木壘2井井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)

邱春陽，司賢群，陳二丁

(勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257000)

木壘2井位于準(zhǔn)噶爾盆地木壘凹陷，是一口預(yù)探直井，鉆探目的是了解木壘凹陷南部二疊系、石炭系含油氣情況，落實(shí)石炭系烴源巖發(fā)育情況。該井設(shè)計(jì)井深3 200 m，實(shí)際完鉆井深為3 300 m。該井位于山前構(gòu)造帶，地層巖性復(fù)雜，施工中鉆井液技術(shù)難度大，鄰井鉆進(jìn)過程井壁失穩(wěn)嚴(yán)重，最大井徑達(dá)到130%，導(dǎo)致起下鉆阻卡嚴(yán)重，延長鉆完井周期，勘探與開發(fā)進(jìn)度低。通過使用聚胺納米防塌鉆井液體系，該體系抑制性好，能夠?qū)ξ⒓{米孔隙和裂縫進(jìn)行封堵，封堵效率高。現(xiàn)場施工過程中輔助相應(yīng)的鉆井液維護(hù)處理工藝，保證了木壘2井的順利完鉆，為該區(qū)塊進(jìn)一步勘探開發(fā)提供了詳實(shí)的技術(shù)參數(shù)和技術(shù)保障。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

一開使用Φ444.5 mm鉆頭鉆至井深307.50 m，下入Φ339.7 mm表層套管至307.50 m；二開使用Φ311.2 mm鉆頭鉆至井深2 492 m，下入Φ244.5 mm技術(shù)套管至2 485.22 m；三開使用Φ215.9 mm鉆頭鉆至井深3 300 m完鉆。

1.2 地質(zhì)概況

木壘2井位于準(zhǔn)噶爾盆地木壘凹陷，該井地層自上而下鉆遇石炭系石錢灘組(C2sh)、二疊系梧桐溝組(P3Wt)、平地泉組(P2P)及石炭系巴塔瑪依內(nèi)山組(C2b)。石錢灘組上部為灰色凝灰質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖、凝灰質(zhì)角礫巖與深灰色泥巖不等厚互層；中部為灰色、灰綠色凝灰質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖與灰色、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖不等厚互層；下部以灰色、深灰色灰質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖為主夾灰色、深灰色生屑灰?guī)r，泥巖、砂質(zhì)泥巖。梧桐溝組以灰色泥巖為主夾薄層灰色粉砂巖、細(xì)砂巖。平地泉組上部以灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主夾薄層灰色粉砂巖、細(xì)砂巖；下部以灰色細(xì)砂巖、粉砂巖為主夾灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖。巴塔瑪依內(nèi)山組上部為紫紅色安山巖、雜色火山角礫巖、深灰色玄武巖；下部為深灰色凝灰質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)砂巖互層夾深灰色炭質(zhì)泥巖。

2 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

1)上部地層膠結(jié)性差，鉆進(jìn)過程中機(jī)械鉆速快，大尺寸鉆頭必然產(chǎn)生大量巖屑，如果巖屑不能及時攜帶出井眼，會導(dǎo)致鉆頭重復(fù)破碎，降低施工效率；并且停泵后導(dǎo)致沉砂卡鉆。

2)該井處于山前構(gòu)造，多期的強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致地層層序倒轉(zhuǎn)，地層中發(fā)育較強(qiáng)的地應(yīng)力。當(dāng)井眼形成的瞬間，地應(yīng)力沿著井眼的徑向釋放，導(dǎo)致井壁坍塌。鄰井曾發(fā)生卡鉆事故，損失大量的人力和物力。

3)平地泉組和巴塔瑪依內(nèi)山組地層中泥巖硬脆，鉆進(jìn)過程中在地層應(yīng)力和機(jī)械碰撞作用下極易發(fā)生硬脆性垮塌和應(yīng)力性垮塌，并且坍塌的掉塊難以破碎，容易造成掉塊卡鉆。

