環保型高性能水基鉆井液在山前超深井中的應用

李家學， 張紹俊， 李磊， 孫東山， 張超， 王濤

（1. 塔里木油田公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000；2. 塔里木油田公司庫車油氣開發部，新疆庫爾勒841000；3.能新科（中國）科技有限公司，北京100022）

環保型高性能水基鉆井液在山前超深井中的應用

李家學1， 張紹俊1， 李磊2， 孫東山3， 張超3， 王濤1

（1. 塔里木油田公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000；2. 塔里木油田公司庫車油氣開發部，新疆庫爾勒841000；3.能新科（中國）科技有限公司，北京100022）

針對庫車山前構造超深、超高壓、高溫、高含鹽地層常規高密度水基鉆井液性能調控維護困難，鉆進時阻卡等事故頻發，安全鉆達目的層極其困難等問題，試驗應用了環境保護型高性能水基鉆井液。該鉆井液是由多元高性能井眼穩定劑、納米成膜封堵劑、高效潤滑劑、特殊提速劑等組成，具有抑制性強、流變性和潤滑性良好、環境友好、保護儲層等性能。該環境保護型高性能水基鉆井液在庫車山前x井進行了試驗應用，應用表明高性能水基鉆井液性能穩定，抑制性強，潤滑性能好，相比于應用油基鉆井液的鄰井，機械鉆速快6.6%，無事故，井下復雜相對很少。該環境保護型高性能水基鉆井液體系環保指標檢測合格，產生的巖屑呈土本色，生物毒性小，是環境敏感地區復雜地層提高鉆井清潔生產水平的途徑之一。

環境保護；高性能水基鉆井液；超深井；鹽膏層

0 引言

塔里木盆地庫車山前構造某區塊是典型的超深、超高壓、高溫、高含鹽地層，常規高密度水基鉆井液性能調控維護困難，鉆進時阻卡等事故頻發，安全鉆達目的層極其困難[1-2]。為了解決鹽膏層井壁穩定和目的層儲層保護問題，于2011年引進了高密度油基鉆井液技術，目前該技術已經成功應用了60余口井，事故復雜大大降低，經濟效益凸顯[3-5]。但是油基鉆井液使用不可避免地遭遇環境保護問題[6-9]。

為了緩解油基鉆井液帶來的環境保護和成本壓力問題，引進環保型高性能水基鉆井液[10-11]。該鉆井液是由多元高性能井眼穩定劑、 納米成膜封堵劑、 高效潤滑劑、 特殊提速劑等核心處理劑科學配比組成。該體系具有較強抑制性能、良好的流變性和潤滑性，環境友好、 無膨潤土、 處理劑可生物降解， 能夠克服磺化水基或油基鉆井液所帶來的環境污染風險[12-17]。該體系已經在美國頁巖氣水平井得到成功應用，但在庫車山前構造超高壓、高溫、高含鹽地層條件下應用還是第1次。為此，根據試驗應用井井身結構、地層特性和鉆井液特點，通過大量實驗，對原有的配方進行了優化和改進，形成了3套新配方，并進行了各項性能評價。

1 環保型高性能水基鉆井液室內實驗

1.1 鉆井液體系特點及配方設計

經過充分分析和論證，擬在庫車山前構造帶某區塊X井上開展現場試驗應用，該試驗井總體上可分為鹽上井段、鹽膏層井段、目的層井段3部分。鹽上井段主要是大套砂泥互層，夾雜礫巖，易水化分散和掉塊，需加強包被抑制性；鹽層井段主要問題是復合鹽層埋藏深，易蠕變縮徑，可能存在鹽間高壓水層，需加強鉆井液在高密度下的抗溫性、抑制性、抗污染和防垮塌能力；鹽下井段為強水敏和鹽敏地層，地層溫度高（170 ℃）， 裂縫發育， 易發生鉆井液高溫性能惡化和井漏，需加強鉆井液的抗溫性和抑制封堵性。為此設計了3套鹽上地層、鹽膏層地層、鹽下地層鉆井液配方。

