閆睿昶 張宇 吳紅玲 曹斌 王冠軍 付躍華 程智

1.中國石油華北油田巴彥勘探開發(fā)分公司；2.中國石油渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院

華北油田近年來重點在巴彥河套臨河區(qū)塊深層展開勘探部署，擁有探礦權(quán)區(qū)塊總面積11 063 km2，預(yù)測石油遠景資源量約6億t，天然氣遠景資源量479.35億m3。吉華X井、臨華Y井均獲高產(chǎn)工業(yè)油氣流，進一步展示了該區(qū)塊規(guī)模資源前景。但是該區(qū)塊地層巖性變化劇烈，儲層埋深大，以磴探1X井為例，三開結(jié)構(gòu)，完鉆井深6 460 m。該井主要鉆遇地層為古近系、白堊系，使用KCl鉆井液體系，鉆進過程中頻繁遇阻劃眼，完井過程中出現(xiàn)電測儀器遇阻卡，完井周期在總周期占比達到35.37%，古近系最大井徑擴大率為115%，最小井徑擴大率為?20.29%，平均井徑擴大率為69%，井壁失穩(wěn)問題嚴(yán)重。為此，在確定磴探1X井井壁失穩(wěn)原因的基礎(chǔ)上，針對性地提出了KCl鉆井液優(yōu)化方案，為巴彥河套臨河區(qū)塊深層鉆井井壁失穩(wěn)難題提供技術(shù)支持。

1 失穩(wěn)井段巖樣特征分析

1.1 礦物組成分析

全巖定量分析及黏土礦物相對含量分析結(jié)果見表1、表2，可以看出，磴探1X井古近系地層以黏土礦物及石英為主，其中黏土礦物占比44.7%~61.7%，平均52.3%。黏土礦物以高嶺石、綠泥石、伊利石和伊蒙間層為主，其中伊蒙間層含量最高，占比52%~68%，平均61%，巖樣具有較強的水敏性。

表1 磴探 1X 井古近系地層巖樣全巖組成Table 1 Bulk rock mineral composition of the Palaeogene core samples, Well Dengtan-1X %

表2 磴探1X井古近系地層巖樣黏土礦物相對含量Table 2 Clay mineral composition of the Palaeogene core samples, Well Dengtan-1X %

1.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)伊蒙間層含量，選取1#及3#巖樣進行掃面電鏡分析。從圖1可看出，1#砂泥巖樣膠結(jié)較致密，膠結(jié)物主要為粒間伊蒙混層、伊利石等黏土礦物、方解石，孔隙類型主要為粒晶間微孔隙，孔隙多小于 1 μm，少量孔隙 1~5 μm，礦物顆粒邊緣殘余微縫隙寬1~2 μm；3#巖樣為泥巖，結(jié)構(gòu)較致密，局部見微裂縫，寬約10~15 μm。黏土礦物主要為伊蒙混層、伊利石等，孔隙類型主要為泥晶間微孔隙，孔隙多小于 1 μm，少量孔隙 1~2 μm，殘余微縫隙寬 1~2 μm，局部見微裂隙。由此可見，鉆井液侵入巖石微裂縫，水楔作用造成裂縫擴張，進而造成剝落掉塊是井壁失穩(wěn)的可能主因［1-4］。

圖1 磴探1X井巖樣掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.1 SEM imaging of the core samples, Well Dengtan-1X

1.3 巖樣清水浸泡實驗

將巖樣置于清水中，定期觀察巖樣變化。從圖2浸泡實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巖樣表面有氣泡逸出，隨浸泡時間的增加有少許水化現(xiàn)象，巖樣浸泡約10 min出現(xiàn)裂縫，約1 h裂縫擴張導(dǎo)致巖樣碎裂，浸泡8 h后的巖樣強度下降明顯，輕觸崩裂。

圖2 磴探1X井巖樣清水浸泡實驗Fig.2 Clear water soaking of the core samples, Well Dengtan-1X

2 井壁穩(wěn)定鉆井液對策

通過對失穩(wěn)井段巖樣的綜合分析，總結(jié)出巴彥河套盆地臨河區(qū)塊深層地層微裂縫發(fā)育，鉆井液濾液侵入巖石微裂縫，水楔應(yīng)力下造成微裂縫擴張，同時地層伊蒙間層含量高，強水敏，濾液侵入后地層在水化作用下導(dǎo)致坍塌壓力進一步增加，進而導(dǎo)致剝落掉塊是井壁失穩(wěn)的主因［4-10］。因此，對原鉆井液性能進行分析，提出提高原鉆井液抑制性和封堵能力、改善濾餅質(zhì)量的技術(shù)對策。

