大庆油田致密油水平井强抑制防塌水基钻井液技术

邹 大 鹏

（大庆石油管理局钻井工程技术研究院，黑龙江大庆　163431）

大庆油田致密油水平井强抑制防塌水基钻井液技术

邹 大 鹏

（大庆石油管理局钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163431）

针对大庆油田齐家区块致密油水平井钻井过程中存在的井塌、卡钻等问题，在聚磺水基钻井液体系基础上研制出强抑制防塌水基钻井液。室内研究表明，聚合醇和有机硅酸脂的协同抑制作用，可有效降低泥岩、泥页岩水敏性，采用铝基聚合物封堵地层微裂缝，可提高井壁稳定能力。该体系在齐家区块应用5口井，均未出现井壁坍塌和卡钻等事故，平均机械钻速14.5 m/h，平均井径扩大率5%，水平段钻进摩阻30~60 kN，有效解决了大庆油田齐家区块致密油藏长水平段水平井钻井中存在的问题，为致密油储层的高效钻进提供了借鉴。

齐家区块；致密油；长水平段水平井；水基钻井液；聚合醇；有机硅酸脂；聚合铝封堵剂

大庆油田致密油水平井工厂化试验区非常规石油资源的成功开采，探索出了大庆外围难采储量有效开发新途径。齐家区块位于松辽盆地北部中央坳陷区，主体部分位于齐家-古龙凹陷，东部跨入大庆长垣，储层致密，砂泥岩互层多。自2013年大庆油田在该区块部署了6口长水平段水平井，其中3口井使用油基钻井液，另外3口井使用聚磺钻井液体系。采用油基钻井液会带来严重的环境污染，而使用聚磺钻井液体系的水平井在施工过程中常发生井壁失稳坍塌，水平段中后期定向摩阻大，起下钻遇阻、卡钻情况频发，完井施工难度大。笔者结合齐家区块水平井地质特点和施工难点，在聚磺水基钻井液体系基础上，研发出强抑制防塌水基钻井液体系，该体系具有强抑制性、强封堵性、强携岩、强润滑性的特点，能够有效延长硬脆性泥岩失稳周期，降低水平段施工摩阻，有效提高了机械钻速，解决了长水平段钻井施工中存在的问题，同时满足了环境保护的要求［1-2］。

1　地质概况和工程难点

1.1地质概况

齐家油田主要目的层为白垩系下白垩统青山口组青二、三段的高台子油层。储层致密砂泥岩互层多，砂体分布零散，单砂体非常薄，小于1 m的单砂体合计占总样品数的80.5%，储层物性差，岩心统计孔隙度8%~17.9%，平均12.5%，渗透率0.02~7.82 mD，平均渗透率0.37 mD，属于特低丰度、低孔低渗薄互层油藏。三开钻遇层位为嫩江组、姚家组和青山口组，嫩江组为黑褐色油页岩灰黑色泥岩，夹黑褐色油页岩薄层，地层胶结能力差；姚家组上部为灰黑、黑灰色泥岩，下部为紫红、灰绿色泥岩、灰色泥质粉砂岩，以伊利石为主，蒙脱石含量为50%，伊利石含量40%，地层水敏性强，该层现注水开发，孔隙连通性好，易井漏；青山口组以黑色泥岩、灰色泥岩为主、粉砂质泥岩与细粒砂岩、钙质粉砂岩不等厚互层，硬脆性泥岩长时间浸泡易出现井壁失稳。

1.2工程难点

齐家区块水平井一般井深在3 000~3 500 m之间，典型井身结构为一开Ø444.5 mm钻头开钻，井深500 m；二开Ø311 mm钻头钻至1 450 m；三开Ø215.9 mm钻头开钻，1 600 m处开始造斜，着陆点2 000~2 100 m，水平段长1 000~1 500 m，完钻井深3 000~3 500 m。齐家大位移水平井一般水平位移大于1 000 m以上，水垂比接近1，由于储层钻遇率较低，水平段井眼轨迹变化较为频繁，狗腿度平均在0~5°/30 m，井眼曲率波动较大，极易形成岩屑床，水平段后期摩阻大［3］。使用聚磺水基钻井液，起下钻不畅，频繁发生卡钻事故，齐平1-2井、齐平7井发生多次起下钻阻卡，平均通井划眼损失时间7 d，并且多口井发生完钻下套管下不到底的情况，施工难度很大。

