張 鵬

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，天津 300452）

近年來(lái)，隨著海洋油氣勘探開發(fā)的不斷深入，渤海中深層鉆井面臨著同一裸眼井段壓力系數(shù)差異性大，存在噴、漏同層，鉆井安全密度窗口窄的世界性技術(shù)難題，常規(guī)鉆井液技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足窄安全密度窗口下鉆井需要[1-2]。鉆井液井壁強(qiáng)化技術(shù)創(chuàng)新是解決上述難題的關(guān)鍵，井壁強(qiáng)化技術(shù)在近井壁帶形成井眼壓力安全殼，提高薄弱層承壓能力，改善井眼的完整性，拓寬安全密度窗口，因而在薄弱地層與高壓層同一裸眼井鉆探中擁有巨大的技術(shù)潛力和廣闊的應(yīng)用前景[3]。

1 現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜情況分析

通過(guò)對(duì)渤海2008-2013 年96 口井160 井次井漏，2014-2019 年91 口井130 井次漏失情況進(jìn)行匯總分析，發(fā)現(xiàn)深部地層漏失明顯增多，3 000 m 以上井深的井漏失情況占比由17%增加至59%，下第三系漏失情況增多，由2008-2013 年的占比42%增長(zhǎng)至63%，薄弱層等地層自然漏失由13%增長(zhǎng)至90%，2014-2019年20 m3/h 以上漏速漏失占比64%，嚴(yán)重漏失比例高，且2019 年27 口井發(fā)生漏失，占比30%（6 年總數(shù)92口），漏失發(fā)生頻率明顯開始增高，發(fā)生漏失情況時(shí)，鉆井液密度高于1.30 g/cm3漏失的井次增多，堵漏成功率隨著漏失情況發(fā)生變化，呈下降趨勢(shì)，從2008-2013年的92%降低到2014-2019 年的86%。

結(jié)合渤海中深層地層特點(diǎn)，分析得出井漏頻率升高的主要原因包含以下幾個(gè)方面：

（1）泥頁(yè)巖水化膨脹：鉆開地層后，鉆井液在壓差作用下侵入近井壁帶地層，并迅速在近井壁帶形成濾餅，濾液與地層頁(yè)巖發(fā)生表面水化作用，泥頁(yè)巖水化膨脹，孔隙壓力增大，使地層強(qiáng)度降低[4]。

（2）地層裂縫微裂縫與泥頁(yè)巖水化的協(xié)同促進(jìn)作用：裂縫與微裂縫的存在一方面使泥頁(yè)巖在強(qiáng)度上有所降低，同時(shí)也給鉆井液濾液侵入提供了通道，鉆井液濾液在壓差、毛細(xì)作用、電化學(xué)勢(shì)差等驅(qū)動(dòng)力的作用下沿地層裂縫、微裂縫侵入，微裂縫發(fā)生“水力尖劈”作用，導(dǎo)致微裂縫開裂、擴(kuò)展、分叉、再擴(kuò)展、相互貫通，最后與主裂縫貫通后沿最薄弱地方發(fā)生破壞，形成井壁掉塊等井壁失穩(wěn)現(xiàn)象[5]。

（3）地層層理發(fā)育：硬脆性泥頁(yè)巖層理發(fā)育，質(zhì)地較脆，易收到鉆井液沖刷作用和鉆具機(jī)械撞擊影響，導(dǎo)致井壁出現(xiàn)掉塊，層理發(fā)育的地層更容易受外力導(dǎo)致剝落[6]。

2 技術(shù)對(duì)策研究

基于上述機(jī)理分析，針對(duì)渤海油田東營(yíng)組、沙河街組地層特征，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)劃采用“低活度”+“強(qiáng)抑制”+“強(qiáng)化封堵”鉆井液井壁強(qiáng)化技術(shù)來(lái)解決這一難題。

2.1 “低活度”技術(shù)

