杭锦旗区块防塌防漏钻井液技术

李建山

（ 中石化华北油气分公司，郑州450006）

杭锦旗区块位于鄂尔多斯盆地北部，主要含气 层位为上古生界下石盒子组盒3、盒2、盒1段和山西组，蕴藏着巨大的开发潜力[1-3]。杭锦旗区块自上而下发育第四系、中生界、上古生界等多套地层，由于特殊的地质构造导致地层中存在地质破碎、砂泥岩互层严重、层间胶结弱、地层承压低等特性，属于典型断层发育区域，地层中泥岩微裂缝发育且易水化膨胀、剥落掉块[3-4]。因此，杭锦旗区块具有较为严重的井漏及井壁失稳问题。如2017年度，华北工程公司西部分公司负责施工井中有7口发生井漏，平均单井损失时间为78.21 h。针对杭锦旗地区钻井过程中存在的技术难点，笔者系统分析了该地区易塌易漏地层的地质特征，研发温敏变形型封堵剂SMSHIELD-2，优选了环保高效润滑剂SMLUB-E，研发了随钻防漏堵漏材料SMGF-1，通过钻井液体系优化，最终形成杭锦旗地区防塌防漏钻井液技术。该技术应用于杭锦旗区块2口试验井，取得了良好的应用效果。

1 杭锦旗区块地质特征描述

1.1 矿物组成

杭锦旗区块属于致密气藏，区块气井多采用三开长水平井身设计。井壁失稳、井漏等复杂事故主要出现在水平段，包括刘家沟组、石千峰组、石盒子组等地层。以2口典型井JPH-301井和JPH-378井为例，对地层岩屑进行全岩矿物和黏土矿物组分含量的X射线衍射分析，结果如表1所示。

表1 JPH-301井、JPH-378井复杂地层岩样全岩矿物分析

由表1可知，2口井中石千峰组与石盒子组存在大段泥岩，JPH-301井下石盒子组岩屑中主要包括中深灰色细砂岩、 红褐色泥岩和灰色泥岩，存在明显砂泥岩互层现象， 且黏土矿物含量较高，分别为32.8%、48.7%、58.1%。JPH-378井石千峰组、 上石盒子组、 下石盒子组中黏土矿物含量也均较高。2口井所取岩屑矿物均以伊/蒙混层发育为特点， 其次为伊利石、 绿泥石和高岭石， 属于硬脆性泥岩。

1.2 复杂地层微观结构

通过电镜扫描测试，进一步分析了杭锦旗复杂地层的微观结构，结果见图1。由图1可以看出，石千峰组、上石盒子组、下石盒子组岩性整体较为致密，孔隙一般小于5 μm，泥质中存在较发育的微裂缝，开度形态不一。JPH-378井下石盒子组泥岩钻屑样品较疏松，粒间孔隙约10 μm，同样具有较发育的微裂缝。

图1 杭锦旗区块易漏、易塌地层岩屑微观图

1.3 储层岩屑理化特性

分别对井区钻屑进行滚动回收率评价实验，及泥页岩水化膨胀实验，结果见表2。

表2 JPH-301井、JPH-378井复杂地层岩样水化分散实验

由表2可以看出，下石盒子组灰色泥岩和深灰色中细砂岩的回收率高，分别为90.75%和94.93%，而其他红褐色泥岩及泥岩回收率低，最低回收率为29.4%，最高回收率为55.07%；整体泥岩具有较高的膨胀率，水化膨胀严重，而从JPH-378井收集的钻屑的回收率普遍偏低，分析原因为收集的钻屑夹杂部分砂岩，一定程度上降低了实验所测膨胀率。

1.4 储层地质特性总结及易产生问题

分析杭锦旗区块复杂地层组构特征、理化性能测试结果，可知该区块地层存在砂泥岩互层严重，岩石黏土矿物含量高的特点，黏土矿物以伊蒙混层、伊利石为主，微裂缝较为发育，属于硬脆性泥岩；灰色泥岩滚动回收率高、膨胀率低，而红褐色泥岩滚动回收率低、膨胀率高。因此，钻井过程中以下问题尤为严重。

