曹 輝， 李寶軍， 趙向陽

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安710018）

ITT區(qū)塊是厄瓜多爾最大的產(chǎn)油區(qū)塊，位于該國(guó)東部亞馬遜熱帶雨林腹地Oriente盆地的東南部，毗鄰秘魯邊界。ITT區(qū)塊已探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量約8.5×108t，可采石油儲(chǔ)量達(dá)到 2.2×108t，占該國(guó)已探明石油儲(chǔ)量的41%。ITT區(qū)塊由Ishpingo、Tiputini和Tambococha等3個(gè)油田組成，其中Tambococha油田位于亞蘇尼國(guó)家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，井場(chǎng)周圍遍布河流及熱帶雨林，鉆井環(huán)保要求苛刻，區(qū)域地質(zhì)沉積屬于海相環(huán)境沉積，主要地層為古近系–新近系和白堊系。白堊系是其開發(fā)的主要目的層，自下而上由Hollin組、Napo組 和 Tena組組成，地層松散破碎，微孔裂縫發(fā)育，井壁垮塌和儲(chǔ)層保護(hù)問題突出。

Tambococha油田勘探開發(fā)前期，普遍使用無機(jī)鹽聚合物鉆井液或ULTRADRIL強(qiáng)抑制性水基鉆井液，但未從根本上解決該油田井眼易失穩(wěn)和儲(chǔ)層傷害問題[1–2]。為此，筆者開展了鉆井液技術(shù)分析和室內(nèi)試驗(yàn)，利用聚合醇濁點(diǎn)效應(yīng)和環(huán)境友好的特點(diǎn)，復(fù)配乳化石蠟和其他剛性粒子，研制了強(qiáng)封堵儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得良好效果，滿足了Tambococha油田水平井安全鉆井及儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)要求。

1 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)及解決思路

1.1 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

Tambococha油田水平井下部井段鉆遇的Hollin組、Napo組和Tena組以頁巖為主，灰?guī)r和砂巖交替發(fā)育，并夾雜大段綠色礫石層，且微裂縫發(fā)育，地層比較復(fù)雜，鉆井中經(jīng)常發(fā)生井下故障。分析認(rèn)為，該油田主要存在以下鉆井液技術(shù)難點(diǎn)：

1）井眼失穩(wěn)問題。Tambococha油田下部地層中的泥頁巖由伊利石和伊/蒙混層組成，蒙脫石較少，內(nèi)部微孔微裂縫較多，且產(chǎn)層砂巖孔隙度大，滲透性強(qiáng)，井壁上容易堆積較厚濾餅；加之水平井設(shè)計(jì)成了大尺寸井眼、長(zhǎng)裸眼段，更加劇了地層的不穩(wěn)定性。其中，水平段所鉆遇地層灰?guī)r和砂巖交替發(fā)育，地層松散破碎且微裂縫發(fā)育，微裂縫中含有極少量的膨脹性黏土礦物，在鉆井液濾液侵入后，由于滲透水化作用，進(jìn)一步破壞了地層原始應(yīng)力的穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)井壁垮塌等井眼失穩(wěn)問題。

2）儲(chǔ)層損害問題。Tambococha油田儲(chǔ)層Napo組地層膠結(jié)疏松、成巖性差，具有高孔隙度、高滲透率、孔喉普遍發(fā)育和地層壓力低等特點(diǎn)。Napo組孔隙度為 15%～23%，滲透率為 600～1 000 mD。由于儲(chǔ)層孔喉尺寸分布范圍廣，孔喉半徑大，且通常采用過平衡鉆井方式，在正壓差作用下，鉆井液中的固相和濾液很容易侵入地層，造成嚴(yán)重的儲(chǔ)層損害問題。

3）鉆井環(huán)保問題。Tambococha油田處于亞蘇尼熱帶雨林國(guó)家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，生態(tài)環(huán)境極其敏感，該油田勘探開發(fā)產(chǎn)生的環(huán)境問題得到當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)和政府的高度關(guān)注。為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，厄瓜多爾政府頒布的最新石油法中明確規(guī)定，鉆井廢棄物處理后必須達(dá)到美國(guó)EPA1311環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，對(duì)鉆井液環(huán)保性能提出了較高的要求。

