楊玉貴，邢希金，孫文化

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司，北京 100028）

海外K 油田位于尼羅河源頭區(qū)阿爾伯特湖畔，油藏深埋湖底，未來(lái)計(jì)劃采用湖岸大位移井開(kāi)發(fā)，且鉆完井作業(yè)要求“零”排放。前期該區(qū)已從湖岸鉆3 口常規(guī)定向井探井，平均井深3 000 m，鉆井漏失、卡鉆、井壁垮塌及縮徑等井下復(fù)雜事故頻發(fā)，3 口井均因此進(jìn)行過(guò)側(cè)鉆。目前油田擬采用湖岸鉆大位移井的開(kāi)發(fā)方案，以規(guī)避湖上鉆井的環(huán)保溢油風(fēng)險(xiǎn)，但鉆井難度加大，如何通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)大位移井安全環(huán)保經(jīng)濟(jì)高效鉆井的問(wèn)題亟需解決。本文通過(guò)攻關(guān)研究，推薦采用環(huán)保、高性能的合成基鉆井液來(lái)保障大位移井鉆井井壁穩(wěn)定、減小井筒摩阻和鉆井廢棄物排放量，為湖岸大位移井方案的順利實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 面臨技術(shù)挑戰(zhàn)及鉆井液性能要求

1.1 地層特點(diǎn)

該區(qū)探井所鉆遇的地層主要為位于含油盆地之內(nèi)后期沉積形成的砂泥巖互層和盆地邊緣的部分堅(jiān)硬基巖。根據(jù)已鉆井的電測(cè)數(shù)據(jù)、綜合錄井圖和現(xiàn)場(chǎng)錄井巖屑描述，該區(qū)地層從上到下依次為第四系地層的全新世H1 組、晚更新世PL1 組、早更新世PL2 組，第三系地層的晚上新世P4 組和P3 組、早上新世P2 組和P1組、晚中新世M6 組和M5 組，以及中生代地層，巖性以砂巖和泥巖為主，砂巖與泥巖成互層分布，單層較薄，砂巖層厚度一般小于10 m，泥巖層厚度比砂巖層略大，但基本不超過(guò)20 m。第四系地層砂巖較多，晚上新世P4 到早上新世P1 中部泥巖較多，部分泥巖含水量高，發(fā)育易發(fā)生塑性變形的軟泥巖，部分泥巖地層軟硬交錯(cuò)，巖性描述中顯示部分泥頁(yè)巖為塊狀、易分裂的，具有一定的結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)巖心照片，發(fā)現(xiàn)灰色的中硬泥巖中有微裂縫發(fā)育，同時(shí)相連的紅色泥巖肉眼可見(jiàn)水化侵蝕嚴(yán)重，與中硬泥巖呈互層發(fā)育。鉆井時(shí)軟硬泥巖相互影響，會(huì)嚴(yán)重影響井壁穩(wěn)定性。

該區(qū)地層黏土礦物含量高，根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析（見(jiàn)表1），上部非儲(chǔ)層段地層（PL1 至P1 中部）巖粉黏土礦物含量為38.8%～52.3%，黏土組分以蒙脫石/伊蒙混層（含量53%～57%）和高嶺石（含量38%～42%）為主。下部層段（P1 下部至M5）泥巖地層全巖黏土礦物組分含量大部分在76%以上，部分地層高達(dá)98%，并且黏土礦物組分中蒙脫石的含量也很高，最高達(dá)88%；儲(chǔ)層段砂巖中蒙脫石/伊蒙混層含量20%～67%。實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)研究表明，該區(qū)地層為強(qiáng)分散和易膨脹地層，若鉆井液體系及性能不合理，鉆井過(guò)程極易出現(xiàn)井徑不規(guī)則、井壁坍塌、縮徑、鉆頭泥包等復(fù)雜情況。

表1 部分井段全巖及黏土礦物分析結(jié)果

1.2 面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

該區(qū)已完鉆3 口井均采用水基鉆井液體系，井下復(fù)雜事故頻發(fā)。K-1 井及其兩次側(cè)鉆的井眼均發(fā)生了嚴(yán)重井漏；井眼縮徑和垮塌較為普遍且嚴(yán)重，起下鉆阻卡和電測(cè)阻卡發(fā)生次數(shù)較多。K-2 井、K-3/3A 井鉆井過(guò)程中出現(xiàn)了不同程度的卡鉆，其中K-2 發(fā)生兩次嚴(yán)重卡鉆導(dǎo)致井段回填并側(cè)鉆兩次；K-3 井發(fā)生一次鉆具落魚(yú)事故。根據(jù)分析，K-1 井鉆井漏失與鉆遇的基巖不整合面相關(guān)，該區(qū)基巖不整合面風(fēng)化嚴(yán)重，破碎帶充填不好，一旦鉆遇易發(fā)生井漏。K-2 井第一次卡鉆為吸附或鍵槽卡鉆，第二次卡鉆為鉆井液密度過(guò)低引起的井壁坍塌或縮徑卡鉆；K-3/3A 井因鉆井液密度小于井壁坍塌壓力，發(fā)生了紅色泥巖段縮徑坍塌，進(jìn)而造成了較為嚴(yán)重的阻卡。

