土庫曼斯坦白堊系不穩定地層鉆井液技術

鄧仕奎， 李華坤,2， 陳 鑫,2,3， 向朝綱,2， 高利華,2,3， 王 棋,2

(1中石油川慶鉆探工程有限公司土庫曼斯坦分公司 2中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 3低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室)

鉆井液作為影響井眼穩定系統的重要可調變量，其性能優劣是決定鉆井成功與否的關鍵[1]。土庫曼斯坦阿姆河右岸東部山前構造地質結構復雜，鉆井實踐中存在長段水敏性和硬脆性泥巖、斷層破碎帶井壁失穩、大井眼井筒清潔等工程、地質、鉆井液系列技術難題[2-4]。其中白堊系地層井壁失穩導致的阻卡、鉆頭泥包以及蹩鉆等復雜突出，成為提速增效的主要瓶頸。本文開展了白堊系地層巖屑和地表露頭巖石理化分析，以此作為治理井壁失穩理論依據，結合大井眼鉆井水力學特征，進行鉆井液工藝技術優化。

一、白堊系地層復雜統計與分析

對已鉆四口井白堊系(500～2 300 m)大井眼(?444.5 mm)井段復雜類型及電測井徑進行了分類統計,結果表明：①從復雜類型看，卡鉆(上提遇卡和下鉆遇阻)、泥包為主要鉆井復雜；②從井徑數據看，阻卡井段井眼呈縮徑現象：中下部井段井徑偏大，最大井徑多分布于各層位不整合交界面位置，為薄弱垮塌嚴重井段；③從返出垮塌物來看，不穩定地層巖性主要為灰綠色泥巖、灰褐色硬脆性泥巖以及黑色破碎狀的泥巖。

二、巖石理化性能實驗

1. 礦物組分和掃描電鏡分析

采用XRD對白堊系失穩井段巖屑進行礦物組分分析表明：①主要礦物成分為黏土礦物、石英和長石等脆性礦物以及白云石、方解石、石膏。地層層序從上到下K2sn→K2t→K2s→K1al隨著井深增加，黏土礦物含量減少，石英類脆性礦物含量增加。其中K2sn層黏土礦物含量最高達44.36%，K2al脆性礦物含量最高達68.16%；②黏土礦物以伊利石(I)、綠泥石(C)、高嶺石(K)、伊/蒙混層(I/S)為主 ，K1al和K2s井段缺失蒙脫石；③白堊系中下部地層石英和長石等脆性礦物含量高，相對含量介于47%～68%，屬于脆性泥巖。

選用Quanta450型掃描電鏡，在50倍分辨率下觀察樣品微觀結構(圖1)看出：K2sn層巖石呈現出弱膠結狀態，且結構松散。K2t、K2s、K1al層巖石微裂縫、孔隙和層理發育，鉆井液沿裂縫和微裂縫滲入黏土層面而導致巖石損傷是井壁失穩的主要原因。

圖1 不同層位巖屑電鏡照片

2. 泥頁巖水化特征實驗

采用線性膨脹和滾動回收試驗測定巖屑水化膨脹和分散性能，并對其在清水浸泡后微觀結構變化特征進行研究(實驗條件：浸泡溫度90℃，浸泡時間48 h)。實驗結果表明：清水介質中上部地層巖樣線膨脹率>10%，滾動回收率<50%，屬于易水化膨脹和分散地層；中下部巖樣線性膨脹率<4%，滾動回收率>80%，屬于弱膨脹、弱分散性地層。結合圖2可以看出：上部地層浸泡24 h巖樣晶格間距增大，頁巖表面孔洞明顯增多；中下地層存在微裂縫和孔隙及層理，浸泡過程中水沿著裂縫形成自吸效應，裂縫明顯變寬變深，巖石強度降低，坍塌壓力增加[5-7]。

圖2 巖樣浸泡前后電鏡照片

三、鉆井液工藝技術優化

1. 鉆井液體系優化

1.1 鉆井液抑制性能優化

對于易分散水化膨脹的強水敏地層，鉆井液抑制性能是關鍵。提高鉆井液對地層的水化抑制能力實質是通過鉆井液處理劑提高鉆井液抑制黏土滲透水化、包被和絮凝能力[8]。原體系利用兩性離子包被劑、流型調節劑和兩性離子降黏劑復配使用。實踐表明其不能完全滿足長裸眼泥巖段優快鉆井工程要求。原配方A為：3%膨潤土漿+ 0.15%NaOH+0.8%聚陰離子纖維素+0.5%兩性離子包被劑+0.5%陽離子聚丙烯酰胺絮凝劑+0.3%流型調節劑+重晶石。

抑制劑優選評價試驗結果表明：原體系中引入聚胺抑制劑JAY、有機鉀鹽和氯化鉀后，滾動回收率由85.1%提高至97.5%，線性膨脹率由16.4%降低至3.6%，巖石抗壓強度降低率由37.3%降低至7.1%。原配方A+5%氯化鉀+10%有機鉀鹽+1.2%JAY,優化后大幅度提高了抑制泥頁巖水化膨脹、分散，維持巖石強度的性能。

1.2 鉆井液封堵性能優化

針對破碎性、硬脆性地層，液相的進入和壓力傳遞是導致此類泥頁巖地層發生井壁失穩的主要誘因，有效封堵是井壁穩定的關鍵[9-10]。優化鉆井液封堵性能思路基于裂隙尺寸的架橋顆粒優選、地層溫度下軟化變形粒子優選以及疏水顆粒阻隔毛細管吸力“多元協同”。

