超深水平井钾胺盐抗高温防塌钻井液技术

邱春阳，张翔宇，朱福军，秦 涛，王 智，温守云

中国石化胜利石油工程有限公司钻井液技术服务中心，山东 东营 257000

跃进区块位于塔里木盆地顺托果勒低缘北隆，该区块储层埋藏较深，油气埋深约7 500 m，施工中需穿越多套地层，地层岩性和压力系数差异大，井下温度高。为扩大泄油面积，提高油气采收率，常常采用三开制水平井方式钻进，一开采用ϕ346.1 mm 钻头钻进至井深约2 000 m，下入ϕ273.1 mm 技术套管；二开采用ϕ250.88 mm 钻头钻进至井深约7 000 m，下入ϕ193.70 mm 技术套管；三开采用ϕ149.2 mm 钻头开钻，在井深约7 200 m开始造斜，达到设计井深后完钻。

通过调研得知，国内相似地层及邻近区块钻井施工中大多采用聚磺润滑防塌钻井液体系、复合盐润滑防塌钻井液体系和油基钻井液体系。聚磺润滑防塌钻井液体系抗温性强，但是其抑制大段泥页岩水化膨胀效果不好，导致施工中不断划眼；复合盐润滑防塌钻井液体系抑制性强，一定程度上解决了泥页岩的水化坍塌问题，但其高温下的流变性难于调控；油基钻井液的使用，解决了大段泥页岩的水化膨胀和高温下流变性的调控难题，但其成本高，且环保问题突出。在借鉴上述各种钻井液体系施工经验的基础上，本文优选钾胺盐抗高温润滑防塌钻井液体系，辅助现场钻井液维护处理工艺，以保证跃进区块5 口井的顺利施工，钻进过程中井壁稳定，特别是小井眼水平段钻进过程中定向顺畅，钻井液流变性稳定，以期为该区块后续勘探开发提供宝贵的技术参数。

1 跃进区块钻井液技术难点

跃进区块钻进过程中钻井液技术难点主要在二开直井段和三开水平段。

二开直井段，康村组和吉迪克组地层砂泥岩互层中含有石膏及膏质泥岩，施工中井眼缩径严重，导致起下钻阻卡等复杂情况；卡拉沙依组至桑塔木组地层中发育大段泥岩，泥岩水化坍塌易造成卡钻；二叠系地层火成岩发育，地层孔隙裂缝发育性强，钻井液滤液渗入其中后，易导致其中的胶结物质水化，造成井壁坍塌。二开穿越多套地层，地层岩性和压力系数差异大，钻井液维护处理不一样，井壁稳定技术难度大。二开裸眼段长达5 000 m，裸眼段长，钻井周期长，井壁受钻井液浸泡时间长，导致井壁失稳加剧。

三开水平段，采用ϕ149.2 mm 钻头定向钻进，受井身结构限制，钻井液排量小，其环空返速达不到举升岩屑所需的临界值，井眼净化难度大。为了将岩屑携带出井眼，必须增大钻井液体系的黏度和切力，这样会增大井底环空压耗，易造成井漏。水平段钻进过程中，上井壁在钻井液密度径向支撑下能够保持稳定，但在起钻过程中，上井壁失去钻井液支撑易导致垮塌；定向施工中，在500 m 井段进行造斜、增斜及稳斜钻进，井眼轨迹平滑性差，钻井液润滑技术难度大；随着水平段的增长，钻进中钻压的传递、防黏及岩屑床等问题越来越突出。此外，三开井底温度高达170 ℃，高温下的钻井液处理剂大分子容易发生断链现象，钻井液流变性难以控制，流变性失稳间接导致井壁失稳。

针对跃进区块超深水平井的特点，钻井施工中钻井液体系需要具备较强的抑制性，具备较好的封堵性、流变性、润滑性以及抗高温等性能。

钻井液体系抑制性强，能够抑制泥页岩的水化膨胀，并且保证钻井液体系的抑制具有长效性，能够长时间抑制泥页岩的水化，防止大段泥页岩水化膨胀后坍塌。

钻井液体系封堵性好，能够形成薄而韧的致密泥饼，一则对上部疏松地层进行封堵，防止钻井液渗入地层；二则对二叠系火成岩地层进行封堵，防止地层发生井漏；三则对大段泥页岩进行封堵，防止泥页岩水化后坍塌，保持井壁稳定。

钻井液体系流变性好，能够适应二开长裸眼井段快速钻进的要求，保证井眼净化，做到护壁防塌；能够适应三开水平段定向钻进的要求，在保证井眼净化的基础上，最大可能降低环空压耗，防止环空压耗过大造成井漏。

