高性能水基鉆井液在大慶油田致密油水平井的應(yīng)用

王偉東

（中國(guó)石油大慶油田采油工程研究院，黑龍江大慶 163712）

大慶長(zhǎng)垣外圍青山口組高臺(tái)子油層和泉頭組扶余油層為代表的致密油儲(chǔ)層物性較差，單層厚度薄，為獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，要求所鉆水平井具有足夠長(zhǎng)度的水平井段。施工中存在地層摩阻大、機(jī)械鉆速低、鉆井周期長(zhǎng)、井壁失穩(wěn)等一系列問(wèn)題，對(duì)鉆井液的抑制性、攜巖性及潤(rùn)滑性都提出了較高要求。綜合考慮成本、環(huán)保等因素，油基鉆井液已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前致密油藏大規(guī)模開(kāi)發(fā)的要求，需要一種能夠適應(yīng)大慶油田長(zhǎng)水平段施工需求的水基鉆井液。高性能水基鉆井液（HPWBM）是以胺基抑制劑作為主要處理劑的新型鉆井液體系，具有較強(qiáng)的抑制性[1-2]，國(guó)內(nèi)外以聚胺作為主要處理劑相繼研發(fā)了多種類似體系作為油基鉆井液替代產(chǎn)品，并陸續(xù)投入現(xiàn)場(chǎng)試 驗(yàn)[3]。將胺基抑制劑AP-1 及聚合醇JY-X 引入陽(yáng)離子聚合物鉆井液體系，在強(qiáng)化抑制性的基礎(chǔ)上重點(diǎn)提高封堵防塌性能，研發(fā)了適應(yīng)大慶油田地層特點(diǎn)，能滿足常規(guī)性能要求的鉆井液體系。與油基鉆井液對(duì)比分析顯示，主要性能接近油基鉆井液水平，成本僅為油基鉆井液三分之一左右。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了良好的效果并逐步推廣，現(xiàn)已成為大慶油田致密油水平井鉆井采用的主要體系之一。

1 區(qū)域概況與施工難點(diǎn)

龍虎泡油田位于齊家-古龍凹陷以西的龍虎泡階地，是大慶油田主要的致密油藏開(kāi)發(fā)區(qū)塊之一。該區(qū)塊內(nèi)青山口組砂巖平均厚度1.6 m，有效厚度0.8 m，平均孔隙度為11.5%，平均滲透率為0.640×10-3μm2，屬于低孔、特低滲致密儲(chǔ)層。施工地層自上而下分別為白堊系嫩江組、姚家組和青山口組。上部嫩江組地層易水化分散，造漿嚴(yán)重，鉆井液黏切調(diào)控難度大；下部青山口組地層頁(yè)巖層理發(fā)育，坍塌壓力低，井壁易吸水剝落；油層段內(nèi)部微孔隙發(fā)育，容易造成儲(chǔ)層污染。已完鉆的致密油水平井平均井深為3 674 m，平均水平位移達(dá)1 856 m，水平井段長(zhǎng)度均在1 300 m 以上，位垂比大于1.1，由于設(shè)計(jì)鉆穿多套油層，井身剖面多呈階梯狀。施工中采用地質(zhì)導(dǎo)向方式，需頻繁調(diào)整井斜方位，水平段井眼軌跡變化較塊。井眼曲率波動(dòng)較大，實(shí)際狗腿度不超過(guò)7.0°/30 m，水平段后期摩阻較大。

2 抑制劑性能評(píng)價(jià)

2.1 技術(shù)思路

高性能水基鉆井液的主要處理劑為胺基抑制劑AP-1 和聚合醇[3]。AP-1 是一種聚胺改性聚醚多元醇類頁(yè)巖抑制劑，其胺基官能團(tuán)，能鑲嵌在黏土層間，減小黏土層間距，促使黏土晶層間脫水，依靠分子鏈上多個(gè)胺基固定黏土晶片，破壞水化結(jié)構(gòu)，達(dá)到抑制黏土水化分散的目的。同時(shí)，從溶液中析出乳化油滴，進(jìn)入地層孔隙或裂縫，起到降低黏土吸水的趨勢(shì)。將聚合醇引入體系，作為一種非離子表面活性劑，聚合醇在濁點(diǎn)溫度以下表現(xiàn)為抑制性，易吸附在鉆具和固體顆粒表面，阻止泥頁(yè)巖水化，降低泥餅滲透率，有效控制壓力傳遞；達(dá)到濁點(diǎn)溫度后表現(xiàn)為封堵性，能夠封堵層理面、微裂縫和小孔隙。鉆井液從井底返至地面時(shí)，因溫度降低，聚合醇又恢復(fù)其水溶性，避免被振動(dòng)篩篩除。利用井溫的變化，使聚合醇在全井段施工中達(dá)到穩(wěn)定井壁、抑制鉆屑分散，降低鉆具扭矩摩阻等目的。AP-1 和聚合醇與能夠軟化變形的瀝青類封堵防塌劑配合使用，通過(guò)機(jī)械封堵與化學(xué)封堵相結(jié)合，提高體系整體防塌抑制性。選用強(qiáng)包被劑PLUS 作為大分子包被絮凝劑；XCD 作為流型調(diào)節(jié)劑，潤(rùn)滑劑選用高效潤(rùn)滑劑GD-X 和環(huán)保型生物油，協(xié)同提高體系潤(rùn)滑性。