1）井壁失稳。该区地层泥页岩有较多的微裂缝，在钻井过程中也易产生诱导裂缝，在外力的作用下泥页岩极易沿裂缝破裂甚至剥落，造成井壁失稳；钻井液滤液沿微裂缝或节理面侵入地层深部后，扩大泥页岩水化面积，降低了泥岩的结合强度和层理面之间的结合力，使泥岩沿层理面或微裂隙裂开，进一步造成井壁失稳[5-7]。

2）漏失严重。该区块由于微裂缝发育，一方面易导致井漏，另一方面在钻井过程中也易产生诱导裂缝，进一步加剧井漏；刘家沟、石千峰组存在泥岩互层、层间胶结弱、地层承压低，导致钻井液安全密度窗口窄，加大了低压地层漏失风险[8-11]。

2 防塌防漏钻井液体系

杭锦旗区块解决井壁失稳技术思路为：以加入具有高效封堵防塌作用的封堵剂为主，增强钻井液的封堵、造壁作用，同时适时提高钻井液密度，并保证钻井液合理流变性，降低物理冲刷作用[12-13]，从整体上提高钻井液的综合防塌能力。

2.1 封堵防塌处理剂研发

目前钻井液的封堵防塌处理剂主要有乳化沥青、磺化沥青、氧化沥青等沥青类处理剂[14]、聚合醇[15]等处理剂。针对杭锦旗区块地层裂缝发育非均质性的特点， 制备了温敏变形型封堵剂SMSHIELD-2。SMSHIELD-2结构如下：以刚性芳环为主结构单元， 以碳-碳键、 碳-氮键等刚性、高稳定性化学键连接形成主链分子， 采用交联剂使主链分子间架桥成复杂网状结构， 保证主链分子的强度和稳定性；在主链分子中引入聚氧乙烯链等可变形基团， 低温下由于分子刚性强且具有复杂的交联结构， 封堵剂无变形性， 当达到一定温度， 分子内部黏聚力发生一定程度降低， 使分子出现可形变特性。

利用温度扫描实验测试SMSHIELD-2形变温度区间及程度：取5 g SMSHIELD-2置于烧杯中，利用油浴对烧杯进行加热，观察SMSHIELD-2变形情况。通过测试可得，90 ℃时，SMSHIELD-2外部已出现“软化”变形现象，随着温度增加，其可变形区域可逐渐增大，至180 ℃时外表面已完全“软化”。SMSHIELD-2“软化”后，利用玻璃棒搅拌测试，具有极强的黏滞力和结构强度，这保证了封堵剂可以滞留在不同形状的裂缝内并具有较好的封堵能力。室内评价了SMSHIELD-2的封堵性能，并与国内外封堵防塌剂进行对比，结果如表3所示。

表3 温敏变形型封堵剂SMSHIELD-2同国内外封堵剂效果对比

由表3可知，温敏变形型封堵剂SMSHIELD-2在1%的加量下，基浆滤失量为23 mL，低于国内外封堵剂在2.5%加量下的基浆滤失量，当SMSHIELD-2加量为2.5%时，高温高压滤失量进一步降低至15 mL，基浆滤失量降低率达到75%。可见SMSHIELD-2具有显著的封堵防塌效果。

为考察滤饼韧性，对高温高压滤失后所得滤饼进行高温烘干测试，如图2所示，烘干时间为4 h。对比样品烘干后滤饼皲裂明显，完整性被破坏；而SMSHIELD-2形成的滤饼，高温烘干后依然具有较好的完整性，说明其具有较强的韧性，有助于增强钻井液封堵及造壁作用，保证井壁稳定。其原因在于，SMSHIELD-2封堵剂具有可变形性，可以充分填充在滤饼各个空间，胶连、黏合滤饼各组分，提高滤饼致密程度的同时，提高其韧性。同时，SMSHIELD-2本身含一定量的疏水基团，可在滤饼表面聚结成一层疏水膜，将自由水束缚在滤饼内，从而进一步提高了滤饼完整性。

图2 滤饼烘干4 h 后实物图

通过泥页岩岩心压力传递实验测试进一步考察封堵效果，对比岩心封堵前后的扫描电镜（见图3），发现未加入前岩心表面存在不同尺度的微裂缝，且分布不均匀，而加入处理剂后，岩心表面的裂缝已被明显封堵，表面更加致密，几乎没有任何裂缝，表明SMSHIELD-2具有非常强的封堵能力。

