楊云鋒

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

曹光福，申延晴，張浩，楊英波，李君

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉瑪依 834000)

?

準噶爾盆地超深井鉆井液體系的研究與應(yīng)用

楊云鋒

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

曹光福，申延晴，張浩，楊英波，李君

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉瑪依 834000)

新疆準噶爾盆地達巴松凸起地層巖性復(fù)雜，地層壓力體系多變，鉆井過程中易發(fā)生噴、漏、塌、卡等復(fù)雜事故，鉆井施工難度大，對鉆井液性能要求高。針對地層復(fù)雜情況，室內(nèi)研究出用胺基鉆井液體系鉆長裸眼二開井段，用有機鹽鉆井液體系鉆高壓高溫三開和四開井段，并成功地在DT1井應(yīng)用。室內(nèi)研究和現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：該鉆井液體系具有很好的流變性，濾失量小，泥餅質(zhì)量好，潤滑性好，抑制性強，抗污染能力強?，F(xiàn)場應(yīng)用時井壁穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)高壓地層井噴和裂縫地層井漏等問題，全井無井下復(fù)雜事故，各次完鉆電測和下套管均一次成功。該井的試驗成功為后續(xù)探井高效鉆探奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

胺基鉆井液；有機鹽鉆井液；流變性；濾失量；井壁穩(wěn)定；井噴；井漏

1　地質(zhì)概況

準噶爾盆地達巴松凸起地層巖性復(fù)雜，西山窯組和八道灣組都存在著不同發(fā)育程度的煤層，長度幾米到幾十米不等[1]。由于在煤層上不能形成較好的泥餅來保護井壁，且煤層自身在鉆進過程中由于地層壓力激動等因素的影響，極易剝落掉塊、坍塌，易造成卡鉆，同時形成“大肚子”致使下部地層鉆屑上返時在“大肚子”部位來回返滾，不能正常返出，當堆集到一定程度時易造成砂橋卡鉆，當停止循環(huán)時，“大肚子”部位的堆集鉆屑有可能快速下沉造成埋鉆現(xiàn)象[2]。

準噶爾盆地各地層的壓力因數(shù)均有較大變化，由于壓力因數(shù)有較大變化，鉆井過程中又無法做到在每個壓力系統(tǒng)都下一層套管，致使泥漿工程有一定的難度，在壓力高的地層容易引起井噴、井塌，而在壓力低的地層又易引起井漏[3]。整個盆地在所鉆進的地層剖面上都不同程度地含有黏土礦物，且蒙脫石和伊利石質(zhì)量分數(shù)均較高，表明地層黏土水化膨脹的趨勢很強，一般水基鉆井液很難滿足井壁穩(wěn)定性要求。表1為各地層組含黏土礦物質(zhì)量分數(shù)及地層壓力因數(shù)的情況。

表1　DT1井各地層組黏土礦物質(zhì)量分數(shù)及地層壓力因數(shù)

2　鉆井液體系研究

2.1鉆井液配方

針對準噶爾盆地復(fù)雜的地質(zhì)情況，在室內(nèi)設(shè)計了2套鉆井液體系：用于二開地層的胺基鉆井液體系和用于三、四開地層的有機鹽鉆井液體系。胺基鉆井液主要由聚合物包被劑PMHA、聚胺抑制劑JA-1、無機鹽抑制劑KCl和聚合物增黏劑、降黏劑及潤滑劑，再輔加瀝青類可變性粒子組成，形成一種協(xié)同抑制防塌效果，滿足現(xiàn)場防止煤層易剝落掉塊和抑制黏土礦物的水化膨脹的目的[4,5]。由于三開和四開地層為異常高壓地層，地層黏土礦物中伊利石質(zhì)量分數(shù)最高，伊-蒙混層比也最高，要求鉆井液有很強的抑制黏土水化分散的能力，且井底溫度達到150℃左右，孔隙壓力梯度當量密度變化大，最高為2.10g/cm3。因此，選擇在上部地層鉆井液的基礎(chǔ)上引入有機鹽，將其改進成有機鹽鉆井液體系，以滿足現(xiàn)場防塌抑制、抗高溫和高密度的要求[6,7]。