2.2 巖心浸泡實(shí)驗(yàn)

為研究抑制劑AP-1 的封堵防塌能力，將選自L26-P42 井的青山口組泥巖掉塊，用1% AP-1 溶液在室溫條件下浸泡9 d，每間隔1 d 觀察并記錄巖石表觀形態(tài)、裂縫寬度及其變化情況。實(shí)驗(yàn)表明，1% AP-1 溶液對(duì)青山口組泥巖的抑制較為有效，可以提高井壁化學(xué)穩(wěn)定性。

2.3 抗分散性實(shí)驗(yàn)

選取嫩江組、姚家組、青山口組巖屑為研究對(duì)象，分別做6 組巖屑滾動(dòng)回收率對(duì)比實(shí)驗(yàn)（表1）。分析不同抑制劑的抗泥巖分散能力，進(jìn)而評(píng)價(jià)不同抑制劑對(duì)不同地層的抑制性強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，AP-1 和聚合醇JY-X 對(duì)區(qū)內(nèi)不同巖性地層均有較好的抑制性。

表1 抑制劑評(píng)價(jià)實(shí) %

3 鉆井液性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)優(yōu)選后的高性能水基鉆井液具體配方如下：5.00%膨潤(rùn)土+（0.02%～0.05%）KOH+0.30%Na2CO3+（2.00% ～ 4.00%）鋁基降濾失劑+0.80%AP-1+0.20% NW-1+2.00% HA 樹(shù)脂+3.00%瀝青防塌劑+1.00%復(fù)合銨鹽+（0.30% ～0.60%）強(qiáng)包被劑PLUS+（0.10% ～ 0.20%）XCD+2.00%聚合醇JY-X +3.00%潤(rùn)滑劑GD-X+2.00%環(huán)保型生物油+0.20%乳化劑。

3.1 常規(guī)性能評(píng)價(jià)

按配方要求配制鉆井液，測(cè)其老化前后流變性、API 失水等常規(guī)性能。從表2 可以看出，高性能水基鉆井液在120 ℃、16.0 h熱滾前后流變性能穩(wěn)定，體現(xiàn)了較好的抗溫性，在塑性黏度和表觀黏度均較低的情況下依然保持了較高的動(dòng)切力和動(dòng)塑比，靜切力值適中，體現(xiàn)了良好的攜巖能力和懸浮穩(wěn)定性。在沒(méi)有外來(lái)固相的情況下，新配漿的濾失量也較低。

表2 鉆井液常規(guī)性能

3.2 抑制性評(píng)價(jià)

取研究區(qū)嫩江組二段、三段、青山口組二段、三段泥頁(yè)巖巖屑，通過(guò)巖屑滾動(dòng)回收率和線性膨脹實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)高性能水基鉆井液抑制性效果（表3）。

表3 鉆井液抑制性評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高性能水基鉆井液的巖屑滾動(dòng)回收率已接近油基鉆井液水平，對(duì)研究區(qū)內(nèi)分散性較強(qiáng)的嫩江組二段、三段泥巖回收率達(dá)到95%以上，具有較強(qiáng)的抑制泥頁(yè)巖水化分散的能力。

3.3 潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)

采用Fann212 型極壓潤(rùn)滑儀和NZ-3 型泥餅黏滯系數(shù)測(cè)定儀，對(duì)高性能水基鉆井液及濾餅的潤(rùn)滑性進(jìn)行了評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)（表4）。測(cè)得極壓潤(rùn)滑系數(shù)為0.101，泥餅黏附系數(shù)為0.026 2。為模擬外來(lái)固相對(duì)泥餅潤(rùn)滑性的影響，在高性能鉆井液中再加入2.0%的120 目細(xì)砂（粒徑0.125 mm），經(jīng)API 中壓失水實(shí)驗(yàn)后，再測(cè)其濾餅黏附系數(shù)僅為0.034 9。說(shuō)明高性能水基鉆井液在含砂量達(dá)2.00%的情況下依然具備較好的潤(rùn)滑性。

