朱 勝，張海山，徐 佳，姜小龍，王孝山

（1. 中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司, 上海 200335；2. 中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司, 上海 200120）

低孔滲油氣藏由于地層巖性致密、孔隙度小、毛細(xì)管壓力和滲流阻力大，使得外來液體侵入后返排困難，同時(shí)易產(chǎn)生水鎖及水敏等損害，對(duì)儲(chǔ)層損害十分敏感，是目前制約其開發(fā)的一個(gè)重要瓶頸[1]。近年來，東海海域低滲儲(chǔ)層的勘探獲得重大突破，發(fā)現(xiàn)了一批大型低孔低滲天然氣田[2]；此外，東海低孔滲油氣田大多埋藏較深，成巖巖性較差，普遍存在砂泥巖互層膠結(jié)疏松、砂泥巖層中互夾煤層等特性；油氣開發(fā)過程中，泥巖和煤層剝落掉塊、泥巖分散造漿易造成鉆井阻卡、井徑擴(kuò)大、井壁垮塌等復(fù)雜情況[3-5]。

為了減少鉆井作業(yè)過程中井壁失穩(wěn)、卡鉆等復(fù)雜情況，提高作業(yè)時(shí)效，同時(shí)最大限度地達(dá)到低孔滲油氣藏的儲(chǔ)層保護(hù)效果；針對(duì)東海地區(qū)的儲(chǔ)層損害機(jī)理、井下復(fù)雜情況原因，通過優(yōu)化鉆井液體系，以大幅提高鉆井液的抗溫、防塌和儲(chǔ)層保護(hù)性能。優(yōu)化后的鉆井液體系在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，利用測(cè)井資料計(jì)算的鉆井液侵入地層深度小，儲(chǔ)層保護(hù)效果明顯[6-7]。

1 東海低孔滲油氣田鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

東海西湖凹陷區(qū)塊鉆井作業(yè)存在的突出問題主要有儲(chǔ)層保護(hù)和鉆井復(fù)雜情況頻繁。鉆井液面臨的難題主要有抗高溫穩(wěn)定性、失水控制、抗侵污能力等，同時(shí)還需要解決井壁穩(wěn)定、壓力窗口窄、易涌易漏等工程難題[3]。

（1）儲(chǔ)層保護(hù)難度大。分析東海西湖凹陷區(qū)塊儲(chǔ)層特征及潛在的損害因素，其中花港組中下段和平湖組儲(chǔ)層普遍存在低孔低滲或低孔特低滲的特征，存在潛在的水鎖傷害，并且容易發(fā)生固相侵入的損害[8]。此外，花港組下段和平湖組中上段伊蒙混層、蒙脫石和綠泥石含量較多，其中儲(chǔ)層段黏土含量主要為5%～15%，局部達(dá)30%～50%，泥巖和煤層段黏土含量高達(dá)26%～70%，黏土中伊蒙混層高達(dá)40%～70%（表1），存在較嚴(yán)重的水敏損害，鉆完井液需要有較強(qiáng)的封堵、抑制和防水鎖性能。

（2）鉆井復(fù)雜情況頻繁。研究分析東海地區(qū)井下復(fù)雜情況產(chǎn)生的原因，泥巖的水化膨脹、煤層的垮塌以及鉆井液濾液進(jìn)入地層導(dǎo)致井壁巖石吸水膨脹，是造成鉆井作業(yè)時(shí)起下鉆遇阻、卡鉆、卡測(cè)井儀器的主要原因。φ444.5 mm井段以及φ311.15 mm上部井段，砂泥巖互層頻繁，泥巖中黏土礦物以無序伊蒙混層為主，強(qiáng)分散，中等膨脹，鉆井液濾液進(jìn)入易引起水化膨脹，特別是砂泥巖交界面處，造成縮徑；此外，處于早成巖期的巖石，強(qiáng)度低，含水量高，鉆井液濾液進(jìn)入后，泥巖含水量增加，巖石強(qiáng)度下降，在上覆壓力與地應(yīng)力作用下，含水量高的砂巖和泥巖均會(huì)發(fā)生塑性變形而引起縮徑。而對(duì)于井徑大的井眼，鉆井液無法形成紊流對(duì)縮徑段有效地沖蝕，從而在縮徑段造成起鉆遇卡、劃眼，再而誘發(fā)附近地層井塌[9]。

表 1 某區(qū)塊油氣層黏土礦物X射線衍射定量分析結(jié)果Table 1 Quantitative analysis results of clay minerals in oil and gas layers in a block by X-ray diffraction