1.2 解決思路

針對(duì)上述鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，在優(yōu)選環(huán)保處理劑的前提下，提出了構(gòu)建Tambococha油田水平井鉆井液的思路：1）利用鉆井液物理–化學(xué)協(xié)同封堵來強(qiáng)化井壁，同時(shí)輔助一定的固相封堵架橋材料及聚合物降濾失劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)泥頁巖微裂縫和微孔隙的封堵，并抑制黏土礦物水化膨脹分散，以防止井眼失穩(wěn)；2）針對(duì)該油田儲(chǔ)層高孔滲、低壓力的特點(diǎn)，以屏蔽暫堵顆粒合理級(jí)配、微乳液封堵，實(shí)現(xiàn)孔喉暫堵，降低儲(chǔ)層傷害[3–15]；3）優(yōu)選出具有濁點(diǎn)效應(yīng)的聚合醇處理劑和可變形粒子的乳化石蠟處理劑，進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)，再輔助其他環(huán)保鉆井液處理劑，形成強(qiáng)封堵儲(chǔ)層保護(hù)水基鉆井液配方。

2 強(qiáng)封堵儲(chǔ)層保護(hù)水基鉆井液的研制

2.1 防塌封堵劑優(yōu)選

利用聚合醇類處理劑的濁點(diǎn)效應(yīng)、吸附作用和表面滲透性等實(shí)現(xiàn)頁巖抑制、封堵、防塌的目的。為此，選取了液體聚合醇XCS-Ⅲ、聚丙二醇400、固體聚合醇PGCS-1和聚乙二醇6 000作為防塌封堵劑，并通過頁巖膨脹試驗(yàn)評(píng)價(jià)了抑制性能。頁巖在幾種聚合醇溶液中的線性膨脹量測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 頁巖在不同聚合醇溶液中的線性膨脹量Table 1 Linear expansion of shale in different polyalcohol solutions

由表1可知，幾種聚合醇溶液的抑制性能由強(qiáng)到弱依次為 XCS-Ⅲ，PGSC-1，聚乙二醇 6 000 和聚丙二醇400。因此，選取聚合醇XCS-Ⅲ作為強(qiáng)封堵儲(chǔ)層保護(hù)水基鉆井液的防塌封堵劑。

另外，乳化石蠟G325具有較低的粒子軟化溫度，可為鉆井液提供與地層溫度相適應(yīng)的、粒徑與被封堵微裂縫尺寸相匹配的、可變形的軟化粒子，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類微裂縫的有效封堵，達(dá)到保持井眼穩(wěn)定的目的。因此，選取乳化石蠟G325與聚合醇XCS-Ⅲ復(fù)配，進(jìn)行正交回收率試驗(yàn)。結(jié)果表明，乳化石蠟G325有助于進(jìn)一步提高巖屑的熱滾回收率，二次回收率達(dá)到85%以上，兩者協(xié)同效應(yīng)顯著且復(fù)配性能穩(wěn)定。因此，將聚合醇XCS-Ⅲ與石蠟G325復(fù)配來配制強(qiáng)封堵儲(chǔ)層保護(hù)水基鉆井液。

2.2 降濾失劑優(yōu)選

選取目前幾種降濾失效果較好的聚合物降濾失劑和封堵型降濾失劑（磺化瀝青、白瀝青、低黏聚陰離子纖維素PAC-LV、天然高分子降濾失劑和羥丙基淀粉等）進(jìn)行了常溫中壓濾失試驗(yàn)。結(jié)果表明，這幾種降濾失劑均能使4%膨潤(rùn)土漿的濾失量降低，其中PAC-LV的降濾失效果最好。因此，以PAC-LV為配制強(qiáng)封堵儲(chǔ)層保護(hù)水基鉆井液的主降濾失劑，并以白瀝青為輔降濾失劑。

