延長油田水平井鉆井液優化與應用

李偉， 張文哲， 鄧都都， 李紅梅， 王濤， 王波， 王驍男， 李丹陽

延長油田水平井鉆井液優化與應用

李偉1， 張文哲1， 鄧都都2， 李紅梅1， 王濤1， 王波1， 王驍男3， 李丹陽4

（1.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，西安710075；2.北京探礦工程研究所，北京 100083；3.中國地質大學（北京），北京100083；4.中國石油塔里木油田公司開發事業部，新疆庫爾勒市 841000)

李偉，張文哲，鄧都都，等，延長油田水平井鉆井液優化與應用[J].鉆井液與完井液， 2017， 34（2）：75-78.

LI Wei1， ZHANG Wenzhe1，DENG Dudu， et al.Optimization and application of horizontal drilling fluid in Yanchang oilfield[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2017， 34（2）：75-78.

延長油田水平井現用KPAM聚合物鉆井液體系存在著抑制性能不足、流變性能不佳等問題，導致現場卡鉆、托壓等問題頻繁發生。提出用陽離子乳液聚合物DS-301與RHJ-1乳化石蠟取代原體系中的KPAM和水基潤滑劑，以改善鉆井液性能。DS-301為大分子陽離子聚合物抑制劑，帶有大量的陽離子基團，其分子量可以達到600萬以上，能夠有效提高連續相的黏度；RHJ-1具有優良的潤滑防塌性能，能輔助提高DS-301的化學抑制效果。通過室內實驗優選，0.3%DS-301與2.0%RHJ-1復配的陽離子乳液聚合物鉆井液體系在100 ℃老化16 h后塑性黏度為25 mPa·s，動切力為12.5 Pa，潤滑系數為0.233，高溫高壓泥餅黏滯系數為0.052 4，滾動回收率高達92.8%，對比KPAM聚合物體系在流變性能和抑制性能上有了明顯的提高，有利于大幅度減少了卡鉆問題的發生；通過配合加入1%極壓減摩劑JM-1，潤滑系數進一步降低到了0.137，有效地提高了鉆井液的潤滑性能，解決了水平段出現的托壓問題。現場試驗3口井，在水平鉆進井段控制鉆井液濾失量在5 mL以下，保持動塑比在0.48 Pa/（mPa·s）左右，提高鉆井液攜巖性能，保持井壁的穩定，現場施工作業順利。

水平井；陽離子乳液聚合物鉆井液；乳化石蠟；極壓減摩劑；延長油田

延長油田擁有資源面積1 977 km2，探明含油面積3 414.6 km2，探明地質儲量15.78億t，目前采出程度約4.7%，采收率10%～11%。薛平1井作為延長低滲油藏水平井成功開發的里程碑[1]，為延長油田大力發展水平井開發技術提供了很好的成功經驗。自2011年開始推廣應用水平井技術，新鉆水平井16口，2013年～2014年新鉆水平井154口井，取得了較好的增儲上產效果。近年來，延長油田開發的主力儲層為延長組長6、長7地層，占總數的40%；水平段的長度主要集中在500～1 000 m，占總數的75%。現階段水平井均采用二開井身結構，長裸眼鉆造斜段與水平段。水平井鉆井液主要采用聚合物鉆井液體系和KCl聚磺鉆井液體系，在現場應用中存在有泥巖段坍塌掉塊、水平段攜巖性能不好、滑動鉆進時托壓問題較為嚴重，給鉆井液處理維護帶來困難。提出用陽離子乳液聚合物DS-301與RHJ-1乳化石蠟來取代原體系中的主要大分子聚合物來改善其性能

1 主要技術難點

1）延長水平井普遍采用二開井身結構，二開直井段固井后直接長裸眼鉆造斜段和水平段，水平段一般500～1 000 m，部分大位移井水平段更長，對鉆井液潤滑性能要求很高。

2）淺層大位移水平井定向造斜段造斜率高，斜井段滑動鉆進，鉆井液攜帶巖屑能力不足，極容易形成巖屑床，導致井下事故[2]。

3）侏羅系安定組、直羅組砂泥巖地層易發生嚴重的井壁垮塌，對直羅組地層進行了全礦物分析和黏土礦物分析，結果表明泥巖組分中伊/蒙間層含量達49%，該類泥巖水敏性較強，在鉆井液長期浸泡下容易因水化膨脹不均勻導致井壁垮塌。

4）PDC鉆頭在下部地層造斜率和復合增斜率低，滑動施工效率低。水平井造斜點一般為1 800～2 000 m，造斜層位在富縣組、延安組，地層可鉆性差，工具面不穩定，滑動增斜率低，托壓現象嚴重。

