致密油水平井用高效封堵油基鉆井液體系的研制與應用

高文龍

中國石油集團長城鉆探工程有限公司，北京 100020

隨著我國油氣勘探開發工作的深入開展，非常規資源的勘探開發越來越受到人們的重視，而致密油已成為非常規油氣勘探開發的熱點［1-3］。由于致密油地層的特殊性，水平井鉆進過程中水平段較長，井壁失穩、摩阻大、攜巖困難及地層污染問題突出。常規的水基鉆井液在鉆井過程中容易發生井壁坍塌、卡鉆及井漏等復雜情況，難以滿足致密油地層鉆井工程的需要，因此制約了致密油的勘探與開發。目前，國內外的油基鉆井液技術已經成為鉆探致密油地層的一種重要技術手段，并已規模化應用［4-6］。因此，為了降低致密油勘探開發成本，需要強化油基鉆井液封堵防塌技術，保證長裸眼井段水平井高效、安全施工。本研究基于此思路，開發新的鉆井液體系，并進行現場應用測試，以期進一步推廣應用 。

1 高效封堵油基鉆井液關鍵處理劑優選

1.1 封堵劑的優選與評價

根據遼河油區致密油地層實際情況，室內實驗選取國內外常用的5 種微納米封堵材料：乳化瀝青、改性硅粉、超細碳酸鈣、NANO、SEALTER，利用激光粒度分析儀對封堵材料進行粒度分析，確保封堵材料粒度與地層巖石的孔縫相匹配，結果如表1所示。

表1 微納米封堵材料粒度分布

由表1 可知：SEALTER 粒度分布為0.15～20 μm，滿足致密油地層裂縫開度范圍的封堵需求。根據材料本身剛性和塑性特征進行復配，選用乳化瀝青和SEALTER 進行正交設計確認組合配方，結果如表2所示。

表2 SEALTER和乳化瀝青正交組合

將設計配方分別加入油基基漿中，利用高溫高壓動態濾失儀分別測定不同封堵配方在流體高速剪切條件下的封堵性能，設定溫度150 ℃、壓差5 MPa、轉子剪切速率300 r/min，根據實驗結果，繪制高溫高壓狀態下累計濾失量圖，結果如圖1所示。

圖1 不同體系高溫高壓狀態下累計濾失量

由圖1 可知：基漿+4%SEALTER+4%乳化瀝青配方在高速剪切條件下高溫高壓動態濾失量最低，說明該油基配方在SEALTER 與乳化瀝青的組合中隨鉆封堵效果最好。

1.2 地層礦化度分析與評價

對于致密油地層，泥頁巖的初期分散速度大于后期，當濾液侵入后，需要及時采取措施控制水活度，確保地層穩定和鉆探安全。通過取樣及測試，采用瑞士Labswift 活度儀測得遼河油區沙四組地層流體活度為0.578～0.644，此活度偏低。因此，有針對性地調整油基鉆井液中氯化鈣水溶液濃度，使鉆井液活度為0.58～0.62，確保鉆井液與地層流體之間的活度平衡。

1.3 潤濕劑的優選與評價

由于油基鉆井液體系本身的熱力學不穩定特性，而且重晶石和巖屑等表面親水材料極易引起鉆井液體系穩定性、流變性、濾失量的變化，因此，需要使用潤濕劑將親水惰性材料的表面特性轉變為親油性，才能提高油基鉆井液體系的穩定性。分別利用潤濕劑WET-1、WET-2 和WET-3 配制油基鉆井液，鉆井液基本配方為2.5%有機土+1.5%乳化劑+1%潤濕劑+4%氧化鈣+重晶石，考察潤濕劑對鉆井液性能的影響，結果如表3所示。

表3 潤濕劑對油基鉆井液的影響

由表3 可知：加入潤濕劑WET-3 的油基鉆井液體系，其高溫高壓濾失量（FLHTHP）低于加入WET-1、WET-2 的鉆井液體系，說明加入WET-3的鉆井液體系抗溫性更好。從電穩定性（ES）可以看出，加入WET-3的油基鉆井液體系乳液穩定性更好。綜合各項性能的測試結果，與其他濕潤劑［7-8］相比，潤濕劑WET-3 具有更好的配伍性，它能有效轉變重晶石的表面特性，控制油基鉆井液流變性的同時兼具良好的抗溫性能。

2 高效封堵油基鉆井液體系性能評價

2.1 流變性及熱穩定性能評價

遼河油田西部凹陷地層溫度較高，最高地溫可達138 ℃，考慮井底鉆具反復研磨生熱情況，選用密度為1.7 g/cm3的高效封堵油基鉆井液進行熱穩定性能評價，鉆井液基本配方為2.5%有機土+1.5%乳化劑+1%潤濕劑+4%SEALTER+4%乳化瀝青+4%氧化鈣+重晶石，結果如表4所示。

