准噶尔盆地中部2区块钻井液研发及应用

邱春阳， 王宝田, 何兴华, 司贤群

(中石化胜利石油工程有限公司 钻井工程技术公司， 山东 东营 257064)

中部2区块位于准噶尔盆地中央坳陷内，区块主体处于东道海子北凹陷中部，向西达到漠北凸起边缘.中部2区块勘探程度较低，仅在西部有成1井完钻.由于地质构造复杂，钻遇地层较多，施工中复杂事故不断，上部地层起下钻阻卡，下部地层井壁失稳，严重制约该区块的勘探开发进程.为了为确保勘探施工的顺利，提高探井钻探成功率及准确评价和发现中部2区块地下油气资源，急需研发与之相适宜的钻井液体系.

1 地质概况及钻井液技术难点

中部2区块钻遇地层较多，区块自上而下发育新近系、古近系，白垩系东沟组、连木沁+胜金口组、呼图壁组和清水河组，侏罗系头屯河组、西山窑组、三工河组和八道湾组，从地层特点及井身结构来看，施工中易出现以下技术难点：

1)东沟组到清水河组，地层褐红色、棕红色和紫红色泥岩较软，易吸水膨胀缩径，导致起下钻遇阻.

2)井身结构设计上看，二开裸眼井段长达3200m.裸眼段上部和下部地层压力不同，岩性特征不同，钻井液密度和维护处理工艺不同，易发生上漏下塌的复杂情况；另外，裸眼段长，施工周期增长，致使井壁浸泡时间长，起下钻次数多，对井壁碰撞、抽吸的机率增多，井壁失稳趋势增大.

3)侏罗系发育碳质泥岩、煤层及煤线，局部泥岩、砂岩及煤互层，特别是西山窑组发育多套煤层，煤岩的弹性模量较低，抗压、抗拉强度弱，脆性大，胶结性差，受到钻井液冲刷与钻具振动时易坍塌；碳质泥岩较硬，易发生应力性垮塌；泥岩、砂岩及煤岩互层时，泥岩及砂岩的水化导致其上煤层因支撑强度降低而坍塌，同样，煤层的坍塌也会促使上部泥页岩坍塌，形成恶性循环，井壁失稳严重.

4)三开井底温度高，钻井液处理剂在高温下易发生老化，分子链断裂，钻井液体系性能恶化；高温下，膨润土发生惰性，维护钻井液性能的稳定越来越困难；据调研，侏罗系中下部地层异常高压[1-2]，必须使用高密度钻井液体系进行钻进，高温下，高密度钻井液流变性的调控具有一定难度.

2 钻井液体系的研究

2.1 钻井液体系的选择

通过国内长裸眼井、煤层、深井及超深井钻井液使用情况调研[3-7]，结合邻近区块钻井液施工经验，针对准噶尔盆地中部2区块地层岩性特点及施工难点，经过处理剂优选及性能优化，研发了铝胺抑制防塌钻井液，基本配方如下：

(4.0～6.0)%膨润土+(0.3～0.6)%聚丙烯酸钾KPAM+(1.0～2.0)%铝络合物抑制剂+(0.5～1.0)%有机胺+(2.0～3.5)%无水聚合醇+(2.0～3.0)%抗高温抗盐防塌降滤失剂+(3.0～5.0)%磺化酚醛树脂SMP-1+(0.5～1.5)%非渗透成膜封堵剂+(3.0～5.0)%低荧光井壁稳定剂+(2.0～3.0)%超细碳酸钙.

2.2 钻井液体系作用机理

有机胺分子上多个独立的胺基可充填在粘土颗粒的晶层之间，并把它们束缚在一起，有效地减少粘土的吸水倾向，其抑制作用具有长效性，抗冲刷能力强，保证钻井作业结束后也具有长时间的抑制效果[8].

铝络合物在pH值为9时以液态存在，当其渗入地层后，在温度、压力和适当的pH值条件下，与粘土结合形成具有固结作用的硅铝酸盐不渗透层，阻止滤液的进一步侵入.当它进入页岩内部后，与地层中多价阳离子发生化学反应生成沉淀，增强其在页岩孔喉或微裂缝内的井壁稳定性[9].

聚合醇具有“浊点效应”，当地层温度低于浊点温度时，聚合醇吸附在钻具和固体颗粒表面，形成憎水膜，阻止泥页岩水化分散，稳定井壁，改善润滑性，防止钻头泥包.当地层温度高于其浊点温度时，聚合醇从钻井液中析出，粘附在钻具和井壁上，封堵岩石孔隙，阻止滤液渗入地层，实现稳定井壁的作用[10].

非渗透成膜封堵剂，在井壁岩石表面形成致密非渗透封堵薄膜，能够有效封堵不同渗透性地层和微裂缝泥页岩地层，稳定井壁[11].

低荧光井壁稳定剂是沥青类产品，通过“软化点”机理[12]，配合超细碳酸钙，封堵地层层理、孔隙和微细裂缝，达到稳定井壁的效果.

3 钻井液性能评价

3.1 抑制性能评价

采用页岩膨胀实验和抑制岩屑分散实验，对钻井液的抑制性进行了考察，实验结果见表1.

