劉 政 李俊材 邵 平

中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司

0 引言

新疆準噶爾盆地南緣霍爾果斯區(qū)塊屬于山前構(gòu)造，古近系具有高陡、高壓、斷層、破碎、超強水敏的巖性特點。在鉆井過程中，易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、阻卡、井下復(fù)雜情況高發(fā)、井斜控制困難、時效低、鉆井周期長、投資成本高等難題。截至目前，霍爾果斯構(gòu)造中組合已鉆井6口，分別為H10井、H001井、H002井、H003井、H101井、H11井。2003年霍爾果斯H10井在紫泥泉子組獲得油氣重大突破，繼H10井獲得重大發(fā)現(xiàn)后，相繼上鉆H001井、H002井、H003井，由于霍爾果斯構(gòu)造中組合地層異常復(fù)雜，采用有機鹽鉆井液、鉀鈣基聚磺（PRT）鉆井液和有機鹽PRT鉆井液等水基鉆井液體系，均不能完全解決古近系漸新統(tǒng)—始新統(tǒng)安集海河組水化應(yīng)力帶來的井壁失穩(wěn)難題，導(dǎo)致井下復(fù)雜情況高發(fā)，鉆井周期長，鉆井成本難以控制，阻礙了該區(qū)域的勘探開發(fā)[1-7]。2013年中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司開始進行霍爾果斯構(gòu)造超高密度油基鉆井液技術(shù)的室內(nèi)研究及評價，2014年9月至2017年10月，分別在H101井、H11井進行現(xiàn)場應(yīng)用。應(yīng)用后，鉆井速度大幅提升，鉆井周期明顯縮短，鉆井綜合成本大幅降低[8-9]。

1 安集海河組泥巖的物理化學(xué)性質(zhì)分析

取安集海河組泥巖露頭，在室內(nèi)按6種實驗方法進行分析[10-11]，掌握了安集海河組泥巖的礦物組分、黏土含量、巖石結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)，為鉆井液方案的制定提供了依據(jù)（圖1）。

圖1 安集海河組泥巖分析結(jié)果圖

分析結(jié)果表明：安集海河組泥巖中蒙脫石含量高，伊蒙混層中主要是蒙脫石，黏土礦物分布極不均勻，泥巖破碎，層理微裂縫發(fā)育，滾動回收率低，水化膨脹率高。導(dǎo)致安集海河組泥巖遇水極易水化，往往造成膨脹縮徑、分散、造漿和坍塌共存（圖1）。

2 鉆井液技術(shù)難點和技術(shù)對策

霍爾果斯構(gòu)造超高密度油基鉆井液的技術(shù)難點及技術(shù)對策有以下4個方面。

2.1 井壁穩(wěn)定

由于安集海河組泥巖遇水極易水化，鉆進過程中，井壁易膨脹縮徑、分散垮塌，井壁易失穩(wěn)，進而引起井下卡鉆等復(fù)雜事故[12]。

采取以下4方面的技術(shù)對策來解決井壁失穩(wěn)問題：①以高的油基鉆井液密度平衡高的安集海河組的層坍塌壓力；②強化油基鉆井液的封堵能力，控制110 ℃ HTHP濾失量小于3.0 mL；③采用活度平衡理論，使油基鉆井液濾液的活度低于所鉆地層水活度，使油基鉆井液中水相不向地層滲透，甚至使地層水向油基鉆井液中滲透，有效抑制水敏性地層吸水縮徑。

2.2 流變性控制

霍爾果斯構(gòu)造油基鉆井液的密度高達2.50 g/cm3，日常流變性能維護難度大。霍爾果斯構(gòu)造冬季氣溫很低，最低在-20 ℃左右，要求油基鉆井液具有好的低溫流變性[13]。

采取3方面的技術(shù)對策來解決該難題：①強化固控設(shè)備的使用，篩布使用0.074 mm（200目）孔徑，振動篩和除砂器的使用率100%，離心機的使用率不低于50%，篩布要勤檢查，發(fā)現(xiàn)損壞及時更換；②勤測超高密度油基鉆井液的流變性能參數(shù)，及時合理調(diào)整超高密度油基鉆井液的流變性能參數(shù)；③優(yōu)選超高密度油基鉆井液的主要處理劑，保證超高密度油基鉆井液在低溫下具有好的流變性。