2.3 潤(rùn)滑劑優(yōu)選

水平井水平段鉆進(jìn)過程中，鉆井液的潤(rùn)滑減阻性能非常重要。為此，分別選取DFL-1、GHR-1、MudLube和JN302等4種油基潤(rùn)滑劑進(jìn)行了潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟及結(jié)果：1）利用極壓潤(rùn)滑儀，測(cè)試4%膨潤(rùn)土漿加入上述4種潤(rùn)滑劑前后的潤(rùn)滑系數(shù)，分析測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑效果由好到差依次為MudLube，DFL-1，GHR-1 和 JN302；2）借助 DA-II動(dòng)態(tài)模擬潤(rùn)滑儀，測(cè)試了上述4種潤(rùn)滑劑在不同側(cè)向力條件下的摩擦系數(shù)，觀察了MudLube在不同側(cè)向力下的潤(rùn)滑性能，發(fā)現(xiàn)隨著MudLube加量增大，不同側(cè)向力下的摩擦系數(shù)和扭矩逐漸降低，體系表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑效果，當(dāng)MudLube的加量超過2%時(shí)，摩擦系數(shù)和扭矩均趨于穩(wěn)定。因此，選擇MudLube作為強(qiáng)封堵儲(chǔ)層保護(hù)水基鉆井液的主要潤(rùn)滑劑。

2.4 強(qiáng)封堵儲(chǔ)層保護(hù)水基鉆井液配方及基本性能

通過以上試驗(yàn)，確定了XCS-Ⅲ+G325的防塌封堵鉆井液主體配方，結(jié)合篩選的潤(rùn)滑劑、降濾失劑，再輔以其他環(huán)保處理劑，確定強(qiáng)封堵儲(chǔ)層保護(hù)水基鉆井液（以下記為AKUA鉆井液）的基本配方為：

0.5%～1.5% XCS-Ⅲ + 1.0%～3.0% G325 + 0.2%～0.3%XC + 0.1%～0.3% PAV-HV + 0.5%～1.5% PAC-LV +1.0%～3.0% 白瀝青+ 1.0%～3.0% MudLube。用石灰石加重，使鉆井液密度在1.05～1.25 kg/L，用堿度調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)其pH值至8～9。AKUA鉆井液基本配方的基本性能如表2所示。

表2 AKUA鉆井液的基本性能Table 2 Basic properties of AKUA drilling fluid

3 鉆井液性能評(píng)價(jià)

根據(jù)厄瓜多爾Tambococha油田水平井鉆遇的下部地層地質(zhì)特點(diǎn)，通過室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)AKUA鉆井液的抑制性能、封堵性能、儲(chǔ)層保護(hù)及環(huán)保性能，以確定該鉆井液的性能是否滿足要求。

3.1 抑制性能

利用OFI膨脹量測(cè)試儀，在室溫下測(cè)試了頁巖在幾種鉆井液濾液中的線性膨脹量，結(jié)果見圖1。由圖1可知，頁巖在AKUA鉆井液中的線性膨脹量最小，與其在清水中的線性膨脹量相比，降低了64.8%，表明該鉆井液具有良好的抑制頁巖膨脹的性能。

圖1 頁巖在幾種鉆井液中的線性膨脹量Fig.1 Linear expansion of shale in several drilling fluids

3.2 封堵性能

Tambococha油田主力油層Napo組的U層和T層屬于高孔高滲低壓儲(chǔ)層，滲透率 600～1 000 mD，孔隙度18%～20%，利用理想充填原理計(jì)算出其平均孔隙直徑為42 μm。用碳酸鈣屏蔽暫堵儲(chǔ)層，由理想充填模型計(jì)算得知，在滲透率為800 mD、孔隙度為20%時(shí)，最大孔喉直徑為41 μm ，即碳酸鈣粒徑分布為D90=41.3 μm、D50=12.5 μm、D10=0.5 μm，就能實(shí)現(xiàn)孔隙封堵。100目石灰石和325目石灰石按3∶1復(fù)配，計(jì)算出其加量為10%時(shí)的粒徑分布曲線與理想充填曲線擬合地較好，能實(shí)現(xiàn)有效封堵（如圖2所示）。