胺基鉆井液體系配方：4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.5%KOH+10%KCl+0.8%聚合物降濾失劑SP-8+0.8%包被劑PMHA-2+0.7%銨鹽降濾失劑NPAN+0.5%低黏度羧甲基纖維素CMC-LV+3%磺化酚醛樹脂SMP-1(粉)+1.5%褐煤樹脂降濾失劑SPNH+1%低熒光潤滑劑+2%陽離子乳化瀝青+3%磺化瀝青粉+2%聚胺抑制劑JA-1+0.8%CaO+2%超微細碳酸鈣QCX-1+0.3%快速鉆井劑KSZJ-1+1%固體潤滑劑+2%隨鉆堵漏劑+1%ZL+重晶石(配方中的百分數(shù)為質(zhì)量分數(shù)，下同)。

有機鹽鉆井液配方：2%～3%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.5%KOH+7%KCl+0.7%聚合物降濾失劑SP-8+0.5%包被劑PMHA-2+3%磺化酚醛樹脂SMP-2+2%褐煤樹脂降濾失劑SPNH+0.5%低黏度羧甲基纖維素CMC-LV+3%高效防塌瀝青粉KH-n+10%有機鹽加重劑OS-100+3%降黏劑TX+2%聚胺抑制劑JA-1+1%固體潤滑劑+3%降濾失劑PHT+1%低熒光潤滑劑+2%隨鉆堵漏劑+0.8%CaO+2%超微細碳酸鈣QCX-1+1%隨鉆堵漏劑WC-1+活化重晶石。

2.2鉆井液性能

2.2.1抗溫性

室內(nèi)配制胺基鉆井液和有機鹽鉆井液，分別在130℃和150℃下滾動16、48、72h，在50℃下測其性能，結(jié)果見表2和表3。

表2　胺基鉆井液的抗溫性能

注1：ρ為鉆井液密度；μf為漏斗黏度；τi為初切力；τf為終切力；μp為塑性黏度；τ為動切力；VAPI為API濾失量；Vhthp高溫高壓濾失量。下同。

注2：高溫高壓濾失量測定試驗條件為130℃×3.45MPa。

表3　有機鹽鉆井液的抗溫性能

注：高溫高壓濾失量測定試驗條件為150℃×3.45MPa。

2.2.2抑制性

室內(nèi)選用新疆南緣安集海地層露頭巖心，用滾動回收率法評價胺基鉆井液體系和有機鹽鉆井液體系的抑制性。試驗條件為130℃下滾動16h，測得自來水中巖屑回收率為15.98%，胺基鉆井液中巖屑回收率為89.91%，有機鹽鉆井液中巖屑回收率為92.4%。試驗結(jié)果表明胺基鉆井液和有機鹽鉆井液具有很強的防塌抑制性，且在胺基鉆井液基礎(chǔ)上改進的有機鹽鉆井液的抑制性比胺基鉆井液更好。

2.2.3抗污染

二開鉆進過程中會鉆遇黏土層和石膏層，為了考察鉆井液的抗污染性，在胺基鉆井液中分別加入分散性較強的夏子街土和CaSO4，充分攪拌30min，在100℃下熱滾16h，測其流變性、濾失量及潤滑系數(shù)，結(jié)果見表4。

三開和四開鉆進過程中會鉆遇黏土層、石膏層和碳酸鹽巖層(主要成分為NaHCO3)。為了考察鉆井液的抗污染性，在有機鹽鉆井液體系中分別加入分散性較強的夏子街土、CaSO4和NaHCO3，充分攪拌30min，在150℃下熱滾16h，測其流變性、濾失量及潤滑系數(shù)，結(jié)果見表5。

表4　胺基鉆井液的抗污染能力

表5　有機鹽鉆井液的抗污染能力

由表4和表5可知，胺基鉆井液和有機鹽鉆井液中加入15%夏子街土后，鉆井液的黏度、切力均有所增加，但增加的幅度均不大、濾失量和潤滑性變化不大。胺基鉆井液加入CaSO4后和有機鹽鉆井液加入CaSO4和NaHCO3后，黏度、切力、濾失量、潤滑系數(shù)均變化不大，表明這2套鉆井液體系抗石膏污染和抗碳酸鹽污染能力很強，能滿足現(xiàn)場施工要求。