表1 抑制性能评价实验

由表1可知，岩心在铝胺抑制防塌钻井液中16h 的线膨胀高度仅为0.52mm，显著低于在聚磺钻井液中的膨胀高度(1.45mm)；并且铝胺抑制防塌钻井液的岩屑回收率达到93.5%，显著高于聚磺钻井液的回收率，可见铝胺抑制防塌钻井液抑制性强，能显著降低泥页岩的水化膨胀.

3.2 封堵性能评价

采用直径为30～40(0.420～0.590μm)目的石英砂作为过滤介质，分别加入聚磺钻井液和铝胺抑制防塌钻井液，固定后加压0.69MPa，检验钻井液的封堵能力.实验结果见表2中所示.

表2 封堵性能评价实验

铝胺抑制防塌钻井液加压15min后侵入砂床的深度为0.8cm，加压60min后侵入砂床的深度为1.1cm，相差不大，说明铝胺抑制防塌钻井液在压差下，能够快速形成一个承压封堵带，阻止滤液向地层的渗透.

4 现场钻井液技术

4.1 合理密度支撑

由于力学因素引起的井壁垮塌，只有通过力学平衡才能解决.在二开裸眼段下部及煤层钻进时，保证对地层的正压差，通过钻井液液柱径向支撑平衡地层坍塌压力，达到防止井壁坍塌的目的.

4.2 多元协同抑制

针对二开上部地层泥岩易吸水膨胀及煤泥互层特点，使用铝络合物、有机胺和无水聚合醇，多元协同增强钻井液滤液的抑制性，一则抑制泥岩段的吸水膨胀，防止缩径卡钻；二则降低泥煤互层中泥岩的水化程度，防止煤层段的井壁失稳.

4.3 双重封堵防塌

钻进到二开长裸眼段和煤层井段时，钻井液中加入沥青和非渗透成膜封堵剂，配合不同粒径的超细碳酸钙，依靠封堵材料协同作用，使钻井液能够在井壁上形成一层薄而致密的不渗透严封堵层，一则封堵长裸眼段上部疏松地层，增加其承压能力；二则封堵煤层，以减缓钻井液滤液对地层的侵入，并有效发挥钻井液液柱压力对井壁的物理支撑作用.

4.4 流变性调控

二开上部地层钻进中保持钻井液低粘、低切及低固相，释放钻头水马力，适当冲刷井壁，提高机械钻速；二开下部地层及煤层段钻进中适当增加钻井液的粘切，变紊流为层流，增强钻井液护壁防塌能力，保持井壁稳定；使用抗高温处理剂，并以胶液形式补充，保持其足够的含量，以确保钻井液的稳定性.

5 现场应用

5.1 应用井概况

成3井是部署在准噶尔盆地中央坳陷东道海子北凹陷东北部成3井区岩性圈闭高部位的一口重点预探井，主探侏罗系八道湾和头屯河组，兼探三工河组含油气情况.该井采用三开制方式钻进，一开Ф444.5mm钻头钻深507.00m，Ф339.7mm套管下深506.47m；二开Ф311.2mm钻头钻深3 775.00m，Ф244.5mm套管下深3 772.78m；三开Ф215.9mm钻头钻深4 821.00m完钻，裸眼完井.

5.2 应用效果

成3井从二开使用铝胺抑制防塌钻井液体系，取得了良好的应用效果.

1)抑制性好

邻井在连木沁组至清水河组井段钻进时造浆严重，使用常规聚磺钻井液体系流变性变差，钻井液性能控制困难.而本井使用铝胺抑制防塌钻井液体系后，抑制性明显增强，流变性好.

2)封堵性强

二开裸眼段长达3268m，施工中井壁稳定，起下钻畅通无阻，平均井径扩大率为8.95%；三开侏罗系井壁稳定，平均井径扩大率仅为5.24%.

3)煤层防塌效果好

侏罗系钻遇纯煤层共计12层，累计51m，钻遇煤层时井壁稳定，西山窑组井径平均扩大率为6.39%，解决了侏罗系煤层段的井壁失稳难题.

4)完井作业顺利

下套管顺利；电测顺利，测井12次，一次成功率100%；共取芯4筒，取芯进尺32.65m，芯长32.65m，取芯收获率100%，圆满完成了取芯任务.

5)提高了施工效率

二开预计机械钻速1.59m/h，实际8.89m/h，机械钻速提高了5.59倍.三开预计机械钻速1.05m/h，实际4.40m/h，机械钻速提高了4.19倍.全井平均机械钻速为7.68m/h，施工效率比预期提高了4倍.

6 结论

(1)铝胺抑制防塌钻井液采用多元抑制及双重封堵措施，抑制性强，封堵性好，配合现场钻井液技术，解决了长裸眼及煤层段的井壁失稳难题.

(2)二开裸眼段长，地层压力上低下高，钻至二开下部井段时，钻井液中要加足封堵材料，提高上部地层的承压能力，防止发生复杂事故.

(3)煤层段井壁稳定的关键是钻井液具有良好的封堵性和抑制性，基础是钻井液具有良好的流变性，前提是必须保持钻井液液柱对地层的正压差.

(4)铝胺抑制防塌钻井液体系必须控制有机胺的加量，防止加量过多弱化体系的造壁性和封堵性.

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