渤斜931井復雜地層鉆井液體系研究

邱春陽，李希君，朱福軍，王 偉，趙忠亮，劉 偉

中國石化勝利石油工程有限公司鉆井液技術服務中心，山東東營 257000

渤斜931 井位于濟陽坳陷沾化凹陷孤北洼陷帶，設計井深4 154.17 m，三開裸眼井段穿越地層自上而下依次為下古生界的東營組、沙河街組（沙一段、沙二段、沙三段）；中生界；上古生界的上石盒子組（石千峰組、孝婦河段、奎山段、萬山段）、下石盒子組。

渤斜931 井為三開制井身結構，軌道類型為直—增—穩型。二開在井深299.04 m 造斜，井深490.32 m 穩斜鉆進，井深2 072.00 m 中完，下入φ244.5 mm 技術套管；三開采用φ215.9 mm 鉆頭鉆至井深4 091.0 m 完鉆，下入φ139.7 mm 生產套管。井底垂深3 744.76 m，水平位移1 560.17 m，最大井斜28.00°。

孤北區塊上部地層施工順利，形成了優快鉆井施工工藝。但進入三開井段后，地層巖性復雜，裸眼井段穿越多套地層；三開斜井段穿越多套地層；沙河街組泥頁巖易發生層理性坍塌；中生界碳質泥巖和煤線易發生脆性坍塌；石千峰組紫紅色泥巖易縮徑造成起下鉆阻卡，鉆井液穩定井壁技術難度大。此外，前期鉆井過程中，由于使用的鉆井液體系和地層巖石匹配性差，致使多口井鉆進過程中發生井壁坍塌及起下鉆遇阻等復雜情況，鉆井時效低，井身質量差。因此，選用合適的鉆井液體系，使其與不同地層巖石性能相匹配，才能在鉆井過程中既能保持井壁穩定，又能提高鉆井時效，達到優快鉆井的效果。

1 鉆井液體系的性能要求

1）懸浮攜帶能力

渤斜931 井斜井段長，定向軌跡差，鉆屑在運移阻力和重力作用下容易在下井壁形成巖屑床；在停泵和排量不足的情況下，鉆屑也容易堆積在下井壁，造成起下鉆受阻。因此，鉆井過程中要求鉆井液有合適的懸浮攜帶能力。

2）抑制防塌能力

東營組中下部灰色泥巖、石千峰組和石盒子組紫紅色泥巖易吸水膨脹，鉆屑水化分散后會造成鉆井液性能惡化；沙河街組、中生界和石盒子組脆硬性泥巖、碳質泥巖及煤線易出現脆性坍塌；地層存在傾角［1］，斜井段泥巖相比直井段更易坍塌。因此，鉆井過程中要求鉆井液具有較好的抑制防塌能力。

3）潤滑防卡能力

渤斜931 井在井斜23°進入穩斜段，裸眼長達2 000 m，鉆具與井壁的接觸面積大，鉆具在井下產生的摩阻和扭矩大，定向鉆進時易出現托壓現象，鉆壓釋放易出現憋泵；起下鉆易出現上提鉆具懸重過大，下放遇阻的現象。因此，鉆井過程中要求鉆井液具有良好的潤滑防卡能力。

4）封堵防漏能力

渤斜931 井在中生界及以下地層具有大段砂巖和砂礫巖，孔隙及微細裂縫極其發育，巖石對密度敏感，易出現滲漏；石盒子組蘊含高壓油氣，對井控安全影響重大。因此，鉆井過程中必須提高鉆井液密度，增強鉆井液的封堵防漏能力，盡量減少滲透性漏失。

2 鉆井液處理劑的優選及配方

2.1 鉆井液處理劑的優選

通過調研國內復雜地層［2-8］和定向井［9-14］鉆井液體系施工情況，根據三開工程地質特性以及施工中鉆井液技術難點，要求鉆井液必須具有抑制、防塌、封堵、潤滑、抗高溫的特點，據此對處理劑進行優選。