2　强抑制防塌水基钻井液体系室内研究

2.1强抑制防塌水基钻井液作用机理

强抑制防塌水基钻井液体系主抑制剂为聚乙二醇和有机硅酸脂。聚乙二醇在近井壁地带形成有效保护膜，通过吸附、扩散等途径结合到黏土晶层端部，抑制黏土颗粒水化分散；聚乙二醇浊点效应能有效封堵黏土层片之间的缝隙，同时改变滤液性质来降低滤液活性，降低泥页岩水敏性。有机硅酸脂是有机硅氧烷分子中与碳连接的氢被脂基取代的有机化合物，分子中的≡Si─OH和黏土颗粒表面的≡Si─O─键形成≡Si≡O─Si≡键，使之在黏土颗粒表面形成牢固吸附层，脂基R1OR2在黏土表面形成疏水结构，减缓了黏土表面的水化作用。通过有机硅酸脂和聚乙二醇的协同作用，既能起到抑制作用，又不形成网架结构，提供了良好的体系抑制环境［4］。

采用络合铝化学方法增强井壁稳定性，铝基聚合物在适当的条件下，铝元素会生成一种两性氢氧化物，利用氢氧化铝在页岩孔喉内或微裂缝内的沉积作用，最终与地层矿物的基质结合成一体，同时添加矿物纤维作为辅助封堵，并形成一种物理的屏蔽封堵带，阻止钻井液滤液进一步侵入泥页岩内部，可显著增强泥页岩井壁稳定性［5］。

2.2抑制剂优选实验

选取有机硅酸脂DI-Ⅰ、聚乙二醇AY-Ⅱ、氨基聚合醇QB-Ⅰ、小阳离子抑制剂 NW-Ⅰ，进行岩屑回收率实验、膨胀量实验、黏土容量限实验，并进行对比分析。

2.2.1岩屑滚动回收率及膨胀量实验基浆配方：5%膨润土+0.3%Na2CO3+0.02%KOH，在基浆中分别加入不同的抑制剂，取齐家区块姚家组岩块，考察其滚动回收率及膨胀量实验［6-7］（表1），从而判断其抑制性变化，实验条件为120 ℃老化16 h。

表1　滚动回收率及膨胀量实验

从滚动回收率结果可以看出，抑制性强弱顺序为：AY-Ⅱ＞QB-Ⅰ＞DI-Ⅰ＞NW-Ⅰ，膨胀量测试表明DI-Ⅰ抑制效果较好，AY-Ⅱ和QB-Ⅰ抑制效果相当，NW-Ⅰ抑制效果较差。

2.2.2黏土容量限实验针对姚家组泥岩分散性强的特性，进行了黏土容量限实验。分别在膨润土基浆中加入不同抑制剂，基浆配方：5%膨润土+0.3%纯碱，分别添加3%、6%的膨润土，经过120 ℃高温热滚16 h，对比测试流变性（表2）。

从黏土容量限实验得知，QB-Ⅰ受黏土侵入影响较大，钻井液发生了絮凝，终切较高，流变性较差，抗黏土侵能力依次为DI-Ⅰ＞AY-Ⅱ＞QB-Ⅰ。

通过以上实验结果可看出，有机硅酸脂DI-Ⅰ和聚乙二醇AY-Ⅱ配合使用，钻井液的抑制性、抗黏土侵能力都较好，因此，选择DI-Ⅰ和AY-Ⅱ作为体系主抑制剂。

2.3封堵实验

实验采用FA-BX便携式无渗透滤失仪，实验条件为0.7 MPa、7.5 min，取5%膨润土+0.3%纯碱，水化16 h后 作为基浆，每次样品基浆量350 mL，砂床体积200 mL，加入3%堵漏材料，分别通过40/70目砂床、20/40目砂床、10/20目砂床进行封堵测试［8］，结果见表3。