1#（鹽上地層鉆井液） 0.2%NaOH+4%超細碳酸鈣YX-1+1%K2CO3+1%降濾失劑FIL-1+1%降濾失劑FIL-2+0.2%VIS-500+1%乳化劑NDFT-1+1%LUB-1+1.5%聚合物抑制劑HIB-1+7%KCl+加重劑

降濾失劑FIL-1（高降解改性聚合物類降濾失劑，抗溫120 ℃）和FIL-2（高降解成膜降濾失劑，抗溫140 ℃）復配使用，控制濾失量；4%超細碳酸鈣YX-1（0.012～0.015 mm）對疏松地層進行物理封堵，提高泥餅質量；乳化劑NDFT-1降低表面張力，減小表觀黏度和塑性黏度，提高體系的穩定性；聚合物抑制劑HIB-1配合KCl，提高體系的抑制性能。

2#（鹽膏層地層鉆井液） 飽和NaCl溶液+1%K2CO3+0.5%增稠劑NDFT-9+1.4%潤濕劑NDFT-2+1%潤滑劑NDFT-3+0.2%NaOH+1%降濾失劑NDFT-8+1.5%Hiperm+加重劑

在飽和鹽水溶液中使用合成類改性生物聚合物增稠劑NDFT-9（抗溫180～200 ℃）提供流體結構，控制流型；改性生物聚合物降濾失劑NDFT-8（抗溫180～200 ℃）控制體系濾失性能；合成改性類潤濕劑NDFT-2（抗溫180～200 ℃）、改性植物油潤滑劑NDFT-3（抗溫180～200 ℃）和合成類泥頁巖成膜劑Hiperm（抗溫180 ℃）提高體系的抑制性、潤滑性和穩定性。

3#（鹽下地層鉆井液） 欠飽和NaCl溶液+0.4%NaOH+0.5%NDFT-9+2%環保型仿瀝青NFA-25+1%降濾失劑PAQUA-1+1%NDFT-8+0.5% NDFT-2+1%NDFT-3+1%納米碳酸鈣+1.5%Hiperm+5%KCl+加重劑

采用合成類改性生物聚合物降濾失劑PAQUA-1（抗溫180 ℃）和NDFT-8控制體系濾失量；合成類泥頁巖成膜劑Hiperm配合KCl提供抑制性能；環保型仿瀝青NFA-25和納米碳酸鈣提供體系的封堵性能，保護儲層和穩定井壁。

1.2 高性能水基鉆井液性能評價

1.2.1 基本性能

根據已鉆鄰井資料和工程地質設計，預計應用區塊鹽上井段鉆井液密度最高為1.8～1.9 g/cm3，鹽膏層鉆井液密度范圍普遍為2.2～2.4 g/cm3，鹽底地層溫度在155 ℃左右。鹽下地層鉆井液密度范圍為1.8～1.9 g/cm3，預計井底溫度在170 ℃左右。因此確定鹽上、鹽膏層、鹽下地層鉆井液配方（1#、2#、 3#）老化溫度為 150 ℃、165 ℃、180 ℃。按照配方配制鉆井液，滾動老化16 h，測其老化后的密度、45 ℃下的流變性、低溫低壓濾失量、pH值及120 ℃的高溫高壓濾失量，實驗數據及結果見表1。實驗數據表明，環保型水基鉆井液的黏度、切力適中，濾失量較低，潤滑性能良好，能滿足地層鉆進要求。

表1 高性能鉆井液性能測定數據及結果

1.2.2 抑制性

圖1為高性能水基鉆井液對應用區塊泥頁巖露頭巖屑滾動回收率實驗結果，實驗中康村組、庫姆格里姆群泥頁巖的老化條件分別為130 ℃×16 h、160 ℃×16 h。從圖1可知， 環保型高性能水基鉆井液的泥頁巖滾動回收率達到90%以上， 具有較強的抑制性能，能有效抑制泥頁巖的分散和膨脹。

