延長油田致密油藏水平井強封堵鉆井液優選與現場應用*

張文哲，李 偉，王 波，劉 云

（1.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西 西安 710075；2.陜西省特低滲透油氣田勘探開發工程技術研究中心，陜西 西安 710077；3.延長油田股份有限公司勘探開發技術研究中心，陜西 延安 716099）

鄂爾多斯盆地三疊系致密油藏以延長組7 段（簡稱長7）頂部油頁巖、致密含油砂巖和延長組6段（簡稱長6）中部油層組致密含油砂巖最為典型［1-2］。致密含油砂巖由于其硬脆性、片理結構，在鉆井過程中易發生坍塌掉塊、裂縫井漏等復雜情況，已成為延長油田鉆井，特別是水平井鉆井的一大難題，提高井壁穩定性是解決這個問題的關鍵［3］。

以延長油田中生界延長組致密油藏長7 段為例，地層深度1400數2600 m，儲層巖性主要為褐色油頁巖、灰黑色泥巖、深灰色砂質泥巖夾灰色泥質砂巖、淺灰色細砂巖等。通過X射線衍射（XRD）分析巖樣中的黏土礦物組分，伊利石含量最高，約占40.1%數88.9%，伊蒙混層含量平均值為15.2%，綠泥石含量為4.9%數27.8%，離散性整體較大；儲層節理微裂縫發育、紋理清楚、水化膨脹不均勻，屬非膨脹型破碎性（脆性）地層，膠結性差，井壁穩定性較弱［4］，對鉆井液性能提出較高要求［5］。

由地層井壁不穩定機理分析結果可知［6-8］，要保證井段的井壁穩定，在設計防塌鉆井液時，在技術上除了要滿足合理的鉆井液密度、良好的潤滑性及流變性外，還必須滿足強抑制和強封堵特性。延長油田致密油水平井現階段主要使用的鉆井液體系為聚丙烯酰胺鉀鹽（K-PAM）聚合物鉆井液體系。該體系在流變性能、潤滑性能與井壁穩定等方面還存在一些問題［9］?，F場主要技術難點有：坍塌、卡鉆等井壁失穩現象普遍［10］，定向摩阻大托壓問題嚴重［11］，鉆井液攜巖性能欠佳［12］等。聚合物鉆井液體系的主要處理劑以K-PAM為主，配合聚合物降濾失劑等其他處理劑在水化好的膨潤土漿中共同作用?，F場鉆井液處理劑種類和加量比較雜亂，急需一種適合延長致密油地層水平井的鉆井液體系和技術規范［13-14］。針對K-PAM 聚合物鉆井液體系流變性不佳、封堵和抑制性不足等問題，室內對現場常用降濾失劑、抑制劑、潤滑劑等處理劑進行優選，制得適合于致密油藏的強封堵型納米聚合醇水基鉆井液，并在現場進行了應用。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

鈉膨潤土，宣化燕北礦業有限責任公司；燒堿、純堿、抗高溫抗鹽磺化降濾失劑SMPX、聚合物降濾失劑COP-FL、銨鹽頁巖抑制劑KD-40、無熒光防塌潤滑劑FT342、固體石墨類潤滑劑GRH-1、無水聚合醇WJH-1、納米乳液RL-2，勝利化工有限責任公司；增黏纖維降濾失劑SJL-1、陽離子乳化瀝青GD-SFT、聚胺類抑制劑SJA-1、重晶石，延安朝政泥漿有限公司；液體極壓潤滑劑JM-1，河南龍翔石油助劑有限公司；聚丙烯酰胺鉀鹽K-PAM，西安藍翔化工有限公司；抗溫型鉆井液分散劑SXY、增黏劑FV-5，四川光亞科技股份有限公司；自來水。

ZNN-D6型電動六速旋轉黏度計、ZNS-2A型中壓濾失儀、GS-42型高溫高壓濾失儀、NP-03型多聯智能膨脹量測量儀、NZ-3A型黏滯系數測定儀、EP-2型極壓潤滑儀，青島海通達專用儀器有限公司。

1.2 實驗方法

參照國家標準GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業中鉆井液現場測試（第1部分：水基鉆井液）》測試鉆井液性能，評價鉆井液流變性、失水造壁性（中壓、高溫高壓）、抑制性、封堵性和潤滑性，測試溫度為室溫。鉆井液老化條件為：80℃（地層溫度）熱滾24 h。參照石油與天然氣行業標準SY/T 5613—2000《泥頁巖理化性能試驗方法》測定線性膨脹率，采用宣化鈉膨潤土制造人工巖心（壓力14 MPa，穩壓時間5 min）進行模擬，記錄巖心在鉆井液中浸泡16 h 的線性膨脹率。滾動回收率實驗選取定邊羅龐塬致密油區羅平X井洛河組地層巖屑（深度約350 m），在熱滾溫度80℃下一次滾動時間16 h、二次滾動48 h，測定鉆井液滾動回收率。鉆井液封堵性測試首先配制封堵評價用標準漿，在自來水中依次加入10%鈉膨潤土、0.5% Na2CO3、1.5%SXY、0.5%FV-5和0.7%重晶石攪拌而成，通過高溫高壓濾失實驗制備具有地層特性的厚泥餅，通過測量鉆井液通過其產生的濾失量，利用達西滲透率公式計算厚泥餅滲透率，根據加入封堵劑前后滲透率變化（滲透率降低率）來表征封堵效果。