鉆井液活度即鉆井液濾液活度，指鉆井液中水相的活度值，是其中鹽濃度與純水的逸度比，能夠反映鉆井液的抑制性能。它與地層活度的關(guān)系為當(dāng)外界濾液活度高于地層活度時(shí)，在滲透壓的作用下，濾液中的水分子會(huì)侵入地層巖石，向地層黏土表面運(yùn)移且形成定向水膜，產(chǎn)生雙電層斥力，推開相互作用的黏土片層，使黏土體積變大，產(chǎn)生滲透膨脹，即發(fā)生滲透水化；外界濾液活度在一定范圍低于地層活度時(shí)，水分子以配位鍵、靜電作用和氫鍵等方式被吸附在黏土礦物的層間和黏土表面，但一般不超過(guò)4 層吸附層，不會(huì)引起明顯的黏土礦物膨脹，即發(fā)生表面水化；當(dāng)外界濾液活度低于地層活度超過(guò)某一范圍時(shí)，同樣在滲透壓的作用下，地層巖石中的水分子會(huì)反過(guò)來(lái)進(jìn)入外界濾液中，即發(fā)生去水化。所以維持鉆井液低活度能夠有效的減小化學(xué)勢(shì)差，減少濾液對(duì)地層黏土礦物的水化作用，進(jìn)而減小發(fā)生井壁失穩(wěn)的幾率[7-8]。研究顯示渤海多個(gè)區(qū)塊沙河街層位泥頁(yè)巖活度一般為0.66～0.85，實(shí)驗(yàn)表明使用12%NaCl 復(fù)配5%KCl 可以將活度降低至0.789，現(xiàn)場(chǎng)在該區(qū)塊東營(yíng)組、沙河街組使用時(shí)會(huì)需要更強(qiáng)的抑制性，將配方優(yōu)化為12%NaCl 復(fù)配10%～12%KCl 可以將鉆井液活度進(jìn)一步降低至與地層活度平衡甚至更低，從而達(dá)到更好的井壁穩(wěn)定性能。

2.2 “強(qiáng)抑制”技術(shù)

針對(duì)渤海油田東營(yíng)組、沙河街組泥頁(yè)巖易水化的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)使用多種抑制劑復(fù)配來(lái)提高體系抑制性，代表配方為12%NaCl+5%～10%KCl+2%～3%PF-JLX C。其中NaCl 的作用是提高鉆井液體系的礦化度，降低活度，以平衡泥頁(yè)巖中水的活度，防止井壁泥巖水化膨脹或坍塌。由于12%NaCl 溶液具有比清水較高的黏度，滲透壓較高，增加了超低剪切速率下的黏度，減少濾液侵入地層，對(duì)降低膨脹壓有較好的效果。KCl 主要是靠K+晶格鑲嵌，黏土吸附后，降低水化能，晶層壓縮，形成緊密構(gòu)造，抑制黏土水化[9]。

聚合醇PF-JLX C 因?yàn)槠錆狳c(diǎn)效應(yīng)[10]，當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)溫度時(shí)，會(huì)從鉆井液中析出，形成微粒封堵地層孔隙，同時(shí)其表面類似油相的表面膜會(huì)進(jìn)一步防止濾液對(duì)地層的侵入，從而穩(wěn)定井壁，而NaCl 和KCl 的加入會(huì)降低PF-JLX C 的濁點(diǎn)，同時(shí)提高PF-JLX C 在地層上的吸附量，對(duì)PF-JLX C 的抑制性起到增效的作用。幾種抑制劑的復(fù)配使用會(huì)使體系的抑制性進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.3 “強(qiáng)化封堵”技術(shù)

強(qiáng)化封堵是使用符合1/3 規(guī)則的惰性材料在裂縫微裂縫中架橋堆積、擬合，變形粒子進(jìn)行孔隙填充，最后在近井壁帶形成致密的封堵層，既能延緩濾液對(duì)地層的侵入，也能有效的提高地層承壓能力，防止因地層虧空造成井漏[11]。常規(guī)配方中常使用磺化瀝青作為主要封堵材料，但當(dāng)井底溫度達(dá)不到磺化瀝青的軟化點(diǎn)時(shí)，磺化瀝青并不能發(fā)生軟化變形，在裂縫中發(fā)生團(tuán)聚，封堵效果無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