綜合以上分析認(rèn)為，該區(qū)鉆井液方面需要重點(diǎn)解決以下幾個(gè)技術(shù)難題。首先，該區(qū)地層軟硬泥巖交替發(fā)育，蒙脫石含量高，鉆井液濾液侵入地層后易產(chǎn)生水化膨脹應(yīng)力，增大井周應(yīng)力集中程度，進(jìn)而降低地層強(qiáng)度，導(dǎo)致井壁周期性坍塌，這種強(qiáng)的分散性地層對(duì)鉆井液的抑制性提出了較高的要求。其次，在該區(qū)采用水基鉆井液鉆井時(shí)，漏失、卡鉆、井壁垮塌及縮徑等井下復(fù)雜事故多，但該地區(qū)為拉張狀態(tài)下形成的地層，地應(yīng)力不大，實(shí)用鉆井液密度低于地層坍塌壓力、鉆井液濾失后與地層發(fā)生的力學(xué)化學(xué)耦合作用是造成井壁失穩(wěn)的重要原因。最后，該油田位于尼羅河源頭區(qū)，當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求嚴(yán)格，鉆井廢棄物需全過(guò)程“零”排放。

1.3 鉆井液性能需求

分析認(rèn)為，在該區(qū)鉆井過(guò)程中，如鉆井液抑制性與封堵性欠佳，就可能誘發(fā)泥巖水化膨脹，造成縮徑，巖石強(qiáng)度下降，坍塌壓力增高，鉆井液密度不能平衡地層坍塌壓力，從而誘發(fā)井塌，引起起下鉆阻卡。根據(jù)地層力學(xué)特性，該區(qū)地層較軟，近井筒易形成塑性區(qū)，地層與鉆井液之間的相互作用又會(huì)導(dǎo)致井周地層的進(jìn)一步軟化，導(dǎo)致塑性區(qū)變大，并最終造成井眼縮徑，進(jìn)而在起鉆過(guò)程中遇卡，劃眼過(guò)程中在擾動(dòng)載荷作用下發(fā)生井塌，加劇了起鉆過(guò)程遇阻卡的復(fù)雜程度，并可導(dǎo)致卡鉆、斷鉆具等事故。K-2 井上部井段采用KCl 鉆井液體系，K-2 和K-3 井下部井段采用KCl 鉆井液體系，鉆井液體系的抑制性、封堵性、密度等不合理是造成鉆井復(fù)雜事故多發(fā)的一個(gè)重要原因。

基于上述分析，提出了該區(qū)鉆井液的性能需求。首先，上部地層由于軟硬泥巖交替，其中紅色泥巖地層，水敏性強(qiáng)，容易發(fā)生井眼縮徑甚至坍塌，可采用“軟抑制”鉆井液體系，控制合理的密度，以控制含水高的軟泥巖塑性變形和砂巖蠕變。其次，下部地層微裂縫發(fā)育且部分井軌跡可能會(huì)過(guò)斷層，易出現(xiàn)井壁坍塌和鉆井漏失，要求鉆井過(guò)程中適當(dāng)增強(qiáng)抑制性，并提高鉆井液的封堵能力，在井壁上形成韌而薄的泥餅，以提高井眼承壓能力。再次，大斜度穩(wěn)斜井段起下鉆易發(fā)生阻卡，要求鉆井液具有良好的流變性、潤(rùn)滑性和井眼清潔能力，防止巖屑床的形成。最后，當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求非常高，采用的鉆井液需要具有良好的環(huán)保性能。

2 鉆井液體系選擇

根據(jù)研究，該區(qū)受正斷層控制，油田為斷裂后沉積形成，受拉伸運(yùn)動(dòng)的影響構(gòu)造應(yīng)力較低。上覆巖層壓力為區(qū)塊最大主地應(yīng)力，兩水平主地應(yīng)力差值不大[1，2]，鉆井液密度不低于坍塌壓力即可。該區(qū)塊以大斜度大位移井為主，且地層易水化膨脹失穩(wěn)，鉆井中采用具有強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵性能的水基鉆井液或高性能合成基鉆井液更有利于擴(kuò)大鉆井安全泥漿密度窗口，實(shí)現(xiàn)安全高效鉆井。