2 結果與討論

2.1 降濾失劑優選

延長油田致密油區塊目前使用的主要降濾失劑有SMPX、COP-FL、SJL-1等。將現場取得的上述降濾失劑樣品加入基漿（4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM）中，分別配制成3 種鉆井液體系（1#：基漿+2% SMPX，2#：基漿+2% COP-FL，3#：基漿+2% SJL-1），80℃熱滾24 h 老化后測得鉆井液的流變性能見表1。對比老化后鉆井液API 中壓、高溫高壓濾失量，COP-FL聚合物降濾失劑優于SJL-1降濾失劑；比較3種鉆井液的高溫高壓濾餅可見，1#泥餅虛厚，呈淡黃色，不致密，光滑性較弱；2#泥餅呈灰褐色，薄且致密、較光滑；3#泥餅呈灰黑色，致密性好且光滑，但稍厚。綜合考慮濾失量和泥餅質量，選擇COP-FL聚合物降濾失劑（以水解聚丙烯腈銨鹽為主的聚合物），增強鉆井液結構性和增加濾液黏度，顯著提高體系失水造壁性。

表1 加入不同降濾失劑后鉆井液的性能*

2.2 抑制劑優選

根據現場調研發現，目前延長油田致密油區使用的鉆井液抑制型處理劑為FT342、KD-40、GD-SFT 和 SJA-1 4 種。在 2.1 節基漿中加入 4 種處理劑形成強抑制劑體系（1#：基漿+1.5%KD-40，2#：基漿+1.5% FT342，3#：基漿+1.5% GD-SFT，4#：基漿+1.5%SJA-1），通過測定鈉膨潤土線性膨脹率和鉆井液一次、二次滾動回收率評價其抑制黏土水化膨脹和水化分散的能力。抑制劑對鉆井液線性膨脹率的影響見圖1。銨鹽頁巖抑制劑KD-40和陽離子乳化瀝青GD-SFT 的抑制效果相當，但均弱于無熒光防塌潤滑劑FT342。清水、1數4#強抑制劑體系的一次滾動回收率分別為43.16%、76.50%、90.64%、77.48%、88.48%，二次滾動回收率分別為27.18%、67.34%、89.67%、73.37%、87.65%。胺類抑制劑（4#）與無熒光防塌潤滑劑（2#）的二次滾動回收率較高，說明抑制性較強且穩定。綜合成本考慮，優選出的抑制劑為無熒光防塌潤滑劑FT342。進一步研究發現，該處理劑由苯酚、甲醛、硝基腐殖酸鉀等聚合而成，所含苯環可在黏土表面多層吸附，鑲嵌覆蓋和堵塞致密泥頁巖的層理和微裂縫，防止濾液進入，減少水化膨脹。

圖1 抑制劑對鉆井液線性膨脹率的影響

2.3 潤滑劑優選

固體石墨類潤滑劑GRH-1 和液體極壓潤滑劑JM-1 是延長致密油區目前普遍使用的兩種鉆井液用潤滑劑。前者是將井壁和鉆柱間的滑動摩擦改為滾動摩擦提高井眼潤滑性，后者是通過增加兩者間的潤滑膜厚度和強度實現降摩減阻。室內通過測定鉆井液的極壓潤滑系數和HTHP泥餅黏滯系數來評價體系的潤滑性。通過EP 極壓潤滑儀測得基漿+2% COP-FL、基漿+2% COP-FL+1.0% GRH-1、基漿+2% COP-FL+1.0% JM-1 的潤滑系數分別為0.30、0.25、0.17。加入兩種潤滑劑后，鉆井液的潤滑性均有提升，但液體極壓潤滑劑JM-1提升效果更為顯著。液體潤滑劑通過提高接觸潤滑膜厚度和強度對致密油層優快鉆井更有效。采用GS-42型高溫高壓濾失儀，在80℃下進行鉆井液濾失實驗，制得鉆井液HTHP 泥餅?；鶟{+2% COP-FL+1.0%GRH-1 體系泥餅稍厚，呈深灰色，膜表面帶有不溶性小顆粒，韌性不夠，泥餅黏滯系數為0.1235；基漿+2%COP-FL+1.0%JM-1體系泥餅薄且致密，呈灰白色，膜表面光滑，泥餅質量整體優于加入GRH-1 的體系，泥餅黏滯系數為0.0798。從極壓潤滑系數和高溫高壓鉆井液泥餅黏滯系數綜合測試可以看出，選用JM-1 的整體潤滑效果優于GRH-1，因此，適宜的潤滑劑為液體極壓潤滑劑JM-1。

