長北大井眼大斜度井段鉆井液體系改進與實踐

張振活，陳 磊，凡 帆

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安 710018）

長北區塊位于陜西省榆林市北部和內蒙古自治區境內，針對鉆遇該區塊二開Ф311.1 mm 井段復雜情況或事故，不斷優化鉆井液體系，從最初應用的聚磺鉆井液發展到KCl 聚合物鉆井液，雖成功解決了部分技術難題，但鉆遇下部地層破碎帶“雙石層”及易垮塌煤層造成嚴重井壁穩定問題，仍無有效地應對措施[1-3]。因此開發了一種適合長北區塊大井眼大斜度井段的安全快速鉆進的鉆井液體系，并進行了現場試驗，取得了良好的應用效果。

1 技術難點

1.1 工程方面

為了有效提高水平段的泄油面積從而對儲層段進行有效開發，長北氣田率先在長慶區域采取全井段大井眼開發方案。但是，大井眼的鉆進本身具有很多的難點：增斜和降斜困難，尤其是在二開大井眼Ф311.1 mm井眼裸眼施工段長、井壁穩定性差、機械鉆速相對低的問題十分突出；另外，大斜度段復雜地層鉆進由于井斜和方位變化快，極易導致鉆具疲勞斷裂，造成井下事故。

表1 長慶區域井身結構圖和長北區塊井身結構對比

1.2 泥漿方面

由于二開中地層多、地層復雜，在長慶區域鉆井過程中為了避免井下復雜和井眼清潔的需要，采用的都是Ф244 mm 井眼。長北項目率先采用Ф311.1 mm 大井眼，所面臨的井眼穩定和漏失問題也更加突出。

（1）清水聚合物體系和低固相三磺鉆井液體系在長慶區域常規小井眼中（相對于長北項目而言）由于其最大化降低了固相，對失水控制要求低，最大化的解放了機械鉆速，縮短了鉆井周期，因此能在有效的坍塌周期內完成整個鉆進過程，從而保證了井下的安全。但是采取大井眼鉆進后，由于相對機械鉆速較低，使得整個鉆井周期相對接近坍塌周期引起井下垮塌等成為制約井下安全的最大因素[4-6]。因此，研制一種適合大井眼鉆進的強抑制防塌鉆井液體系成為安全鉆井的重中之重。

（2）長北區塊泥頁巖地層屬于蒙脫石類，易水化膨脹而引起縮徑、擴徑和PDC 鉆頭泥包等問題；石盒子和山西組地層容易坍塌掉塊，引發高摩阻、大扭矩等技術難題，成為制約鉆井提速的主要技術瓶頸，由此帶來下述技術難題需要解決（見圖1、圖2）。

（3）Ф311.1 mm 井眼穿越地層多，固相含量上升快，使得滑動鉆進期間的摩阻加大，容易發生托壓現象。

2 強抑制防塌一體化鉆井液體系室內配方研究與評價

在大量調查和研究長北井叢的地質數據后，針對長北區塊Ф311.1 mm 井段的特點，室內研究出了強抑制防塌一體化鉆井液體系。該體系的優點是在上部井段和下部井段的使用中不需要進行專門的體系轉換，只需要針對不同地層調節主要的防塌、包被抑制劑和流型調節劑的加量即可。

2.1 鉆井液體系配方的確定

通過上述大量的室內實驗，從防塌機理的研究入手，進行了防塌抑制劑、提黏劑、降失水劑、潤滑劑的篩選和復配，通過正交實驗，研究開發出強抑制復合鹽鉆井液體系的基本配方：5 %～10 %無機鹽防塌劑FTJ-1+0.05%～0.1%有機絮凝防塌劑G322-JS2+0.1%～0.3%提切劑G310-DQT+0.5 %～1 %降濾失劑G322-JS3+1%～3 %潤滑劑G303-WRY。

圖1 石盒子組返出大量的掉塊

圖2 返出的掉塊具有較大的尺寸

表2 不同溫度下體系抑制性實驗

表3 透失水實驗

2.2 鉆井液體系評價

2.2.1 體系抗溫抑制性能評價 實驗表明：在100 ℃之前，一次和二次回收率分別維持在85 %和70 %以上，證明該體系都有較強的抑制性防塌性；在溫度超過100 ℃以后，一次和二次回收率明顯下降，長北區塊井底溫度一般最高在80 ℃左右，以上實驗結果表明，該體系完全滿足現場的抗溫性的要求（見表2）。

2.2.2 體系防塌性能評價 測試了該體系在100 ℃下熱滾之后的透失水性能，實驗結果（見表3）。

透失水時間和透失水量反映的是鉆井液在井壁形成泥餅后，防止井眼內的流體侵入井壁的能力，即可以反映鉆井液保護井壁防塌的能力。該體系的泥餅30 min 透失水只有1.8 mL，證明其對井壁有很好的防塌保護效果。