磴探1X井三開采用的KCl鹽水鉆井液體系配方為：4%膨潤土基漿+0.5%包被劑BZ-1+1.5%抗高溫防塌降濾失劑REDUL2+2%抗鹽降濾失劑KJAN+1.5%提切劑HFL+2%高效封堵防塌劑SN+2%油層保護劑+1.5%封堵潤滑劑KRLQ+8%KCl+10%有機鹽(加重劑)+2%超細鈣。盡管該體系常規(guī)性能符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，但體系配方主要以KCl增強抑制性，防塌劑和超細鈣提高封堵性，鉆井液抑制性來源單一，而KCl對于硬脆性泥頁巖效果有限，同時KCl在循環(huán)過程中鉀離子持續(xù)消耗，易導(dǎo)致抑制性不足；體系封堵性由于粒徑不匹配，無法有效封堵地層微裂縫，鉆井液中自由水易滲流進入地層，使得巖石水化剝落。因此，針對體系抑制性及封堵性問題，考慮在原體系基礎(chǔ)上，引入小分子抑制劑，通過小分子抑制劑與KCl協(xié)同增強抑制性；引入成膜性的納米級、微米級粒徑顆粒，對地層微裂縫及濾餅進行有效封堵，減緩鉆井液中自由水在壓差的作用下向地層滲流，阻止地層巖石在水化應(yīng)力下的剝落掉塊，從而實現(xiàn)鉆井液體系抑制性與封堵性的改善，解決井壁失穩(wěn)問題。

2.1 抑制性評價

為進一步提高巴彥河套地區(qū)鉆井液抑制能力，優(yōu)選小分子聚胺抑制劑BZ-JAI，通過無機鹽與BZJAI的協(xié)同效應(yīng)穩(wěn)定井壁。

2.1.1 滾動回收實驗

將巖樣破碎為8~10目的巖屑，進行滾動回收實驗，由表3可看出，清水回收率為82.8%，8%KCl溶液滾動回收率接近95%，5%KCl配合聚胺抑制劑溶液，滾動回收率接近100%。

表3 磴探 1X 井巖屑滾動回收率Table 3 Rolling recovery of cuttings, Well Dengtan-1X

2.1.2 浸泡實驗

使用 5%KCl+2%BZ-JAI、8%KCl溶液浸泡磴探1X井古近系巖樣，結(jié)果見圖3，巖樣在溶液中有氣泡逸出，無明顯水化及碎裂現(xiàn)象；5%KCl+2%BZJAI溶液浸泡24 h后巖樣仍基本保持原樣，8%KCl溶液浸泡24 h后巖樣表面出現(xiàn)少許細小裂縫。

圖3 磴探1X井巖樣抑制劑溶液浸泡實驗Fig.3 Inhibitor solution soaking of the core samples,Well Dengtan-1X

2.1.3 浸泡巖樣微觀結(jié)構(gòu)分析

取磴探1X井古近系巖樣分別浸泡于清水、2%BZ-JAI、5%KCl、5%KCl+0.5%BZ-JAI溶液后進行電鏡掃描。由圖4可以看出，清水浸泡的巖樣，分散嚴(yán)重，巖樣表面由于水化膨脹裂縫發(fā)育；5%KCl等抑制性溶液浸泡后，表面光滑平整。相對而言，聚胺及KCl都對巖屑有明顯的抑制作用，且以5%KCl+0.5%BZ-JAI溶液抑制性最強，能夠有效抑制自由水對巖屑的水化分散作用。

圖4 浸泡巖樣電鏡掃描圖片F(xiàn)ig.4 SEM imaging of the post-soaking core samples

2.2 封堵性評價

根據(jù)井壁失穩(wěn)對策，通過引入成膜性的納米級、微米級粒徑顆粒，對地層微裂縫及濾餅進行有效封堵，減緩鉆井液中自由水在壓差的作用下向地層滲流，從而避免水敏性地層垮塌。封堵劑BH-NFT為液態(tài)微納米級微球狀封堵劑，D50為 0.445 μm，D90為0.669 μm，對其進行評價實驗。

2.2.1 成膜實驗

圖5為在井漿中加入2%封堵劑BH-NFT前后中壓失水所形成的2塊濾餅，可以看出，加入封堵劑后形成的濾餅，外觀致密，韌性高，使用清水對該濾餅再次進行中壓失水實驗測試濾失量，未加2%BHNFT的濾餅中壓失水為 2.7 mL，加入2%BH-NFT的濾餅中壓失水為2.2 mL，濾失量較低18.6%，表明BH-NFT封堵劑在濾餅表面具有成膜效應(yīng)。

圖5 加入封堵劑前后井漿濾餅對比Fig.5 Mud cake comparison before and after adding plugging agents

2.2.2 巖粉膨脹實驗

將磴探1X井巖樣粉碎成120目巖粉，使用清水、2%BH-NFT溶液、2%乳化瀝青溶液分別測試其巖屑膨脹率，結(jié)果表明，2%BH-NFT溶液、2%乳化瀝青溶液巖屑膨脹率分別較清水降低46%、12%，BH-NFT封堵性優(yōu)于乳化瀝青類封堵劑。