圖3 封堵微裂縫實驗結果(縫寬：20 μm)

實驗結果(圖3)看出：原鉆井液體系在90℃、3.5 MPa條件下對微裂縫和孔隙性泥頁巖地層封堵效果不佳，初始濾失量大，且累計濾失量增加速度快，累計濾失量(30 min)>18 mL，說明未能形成致密封堵層。原體系中添加3%低軟化點粒子+1%微米纖維后，可降低累計濾失量(30 min)<12 mL，快速形成“零”濾失層，短時間到達累計濾失量峰值。結合封堵層宏觀微觀結構看出(圖4)：在一定溫度和壓力下軟化粒子發生形變，其封堵性不受孔隙尺寸限制，與黏土顆粒、纖維以及石蠟、聚合醇等形成顆粒團簇一起被擠入到裂縫中去形成封堵帶；同時軟化變形粒子可以進一步壓縮變形封堵填充滲流通道，使其變得更加致密而大幅降低濾失量達到理想封堵效果。

圖4 縫板和濾紙封堵照片

優化后鉆井液配方：3%膨潤土+0.15%NaOH+0.2%兩性離子包被劑+ 0.8%羧甲基纖維素+0.3%流型調節劑+3%降濾失劑改性瀝青粉+2%乳化石蠟+2%聚合醇+3%超細鈣(D50≤5 μm)+1.0%微米纖維+5%氯化鉀+重晶石。

1.3 鉆井液流變參數優化

鉆井液流變性參數的優化設計與合理調控對井壁穩定、井眼清潔以及水力馬達利用具有重要意義。基于平板型層流攜巖理論和井壁穩定對環空流態的要求，采用水力參數計算軟件，在預定的井眼結構、鉆具尺寸、排量等條件限制下，計算不同流變參數對井眼凈化效率的影響，計算結果見表1。

表1 臨界返速、流型、攜巖效率以及總壓耗理論計算數據

理論計算表明：動塑比和低轉速下黏度值與臨界環空返速、攜巖效率以及循環總壓耗成正比。當動塑比<0.1，在一定排量和環空尺寸下，環空臨界返速大于實際環空流速，此時環空流型為紊流，攜巖效率低于50%；當動塑比在0.4～0.5之間，環空流型為層流，攜巖效率高于89%;但隨動塑比增加，循環壓耗相應增大，動力負荷加重水力利用率降低。

對于下部破碎性地層層流有利于井壁穩定；控制高的低轉速黏度值，可降低垮塌物下沉引起的卡鉆風險；鉆井液流變性控制適宜范圍：動塑比0.4～0.5,3 r/min低轉速讀值>3。對于上部易水化地層，提高水力噴射效率加之利用紊流對虛厚濾餅的有效沖刷，再配合較低鉆井液流變參數和稠漿高效攜巖技術實現快速鉆進。

2. 纖維重稠漿高效攜巖技術

不規則大井眼和環空返速低可導致井筒清潔困難起下鉆頻繁遇阻。環空返速一定情況下，提高攜砂效率途徑有：①使用高密度攜砂流體；②增加環空流體動塑比、提高流核尺寸，使環空流體流型為平板型層流;③針對大顆粒巖屑、泥團或垮塌物，利用纖維類攜巖劑在流體中形成的網狀結構托舉固相顆粒和纖維簇刮掃井壁虛厚小濾餅，改善井壁狀況提高攜帶效率。土庫曼白堊系?444.5 mm失穩井段實際鉆井液密度1.35～1.40 g/cm3，設計重稠漿密度為1.8～2.0 g/cm3，漏斗黏度≥90 s，動塑比>0.4；網狀柔性纖維濃度0.2%～0.3%，形成了一套易垮塌地層大井眼纖維重稠漿高效攜巖技術，解決了井筒清潔起下鉆阻卡問題。

四、現場應用效果

優化后的鉀胺基有機鹽強封堵鉆井液體系，配合纖維重稠漿高效攜砂技術，在土庫曼X1井和X2井2口井現場試驗結果表明：該體系有效解決了復雜地質條件下的泥頁巖井壁失穩難題，減少了井下復雜時間、提高了機械鉆速。與鄰井使用優化前鉆井液體系相比(見表2)，劃眼復雜事故率降低80%以上，鉆井液密度降低0.05～0.10 g/cm3，平均鉆井周期縮短21%，平均鉆速提高34%，平均井徑擴大率降低63%達到6%以下。

表2 現場應用效果對比

五、結論

(1)基于礦物組分、微觀結構及水化特征分析，結合原鉆井液體系特點和水力學特征，開展體系優化研究，形成強封堵強抑制的鉀胺有機鹽兩性離子鉆井液體系，滿足失穩地層鉆井需要。

(2)基于層流攜巖理論和井壁穩定對環空流態的要求，針對大井眼復雜井筒攜砂問題提出流變參數調控方案，同時引進柔性網狀纖維，形成纖維重稠漿高效攜巖技術。

(3)現場兩口井試驗表明,優化形成的鉆井液工藝技術有效解決了目標區塊井壁失穩難題，提高了機械鉆速減少了井下復雜，具有較好的推廣應用價值。