永301井井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)

楊世鑫

中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000

永301井位于準(zhǔn)噶爾盆地車莫古隆起南翼，是永進(jìn)油田的一口重點(diǎn)評(píng)價(jià)直井，設(shè)計(jì)井深5 930 m，實(shí)鉆井深5 930 m。永進(jìn)油田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，上部地層棕紅色泥巖易吸水膨脹縮徑，導(dǎo)致起下鉆不暢；疏松砂巖易形成虛厚泥餅，造成起下鉆劃眼；侏羅系發(fā)育超壓，井壁穩(wěn)定性差，前期在勘探開發(fā)已完鉆的8口井中，有5口井發(fā)生卡鉆事故，個(gè)別井甚至報(bào)廢，永進(jìn)油田的勘探開發(fā)工作一度擱淺。為探明該區(qū)塊油氣資源潛力，正確評(píng)價(jià)該區(qū)塊油氣藏的規(guī)模、生產(chǎn)能力及經(jīng)濟(jì)價(jià)值，部署鉆探永301井。為保證永301井鉆探施工順利，針對(duì)不同井段，優(yōu)選了不同的鉆井液體系，配合相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)鉆井液維護(hù)處理技術(shù)，取得了良好的產(chǎn)油效果。

1 工程地質(zhì)概況

導(dǎo)管采用φ660.4 mm鉆頭開鉆，鉆至井深55.46 m，下入φ508.0 mm導(dǎo)管至井深55.46 m。一開采用φ444.5 mm鉆頭鉆至井深1 500.00 m，下入φ339.7 mm套管至1 499.39 m。二開采用φ311.2 mm鉆頭鉆至井深4 303.00 m，下入φ244.5 mm套管至4 302.34 m。三開采用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深5 930.00 m完鉆，下入φ139.7 mm套管至5 927.20 m完井。

永301井實(shí)鉆地層自上而下為新近系(0～1 730 m)、古近系(1 730～2 774 m)、東溝組(2 774～3 634 m)、連木沁組(3 634～4 178 m)、勝金口組(4 178～4 256 m)、呼圖壁組(4 256～5 100 m)、清水河組(5 100～5 510 m)、西山窯組(5 510～5 656 m)和三工河組(5 656～5 930 m)。

2 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)及井壁穩(wěn)定技術(shù)對(duì)策

2.1 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

1)上部地層古近系棕紅色泥巖造漿性強(qiáng)，易黏附在井壁上，形成小井眼，造成起下鉆阻卡；棕紅色泥巖溶解在鉆井液體系中，鉆井液易被污染，造成鉆井液黏切劇升，導(dǎo)致PDC鉆頭泥包，影響了工程施工進(jìn)度；砂巖滲透性強(qiáng)，井壁易產(chǎn)生虛厚泥餅，造成起下鉆阻卡。

2)二開采用φ311.2 mm井眼鉆進(jìn)，地層成巖性差，鉆時(shí)快，如果鉆屑不能及時(shí)攜帶出井眼，則會(huì)吸附在井壁上，形成小井眼，造成起下鉆不暢通；二開裸眼段長(zhǎng)達(dá)2 900 m，裸眼段上下地層壓力不同，地層巖性差異性大，施工中鉆井液維護(hù)處理技術(shù)不同，長(zhǎng)裸眼井壁穩(wěn)定技術(shù)難度大。

3)侏羅系發(fā)育超壓，地應(yīng)力作用強(qiáng)，井眼形成后，地應(yīng)力沿著井眼的徑向釋放，造成井壁坍塌掉塊。前期已完鉆井均在侏羅系發(fā)生過復(fù)雜情況，輕者憋泵，被迫反復(fù)劃眼；嚴(yán)重者卡鉆。

4)侏羅系清水河組泥巖層理及微裂縫發(fā)育，地層被鉆開后，濾液在壓差作用下沿層理和微裂縫進(jìn)入，造成裂縫中的黏土礦物水化，導(dǎo)致巖層間的膠結(jié)強(qiáng)度降低，在地應(yīng)力作用下加劇井塌的發(fā)生。

5)侏羅系西山窯組以砂泥巖混層為主，砂巖吸水性強(qiáng)，水化速度快；而泥巖致密堅(jiān)硬，水化速度慢。砂巖膨脹后強(qiáng)度降低，導(dǎo)致其上支撐的泥巖垮塌，產(chǎn)生掉塊，且掉塊堅(jiān)硬，很難破碎；由于地層可鉆性差，導(dǎo)致施工周期長(zhǎng)，地層被濾液浸泡的時(shí)間加長(zhǎng)，更增加了井壁垮塌的可能性。

