基于南美海相油氣藏鉆井液優(yōu)化技術的研究與應用

雷江 周雄兵 蔣振偉

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，陜西 西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安710018）

1 鉆井液體系優(yōu)化的難點和認識

單純從參數的角度評價哪種鉆井液體是最優(yōu)的是非常困難的，應根據油田的地層特征和配套工程技術的特點，來確定適合使用哪種體系，只有合理的兼容性和配伍性，才能達到減少復雜井下事故的目的。由于“P”油田與我國陸相盆地型沉積存在很大的差異性，因此在優(yōu)化鉆井液體系前，有必要對油田的地質特征進行全面摸底。作為應對，油田先后引入不同鉆井液體系：①低固相聚合物鉆井液體系，生產中存在性能不穩(wěn)定，參數波動大，鉆頭及扶正器泥包嚴重，導致起鉆遇阻卡鉆；②鉀鹽聚合物鉆井液體系，攜砂能力較弱，不能有效抑制鉆屑和地層水化膨脹，防塌能力差；③“低粘高切、強封堵”為特點的絮凝防塌鉆井液體系，提高了體系抑制防塌能力，打鉆及起下鉆基本順利，但下套管時仍然出現過遇阻遇卡，無法順利下入預定位置。

2 鉆井液體系的優(yōu)化機理

針對“P”油田“泥巖水化膨脹率高，頁巖微裂縫網狀發(fā)育，水化與垮塌同存”的微觀地層特點，通過現場實踐，人們逐步認識到鉆井液體系必須具有以下特征，才能滿足現場實際需要。一是穩(wěn)定的流變性能，隨著鉆時加快，溫度升高，裸眼段長度和巖屑大量增加，要求鉆井液增強抑制黏土水化的同時，流變性能不能有大的起伏；二是除了加強化學抑制防塌能力外，還需具備物理封堵的能力；三是確保體系各組份不因巖屑污染或溫度變化，產生性能突變或其他不可控因素，如高分子交聯(lián)等。

在此指導下，結合國家重點實驗室的研究成果，發(fā)現在絮凝防塌體系中引入一種類聚合醇改性材料，即使在高溫狀態(tài)下仍能很好地匹配體系中的主要組份，并發(fā)揮兩者協(xié)同作用，有效改善鉆井液的抑制防塌性能、高溫穩(wěn)定性和潤滑性能。這是受益于：①PAP分子鏈中含大量活性基團可與體系中的陽離子結合，對粘土表面進行疏水性改性，隔離水分子的進入，實現抑制黏土顆粒分散和降低水活度的目的；②利用PAP 濁點效應，可對泥頁巖表面納米級微小裂縫進行封堵，從而提高抑制防塌性能和潤滑性能；③發(fā)揮PAP 單劑與絮凝防塌體系的協(xié)同機理，進一步壓縮黏土片雙電層，實現黏土顆粒的絮凝包被，維持井壁穩(wěn)定；④與二元、三元共聚物相比，PAP 是單共聚物，具有較小的分子量，保證了在引入絮凝防塌體系時，鉆井液不會增稠或起泡。綜合以上，文章采用PAP 作為改良劑，對絮凝防塌體系進行性能改進，并對新體系的性能變化以及與地層的配伍性情況，進行評價實驗。

3 PAP 對體系性能的影響及配伍性評價

3.1 流變性能及抗溫性評價

根據三種鉆井液體系（基漿、基漿+2%PAP、基漿+5%PAP）的配方制備樣品，分別經“120oC，16h 高溫熱滾”和“常溫高攪”兩種方式對樣品進行預處理，待冷卻至室溫后對其進行流變性能評價。通過對比熱滾前后鉆井液性能的變化，分析PAP濃度對鉆井液體系流變性和抗溫性的影響。波動越明顯，則體系的抗溫性能越差。

實驗結果分析：在不添加PAP 的情況下，經過16h 100oC熱滾實驗后，基漿的流變性出現明顯的波動，AV和YP降低明顯，YP略有增加，說明原體系性能仍存在抗溫性不足的缺陷，與現場的實踐吻合；隨著PAP 的加入，體系在高溫狀態(tài)下的性能表現明顯趨于穩(wěn)定，當PAP濃度達到5%時，鉆井液無論是在25oC條件下，還是經歷100oC 16h 老化，AV/PV/YP 三種粘度在處理前后的比值均接近于1:1.1，說明鉆井液的性能受溫度變化的影響很??；另一方面，PAP還顯著改善了體系的降失水性能，當濃度達到5%時，熱滾前后體系的降失水性能分別比基漿提高了20.8%和31.7%。綜合結果表明，PAP 能顯著改善鉆井液體系的抗高溫穩(wěn)定性和降失水性能，并且改善效果與濃度的增加成正比。