圖1 高性能水基鉆井液滾動回收率實驗

1.2.3 抗污染能力

選取鹽膏層配方作為基礎配方，在基礎配方中分別加入8%巖屑、2 500 mg/L氯化鈣以及10%、15%和20%的鹽水，在165 ℃下老化16 h后，測定鉆井液抗污染性能，見表2。可以看出，加入8%巖屑后，鉆井液流變性、濾失性保持穩定，數值只有微小的升高，鉆井液抗巖屑污染能力強；加入2 500 mg/L氯化鈣后，鉆井液流變性數據有一定幅度減少，濾失性能變化不大，但整體數據滿足鉆井工程的要求；加入10%鹽水后，鉆井液流變性減少，濾失量增大，基本保持穩定，但加入20%鹽水后，高溫高壓濾失量過高，黏度切力降低較多，環保型高性能水基鉆井液不能受較多鹽水污染，后續施工中應避免高壓鹽水侵入鉆井液中，造成性能變差。

表2 高性能水基鉆井液抗污染實驗數據

1.2.4 沉降穩定性

取鹽膏層配方為基礎配方，靜置72 h，觀察其沉降情況，并測定其性能，實驗數據見表3。實驗顯示鉆井液基本無沉降，底部僅有2 cm稍稠，稍攪拌即可恢復，測試性能基本無變化，說明高性能水基鉆井液具有良好的沉降穩定性能。

表3 高性能水基鉆井液沉降穩定性實驗數據

2 現場應用

環保型高性能水基鉆井液于2016年2月在庫車山前構造帶某區塊X井上現場試驗應用。該井井深7 027 m，為五開井身結構。一開使用φ473.075 mm 套管，下入深度為 200 m，封固表層疏松地層，加固井口，二開使用技術套管φ365.125 mm，下入深度為 3 800 m，封固上部復雜層段；三開使用φ273.05 mm套管，下入至井深6 600 m，封固鹽上地層，為提高密度鉆鹽膏層做準備；四開使用φ215.9 mm套管，下入深度為6 800 m，封固鹽膏層井段，五開使用φ139.7 mm尾管，封固目的層。

2.1 現場施工情況

環保型高性能水基鉆井液試驗井于2016年2月14日開鉆，2017年1月9日鉆至井深7 006 m完鉆，實際鉆井周期為290 d。相比鄰井，試驗井段鉆井液性能穩定，抑制性強，潤滑性能好，井徑規則，無卡鉆等重大事故，井下復雜相比鄰井大幅減少，目的層漏失量大幅減少，節約鉆井成本。

2.1.1 鹽上地層

鹽上地層包括新近系庫車組-庫姆格列木群組頂部地層。施工難點為：①泥巖地層夾雜砂礫巖、小礫巖、含礫砂巖等，滲透性好，易漏失；②大段砂巖和泥巖互層，易水化膨脹、分散；③吉迪克組底部存在異常高壓地層，易溢流。

維護處理思路：采用強包被，強抑制，抗高溫和污染，維持良好流變性。在上部鉆井液基礎上①加入抗高溫材料，增強抗溫性；②繼續加聚合物包被抑制劑HIB-1；③參考鄰井，控制合理密度；④控制API濾失量小于5 mL，高溫高壓濾失量小于12 mL ；⑤控制 K+濃度為 3×104～4×104mg/L，提高抑制性；現場記錄鉆井液性能，見表4。

表4 鹽上地層鉆井用環保型高性能水基鉆井液性能

實鉆中，鉆井液性能保持穩定，漏斗黏度控制在 60～100 s,塑性黏度保持 40～80 mPa·s，動切力保持在15～20 Pa，高溫高壓濾失量控制在12 mL以內，井段鉆進無事故發生，僅有少量的阻卡現象，整個鹽上地層長裸眼鉆進順利。

2.1.2 鹽膏層地層

庫姆格列木群鹽膏層地層主要為白色鹽巖、含膏泥巖、膏質泥巖、泥巖、泥膏巖、泥質膏巖，夾雜灰質泥巖、白云巖、生屑云巖等。施工難點：①存在高壓鹽水層，易發溢流和鹽水侵污；②存在縮徑，導致卡鉆等嚴重事故。

維護處理思路：①控制合理的鉆井液密度，確保鉆井液壓住鹽水而不壓漏地層；②轉換為近飽和鹽水型高性能鉆井液體系，控制鉆井液Cl-含量在175 000 mg/L左右，保持體系可微溶鹽狀態，提高體系抗鹽膏污染和防鹽膏縮徑卡鉆能力。