一般地，鉆井液與地層接觸后會(huì)向地層內(nèi)滲流，造成鉆井液向地層內(nèi)滲流的驅(qū)動(dòng)力主要有兩種，化學(xué)驅(qū)動(dòng)力和水力驅(qū)動(dòng)力。不同鉆井液類型條件下滲流的水力驅(qū)動(dòng)力差別較大，對(duì)水基鉆井液來(lái)說(shuō)，地層孔隙的毛細(xì)管力是流體滲流的動(dòng)力，而在合成基鉆井液條件下是滲流的阻力。由于滲流驅(qū)動(dòng)力的差異，在井眼鉆開(kāi)的瞬時(shí)由于沒(méi)有泥餅的影響，水基鉆井液條件下井壁孔隙壓力會(huì)迅速升至與井筒壓力相同，而合成基鉆井液條件下井眼鉆開(kāi)瞬時(shí)井壁孔隙壓力基本保持不變[3-7]。

理論計(jì)算表明，若采用水基鉆井液，即使在不考慮井眼鉆開(kāi)后泥頁(yè)巖水化的影響，坍塌壓力也比較高，該區(qū)塊屬正?？紫秹毫w系，已鉆井坍塌壓力系數(shù)在1.24～1.3，地層破裂壓力系數(shù)在1.7 之上，地層漏失壓力系數(shù)在1.46 以上，安全泥漿密度窗口較窄，鉆井過(guò)程中井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)比較高，大斜度井的條件下更會(huì)增大這種風(fēng)險(xiǎn)。若采用合成基鉆井液時(shí)，只要能夠保持鉆井液的性能穩(wěn)定，從安全泥漿密度窗口看，地層坍塌壓力系數(shù)在合成基鉆井液下比水基鉆井液下降低0.1左右，安全泥漿密度窗口增大，更有利于安全鉆井。

同時(shí)，根據(jù)該區(qū)同井段巖心在不同鉆井液體系中浸泡后的單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）變化實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖1）?？梢钥闯觯菰贙Cl-聚胺鉆井液中的巖石強(qiáng)度下降較快，1 天后巖石強(qiáng)度下降至浸泡前原強(qiáng)度的50%，3 天后巖石強(qiáng)度為原強(qiáng)度的30%；浸泡在合成基鉆井液中的巖石1 天后巖石強(qiáng)度下降至原強(qiáng)度的90%，此后巖石強(qiáng)度下降緩慢，在第6 天仍為原強(qiáng)度的85%，合成基鉆井液更有利于井壁長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖1 合成基鉆井液（SBM）與KCl-聚胺鉆井液（WBM）浸泡時(shí)間-巖石強(qiáng)度關(guān)系圖

綜上所述，該區(qū)塊采用性能穩(wěn)定、封堵能力強(qiáng)的合成基鉆井液，并保持適當(dāng)?shù)你@井液密度是實(shí)現(xiàn)大位移井安全鉆井的關(guān)鍵。從抑制該油田泥巖水化膨脹、防止泥巖井段縮徑而造成起下鉆阻卡和卡鉆、降低入井管柱摩阻、鉆井廢棄物排放量及環(huán)保性等方面來(lái)看[8-10]，合成基鉆井液優(yōu)于水基鉆井液，故針對(duì)該區(qū)大斜度井及大位移井鉆井推薦采用合成基鉆井液。

3 合成基鉆井液配方及性能測(cè)試

3.1 配方及基本性能

實(shí)驗(yàn)的合成基鉆井液基油采用氣制油，用其合成的鉆井液比普通的油基鉆井液黏度低、潤(rùn)滑性好，與各種處理劑配伍性好、性能易調(diào)控，生物毒性低、短時(shí)間內(nèi)易降解[8]。

實(shí)驗(yàn)研究了不同油水比、不同有機(jī)土和降濾失劑加量對(duì)合成基鉆井液性能的影響。120 ℃熱滾條件下，不同油水比的合成基鉆井液配方（見(jiàn)表2），其性能測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表3）。

