延長油田水平井高性能水基鉆井液技術研究與應用

張文哲，李 偉，王 波，劉 云，江晨碩.

(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，陜西延安 716099；4.陜西省二氧化碳封存與提高采收率重點實驗室，陜西西安 710075;5.新疆大學紡織與服裝學院，新疆烏魯木齊 830046)

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。該區致密油藏呈現“東淺西深”伊陜斜坡構造，具有分布范圍較廣，儲層物性差且非均質性強、東西部差異大，孔喉結構復雜，“低孔、低滲、低豐度”，油藏壓力系數低等特征，但其儲層原始含油飽和度高，烴源巖條件優越，原油性質好，擁有較好的開發潛質[1-2]。油頁巖、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]。

1 地質概況

以延長油田中生界延長組致密油藏長7段為例，地層厚度約80～100 m，地層深度1 400～2 600 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。對巖樣中黏土礦物組分相對含量進行了XRD分析實驗發現，伊利石含量最高，約占40.1%～88.9%，伊蒙混層含量平均15.2%，綠泥石含量分布在4.9%～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(圖1)，井壁穩定性較弱[4]，對鉆井過程中鉆井液性能提出較高要求[5]。

圖1 儲層巖心微裂縫電鏡掃描

2 延長油田致密油水平井鉆井液技術

延長油田致密油水平井現階段主要使用的鉆井液體系為K-PAM聚合物鉆井液體系，前期的現場實踐表明，該體系在流變性能、潤滑性能與井壁穩定等性能上還存在一定問題[6]，具有很大的提升空間。對鉆井液體系配方重新進行了優選，對各性能指標二次優化，增強了鉆井液的抑制性和封堵性，且在一定程度上降低了成本。

2.1 技術難點

(1)井壁失穩現象普遍。陜北致密油藏長7段頂部和底部各發育一套褐色油頁巖或深灰色泥巖，中部發育一整套砂體，砂體間為砂泥巖互層。在水平井鉆井過程中，造斜段鉆遇該層段，由于地層黏土含量較高，現有鉆井液封堵性和抑制性能不足，導致井壁吸水膨脹厲害、掉塊嚴重而造成垮塌，特別是西部深層區塊，現場鉆井難度較大[7]。

(2)定向摩阻大導致托壓。鉆井液降濾失材料的選取對體系潤滑性和流變性產生約束，處理劑間產生不配伍，且油溶性潤滑劑加入過量時易形成二次泥餅，易造成托壓等復雜情況[8]。

(3)攜巖性能不好。對于致密油長水平段鉆井，非均質巖性突變較為嚴重，長泥頁巖段加入抑制劑后，鉆井液活度和流變性受到制約，直接影響鉆井巖屑的有效懸浮和攜帶，井眼不清潔易造成井下事故[9]。

2.2 延長油田致密油水平井鉆井液體系優化

由地層井壁不穩定機理分析[10-12]可知，要保證井段的井壁穩定，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。

目的區塊鉆井液在造斜段以后以聚合物鉆井液體系為代表，主要處理劑以聚丙烯酰胺鉀鹽(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，現場鉆井液處理劑應用較為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]。

室內實驗材料以勝利油田勝利化工工業級材料為主，按照《GB/T16783.1-2014石油天然氣工業鉆井液現場測試第1部分：水基鉆井液》標準進行測試。

2.2.1 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抗高溫抗鹽磺化降濾失劑、COP-FL聚合物降濾失劑、增粘纖維降濾失劑SJL-1等。現場取上述降濾失劑樣品，室內在基漿基礎上，配制成三種體系老化后測量常規性能，具體的實驗結果見表1。

0#：基漿：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM

1#：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+2%SMPX抗高溫抗鹽磺化降濾失劑

2#：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+2% COP-FL聚合物降濾失劑

3#：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+2% SJL-1降濾失劑

表1 加入不同降濾失劑后鉆井液性能表

注：鉆井液老化條件：80 ℃(地層溫度)熱滾24 h；測試溫度：室溫(下同)。

對比老化后鉆井液API中壓、高溫高壓濾失量，COP-FL聚合物降濾失劑要優于SJL-1降濾失劑；比較3組實驗的高溫高壓濾餅質量發現(圖2)，1#泥餅虛厚，不致密，光滑性較弱；2#泥餅薄且致密、較光滑；3#泥餅致密性好且光滑，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，可顯著提高體系失水造壁性。

圖2 不同降濾失劑高溫高壓濾失實驗泥餅

2.2.2 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無熒光防塌潤滑劑FT342、銨鹽頁巖抑制劑KD-40、陽離子乳化瀝青GD-SFT和聚胺類抑制劑SJA-1四種。在前述基漿的基礎上，引入以上處理劑形成強抑制劑體系，綜合評價其抑制黏土水化膨脹和水化分散的能力，通過測定鈉膨潤土線性膨脹率和鉆井液一次、二次滾動回收率進行評價。

