侯 岳 ，劉春生 ，劉 聃 ，何 楠

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局定向鉆井技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 廊坊 065000）

0 引言

為了進(jìn)一步加快淺層油氣藏的開發(fā)，提高經(jīng)濟(jì)效益，淺層水平井在國內(nèi)外很多地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，大大提高了淺層油氣藏開發(fā)效果，加快了淺層油氣藏高效開發(fā)的步伐。如委內(nèi)瑞拉東部埋深600 m 以下的稠油、超稠油采用水平井開采效果就非常好，產(chǎn)量達(dá)到鄰近直井的6 倍以上，目前該區(qū)主要開采方式為水平井［1］。在國內(nèi)應(yīng)用淺層水平井最早的油田為新疆克拉瑪依油田，其油藏埋深在180 m 左右的九 6 和九 8 區(qū)。2005 年，超淺層稠油水平井HW9802 試驗(yàn)獲得成功，成為新疆油田應(yīng)用普通直井鉆機(jī)鉆超淺層稠油水平井成功實(shí)施的第一口井，也成為當(dāng)時(shí)國內(nèi)應(yīng)用常規(guī)直井鉆機(jī)所鉆垂深最淺的水平井。該井完鉆井深421.8 m，完鉆垂深144.09 m，井斜91.2°，水平位移329.42 m，位移與垂深比達(dá)到 2.28［2］。

相比常規(guī)油氣藏，海域天然氣水合物儲(chǔ)層埋藏更淺，地層更加松軟［3］，鉆井液密度窗口更窄。根據(jù)印度天然氣水合物勘查項(xiàng)目組的預(yù)測(cè)，印度海域泥線以下385 m 左右，天然氣水合物目的層地層破裂壓力當(dāng)量密度為1.3～1.35 g/cm3。中國神狐海域天然氣水合物在泥線以下203～277 m 處，所預(yù)測(cè)的目的層破裂壓力當(dāng)量密度僅為1.14～1.15 g/cm3，孔隙壓力當(dāng)量密度1.03～1.05 g/cm3。如此窄的鉆井液密度窗口，將會(huì)給井底壓力控制帶來極大的困難［4］。為了進(jìn)一步摸索淺軟地層水平井施工對(duì)鉆井液的技術(shù)要求，針對(duì)鉆井過程中井壁穩(wěn)定、井眼清潔、潤滑減阻以及密度窗口窄等技術(shù)難題，開展了一系列的淺軟地層水平井鉆井液室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證室內(nèi)研發(fā)的淺軟地層水平井鉆井液體系能夠滿足鉆井施工的要求，同時(shí)進(jìn)一步掌握了淺軟地層水平井現(xiàn)場(chǎng)施工鉆井液性能參數(shù)以及施工工藝。

1 淺軟地層水平井鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

1.1 井壁穩(wěn)定

由于淺部地層膠結(jié)程度差，鉆井過程中，井壁受鉆井液的浸泡和沖蝕易發(fā)生失穩(wěn)坍塌，尤其在大斜度井段和水平井段，上井壁在失去地層支撐后更易發(fā)生坍塌，井壁穩(wěn)定問題將顯得尤為突出［5-6］。

1.2 井眼清潔

由于水平試采井井斜大，且定向井段造斜率高，同時(shí)地層較為疏松，為增加造斜效果，鉆進(jìn)過程中鉆井液排量極易受限，巖屑不易及時(shí)攜帶出井眼，井眼清潔困難［7-8］。

1.3 流變性能控制

由于淺軟地層膠結(jié)性差，且地層巖性泥質(zhì)含量高，鉆進(jìn)過程中巖屑在水力沖擊作用下極易分散，返出的巖屑無法及時(shí)地被震動(dòng)篩清除，導(dǎo)致巖屑不斷地隨鉆井液一起循環(huán)分散，加之淺層泥巖造漿能力強(qiáng)，隨著進(jìn)入鉆井液中巖屑量的增加和不斷分散造漿，鉆井液的粘切不斷增加，最終導(dǎo)致鉆井液流變性能惡化、流動(dòng)困難［9-11］。

1.4 井眼漏失

淺軟地層水平井隨著水平位移的增加，易導(dǎo)致環(huán)空壓耗的不斷增加，加上水平井段鉆進(jìn)過程中如果巖屑不能及時(shí)攜帶出井眼將造成環(huán)空鉆井液密度不斷上升，從而導(dǎo)致鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度的上升，鉆井液密度窗口進(jìn)一步減小，極易造成地層被壓裂而發(fā)生漏失［12-13］。

