霍尔果斯地区钻井液技术难点及对策

刘 奥，谢建安，曹忠伟，曹光福，陈松平，辛小亮

（1.长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 434100；2.中国石油 新疆油田公司勘探公司，新疆 克拉玛依 834000 3.新疆油田公司 概预算管理部，新疆 克拉玛依 834000）

油田化学

霍尔果斯地区钻井液技术难点及对策

刘 奥1，谢建安2，曹忠伟3，曹光福2，陈松平2，辛小亮2

（1.长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 434100；2.中国石油 新疆油田公司勘探公司，新疆 克拉玛依 834000 3.新疆油田公司 概预算管理部，新疆 克拉玛依 834000）

霍尔果斯地质情况复杂，泥岩含量高。在钻井过程中，卡钻、阻卡、井漏事故频繁，为此采用了CQ-XWQG高性能水基钻井液和高密度油基钻井液，并根据漏速的大小，采用合适的LCM堵漏技术。根据霍尔果斯背斜地层的特征及已完成井的资料，确定了CQ-XWQG高性能水基钻井液和高密度油基钻井液的配方，并分别对其流变性、稳定性、抑制性等性能进行了评价，结果表明，两种钻井液的流变性、稳定性、封堵性及抗污染能力均能达到设计要求。霍11井采用了两种钻井液，复杂事故发生率减少，应用LCM堵漏技术，减少了钻井液的漏失量，大大提高了钻井速度。这表明，CQ-XWQG高性能水基钻井液、高密度油基钻井液、LCM堵漏技术的结合，可以解决霍尔果斯背斜钻井过程中存在的卡钻、井漏等复杂事故，提高钻井速度，降低钻井成本。

水基钻井液；油基钻井液；卡钻；漏失；堵漏

霍尔果斯背斜属山前构造，地层高陡，地质情况复杂。钻遇地层从上到下依次是独山子组、塔西河组、沙湾组、安集海河组、紫泥泉子组、东沟组。地层岩性主要以大段泥岩为主，夹砂岩或砂质泥岩，粘土矿物含量高，水敏性强。受山前构造影响，存在高压与多压力系统共存、构造破碎带多、裂缝孔隙发育、地层高陡等地质复杂情况。截止到目前，霍尔果斯背斜完钻探井6口，在钻井过程中，采用常规的钻井液，常发生钻具遇阻、井壁垮塌、掉块卡钻、连续井漏等复杂事故，严重制约着该区块的钻井速度，增加了钻井成本高。为确保安全快速钻井，针对霍尔果斯地质特征，采用高效的钻井液技术势在必行。

1 地层特征及钻井液技术难点分析

1.1 地层特征

（1）受沉积和地层岩性的影响，地层水敏性强根据已钻井的资料可以看出，塔西河组和安集海河组泥岩含量高，极易水化。塔西河组以巨厚灰绿色泥岩为主，并有大段膏质泥岩和石膏互层，粘土矿物含量较高，以伊/蒙混层为主，混层比40%以上，清水滚动回收率仅为3%～45%，且地层微裂缝充填物基本为蒙脱石，极易水化分散。安集海河组地层主要为灰色泥岩、灰绿色泥岩夹薄层粉砂岩及泥质粉砂岩，泥岩粘土矿物含量高，以伊/蒙混层为主，混层比最高达60%以上。地层微裂缝充填物基本为蒙脱石，水敏性极强，极易水化分散。

（2）压力系统复杂，高低压同存 受山前构造影响，安集海河组和紫泥泉子组地层高陡、破碎带长、地应力大，最大水平主应力大于上覆地层压力。底层压力系统复杂，最高压力系数达2.55，并且地层孔隙压力，坍塌压力和破裂压力十分接近，压力窗口窄。存在不整合、低压层，且不同压力系统地层在同一裸眼并存[1]。

（3）漏失严重，阻卡频繁 霍尔果斯背斜地区断层发育，地层破碎，漏失具有“漏失层段多、漏失量大、安全密度窗口窄”的特点，井漏主要发生在安集海河组～东沟组，占井漏总数的80%，防漏堵漏难度大。中下部的3000～3200m段存在断层，地层破碎，常发生裂缝型漏失。该地区泥岩含量高，井眼稳定难度大，易掉块或垮塌，造成在钻进、短提、划眼等作业中阻卡频繁，阻卡层段主要集中在塔西河组～安集海河组，占阻卡总数85%。