因此需要研發(fā)一種井壁強(qiáng)化封堵劑，由剛性粒子、軟性粒子以及可變形粒子按照一定的比例混合而成，其中剛性粒子抗壓強(qiáng)度高，且具有很好的粒徑分布，封堵漏失地層時(shí)，大顆?？伤崛苄缘膭傂粤Ｗ訉?duì)裂縫組成架橋粒子，小顆粒進(jìn)行填充，進(jìn)一步提高封堵層的強(qiáng)度。軟性材料可通過(guò)纏繞和多點(diǎn)吸附作用增加摩擦阻力，在形成的堵塞中它們縱橫交錯(cuò)、相互拉扯，從而增加封堵強(qiáng)度?？勺冃尾牧掀鹛畛浞舛伦饔?，在小空隙內(nèi)吸水膨脹以后進(jìn)一步填充孔隙，降低封堵環(huán)的滲透率，阻止濾液進(jìn)入，進(jìn)一步提高封堵環(huán)的承壓能力。

3 室內(nèi)評(píng)價(jià)

3.1 加固粒子優(yōu)選

由于可視砂床能夠直觀的看出鉆井液侵入砂床深度，因此選用此實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)各粒子進(jìn)行優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象主要分為三類：剛性粒子，柔性粒子，可變形粒子?；鶟{配方為：4%海水般土漿+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.35%PAC-HV；實(shí)驗(yàn)漿配方為基漿+3%粒子，不同種類粒子侵入深度（見表1）。

表1 不同粒子砂床侵入深度

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，粒徑合適的柔性粒子封堵砂床的效果最好，可變形粒子由于在壓力作用下會(huì)產(chǎn)生明顯的形變，加壓后封堵效果普遍不理想。各類粒子中封堵效果最好的分別為GX-4、RX-3、KBX-2。

3.2 粒子配比關(guān)系確定

通過(guò)調(diào)整GX-4、RX-3、KBX-2 的比例，在總加量相同的情況下，與常規(guī)封堵材料NSEAL、FT-1 等通過(guò)常溫可視砂床與高溫高壓砂床實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，尋找粒子最佳配比關(guān)系。常溫可視砂床實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖1）。

圖1 常溫砂床侵入實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為模擬實(shí)際鉆井條件，使用高溫高壓砂床進(jìn)行模擬，先將套筒升溫至120 ℃，在3.5 MPa 下實(shí)驗(yàn)30 min，記錄濾失量；為模擬高壓差下的情形，將壓力升高至5 MPa，記錄30 min 的濾失量；之后將鉆井液替換為清水，記錄120 ℃，3.5 MPa 下30 min 濾失量以評(píng)價(jià)泥餅質(zhì)量好壞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖2）。

圖2 高溫高壓砂床濾失實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以看出，剛性粒子、柔性粒子、可變形粒子最佳配比為2∶1∶2。將材料按比例混合后命名為井壁強(qiáng)化封堵劑，在鉆井液中加入后可以起到強(qiáng)化封堵，穩(wěn)定井壁的作用。

3.3 對(duì)常規(guī)鉆井液體系的影響

選取目前渤海常規(guī)的PEM、PEC 體系，評(píng)價(jià)井壁強(qiáng)化封堵劑對(duì)鉆井液體系性能的影響。

3.3.1 流變性及濾失量 在體系中分別加入3%井壁強(qiáng)化封堵劑，測(cè)量體系120 ℃熱滾前后流變性及濾失量變化情況，結(jié)果（見表2）。從表2 中可以看出，井壁強(qiáng)化封堵劑對(duì)流變性影響不大，但能夠降低體系A(chǔ)PI濾失量。