钻井液体系润滑性好，能够在二开长裸眼井段施工中保证起下钻顺畅；能够降低三开定向过程中产生的摩阻和扭矩，保证定向顺畅。

钻井液体系抗温性好，能够保证钻井液体系在高温下依然具有良好的流变性，即保证钻井液体系在高温下具有良好的悬浮携带能力，能够把岩屑携带出井眼。

2 钻井液体系配方

通过对国内超深井［1-5］及超深水平井［6-10］钻井液体系使用情况进行调研，并借鉴临近区块［11-15］钻井液施工经验，针对跃进区块地层岩性和钻井液体系选择思路，本文选择钾盐和胺基聚醇作为体系的抑制剂，选择磺化沥青和超细碳酸钙作为体系的封堵剂，选择磺化酚醛树脂、褐煤树脂和磺酸盐共聚物降滤失剂作为体系的降滤失剂。钾盐（KCl）中的K+和胺基聚醇［16］分子上多个独立的胺基可充填在黏土颗粒的晶层之间，并把它们束缚在一起，有效地减少黏土的吸水倾向，其抑制作用具有长效性，且抗冲刷能力强，保证钻井作业结束后也具有长时间的抑制效果；超细碳酸钙由不同微米粒径的刚性粒子组成，磺化沥青具有“软化点”，当地层温度和软化点相近时，磺化沥青变软，在超细碳酸钙的辅助下，封堵地层不同大小和不同形状的孔隙和微细裂缝，保持井壁稳定；磺化酚醛树脂、褐煤树脂和磺酸盐共聚物不但增强体系的抗温性，而且保证体系具有很强的抗盐抗钙能力，能够保证钻井液体系在高温作用及流体污染情况下依然具有良好的流变性［17］。

经过处理剂优选及性能优化，本文采用钾胺盐抗高温润滑防塌钻井液体系，其基本配方为（3.0%～4.0%）膨润土+（0.2%～0.4%）烧碱+（0.3%～0.5%）聚丙烯酸钾KPAM +（3.0%～5.0%）氯化钾+（0.5%～1.0%）胺基聚醇+（0.5%～1.0%）磺酸盐共聚物降滤失剂DSP-2 +（3.0%～4.0%）磺化酚醛树脂SMP-3+（3.0%～4.0%）褐煤树脂SPNH+（4.0%～6.0%）磺化沥青 +（3.0%～4.0%）超细碳酸钙+（3.0%～5.0%）油基润滑剂+（2.0%～4.0%）固体润滑剂。

3 现场应用

3.1 现场钻井液施工工艺

3.1.1 二开钻井液施工工艺

开钻前，在套管内循环钻井液，加入预水化膨润土浆，补充泥浆量，待钻井液循环均匀、性能稳定后开钻。

钻进过程中，加入胶液维护钻井液性能。上部地层疏松，每钻进100 m 补充胶液40 m3，胶液配方为0.2%烧碱+0.5%聚丙烯酸钾+1.0%胺基聚醇+1.5%铵盐；井深4 000 m后，根据地层消耗补充胶液，胶液配方为0.2%烧碱+0.2%聚丙烯酸钾+0.5%胺基聚醇+4%磺化酚醛树脂SMP-3+3%褐煤树脂SPNH。上部地层，加入2.0%超细碳酸钙，封堵上部疏松地层，防止形成虚厚泥饼；进入侏罗系，加入2.0%磺化沥青和1.0%超细碳酸钙，封堵地层孔隙及微细裂缝；进入三叠系，加入2.0%磺化沥青和2.0%超细碳酸钙，使之在井壁上形成致密泥饼；进入二叠系，继续加入1.5%超细碳酸钙和1.0%随钻堵漏剂，封堵地层大的裂缝，防止井漏。随着井深的增加，逐渐提高沥青的含量，并增加沥青的软化点，确保沥青的软化点和地层温度相匹配，保持钻井液能封堵地层孔隙和裂缝。

定期检测钻井液中Cl-的含量，保持Cl-质量浓度在15 000～20 000 mg/L，胺基聚醇的质量分数在0.5%以上。施工中逐渐补充降滤失剂，控制钻井液的滤失量，井深3 000 m 时，钻井液中压滤失量控制在10.0 mL；进入三叠系，继续补充降滤失剂，将中压滤失量控制在5.0 mL；进入二叠系，将高温高压滤失量控制在12.0 mL 以内，防止泥页岩水化，保持井壁稳定。上部地层，钻井液密度保持自然密度钻进；进入三叠系，密度控制在1.23～1.28 g/cm³；进入二叠系，密度维持在1.28 g/cm3，防止二叠系发生井漏；进入石炭系，密度维持在1.30 g/cm3，直至中完，保持井眼的力学平衡，保持井壁稳定。

施工过程中，一要注意起下钻摩阻和转盘扭矩情况，适时补充液体润滑剂。随着井深的增加，逐渐补充润滑剂，保证起下钻畅通无阻，保证钻进顺利。进入二叠系，加入1.0%液体润滑剂；进入志留系，加入1.5%液体润滑剂，增加钻井液体系的润滑性。二要合理使用固控设备。上部地层快速钻进期间，开动四级固控设备，降低钻井液中的劣质固相，保持钻井液体系的低黏低切状态；进入三叠系，钻井液密度提高后，加大振动筛筛布目数，并间断启动离心机，净化钻井液，保证钻井液体系流变性稳定。