1.5 潤滑減阻

由于井身結(jié)構(gòu)的限制，鉆井過程中造斜率高，如果采取常規(guī)定向鉆具鉆進(jìn)，易發(fā)生托壓，特別在水平段鉆進(jìn)時(shí)，隨著水平段不斷增加，鉆具與井壁之間的摩阻將不斷增加，需要鉆井液具備優(yōu)良的潤滑性能，從而保證定向鉆進(jìn)順利實(shí)施以及完井管柱的順利下入［14-15］。

2 室內(nèi)研究

鑒于淺軟地層水平井施工地層特點(diǎn)，結(jié)合淺軟地層水平井鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，從鉆井液流變性能、抑制性能、潤滑性能、攜巖性能等方面對(duì)淺軟地層水平井鉆井液體系進(jìn)行了室內(nèi)優(yōu)選評(píng)價(jià)。鉆井液體系在充分考慮淺軟地層水平井鉆井液性能要求的前提下，首先優(yōu)選出構(gòu)建鉆井液體系所需的降濾失劑、提切劑、抑制劑、潤滑劑等主要單劑，在優(yōu)選出單劑的基礎(chǔ)上進(jìn)行鉆井液體系配方優(yōu)化研究。針對(duì)兩個(gè)優(yōu)選出的鉆井液體系配方，對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)對(duì)比評(píng)價(jià)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如下。

2.1 流變性能測(cè)試評(píng)價(jià)

根據(jù)優(yōu)選出來的兩個(gè)配方，在室內(nèi)配制樣品進(jìn)行流變性能測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 鉆井液體系流變性測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Rheological test data of drilling fluid systems

1 號(hào)配方：2%鈉土漿+1%聚合物降濾失劑+0.3%包被抑制劑+0.2%提切劑+5% KCl+3%液體潤滑劑。

2 號(hào)配方：2%鈉土漿+1%聚合物降濾失劑+0.3% 包被抑制劑+0.2% 提切劑+1% 聚胺抑制劑+3%液體潤滑劑。

從流變性能評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)可以看出，兩個(gè)鉆井液體系配方流變性能較好，無論是動(dòng)塑比（YP/PV）還是Φ3、Φ6 值都處于較優(yōu)的范圍內(nèi)，能夠滿足水平井鉆井對(duì)鉆井液流變性能的要求。

2.2 抑制性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)稱取10 g 膨潤土在4 MPa 壓力下持續(xù)壓制5 min，制成模擬巖心，利用線性膨脹量測(cè)定儀，在室溫下評(píng)價(jià)了鉆井液體系1 號(hào)配方和2 號(hào)配方抑制膨潤土水化膨脹的效果［16］，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 鉆井液體系配方抑制粘土膨脹測(cè)試Fig.1 Test of various drilling fluid formulations for inhibiting clay expansion

從粘土膨脹測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，16 h 測(cè)試后，粘土在鉆井液體系1 號(hào)配方和2 號(hào)配方中的膨脹高度分別為2.74 mm 和2.5 mm，比在清水中膨脹8.0 mm的高度降低了65.8%和68.8%，抑制粘土水化膨脹效果優(yōu)良。試驗(yàn)結(jié)果顯示鉆井液體系中加入5%KCl 和1%聚胺抑制劑均具有良好的抑制性能，能夠有效防止粘土水化膨脹，有利于淺部地層的井壁穩(wěn)定。

2.3 潤滑性能評(píng)價(jià)

使用OFI-EP 極壓潤滑儀測(cè)試鉆井液體系1 號(hào)配方和2 號(hào)配方的潤滑系數(shù)，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 鉆井液體系潤滑性能測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of lubricating performance of drilling fluid systems

從潤滑性能測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，兩個(gè)鉆井液體系配方的極壓潤滑系數(shù)均小于0.1，滿足水平井鉆井對(duì)鉆井液潤滑性能的要求。

2.4 攜巖性能測(cè)試

為了進(jìn)一步測(cè)試優(yōu)選出鉆井液體系的攜巖能力，采用IDS-8000 型智能化多功能鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬井筒攜巖測(cè)試，實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2 所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)配備了井筒架、泥漿泵、配漿池、動(dòng)力系統(tǒng)、操控系統(tǒng)等。其中井筒架長6 m，可在0°～90°范圍內(nèi)通過控制桿人工調(diào)節(jié)模擬不同井斜下的攜巖測(cè)試；泥漿泵排量分為低-Ⅰ、低-Ⅱ、高-Ⅰ、高-Ⅱ四擋，其中最大排量可達(dá)150 L/min，使用?45 mm 內(nèi)徑測(cè)試管可實(shí)現(xiàn)最大流速1.57 m/s。為了便于觀察，攜巖測(cè)試專門選用白色石英砂，且篩分成粗于6 目（3.2～4 mm）、6～10 目（1.7～3.2 mm）、10～20 目（0.9～1.7 mm）等不同粒徑規(guī)格以模擬不同尺寸的鉆屑。