5）老區塊由于注水井的影響，“漏侵同存”井普遍存在，壓井難度大。上部地層承壓能力普遍較低，壓井安全密度窗口不好把握，增加了壓井難度。

2 鉆井液體系優化

陽離子乳液聚合物鉆井液體系在新疆、鄂爾多斯、江蘇等區塊的應用已經取得了非常好的效果，其主劑是陽離子乳液聚合物DS-301和乳化石蠟RHJ-1[3-7]。DS-301為大分子陽離子聚合物抑制劑，帶有大量的陽離子基團，分子量為600萬～1 100萬，能有效提高連續相的黏度，RHJ-1具有優良的潤滑防塌性能，能有效改善水基鉆井液連續相的性能，還能輔助提高DS-301的化學抑制能力。因此選用陽離子乳液聚合物DS-301代替KPAM，進一步提高鉆井液的抑制性和攜巖能力，選用乳化石蠟RHJ-1替換水基潤滑劑，提高鉆井液的潤滑性能，采用抗高溫聚合物降濾失劑RHPT-1進一步提高鉆井液降濾失能力。

2.1 陽離子乳液聚合物鉆井液配方優選

設計RHPT-1的加量為0.5%，DS-301加量為0.2%～0.3%，RHJ-1加量為1.0%～2.0%。選用以下配方對DS-301和RHJ-1對鉆井液性能的影響進行了評價，結果見表1。

4%膨潤土+0.2%Na2CO3+1.5%無熒光防塌劑+ 0.5%RHPT-1。

表1表明，DS-301加量從0.2%增大到0.3%，鉆井液動切力與動塑比有了明顯提高；老化前后整體的流變性能沒有明顯的變化，體系的穩定性較好。綜合考慮，選擇DS-301的加量為0.3%。從表1還可以看出，加入RHJ-1后鉆井液潤滑性能有了很大提升，RHJ-1加量為2.0%時，高溫（100 ℃）高壓下的泥餅黏滯系數為0.052 4，滿足要求；潤滑系數最低為0.233，還有待提高。因此，引入了極壓減摩劑JM-1。JM-1能夠大幅度提高鉆井液的潤滑性能，當其加量為0.1%時，潤滑系數進一步降低到了0.137，如表2所示。

實驗選取靖邊區塊中165-1井延長組長6地層巖屑（井深為1 890 m），在100 ℃，16 h條件下做滾動回收率實驗，結果見表1。可以看出，提高DS-301與RHJ-1乳化石蠟的加量，有助于提高鉆井液的抑制性能，體現了陽離子乳液聚合物的化學抑制效果。最終優選出的陽離子乳液聚合物鉆井液配方如下。

表1 DS-301和RHJ-1加量對鉆井液性能的影響（100 ℃、16 h）

4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.5%RHPT-1+1.0%JM-1 +2.0%RHJ-1+0.3%DS-301+1.5%無熒光防塌劑

表2 加入JM-1后鉆井液潤滑系數變化

2.2 與KPAM聚合物鉆井液性能綜合對比

與現場普遍采用的KPAM聚合物鉆井液體系的性能進行了對比，實驗結果見表3。對比表1中0.3%DS-301和2.0%RHJ-1時的鉆井液性能與表3的實驗結果，陽離子乳液聚合物鉆井液性能明顯優于KPAM聚合物鉆井液體系。表3中鉆井液具體配方如下。

4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.4%KPAM+1.5%聚合物降濾失劑COP-HFL+2%水基潤滑劑+1.5%無熒光防塌劑

表3 現場普遍采用KPAM聚合物鉆井液性能（100 ℃、16 h）

3 現場鉆井液處理維護措施

2015年在延長油田完成了羅平16、西平15和蒲平22井3口水平井的現場試驗，其中蒲平22井完鉆井深2 110 m，水平段長965 m，西平15井完鉆井深2 800 m，水平段長832 m，羅平16井完鉆井深3 500 m，水平段長830 m。從應用結果來看，該體系攜巖能力強，抑制性能和潤滑性能良好，能夠滿足施工的技術要求。現以具有代表性的羅平16井為例，介紹該鉆井液的現場處理維護情況。

羅平16井位于陜西省定邊縣南部，鉆遇地層主要為第四系、白堊系、侏羅系、三疊系延長組，鉆進過程中未出現復雜事故，而鄰井大量出現井壁垮塌和托壓等問題。羅平16井在二開的平均機械鉆速為125.2 m/d，同區塊5口井的二開機械鉆速均未達到100 m/d，整體二開鉆速提升25%以上。