高性能水基鉆井液體系黏度、切力均高于常規欠飽和鹽水鉆井液，因此實鉆中控制鉆井液漏斗黏度為100 s左右，塑性黏度控制為110 mPa·s左右，動切力控制為20 Pa左右，高溫高壓濾失量小于15 mL。實鉆超過300 m長的膏泥巖順利穿越，無事故復雜，電測、下套管順利，實鉆鉆井液性能見表5。

表5 鹽膏層鉆進用環保型高性能水基鉆井液性能

2.1.3 鹽下地層

鹽下地層為庫姆格列木群底部、白堊系巴什基奇克組，主要為褐色、棕褐色層狀砂巖，粗、中、細砂巖，夾雜泥巖，泥礫夾層等。主要鉆進難點：①裂縫發育，易漏失；②油氣活躍，地層壓力系數較高，易溢流，安全密度窗口窄；③具有中等偏強水敏，儲層保護難度較大。

維護處理思路：①控制合理鉆井液密度，降低漏失風險，保護儲層；②加入隨鉆堵漏劑和超細碳酸鈣，控制鉆井液濾失量；③主體配方中采用酸溶率高的處理劑，確保泥餅在酸化后能有效解除。

鹽下地層鉆井液密度控制為1.70 g/cm3，漏斗黏度控制為120 s，塑性黏度控制在100 mPa·s左右，動切力控制在20～25 Pa左右，高溫高壓濾失量在8 mL以內。實鉆順利鉆達設計井深，無事故復雜，實鉆性能見表6。

表6 鹽下地層鉆進用環保型高性能水基鉆井液性能

2.2 現場應用效果分析

通過現場試驗應用證實：環保型高性能水基鉆井液體系高溫高壓濾失量小，泥餅質量好，流變性等綜合性能優異，環保性能好，儲層保護效果高，能滿足山前深井現場鉆井工程的需要。

1）采用高性能水基鉆井液后，可顯著降低事故復雜損失時間，提高機械鉆速，縮短鉆進工期，提高鉆井效率，如表7所示。

表7 環保型高性能水基鉆井液現場應用效果分析

2）試驗井井壁穩定，井徑規則。鹽上井段使用環保型高性能水基鉆井液體系后的井徑比使用聚磺鉆井液體系的井徑規則，其平均井徑擴大率為4.24%，比聚磺體系小 21.98%，在 2 856～3 070 m井段井徑擴大率較大，且有出現垮塌、鉆頭泥包等現象，其原因在于該地層泥巖易水化垮塌，快速鉆進維護處理不及時，同時現場使用時，考慮環保要求，強調瀝青類物質不能加入。現場通過提高KCl加量至7%、補充1%抑制劑HIB、1%潤滑劑和少量的環保型仿瀝青類封堵劑提高體系的抑制、封堵和潤滑性能，此后鉆進恢復正常。鹽下井段環保型高性能水基鉆井液體系有類似油基鉆井液的較規則井徑，其平均井徑擴大率為0.71%，略大于油基鉆井液，比聚磺鉆井液小，如圖2～圖4所示。

圖2 環保型高性能水基鉆井液在鹽上（二開）井段施工井徑曲線

圖3 環保型高性能水基鉆井液在鹽上（三開）井段施工井徑曲線

3）環保型高性能水基鉆井液抗溫、抗鹽等性能滿足區塊安全鉆井需要。試驗井井底溫度最高達168 ℃，成功鉆達目的層，鉆井液性能保持較好，日常維護簡單，處理量小。成功鉆穿四開復合鹽井段，密度范圍 2.25～2.32 g/cm3， Cl-含量基本在18×104～21×104mg/L，性能穩定，無事故與復雜，通井、電測、下套管等過程非常順利。

