房炎偉，余加水，吳義成，張蔚，李博，劉裕雙，郝維

(1. 中國石油集團西部鉆探工程有限公司鉆井液分公司，新疆克拉瑪依 834000；2. 中國石油集團工程技術(shù)研究院，北京 102200)

胺基鉆井液體系是一種性能較好的水基鉆井液體系，胺基基團半徑與黏土晶體的六角形網(wǎng)格相近，可以嵌入黏土晶片氧原子形成的六角形網(wǎng)眼中(胺基基團半徑約為0.135 nm，黏土六角形網(wǎng)眼為0.134 nm)，形成一種強鍵，使水難以進(jìn)入晶層間，不會引起晶層的膨脹[1]，由胺基處理劑配合形成的胺基鉆井液體系抑制能力強，具有“去水化”功能，對降低敏感性泥頁巖失穩(wěn)及提高鉆速等具有較好的效果。

瑪湖油田是準(zhǔn)噶爾盆地的油田，由于井壁不穩(wěn)定、水平段長等原因[2-3]，鉆井復(fù)雜情況較多。在改進(jìn)鉆井液技術(shù)水平的研究中，將胺基鉆井液體系應(yīng)用到瑪湖油田中易發(fā)生問題的造斜段及水平段[2-3]，對地層的適應(yīng)性較好。

1 復(fù)雜地層失穩(wěn)機理研究

瑪湖油田鉆井過程中易發(fā)生復(fù)雜問題的地層為克拉瑪依組至百口泉組，其中克拉瑪依組地層易坍塌掉塊，百口泉組地層易井漏。在使用水基鉆井液對該區(qū)塊鉆井時，地層崩落掉塊、井壁失穩(wěn)時有發(fā)生，井徑不規(guī)則[3-4]，如瑪湖區(qū)塊某井造斜段3 606~3 636 m，井徑擴大率高達(dá)51.5%，鉆具阻卡頻繁，電測遇阻。對克拉瑪依組巖樣的理化性質(zhì)和裂縫性質(zhì)研究表明，其失穩(wěn)的主要影響因素為鉆井液的抑制性與封堵性能[4-7]。

1.1 地層理化性質(zhì)研究

取克拉瑪依組巖樣粉碎過篩0.074 mm (200目)，與OCMA膨潤土進(jìn)行對比，按GB/T 20973—2007《膨潤土》標(biāo)準(zhǔn)測定亞甲基藍(lán)含量和陽離子交換容量，測定蒙脫石率，再配制成(w)15%黏土懸浮液，測定膠體率，結(jié)果見表1。

表1 克拉瑪依組巖樣理化性能

由表1可見：克拉瑪依組巖樣的膠體率較高，但蒙脫石率較低，表明巖樣表面水化能力較強，滲透膨脹能力較弱，易發(fā)生物理化學(xué)失穩(wěn)[4-7]。

1.2 地層裂縫性分析

室溫下克拉瑪依組巖樣經(jīng)清水浸泡24 h前后的對比見圖1。

圖1 巖樣清水中浸泡前后對比

由圖1可見：室溫下將克拉瑪依組巖樣經(jīng)清水浸泡24 h后，與巖樣原樣相比，巖樣分散成許多碎塊，這是由于巖樣內(nèi)部存在較多裂縫，與清水接觸后，水沿著這些裂縫進(jìn)入巖樣內(nèi)部引起巖屑分解。同時，巖樣浸泡后發(fā)生層理性解理，進(jìn)一步表明巖樣內(nèi)部原始應(yīng)力裂縫發(fā)育，容易發(fā)生裂縫性失穩(wěn)。

