0%微納米封堵劑，并且形變封堵劑中瀝青軟化點(diǎn)在115～125℃；進(jìn)入東河塘組，加入3.0%微納米封堵劑和1.5%形變封堵劑；塔塔埃爾塔格組，加入1.0%微納米封堵劑和2.0%形變封堵劑，其中形變封堵劑中瀝青軟化點(diǎn)在125～135℃；柯坪塔格組，加入1.5%微納米封堵劑和形變封堵劑，其中形變封堵劑中瀝青軟化點(diǎn)在135～145℃；四開(kāi)一間房組，加入3.0%微納米封堵劑和3.0%形變封堵劑，其中形變封堵劑中瀝青軟化點(diǎn)在145～160℃，保證鉆井液體系能夠?qū)Φ貙涌紫逗臀⒓?xì)裂縫進(jìn)行復(fù)合封堵。

4）濾失量調(diào)控。嚴(yán)格控制鉆井液體系的濾失量，特別是高溫高壓濾失量。開(kāi)鉆時(shí)，中壓濾失量控制在3.0 mL以內(nèi)，高溫高壓濾失量控制在12.0 mL；進(jìn)入上泥盆統(tǒng)東河塘組，高溫高壓濾失量控制在10.0 mL，減緩鉆井液濾液向地層的滲透。四開(kāi)一間房組鉆進(jìn)，高溫高壓濾失量控制在12.0 mL，減緩泥頁(yè)巖地層水化。

5）密度調(diào)控。鉆井液密度控制在1.30 g/cm3開(kāi)鉆，鉆進(jìn)中根據(jù)地層壓力監(jiān)測(cè)情況和振動(dòng)篩返砂情況合理控制鉆井液密度；進(jìn)入桑塔木組，鉆井液密度提高至1.33 g/cm3，防止輝綠巖坍塌；四開(kāi)進(jìn)入一間房組，鉆井液密度降低至1.21 g/cm3，防止井漏。

6）潤(rùn)滑性調(diào)控。造斜前，加入4%油基潤(rùn)滑劑，加入0.5%乳化劑，確保鉆井液良好的潤(rùn)滑性；以后隨著進(jìn)尺增加和斜井段增長(zhǎng)，每鉆進(jìn)100 m，補(bǔ)充0.5 t潤(rùn)滑劑，將泥餅黏附系數(shù)控制在0.06以內(nèi)，保證鉆井液體系的潤(rùn)滑性，以減少阻卡、黏卡等復(fù)雜情況的發(fā)生。

7）勤做小型實(shí)驗(yàn)。每次調(diào)整鉆井液性能前，先在室內(nèi)進(jìn)行小型實(shí)驗(yàn)，確定調(diào)整不會(huì)對(duì)鉆井液流變性產(chǎn)生較大波動(dòng)后在泥漿罐配制鉆井液；四開(kāi)鉆進(jìn)中，每趟鉆檢測(cè)鉆井液體系的抗溫性和潤(rùn)滑性，確保流變性穩(wěn)定。

8）合理使用固控設(shè)備，振動(dòng)篩和一體機(jī)的使用率達(dá)到100%，振動(dòng)篩篩布目數(shù)為150目，一體機(jī)篩布目數(shù)為200目，保證一級(jí)固控設(shè)備的清除效率；合理使用離心機(jī)，當(dāng)鉆井液中低密度固相含量較高時(shí)開(kāi)啟離心機(jī)，后面補(bǔ)充預(yù)先配制的重鉆井液，保持鉆井液密度和流變性能穩(wěn)定。

9）工程措施。執(zhí)行短起下鉆措施，特別是四開(kāi)水平段鉆進(jìn)時(shí)，盡量采用復(fù)合鉆進(jìn)方式，攪動(dòng)巖屑床；當(dāng)出現(xiàn)巖屑床時(shí)進(jìn)行短起下鉆，破除巖屑床，然后用磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP-2配制稠漿凈化井眼；控制起下鉆速度，防止起下鉆速度過(guò)快造成較大的激動(dòng)壓力導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；下鉆時(shí)分段循環(huán)，循環(huán)時(shí)先小排量開(kāi)泵，頂通后提高至正常排量，防止開(kāi)泵過(guò)猛蹩漏地層。

10）完鉆后進(jìn)行短起下鉆，刮掉吸附在井壁上的虛厚泥餅；下鉆到底后充分循環(huán)鉆井液，配制稠鉆井液洗井，徹底凈化井眼。起鉆前，配制抗高溫潤(rùn)滑封井漿封閉井底裸眼井段1 000 m，保證后續(xù)完井作業(yè)順利。封井漿配方：井漿+1.0%油基潤(rùn)滑劑+2.0%磺化酚醛樹(shù)脂SMP-3+1.5%形變封堵劑+0.5%磺酸鹽共聚物降濾失劑。

4.2 應(yīng)用效果

聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系在順北區(qū)塊順北1-7H井和順北5-4H井兩口超深水平井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

1）鉆井液體系抑制性強(qiáng)，解決了石炭系及志留系鉆進(jìn)過(guò)程中由于泥巖水化導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)難題，鉆進(jìn)過(guò)程中井壁穩(wěn)定，振動(dòng)篩返砂正常。

2）鉆井液體系封堵性強(qiáng)，解決了桑塔木組輝綠巖和一間房組碳酸巖由于孔隙及裂縫發(fā)育導(dǎo)致的井塌難題，四開(kāi)定向過(guò)程中井壁穩(wěn)定，起下鉆順利，中完及完井作業(yè)順利。

3）鉆井液體系抗溫性及潤(rùn)滑性能好。鉆進(jìn)過(guò)程中流變性穩(wěn)定，特別是四開(kāi)施工中鉆井液懸浮攜帶能力強(qiáng)，水平段鉆進(jìn)時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)巖屑堆積導(dǎo)致的“拖壓”現(xiàn)象。

4）井身質(zhì)量好，順北1-7H井和順北5-4H井應(yīng)用聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系所鉆的井段井徑規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率分別為7.37%和4.67%。

5）取得了優(yōu)快鉆井的效果。應(yīng)用體系所鉆的兩口井全井平均機(jī)械鉆速5.85 m/h和6.09 m/h，鉆井周期分別為167.23 d和173.51 d，和同區(qū)塊平均鉆井周期相比，兩口井鉆井周期分別降低了26.90%和34.15%，達(dá)到了優(yōu)快鉆井的效果。區(qū)塊鉆完井時(shí)效如表5和表6所示。

表5 順北1斷塊鉆井時(shí)效統(tǒng)計(jì)表

表6 順北5斷塊鉆井時(shí)效統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論和建議

1）順北區(qū)塊水平井施工，應(yīng)用井的機(jī)械鉆速仍然較低，鉆井周期雖然大幅度縮短，但鉆井工程的主要問(wèn)題依然是防止井眼坍塌。

2）針對(duì)順北區(qū)塊地層巖性和鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，優(yōu)選了聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系，該體系抗溫性、抑制性和潤(rùn)滑性好，封堵性強(qiáng)。

3）聚胺強(qiáng)封堵潤(rùn)滑防塌鉆井液體系在順北區(qū)塊2口超深井下部地層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，施工中井壁穩(wěn)定，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

4）塔塔埃爾塔格組發(fā)育大段泥巖，施工中必須保證體系的抑制性；桑塔木組地層發(fā)育輝綠巖，并且地層孔隙和微細(xì)裂縫發(fā)育，必須保證鉆井液體系的封堵性。