現場在鉆進至造斜段時，為了減少掉塊，加入1%的無熒光防塌劑，封堵巖層裂隙并保持井壁穩定；加入0.2% DS-301，保持鉆井液的動塑比在0.3～0.5 Pa/（mPa·s），保證鉆井液有較好的攜巖性能；在延長組長6與長7交界面上有一段幾米厚的油頁巖，鉆遇該段前50 m注意提高鉆井液的密度到設計上限，以平衡地層壓力，提高無熒光防塌劑與RHJ-1的加量，以改善泥餅質量，造斜段性能穩定，未出現井壁垮塌和大量的掉塊。水平段鉆進時，以補充膠液為主，通過補充DS-301增加鉆井液的懸浮攜帶能力，調整鉆井液的黏度在20 mPa·s左右，動切力在10 Pa左右，防止巖屑床的形成；通過補充降濾失劑RHPT-1，保持現場濾失量在5 mL以下，防止井壁坍塌；現場通過加入極壓減摩劑JM-1，將泥餅黏滯系數控制在0.069 9以下，水平段未出現托壓問題。

3口試驗井在實際鉆井過程中，鉆井液處理得當，整體性能優良，現場均沒有出現過卡鉆、掉塊等復雜事故，完井時間都居于各個工區的領先水平。整體來看陽離子乳液聚合物體系在該地區應用效果良好，具體各個試驗井水平段鉆井液性能見表4。

表4 3口試驗井水平段鉆井液性能

4 結論與建議

1.延長油田造斜段與水平段鉆井過程中井壁失穩的主要原因是部分地層泥頁巖水化嚴重，鉆井液抑制性能不足，導致巖石脆裂。采用具有良好抑制能力和封堵能力的鉆井液是預防和減少該地區井壁失穩的重要措施。

2.水平段提高鉆井液切力與動塑比，能夠有效地提高鉆井液攜帶巖屑的能力，減少巖屑床的形成；降低鉆井液的濾失量，有利于形成薄且韌的泥餅，減少井下鉆桿壓差卡鉆的發生。

3.通過室內實驗，形成了陽離子乳液聚合物鉆井液配方，評價結果表明，該體系具有良好的流變性能和抑制性能，能夠有效抑制泥頁巖的水化膨脹。該體系潤滑性能較好，通過加入極壓減摩劑JM-1能夠減少鉆井過程中出現的托壓問題。

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Optimization and Application of Horizontal Drilling Fluid in Yanchang Oilfeld

LI Wei1, ZHANG Wenzhe1,DENG Dudu2,LI Hongmei1, WANG Tao1, WANG Bo1, WANG Xiaonan3, LI Danyang4
(1. Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum (Group) Ltd., Xi’an, Shaanxi 710075; 2.Beijing Insititute of Exploration Engineering, Beijing 100083; 3.China University of Geosciences, Beijing 100083; 4.Development Department of Oil and Gas Engineering, PetroChina Tarim Oilfeld Division, Korla, Xinjiang 841000)

The KPAM polymer drilling fuid presently used in horizontal drilling in Yanchang Oilfeld has low inhibitive capacity and poor rheology, resulting in frequent pipe sticking and inability to exert weight on bit during drilling. To improve the performance of the KPAM polymer drilling fuid, a cationic emulsion polymer DS-301 and a emulsifed paraffn RHJ-1 have been used to replace the main polymers used. DS-301 is a high molecular weight (more than 6,000,000) cationic polymer inhibitor with multiple cationic groups, and is thus able to effectively viscosify the continuous phase of the drilling fuid. RHJ-1 has superior lubricating and inhibitive capacities, synergistically working with DS-301 to enhance the chemical inhibitive capacity of the drilling fuid. Based on laboratory experiments, a drilling fuid formulation containing 0.3% DS-301 and 2.0% RHJ-1 was selected. The new drilling fuid formulation, after hot rolling for 16 h at 100 ℃, had plastic viscosity (PV) of 25 mPa·s, yield point (YP) of 12.5 Pa, coeffcient of friction of 0.233, and percent recovery of shale cuttings of 92.8%, better than KPAM polymer drilling fuid in rheology and inhibitive capacity. Pipe sticking has been greatly mitigated since the use of this new drilling fuid. 1% extreme pressure lubricant JM-1 was added in the drilling fuid to improve its lubricating performance and solve the problem of being unable to exert weight on bit in horizontal drilling, and the coeffcient of friction was further reduced to 0.137. In feld application, the fltration rates of the drilling fuid in three wells were controlled below5 mL, and the ratios of YP/PV at about 0.48 Pa/(mPa·s). Cuttings carrying capacity of the drilling fuid was improved, and borehole wall stabilized. No downhole troubles have ever been encountered during drilling, and higher ROP was achieved.

Horizontal well; Cationic emulsion polymer drilling fuid; Emulsion paraffn; Extreme pressure lubricant;Yanchang oilfeld

TE254.3

A

1001-5620（2017）02-0075-04

2016-12-9；HGF=1605F8；編輯 付玥穎）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.02.013

陜西延長石油（集團）有限責任公司項目“延長東部淺層油藏水平井開發技術研究與應用（水平井鉆井液技術研究與應用）”（YT1114SFW0102）。

李偉，高級工程師，碩士，現在從事鉆采工藝技術研究工作。E-mail：liwei-xian@sohu.com。