1）抑制劑的選擇。由于油基鉆井液成本太高，因而選擇復合鹽水基鉆井液，將KCl 和NaCl混合，輔助胺基聚醇抑制劑，以強化鉆井液體系的抑制性。

2）降濾失劑的選擇。由于上部地層溫度低、下部地層溫度高，因而上部地層選擇低黏羧甲基纖維素LV-CMC 和褐煤類藥品作為降濾失劑，以調控中壓濾失量；下部地層選擇磺化酚醛樹脂、磺酸鹽共聚物等抗溫抗鹽類降濾失劑，以降低高溫高壓濾失量。

3）封堵防塌劑的選擇。選擇井壁穩定劑和超微細碳酸鈣作為封堵劑，使鉆井液能夠在近井壁形成致密泥餅，以增強對地層孔隙、微裂縫及大段砂巖的封堵能力；鉆進過程中，進入高壓油氣層前需提高易漏地層的承壓能力，因而選擇單向壓力封堵劑、隨鉆承壓堵漏劑、酸溶性膨脹堵漏劑等纖維類隨鉆封堵防塌劑。

4）流型調節劑的選擇。流型調節劑能夠改善復合鹽水基鉆井液體系的流變性。通過實驗對流型調節劑進行優選，實驗取二開井漿，加入復合鹽，再分別加入流型調節劑改性銨鹽、硅氟降黏劑SF-1、有機硅穩定劑SF-4 以及納米二氧化硅，測量不同流型調節劑的流變性，結果如表1所示。

表1 流型調節劑的優選實驗

由表1 可知：加入復合鹽后，鉆井液黏切增大，中壓濾失量增加。加入各種流型調節劑后，均能降低鉆井液黏切及中壓濾失量，改善流變性。從改善流變性的程度看，效果最好的流型調節劑是有機硅穩定劑SF-4。

5）潤滑劑的選擇。鉆進過程中要求鉆井液體系潤滑性好、熒光級別低，因此，選擇無熒光白油和石墨粉提高體系的潤滑性，以降低定向鉆進和復合鉆進中產生的摩阻和扭矩。

2.2 鉆井液體系配方

通過鉆井液處理劑的優選，根據前期施工經驗，經過室內大量實驗，優化鉆井液體系的配方，形成了聚胺復合鹽潤滑防塌鉆井液體系，其基本配方為：（3.5%～5.0%）膨潤土+（0.3%～0.5%）燒堿+（0.3%～0.5%）聚丙烯酰胺PAM+（7.0%～8.0%）NaCl +（6.0%～8.0%）KCl +（0.5%～1.5%）胺基聚醇+（0.5%～1.5%）低黏羧甲基纖維素LV-CMC+（2.5%～4.0%）抗溫抗鹽防塌降濾失劑KFT+（3.0%～5.0%）磺化酚醛樹脂SMP-1 +（0.5%～1.5%）磺酸鹽共聚物DSP-2+（2.0%～4.0%）超微細碳酸鈣+（2.0%～4.0%）井壁穩定劑+（2.0%～4.0%）無熒光白油潤滑劑+（1.0%～2.0%）石墨粉+（0.5%～1.5%）有機硅穩定劑SF-4。此外，根據實鉆情況，隨機加入隨鉆堵漏劑和重晶石粉。

2.3 鉆井液體系作用機理

胺基聚醇正電性強，其分子能夠以最優的構象固定在黏土晶層之間，從而降低黏土礦物的吸水趨勢。胺基聚醇本身具有弱堿性及弱離解性，使有機胺作用濃度一直處于平衡狀態，能長效保持濃度平衡，其抑制作用具有長效性［15］。

KCl中K+能夠嵌入黏土礦物的晶層間，將晶層牢牢吸附在一起，防止黏土礦物吸水膨脹。NaCl的加入提高了鉆井液中自由水的活度，增加鉆井液體系和巖石的配伍性，阻止體系中的自由水向地層滲透，從而進一步增強井壁的穩定性［16］。

井壁穩定劑和超微細碳酸鈣復配使用，在靜電吸附和壓力作用下，通過提供合適的架橋填充粒子和可變形粒子，能改善鉆井液顆粒級配，不但使泥餅變薄，還更為堅韌、致密，降低泥餅滲透率，起到穩定井壁、防止坍塌作用［17］。