1.2 钻井液技术难点

霍尔果斯地区特殊的地层特征造成了该地区钻井液使用上的诸多难题，其钻井液技术难点具体体现在以下几个方面：

（1）泥岩含量高，地层水敏性强，带来的危害是：

①泥岩水化膨胀造成缩径；

②泥岩水化剥落造成垮塌；

③泥岩水化分散造成泥浆流变性难以控制

因此，霍尔果斯地区钻井成败的关键因素取决于钻井液工艺技术，而钻井液要达到稳定井壁的目的必须兼顾物理支撑和化学抑制两种方法。物理支撑就是采用合适的钻井液密度平衡地层压力和地应力，化学抑制就是选择合理的钻井液体系抑制或延迟粘土矿物水化膨胀，达到稳定井壁的作用，以满足钻井需要。

（2）高应力、高压、超高压造成了不得不使用高密度、超高密度钻井液。而高密度、超高密度钻井液高固相含量的特点决定了其流变性、失水造壁性等综合性能难以兼顾[2]。由于地应力大、地层倾角大、地层水化能力强等因素，稳定井壁所需的钻井液密度高，但安集海河组地层孔隙压力，坍塌压力和破裂压力十分接近，超高密度钻井液的使用，导致地层钻井安全密度窗口窄，发生裂缝漏失的可能性大，易发生先漏后溢流，存在较大风险。并且在高钻井液密度下机械钻速低，钻井周期长，钻井液对井壁的浸泡时间长，增加了钻井风险[3]。

（3）推覆破碎、高陡、弱层间胶结易造成井眼失稳，易掉块或垮塌造成起下钻容易发生阻卡。高密度钻井液性能调控、维护处理困难，失水造壁性、流变性与抑制性等综合性能难于同时兼顾[4，5]。

2 钻井液设计及性能评价

2.1 CQ-XWQG高性能水基钻井液技术

2.1.1 钻井液性能设计 针对塔西河组地层泥岩含量高，地层倾角大，裂缝发育，沙湾组大段砂岩地层渗透性强，孔隙压力低大井眼净化效果差等地质特征并结合完钻井资料，采用强抑制性、高包被性、高润滑性，强封堵性的高性能水基钻井液进行钻进，防止或减小钻进过程中井下复杂事故的发生。高性能水基钻井液性能参数要求：密度1.35～2.0；漏斗粘度50～100s；API滤失量小于4mL，HTHP滤失量小于12mL；初切力 3～8Pa，终切力 5～18Pa；摩阻系数小于0.1。

2.1.2 CQ-XWQG高性能水基钻井液配方 针对霍101井大井眼塔西河组垂直钻井中出现的局部井段遇阻，借鉴页岩气高性能水基钻井液技术，在常规有机盐钻井液体系基础上加入全阳离子抑制剂、胺基抑制剂、聚合醇、天然高分子聚合物，实施多元协同增效，更好延长体系抑制、包被能力，增强了对流变性的优控性，达到井眼通畅的目的[6]。

2.1.3 钻井液性能评价

（1）流变性及抗温性 对CQ-XWQG水基钻井液的流变性能进行评价。试验条件为150℃老化48h，加热前后钻井液性能参数结果见表1。

表1 CQ-XWQG高性能水基钻井液在不同温度和泥岩含量下的性能参数Tab.1 Performance parameters of CQ-XWQG high performance water base drilling fluid under different temperatures and mudstone content

由表1可见，随着泥岩量的增加，钻井液的粘度增加，但钻井液的切力变化不大，表明具有较好的流变性；在150℃热滚前后流变性能稳定，表明具有较好的抗温性能，满足井底携岩带砂的要求。

（2）井壁稳定性 针对霍10井区塔西河组中上部地层膏泥岩缩径阻卡以及破碎性地层的剥蚀掉块，采用"DRF"封堵胶结工艺为核心的井壁硬化技术，强化体系对破碎带的胶结、封固能力，提高井眼稳定性。通过对霍10井区塔西河组泥岩岩浆进行浸泡试验，对其井壁稳定性能做出评价，试验前后结果见图1。

图1 塔西河组地层泥岩岩浆浸泡电镜图Fig.1 Taxihe formation mudstone immersion electron micrographs of magma

从图1可以看出，采用高性能水基钻井液浸泡的泥岩岩浆胶结在一起，并具有较高的强度，说明该钻井液具有较强的胶结能力，能起到稳定井壁的作用，满足塔西河组地层的施工要求。

（3）润滑性 该钻井液采用了复合乳化，相间润滑技术，大大增强了钻井液的润滑性能，并利用极压润滑仪和滤饼黏附系数测定仪进行了测量。测得极压润滑系数为0.0857，滤饼黏附系数为0.0762，说明高性能水基钻井液具有良好的润滑性，可满足塔西河组地层施工对钻井液润滑性的要求。