圖4 環保型高性能水基鉆井液在鹽下井段施工井徑曲線

4）環保型高性能水基鉆井液具有較強的抑制性能。巖屑清晰可見PDC鉆頭切削痕跡，棱角分明，基本與油基鉆井液的鉆屑相當，如圖5所示。

圖5 不同鉆井液含泥巖層返出鉆屑照片

5） 鉆井液生物毒性小，環境友好。取現場鹽上、鹽膏層、鹽下地層實鉆鉆井液進行環保性能檢測，結果見表8。由表8數據看出，環保型高性能水基鉆井液各項有毒重金屬含量測試值均在安全范圍之內，鹽上地層生物毒性（EC50）值為45 900 mg/L，屬于無毒，鹽膏層地層和鹽下地層因受體系中KCl和地層膏鹽的影響，生物毒性（EC50）測試值判定為微毒，因此體系基本屬于環境友好型流體。回收池里鉆屑呈土本色，鉆屑滿足直接與環境接觸標準，可以融入地面環境中。

表8 高性能水基鉆井液環保性能測試結果

3 結論

1.環保型高性能水基鉆井液具有強抑制、良好的流變性性、潤滑性、環境友好性、儲層保護性能。鉆井液體系配方、控制指標、維護措施基本適應地層特征和滿足實際鉆井需要。

2.現場應用表明，環保型高性能水基鉆井液性能穩定，抑制性強，潤滑性能好，無卡鉆等重大事故，井下復雜相對較少。

3.環保型高性能水基鉆井液體系的環保指標檢測合格，產生的巖屑呈土本色，生物毒性小，是環境敏感地區復雜地層提高鉆井清潔生產水平的途徑之一。

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Application of Environmentally Friendly High Performance Water Base Muds in Ultra Depp Well Drilling in Piedmont Area

LI Jiaxue1, ZHANG Shaojun1, LI Lei2, SUN Dongshan3,ZHANG Chao3, WANG Tao1
(1. Research Institute of Oil and Gas Engineering, PetroChina Tarim Oilf i eld Division, Korla, Xinjiang 841000;2. Department of Kuche Oil and Gas Development, PetroChina Tarim Oilf i eld Division, Korla, Xinjiang 841000;3. EntiPetrotech Corp, Beijing100022)

High density water base drilling fl uids have been used to drill ultra-deep, high temperature, ultra-high pressure wells penetrating salt formations in the piedmont structure in Kuche County, Xinjiang. Challenges encountered using conventional water base drilling fl uids included dif fi culties in mud property maintenance, tight hole and pipe sticking. An environmentally friendly high performance water base drilling fl uid formulated with borehole wall stabilizer, nano fi lming agent, high performance lubricant and specially designed fast drilling agent was tested in fi eld operations. The high performance drilling fl uid had high inhibitive capacity and good rheology and lubricity, and was environmentally friendly. It also helped protect reservoirs from being damaged. The application of this drilling fl uid in a well drilled in the piedmont structure in Kuche has proved its performance as said above. Rate of penetration(ROP) of the well was 6.6% faster than the ROP of an offset well drilled with oil base drilling fl uid. No drilling accidents have ever occurred, and occurrence of downhole complications was greatly reduced. This high performance low bio-toxicity water base drilling fl uid has passed environment protection inspection. Drill cuttings produced were in their original colors, and were not colored by the drilling fl uid. This environmentally friendly high performance drilling fl uid has provided a means of drilling complex formations in environmentally sensitive area.

Environment protection; High performance water base drilling fl uids; Ultra-deep well; Formation with salt and gypsum

國家重大專項“前陸沖斷帶超深井安全快速鉆井技術（2016ZX05051002）”部分研究成果。

李家學，高級工程師，博士，1979年生，畢業于西南石油大學油氣井工程專業，現在從事鉆井液技術研究工作。電話（0996）2174315；E-mail：liji3211979@163.com。

李家學， 張紹俊， 李磊， 等.環保型高性能水基鉆井液在山前超深井中的應用[J].鉆井液與完井液， 2017， 34（5）：20-26.

LI Jiaxue, ZHANG Shaojun, LI Lei,et al.Application of environmentally friendly high performance water base muds in ultra depp well drilling in piedmont area[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017， 34（5）：20-26.

TE254.3

A

1001-5620（2017）05-0020-07

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.004

2017-7-18；HGF=1705M1；編輯 馬倩蕓）