此外，工程中需要密切配合，上部地层钻进过程中，保证大排量，提高环空中钻井液的上返速度，增加井眼的净化效果；井深4 000 m后，降低泵排量，防止冲刷井壁；每钻进1 000 m 进行一次短起下钻，刮掉吸附在井壁上的虚厚泥饼，畅通井眼；每次下钻时，分段开泵顶通钻井液，避免在二叠系易漏地层开泵，开泵时先小排量顶通，再慢慢提高至正常排量；控制起下钻速度，防止起下钻速度过快导致过大的激动压力造成井壁失稳。中完后，配制稠钻井液净化井眼；用牙轮钻头通井，待上提下放钻具无显示后大排量循环两周钻井液；振动筛无明显返砂后，配制润滑封井浆封闭下部4 000 m 裸眼段，保证电测顺利；电测后通井循环，然后进行短起下钻，井眼畅通后配制润滑封井钻井液封闭井下3 000 m 裸眼段，保证下套管顺利进行。

以跃进3-5H 井为例，二开钻井液性能控制见表1。

表1 二开钻井液性能控制情况

3.1.2 三开钻井液维护处理工艺

预处理：使用二开井浆钻水泥塞；充分循环钻井液，开动四级固控设备，除去钻井液中劣质固相；补充1%磺化酚醛树脂SMP-3、2%褐煤树脂SPNH、1.5%磺化沥青和2%油基润滑剂，充分循环，待钻井液性能符合设计后开钻。

开钻后，控制钻井液密度在设计下限；定向造斜及稳斜钻进时，逐渐提高钻井液密度；至水平段钻进时，控制钻井液密度在设计上限，保持井眼的力学平衡，稳定井壁。钻进过程中，加入胶液维护钻井液性能，胶液配方为0.25%聚丙烯酸钾KPAM+0.5% 磺酸盐共聚物降滤失剂DSP-2+0.5%胺基聚醇，控制钻井液流型为层流，保持钻井液体系具有合适的黏度和切力，提高井眼的净化效果。使用磺化酚醛树脂SMP-3、褐煤树脂SPNH 和磺酸盐共聚物降滤失剂DSP-2 调控钻井液的滤失量，确保中压滤失量小于2.0 mL，高温高压滤失量低于12.0 mL，以减缓滤液在高温高压环境向地层渗透。保证钻井液中磺化沥青的含量在4.0%，超细碳酸钙的含量在2.0%，使之在井壁形成良好泥饼；定期补充8%预水化膨润土浆，调整钻井液体系中的颗粒级配，增强钻井液体系的封堵性。定向钻进时，加入2%固体润滑剂，降低定向过程中产生的摩阻和扭矩；随着井斜的增大，逐步加大油基润滑剂的含量，保证其含量达到5%，配合适当固体润滑剂，防止黏卡等复杂情况的发生。

施工过程中，随着斜井段的增加，钻具紧靠下井壁运行，摩阻逐渐增大，定向至水平段后，岩屑逐渐沉降在下井壁，形成岩屑床，摩阻变得更大。工程上根据摩阻的变化情况及振动筛返砂情况，每钻进50 ～100 m 进行起下钻，及时破坏岩屑床，确保井下安全。合理使用固控设备，振动筛、除砂器和除泥器使用率达到100%；间断使用离心机，减少钻井液中的有害固相。

完钻后，充分循环钻井液，确保井眼净化后，泵入润滑封井浆封闭整个裸眼井段，确保电测顺利，其中的封井浆配方为井浆+1.0%磺化酚醛树脂SMP-3+1.0%褐煤树脂SPNH+2.0%油基润滑剂+1.0%固体润滑剂。

以跃进3-5H 井为例，三开钻井液性能控制见表2。

表2 三开钻井液性能控制情况

3.2 应用效果

1）抑制性好，有效解决了奥陶系桑塔木组大段泥页岩水化膨胀导致井壁失稳的难题，施工中井壁稳定，起下钻畅通无阻，定向过程中摩阻和扭矩低。

2）封堵能力强，有效解决了二叠系火成岩、志留系柯坪塔格组和奥陶系桑塔木组层理孔隙发育导致井壁失稳的难题，施工中井壁稳定，振动筛返砂正常，全井无复杂事故发生。

3）中完作业顺利，下套管作业顺利，电测一次成功率达到100%，电测显示井身质量为优秀。

4）抗温性好，三开定向过程中钻井液流变性稳定，钻井液体系悬浮携带能力强，井眼净化效果好，无岩屑床形成。

5）机械钻速高，和前期已经完钻的8 口井相比，应用该钻井液体系的5 口井钻完井周期明显缩短，平均机械钻速明显提高（见表3），达到了提速增效的目的。

表3 跃进区块钻完井时效比较

4 结论

跃进区块属超深水平井，二开裸眼段长，必须根据不同地层岩性维护钻井液性能，保证钻井液体系的抑制性和封堵性。该区块井底温度高，必须保证钻井液体系的抗温性，确保小井眼施工中具有良好的流变性。

通过跃进区块地质岩性分析，提出了钻井液体系优选思路，研发了钾胺盐抗高温润滑防塌钻井液体系，并在跃进区块5 口井进行了现场应用，取得了良好的应用效果，钻完井周期明显缩短，平均机械钻速明显提高，为该区块后续勘探开发提供了技术保障。