2 胺基鉆井液的性能研究

胺基鉆井液體系主要由頁巖抑制劑、包被劑、降失水劑、封堵劑組成，處理劑分子結(jié)構(gòu)中均含有胺基基團，通過多種處理劑組合形成體系抑制優(yōu)勢。抑制劑XZ-301是一種小分子無規(guī)三元共聚物，分子鏈中含胺基和羧基基團，主要起抑制表面水化作用，胺基小分子部分解離成銨正離子，在化學(xué)勢差下，進(jìn)入黏土層間，置換出無機陽離子，促進(jìn)黏土晶層間脫水，減小膨脹力，壓縮晶層，從而抑制黏土水化。包被劑XZ-102是一種高分子無規(guī)多元共聚物，含有季胺基和胺基吸附基團，胺基基團能夠與頁巖、鉆屑以及黏土表面形成更強的相互吸附作用，有利于提高抑制性，在鉆井液中實現(xiàn)胺基多點吸附巖屑和高分子鏈包被鉆屑的雙重效果，有效地包被抑制黏土和鉆屑的水化分散，抑制地層造漿。XZ-201是一種多元聚合物降濾失劑，具有較好的抗鹽性能，降低濾失量效果好，可調(diào)節(jié)鉆井液體系的流變性，提高體系的動塑比，防止井壁垮塌?？箿亟禐V失劑XZ-501是一種可變形聚合物，可以在井壁上形成致密的泥餅，有效降低濾失量，穩(wěn)定井壁。XZ-601是一種乳膠封堵劑，在鉆井液中分散的微小封堵劑顆?？稍跐B透性或微裂縫地層形成封閉膜，阻止鉆井液滲透入地層，并有效降低鉆井液濾失量。

由于胺基基團的強抑制作用，以及各胺基處理劑的性能互相協(xié)調(diào)[6]，胺基鉆井液體系對黏土的水化膨脹降低率可以達(dá)到93%以上，在解決泥頁巖水化引起的井壁失穩(wěn)中起到重要作用。并且胺基鉆井液體系具有低的剪切稀釋特征，在較大程度上能降低泥巖對鉆柱和鉆頭的粘附，保障攜巖能力，提高長水平井段的井眼清潔性，以及有效地降低摩擦阻力和扭矩。

2.1 鉆井液抑制性和封堵性研究

選用優(yōu)選出的胺基鉆井液配方進(jìn)行抑制性研究。配方(w)為：2%膨潤土+0.5% XZ-102+0.5%XZ-201+1% XZ-301+1.5% XZ-501+2% XZ-601+5%KCl+10% NaCl+重晶石。選取克拉瑪依組巖芯，根據(jù)SY/T 5613—2000《泥頁巖理化性能試驗方法》進(jìn)行泥頁巖抑制性試驗，對比體系為聚磺鉆井液體系，試驗結(jié)果見表2。

表2 頁巖膨脹試驗

由表2可見：按標(biāo)準(zhǔn)制作的巖芯在2種鉆井液體系中浸泡180 min后，胺基鉆井液體系的頁巖膨脹率遠(yuǎn)低于聚磺鉆井液體系，表明胺基鉆井液體系具有較好的抑制性。

在120 ℃下熱滾24 h，巖芯滾動回收率試驗結(jié)果見表3。

表3 巖芯滾動回收率試驗

由表3可見：胺基鉆井液中巖芯滾動回收率較高，表明胺基鉆井液除了抑制性強之外，還能有效封堵微裂縫，對控制克拉瑪依組地層的泥頁巖水化分散和封堵作用強，可以促進(jìn)穩(wěn)定井壁[4-9]。

2.2 鉆井液封堵性研究

鉆井液對石炭系地層的封堵作用可采用砂床濾失試驗進(jìn)行評價。采用高溫高壓濾失儀(GGS42-2A型，青島普德)，將高溫高壓濾失試驗中的濾紙換成砂層，使用經(jīng)清水洗凈后烘干的砂子(0.12~0.25 mm)，在壓力機中加壓10 MPa，保持30 min，再裝入底座，上層加入鉆井液，按測試API濾失量的方法加壓測試濾失量和濾液進(jìn)入砂床的深度。試驗溫度120 ℃，試驗時間30 min，試驗結(jié)果見表4。