表2　黏土容量限实验对比

表3　砂床钻井液封堵实验

根据砂床漏失实验，植物类封堵剂和矿物类封堵剂封堵性能不够理想，铝基聚合物封堵剂在通过砂床表现最好，能够快速填充孔隙通道，并形成承压屏障，且该处理剂配伍性较好，因此，选择铝基聚合物封堵剂ASP作为封堵剂。

3　现场应用

3.1配浆

强抑制防塌水基钻井液配方为：4%~8%膨润土 + 0.3% ~ 0.5 %Na2CO3+ 0.02% ~ 0.03%KOH + 2.0% ~4.0%降滤失剂FRJ-1 + 1.5% ~ 3.0%磺化沥青FT-1 + 1.0% ~ 3.0%聚乙二醇AY-Ⅱ + 1.0% ~2.0%有机硅酸脂DI-Ⅰ + 0.3% ~ 0.6%包被剂KPAM + 0.03% ~ 0.05%黄原胶XCD + 2.0% ~ 3.0%封堵剂APS + 3.0% ~ 8.0%高效润滑剂。采取地面循环方式对钻井液充分循环，测得配浆钻井液性能为：密度 1.10 g/cm3，黏度45 s，API失水3.0 mL，塑性黏度17 mPa·s，动切力5 Pa，初切2 Pa，终切4 Pa，pH值10，性能符合开钻要求。配浆时注意必须将抑制剂一次性加足，并随着岩屑吸附消耗不断补充，保持有机硅酸脂含量不低于1%，聚乙二醇含量不低于2%。

3.2直井段

直井段嫩二段地层胶结能力差，进入嫩二段前提高钻井液密度到1.20 g/cm3，姚二、三段造浆性强，易水化膨胀缩径，为防钻头泥包，每钻进100 m补充0.1 t的KPAM、0.2 t的DI-Ⅰ和0.4 t的AY-Ⅱ，关注加入后振动筛返砂情况，钻进过程中以胶液的形式补充FT-1和FRJ-1，提高钻井液的滤饼质量和防塌能力，为造斜段做准备。

3.3造斜段

造斜开始加入6 t高效润滑剂。由于姚一段地层葡萄花油层连通性好，进入该层位前加入铝基聚合物封堵剂5 t，钻进中按比例使用KPAM 、DI-Ⅰ及AY-Ⅱ保持钻井液足够抑制性，控制泥岩分散造浆，保持岩屑成型度，使用KOH水溶液保持pH值为9~10.5，使用FT-1和FRJ-1胶液控制滤失量和改善滤饼质量，造斜段井斜角大于40°使用黄原胶将动塑比提高到0.4 Pa/（mPa·s）以上，每钻进100 m补充高效润滑剂1t，保持钻井液良好润滑性，整个造斜段钻具提放摩阻不超过40 kN，振动筛返砂效果好。

3.4水平段

水平段为青山口组青二、三段的高台子油层。青山口组易发生剥落坍塌，该井段进一步提高钻井液封堵能力和井壁稳定能力，保持DI-Ⅰ浓度1%、AY-Ⅱ浓度3%，FT-1浓度3%，铝基聚合物封堵剂ASP浓度2%，控制钻井液滤失小于2 mL，改善钻井液润滑能力，钻井液密度1.28~1.30 g/cm3，每钻进100 m补充高效润滑剂2 t，含油量不少于6%，使水平段钻压保持30~50 kN，润滑效果较好，无托压现象，使用离心机降低低密度固相含量，保持动塑比大于0.4 Pa/（mPa·s），确保水平段后期返砂的要求［9-10］。

齐平2-6井施工周期28 d，同比以往使用聚磺钻井液体系缩短7 d以上，钻井液性能稳定（表4），平均机械钻速达到15 m/h，全井起下钻通畅，下套管一次顺利到底，没有发生任何阻卡现象。