有機硅穩定劑能夠和黏土表面形成Si—O—Si鍵，使黏土表面吸附Si-CH3化合物，阻止黏土表面對水分子的吸附，強化了體系的抑制性。有機硅穩定劑中的羥基在黏土上發生吸附，減弱黏土顆粒間的相互作用，削弱黏土顆粒間的網架結構，使鉆井液體系保持良好的流變性［18］。

3 現場鉆井液施工工藝

3.1 鉆井液體系配制

1）鉆井過程中鉆完水泥塞后，加入稀膠液（膠液配方：水+0.15%PAM+1.5%胺基聚醇），在套管里調整二開井漿流變性，使漏斗黏度降低到32 s左右、膨潤土含量約40 g/L。

2）按循環周加入0.8%LV-CMC 和燒堿，調整pH 值至9.0以上，使鉆井液中黏土粒子適度分散，從而保持體系的膠體強度。

3）加入2.5%KFT和3%SMP-1，增強體系的膠體強度，提高體系的抗溫抗鹽性能，降低鉆井液的濾失量。

4）加入7%NaCl 和8%KCl，加入0.5%有機硅穩定劑，調控鉆井液體系流變性。

5）加入0.5%DSP-2，降低鉆井液中壓濾失量。將鉆井液體系充分循環，待其性能均勻穩定后開鉆。鉆井液體系的性能見表2。

表2 鉆井液體系的性能

6）配制40 m3膨潤土漿備用，配方：淡水+0.3%純堿+0.5%燒堿+15%土粉，充分水化24 h后，加入0.2%LV-CMC 和0.3%KFT ，以增加鉆井液膠體強度。

3.2 鉆井液體系維護處理工藝

3.2.1 東營組鉆井液體系維護處理工藝

由于地層造漿嚴重，需要定期補充KCl 和NaCl，再均勻加入0.25%PAM 和0.8%胺基聚醇配制的膠液。

工程中為了保證排量，利用環空高返速流體適當沖刷井壁，防止地層縮徑，因此將漏斗黏度控制在38 s左右。

由于地層滲透性強、機械鉆速快，為了保持鉆井液流變性平穩，需要按照循環周補充預水化膨潤土漿。

為了保持鉆井液流變性穩定，需要將鉆井液密度控制在低限，并且開動固控設備除去體系中的劣質固相。

3.2.2 沙河街組鉆井液維護處理工藝

在沙河街組前50 m，加入0.5%SF-4，以調整鉆井液體系流變性；加入0.5%胺基聚醇、2.0%井壁穩定劑和3.0%超微細碳酸鈣，以提高鉆井液體系的封堵能力，穩定井壁。

鉆至垂深2 850 m 時，補充1.5%SMP-1 和1.0%KFT，以提高鉆井液的高溫穩定性，并且將高溫高壓濾失量控制在15 mL以內。

為了保持對地層的正向支撐力和對油氣層正壓差，防止井壁坍塌及油氣污染鉆井液，需要將鉆井液的密度控制在設計上限。

隨著井深增加，鉆井液中固相含量隨之增加，泥餅變厚，上提鉆具時摩阻增大，因而需要加入潤滑劑。不同潤滑劑的成分與含量優化實驗見表3。

由表3 可知：白油和石墨粉均會提高鉆井液潤滑性，而固體和液體潤滑劑配合使用時，摩阻系數（Kf）下降明顯，說明能進一步降低摩阻；當白油和石墨粉加量比例為2∶1 時，潤滑效果最佳，繼續增加白油含量，摩阻系數變化不大。現場按照實驗比例一次性加入2.0%白油和1.0%石墨粉，潤滑劑加入前后鉆井液體系性能變化見表4。

表3 不同潤滑劑的優化結果

由表4 可知：加入潤滑劑后，摩阻系數和摩阻下降較為明顯，摩阻系數由0.158 4 下降至0.051 3，摩阻由140 kN 下降至80 kN，說明鉆井液體系中加入潤滑劑后的潤滑效果較好。