表4 砂床濾失試驗結(jié)果

由表4可見：砂床濾失試驗中鉆井液侵入砂床深度不足5 cm，表明在井下環(huán)境中鉆井液具有較強的封堵作用。

綜上分析，鉆井液對石炭系破碎巖層侵入程度低，配合提高封堵劑含量，加強地層膠結(jié)作用，同時配合抑制性和流型調(diào)節(jié)減輕沖刷效果，對裂縫性地層可起到較強的穩(wěn)定作用。

2.3 鉆井液水力學(xué)研究

鉆井液的流型、水力參數(shù)、剪切稀釋性應(yīng)能滿足穩(wěn)定地層、懸浮攜巖的要求，在水平井段鉆井的情況下，還需考慮采用適當(dāng)?shù)你@井液水力學(xué)參數(shù)，以避免對地層沖刷作用過大造成井徑不規(guī)則，使得定向工具面不穩(wěn)定、托壓嚴(yán)重等問題，還需要求鉆井液具有良好的抑制造壁、防塌、潤滑性、儲層保護及有利于清除巖屑床等性能。

根據(jù)瑪湖油田地層的壓力情況，在胺基鉆井液基礎(chǔ)配方中加入重晶石至密度1.60 g/cm3，再進(jìn)行流變性研究[10]，滾動老化試驗條件為120 ℃，時間為16 h，試驗結(jié)果見表5。

表5 鉆井液流變性能表

由表5可見：鉆井液體系高溫滾動老化試驗前后體系的黏度、切力、中壓及高溫高壓濾失量穩(wěn)定，流變性能好，動塑比高。

根據(jù)鉆井液配方熱滾后的流變性數(shù)據(jù)進(jìn)行水力學(xué)計算，采用賓漢流體模型，計算環(huán)空鉆井液雷諾數(shù)，鉆頭尺寸選擇117.5 mm，井眼擴大率為10%，鉆桿直徑73 mm，鉆井泵排量7 L/s。

根據(jù)賓漢方程：

環(huán)空流雷諾數(shù)方程：

式中：τ——剪應(yīng)力，Pa；

τ0——屈服值，Pa；

ηp——塑性黏度，Pa·s；

γ——剪切速率，s-1；

Re——雷諾數(shù)；

ρ——密度，kg/m3；

Dh——井眼直徑，m；

D0——鉆桿外徑，m；

V——流速，m/s。

代入數(shù)據(jù)計算可得：Re=2 200。

依據(jù)鉆井液流態(tài)判定準(zhǔn)則，Re＞2 100為紊流，Re＜2 100為層流，胺基鉆井液處于紊流向?qū)恿鞯倪^渡段，是一種平板型層流的流型，一方面近井壁地帶流線呈平行態(tài)，流速低且不易形成滯留區(qū)，另一方面環(huán)空中相鄰層面流線間剪切作用大，流體呈整體向前推動型態(tài)，鉆屑在此流體中不易下沉，對防止形成巖屑床有利。

2.4 儲層保護效果

瑪湖油田克拉瑪依組水平井段長度超過1 000 m，是主要儲層段，需對其儲層保護效果進(jìn)行研究，采用巖芯滲透率試驗[8]，試驗條件為壓差3.5 MPa，溫度60 ℃，剪切速率150 s-1，時間4 h，試驗結(jié)果見表6。

表6 巖芯滲透率試驗

由表6可見：經(jīng)過2組平行試驗，胺基鉆井液的滲透率恢復(fù)值都達(dá)到了85%以上，巖芯滲透率恢復(fù)值越高，表明對儲層傷害程度越小，表明該鉆井液可以滿足瑪湖油田的儲層保護要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用研究