3.2 巖屑抑制防塌性評價

巖屑分別取自“P”油田上部泥頁巖造漿、垮塌比較有代表性的Chalcana 層和Orteguaza 層，可以看出上部地層黏土含量高，具有引發(fā)泥頁巖水化膨脹和垮塌的強烈傾向，是觸發(fā)井下鉆頭、扶正器泥包，起下鉆遇阻，卡鉆的重要原因，也是評價鉆井液體系與地層配伍性是否良好的最直觀體現之一。因此，有必要將此項測試作為本次評價實驗的重點。

實驗結果分析：PAP 單劑能夠顯著提高鉆井液對巖屑的抑制能力，且隨著PAP 單劑濃度的增加，一二次巖屑回收率呈逐漸上升的趨勢，當濃度達到5%時，巖屑Y2的一次回收率達到94%，性能接近于油基泥漿95%）。同時，在常溫常壓狀態(tài)下，進行了人工巖心膨脹量以及膨脹率對比（24h）實驗。隨著PAP濃度的增加，24h后，巖心膨脹量和膨脹率呈顯著下降趨勢。綜合兩次實驗結果，表明在一定的PAP 濃度范圍內，體系的抑制防塌性能與PAP加量呈正相關的關系，當濃度達到5%時，抑制性能已接近于油基泥漿，再次驗證體系對地層的良好配伍性。

3.3 潤滑性評價

在常溫狀態(tài)下，根據四種鉆井液體系（基漿、基漿+2%PAP、基漿+5%PAP、白油）的配方制備樣品，并按照實驗標準，采用極壓潤滑儀分別對樣品進行潤滑性能測試。評價PAP 單劑濃度對體系潤滑性的影響，摩阻系數越小，則改善潤滑性能越顯著。

實驗結果分析：隨著PAP 單劑的加入，摩阻呈明顯下降趨勢，當PAP 加量達到5%時，潤滑性能已接近于白油。這可能與PAP 所具有的濁點效應有關，它可以有效增強鉆井液體系對泥頁巖表面微小縫隙的封堵能力，從而達到改善泥餅質量和潤滑性能的目的。綜合結果表明，PAP 對體系的潤滑性能具有顯著的改善作用，改善效果與PAP 濃度呈正相關。

4 現場實驗

工程簡介：HPR-1 井為一口大斜度定向井，井身剖面顯示為：先增斜后降斜，呈小“S”型曲線，最大井斜角78.49°，方位42.94°，水平位移2501m，完鉆井深3387.76 m，垂深2501.19m。其中：一開Φ406mm 井眼，設計長度1902m，垂深961m，井斜增至78.49°；二開Φ311mm 井眼，設計長度838.2m，垂深790m，井斜降至63.18°；三開Φ216mm 井眼，設計長度647.7m，垂深578m，井斜穩(wěn)定在63.18°。

由此得出，井身設計難度較大，且定向段大部分集中在泥頁巖層，對鉆井液性能的要求也較高。在HPR-1 井的作業(yè)現場，鉆井液性能表現優(yōu)異且與實驗結果相符。主要取得了以下成果：①新體系的制備方法簡便易行，待鉆完導管后，按所需濃度比例將PAP單劑直接混合在老漿中即可；②日常維護具有維護方便，可操作性強等特點，根據消耗量或新漿量，按比例補充即可；③鉆進過程中，鉆井液體系性能始終保持穩(wěn)定，振動篩無掉塊，巖屑形狀清晰，坂含可控，定向摩阻低，起下鉆無遇阻，下套管一次到底；④創(chuàng)造了該油區(qū)平均鉆井機械速度最快，建井周期最短的成績。

5 結語

（1）通過分析勘探初期鉆井液體系應用中的失敗案例，認識到油田地質特性在鉆井液體系研究中占有非常重要的地位。在此指導下，人們認為鉆井液體系要滿足施工需要,就必須在流變性、抗高溫穩(wěn)定性、抑制及封堵等方面有所改善。

（2）研究發(fā)現，體系中引入PAP可在高濃度(5%)條件下，使性能接近于油基泥漿。主要體現在：增強了抑制黏土水化能力；顯著改善頁巖微裂縫封堵能力；增強了潤滑性；同時，還進一步提高體系抗高溫穩(wěn)定性能。

（3）現場實驗表明，新體系與地層具有良好的配伍性。整個施工過程中，沒有發(fā)生一起復雜事故，順利地完成了定向、起下鉆、電測、下套管等工作，成功地實現了安全、快速施工的預期目標，并創(chuàng)造了該油田多個鉆井記錄。

（4）文章所采用的鉆井液優(yōu)化技術是建立在地層分析、實驗和現場研究的基礎上，通過單劑組合，達到改良原鉆井液體系性能的一種鉆井液技術。其研究成果與現場實踐吻合，表明該方法具有現場實用性，對實際生產和開發(fā)具有一定的指導意義，可為后續(xù)的改進提供了有益的參考。