（4）抑制性 利用室内试验浆，采用滚动回收试验和浸泡试验，检测其页岩回收率和线膨胀率，评价其抑制性能力，结果见表2。

表2 CQ-XWQG高性能水基钻井液抑制性评价结果Tab.2 Evaluation results of CQ-XWQG high performance water base drilling fluid

从表2可以看出，抑制能力由大到小的顺序为：油基钻井液＞CQ-XWQG高性能水基钻井液＞7%KCl聚胺钻井液＞清水，但高性能水基钻井液的页岩回收率和线膨胀率都与油基钻井液接近，这表明该钻井液具有较强的抑制泥页岩水化分散与膨胀能力。

2.2 高密度油基钻井液技术

2.2.1 高密度油基钻井液性能参数设计 由于安集海河组地质情况复杂，地层断裂带发育、泥岩含量高、水敏性强、地层压力高，安集海河组以下地层破碎带长，地应力大，压力窗口窄等特征，采用密度高、抑制性好、封堵性强的油基钻井液进行钻进，利用油基钻井液的强抑制、强封堵的特点[7，8]，防止或减小钻井过程中井下故障的发生。高密度油基钻井液的性能参数要求：密度2.15～2.65；漏斗粘度70～160s；API滤失量小于1mL，HTHP滤失量小于5mL；初切力4～10Pa，终切力7～25Pa；塑性粘度小于120mPa·s，动切力 8～30Pa；油水比 90/10～95/5；破乳电压大于800。

2.2.2 高密度油基钻井液配方 根据其他油田的油基钻井液的应用，霍尔果斯地区三开所用的高密度油基钻井液基础配方为：54%0#柴油+3%主乳化剂TYODF-301+1.5%辅乳化剂TYODF-401+2%润湿剂TYODF-501+0.5%增粘剂TYODF-601+4%降滤失剂TYODF-201+2%封堵剂YX（600目）+2%封堵剂YX（800目以上）+4.8%H2O+1.8%CaCl2+2%石灰TYODF-801+重晶石。

2.2.3 高密度油基钻井液性能评价

（1）流变性及稳定性 根据霍尔果斯三开地层的温度及压力情况，模拟不同温度和压力条件下，高密度油基钻井液的流变性和稳定性，结果见表3、4。

表3 高密度油基钻井液在不同温度下的主要性能Tab.3 Main properties of high density oil-based drilling fluid at different temperaturess

由表3可见，高密度油基钻井液在不同温度下，静切力和终切力基本没有变化，说明油基钻井液的流变性受温度的影响很小；随着温度的增加破乳电压减小，但在50℃（接近地层温度）下破乳电压仍大于1600V，说明油基钻井液在该温度条件下稳定性好。

表4 不同密度高密度油基钻井液的主要性能Tab.4 Main properties of high density oil-based drilling fluid with different density

由表4可看出，通过用铁矿粉加重高密度油基钻井液老化后，初切力和终切力都表现出升高，但终切力升高幅度较小，说明高密度油基钻井液在加重老化后流变性能基本保持不变。

（2）封堵性 采用高温高压滤失仪进行试验，结果为滤饼厚度1.5mm，滤饼渗透率10.1×10-7μm2，高温高压滤失量3.5mL，砂床侵入深度4.6cm。结果表明高密度油基钻井液具有较好的滤失造壁性，能实现钻井的强封堵性。

（3）抗污染性 为准确地对高密度油基钻井液的抗污染性进行评级，结合地层实际情况，通过加入2%和5%的石灰测试该高密度钻井液的抗污染性，结果见表5。

表5 高密度油基钻井液抗污染性评价Tab.5 Pollution evaluation of high density oil-based drilling fluid

由表5可知，随着石灰含量的增加，高密度油基钻井液的切力变化不大，能满足工程需要；当加入的石灰量达到5%时，其破乳电压为1128V，说明其稳定性仍然很好，表现出一定的抗污染能力，能可以满足钻井需要。

3 LCM堵漏钻井技术

3.1 漏失特征及堵漏存在的问题

安集海河组及以下地层漏失特点主要为断层、破碎带的裂缝型漏失，预防性差、漏失量大。以往常规堵漏浆总体浓度一般控制在15%～20%，堵漏次数一般为2～3次，堵漏成功率较低。堵漏作业存在的问题：（1）常规堵漏剂密度低、易上浮，不能很好地分散在油相中，易堵水眼，现场堵漏施工作业中防卡性能较差；（2）常规堵漏剂裂缝填充差，封堵层强度低，易发生回吐；（3）工艺单一，对较大漏失、纵向裂缝防堵效果较差。

3.2 LCM堵漏材料选择及推荐配方

针对高密度油基钻井液特点，选用物化性能较适合的堵漏材料。通过优化工艺，让堵漏剂尽可能较深的进入地层，自身形成强度较好的胶结封隔层。达到“预防为主、缝漏即堵”的目的[9]。LCM堵漏材料选择如下：