圖2 IDS-8000 型智能化多功能鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.2 IDS-8000 intelligent multifunctional drilling test bench

結(jié)合淺軟地層巖屑尺寸分布情況，選用10～20目（約0.9～1.7 mm）石英砂模擬攜巖測(cè)試用巖屑，對(duì)優(yōu)選出的兩個(gè)配方，分別在不同井斜角和不同流速條件下，進(jìn)行攜巖測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3。從攜巖模擬測(cè)試數(shù)據(jù)分析，優(yōu)選出來的2 個(gè)配方均具有良好的攜巖能力，在鉆井液返速0.8～1.0 m/s 的條件下就能滿足水平井清潔井眼的要求。

表3 鉆井液體系配方攜巖測(cè)試結(jié)果Table 3 Cuttings?carrying test results of drilling fluid systems

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 鉆井液配制及維護(hù)

開鉆前，地面用清水配制0.5%含量的包被抑制劑膠液進(jìn)行鉆進(jìn)，利用包被抑制劑減少淺層泥巖巖屑水化分散，同時(shí)對(duì)機(jī)械分散的劣質(zhì)土相進(jìn)行絮凝，結(jié)合使用固控設(shè)備及時(shí)清除。鉆進(jìn)過程中往鉆井液中不斷補(bǔ)充包被抑制劑，維持其有效含量不低于0.5%。隨著井斜不斷增加，逐漸往鉆井液中補(bǔ)充提切劑調(diào)整鉆井液的切力，當(dāng)井斜達(dá)到30°后，調(diào)整鉆井液Φ3 讀值不低于8。第一造斜段鉆進(jìn)結(jié)束起鉆前，加入1% 降濾失劑控制鉆井液失水小于6 mL，維持第一造斜段擴(kuò)眼和下表層套管期間的井壁穩(wěn)定。

下完表層套管后，處理調(diào)整第一造斜段回收的鉆井液用于第二造斜段及水平段鉆井施工。首先，開啟離心機(jī)清除鉆井液中的有害固相，控制MBT在30～40 g/L，分別在前兩口水平試驗(yàn)井中按1 號(hào)鉆井液配方和2 號(hào)鉆井液配方調(diào)整鉆井液。通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比應(yīng)用兩個(gè)鉆井液配方，1 號(hào)配方加入KCl 后起鉆相對(duì)較困難，尤其泥巖段倒劃眼扭矩較大，同時(shí)加入KCl 會(huì)增加鉆井液的密度，對(duì)淺層防漏不利，后續(xù)試驗(yàn)井施工一直使用鉆井液2 號(hào)配方進(jìn)行水平段鉆井液性能調(diào)整。第二造斜段及水平井段鉆進(jìn)過程中，利用提切劑控制鉆井液Φ3 讀值不低于8，并保持鉆井液中液體潤滑劑含量不低于3%，以減輕滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中的托壓?jiǎn)栴}?，F(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能測(cè)量數(shù)據(jù)見表4。

表4 陸地試驗(yàn)井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鉆井液性能數(shù)據(jù)Table 4 Field measured drilling fluid performance data of land test wells

3.2 配套工程措施及固控設(shè)備使用

淺軟地層水平井鉆井施工過程中，為了提高造斜率，使用短馬達(dá)進(jìn)行定向鉆進(jìn)，?311.1 mm 井眼鉆井施工允許最大鉆井液排量為40 L/s，初始造斜階段更是需要進(jìn)一步降低排量以增大造斜率，鉆井液上返速度無法達(dá)到水平井有效攜巖要求。因此，在調(diào)整鉆井液流變性能增強(qiáng)攜巖能力的基礎(chǔ)上，需要配合使用倒劃眼的工程措施來進(jìn)一步清潔井眼，尤其在?444.5 mm 井眼定向施工井段或者?460 mm 井眼尺寸擴(kuò)眼井段，更是需要倒劃眼至鉆頭出井口徹底將井筒中殘存的巖屑攜帶出井眼，以保證大斜度井段和水平井段套管下入順利。