表4　齐2-平6井钻井液性能

4　结论

（1）强抑制防塌水基钻井液体系，在造斜段以钻井液抑制性和封堵造壁性为主，提高钻井液抗污染能力，增强了地层承压能力，水平段强化封堵，采用聚合醇、磺化沥青、铝基聚合物封堵剂，实现固液封堵相结合，钻井液井壁稳定能力显著增强，水平段后期适当提高润滑剂加量有效降低摩阻，实现了预期效果。

（2）该体系在全井施工中性能始终保持稳定，解决硬脆性泥岩周期性井壁失稳、返砂不彻底的问题，有效克服井眼轨迹变化频繁，水平段摩阻大和起下钻阻卡等问题，提高了机械钻速，为安全快速钻进提供了有利条件。

（3）该体系在齐家区块已应用5口井，钻完井施工顺畅，无任何复杂情况发生，具有与油基钻井液相媲美的效果，同时保护了环境，为齐家区块大位移水平井致密油开发提供了钻井技术保障。

［1］李文明，向刚，王安泰，等.苏里格气田大位移水平井钻井液技术［J］.石油钻采工艺，2012，34（3）：33-35.

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［3］郭元恒，何世明，刘忠飞，等.长水平段水平井钻井技术难点分析及对策［J］.石油钻采工艺，2013，35（1）：14-18.

［4］张津林.有机硅钻井液在冀中油田的应用［J］.石油天然气学报，2009，31（2）：301-304.

［5］王建华，鄢捷年，丁彤伟.高性能水基钻井液研究进展［J］.钻井液与完井液，2007，24（1）：72-74.

［6］唐代绪，侯业贵，高杨，等.胜利油田页岩油水平井钻井液技术［J］.石油钻采工艺，2012，34（5）：45-48.

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［8］徐同台，卢淑琴，何瑞兵，等.钻井液用封堵剂的评价方法及影响因素［J］.钻井液与完井液，2009，26（2）：60-64.

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［10］唐洪林，唐志军，闫振来，等.金平1井浅层长水平段水平井钻井技术［J］.石油钻采工艺.2008，30（6）：11-15.

（修改稿收到日期2015-04-18）

〔编辑朱伟〕

High inhibition and anti-sloughing water-based drilling fluid technology for horizontal wells in tight oil reservoirs in Daqing Oilfield

ZOU Dapeng
（Drilling Engineering and Technology Research Institute, Daqing Petroleum Administration Bureau,Daqing 163431, China）

In view of the problems like wellbore collapse or sticking. during drilling of horizontal wells in tight oil reservoirs in Qijia Block of Daqing Oilfield, a high inhibition and anti-sloughing water-based drilling fluid was developed based on polysulfonate water-based drilling fluid system. Lab research shows that co-suppression of polyalcohol and organic silicat can effectively reduce the water sensitivity of mudstone and mud shale. Using polyaluminum plugging agent to seal the micro-fissures in the formation can also improve the wellbore stability capacity. This system was used in five wells in Qijia Block, and no accidents like wellbore collapse and lost circulation occurred. The average ROP was 14.5 m/h, the average hole size enlargement was 5% and the friction drag during drilling of horizontal section was 30kN to 60 kN. So this technology effectively addressed the problems in the drilling of horizontal well with long horizontal interval in tight oil reservoirs of Qijia Block of Daqing Oilfield, and provided reference for effective drilling in tight oil reservoirs.

Qijia Block; tight oil; horizontal well with long horizontal interval; water-based drilling fluid; polyalcohol; organic silicat; polyaluminum plugging agent

254

B

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0036 – 04

10.13639/j.odpt.2015.03.009

邹大鹏，1983年生。2015年毕业于齐齐哈尔大学化学工程与工艺专业，现在从事钻井液技术研究和服务工作，工程师。电话：0459-4893631。E-mail：zoudapeng20213@sina.com。

引用格式：邹大鹏.大庆油田致密油水平井强抑制防塌水基钻井液技术［J］.石油钻采工艺，2015，37（3）：36-39.