（1）LCM片状颗粒作架桥粒子，提供堵漏所需的空间网架结构；

（2）LCM粗颗粒和细颗粒作填充剂使用，加强封堵层强度，对抗地层闭合压力，防止堵漏剂回吐；

（3）LCM膨胀性纤维在空间中尽可能地缠绕，在空间网架、填充层上形成很好地叠加，形成致密的泥饼；

LCM堵漏推荐配方见表6。

表6 LCM堵漏推荐配方Tab.6 Recommended formula for LCM plugging

4 应用效果分析

霍尔果斯地区目前完钻井6口的，其中使用常规的水基钻井液体系，卡钻、阻卡、漏失等复杂频繁，损失时间较长。以在霍001井为例，在钻塔西河组时发生3次卡，在沙湾组发生1次钻，在安集海河组阻卡频繁，并发生3次井漏，在紫泥泉子组和东沟组分别发生井漏24次和7次。在霍11井二开井段使用CQ-XWQG高性能水基钻井液后，卡钻事故消失，表明高性能的水基钻井液钻井液能起到一定的抑制作用。三开井段使用高密度油基钻井液，在安集海河组未出现井漏现象，发生几次阻卡，在紫泥泉子组发生井漏一次，漏速6.20m3·h-1，通过采用LCM段塞堵漏技术，漏失量57.6m3，堵漏效果明显，与霍001井相比，复杂情况发生率大大减少，机械钻速提高5倍以上，钻井周期缩短100d以上。

5 结论

（1）CQ-XWQG高性能水基钻井液性能优于常规水基钻井液，能很好的起到抑制粘土水化膨胀，降低井壁失稳发生率，润滑井眼，减少阻卡事故的发生，但随着水基钻井液施工时间增长，仍然存在地层失稳的风险，在全井采用高性能水基钻井液仍面临技术难题，需进一步技术攻关。

（2）高密度油基钻井液在霍尔果斯地区的应用取得了良好的效果，说明油基钻井液具有良好的润滑性和抑制性，抗污染能力强，有利于保持井壁稳定，很好的解决了因霍尔果斯地层水敏性强带来的难题。但油基钻井液的使用成本高，且对环境有一定的影响，因此，在降低成本和绿色环保方面还需进行深入研究。

（3）LCM堵漏技术的应用，能大大提高钻井堵漏效果，减少漏失量，能够满足霍尔果斯背斜油基钻井液堵漏的要求，可以进一步推广。

［1］ 梁大川，李健.准噶尔盆地南缘地区防塌钻井液技术探讨［J］.石油钻探技术，1997，25（3）：25-28．

［2］ 刘永福.高密度钻井液的技术难点及其应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2007，34（5）：47－49.

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Technical difficulties and countermeasures of drilling fluid in Horgos Area

LIU Ao1，XIE Jian-an2，CAO Zhong-wei3,CAO Guang-fu2，CHEN Song-ping2，XIN Xiao-liang2
（1.Petroleum Engineering College，Yangtze University，Wuhan 430100，China；2.Exploration Utility Department of Xinjiang Oilfield Company,Petrochina,Karamay 834000,China;3.Budget Estimate Management Department of Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000,China）

The geological condition of Horgosis complicated and the content of mudstone is high.During drilling,sticking,sticking and well leaking accidents are frequent,so CQ-XWQG high performance water base drilling fluid and high-density oil-based drilling fluid are adopted,and appropriate LCM plugging technology is adopted according to the size of leakage velocity.According to the characteristics of the Horgos anticline and completed wells,CQ-XWQG high performance water-based drilling fluid and high density oil based drilling fluid formula was determined,and each of its rheology,stability,inhibition performance was evaluated.The results showed that two kinds of drilling fluid rheology,stability,sealing and anti pollution capacity can meet the design requirements.Huo 11 well has used two kinds of drilling fluid,the complex accident rate decreases,and the application of LCM plugging technology can reduce the loss of drilling fluid and greatly improve the drilling speed.This shows that the combination of CQ-XWQG high performance water-based drilling fluid,high density oil-based drilling fluid,LCM plugging technology,can solve the existing Horgos anticline in the process of drilling drilling,well leakage accidents,improve drilling speed and reduce drilling cost.

water base drilling fluid;Oil-based drilling fluid;Sticking of tool;Leakage;Plugging

TE254

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170947

2017-06-07

刘 奥（1991－），男，湖北荆门人，长江大学石油工程在读硕士研究生，研究方向：岩石力学及钻采工艺技术研究。

导师简介：王越之（1964-），男，博士，教授，主要从事钻井工程的教学与科研工作。