2.3 抗污染

霍爾果斯構(gòu)造安集海河組泥巖含膏鹽層，連木沁組和東溝組易出水，固井時要使用水泥漿，這就要求超高密度油基鉆井液具有抗膏鹽、水侵、水泥和巖粉等污染的能力。保持超高密度油基鉆井液具有高的油水比和好的電穩(wěn)定性，可以提高超高密度油基鉆井液的抗污染能力[14]。

2.4 阻燃阻爆

超高密度油基鉆井液體系選用柴油作為基礎(chǔ)油，由于柴油自身易燃，產(chǎn)層鉆進存在氣侵現(xiàn)象，進而超高密度油基鉆井液易發(fā)生著火或爆炸等事故。通過優(yōu)選阻燃阻爆劑，提高超高密度油基鉆井液的阻燃阻爆能力。

3 配方優(yōu)選及性能評價

3.1 配方優(yōu)選

針對霍爾果斯構(gòu)造的地質(zhì)特點，選用中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司的超高密度油基鉆井液體系，鉆進安集海河組、紫泥泉子組、東溝組和連木沁組井段，配方如下：

柴油（0#）+3.0%有機土YOD-6+7%主乳化劑YOF-3+4%輔乳化劑YOD-4+3%潤濕劑YOD-5+5%降濾失劑YOD-1+3%高溫乳化穩(wěn)定劑MO+2%降濾失劑LO+3%石灰+氯化鈣水溶液（質(zhì)量濃度30%、油水比95:5）+5%封堵劑SOLTEX+3%封堵劑YH-150 +2%阻燃阻爆劑YOD-2+重晶石

配制步驟：加入配比量的柴油（0#）、有機土YOD-6、主乳化劑YOF-3、輔乳化劑YOD-4、潤濕劑YOD-5、降濾失劑YOD-1、高溫乳化穩(wěn)定劑MO和降濾失劑LO，高攪30 min；加入石灰，高攪20 min；加入氯化鈣水溶液，高攪30 min；加入封堵劑SOLTEX、封堵劑YH-150和阻燃阻爆劑YOD-2，高攪20 min；加入重晶石，高攪30 min；高速攪拌機轉(zhuǎn)速設(shè)置為11 000 r/min。

3.2 性能評價

3.2.1 基本性能

配制密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液，60 ℃測定超高密度油基鉆井液的基本性能，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，超高密度油基鉆井液在130℃熱滾前后都具有較好的性能指標。熱滾后，超高密度油基鉆井液具有好的流變性能、乳化穩(wěn)定性能和封堵性能，閃點為120 ℃，閃點溫度較高，阻燃阻爆效果好，能滿足現(xiàn)場安全施工的要求。

3.2.2 抑制性

選用霍爾果斯構(gòu)造古近系安集海河組泥巖，利用線性膨脹方法和巖屑滾動回收率，對密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液的抑制性進行評價。線性膨脹實驗的巖樣制備方法：在100 ℃下烘干泥巖，稱取過孔徑0.15 mm分樣篩的泥巖10.0 g，在壓樣機模具中以4 MPa壓力壓制5 min，制成柱狀試樣。在OFIT頁巖膨脹儀上，分別測定在清水、PRT鉆井液、有機鹽PRT鉆井液、超高密度油基鉆井液中浸泡16 h后的膨脹率[15]。

選用粒徑2.00～4.00 mm的泥巖做滾動回收率實驗，分別在清水、PRT鉆井液、有機鹽PRT鉆井液、密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液中，110℃下熱滾24 h后，用孔徑0.25 mm分樣篩回收，用清水或石油醚沖洗干凈，在100 ℃下干燥后稱量[16]，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液對安集海河組泥巖的膨脹率低至0.8 %，回收率高達98.0 %。說明超高密度油基鉆井液對安集海河組泥巖的抑制性能好，可以有效抑制泥巖的膨脹和水化分散。