4)受造山運(yùn)動影響，梧桐溝組和平地泉組地層不整合，易發(fā)生裂縫性漏失；下部巴塔瑪依內(nèi)山組地層裂縫系發(fā)育嚴(yán)重，地層滲透性強(qiáng)，施工中漏失嚴(yán)重。

3 鉆井液體系研究

3.1 鉆井液體系配方

通過調(diào)研國內(nèi)山前構(gòu)造井[1-4]及國內(nèi)外深井[5-7]鉆井液使用情況，結(jié)合鄰井鉆井液使用經(jīng)驗(yàn)，針對木壘2井地層巖性及鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，通過優(yōu)選鉆井液處理劑，形成聚胺納米防塌鉆井液體系，配方如下：

(3.0～5.0)%膨潤土漿+(0.2～0.3)%聚丙烯酸鉀KPAM+(0.5～1.0)%胺基聚醇+(1.0～2.0)%磺化酚醛樹脂+(1.0～2.0)%褐煤類降濾失劑+(0.8～1.0)%磺酸鹽共聚物降濾失劑+(2.0～3.0)%羥基鋁防塌劑+(3.0～4.0)%納米封堵劑+(2.0～3.0)%無水聚合醇+(6.0～8.0)%低熒光磺化瀝青+(6.0～8.0)%陽離子膠乳瀝青。

3.2 鉆井液體系作用機(jī)理

胺基聚醇分子上多個獨(dú)立的胺基可充填在黏土顆粒的晶層之間，并把它們束縛在一起，有效地減少黏土的吸水傾向，其抑制作用具有長效性[8]。

羥基鋁防塌劑滲入地層后，與黏土結(jié)合形成具有固結(jié)作用的硅鋁酸鹽不滲透層，阻止濾液的進(jìn)一步侵入；進(jìn)入頁巖內(nèi)部后，與地層中多價陽離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性[9]。

納米封堵劑顆粒尺寸小，能更快地吸附在井壁及黏土顆粒表面，并在其表面形成油膜，阻止井壁及黏土顆粒的水化，并能提高鉆井液的潤滑性；納米封堵劑更容易擠入地層孔隙、層理及微細(xì)裂縫中，起到有效的封堵作用[10]。

陽離子膠乳瀝青呈正電性，在井底溫度作用下，在井壁巖石表面形成一層牢固的瀝青薄膜，阻止濾液向地層滲透；正壓差下，瀝青乳液顆粒進(jìn)入地層的微孔隙和微裂隙中，配合超細(xì)碳酸鈣，封堵地層微孔隙和微裂隙，穩(wěn)定井壁[11]。

聚合醇具有“濁點(diǎn)效應(yīng)”，當(dāng)?shù)貙訙囟鹊陀跐狳c(diǎn)溫度時，聚合醇吸附在鉆具和固體顆粒表面，形成憎水膜，阻止泥頁巖水化分散，穩(wěn)定井壁，改善潤滑性，防止鉆頭泥包。當(dāng)?shù)貙訙囟雀哂谄錆狳c(diǎn)溫度時，聚合醇從鉆井液中析出，粘附在鉆具和井壁上，封堵巖石孔隙，阻止濾液滲入地層，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定井壁的作用[12]。

4 現(xiàn)場鉆井液施工工藝

4.1 一開鉆井液施工工藝

1)配制10%膨潤土漿200 m3，預(yù)水化24 h后開鉆。

2)鉆進(jìn)中加入0.5%高黏聚陰離子纖維素，保持鉆井液漏斗黏度大于50 s，保證鉆井液體系的懸浮和攜帶能力。

3)鉆完進(jìn)尺后，適當(dāng)提高鉆井液黏度和切力，增強(qiáng)鉆井液體系的攜巖能力。

4)下套管前，配置封井漿封井，確保下套管順利。

5)施工效果：下套管施工順利；開泵順利；固井施工順利。

4.2 二開鉆井液施工工藝

1)套管內(nèi)處理一開井漿，凈化鉆井液。加入低黏聚陰離子纖維素LV-PAC，鉆井液漏斗黏度至45 s左右開鉆。

2)按照循環(huán)周補(bǔ)充0.4%聚丙烯酸鉀KPAM膠液，保證鉆井液體系的包被性能，防止巖屑遇水分散；均勻加入1.0%胺基聚醇，抑制泥頁巖水化膨脹。

3)鉆進(jìn)過程中補(bǔ)充10%膨潤土漿，保證膨潤土粒子對井壁孔隙及微裂縫的封堵，提高鉆井液體系的造壁性能和攜帶能力；根據(jù)鉆井液體積消耗速度，適當(dāng)加入纖維類堵漏材料，封堵地層中大的微裂縫，防止井壁漏失。