表2 不同油水比的鉆井液配方

表3 不同油水比的鉆井液性能

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，油水比75:25 的1#、2#、3#配方破乳電壓ES 介于401～548 V，油水比為70:30 的4#配方破乳電壓小于400 V。2#配方的有機(jī)土含量為2.5%，低于其他配方的3%，在相同油水比情況下，2#配方的合成基鉆井液破乳電壓低于1#和3#配方。3#配方的高溫高壓失水為6.4 mL，低于其他配方的失水，故提高油水比和降濾失劑的加量有利于抑制鉆井液失水。同時(shí)，較低的塑性黏度PV 和較高的屈服值YP 有利于攜帶巖屑和井眼清潔，故綜合比較，3#配方和4#配方綜合性能表現(xiàn)優(yōu)于1#配方和2#配方。

3.2 合成基鉆井液抑制性

選用表2 中編號(hào)3#對(duì)兩個(gè)不同深度的具有極強(qiáng)分散性、膨脹性的巖石進(jìn)行了分散性和膨脹實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表4，圖2）。從表4 中可以看出，回收率均在90%以上，高溫高壓膨脹率均低于1.5%，合成基鉆井液對(duì)強(qiáng)分散性、強(qiáng)膨脹率巖石具有強(qiáng)抑制性。

圖2 合成基鉆井液的分散實(shí)驗(yàn)

表4 合成基鉆井液的抑制性

采用優(yōu)選的合成基鉆井液對(duì)不同加量的鉆屑的污染進(jìn)行了評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表5），鉆井液配方為油水比（75:25）+4%乳化劑+1%潤(rùn)濕劑+3%氧化鈣+3%有機(jī)土+3%降濾失劑+1.2 g/cm3。從表中可以看出，合成基鉆井液體系在鉆屑侵污的情況下，隨著鉆屑含量由0%增加到15%，破乳電壓由526 V 降低到421 V，YP基本保持不變，鉆井液塑性黏度由24 mPa·s 增加到34 mPa·s，增幅不大，流變性能基本保持穩(wěn)定，這說(shuō)明評(píng)價(jià)的合成基鉆井液具有較強(qiáng)的抗鉆屑污染能力。

表5 鉆屑污染對(duì)鉆井液性能影響

3.3 合成基鉆井液的環(huán)保性能

合成基鉆井液與油基鉆井液相比的優(yōu)勢(shì)是具有很高的生物毒性LC50 值，并可以生物降解，環(huán)保性能好。根據(jù)檢驗(yàn)，環(huán)?；翰捎锰紨?shù)分布窄的、以C12～C18為主的直鏈烷烴，其芳烴含量低于0.05%，生物毒性LC50 為378 200 mg/L，環(huán)保性能較好。

推薦的合成基鉆井液具有合理的流變性、強(qiáng)抑制性、中等-強(qiáng)的抗土粉污染能力，浸泡巖石強(qiáng)度下降較緩慢，穩(wěn)定井壁效果好，潤(rùn)滑性能良好，且對(duì)儲(chǔ)層損害程度小。同時(shí)，合成基鉆井液可重復(fù)使用，根據(jù)估算，平均單井采用合成基鉆井液產(chǎn)生的鉆井廢棄物量比采用水基鉆井液時(shí)減小59%，且最終通過(guò)回收及熱解析等處理措施，對(duì)環(huán)境無(wú)害，可達(dá)到當(dāng)?shù)亍傲恪迸欧诺沫h(huán)保要求。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）K 油田主要為第三系新沉積的砂泥巖互層，軟硬泥巖交替發(fā)育，蒙脫石含量高，極易水化膨脹降低地層強(qiáng)度，導(dǎo)致井壁周期性坍塌，原探井水基鉆井液性能不合理，鉆井過(guò)程中井下漏失、卡鉆和井壁坍塌縮徑等復(fù)雜事故頻發(fā)，必須通過(guò)合理的鉆井液技術(shù)確保鉆開(kāi)地層的力學(xué)與化學(xué)穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大位移井井壁穩(wěn)定。

（2）地層坍塌壓力系數(shù)在合成基鉆井液下比水基鉆井液下降低0.1 左右，安全泥漿密度窗口增大，更有利于安全鉆井，同時(shí)從抑制K 油田泥巖水化膨脹、防止泥巖井段縮徑、降低入井管柱摩阻、減少鉆井廢棄物排放量等方面考慮，針對(duì)該區(qū)大斜度井及大位移井鉆井推薦采用合成基鉆井液。

（3）推薦的高性能合成基鉆井液密度1.2～1.4 g/cm3，回收率大于90%，高溫高壓膨脹率低于1.5%，中等-強(qiáng)的抗土粉污染能力，浸泡后巖石強(qiáng)度比水基鉆井液同等條件下高60%，穩(wěn)定井壁效果好，潤(rùn)滑性能良好，對(duì)儲(chǔ)層損害小，可重復(fù)使用，產(chǎn)生的鉆井廢棄物量可減小59%。