由表4 可知：室內研制的高效封堵油基鉆井液經過150 ℃、16 h 高溫老化后流變性波動范圍小，其高溫高壓濾失量僅為2.5 mL，表現出較好的熱穩定性。

2.2 化學抑制性能評價

由致密油地層礦物分析得知，該層位黏土礦物分布廣泛，蒙脫石、伊利石大量發育，室內取用沙四段2 900 ～3 100 m 樣品25 g，通過滾動回收率實驗對高效封堵油基鉆井液的抑制性能進行測試，并與本地區常用的2 種水基鉆井液聚磺鉆井液、抗溫聚合物鉆井液的抑制性能進行比較，結果如表5 所示。其中，M1為一次滾動后剩余巖屑質量，M2為二次滾動后剩余巖屑質量；R1為一次滾動回收率，R2為二次滾動回收率，R2/R1為相對滾動回收率。

表5 不同鉆井液體系的巖屑滾動回收率比較

由表5 可知：巖屑在水基鉆井液中的一次滾動回收率均低于50%，二次滾動回收率均低于15%。巖屑在高效封堵油基鉆井液中的一次滾動回收率及二次滾動回收率均遠高于水基鉆井液體系，相對滾動回收率高達90.8%。因此，油基鉆井液的抑制能力適用于致密油儲層長期穩定開發。

2.3 抗污染性能測試

致密油開發屬于新層位預探，具有鉆井周期不定及鉆探難度大等特點，需要考慮鉆井液體系在地層水、鉆屑污染前后性能變化情況。在5%地層水、5%巖屑污染后，應用油水比85∶15、密度1.7 g/cm3的油基鉆井液體系，對其抗污性能進行評價，油基鉆井液基本配方為2.5%有機土+1.5%乳化劑+1%潤濕劑+4%SEALTER+4%乳化瀝青+4%氧化鈣+重晶石，結果如表6 所示。由表6 可知：與文獻［9-10］結果相比，本研究開發的鉆井液體系被地層水、巖屑污染后，其性能仍保持穩定，抗污染能力較好，可以保證預探層位的長期持續鉆探。

表6 不同鉆井液體系的抗污染能力評價

3 現場應用

將高效封堵油基鉆井液在遼河油田西部凹陷預探井SHY-1 井開發過程中進行了現場應用。根據該地區鄰井已完鉆井的資料梳理及取樣巖性分析得知，本區塊沙河街組地層巖性比較復雜，泥巖、油頁巖、白云質灰巖等發育，正壓鉆井中自由水的侵入易引發泥頁巖的水化、膨脹，導致井壁掉塊、坍塌和漏失等井下復雜情況。鄰井復雜情況統計和分析表明，在沙四段經常出現起下鉆遇阻、大段劃眼及卡鉆等井下復雜情況。同時，SHY-1井地層巖性復雜，橫向變化快，井斜較大、位移長，為保證儲層鉆遇率，鉆進過程中需要不斷調整井眼軌跡，導致井眼不平滑，易形成巖屑床；施工時摩阻高、扭矩大，易托壓，并導致其他復雜情況發生。

針對以上問題，現場應用前在SEALTER 與乳化瀝青的基礎上，加入納米封堵材料強化油基鉆井液的封堵效果，提高封堵防塌性能；加入有機褐煤降濾失劑改善泥餅質量和流變性能，使泥餅更加致密，降低高溫高壓濾失量；加入流型調節劑改善體系低溫條件下流變性能，以適應冬季低溫施工。SHY-1 井使用的高效封堵油基鉆井液基本性能如表7所示。由表7可知：高效封堵油基鉆井液體系在該井的現場應用中表現突出，滿足了該井的應用需求，為致密油地層鉆井提供了技術支撐。第一，應用過程中體系性能穩定，在冬季低溫條件下，長時間靜止或頻繁起下鉆時流變性基本不變，未出現低溫靜止增稠現象，同時油基鉆井液乳化穩定性、攜巖性能等各項性能良好。第二，體系具有良好的微納米裂縫封堵性能，能夠有效抑制泥頁巖的水化膨脹，防塌效果顯著，鉆進過程中井壁未發生化學失穩現象，在長裸眼水平段施工過程中，并未出現由于頻繁起下鉆導致的井塌和掉塊等復雜情況，油基鉆井液極強的抑制性保持鉆井過程中返出巖屑棱角分明。第三，油基鉆井液最長靜止時間達112 h，開泵正常，鉆井液返出狀態良好，顯示出鉆井液良好的沉降穩定性；完鉆通井及三趟電測均順利到底，說明在井眼軌跡頻繁調整的條件下，井眼依然穩定、通暢。

表7 高效封堵油基鉆井液現場應用性能評價

4 結論

1） 建立了高效封堵油基鉆井液體系，基本配方為2. 5%有機土+1.5%乳化劑+1%潤濕劑+4%SEALTER+4%乳化瀝青+4%氧化鈣+重晶石，研究發現：該鉆井液體系的封堵性能良好，同時具有良好的乳化穩定性和沉降穩定性。

2） 針對致密油儲層埋藏較深、地溫高的情況，高效封堵油基鉆井液體系抗溫達到150 ℃，抗污染能力、抑制能力均能滿足黏土礦物大量發育的致密油地層長水平段鉆進需求。

3） 現場應用結果表明，該技術可有效解決致密油地層井壁失穩的難題，為非常規油氣資源安全高效開發提供有力的技術支撐。