表4 潤滑劑加入前后鉆井液體系的性能變化

3.2.3 中生界及以下地層鉆井液維護處理工藝

井深2 961m 時進入中生界，為了提高鉆井液體系的高溫穩定性，進一步降低鉆井液高溫高壓濾失量，加入2.0%SMP-1和0.5%DSP-2。

井深3 136 m時鉆遇三套碳質泥巖，且厚度不一，最厚段達30 m，此時加入1.5%井壁穩定劑和1.0%超微細碳酸鈣，可以提高鉆井液體系的封堵造壁能力。

石千峰組鉆遇大段砂巖及砂礫巖，鉆進過程中出現滲漏，漏速達3 m3/h，此時泵入20 m3堵漏漿，堵漏漿達到漏層后，滲漏量明顯減少。堵漏漿配方為：15 m3井漿+5 m3坂土漿+3%隨鉆承壓堵漏劑+2%超微細碳酸鈣。

在石千峰組底部，鉆遇大段紫紅色泥巖，此時再次補充2.0%KCl 和0.5%胺基聚醇，以提高鉆井液體系的抑制性。

井深3 960 m進入下石盒子組，再次鉆遇碳質泥巖，此時加入1.0%隨鉆承壓堵漏劑、0.5%超微細碳酸鈣和1.0%井壁穩定劑，可以加強對地層微裂縫的封堵，提高地層的承壓能力。

三開鉆井液體系的性能控制情況見表5。由表5 可知：鉆井液流變性控制合理、潤滑性好、高溫高壓濾失量低，能夠滿足現場工程施工中對鉆井液井壁穩定、井眼凈化及潤滑防卡的要求。

表5 三開鉆井液體系的性能

3.3 完井措施

完鉆后，大排量循環鉆井液以凈化井眼，配制潤滑防塌封井液封住井底500 m，保持井壁穩定。封井液配方為：井漿+1.0%井壁穩定劑+0.5%白油潤滑劑。

進行短起下鉆，監測后續效果并計算出油氣上竄速度，測得油氣上竄速度為8.2 m/h，在井控安全范圍內。

通井并短起下鉆40 柱，修復井眼；下鉆到底后充分循環鉆井液，井眼凈化后配制80 m3封井漿封閉井底1 500 m裸眼段，保證完井作業順利。封井漿配方為：井漿+2%SMP-1+0.3%DSP-2+2%井壁穩定劑+2%白油+0.5%塑料小球。

3.4 應用效果

1）抑制性強。解決了東營組泥巖造漿性強、油泥巖坍塌和紫紅色泥巖縮徑的難題，斜井段鉆進順利，返屑清晰。

2）封堵性好。鉆井過程中井壁穩定，無坍塌掉塊出現；電測后井身質量好，平均井徑擴大率為8.24%。

3）流變性好。抗污染能力強，鉆遇東營組造漿地層和紫紅色軟泥巖地層時流變性穩定；井眼凈化效果好，無巖屑床形成。

4）潤滑性好。起下鉆順暢，定向過程中摩阻扭矩低；四次測井成功率100%，其中取芯儀器在井下靜止32 h，上提一次成功。

5）鉆井時效高。三開平均機械鉆速13.25 m/h，和鄰井相比（見表6），機械鉆速顯著提高。設計鉆井周期75 d，實鉆周期45 d，鉆井周期節約40%，取得了優快鉆井的良好效果。

表6 鄰井三開平均機械鉆速比較

4 結論

1）針對渤斜931 井地質情況和鉆井液技術難點，通過優選鉆井液處理劑，形成聚胺復合鹽潤滑防塌鉆井液體系?，F場施工中，針對不同的地層巖性采用相應的鉆井液施工工藝，保證了工程的順利鉆進，定向鉆進過程中井壁穩定、井身質量好、鉆井時效高，鉆井周期節約40%，給孤北區塊同類型井的施工提供了有力的技術支撐。

2）針對孤北區塊石千峰組紫紅色泥巖易水化縮徑問題，必須加強鉆井液體系的抑制性；針對中生界及以下地層孔隙和裂縫發育問題，必須強化鉆井液體系的封堵性。