2.2 井壁穩(wěn)定技術(shù)對(duì)策

1)針對(duì)上部疏松地層及棕紅色泥巖，調(diào)控鉆井液體系的流變性，保持鉆井液以低黏低切鉆進(jìn)，使鉆井液具有較強(qiáng)的沖刷能力；保證四級(jí)固控設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率100%，除去鉆井液體系的劣質(zhì)固相含量，凈化鉆井液體系；適當(dāng)放寬鉆井液濾失量，沖刷虛厚泥餅，保持?jǐn)U徑及縮徑的平衡；工程上保持大排量，提高環(huán)空返速，適當(dāng)沖刷井眼及提高井眼的凈化效率。

2)針對(duì)侏羅系地層發(fā)育超壓情況，首先，保證在井壁上形成良好泥餅，封堵地層孔隙及微細(xì)裂縫；其次，降低鉆井液的高溫高壓濾失量，預(yù)防或減緩地層的水化，保持巖石的原始強(qiáng)度；最后，控制合適的鉆井液密度，保證鉆井液液柱壓力平衡地層坍塌壓力，維持井眼力學(xué)平衡。

3 鉆井液體系的選擇

3.1 鉆井液體系配方

通過總結(jié)國內(nèi)深井、超深井及復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井液體系使用情況[1-7]，調(diào)研國內(nèi)外鉆井液體系發(fā)展情況[8-11]，借鑒該區(qū)塊前期鉆井液施工經(jīng)驗(yàn)[12-13]，針對(duì)永301井地層巖性及井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)選鉆井液體系，確定永301井二開鉆井施工采用聚胺強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系；三開采用合成基鉆井液體系。

聚胺強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系配方為：3.0%～5.0%膨潤土+0.1%～0.25%燒堿NaOH+0.2%純堿Na2CO3+0.2%～0.5%聚丙烯酸鉀KPAM+0.5%～1.0%胺基抑制劑+1.0%～2.5%防塌降濾失劑KFT+2.0%～3.0%磺化酚醛樹脂SMP-1+2.0%～4.0%井壁穩(wěn)定劑HQ-1+1.5%～3.0%超細(xì)碳酸鈣+0.5%～1.5%液體潤滑劑。

合成基鉆井液體系配方為：基礎(chǔ)油+2.5%～3.5%有機(jī)土+2.0%～4.0%乳化劑+1.0%～2.0%輔乳化劑+1.0%～2.0%潤濕劑+3.0%～6.0%降濾失劑+1.0%～3.0%防塌劑+3.0%～5.0%封堵劑。

3.2 鉆井液體系作用機(jī)理分析

1)聚胺強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系作用機(jī)理

鉀離子和聚胺抑制劑中的胺基能夠嵌入黏土礦物的晶層之間，阻止水分子的進(jìn)入，從而防止黏土礦物水化膨脹；聚胺抑制劑在水解過程中產(chǎn)生陽離子，能夠吸附到黏土顆粒上，從而抑制黏土礦物的水化分散[14]。超細(xì)碳酸鈣為不同直徑粒子的復(fù)配產(chǎn)品，能夠適應(yīng)不同形狀和不同直徑的孔隙和微細(xì)裂縫；井壁穩(wěn)定劑是彈性瀝青粒子，和超細(xì)碳酸鈣一起，在井壁上形成滲透率低的良好泥餅，增強(qiáng)鉆井液體系對(duì)井壁的封堵效果。

2)合成基鉆井液體系作用機(jī)理

合成基鉆井液是一種以氣制油為連續(xù)相的油基鉆井液，水為分散相，體系中油水比低，通過乳化劑作用，使水相更好的分散在油相中，保證了體系的穩(wěn)定性。由于體系的連續(xù)相為油，從根本上解決了泥頁巖水化失穩(wěn)問題。

4 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液技術(shù)

4.1 一開井段(55.46～1 500 m)鉆井液技術(shù)

1)配制200 m3膨潤土漿，濃度為8%，預(yù)水化24 h后開鉆。

2)鉆進(jìn)過程中及時(shí)補(bǔ)充聚合物膠液，KPAM濃度保持為0.35%，胺基抑制劑濃度控制在0.5%，保證鉆井液體系的絮凝包被能力和抑制性。

3)加入0.5%低黏羧甲基纖維素LV-CMC，適當(dāng)提高鉆井液的黏度和切力，增強(qiáng)鉆井液的懸浮攜帶能力。

4)開動(dòng)四級(jí)固控設(shè)備，除去鉆井液中劣質(zhì)固相，鉆井液密度控制在1.10 g/cm3以內(nèi)，保證鉆井液清潔。

5)工程上保證排量55 L/s，提高環(huán)空上返速度，凈化井眼；每鉆進(jìn)300～500 m進(jìn)行短起下鉆，暢通井眼。

6)鉆完進(jìn)尺后，充分循環(huán)，換牙輪鉆頭進(jìn)行通井。配制高黏切稠漿封閉裸眼井段，確保下套管及固井作業(yè)施工順利。

4.2 二開井段(1 500～4 303 m)鉆井液技術(shù)