1#：4%鈉膨潤土+0.2純堿+0.4%K-PAM+1.5%銨鹽頁巖抑制劑KD-40

2#：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+1.5%無熒光防塌潤滑劑FT342

3#：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.4%K-PAM+1.5%陽離子乳化瀝青GD-SFT

4#：4%鈉膨潤土+0.2%純堿+0.54%K-PAM+1.5%胺類抑制劑SJA-1

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16 h鉆井液對巖心線性膨脹量，實驗結果見圖3。

圖3 抑制劑線性膨脹率測定表

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)，測定鉆井液滾動回收率(實驗條件：熱滾溫度80 ℃，一次滾動時間16 h，二次滾動48 h)，結果見表2。

從線性膨脹率結果分析來看，銨鹽頁巖抑制劑和陽離子乳化瀝青抑制效果相當，但均弱于無熒光防塌潤滑劑；滾動回收率結果顯示，胺類抑制劑與無熒光防塌潤滑劑的二次滾動回收率較高，說明抑制性較強且更穩定。綜合成本考慮，優選出的抑制劑為無熒光防塌潤滑劑FT342。

表2 抑制劑鉆井液滾動回收率分析表

2.2.3 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。室內通過檢測鉆井液極壓潤滑系數和HTHP泥餅黏滯系數來考量體系的潤滑性。

(1)測定鉆井液的潤滑系數。

實驗依靠EP極壓潤滑儀，按照標準步驟測定鉆井液體系潤滑系數，具體實驗結果見表3。

表3 加入不同潤滑劑后鉆井液的潤滑系數

從檢測結果可以看出，通過加入兩種潤滑劑，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，意味著提高接觸潤滑膜厚度和強度對致密油層優快鉆井更有效。

(2)測定高溫高壓下的泥餅黏滯系數。

測試實驗采用GS-42型高溫高壓濾失儀，在80℃溫度條件下做鉆井液濾失實驗，按照標準步驟得到鉆井液HTHP泥餅(圖4)。經觀察發現，1#泥餅稍厚，膜表面帶有不溶性小顆粒，韌性不夠；2#泥餅薄且致密，且膜表面光滑，泥餅質量整體優于1#。泥餅黏滯系數測量結果見表4。

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，選用液體極壓潤滑劑JM-1整體潤滑效果要優于固體石墨類潤滑劑GRH-1，因此，所需潤滑劑確定為液體極壓潤滑劑JM-1。

圖4 潤滑劑高溫高壓下鉆井液泥餅對比

表4 不同體系的泥餅黏滯系數

2.2.4 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。本文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。對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(表5)，將其加入鉆井液基漿(4%鈉膨潤土漿)，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6。

表5 封堵劑復配組合配方

表6 封堵劑復配后鉆井液性能參數

注：K0為不含封堵劑空白漿體的泥餅滲透率，K′為含封堵劑的評價漿體，Kr為滲透率降低率。

根據評價結果，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，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聚合物降濾失劑+1.5%無熒光防塌潤滑劑FT342+1.0%液體極壓潤滑劑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。室內實驗同時證明，該體系可利用石灰石(120～150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。

3 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。

3.1 杏平36井——防漏失封堵性強

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[16]。該井設計井深2745.75 m，造斜段和水平段(1 350 m～2 745 m)應用該鉆井液體系。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%。鉆井液性能參數統計見表7。

3.2 羅平16井——防塌能力好

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[17]。

表7 杏平36井現場鉆井液性能參數

羅平16井井深3 342 m，水平段長達1 200 m，該井鉆遇造斜段和水平段(2 200 m～3 500 m)選用該鉆井液體系。從應用效果來看，鉆井液強封堵性和攜巖性能夠很好地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。鉆井液性能參數統計見表8。

表8 羅平16井現場鉆井液性能參數

4 結論

(1)延長油田致密油區塊長7地層巖樣黏土礦物均以伊利石為主，占比40.1%以上，含伊/蒙混層礦物，無蒙脫石；比表面積較低，為弱膨脹性地層，地層層理、宏觀裂縫、微觀裂紋均較發育，地層原巖強度較高、脆性較強，對該區鉆井液技術提出嚴格要求。

(2)通過對延長油田各致密油區塊地層巖性和鉆井技術難點進行分析，對現場用降濾失劑、抑制劑和潤滑劑等主要處理劑進行了優選，確定出適合該地區強封堵型鉆井液體系，封堵性相比優化前提高51.7%。

(3)優化后的鉆井液技術在延長油田致密油2口水平井進行了現場試驗，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。致密油強封堵強型鉆井液技術為支撐“三低”油田千萬噸油氣產量發揮積極作用，具有很好的推廣價值。