4)二開上部井段(<2 000 m)，采用低黏聚陰離子纖維素和褐煤控制鉆井液的濾失量至5 mL；下部井段，采用磺化酚醛樹脂和褐煤控制鉆井液的濾失量至5 mL以內(nèi)。

5)采用超細(xì)碳酸鈣和低熒光磺化瀝青，配合高含量膨潤土漿，使鉆井液體系能夠在井壁上形成良好泥餅；輔助加入無水聚合醇和井壁穩(wěn)定劑，對地層孔隙及微裂縫進(jìn)行封堵，提高井壁穩(wěn)定性。

6)鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)下限，并隨著地層壓力變化調(diào)整；進(jìn)入平地泉組，鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)上限；平地泉組下段，地層出現(xiàn)掉塊，申請?zhí)岣咩@井液密度，保證鉆井液液柱壓力平衡地層坍塌壓力。

7)充分利用四級固控設(shè)備，振動篩、除砂器和除泥器使用率達(dá)到100%，間斷開啟離心機(jī)，保證鉆井液體系具有良好的流變性。

8)工程上嚴(yán)格執(zhí)行短起下鉆措施，刮掉吸附在井壁上的虛厚泥餅；下鉆過程中適當(dāng)劃眼，破碎井底的掉塊，暢通井眼。

9)中完后，充分循環(huán)鉆井液，適當(dāng)提高鉆井液黏度和切力，凈化井眼；起鉆前，用羥基鋁防塌劑和低熒光磺化瀝青配制封井漿，封住下部1 500 m井段，保證中完作業(yè)順利進(jìn)行。二開鉆井液性能控制如表1 所示。

10)施工效果：鉆進(jìn)過程中井壁穩(wěn)定，井徑平均擴(kuò)大率為9.35%；電測順利；下套管一次到底。

4.3 三開鉆井液施工工藝

1)預(yù)處理。在二開套管內(nèi)循環(huán)鉆井液，開動四級固控設(shè)備凈化鉆井液，然后按照設(shè)計(jì)下限補(bǔ)充處理劑，待鉆井液性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求后開鉆。

2)抑制性控制。采取適度抑制的原則，按照循環(huán)周均勻補(bǔ)充聚合物KPAM和胺基聚醇，適當(dāng)加入褐煤類降濾失劑，保證鉆井液體系的適當(dāng)分散，保持其抑制性和封堵性的統(tǒng)一。

3)封堵性控制。定期補(bǔ)充10%預(yù)水化膨潤土漿，保持膨潤土粒子對井壁的封堵；補(bǔ)充羥基鋁防塌劑、納米封堵劑和磺化瀝青，隨著井深而增加其含量，逐漸增加其封堵性。

4)濾失量的控制。采用磺化酚醛樹脂和磺酸鹽共聚物降濾失劑控制鉆井液的濾失量。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 mL以內(nèi)，降低濾液向地層的滲透。

5)流變性控制。漏斗黏度控制在65 s左右，動塑比控制在0.3左右，保證鉆井液具有良好的懸浮攜帶能力，防止環(huán)空壓耗過大造成井壁失穩(wěn)；每次起鉆前封井，保證高溫下鉆井液良好的流變性。

表1 二開鉆井液性能控制情況

6)固控設(shè)備使用。保持振動篩、除砂器和除泥器利用率達(dá)到100%，定期開動離心機(jī)，降低鉆井液體系中的低密度固相含量，保證鉆井液體系良好的流變性。