1)開鉆前，開動(dòng)固控設(shè)備，除去鉆井液中的劣質(zhì)固相；使用一開井漿開鉆，鉆水泥塞期間，加入純堿，消除鈣離子污染。

2)鉆井液密度控制在1.10 g/cm3以內(nèi)鉆進(jìn)；1 598 m后振動(dòng)篩出現(xiàn)少量棕紅色泥巖掉塊，提高鉆井液密度至1.15 g/cm3；井深1 882 m，振動(dòng)篩返出灰綠色泥巖掉塊，提高鉆井液密度至1.20 g/cm3；鉆遇大段棕紅色泥巖，提高鉆井液密度至1.25 g/cm3；隨著進(jìn)尺的增加，鉆井液密度逐漸提高到1.30 g/cm3，保持井眼力學(xué)平衡，防止井壁坍塌。

3)鉆進(jìn)中配制膠液維護(hù)鉆井液性能，膠液中聚合物KPAM濃度維持在0.3%，胺基抑制劑濃度控制在0.5%，保證體系的抑制性；鉆遇棕紅色泥巖時(shí)，膠液中聚合物KPAM濃度維持在0.4%，胺基抑制劑濃度控制在0.8%，強(qiáng)化體系的抑制性；后期逐漸降低KPAM濃度降低至0.3%左右，胺基抑制劑濃度保持在0.5%，保持鉆井液體系的抑制性。

4)保持鉆井液漏斗黏度在35 s左右，控制環(huán)空鉆井液處于紊流狀態(tài)，適當(dāng)沖刷井壁；鉆進(jìn)至2 755 m后適當(dāng)提高鉆井液黏切，漏斗黏度逐漸提高至50 s左右，增強(qiáng)鉆井液體系的懸浮攜帶能力。

5)加入超細(xì)碳酸鈣，封堵疏松砂巖地層，減少鉆井液滲透；3 000 m后適當(dāng)降低超細(xì)碳酸鈣粒徑，加入井壁穩(wěn)定劑HQ-1，降低泥餅的滲透率，提高泥餅的質(zhì)量，增強(qiáng)鉆井液體系的封堵能力。

6)使用防塌降濾失劑KFT，適當(dāng)控制鉆井液濾失量，沖刷井壁；3 000 m后加入磺化酚醛樹脂，逐漸控制鉆井液濾失量；至中完時(shí)，鉆井液中壓濾失量控制在5 mL以內(nèi)，防止泥頁巖水化膨脹。

7)2 700 m后，一次性加入0.5%液體潤滑劑，保持鉆井液體系的潤滑性；根據(jù)起下鉆摩阻和扭矩情況及時(shí)補(bǔ)充，增強(qiáng)鉆井液體系的潤滑性，增強(qiáng)鉆井液體系的潤滑防卡能力。

8)全程開動(dòng)振動(dòng)篩、除砂器和除泥器，間斷開動(dòng)離心機(jī)，保持鉆井液低固相狀態(tài)，維持鉆井液良好的流變性。

9)工程上保證排量，提高井眼凈化效率；每鉆進(jìn)400 m進(jìn)行短起下鉆，刮掉吸附在井壁上的虛厚泥餅；鉆遇棕紅色泥巖和含膏泥巖后，加密短起次數(shù)，每鉆進(jìn)200～300 m進(jìn)行短起下鉆，暢通井眼。

10)中完后，更換牙輪鉆頭通井；待振動(dòng)篩無返砂后，配制封井漿封閉井底800 m井段，確保中完作業(yè)順利。封井漿配方：井漿+1.5%磺化酚醛樹脂SMP-1+1.0%超細(xì)碳酸鈣+0.5%液體潤滑劑。二開鉆井液性能見表1。

表1 二開鉆井液性能

4.3 三開(4 303～5 930 m)井段鉆井液技術(shù)

1)鉆進(jìn)過程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求調(diào)整鉆井液流變性，及時(shí)補(bǔ)充乳化劑、潤濕劑及封堵防塌材料，滿足安全快速鉆進(jìn)的需要。