表2 井壁強(qiáng)化封堵劑對(duì)常規(guī)鉆井液體系性能影響

3.3.2 高溫高壓砂床封堵效果 分別評(píng)價(jià)井壁強(qiáng)化封堵劑在PEM、PEC 體系中對(duì)20～40 目，40～60 目砂床的封堵情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖3），從圖3 可以看出，井壁強(qiáng)化封堵劑在不同體系，不同目數(shù)的砂床中均能起到良好的封堵效果，減少了井筒壓力向地層傳遞的速度，有效加固井壁。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)基本情況

錦州區(qū)塊是渤海油田重要的勘探開發(fā)區(qū)塊，但是東營(yíng)組坍塌壓力高，鉆井液安全窗口窄，水基鉆井液使用時(shí)，坍塌壓力隨井眼暴露時(shí)間不斷升高，而大位移井作業(yè)周期長(zhǎng)，作業(yè)難度大。錦州區(qū)塊自開發(fā)以來(lái)，相繼使用PEC 體系和陽(yáng)離子體系，未能完全解決井壁失穩(wěn)的問(wèn)題，甚至更換合成基鉆井液后，仍然發(fā)生井漏、井塌事故。

渤海X6 井311.15 mm 井段使用合成基作業(yè)，中完下套管期間發(fā)生嚴(yán)重的井塌事故，下244.475 mm 套管至2 964 m 遇阻，起套管通井，通井及短起下極其困難。通井后下套管至3 154 m 再次遇阻無(wú)法通過(guò)，就地固井。通井作業(yè)期間振動(dòng)篩返出大量掉塊，且通井極為困難，頻繁蹩扭矩。

4.2 技術(shù)對(duì)策

通過(guò)技術(shù)分析，在本井215.9 mm 井段使用水基鉆井液時(shí)，采用井壁強(qiáng)化技術(shù)，具體措施如下：

（1）低活度：采用100 kg/m3KCl，120 kg/m3NaCl 活度平衡；

（2）強(qiáng)抑制：采用100 kg/m3KCl，30～50 kg/m3PFJLX C 增強(qiáng)鉆井液抑制性；

（3）強(qiáng)化封堵：隨鉆加入3%井壁強(qiáng)化封堵劑配合PF-NRL、PF-LSF、PF-NSEAL、PF-EZCARB 等封堵材料進(jìn)行聯(lián)合封堵。封堵材料總加量為145 kg/m3（沙河街組155 kg/m3）。

4.3 應(yīng)用效果

X6 井215.9 mm 井段應(yīng)用水基井壁強(qiáng)化技術(shù)，最終裸眼長(zhǎng)1 763 m，為渤海大位移井之最，作業(yè)中未發(fā)生井壁垮塌等復(fù)雜情況，高效完成X6 井作業(yè)，獲得甲方肯定。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)渤海井漏情況及中深層地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行分析，得出其漏失的主要原因是地層裂縫微裂縫與泥頁(yè)巖水化的協(xié)同促進(jìn)作用；并針對(duì)這一機(jī)理，提出了“低活度”+“強(qiáng)抑制”+“強(qiáng)化封堵”的井壁強(qiáng)化技術(shù)。

（2）對(duì)大量不同種類的封堵材料進(jìn)行篩選、評(píng)價(jià)、復(fù)配，研發(fā)了一種適合渤海地層特點(diǎn)的井壁強(qiáng)化封堵劑。該處理劑對(duì)鉆井液流變性影響小，但是能夠明顯降低鉆井液濾失量，改善高溫高壓砂床封堵效果，提高井壁穩(wěn)定性能。

（3）井壁強(qiáng)化技術(shù)成果在渤海X6 井215.9 mm 井段進(jìn)行應(yīng)用，在使用合成基鉆井液都出現(xiàn)井塌的情況下，最終裸眼長(zhǎng)1 763 m，為渤海大位移井之最，應(yīng)用井段中未發(fā)生井壁垮塌等復(fù)雜情況，驗(yàn)證了井壁強(qiáng)化技術(shù)的可行性。