塔中二、三叠系防塌钻井液工艺技术应用

严 羿，冯 勇，孙 俊，祝学飞，查凌飞

（川庆钻探工程有限公司新疆分公司，新疆库尔勒 841000）

塔里木油田塔中区块位于新疆塔克拉玛干沙漠腹地，油气资源主要埋藏在奥陶系鹰山组、一间房组，其深度在5 800～6 300m，该区块自上而下分别钻穿古近系、白垩系、三叠系（T）、二叠系（P）、石炭系、志留系、奥陶系桑塔木组、良里塔格组、鹰山组、一间房组。该区块采用三开井身结构，二开井眼裸眼长度达4 300～4 800m，存在多套压力层系等，二、三叠系埋藏在2 300～4 000m。长裸眼钻进时，在钻井液的浸泡下，二、三叠系泥页岩易水化膨胀，且二叠系底部普遍含高硬度火成岩，其多为裂隙发育，水敏性强，易发生井壁大规模失稳。起下钻过程中发生的井壁坍塌，常造成垮塌卡钻、埋钻具等工程事故，此类复杂是近年来该区块面临的主要难题，仅2016—2019年四年间共发生15井次垮塌事故，其中造成卡钻事故8井次，回填侧钻3井次，3口井发生回填侧钻事故，平均损失周期高达900h。

为提升钻井液封堵防塌稳定井壁的能力，从根本上解决二、三叠系垮塌问题，保证该井段安全快速钻井。通过实验摸索，形成二、三叠系专项封堵防塌工艺技术，落实物理平衡及化学封堵防塌等措施，配合二、三叠系及其上下交界面专项封堵技术，及时起下钻及短程起下钻对井眼井壁进行有效拉划以形成具有强韧性优质泥饼，保证新井眼畅通井壁稳定，该技术应用于塔中区块3口实验井，取得了良好的应用效果。

1 二、三叠系井壁垮塌原因分析

1.1 二、三叠系泥岩特性

本区块中上部地层二、三叠系岩性以硬脆性泥岩为主，具有破碎性、地层胶结差、水敏性强等显著特征，尤其是二、三叠系交界面地层泥页岩伊蒙间层含量高达20%～30%，非黏土矿物（碎屑颗粒）含量为30%左右，间层比高达75%～80%，钾离子含量最高可达1 168mg/L，此类特性决定泥页岩的硬脆特性。在钻井液浸泡下间层黏土矿物水化膨胀，发生水化分散，形成剥落掉块。二、三叠系钻遇地层及岩性特点如表1所示。

表1 二、三叠系钻遇地层及岩性特点

对二、三叠系泥岩进行水化膨胀率及岩屑回收率评价实验，数据见表2。

表2 二、三叠系泥岩进行水化膨胀率及岩屑回收率

如表2所示，塔中三口井二、三叠系灰色泥岩、紫红色泥岩及褐色泥岩的岩屑回收率偏低，分别为16.2%、17.8%及18.3%，二、三叠系泥岩水化膨胀严重，其中ZG22-H井水化膨胀率最高达到19.9%。

1.2 滤液侵入地层造成井壁不稳定

钻井液滤液侵入地层孔隙，可使孔隙压力增大[1]。井筒钻井液与地层的压力差驱使钻井液滤液侵入岩石孔隙，矿物颗粒之间的有效结合力降低，造成岩石中黏土水化膨胀、分散，岩石强度也随之降低，引起井壁不稳定，形成剥落掉块进而造成井壁垮塌。

1.3 密度不能平衡地层坍塌压力

二、三叠系交界面易垮塌，二叠系地层火成岩发育，岩性破碎、存在孔洞裂隙，该地层容易发生垮塌、井漏，钻井时要注意防漏；该区块地层坍塌压力等地质特性设计跟实钻情况存在一定偏差，容易引起密度误判。因此密度选择面临困难。钻井液密度过高，超过地层破裂压力，地层易破裂发生井漏，进一步造成卡钻等井下复杂[2]；钻井液密度过低，不足以平衡地层应力，力学不稳定，易形成硬脆性泥岩剥落掉块，造成井壁垮塌。

1.4 长裸眼弯螺杆复合钻进井壁不平整

钻井设计对本区块井身质量有较高要求，且多数为定向水平井，为控制井斜减少起下钻换螺杆时间，提高纯钻时间，进一步提速提效。二开采用1.5°弯螺杆替代直螺杆进行快速钻进，钻进中随钻监测井斜，根据随钻井斜数据，间断进行定向滑动钻进控制增斜速度，保证井身轨迹满足设计要求。但二、三叠系弯裸杆复合钻进，钻头对地层破碎不均匀，横向物理碰撞力较大，从而造成井眼不规则形成较多的微台阶，对起下钻或短程起下钻造成阻卡，大t位的连续起下活动钻具更易引起井壁垮塌。