由于淺軟地層的未成巖特點(diǎn)，巖屑在鉆進(jìn)過程中極易機(jī)械細(xì)分散到鉆井液中，如果不及時(shí)清除將導(dǎo)致鉆井液流變性能不斷惡化的同時(shí)密度不斷上升，最終導(dǎo)致環(huán)空壓力不斷上升壓漏地層。因此，在保持鉆井液抑制巖屑分散的同時(shí)，加強(qiáng)固控設(shè)備的使用，及時(shí)清除機(jī)械細(xì)分散進(jìn)入鉆井液中的有害固相，施工過程中應(yīng)該保持全程開啟振動(dòng)篩、聯(lián)合清潔器以及離心機(jī)，以離心機(jī)開啟尤為重要，如果現(xiàn)場(chǎng)條件允許，最好配備兩臺(tái)離心機(jī)同時(shí)使用。

3.3 應(yīng)用效果

陸地試驗(yàn)共計(jì)完成了4 口淺軟地層水平井施工以及一組淺軟地層雙水平井對(duì)接施工，具體完鉆井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表5。試驗(yàn)井第一造斜段主要采取? 311.1 mm 鉆頭直接造斜至設(shè)計(jì)井深，然后用?460 mm 鉆頭擴(kuò)孔后，下入?339.7 mm 套管。本造斜段平均造斜率控制在15°/30 m，最大造斜率一般控制在18°～20°/30 m。因?yàn)樵囼?yàn)初期，顧慮淺軟地層造斜能力不夠，所以試驗(yàn)1 井采取的是?260 mm 鉆頭造斜，然后用?330 mm 鉆頭擴(kuò)孔，造斜率達(dá)到了28°/30 m；試驗(yàn)井第二造斜段采用?311.1 mm 鉆頭造斜鉆進(jìn)至水平并完成水平井段鉆進(jìn)，然后直接下入?244.5 mm 套管完井，本造斜段平均造斜率控制在 5°/30 m，最大造斜率控制在 7°～9°/30 m。通過應(yīng)用淺軟地層水平井鉆井液技術(shù)，結(jié)合配套的鉆井施工工藝，確保了淺軟地層水平井高造斜定向鉆進(jìn)、高造斜率井段大尺寸擴(kuò)眼、高造斜率井段大尺寸套管下入、水平井段井眼軌跡控制以及完井套管下入等施工順利實(shí)施。

表5 陸地試驗(yàn)井完鉆井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 5 Completion structures of land test wells

4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

（1）淺軟地層水平井鉆井液宜采用高分子包被抑制劑和聚胺類處理劑的“軟抑制”性能控制地層造漿、維持鉆井液良好流變性，不宜采用KCl 的“硬抑制”，KCl 抑制地層造漿的同時(shí)易導(dǎo)致淺軟地層高含水泥巖失水變硬造成后續(xù)起鉆困難。

（2）淺軟地層水平井鉆井液性能的調(diào)整應(yīng)隨著井斜以及裸眼段不斷增長逐步調(diào)整，尤其粘切性能的調(diào)整更加應(yīng)該循序漸進(jìn)，剛開始鉆進(jìn)時(shí)粘切不應(yīng)調(diào)整過高，因?yàn)殂@進(jìn)過程中地層膠結(jié)差不可避免會(huì)導(dǎo)致巖屑分散到鉆井液，一旦初始粘切過高，巖屑機(jī)械分散到鉆井液中后將會(huì)引起流變性能急劇惡化。

（3）固控設(shè)備能力對(duì)淺軟地層水平井鉆井液性能維護(hù)起到了至關(guān)重要的作用，尤其是要加強(qiáng)使用離心機(jī)對(duì)細(xì)分散有害固相進(jìn)行及時(shí)清除。

（4）淺軟地層水平井鉆完設(shè)計(jì)進(jìn)尺后應(yīng)采取倒劃眼起鉆修整井壁的同時(shí)進(jìn)一步清潔井眼，倒劃眼過程要控制好倒劃速度并密切關(guān)注泵壓，一旦出現(xiàn)泵壓升高的現(xiàn)象，及時(shí)循環(huán)疏通井眼，防止巖屑不斷累積導(dǎo)致環(huán)空憋堵從而壓漏地層。倒劃眼應(yīng)一直倒劃至直井段或者上層套管內(nèi)，然后大排量循環(huán)將倒劃的巖屑徹底攜帶出井眼，如果鉆井液泵排量受限，可以采用一直倒劃鉆頭到井口，利用底部鉆具的高環(huán)空返速將倒劃的巖屑徹底攜帶出井眼。

（5）本文所提及的室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為海域天然氣水合物水平井試采提供了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持和施工經(jīng)驗(yàn)借鑒，但是由于陸地與海洋的地層特性和鉆井施工環(huán)境不一樣，海域天然氣水合物水平井鉆井液體系配方和施工工藝應(yīng)該根據(jù)海洋鉆井作業(yè)環(huán)境在抑制水合物生成與分解、巖屑包被抑制等方面進(jìn)行針對(duì)性地優(yōu)化。