致密油水平井井壁穩定的鉆井液技術研究與應用

王 博

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163411）

1 致密油水平井井壁失穩層位及巖性特點分析

2014年以來，在肇源油田施工的致密油水平井多次因井壁穩定問題而發生井下復雜事故。統計了14口井，有8口井（10井次）發生了井壁失穩的復雜情況，其中打塞側鉆2井次；被迫提前完鉆6口井；報廢進尺4465m，造成了巨大經濟損失。根據已完成井的施工情況和處理井下復雜的過程分析，井壁失穩主要發生在兩個層位——青山口泥巖段和目的層砂泥巖的交界面處：

（1）青山口組垂深大約1450～1800m，為大段的泥巖，質地硬脆，頁理發育，呈順層狀分布，易發生剝落坍塌；

（2）泉頭組垂深大約1800m至井底（未穿），巖性為灰綠、紫紅色泥巖、粉砂質泥巖與灰色泥質粉砂巖、粉砂巖呈不等厚互層。泉頭組泥巖易吸水膨脹、縮徑，而砂巖井徑基本穩定，所以在交界處形成臺階，造成“糖葫蘆”井眼，起下鉆刮卡，導致復雜。

2 鹽水鉆井液體系的評價

2.1 鹽水鉆井液體系的機理及配方

鹽水鉆井液針對致密油青山口地層這種水敏性強、周期性垮塌有良好的預防作用，其中對青山口及泉頭組交界處的泥巖也能起到抑制作用，鹽水鉆井液體系中各種處理劑主要機理如下：

（1）復合鹽（KCl、NaCl）的抑制機理。利用KCl和NaCl金屬離子的化學反滲透、固化成膜效應，提高鉆井液的抑制性達到體系防塌和抗污染的目的。其中鉀離子的水化能明顯地低于鈉、鈣等陽離子，因此，當它與粘土表面鈉、鈣等陽離子發生交換時，便給粘土帶來很薄的水化膜，大大壓縮了擴散雙電層，從而有效地抑制了頁巖的水化作用。其中KCl抑制泥巖水化膨脹能力強，對水敏性井塌和周期性垮塌有獨特的優勢。

（2）主抑制劑的抑制作用。主抑制劑UltraHib是一種不水解、完全水溶、低毒并與其他常用水基鉆井液添加劑配伍的液體聚醚二胺抑制劑，胺類化合物抑制粘土水化的作用機理主要表現在：—NH2極性大，易被粘土優先吸附，會促使粘土晶層間脫水，減小膨脹力，壓縮晶層，有效抑制粘土水化；嵌入粘土片層，阻止水分子進入，破壞粘土的水化結構，降低粘土的水化膨脹作用達到抑制效果，因此它具有較強的抑制作用。

（3）其他處理劑防塌作用。利用聚合物ULTRACAP及的包被性和PAC-LV聚陰離子纖維素（低粘）降低濾失量，提高井壁質量達到防塌的目的；加入APHASOL SUPREME瀝青類防塌劑，通過瀝青類在井壁表面形成一層水膜有效阻止水化膨脹，另外瀝青質能夠封堵微裂縫，改善泥餅質量，不但能防止坍塌還能減摩降阻。

該體系較強的抑制性，可更好地適應肇源致密油水平井青山口易坍塌的地層特性，可最大程度避免扶余油層砂泥巖交界面井徑不規則及“糖葫蘆”井眼。

2.2 鹽水鉆井液體系室內實驗評價

（1）鹽水鉆井液抑制性評價。滾動分散實驗：頁巖的分散性評價泥頁巖井壁穩定性的重要指標，也是一種抑制性評價手段。選取肇州地區肇平23井青山口及泉頭組層 位的巖屑在不同體系鉆井液中進行回收率實驗，見表1。

表1 巖屑滾動回收率對比試驗

結果表明，鹽水鉆井液在兩個層位的不同篩孔下巖屑回收率的值都是最高的；鹽水體系回收的巖屑磨圓度要比其他兩種體系差，這充分說明鹽水鉆井液有比高性能水基和聚合物鉆井液更好的抑制性。

巖芯浸泡實驗：用20g肇平22-平1井返出的青山口及泉頭組的巖屑進行對比實驗，見表2。

表2 巖屑膨脹量對比試驗

結果表明鹽水體系浸泡下膨脹的寬度為0.01cm，其他體系膨脹的寬度在2～4h后達到鹽水體系浸泡后的4～24倍，因此鹽水體系抑制泥巖膨脹是三種體系最好的，而且隨著時間的延長膨脹量并未增加，抑制性強于其他兩種體系。

（2）井壁濾失性能評價。取肇州地區青山口地層原始巖芯，采用可視中壓砂床鉆井液濾失儀裝入原始巖芯，壓力為0.7MP進行對比實驗，見表3。

表3 井壁濾失性能評價

結果表明，鹽水鉆井液具有良好的降慮失作用，巖芯的濾失量在5min內基本恒定，說明鹽水鉆井液可在短時間內對地層實現有效的封堵，適用于肇州地區致密油水平井的青山口層位。

（3）潤滑性評價。鹽水鉆井液體系由于含有瀝青類的處理劑，會使泥餅有比較好的韌性跟潤滑性，在配合ULTRAFREE（潤滑劑），加強鉆井液的潤滑性。實驗結果見表4。

表4 粘滯系數和極壓潤滑系數

測得結果鹽水鉆井液（3%ULTRAFREE）的粘滯系數和極壓潤滑系數都是最小的，其潤滑性更加優良。

2.3 鹽水鉆井液現場試驗

（1）現場處理維護方案。利用ASPHASOL SUPREME（瀝青類）和PAC-LV（聚陰離子纖維素）控制API失水小于5mL。MC-VIS（提粘劑）調控流變性，維持6轉讀值為井眼尺寸的0.8～1.2倍以保持泥漿的高攜帶能力，保證井眼凈化。

抑制性：抑制性的ULTRAHIB（胺基抑制劑）使其含量保持在3%左右。

包被性：主要是ULTRACAP（包被劑）來控制，每500m可以考慮補充125kg。包被性能好，可使泥巖很好地被固控設備清除出去。當鉆井液固相、坂含高而引起粘切比較高時，包被劑少加或者不加。因為此時加會使其粘切增高。

泥餅質量：在鉆井液維護時緩慢地加入ASPHASOL SUPREME（瀝青類）,或者配成膠液補到鉆井液中，使井壁更加穩定。鉆進到易塌井段青山口時提高ASPHASOL SUPREME（瀝青類）的加量，加強鉆井液的封堵能力。

（2）現場試驗?，F場試驗5口井，其井徑數據如表5所示。

表5 試驗井的井徑數據

通過以上數據可以看出，試驗井的三開平均井徑擴大率為6.79%，目的層平均井徑擴大率為2.41%。以上5口井均未發生坍塌、縮徑等復雜情況，起下鉆正常，完井電測均一次成功，說明鹽水鉆井液體系適用于肇平22區塊。

3 結論與認識

（1）肇源區塊青山口組為大段硬脆泥巖，層理發育，力學敏感，容易發生剝落坍塌，泉頭組泥巖容易水化膨脹縮徑，這是導致井壁不穩定和井下復雜的主要原因。

（2）通過井壁穩定原理和坍塌壓力公式計算，并結合致密油水平井施工經驗，確定當量密度維持在1.40～1.45g/cm3時，可預防青山口剝落坍塌。

（3）鹽水鉆井液體系能更好地抑制泉頭組泥巖水化膨脹，更加滿足肇源致密油水平井施工。