2.2.4沉降穩(wěn)定性

將胺基鉆井液和有機鹽鉆井液分別在130℃和150℃老化72h后倒入1000mL的量筒中靜止16、48、72h，測定量筒上部、下部密度，密度差均不超過0.01g/cm3，且無重晶石下沉等現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明鉆井液沉降穩(wěn)定性好，攜砂懸砂性能滿足安全鉆井的要求。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

3.1試驗井基本情況與井深結(jié)構(gòu)

圖1　DT1井井身結(jié)構(gòu)圖

DT1井地處新疆維吾爾自治區(qū)和布克賽爾縣境內(nèi)，位于準噶爾盆地中央坳陷達巴松凸起D1井背斜圈閉，距D1井東偏北1.86km，D10井南偏西11.54km，D9井南偏西2.48km。該井是一口四開直井，設(shè)計井深為6000m，實際完鉆井深6226m，目的層為石炭系，是一口勘探井。該井井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用及維護

二開井段(500～3885m)白堊系為大段泥巖，且地層滲透性較好，易吸水膨脹造成井眼縮徑垮塌，下部侏羅系煤層發(fā)育，西山窯組和八道灣組含7～8段煤層，最長煤層厚度超過10m，井眼承壓能力較低，易發(fā)生坍塌和井漏等復(fù)雜情況。因此二開井段鉆井液維護的總體方案是上部大段泥巖采用強抑制，針對大段泥巖吸水膨脹縮徑垮塌問題，鉆井液通過高質(zhì)量分數(shù)的包被劑、胺基抑制劑及氯化鉀來加強抑制性，并減輕提下鉆掛卡程度，從而縮短提下鉆時間。針對西山窯組和八道灣組煤層發(fā)育段，通過降低鉆井液濾失量，預(yù)防與煤層膠結(jié)的泥巖因吸水膨脹擠壓造成煤層不穩(wěn)定，同時嚴格控制泥漿的密度，保持合理的液柱壓力，從而保證煤層物理平衡，并合理控制膨潤土質(zhì)量分數(shù)和封堵材料，確保形成致密的優(yōu)質(zhì)泥餅，保證井眼穩(wěn)定。該開次的鉆井液性能為：密度1.10～1.45g/cm3，中壓濾失量低于5mL，動切力控制在10Pa左右，初切力控制在2～3Pa,終切力控制在5～10Pa；塑性黏度控制在18～28mPa·s左右，保證鉆屑及時帶出井口。

三開、四開井段(3885～6226m)鉆遇二疊系烏爾禾組，其棕色棕褐色塑性泥巖中黏土礦物質(zhì)量分數(shù)高，分散性較強，易水化膨脹和分散，造成井壁不穩(wěn)，同時鉆井過程中易發(fā)生阻卡。因此在三開井段需加強泥漿的抑制性能。風(fēng)城組、石炭系含異常高壓油氣水層，易發(fā)生油氣水侵甚至漏噴同層的嚴重復(fù)雜，且四開井段砂巖地層發(fā)育、滲透性好，易形成虛厚泥餅。因此四開井段在鉆進過程中合理調(diào)整泥漿密度，盡可能保持近平衡鉆進。利用KCl、聚合物PMHA-2及聚胺JA-1多元復(fù)合抑制技術(shù)抑制黏土礦物水化膨脹和分散，同時利用TX、KH-n、固體潤滑劑及PHT等對泥餅進行封堵，形成致密優(yōu)質(zhì)泥餅。在鉆進過程中加大抗高溫降濾失劑的使用，保持SMP-2、SPNH的含量不低于4%，CMC-LV作為輔助降濾失劑，API濾失量控制在3.0mL以下，高溫高壓濾失量控制在6mL左右。四開鉆井液轉(zhuǎn)化時加入2%QCX-1和1%WC-1，鉆進中不斷補充各種瀝青，使其質(zhì)量分數(shù)不低于3%，提高了封堵造壁能力，確保了井壁穩(wěn)定，有效保護了儲層和井下安全。