图3 SMSHIELD-2封堵实验扫描电镜微观图

图4 为SMSHIELD-2对室温下钻井液流变性能的影响。

图4 SMSHIELD-2对室温下钻井液流变性能的影响

图4 中钻井液基础配方为：4%膨润土浆+0.5%SMPFL+4%SMP+4%SMC，加有不同加量SMSHIELD-2的钻井液的塑性黏度和动切力变化不大，说明SMSHIELD-2的作用机理为惰性封堵机理，对钻井液流变性能几乎没有任何影响。这为合理设计钻井液流变性提供了保障。

2.2 润滑剂优选

杭锦旗区块多采用长水平段设计，在斜井段存在施工摩阻大且钻具扭矩高的问题，水平段也极有可能发生托压问题。针对上述问题，优选了环保高效润滑剂SMLUB-E。该产品具有吸附高效、迅速、均匀的特点，可在井下固相表面聚集成膜，保证钻井液润滑性，降低固相界面间摩阻。按照钻井液用润滑剂技术要求（Q/CNPC 88—2003），将该产品同国内外10种常用润滑剂进行对比实验，测试钻井液基浆配方：4%膨润土浆+0.5%SMPFL+4%SMP+4%SMC。实验结果如图5所示。

图5 SMLUB-E与国内外润滑剂润滑效果对比

由图5可以看出，环保高效润滑剂SMLUB-E于160 ℃老化后的极压润滑系数在所有对比润滑剂中最低，可低至0.033，展现出其优异的润滑性能。

2.3 防塌钻井液配方研究

结合杭锦旗区块地层特征， 开展直井段、斜井段及水平段钻井液配方研究。直井段最终确定钻井液配方为4%膨润土浆+0.5%NH4-HPAN+0.5%LV-CMC+2%SMSHIELD-2+0.3%KPAM，实验数据见表4。上直井段适当放宽中压滤失量，保持钻井液低黏度、低切力、低密度，为快速钻进提供条件。

表4 杭锦旗区块直井段钻井液配方性能

斜井段，钻井液配方为：直井段钻井液+1.5%SMP-1+1.5%SPNH，实验数据见表5。斜井段采用LV-CMC、SMP-1、SPNH控制钻井液的滤失量，并采用SMSHIELD-2提高钻井液的封堵防塌能力，随着井斜的增加可补充适量的润滑剂SMLUB-E，改善钻井液的润滑性。

表5 杭锦旗区块斜井段钻井液配方实验

水平段钻井液配方：斜井段钻井液+2%SMLUB-E+0.1%XC+2%PB-1，实验数据见表6。

表6 杭锦旗区块水井段钻井液配方实验

水平段采用SMP-1、SPNH等控制钻井液的滤失量低于5 mL，采用SMSHIELD-2提高钻井液的封堵防塌能力，在钻井液中加入屏蔽暂堵剂、超细碳酸钙等，加强储层保护，随着水平段的延伸，保持SMLUB-E润滑剂的含量在2%以上，强化钻井液的润滑性，降低摩阻、扭矩，为定向钻进提供保障。

3 随钻承压堵漏钻井液

3.1 堵漏剂优选

针对该区块漏失严重问题，采用随钻封堵技术，提高上部地层的承压能力，着重提高钻井液防漏性能，兼具堵漏。由于该区块地层裂缝发育且开度形态不一，在钻井液动态压力作用下裂缝会进一步扩大，拟采用具有不同粒径大小的复合型堵漏材料，进行针对性裂缝封堵。因此，在优选颗粒材料、纤维材料和遇水膨胀材料的基础上，加入片状颗粒材料云母，构成了水基钻井液用随钻防漏堵漏材料SMGF-1。其中，云母和碳酸钙细度均小于200目，矿物纤维细度小于100目，膨胀橡胶粉末细度小于100目。云母、碳酸钙、矿物纤维和橡胶组成配比为（2～5）∶（4～8）∶（2～5）∶（0.5～3）。