2.2.3 濾餅微觀結(jié)構(gòu)分析

選擇5%膨潤土漿、5%膨潤土漿+2%微納米封堵劑BH-NFT、井漿、現(xiàn)場井漿+2%微納米封堵劑BH-NFT形成的濾餅進行電鏡掃描，評價封堵材料加入后對濾餅的影響。由圖6可以明顯看出，體系加入微納米封堵劑BH-NFT后，濾餅表面更加光滑平整，原本存在的微裂縫被一層致密的膜包裹，能夠顯著提高形成濾餅的封堵能力。

圖6 濾餅電鏡掃描圖片F(xiàn)ig.6 SEM imaging of the mud cake

2.3 綜合評價實驗

2.3.1 流變性

現(xiàn)場實際應(yīng)用時通常抑制劑加量0.5%~1%，封堵劑加量1%~2%。室內(nèi)以井漿加入上述不同用量的處理劑，評價各處理劑配方對井漿流變性能的影響，實驗結(jié)果見表4，可以看出，2#及3#配方中壓失水較原井漿下降明顯，4#及5#配方中壓失水較原井漿上升。各配方老化前終切上升明顯，老化后終切下降至井漿老化后水平。

表4 處理劑加量對磴探1X井鉆井液性能的影響Table 4 Effects of agent dosages on the performance of drilling fluids of Well Dengtan-1X

2.3.2 抑制性評價

根據(jù)流變性評價實驗結(jié)果，選擇3#配方(井漿+0.5%BZ-JAI+2%BH-NFT)為最佳配方。頁巖膨脹與滾動回收實驗表明，該配方能明顯提高體系抑制性能，頁巖膨脹降低率62%，滾動回收率可達90%以上。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)井壁失穩(wěn)對策及室內(nèi)評價結(jié)果，制定了在原KCl鉆井液體系中加入0.5%BZ-JAI+2%BH-NFT的方案，并在現(xiàn)場應(yīng)用了3口井，均順利完成了施工作業(yè)，鉆進過程中井壁無明顯掉塊現(xiàn)象，井徑擴大率明顯改善，平均井徑擴大率小于20%，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。試驗井井徑數(shù)據(jù)見表5。

表5 試驗井井徑數(shù)據(jù)Table 5 Caliper logs of the testing wells

現(xiàn)場鉆井液性能維護措施：(1)三開前，原井漿加入 2% BH-NFT、0.5% BZ-JAI，同時保證 KCl含量在不低于7%，并隨鉆及時補充，提高鉆井液的抑制性，形成優(yōu)質(zhì)濾餅，保證鉆井液良好的潤滑性、造壁性，防止垮塌掉塊；(2)三開鉆進時，根據(jù)井底溫度及井壁穩(wěn)定情況，及時補充抗高溫防塌降濾失劑REDUL2、高效封堵防塌劑SN以及封堵潤滑劑KRLQ，并在后期維護過程中保證其在體系中的含量；(3)若發(fā)現(xiàn)井下有垮塌現(xiàn)象，要及時進行防塌處理，適當(dāng)提高鉆井液黏切，確?？逅飻y帶出地面。

4 結(jié)論

(1)巴彥河套盆地臨河區(qū)塊深層古近系地層以黏土礦物和石英為主，黏土礦物以伊蒙間層為主，微裂縫發(fā)育。鉆井液侵入井壁微裂縫，水楔作用下造成微裂縫擴張，同時伊蒙間層強水敏，濾液侵入后在水化作用下導(dǎo)致坍塌壓力進一步增加，進而導(dǎo)致剝落掉塊是井壁失穩(wěn)的主要原因。因此，解決井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵在于提高鉆井液對微裂縫的封堵，同時以提高鉆井液抑制性為輔。

(2)引入成膜性的納米級、微米級粒徑顆粒BHNFT提高對地層微裂縫及濾餅的封堵性，優(yōu)選小分子聚胺抑制劑BZ-JAI與KCl協(xié)同增強抑制性，優(yōu)化后的KCl鉆井液體系顯著提高了封堵與抑制能力，現(xiàn)場應(yīng)用3口井，鉆進過程中井壁無明顯掉塊現(xiàn)象，井徑擴大率明顯改善，平均井徑擴大率小于20%。

(3)作為華北油田重點區(qū)塊，后續(xù)臨河區(qū)塊深部地層將會部署難度更大的水平井。建議深入開展巴彥河套深井超深井井壁穩(wěn)定技術(shù)研究，針對性地提高鉆井液配套技術(shù)，為打好以深部地層為目的層的水平井奠定堅實的基礎(chǔ)。