圖2 封堵材料架橋模擬計(jì)算結(jié)果Fig.2 Bridging simulation results of plugging materials

3.3 儲(chǔ)層巖心傷害評(píng)價(jià)

選取Tambococha油田主力儲(chǔ)層Napo組U層的3塊巖心，利用巖心動(dòng)態(tài)傷害系統(tǒng)進(jìn)行了傷害評(píng)價(jià)試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟：1）測(cè)試巖心滲透率；2）對(duì)巖心進(jìn)行污染，以形成暫堵帶，以6 mL/min的流量，將AKUA基漿驅(qū)入巖心，當(dāng)巖心進(jìn)口壓力達(dá)到3.5 MPa時(shí)，保持此壓力，直至出口端基本沒有液體流出，此時(shí)污染完成；3）用煤油對(duì)巖心進(jìn)行反向驅(qū)替，待煤油開始突破暫堵帶時(shí)，記錄下此時(shí)的壓力（突破壓力）及反排壓力，并記錄反向流動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 巖心反排試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of core flowback

由表3可知，在模擬地層條件下，AKUA鉆井液對(duì)巖心的傷害率平均只有10.25%，表明AKUA鉆井液具有良好的降低油層損害的性能。

3.4 環(huán)保性能

目前，國(guó)內(nèi)外普遍使用水質(zhì)五日生化需氧量與水質(zhì)化學(xué)需氧量之比（BOD5/COD），來考察有機(jī)物的生物可降解性。評(píng)價(jià)試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)“水質(zhì)：化學(xué)需氧量的測(cè)定：重鉻酸鹽法”（HJ 828—2017）和“水質(zhì)：五日生化需氧量（BOD5）的測(cè)定：稀釋與接種法”（ HJ 505—2009）進(jìn)行。參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)評(píng)價(jià)方法”（SY/T 6 788—2010）和“水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)要求”（SY/T 6 787—2010），用 BOD5/COD評(píng)價(jià)生物可降解性，標(biāo)準(zhǔn)為：Y=BOD5/COD，Y≥0.05，易；0.01≤Y<0.05，較難；Y<0.01，難。使用哈希COD max plus sc 型分析儀和哈希 BOD Trak II型分析儀測(cè)定AKUA鉆井液的COD和BOD5，AKUA鉆井液的BOD5/COD為0.440，表明其易生物降解。

采用發(fā)光細(xì)菌法，通過顯微毒性試驗(yàn)評(píng)價(jià)鉆井液的環(huán)保性能。該方法是加拿大測(cè)試海上鉆井液生物毒性的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。采用石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)評(píng)價(jià)方法”（SY/T 6 788—2010）中的EC50評(píng)價(jià)鉆井液的生物毒性：EC50<1，劇毒；120 000，無毒。AKUA 鉆井液的EC50為 51 200，表明其無毒。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研制的強(qiáng)封堵儲(chǔ)層保護(hù)水基鉆井液（AKUA鉆井液）在厄瓜多爾Tambococha油田15口水平井進(jìn)行了應(yīng)用，均取得成功，鉆井過程中井壁穩(wěn)定、起下鉆順暢、套管均一次下到底，且鉆屑環(huán)保指標(biāo)能夠達(dá)到美國(guó)EPA1311環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，可直接回注到地層。應(yīng)用該鉆井液，有效解決了Tambococha油田水平井鉆速慢、易發(fā)生井下故障的問題，并多次打破該油田水平井鉆井紀(jì)錄，有效推進(jìn)了Tambococha油田鉆井提速提效。