2.4 封堵劑優選

國內外研究中，沒有從本質上解決致密油儲層鉆井液封堵問題，封堵性差導致的坍塌、泥包和卡鉆等復雜問題較為嚴重。筆者根據延長油田致密油儲層納、微米級巖石孔縫特性，優選出適合該地區的封堵劑體系。將陜北致密油區現場常用的工業級納米乳液RL-2 和無水聚合醇WJH-1 兩種封堵劑單劑復配后，加入鉆井液基漿中，通過高溫高壓濾失實驗測量滲透率降低率來評價封堵效果［15］，結果見表2。根據表2結果，優選出適合致密油區鉆井液的封堵劑體系為：5%WJH-1+3%RL-2。實驗用無水聚合醇WJH-1的濁點為80℃，溫度超過其濁點時發生相分離，析出大小可變的膠體粒子在孔隙中堵塞微細孔道［16］；納米乳液RL-2 因壓差、溫度變形成為小顆粒進入泥餅的小空隙中起到封堵作用，使泥餅滲透率和失水量降低［17］。加入封堵劑體系的滲透率降低率（封堵性）相比原鉆井液提高51.7%，井壁穩定性增強。

以靖邊致密油區長7 為目的層的水平井為例，優選出致密油水平井水平段強封堵型鉆井液體系基礎配方：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4% K-PAM+2% COP-FL+1.5% FT342+1.0% JM-1+5% WJH-1+3%RL-2，其他致密油區可在此配方基礎上適當調整部分處理劑加量，處理和維護簡單。室內實驗同時發現，該體系可用石灰石（120數150目）加重，且性能保持穩定，滿足延長油田所有致密油區鉆井需要。

2.5 現場應用

將優化后的強封堵型鉆井液體系在延長油田致密油區杏平36井（東部淺層油區）、羅平16井（西部深層油區）兩口水平井進行了應用。

表2 封堵劑對鉆井液性能參數的影響*

2.5.1 杏平36井

杏平36 井位于鄂爾多斯盆地郝家坪南區鼻隆構造內，是典型的致密油區塊水平井，鄰井鉆進過程中存在較為嚴重的漏失、托壓和掉塊等現象［18］。該井設計井深2745.75 m，造斜段和水平段（1350數2745 m）應用該鉆井液體系。由鉆井液性能參數（表3）可見，該體系密度和黏切始終穩定，動塑比（YP/PV）保持在0.25左右，流變性優異，失水控制在6 mL 以內，造壁性好。現場施工過程中，該體系防漏失、封堵效果較好，井壁始終保持穩定，機械鉆速相比鄰井提高37.5%。

2.5.2 羅平16井

定邊羅龐塬致密油區以長7 儲層為主要目的層；巖性主要為黑色油頁巖、暗色泥巖夾灰黑色細砂巖。該區在2017年水平井鉆進過程中，多口井接連發生嚴重掉塊、井塌等復雜情況，最嚴重的填井、側鉆三次，是延長致密油區最為復雜的區塊之一［19］。羅平16井井深3342 m，水平段長達1200 m，該井鉆遇造斜段和水平段（2200數3500 m）時選用該鉆井液體系。由鉆井液性能參數（表4）可見，該體系密度在1.07數1.21 g/cm3范圍內并可根據地層情況實時調整，性能穩定，動切力YP＞6 Pa、攜巖流變性好，黏滯系數＜0.14、潤滑減阻性強。從應用效果來看，鉆井液強封堵性和攜巖性能很好的解決該區塊出現的卡鉆、托壓等復雜問題，井下事故率相比鄰井降低85.7%，施工周期縮短35.1%，鉆井成本減少34.7%，整體應用效果較好。

表3 杏平36井現場鉆井液性能參數*

表4 羅平16井現場鉆井液性能參數

3 結論

針對延長油田致密油區塊地層巖性和鉆井技術難點，對現場用主要處理劑（降濾失劑、抑制劑、潤滑劑、封堵劑）進行了優選，確定了適合該地區強封堵型鉆井液體系配方，封堵性相比優化前提高51.7%，井壁穩定性增強。優化后的鉆井液體系在延長油田致密油2 口水平井進行了現場試驗，施工過程中體系防漏失、封堵效果較好，機械鉆速相比鄰井提高30%，施工周期縮短35%，優快鉆井效果顯著。