7)鉆進(jìn)過程中，要注意觀察井口返漿情況，振動篩上的巖屑返出、巖屑的形狀變化，做好井眼穩(wěn)定性防護(hù)及監(jiān)視工作，避免出現(xiàn)井眼垮塌的惡性事故，提高鉆井液的懸浮、攜帶巖屑能力，確保正常鉆進(jìn)。

8)密度控制。鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)中限，以后隨著地層壓力監(jiān)控情況隨時調(diào)控；下部井段，鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)上限，保證鉆井液液柱壓力支撐地層坍塌壓力，保持井筒的力學(xué)平衡。

9)完井措施。完鉆后，充分循環(huán)鉆井液，然后進(jìn)行短起下鉆，刮掉黏附在井壁上的虛厚泥餅以暢通井眼；下鉆到底后，循環(huán)鉆井液，配制稠鉆井液洗井，待振動篩上無巖屑返出后，配制高黏切鉆井液封井。三開鉆井液性能控制如表2所示。

10)施工效果：鉆進(jìn)過程中井壁穩(wěn)定，井徑平均擴(kuò)大率為8.89%，是該區(qū)塊井身質(zhì)量最好的一口井；完井作業(yè)順利。

表2 三開鉆井液性能控制情況

5 復(fù)雜情況處理

二開完鉆后，循環(huán)鉆井液時發(fā)生井漏。地層為平地泉組，鉆井液失返。

5.1 復(fù)雜情況處理

1)第1次堵漏?，F(xiàn)場施工小組確定如下堵漏措施，堵漏配方為：50 m3井漿+14%核桃殼+12%復(fù)合堵漏劑+2%云母片+4%單項(xiàng)壓力封閉劑，泵入堵漏漿40 m3，未見泥漿返出；又泵入泥漿19 m3，靜止堵漏；繼續(xù)泵入鉆井液后，鉆井液未返，堵漏失敗。

2)第2次堵漏。重新配制堵漏漿，堵漏漿配方為：50 m3井漿+12%核桃殼(粗)+8%核桃殼(中)+4%核桃殼(細(xì))+4%棉籽皮+4%云母片+4%復(fù)合堵漏劑+3%隨鉆堵漏劑，泵入堵漏漿38 m3，最后井口返出泥漿，繼續(xù)泵入井漿12 m3，井口返漿正常，堵漏成功。

5.2 第1次堵漏失敗分析

井漏為失返性漏失，第一次配制堵漏漿中的堵漏劑顆粒粒徑小，堵漏漿進(jìn)入漏失通道后，堵漏段塞形成的堵漏強(qiáng)度低，在鉆井液液柱壓力的作用下，導(dǎo)致堵漏段塞不能在漏失通道留存，致使堵漏失敗。

6 結(jié)論

1)聚胺納米防塌鉆井液體系抑制性能好，封堵能力強(qiáng)，配合現(xiàn)場鉆井液維護(hù)處理工藝和應(yīng)對復(fù)雜情況的處理措施，保證木壘2井順利鉆至目的層。

2)鉆井液中使用羥基鋁防塌劑、納米封堵劑和陽離子膠乳瀝青，通過各種處理劑“多元協(xié)同” 防塌作用，達(dá)到了井壁穩(wěn)定的效果，全井起下鉆順利，下套管順利了，電測順利。

3)木壘區(qū)塊位于山前構(gòu)造地形，中部地層破碎，裂縫發(fā)育性好，要準(zhǔn)備好堵漏材料，還必須添加納米級封堵劑，封堵地層孔隙和微裂縫，防止井塌。

4)木壘區(qū)塊下部石炭系地層堅(jiān)硬，機(jī)械鉆速低，必須定期開動離心機(jī)，最大限度地除去低密度固相含量，保證鉆井液具有良好的流變性。

5)采用聚胺納米封堵防塌鉆井液體系施工，保證了井壁穩(wěn)定，但是，全井機(jī)械鉆速低，應(yīng)該對體系進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以利于提高機(jī)械鉆速。