2)預(yù)先配制好合成基基漿，按照循環(huán)周均勻補(bǔ)充到循環(huán)系統(tǒng)中，維護(hù)鉆井液性能?；鶟{加入量根據(jù)新鉆進(jìn)尺、井下滲透及固控設(shè)備損耗計(jì)算，防止基漿加入過多降低鉆井液密度。

3)鉆進(jìn)過程中根據(jù)鉆遇地層、井下實(shí)際情況及地層坍塌壓力及時(shí)調(diào)整鉆井液密度，確保優(yōu)快鉆進(jìn)，呼圖壁組鉆井液密度控制在1.40～1.55 g/cm3之間；進(jìn)入清水河組后，逐漸提高鉆井液密度至1.60 g/cm3；進(jìn)入西山窯組前，提高鉆井液密度至1.65 g/cm3，西山窯組鉆進(jìn)至5 540 m鉆遇油氣顯示，根據(jù)油氣顯示情況，為確保井控安全，逐漸提密度至1.83 g/cm3；三工河組鉆進(jìn)至5 879 m時(shí)油氣顯示活躍，提高密度至1.87 g/cm3；鉆至5 930 m完鉆，完鉆后油氣顯示活躍，為確保井控安全，提高密度至1.90 g/cm3，保證井控安全。

4)鉆進(jìn)過程中監(jiān)測(cè)合成基鉆井液的破乳電壓及油水比；根據(jù)實(shí)際情況，在鉆井液中補(bǔ)充基礎(chǔ)油及氯化鈣鹽水，提高鉆井液的乳化穩(wěn)定性。

5)鉆進(jìn)過程中嚴(yán)格控制高溫高壓濾失量，及時(shí)補(bǔ)充有機(jī)土、乳化劑和合成基降濾失劑，控制高溫高壓濾失量在4 mL以內(nèi)。

6)清水河組地層微裂縫發(fā)育，加大微納米比重調(diào)節(jié)劑和氧化瀝青的加量，提高鉆井液的封堵防塌能力；使用1 500～2 000目的超細(xì)碳酸鈣，優(yōu)化粒度配比，提高鉆井液的封堵能力，減少地層滲透消耗量。

7)合理使用四級(jí)固控設(shè)備，保證振動(dòng)篩、除砂器、除泥器的使用效率100%，振動(dòng)篩篩布使用200目，提高一級(jí)固控的凈化效率；根據(jù)需要適當(dāng)開啟離心機(jī)，嚴(yán)格控制鉆井液低密度固相含量，保持鉆井液良好的流變性。

8)完鉆后下牙輪鉆頭通井，充分循環(huán)鉆井液，凈化井眼，有利于完井下套管作業(yè)的順利進(jìn)行；固井前適當(dāng)降低鉆井液黏度，提高水泥漿的頂替效率，有利于提高固井質(zhì)量。

三開鉆井液性能見表2。

表2 三開鉆井液性能

5 結(jié)論及建議

1)聚胺強(qiáng)抑制防塌鉆井液體系抑制性強(qiáng)，封堵性好，解決了上部地層棕紅色泥巖及含膏軟泥巖的水化膨脹難題，整個(gè)二開大井眼長(zhǎng)裸眼井段鉆進(jìn)順利，中完作業(yè)一次成功。

2)合成基鉆井液體系井壁穩(wěn)定性強(qiáng)，解決了永進(jìn)油田侏羅系存在的井壁失穩(wěn)難題，三開鉆進(jìn)中井壁穩(wěn)定，井下安全。

3)井身質(zhì)量好，達(dá)到了優(yōu)快鉆井的效果。二開長(zhǎng)裸眼井段平均井徑擴(kuò)大率僅為7.20%；三開平均井徑擴(kuò)大率為8.60%。全井平均機(jī)械鉆速為4.77 m/h，創(chuàng)永進(jìn)油田鉆完井時(shí)效新紀(jì)錄。永進(jìn)油田鉆完井時(shí)效見表3。

表3 永進(jìn)油田鉆完井時(shí)效

4)油層保護(hù)效果好。合成基鉆井液體系油層保護(hù)效果好，永301井完井后試油，獲穩(wěn)定高產(chǎn)工業(yè)油氣流，日產(chǎn)油47 t，日產(chǎn)氣12 000 m3，打破了永進(jìn)油田長(zhǎng)達(dá)15年的勘探沉寂。

5)永進(jìn)油田侏羅系發(fā)育超壓，施工中必須合理調(diào)控鉆井液密度，保證井眼的力學(xué)平衡；必須保證泥餅質(zhì)量，這是井壁穩(wěn)定的基礎(chǔ)。