花港組下部和平湖組（儲(chǔ)層段）泥巖發(fā)育進(jìn)入成巖晚期，屬于硬脆性泥巖，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、成巖作用、生烴增壓等作用下，部分井段泥巖裂隙發(fā)育；同時(shí)該井段地層中又存在煤層，鉆井液極易沿微裂隙滲流，造成地層強(qiáng)度降低，如果鉆井液不足以有效封堵泥巖裂隙和煤層節(jié)理縫，就會(huì)誘發(fā)泥巖與煤層坍塌，而煤層坍塌又誘發(fā)其頂蓋泥巖坍塌[10-11]。

2 低孔滲地層鉆井液體系優(yōu)化

通過分析東海西湖凹陷區(qū)塊井下復(fù)雜情況和儲(chǔ)層損害的原因，針對(duì)提高上部地層的井壁穩(wěn)定性、加強(qiáng)儲(chǔ)層段的儲(chǔ)保效果等兩個(gè)主要方面，對(duì)當(dāng)前東海地區(qū)已有鉆井液體系進(jìn)行了優(yōu)化研究，旨在重點(diǎn)提高鉆井液體系的抗溫、防塌和儲(chǔ)層保護(hù)性能。

分析東海原PEM體系配方及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，對(duì)其高溫穩(wěn)定性、封堵降濾失以及膨潤(rùn)土加量進(jìn)行優(yōu)化評(píng)價(jià)，最終得出抗溫、封堵、降濾失和抑制性良好的PEM優(yōu)化鉆井液體系，以滿足東海井深日益增加的高溫深井的作業(yè)需求。

2.1 PEM體系高溫穩(wěn)定性優(yōu)化

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，由表2中數(shù)據(jù)可見，優(yōu)化前的PEM體系抗溫能力只有150 ℃；通過研制篩選出了抗高溫穩(wěn)定劑，添加球狀高分子高溫穩(wěn)定劑STBHT后，體系的性能得到明顯改善（表3）。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)配方如下：3% 膨潤(rùn)土+0.5%NaOH+0.5% Na2CO3+0.5% PF-PLUS+0.4% PF-PACLV+0.1% PF-XC+1% PF-LPF-H+2% PF-LSF+2%PF-DYFT-2+1% PF-CMJ+2% JLX-C+1% TEMP +5%KCl+重晶石（ρ=1.3 g/cm3）。

以上評(píng)價(jià)可以看出，優(yōu)化前的PEM體系在經(jīng)過160 ℃與170 ℃老化后，性能變差，切力變低，且高溫高壓失水較大，說明原PEM體系的抗溫能力為150 ℃。

由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，體系中加入STB HT后，在180 ℃熱滾16 h后，體系的流變性得到明顯改善，API失水和150 ℃下的高溫高壓失水明顯降低。

表 2 優(yōu)化前的PEM鉆井液高溫老化前后的性能Table 2 Performance of PEM drilling fluid before and after high temperature aging before optimization

表 3 PEM鉆井液中引入STB HT后180 ℃熱滾前后性能Table 3 Performance of PEM drilling fluid before and after 180 ℃ hot rolling with STB HT

2.2 膨潤(rùn)土及高溫穩(wěn)定劑加量?jī)?yōu)化

通過對(duì)膨潤(rùn)土及高溫穩(wěn)定劑的加量進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)研究，得出二者復(fù)配時(shí)的最佳加量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表 4 STB-HT和膨潤(rùn)土加量對(duì)PEM鉆井液性能影響Table 4 Effect of STB-HT and bentonite addition on the performance of PEM drilling fluid

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)配方：膨潤(rùn)土+0.5% NaOH+0.5% Na2CO3+0.5% PF-PLUS+3% TEMP+2% PFDYFT-2+2% SMP-I+2% DFLHT+2% JLX-C+5%KCl+重晶石（ρ=1.3 g/cm3）

由表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，加入2% STB-HT在180 ℃熱滾16 h后，體系的流變性得到明顯改善，API失水和150 ℃下的高溫高壓失水明顯降低；由不同加量下鉆井液性能可見，STB-HT的加量在2%～3%，膨潤(rùn)土加量在1.5%～2.5%能夠滿足要求。

2.3 PEM體系封堵降濾失性優(yōu)化

通過對(duì)幾種常用的封堵降濾失劑的復(fù)配實(shí)驗(yàn)研究，得到各封堵降濾失劑對(duì)PEM體系性能的影響，以及PF-LSF在PEM體系中與PF-DYFT-2、DFLHT、SMP- I復(fù)配使用時(shí)的溫度上限，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5（滾后性能均為180 ℃熱滾后測(cè)得）。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)配方：3% 膨潤(rùn)土+0.5% NaOH+0.5% Na2CO3+0.5% PF-PLUS+3% TEMP+3% STBHT+2% JLX-C+5% KCl+重晶石（ρ=1.3 g/cm3）。