3.3應(yīng)用效果

通過采用胺基鉆井液體系，保證了二開井段長距離大尺寸裸眼井段安全鉆進；三開、四開井段有機鹽鉆井液的應(yīng)用避免鉆進過程中油氣水侵甚至漏噴同層等復(fù)雜情況。DT1井僅用159d完成了6226m的全部進尺，鉆進過程無惡性復(fù)雜情況發(fā)生，實現(xiàn)零事故，達到安全鉆進施工的要求，而鄰井3口井復(fù)雜事故時率分別為6.54%、3.34%、7.18%。DT1井鉆井月速1105.86m/臺月，鉆井月速較D1井提高51.23%、較D9井提高28.1%、較D10井提高48.12%。通過鉆井液技術(shù)細化措施，實現(xiàn)了一開、二開、三開、四開電測一次成功，大尺寸套管一次到位。另外，該鉆井液抗溫性和潤滑性較好，不僅減小了鉆具扭矩、摩阻，也延長了鉆頭軸承壽命，二開SF65BGVH3，三開U513S、HJT537GK等鉆頭的純鉆時間均超過110h，二疊系、石炭系使用高效牙輪鉆頭機械鉆速較鄰井同井段機械鉆速提高了67%～122%，單只鉆頭進尺提高了約3倍。

4　結(jié)論

1)用聚合物包被劑PMHA-2、聚胺抑制劑JA-1、無機鹽抑制劑KCl和聚合物增黏劑、降黏劑及潤滑劑，再輔加瀝青類可變性粒子等處理劑，配制出具有協(xié)同防塌抑制效果的聚胺鉆井液體系。該體系室內(nèi)評價和現(xiàn)場應(yīng)用均表現(xiàn)出很強的抑制性、抗溫性和抗石膏侵，很好地防止了上部地層煤層易剝落掉塊和抑制黏土礦物的水化膨脹。

2)在聚胺鉆井液中加入有機鹽和其他降濾失劑和封堵劑轉(zhuǎn)化為有機鹽鉆井液體系。該體系室內(nèi)評價和現(xiàn)場應(yīng)用均表現(xiàn)出很強的抑制性、抗溫性、抗石膏侵和抗碳酸鹽侵，流變性和潤滑性好，避免鉆進過程中油氣水侵甚至漏噴同層等復(fù)雜情況。

3)用胺基鉆井液體系和有機鹽鉆井液體系成功地鉆完DT1井，且無惡性復(fù)雜情況發(fā)生，實現(xiàn)零事故。延長鉆頭使用時間，提高了機械鉆速，為后續(xù)高效鉆探奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]李丕龍.準噶爾盆地石油地質(zhì)特征與大油氣田勘探方向[J].石油學(xué)報，2005,26(6)：7～9.

[2] 張雪飛，張偉，徐新紐，等. 準噶爾盆地南緣H101井高密度油基鉆井液技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2016,44(1)：34～38.

[3] 邱春陽，秦濤，王寶田，等. 準噶爾盆地中部4區(qū)塊侏羅系井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)[J].鉆采工藝，2015,38(5)：77～80.

[4] 王勁松，亢德峰，藍強.雙聚磺胺基聚醇鉆井液在渤南低滲油田的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2010,27(3)：51～54.

[5] 霍寶玉，楊飛，呂燭，等.聚胺仿油基鉆井液在高位垂比水平井的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2013,30(3)：27～30.

[6] 李向碧，鄭有成，王蘭.KCl—有機鹽鉆井液在高石梯—磨溪區(qū)塊上部井段鉆井提速中的應(yīng)用[J].鉆井工程，2014,34(3)：121～125.

[7] 戎克生，楊志毅，周紅燈.有機鹽鉆井液在準噶爾盆地東部三臺地區(qū)的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2009,37(4)：54～56.

[編輯]帥群

2016-01-22

國家自然科學(xué)基金項目(51174036)。

楊云鋒(1991-)，男，碩士生，主要從事油田化學(xué)方面的學(xué)習(xí)與研究，18772618122@163.com。

TE254

A

1673-1409(2016)29-0039-04

[引著格式]楊云鋒，曹光福，申延晴，等.準噶爾盆地超深井鉆井液體系的研究與應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版),2016,13(29):39～42.