表1 超高密度油基鉆井液的基本性能表

表2 安集海河組泥巖膨脹率和回收率實驗結(jié)果表

3.2.3 封堵性

采用砂床評價法對超高密度油基鉆井液的封堵性進行評價。在GGS71-A型高溫高壓濾失儀釜體中安裝砂床，實驗用砂床的底部為粒徑0.25～0.48 mm的剛性顆粒，砂床的底部高6 cm，上部為粒徑0.08～0.15 mm的剛性顆粒，上部高6 cm。加入400 mL 密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液，測定在壓差4.5 MPa下，不同溫度、1 h的高溫高壓濾失量[17-18]。實驗結(jié)果見表3。

由表3可知，密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液在不同溫度下的砂床高溫高壓濾失量在0～1.2 mL之間，濾失量均較小，說明其封堵性能好。

表3 封堵性實驗結(jié)果表

3.2.4 抗污染性

1）抗鹽膏污染評價

在密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液中，分別加入不同含量的石膏和NaCl后，在130 ℃下熱滾16 h，測定油基鉆井液性能，實驗結(jié)果見表4。

從表4可以看出，在超高密度油基鉆井液中加入不同比例鹽膏后，其各項性能指標都較穩(wěn)定，說明超高密度油基鉆井液具有好的抗鹽膏污染能力。

2）抗水泥污染評價

在密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液中，分別加入不同含量的水泥后，在130 ℃下熱滾16 h，測定油基鉆井液性能，實驗結(jié)果見表5。

從表5可以看出，在超高密度油基鉆井液中加入1%～3 %的水泥后，其各項性能指標都較穩(wěn)定，說明超高密度油基鉆井液具有好的抗水泥污染能力。

表4 抗復(fù)合鹽污染實驗結(jié)果表

表5 抗水泥污染實驗結(jié)果表

3）抗水浸污染評價

在密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液中，分別加入不同含量的水后，在130 ℃下熱滾16 h，測定油基鉆井液性能，實驗結(jié)果見表6。

表6 抗水浸污染實驗結(jié)果表

從表6可以看出，在超高密度油基鉆井液中加入水量少于15 %時，其各項性能指標都較穩(wěn)定，說明超高密度油基鉆井液具有好的抗水浸污染能力。

4）抗泥巖污染評價

霍爾果斯構(gòu)造古近系安集海河組泥巖粉碎后選取粒徑0.106 mm（150目）的巖粉，在密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液中加入不同比例的巖粉，在130 ℃下熱滾16 h，測定油基鉆井液性能[19]，實驗結(jié)果見表7。

從表7可以看出，巖粉加量少于9 %時，其各項性能指標都較穩(wěn)定，說明超高密度油基鉆井液具有好的抗巖粉污染能力。

3.2.5 低溫流變性

分別測定密度2.50 g/cm3的超高密度油基鉆井液在不同低溫下的流變性能，結(jié)果如表8所示。

由表8可知，溫度越低，超高密度油基鉆井液的流變性越差。但是在-20℃的條件下，超高密度油基鉆井液的漏斗黏度120 s，初切6.0 Pa，終切15.0 Pa，具有較好的流動性，能滿足新疆地區(qū)冬季低溫條件下的轉(zhuǎn)運、貯存等作業(yè)。

表7 巖粉污染實驗結(jié)果表

表8 低溫流變性結(jié)果表

表9 H101井井身結(jié)構(gòu)及鉆井液體系表

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2014年11月17日，H101井三開?311.2 mm井眼，在井深2 050.0 m的安集海河組替入超高密度油基鉆井液，一趟鉆鉆至井深2 922.0 m三開完鉆，用時6.90 d鉆完872.0 m進尺，H101井井身結(jié)構(gòu)及鉆井液體系（表9）。鉆進過程中，超高密度油基鉆井液性能穩(wěn)定（表10）。電測井徑規(guī)則，安集海河組井段未出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，最大井徑擴大率4.6 %，平均井徑擴大率3.2 %。返出的泥巖棱角分明，呈片狀（圖2）。

H11井2017年3月16日04:00開鉆，三開?311.2 mm井眼使用超高密度油基鉆井液，井段2 525.0～3 460.0 m；四開 ?215.9 mm井眼使用高密度油基鉆井液體系，井段3 460.0～5 170.0 m，H11井井身結(jié)構(gòu)及鉆井液體系（表11）。2017年8月23日18:00鉆至5 170 m完鉆，全井超高密度油基鉆井液性能穩(wěn)定（表12）。三開311.2 mm井眼段，電測平均井徑314.5 mm，井眼擴大率1.04 %。四開?215.9 mm井眼段，電測平均井徑218.3 mm，井眼擴大率1.11 %。井眼通暢，無井下事故發(fā)生，電測、下套管均一次成功。