從表中數(shù)據(jù)看出，PF-LSF、PF-DYFT-2、DFLHT、SMP-I單獨(dú)使用不結(jié)塊，但PF-LSF與PFDYFT-2、DFLHT、SMP-I復(fù)配加入到PEM體系且170 ℃以上熱滾后有結(jié)塊現(xiàn)象，故PF-LSF只適合用于井下溫度低于170 ℃的鉆井液中。

2.4 優(yōu)化后的PEM體系性能評(píng)價(jià)

通過對(duì)原PEM體系高溫穩(wěn)定性和封堵降失水性能優(yōu)化評(píng)價(jià)，并對(duì)各處理劑進(jìn)行加量?jī)?yōu)化評(píng)價(jià)，最終確定了優(yōu)化后的PEM體系配方為：1.5%～2.5% 膨潤(rùn)土+0.5% NaOH+0.5% Na2CO3+0.4% PF-PLUS+3% TEMP+2% PF-DYFT-2+1%～2%SMP-I+2%～3% STB-HT+2% DFLHT+2% JLX-C+5% KCl+重晶石（ρ=1.3 g/cm3）。

（1）PEM優(yōu)化體系的高溫穩(wěn)定性

以表6中數(shù)據(jù)可以看出，PEM體系優(yōu)化配方在180 ℃及200 ℃熱滾16 h后流變性能好，失水低。

（2）優(yōu)化體系的封堵、抑制和潤(rùn)滑性能

該體系180 ℃熱滾后流變性好，失水低，150 ℃熱滾后仍然具有很強(qiáng)的封堵能力，露頭土的滾動(dòng)回收率為92.5%，抑制性強(qiáng)，潤(rùn)滑系數(shù)為0.087～0.11，潤(rùn)滑性較好。優(yōu)化后的PEM體系基本性能見表7。

（3）PEM優(yōu)化體系抗現(xiàn)場(chǎng)鉆屑污染的能力

用NB31-1-2 井2 120～2 130 m、2 140～2 150 m、3 375～3 380 m井段鉆屑，經(jīng)100目過篩，烘干后稱取所需質(zhì)量加入到350 mL泥漿中，評(píng)價(jià)其熱滾后對(duì)PEM鉆井液體系性能的影響。實(shí)驗(yàn)條件：150 ℃×16 h熱滾后40 ℃測(cè)流變性。

由表8實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，NB31-1-2井2 120～2 130 m、2 140～2 150 m、3 375～3 380 m井段鉆屑加量為15%時(shí)，150 ℃×16 h熱滾后，AV上升率為23.1%。

表 5 單劑復(fù)配對(duì)PEM鉆井液體系的影響Table 5 Effect of single agent compound on PEM drilling fluid system

表 6 PEM體系優(yōu)化配方的熱穩(wěn)定性能Table 6 Performance of thermal stability of optimized formula of PEM system

表 7 PEM優(yōu)化體系封堵性能評(píng)價(jià)Table 7 Evaluation of plugging performance of PEM optimization system

表 8 鉆屑對(duì)PEM優(yōu)化體系性能的影響Table 8 Influence of drill cuttings on the performance of PEM optimized system

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

經(jīng)改進(jìn)的PEM優(yōu)化體系不僅具有良好的抗高溫穩(wěn)定性，而且具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果，適用于高溫、低孔滲地層的鉆井作業(yè)，在TWT-A5H1P井、N22-1-1井等井中得到了很好的應(yīng)用效果。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

PEM優(yōu)化體系在TWT-A5H1P井φ152.4 mm井眼的應(yīng)用中，保持K+濃度在15 000～30 000 ppm、3%以上的PF-JLX-C、1%～3%的PF-DFL-HT加量，維持井漿中PF-STB-HT的濃度在 2%～3.5%，同時(shí)添加抗高溫降濾失劑PF-TEMP，PF-SMP-I，添加0.5%～1%的防水鎖劑PF-SATRO-1以減少儲(chǔ)層傷害。該體系在井底靜止溫度162 ℃，井口返出溫度64 ℃的環(huán)境下，完鉆時(shí)井漿的API失水3.2 mL，高溫高壓失水8.4 mL（詳細(xì)性能見表9），并且能形成薄而韌的泥餅。鉆井過程中返砂良好，扭矩、泵壓平穩(wěn)，起、下鉆均無遇阻等復(fù)雜情況，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、攜砂性能以及維護(hù)井壁穩(wěn)定的作用。