3.1 復(fù)雜地層概況

胺基鉆井液試驗井為MaHW6300井，重點井段是三開井段，易出現(xiàn)鉆井復(fù)雜，地層為克拉瑪依組、百口泉組。克拉瑪依組地層巖性以灰色泥巖為主，夾泥質(zhì)細(xì)砂巖，百口泉組地層巖性以泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖含礫細(xì)砂巖、砂礫巖為主。

三開井段自3 502 m開始造斜，3 807 m進(jìn)入水平井段，設(shè)計完鉆井深為4 869 m。井眼直徑為117.5 mm，采用常規(guī)MWD定向鉆具組合。

三開井段設(shè)計鉆井液密度為1.40~1.60 g/cm3，克拉瑪依組地層壓力高，易發(fā)生井壁失穩(wěn)，鉆進(jìn)中普遍存在掉塊垮塌現(xiàn)象。下部百口泉組是主要儲層，裂縫發(fā)育，常發(fā)生鉆井液漏失。

3.2 胺基鉆井液體系應(yīng)用情況

MaHW6300井二開、三開采用胺基鉆井液體系，二開施工情況順利，無事故、無復(fù)雜，在二開完井后循環(huán)調(diào)整鉆井液性能，達(dá)到三開密度、流變性等要求后開鉆。三開井段地層最高溫度約為112 ℃，井溫高、密度高、地層情況復(fù)雜，鉆井液調(diào)控重點是抑制性、抗溫降濾失性能和保持良好流變性能。

克拉瑪依組地層的施工重點是加強鉆井液的強抑制性和封堵性，控制因物理化學(xué)因素導(dǎo)致的地層失穩(wěn)，在易坍塌井段采用設(shè)計密度上限以平衡井眼最大主應(yīng)力[4-9]。百口泉組地層的施工重點是控制好鉆井液流變性，保障水平井段巖屑攜帶效果，防止水平井下井壁巖屑堆積[10]，并保持有效的油層保護劑含量，做好儲層保護措施。

在三開井段全面調(diào)整鉆井液性能達(dá)到設(shè)計要求后開鉆，起始鉆井液密度采用1.55 g/cm3，鉆進(jìn)至克拉瑪依組易坍塌井段密度提高至1.60 g/cm3，三開井段的鉆井液應(yīng)用性能見表7。

表7 鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用性能

由表7可見：在現(xiàn)場施工中，胺基鉆井液性能較為穩(wěn)定，可根據(jù)施工要求進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后性能保持較好，全井無施工復(fù)雜現(xiàn)象，易于現(xiàn)場施工，表明該鉆井液體系與瑪湖油田三疊系地層的相容性較強。

現(xiàn)場鉆井液應(yīng)用性能較符合設(shè)計體系流型，鉆井過程中無發(fā)生井壁失穩(wěn)，攜巖性能正常，定向鉆進(jìn)過程中無嚴(yán)重托壓現(xiàn)象。

水平井段在長1 100 m的施工中鉆井液屈服值高，動塑比高，鉆井摩阻低，起下鉆暢通，表明胺基鉆井液流變性能好，對水平井段的井眼凈化能力強，由此提高了鉆速，全井平均鉆速為7.02 m/h，井徑擴大率6.29%，相較于該區(qū)塊平均鉆速5.88 m/h有明顯提高。

4 結(jié)論

1)瑪湖區(qū)塊主要復(fù)雜層位為克拉瑪依組和百口泉組，克拉瑪依組表面水化能力較強，易發(fā)生硬脆性失穩(wěn)；百口泉組地層裂縫發(fā)育，易發(fā)生井漏。

2)胺基鉆井液體系的研究表明：體系抗溫能力良好，抑制性和封堵能力強，對易坍塌的克拉瑪依組巖芯有較強的抑制作用，水力學(xué)特征符合平板型層流特征。

3)胺基鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用表明：胺基鉆井液的流變特性好，性能穩(wěn)定，長水平井段井眼凈化能力強，泥頁巖地層未發(fā)生井眼坍塌問題，對提高鉆井效益有較高效果。