表10 H101井超高密度油基鉆井液性能表

圖2 H101井安集海河組巖屑照片

表11 H11井井身結(jié)構(gòu)及鉆井液體系表

表12 H11井超高密度油基鉆井液性能表

H101井在霍爾果斯構(gòu)造古近系安集海河組使用超高密度油基鉆井液專打，三開機械鉆速提高至11.65 m/h，三開鉆井周期縮短至6.00～9.00 d。全井平均機械鉆速提高至5.17 m/h，鉆井周期縮短至59.70 d。H11井在霍爾果斯構(gòu)造古近系使用超高密度油基鉆井液專打，三開機械鉆速提高至14.82 m/h，三開安集海河組鉆井周期縮短至4.75 d，四開機械鉆速提高至3.20 m/h，四開鉆井周期120.94 d。全井平均機械鉆速3.98 m/h，鉆井周期163.19 d。采用水基鉆井液體系，H10井、H001井、H002井、H003井鉆井周期350.10～423.63 d。油基鉆井液體系與水基鉆井液體系相比，機械鉆速大幅提高、降低了鉆井綜合成本，提速效果顯著。

超高密度油基鉆井液在現(xiàn)場應(yīng)用中可能出現(xiàn)的HSE方面問題：①油基鉆井液在使用過程中，會揮發(fā)出一定量的芳香烴，影響作業(yè)人員的呼吸。皮膚接觸油基鉆井液后，易引起皮炎。②目前油基鉆井液的基礎(chǔ)油為柴油，屬于易燃易爆物品，存在安全風(fēng)險。③油基巖屑在新環(huán)保法中被列為危險固體廢棄物，油基巖屑的存放、處理、轉(zhuǎn)運等存在環(huán)保風(fēng)險。

解決措施：①作業(yè)人員佩戴好口罩、手套和勞保服等防護用品，避免皮膚直接接觸油基鉆井液和吸入有害氣體；在井口、振動篩、循環(huán)罐等地方，配置防爆排風(fēng)扇，增加空氣的流動，減少空氣中芳香烴的含量。②柴油用專用的儲存罐儲存，配備好滅火器等消防器材；配制油基鉆井液時，加入2 %的阻燃阻爆劑；嚴禁將打火機、手機帶入井場區(qū)域；嚴禁在井場區(qū)域進行電氣焊作業(yè)和動用明火；井隊使用銅榔頭，避免敲擊時產(chǎn)生火花。③井場內(nèi)專門修建油基巖屑存放場，必須防雨防滲；油基巖屑現(xiàn)場采用甩干處理，實現(xiàn)固液有效分離，液相部分回收利用，固相部分裝袋存放；最后的固相油基巖屑的轉(zhuǎn)運及處理，須經(jīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門審批，交由具有相應(yīng)處置資質(zhì)的公司進行進一步的無害化處理。

5 結(jié)論

1）室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應(yīng)用表明，超高密度油基鉆井液能夠很好地解決新疆準噶爾盆地南緣霍爾果斯構(gòu)造古近系強水敏性地層鉆井的難題，HSE方面的問題得到有效解決，可以在新疆準噶爾盆地南緣霍爾果斯構(gòu)造古近系進一步推廣使用。

2）與水基鉆井液相比，超高密度油基鉆井液成本高，但是它在鉆井過程中大大節(jié)約了鉆井周期，鉆井綜合成本得到降低，提速效果顯著。

3）超高密度油基鉆井液在鉆井成本得到較大節(jié)約的同時，為環(huán)境保護帶來了一定的風(fēng)險。含油鉆屑作為危險廢物，辦理轉(zhuǎn)運手續(xù)過程復(fù)雜，辦理的過程長時間堆放暫存，也容易發(fā)生環(huán)境污染。建議現(xiàn)場采用小型橇裝隨鉆甩干處理裝置，進一步降低含油鉆屑含油量，減小發(fā)生環(huán)境污染的風(fēng)險。