東海N22-1區(qū)塊普遍存在上部泥巖易水化，中下部地層砂巖與泥巖互層頻繁并夾雜發(fā)育的煤層。PEM優(yōu)化鉆井液體系在N22-1-1井φ215.9 mm井段應(yīng)用中，維持井漿中20 000～30 000 ppm的K+濃度、2%～3.5% PF-STB-HT、0.5%～0.7% PFPLUS、3%～5% PF-JLX-C、1.5%～2% PF-SMP-1、1.5%～2% PF-TEMP以保證鉆井液穩(wěn)定的流變性、抑制性和較低的高溫高壓失水，維持井漿2%～3% PF-DFLHT和1.5%～2% PF-DYFT-Ⅱ來加強(qiáng)對(duì)泥砂互層的封堵，添加1%～1.5%深部抑制劑PFHPI以防止煤層垮塌，使用1%～2% PF-GRA和1%～2% PF-LUBE降低摩阻。現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能見表10，在井底靜止溫度175 ℃，井口返出溫度75 ℃的環(huán)境下，完鉆時(shí)井漿API失水2.6 mL，高溫高壓失水7.4 mL；電測(cè)前降低漏斗黏度值50 s以下，控制失水4 mL以內(nèi)，下套管前井漿中補(bǔ)充1.5%PF-LUBE和1% PF-GRA，鉆井過程起鉆、下鉆順利，全井段無井下復(fù)雜情況發(fā)生。

3.2 儲(chǔ)層保護(hù)效果

鉆井液侵入將改變油氣層電阻率的徑向特征，利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井曲線資料及數(shù)學(xué)模型計(jì)算鉆井液的侵入深度，以此判斷鉆井液體系對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度。選取了使用PEM鉆井液體系的氣井，計(jì)算得出部分井段濾液侵入深度數(shù)據(jù)見表11，PEM鉆井液在NB13-4-1井的侵入深度小于30 cm，在射孔范圍之內(nèi)，儲(chǔ)層保護(hù)效果好。

表 9 現(xiàn)場(chǎng)典型鉆井液性能Table 9 Performance of typical drilling fluid on site

表 10 現(xiàn)場(chǎng)典型鉆井液性能Table 10 Performance of typical drilling fluid on site

表 11 NB13-4-1井侵入深度計(jì)算結(jié)果Table 11 Calculation results of intrusion depth in Well NB13-4-1

3.3 PEM體系的環(huán)評(píng)特性

PEM鉆井液體系是在傳統(tǒng)水基聚合物鉆井液體系的基礎(chǔ)上，引入JLX水基防塌潤(rùn)滑劑等制成的，它不僅大大提高了傳統(tǒng)水基聚合物鉆井液體系的防塌性能，而且單劑及體系滿足環(huán)保要求，生物降解性好，創(chuàng)造性地解決了鉆井工程需要與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾。PEM體系具有無熒光、不干擾地層錄井和優(yōu)良的儲(chǔ)層保護(hù)特性，有利于最大限度地發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層。PEM體系使用后的廢棄鉆屑和鉆井液直接排放不會(huì)污染環(huán)境，環(huán)境保接受性良好；優(yōu)良的潤(rùn)滑性、抑制性和抗侵污能力，可有效地避免坍塌、卡鉆等井下復(fù)雜事故的發(fā)生。目前，已在近20個(gè)油田推廣應(yīng)用PEM體系，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。

4 結(jié)論

（1）通過分析儲(chǔ)層損害和井下復(fù)雜情況發(fā)生的原因，認(rèn)為東海西湖凹陷區(qū)塊儲(chǔ)層損害的主要原因是水鎖和水敏。復(fù)雜情況主要是地層水化或吸水造成的膨脹縮徑，以及疏松砂泥巖互層和煤層垮塌，從而導(dǎo)致起、下鉆遇阻、卡鉆和卡電測(cè)儀器等情況。針對(duì)這些難點(diǎn)，改進(jìn)后的鉆井液體系在東海地區(qū)的使用效果良好。

（2）針對(duì)東海的地層特點(diǎn)和井深越來越深的高溫深井的鉆井難點(diǎn)，對(duì)已有PEM鉆井液體系的抗高溫穩(wěn)定性、封堵降濾失以及膨潤(rùn)土加量等進(jìn)行優(yōu)化評(píng)價(jià)，最終得到抗溫達(dá)180 ℃、流變性能好、失水低、抑制性強(qiáng)以及潤(rùn)滑系數(shù)為0.087～0.11的PEM優(yōu)化體系。

（3）優(yōu)化后的PEM鉆井液體系在TWT-A5H1P井和N22-1-1井下部井段應(yīng)用中，完鉆井漿API失水2.6 mL，高溫高壓失水7.4 mL，鉆井過程中返砂良好，扭矩、泵壓平穩(wěn)，全井段起、下鉆均無遇阻等復(fù)雜情況；是開發(fā)TWT、N22-1等油氣區(qū)塊經(jīng)濟(jì)有效的鉆井液體系。

（4）通過測(cè)井資料計(jì)算鉆井液侵入儲(chǔ)層的深度，優(yōu)化后的PEM鉆井液液侵入儲(chǔ)層深度小于30 cm，在射孔范圍之內(nèi)，儲(chǔ)層保護(hù)效果好。同時(shí)PEM鉆井液體系環(huán)境接受性良好，在應(yīng)用過程中經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。