表4 鉆井液潤(rùn)滑性實(shí)驗(yàn)

3.4 抗鉆屑污染能力評(píng)價(jià)

將L26-P42 井姚家組泥頁(yè)巖巖屑經(jīng)烘干粉碎后，過(guò)100 目篩，按不同比例加入待測(cè)鉆井液中，測(cè)其老化前后的性能（表5）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在巖屑加量最大達(dá)到20%時(shí)，鉆井液各項(xiàng)性能均能保持在合理范圍內(nèi)。體系具有較強(qiáng)的抗鉆屑污染能力。

表5 抗鉆屑污染實(shí)驗(yàn)

3.5 封堵性能評(píng)價(jià)

鉆井液的濾失封堵性評(píng)價(jià)，主要利用120 目砂床（孔徑0.125 mm），在溫度為120 ℃，壓力為3.5 MPa 的條件下，測(cè)量30 min 內(nèi)鉆井液砂床濾失量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后失水量增加緩慢，30 min 內(nèi)累計(jì)失水量為10.6 mL。

針對(duì)青山口組泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育的情況，同時(shí)開(kāi)展了體系的封堵性實(shí)驗(yàn)。將外徑為25 mm，長(zhǎng)為50 mm 的鋼制巖心剖開(kāi)，通過(guò)改變圍壓以調(diào)節(jié)兩側(cè)巖心間空隙大小，分別模擬縫寬為1，10，50 μm 的微裂縫，進(jìn)行鉆井液室內(nèi)封堵實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在120 min 內(nèi)，縫寬1 μm 條件下出液1.0 mL，縫寬10 μm 條件下出液1.8 mL、縫寬50 μm 條件下出液2.0 mL。說(shuō)明高性能鉆井液對(duì)不同量級(jí)的微裂縫均具有較好的封堵性能。

圖1 砂床濾失實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.6 儲(chǔ)層保護(hù)效果

使用FDS-800-10000 型動(dòng)態(tài)地層傷害測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)，針對(duì)研究區(qū)天然巖心開(kāi)展鉆井液儲(chǔ)層損害綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)（表6）。研究表明，經(jīng)污染后的巖心滲透率恢復(fù)率均可達(dá)到90%以上，鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)效果良好。

表6 儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

4 現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理工藝

L26-P35 井是大慶油田高性能水基鉆井液首批試驗(yàn)井，完鉆層位為青山口組高臺(tái)子油層，巖性為一套灰色泥頁(yè)巖和深灰色含泥、含鈣粉砂巖組合。完鉆井深為3 500 m，水平段長(zhǎng)1 423 m。三開(kāi)使用Φ215.9 mm 鉆頭，施工段長(zhǎng)1 686 m，采用高性能水基鉆井液。

4.1 防塌抑制性

鉆遇地層青山口組以硬脆性泥頁(yè)巖為主，黏土礦物類型主要為伊利石和伊蒙混層，具有不分散泥頁(yè)巖的典型特征，吸水極易造成剝落掉塊并導(dǎo)致井眼坍塌。青山口組鉆進(jìn)全過(guò)程要始終將鉆井液密度控制在設(shè)計(jì)上限，使井眼保持力學(xué)穩(wěn)定。根據(jù)濾失量的變化補(bǔ)充使用降濾失劑，失水量不高于2.0 mL。正常鉆進(jìn)時(shí)將胺基抑制劑AP-1、聚合醇和瀝青防塌劑復(fù)配成膠液使用，AP-1 的強(qiáng)抑制性控制鉆屑分散、抑制黏土膨脹。瀝青防塌劑吸附在井壁上，達(dá)到部分隔離水相的目的。隨著井溫逐漸上升，利用聚合醇“濁點(diǎn)效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的進(jìn)一步封堵，達(dá)到穩(wěn)定井壁的作用。