2 二、三叠系防塌钻井液工艺技术要点

2.1 钻井液配方优化

通过实验室摸索，对沥青类防塌剂、抑制性处理剂等多种防塌性处理剂进行优选，并对处理剂进行了优化组合， 最终形成二、三叠系防塌钻井液配方。

2.1.1 优选防塌封堵处理剂

沥青类处理剂乳化沥青SY-A01、磺化沥青FT-1A和天然沥青CPA等。针对本区块二、三叠系井深在2 300～4 000m，选择软化点在80～120℃的乳化沥青SY-A01及天然沥青CPA，与钻井液不同浓度和粒径的固相成分对地层孔隙进行变形填充，从而形成护壁能力强的泥饼，有效阻止钻井液中的固相及滤液继续侵入地层[4]。再配合使用磺化沥青FT-1A，其含有磺酸基，水化作用强，能吸附于泥页岩晶层断面上阻止页岩颗粒的水化分散；同时不溶于水的沥青部分又能起到填充孔隙和裂缝的封堵作用，并通过复配加入抗高温降滤失剂，改善泥饼质量，控制较低的滤失量来提高钻井液的防塌性能。

抑制类处理剂的选择，首选常规的无机盐类页岩抑制剂KCl，KCl具有较强的抑制页岩渗透水化的能力，当其被黏土吸附后，由于水化能低，会促使晶层间脱水使晶层受到压缩，形成紧密的构造，从而能够有效地抑制黏土水化[5]。

页岩抑制剂阳离子聚乙二醇CPI是一种低分子量带阳离子基团聚合物，其能进入到黏土晶层中，从而起到抑制黏土矿物水化分散的作用[6]。由于CPI分子量偏低，在钻屑上的吸附速度快，迅速吸附在钻屑上抑制其分散。

封堵类处理剂方面，钻井液用堵漏剂纤维聚合物微粒TYSD是一种植物棉纤维类堵漏剂，其采用多种惰性多形态封堵剂和特殊成膜聚合物复合而成，能快速堵塞地层裂隙，阻止地层裂隙的扩张延伸，组分中的纤维可在井壁及裂隙中快速吸附（架桥）结网，形成的承压能力较强的泥饼，阻止钻井液滤液进入地层稳定井壁。

聚合醇PGCS在钻井液中处于溶解状态，当温度超过50℃， PGCS就会析出来产生浊点效应，在井筒压差的作用下，PGCS颗粒便会挤入地层空隙及微裂之中，从而起到稳定井壁的作用。

聚合物类成膜封堵类处理剂FDM是一种纳米～微米级高分子聚合物乳液产品，其在孔隙性、微裂性地层表面滤失而形成致密的非渗透、可变形性高分子膜，在地层孔隙中形成致密的封堵层，阻止钻井液滤液侵入地层，防止泥页岩孔隙或裂隙水化，同时通过改善泥饼质量，减少钻井液滤失，有效稳定井壁。

2.1.2 钻井液基本配方

通过实验对各类处理剂进行优选和配方优化，形成一套用于现场应用的性能最优钻井液配方，该配方水化膨胀率2.39%，岩屑回收率91.6%，具有良好的抑制性和抗污染能力。基本配方如下：

4%膨 润 土+0.2%～0.5%NaOH+1.5%SMP-3+1.5%SPNH+1%MYK-1（聚合物降滤失剂）+3%SY-A01（乳化沥青）+1%FT-1A（磺化沥青）+0.5%CPI（阳离子抑制剂）+1%PGCS（聚合醇）+2%FDM（成膜封堵剂）+5%KCl（氯化钾）+1%TYSD（纤维封堵剂）+3%LE-5（油性润滑剂）+0.3%～0.8%FA367（包被抑制剂）+5%YX（超细碳酸钙）。钻井液配方实验，如表3所示。