分析表明，AKUA鉆井液主要應(yīng)用效果為：

1）井壁防塌效果明顯。優(yōu)選了適合地層孔隙尺寸的粒徑級(jí)配封堵劑，然后與聚合醇進(jìn)行復(fù)配，實(shí)現(xiàn)了井壁微裂縫封堵和抑制頁巖膨脹分散，降低了井壁壓力傳遞，使井徑規(guī)則、井眼穩(wěn)定、起下鉆順暢，下套管一次到底。進(jìn)入水平段的砂巖地層后，AKUA鉆井液密度控制在1.05～1.06 kg/L，起到了良好的井壁穩(wěn)定能力。

2）潤(rùn)滑減阻性能優(yōu)良。AKUA鉆井液選用的主要處理劑聚合醇和乳化石蠟均具有良好的潤(rùn)滑作用，再配合高效潤(rùn)滑劑MudLube，使該鉆井液的潤(rùn)滑性能更好，有效降低了摩阻?；瑒?dòng)鉆進(jìn)井段均未出現(xiàn)托壓，起下鉆暢通無阻。

3）儲(chǔ)層保護(hù)效果顯著。Tambococha油田水平井采用裸眼完井方式，用完井鹽水頂替鉆井液后下篩管直接投產(chǎn)，未采取任何儲(chǔ)層改造措施。投產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用AKUA鉆井液的水平井均屬于高產(chǎn)井，平均單井日產(chǎn)原油超過300 t，較鄰井產(chǎn)量提高近90%，充分說明AKUA鉆井液具有優(yōu)良的儲(chǔ)層保護(hù)特性，很大程度上降低了井筒中流體和固相顆粒對(duì)儲(chǔ)層的污染損害。

4）環(huán)保檢測(cè)達(dá)標(biāo)。Tambococha油田產(chǎn)生的鉆井廢液及鉆屑必須在指定的地點(diǎn)進(jìn)行填埋，或直接回注到地層?？紤]其外運(yùn)成本高、周期長(zhǎng)和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)大等因素，現(xiàn)場(chǎng)一般采用鉆屑回注工藝，將鉆井廢液及鉆屑直接回注到Napo組T層（垂深1 645.60～1 705.70 m）的砂巖地層?；刈⒅?，當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門聘請(qǐng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井廢液和鉆屑進(jìn)行了取樣檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，應(yīng)用AKUA 鉆井液井產(chǎn)生的鉆井廢液和鉆屑符合厄瓜多爾當(dāng)?shù)厥头ㄒ?guī)定的鉆井廢棄物排放環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，可直接回注到地層?，F(xiàn)場(chǎng)鉆井廢液、鉆屑的檢驗(yàn)結(jié)果分別見表4、表5。

表4 現(xiàn)場(chǎng)鉆井廢液檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of well site waste drilling fluids

表5 現(xiàn)場(chǎng)鉆屑檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of well site drilling cuttings

5 結(jié)論與建議

1）針對(duì)厄瓜多爾Tambococha油田下部地層水平井井眼失穩(wěn)、儲(chǔ)層損害及鉆井存在的環(huán)保問題，利用乳化液滴、濁點(diǎn)效應(yīng)、微米顆粒及剛性粒子等的協(xié)同封堵作用，以阻止液相和固相侵入地層，研制了一種強(qiáng)封堵儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液（AKUA鉆井液）。

2）AKUA鉆井液性能穩(wěn)定、環(huán)保性能突出，且現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)簡(jiǎn)便，不僅可滿足地質(zhì)、鉆井需求，還能滿足熱帶雨林環(huán)境敏感區(qū)域的鉆井環(huán)保要求，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的雙重效益。

3）AKUA鉆井液在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了很好的效果，主要表現(xiàn)為井眼穩(wěn)定、起下鉆順暢。應(yīng)用后平均單井日產(chǎn)原油超過300 t，較鄰井提高產(chǎn)量近90%，為Tambococha油田鉆井提速和規(guī)模上產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。

4）建議繼續(xù)研發(fā)新型鉆井液處理劑，優(yōu)化AKUA鉆井液配方，提高該鉆井液的綜合性能，然后在厄瓜多爾ITT區(qū)塊水平井長(zhǎng)水平段全面推廣應(yīng)用。