3.2 随钻堵漏钻井液研究

随钻堵漏钻井液基浆为：4%膨润土浆+0.3%KPAM+0.5%NH4-HPAN+0.5%LV-CMC+1.5%SMP-1+1.5%SPNH+2%SMSHIELD-2+2%SMLUB-E+0.1%XC。分类测量了不同加量下，常温和100 ℃热滚后水基钻井液的流变性能，如表7。可以看出，随着SMGF-1加量的增加，常温下黏度和切力变化幅度较小；100 ℃热滚16 h，水基钻井液的黏度和切力变化幅度也不大，可以满足现场钻井的要求。

评价随钻防漏材料SMGF-1在常温下和热滚后的砂床封堵性能，评价方法如下：在FA型无渗透钻井液滤失仪的可视透明圆柱筒中加入20～40目洁净干燥的建筑砂，压实铺平后使高度达到20 cm，慢慢加入500 mL实验浆，在0.7 MPa下加压30 min后测定实验浆侵入深度，见表7。可以看出，随着SMGF-1加量的增加，滤液侵入深度逐渐减少，在水基钻井液中加入3%SMGF-1，滤液侵入深度小于3 cm，较只加超细碳酸钙有很大程度的改善，可以满足现场随钻防漏堵漏的要求。

表7 SMGF-1对水基钻井液流变性能的影响及砂床侵入实验结果

利用DLM-01型堵漏模拟装置评价防漏堵漏材料SMGF-1的砂床承压能力：将20～40目砂子填满双侧开口的圆桶型漏失模块，装入模拟装置中，将实验堵漏浆加入模拟装置浆杯中，组装好仪器，开始加压。每次加压0.5 MPa，稳压5 min，压力稳住基本不降后再继续加压，持续加压压力不再上升，该压力即为承压压力，实验结果如表8所示。

表8 砂床承压实验

可以看出，SMGF-1加量达到1%后，就能够承受一定的压力，加量达到3%后，承压能力可以达到7.0 MPa以上。现场应用过程中，加量最好达到3%以上，可以达到较理想的随钻防漏堵漏效果。

4 现场应用

防塌钻井液及随钻堵漏钻井液技术在杭锦旗区块2口评价井进行了现场试验，以其中一口为例。该井斜深为4540 m，垂深为3545.22 m，二开、三开井段钻遇刘家沟组、 石千峰组、 上石盒子组、 下石盒子组（未穿）， 大段砂泥岩互层， 泥页岩段易水化膨胀、产生剥落掉块垮塌等。二开采用随钻堵漏钻井液，井下钻进正常，无漏失情况，一次性钻穿刘家沟组易漏地层。三开时采用低固相防塌钻井液，加强了固相控制，保持钻井液造壁性能和封堵防塌性能，控制滤失量小于5 mL。钻井液主要性能见表9。

表9 封堵钻井液与防塌钻井液性能

通过防塌钻井液及封堵钻井液的应用，顺利钻穿杭锦旗区块易漏地层，减少了堵漏时间，保证了所钻遇泥岩地层井壁稳定，钻井期间未出现井壁坍塌问题，井径扩大率小于5%，与杭锦旗区块其他井相比，井下事故大大下降，节约了钻井成本。

5 结论

1.杭锦旗区块存在地质破碎、砂泥岩互层严重、层间胶结弱、地层承压低等特性，属于断层典型发育的区域。石千峰组与石盒子组存在大段泥岩，泥质中存在较发育的微裂缝，开度形态不一，易发生坍塌、掉块等，导致井壁失稳。

2.针对井壁失稳现象，开发出温敏变形型封堵剂SMSHIELD-2，优选出高效润滑剂SMLUB-E，形成了防塌钻井液，解决了石千峰组与石盒子组地层井壁失稳问题。

3.采用具有不同粒径大小堵漏材料进行复配，形成水基钻井液用随钻防漏堵漏材料SMGF-1，实现对不同类型、大小裂缝针对性封堵，解决钻井中的井漏问题。

4.研制的防塌防漏技术在杭锦旗区块2口试验井取得成功应用，顺利钻穿易漏层，在泥岩段未出现坍塌现象，井径扩大率小于5%，保证了高效钻井。