4.2 潤(rùn)滑性

造斜后，即提前加入高效潤(rùn)滑劑，在井斜角達(dá)到40°前，潤(rùn)滑類材料含量不低于5%。根據(jù)日常損耗量估算值、泥餅潤(rùn)滑性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及工程參數(shù)三方面要素確定補(bǔ)充潤(rùn)滑材料的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和具體用量。由于水平井井眼軌跡的特殊性，將不可避免地造成鉆具與井壁間大面積、持續(xù)性的接觸摩擦。因此，要解決水平井潤(rùn)滑性方面的問(wèn)題除了要提高鉆井液自身潤(rùn)滑性外，還應(yīng)著重改善泥餅質(zhì)量。固相含量和濾失量大小對(duì)泥餅的潤(rùn)滑性影響很大[4]，在補(bǔ)充潤(rùn)滑材料的同時(shí)，充分利用固控設(shè)備，將固相含量控制在20%以內(nèi)、含砂量控制在2%以內(nèi)，泥餅?zāi)Σ料禂?shù)不高于0.052 4。同時(shí)，將瀝青防塌劑與聚合鋁降濾失劑復(fù)配膠液使用，一方面可以控制濾失量，另一方面，可以改善泥餅質(zhì)量，減輕鉆具對(duì)井壁的沖擊。保持泥餅具有良好的潤(rùn)滑性。

4.3 攜巖性

研究表明，井斜角達(dá)到40°后，環(huán)空開(kāi)始出現(xiàn)巖屑上返困難的現(xiàn)象[5-6]，并逐漸形成巖屑沉積，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能調(diào)整流型調(diào)節(jié)劑加量[7-8]，適當(dāng)提高切力、維持合理動(dòng)塑比、使造斜段鉆井液黏度控制在50～60 mPa·s，動(dòng)塑比維持在0.36～0.60；進(jìn)入水平段需要同時(shí)考慮到防塌因素，將鉆井液的黏度進(jìn)一步提升至60～70 s。為避免形成紊流對(duì)井壁的沖蝕，將動(dòng)塑比提至0.48～ 0.60 mPa·s。由于水平井段長(zhǎng)、軌跡變化快。施工中應(yīng)配合短程起下鉆以破壞巖屑床，將井底沉砂及時(shí)返出地面。全井鉆井液實(shí)際性能見(jiàn)表7。

4.4 儲(chǔ)層保護(hù)

進(jìn)入油層后，處理思路是在保證井下安全的前提下，盡量將鉆井液調(diào)整至低密度、低固相、低失水、低黏度完井液。油層段鉆進(jìn)通過(guò)更換高目數(shù)篩布、混入新漿、提高固控設(shè)備，特別是離心機(jī)使用率等方式，及時(shí)降低鉆井液中細(xì)微固相的含量，以減少其對(duì)儲(chǔ)層的傷害。以膠液的形式補(bǔ)充降濾失劑和瀝青防塌劑，進(jìn)一步降低濾失量。嚴(yán)格按照儲(chǔ)層保護(hù)要求選擇超細(xì)碳酸鈣等可解堵材料作為油層堵漏劑[9-10]。

5 應(yīng)用效果分析

統(tǒng)計(jì)高性能水基鉆井液體系所鉆19 口井，平均鉆井時(shí)效指標(biāo)見(jiàn)表8。由表8 可以看出，采用高性能水基體系的水平井在平均機(jī)械鉆速、鉆井周期等主要工程時(shí)效指標(biāo)接近或達(dá)到了油基鉆井液水平。基本能夠滿足致密油水平井施工要求。對(duì)體系進(jìn)行有針對(duì)性地維護(hù)調(diào)整后，上部地層的分散造漿和下部地層的頁(yè)巖坍塌得到有效控制，基本杜絕了縮徑、鉆具泥包、井壁剝落、垮塌等水基鉆井液帶來(lái)的常見(jiàn)問(wèn)題。215.9 mm 井眼油層段平均井徑擴(kuò)大率8.07%，油層段固井質(zhì)量合格率100%。說(shuō)明高性能水基鉆井液體系的防塌抑制性強(qiáng)，具有很好的井壁穩(wěn)定能力，可以滿足大慶油田復(fù)雜泥頁(yè)巖層的鉆井液技術(shù)要求。

表7 高性能水基鉆井液實(shí)鉆性能

表8 鉆井時(shí)效分析

6 結(jié)論

（1）高性能水基鉆井液體系具有抑制性強(qiáng)、 攜屑性強(qiáng)、潤(rùn)滑性好、儲(chǔ)層保護(hù)效果顯著等特點(diǎn)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)嫩江組分散泥巖抑制性好，同時(shí)，對(duì)青山口組硬脆性泥頁(yè)巖有很高的封堵防塌效果。

（2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，高性能水基鉆井液能夠在地層情況復(fù)雜、水平位移大、井軌變化頻繁的條件下保障井下安全并保持較高的機(jī)械鉆速。施工效果和主要鉆井時(shí)效指標(biāo)接近或達(dá)到油基鉆井液的水平。