2.2.3 鉆井液承壓能力提高實驗 該實驗反映的是鉆井液阻止濾液浸入地層的能力，以及提升漏失地層封堵能力的大小。實驗過程如下：

（1）取400 mL 新配的該鉆井液，加入3 %FDJ-1，高攪15 min 后在0.7 MPa 下做沙床實驗15 min，記錄下浸入深度；

（2）浸入實驗結束后，將沙床實驗杯里面的鉆井液小心抽出，加入400 mL 的清水；

（3）加壓到0.7 MPa，觀察清水的浸入深度，并做好記錄；

（4）逐漸加壓到0.8 MPa，1.0 MPa，1.2 MPa，1.4 MPa，直到清水的浸入深度超過鉆井液的浸入深度，記錄此時的壓力。此壓力即為防塌抑制一體化鉆井液的承壓提高能力。

經實驗測試表明，該鉆井液在加入3%的FDJ-1 后承壓能力能提高1.8 MPa。即對于易漏失地層而言，在加入一定的堵漏劑后承壓能力有明顯的提高，能起到一定的防漏效果。

2.2.4 鉆井液抗巖屑污染能力評價 配制好的鉆井液中，分別加入1 %、2 %、3 %、5 %、8 %、10 %和15 %的膨潤土粉，測量鉆井液的密度、表觀黏度和動切力的變化情況，并觀察鉆井液的穩定狀況。測試結果（見表4）。

實驗結論：從表中數據可以看出該鉆井液具有一定的抗黏土能力，在黏土加量高于8 %時鉆井液性能變化較大，因此該鉆井液的抗黏土能力為8 %，完全可以滿足鉆井液的現場抑制泥巖段造漿的需要（實驗證明現場鉆井液的坂土含量能控制在3.5 %以下）。

表4 強抑制防塌一體化鉆井液體系抗黏土污染能力評價

圖3 潤滑劑加量和扭矩關系圖

圖4 潤滑劑加量和摩阻系數關系圖

2.2.5 體系潤滑性能評價 采用上述鉆井液配方，改變潤滑劑的加量，借助極壓潤滑儀對體系的潤滑性能進行評價，結果（見圖3、圖4）。

從圖3、圖4 可以看出，G303 可有效降低基漿的潤滑系數R 值，加量1.5%時潤滑系數降低率可達71%以上，潤滑系數達到0.058，滿足摩阻系數Kf≤0.07 的考核指標。在加量超過2 %以后潤滑系數下降不明顯，因此現場的最佳推薦加量為2 %。

2.2.6 封堵率實驗 在體系加入3 %封堵劑FDJ-1 封堵效果的實驗數據（見表5）。從表5 的數據可以看出，平均封堵率能達到90 %以上，能有效的封堵地層中的微裂縫，結合強抑制性和適當的鉆井液密度，保證井壁的穩定。

3 現場使用效果

CBX-2 在大斜度井段刷新了長北項目Ф311.1 mm井眼的多項紀錄。該井鉆至井深，先后穿越劉家溝漏層、破碎帶“雙石層”、易垮塌煤層，強封堵防塌一體化鉆井液體系經受住考驗，體現出三大優點：抑制性強，鉆井液流變性能穩定，振動篩返出的鉆屑棱角分明，鉆進過程中鉆頭無泥包現象；防塌性能好，起下鉆三趟無遇阻，井壁穩定；攜砂性能優良，井筒干凈。二開中完后直接下套管，首次實現完鉆后不短起、不通井，套管順利到底，打破以往完鉆后必須短起下、通井的傳統，為甲乙雙方節約時間成本，獲得了雙贏。

表5 封堵率實驗數據表

圖5 一體化鉆井液抑制性、防泥包能力強

長北區塊的鉆井液體系經過不斷的改進之后，使得體系具有以下優點：

（1）建井周期大大縮小，創多項指標。經過改進和優化鉆井液配方后，鉆井夜的周期大大減小，鉆井周期降低率達70.9 %。

（2）抑制性、防泥包能力好。鉆井液的抑制性好，振動篩上面返出的泥頁巖巖屑棱角分明，巖屑內部干燥，起出鉆頭無泥包（見圖5）。

（3）井壁穩定性好，最大化的保證了井壁坍塌周期。在長北區塊的二開Ф311.1 mm 大斜度井段的使用中沒有出現過井眼坍塌的現象，證明了該體系具有很好的抑制防塌效果。

（4）現場使用方便，鉆井液費用大大降低。使用強抑制防塌鉆井液體系后，泥漿體積消耗小，泥漿體積消耗降低率達到64.1 %，泥漿費用降低率達54.5 %。

4 結論與認識

（1）長北區塊應用強封堵防塌一體化鉆井液體系，并結合工程措施，解決了該區塊大斜度井段泥巖段和煤層段井壁失穩、有效預防了井漏、鉆頭泥包和高摩阻問題，滿足了長北區塊大斜度井段安全鉆井的需求。

（2）使用強抑制防塌一體化鉆井液體系后簡化了鉆井液維護難度，降低了鉆井液成本，大大縮短了鉆井周期。

（3）該鉆井液體系在使用中防塌抑制劑的加量相對還是較大，給現場增加了不少工作量，建議進一步深化該鉆井液體系的作用機理研究，優化鉆井液配方以進一步擴大在長慶區域的使用范圍。