吉木薩爾頁巖油水平井復合鹽鉆井液技術研究與應用

楊國棟(中國石油集團西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司，新疆 鄯善 838200)

1 前期施工概況

前期完成井主要存在以下難點：(1)新近系底部、古近系上部和中下部地層膏質泥巖發育，易膨脹縮徑、污染鉆井液性能，阻卡問題較多。(2)侏羅系J2x、J1b煤層發育，易坍塌；三疊系T1j和二疊系P3wt水敏性泥巖，易剝落坍塌，形成大肚子井眼。(3)侏羅系煤系地層容易發生漏失；J2t-J2x、J1b-T2k、P3wt-P2l界面不整合，承壓能力低易漏。(4)水平段延長，長斜井段巖屑懸浮攜帶和潤滑防卡問題突出。

2 室內研究

2.1 膏質泥巖地層研究

2.1.1 礦物組分分析

對新近系-古近系膏質泥巖樣品進行X射線衍射分析，結果表明：該地層膏質泥巖礦物組分主要為硬石膏(CaSO4)和粘土，含少量石膏(CaSO4·2H2O)；粘土礦物伊蒙混層為主，易水化膨脹。

2.1.2 理化特性及復雜機理

(1)硬石膏(CaSO4)填充于泥巖孔隙和微裂縫中，吸水后變為生石膏(CaSO4·2H2O)，體積增26%左右；該地層泥巖自身也易水化膨脹導致縮徑。(2)石膏溶解產生Ca2+，對鉆井液造成污染，導致粘切、失水升高，流態變差。

2.1.3 主處理劑優選

(1)確定復合鹽配比。分別測定三種鹽在不同配比下對應的巖心膨脹量變化，得出：當NaCl濃度達到15%～20%后，Weigh2加量5%即能滿足抑制需要，繼續提高加量膨脹趨勢減弱。綜合考慮，確定復合鹽最優配比：7%KCl+15-20%NaCl+5%Weigh2。

(2)優選包被抑制劑。實驗表明：IND10抑制泥巖水化分散效果最佳，最優加量為0.6%～0.8%。

(3)優選抗鹽降失水劑。實驗表明：Redu1和SP-8抗鹽降失水效果好，最優加量均1%～1.5%。SP-8具有一定的調流型降粘作用，Redu1具有一定的增粘作用，粘切較低時護膠效果顯著。

(4)復合鹽體系基礎配方確定：清水+4%土粉+0.5%NaOH+0.6-0.8%IND10+1-1.5%SP-8(Redu1)+7%KCl+15-20%NaCl+5%Weigh2。

2.1.4 基礎配方性能評價

表1 抑制性評價試驗

表2 抗污染性評價試驗

優化后的配方抑制泥巖水化膨脹、分散能力更強，具有較強的抗粘土、抗鈣污染能力。

2.2 易塌易漏地層研究

2.2.1 地層三壓力分析

韭菜園組、梧桐溝組地層坍塌壓力相對較高(平均1.38～1.45g/cm3)，井壁穩定性較差。結合已完成井施工情況，韭菜園組及以下井段鉆井液密度需保持在1.50～1.60g/cm3。

2.2.2 巖石礦物組分分析

通過全巖X射線衍射和電鏡掃描分析，得出以下結論：(1)該區域地層粘土礦物含量偏高，伊蒙混層為主，地層水敏性強，易水化膨脹分散。

(2)J2x、J1b屬于強分散中等膨脹地層；T1j-P3wt屬于強分散中膨脹地層；P2l屬于中分散弱膨脹地層。

(3)煤系地層膠結疏松、孔隙較大，易塌易漏；P3wt地層微裂縫發育，充填膨脹性礦物組分較多，膠結強度差。

2.2.3 井壁失穩機理

(1)J2x、J1b煤系地層孔隙、裂縫發育，膠結疏松，濾液侵入后加速粘土礦物水化效應，易形成大面積垮塌。

(2)T1j-P3wt地層坍塌壓力較高，粘土礦物含量高，伊蒙混層為主，易水化分散使巖石強度下降，導致剝落坍塌。

(3)侏羅系煤系地層和各不整合面承壓能力低，容易發生漏失；P3wt、P2l孔隙、微裂縫發育易漏。

2.2.4 防塌性能優化

表3 防塌瀝青軟化點評價試驗

實驗結果表明，垂深2000米前用KR-n、NFA-25封堵效果好；2000米后， KH-n能起到更好的封堵防塌效果，最優加量2%～3%。復配2%超微粉，能進一步提高封堵造壁性。

2.3 水平段井眼凈化技術研究

2.3.1 巖屑運移規律研究

(1)造斜段：鉆桿在井眼高邊，高流速泥漿位于低邊攜帶鉆屑。0～45°：返速達到1.04～1.34m/s即能滿足攜帶；大于45°：巖屑床沉積，隨井斜增大厚度增加。

(2)水平段：鉆桿位于井眼低邊，高流速泥漿位于高邊，攜帶鉆屑較困難。利用鉆具的轉動和泥漿性能混合形成的粘性耦合作用使巖屑運移到流速較高的泥漿中。

2.3.2 鉆井液流變參數優選

研究表明，井斜小于45°層流效果最好，45～65°層流和紊流效果相同，65～90°紊流效果好。但實際很難形成紊流，且紊流沖刷嚴重，不利于井壁穩定。故采用平板型層流，通過提高低剪切粘度滿足攜帶，主要是提高動塑比和φ6值。動塑比保持在0.36～0.7，φ6保持在8～10 最佳。

2.3.3 優選提切劑

選用以下四種常用提切劑進行室內評價，測量120℃、16h熱滾前后的流變性能：

表4 提切劑優選評價試驗

TCLT-1、AP220具有較高的動塑比，熱穩定性良好，φ6能提高至8以上；AP220在提切的同時對表觀粘度影響較小。

2.3.4 優選潤滑劑

對現場常用潤滑劑進行評價對比：液體潤滑劑中LU-99潤滑性最好，復配2%固體潤滑劑后潤滑性明顯提升。最優配比：3%LU-99+2%PGCS-1+2%石墨粉。

3 現場應用效果

2019年，該技術在新疆油田吉木薩爾頁巖油區累計應用11口水平井，整體應用情況如表5：

表5 水平井整體應用情況

(1)相比應用前事故復雜率減少6.53個百分點，鉆井液成本降低88.18元/米。

(2)優化后的鉆井液抑制性明顯增強，返出鉆屑成型規整；上部膏質泥巖地層阻卡復雜率減少3.13%；水平段潤滑性改善顯著，起下鉆遇阻次數減少，最大摩阻降低44.5%。

(3)單井指標多次刷新新疆油田吉木薩爾頁巖油指標：J10057_H井，創新疆油田水基泥漿水平段最長、水平段周期最短等多項紀錄；JHW152井，創吉木薩爾頁巖油區三開水平井斜井段用時最短紀錄。

4 結語

本文對吉木薩爾頁巖油水平井復合鹽鉆井液技術及其應用進行分析研究。應用結果表明，取得了顯著效果。單井指標多次刷新新疆油田吉木薩爾頁巖油指標：J10057_H井，創新疆油田水基泥漿水平段最長、水平段周期最短等多項紀錄；JHW152井，創吉木薩爾頁巖油區三開水平井斜井段用時最短紀錄。