表3 钻井液配方实验

2.2 钻井液工艺技术现场应用

2.2.1 白垩系、三叠系交界面

①钻进至白垩系底部，调整三叠系维护胶液配方：钻井水+0.5%FA367+1%MYK-1+0.5%CPI +1%PGCS。

②进入三叠系50～100m逐步上提钻井液密度至1.25～1.32g/cm3（每100m 约提高0.02g/cm3）。

③进行一次短程起下钻，对上部快速钻进期间的井壁进行一次拉划，以破坏因长时间浸泡形成的虛厚泥饼，保持井眼通畅。

④短程起下钻前，对白垩系与三叠系破碎性交界面进行专项封堵[7]。专项封堵防塌钻井液配方：井浆+1%TYSD+2%PGCS+5%YX+石灰石粉。

2.2.2 三叠系、二叠系交界面

①三叠系钻进期间，根据钻井进尺，向井浆补充3%～5%KCl，控制钻井液K+含量15 000～25 000mg/L。并维持胶液配方0.5～0.8%FA367+0.5%CPI+1%MYK-1+1%PGCS。

②三叠系下部至二叠系上部钻进期间逐步提高钻井液密度至1.35g/cm3，每钻进100m约提高密度0.01g/cm3，短程起下钻前应将井浆密度比正常钻井时提高0.02g/cm3。

③短程起下钻前，对三叠系与二叠系不稳定交界面进行专项封堵。专项封堵防塌钻井液配方：井浆+1%FT-1A +2%SYA01+1%TYSD+2%FDM+2%PGCS+5%YX+石灰石粉。

2.2.3 钻穿二叠系

①进入二叠系，调整钻井液胶液配方：钻井水+0.2%NaOH+1.5%SMP-3+1.5%SPNH+1%MYK-1+0.5%CPI+1%PGCS+0.3%FA367。井浆中一次性补充油性润滑剂LE-5，将钻井液油含提高到3%，经过一个循环周后，向井浆中加3%SY-A01、2%FT-1A及2% FDM。

②根据钻井进尺，及时补充KCl，控制钻井液K+含量30 000mg/L左右。

③钻进期间逐步逐步提高钻井液密度至1.35g/cm3，每钻进100m上提钻井液密度0.02g/cm3。

④钻穿二叠系进行短程起下钻，短程起下钻前，采取重稠浆（高于井浆密度0.2～0.3g/cm3）+雷特纤维结合变排量进行井眼携砂，保证井眼清洁；携砂完毕后，对整个二、三叠系进行最后一次专项封堵，进一步稳定二、三叠系。专项封堵防塌钻井液配方：井浆+1%FT-1A+3%SY-A01+1%TYSD+2%FDM+2%PGCS+5%YX+5%LE-5+重晶石粉。

2.3 现场钻井液性能

在工艺技术实施期间，主要思路在首要加强钻井液合适的密度支撑，其次是通过乳化沥青SY-A01、磺化沥青FT-1A、天然沥青CPA、阳离子抑制剂CPI、聚合醇PGCS、成膜封堵剂FDM、氯化钾KCl以及纤维封堵剂TYSD协同封堵防塌作用，进一步提升钻井液的失水造壁性、封堵防塌能力以形成优质的泥饼，保证井壁稳定，井眼畅通。实验井钻井液性能如表4所示。

表4 现场钻井液性能

3 工程应用效果

通过实验井对防塌钻井液工艺技术的应用，实钻中采用阶梯方式进行密度提升，以合适密度对井壁进行有效支撑；根据二、三叠系黏土矿物特性，优选出强包被、强抑制性，防塌封堵性能强的钻井液体系，钻井液中通过聚合物降滤失剂与固-液封堵防塌类处理剂协同作用，降低滤失量与泥饼渗透性，滤饼致密，韧性好，巩固井壁；在机泵允许的情况下尽量提高环空返速同时保持钻井液具有合适的黏切，既满足携砂要求又保证环空钻井液处于层流状态，减少对井壁的冲蚀；通过强化短程起下钻，配合适当的起下钻速度，避免大规模垮塌的发生，实验3口井二、三叠系均未出现井壁垮塌，钻井液维护量少，岩屑代表性强，井径规则，二、三叠系平均井径扩大率为8.3%，低于实验前10.6%的井径扩大率，实验效果良好，达到了预期效果。

4 结束语

1）以强抑制强封堵防塌为主线的钻井液技术思路，通过优选处理剂，合理复配，形成一套适合塔中区块的防塌钻井液体系。该防塌钻井液体系钻井液维护简单，钻井液高温稳定性良好，高温高压滤失量小，形成的泥饼薄且韧性强。

2）该钻井液工艺技术结合物理平衡及化学封堵防塌等措施，配合二、三叠系及其上下交界面专项封堵技术，必要的井眼清洁，及时的起下钻及短程起下钻对塔中区块二、三叠系井眼进行有效拉划，最大限度破坏井壁微台阶，进一步保证井眼畅通及井壁稳定，应用于塔中区块3口实验井，取得了良好的应用效果。