致密油水平井用高效封堵油基钻井液体系的研制与应用

高文龙

中国石油集团长城钻探工程有限公司，北京 100020

随着我国油气勘探开发工作的深入开展，非常规资源的勘探开发越来越受到人们的重视，而致密油已成为非常规油气勘探开发的热点［1-3］。由于致密油地层的特殊性，水平井钻进过程中水平段较长，井壁失稳、摩阻大、携岩困难及地层污染问题突出。常规的水基钻井液在钻井过程中容易发生井壁坍塌、卡钻及井漏等复杂情况，难以满足致密油地层钻井工程的需要，因此制约了致密油的勘探与开发。目前，国内外的油基钻井液技术已经成为钻探致密油地层的一种重要技术手段，并已规模化应用［4-6］。因此，为了降低致密油勘探开发成本，需要强化油基钻井液封堵防塌技术，保证长裸眼井段水平井高效、安全施工。本研究基于此思路，开发新的钻井液体系，并进行现场应用测试，以期进一步推广应用 。

1 高效封堵油基钻井液关键处理剂优选

1.1 封堵剂的优选与评价

根据辽河油区致密油地层实际情况，室内实验选取国内外常用的5 种微纳米封堵材料：乳化沥青、改性硅粉、超细碳酸钙、NANO、SEALTER，利用激光粒度分析仪对封堵材料进行粒度分析，确保封堵材料粒度与地层岩石的孔缝相匹配，结果如表1所示。

表1 微纳米封堵材料粒度分布

由表1 可知：SEALTER 粒度分布为0.15～20 μm，满足致密油地层裂缝开度范围的封堵需求。根据材料本身刚性和塑性特征进行复配，选用乳化沥青和SEALTER 进行正交设计确认组合配方，结果如表2所示。

表2 SEALTER和乳化沥青正交组合

将设计配方分别加入油基基浆中，利用高温高压动态滤失仪分别测定不同封堵配方在流体高速剪切条件下的封堵性能，设定温度150 ℃、压差5 MPa、转子剪切速率300 r/min，根据实验结果，绘制高温高压状态下累计滤失量图，结果如图1所示。

图1 不同体系高温高压状态下累计滤失量

由图1 可知：基浆+4%SEALTER+4%乳化沥青配方在高速剪切条件下高温高压动态滤失量最低，说明该油基配方在SEALTER 与乳化沥青的组合中随钻封堵效果最好。

1.2 地层矿化度分析与评价

对于致密油地层，泥页岩的初期分散速度大于后期，当滤液侵入后，需要及时采取措施控制水活度，确保地层稳定和钻探安全。通过取样及测试，采用瑞士Labswift 活度仪测得辽河油区沙四组地层流体活度为0.578～0.644，此活度偏低。因此，有针对性地调整油基钻井液中氯化钙水溶液浓度，使钻井液活度为0.58～0.62，确保钻井液与地层流体之间的活度平衡。

1.3 润湿剂的优选与评价

由于油基钻井液体系本身的热力学不稳定特性，而且重晶石和岩屑等表面亲水材料极易引起钻井液体系稳定性、流变性、滤失量的变化，因此，需要使用润湿剂将亲水惰性材料的表面特性转变为亲油性，才能提高油基钻井液体系的稳定性。分别利用润湿剂WET-1、WET-2 和WET-3 配制油基钻井液，钻井液基本配方为2.5%有机土+1.5%乳化剂+1%润湿剂+4%氧化钙+重晶石，考察润湿剂对钻井液性能的影响，结果如表3所示。

表3 润湿剂对油基钻井液的影响

由表3 可知：加入润湿剂WET-3 的油基钻井液体系，其高温高压滤失量（FLHTHP）低于加入WET-1、WET-2 的钻井液体系，说明加入WET-3的钻井液体系抗温性更好。从电稳定性（ES）可以看出，加入WET-3的油基钻井液体系乳液稳定性更好。综合各项性能的测试结果，与其他湿润剂［7-8］相比，润湿剂WET-3 具有更好的配伍性，它能有效转变重晶石的表面特性，控制油基钻井液流变性的同时兼具良好的抗温性能。

2 高效封堵油基钻井液体系性能评价

2.1 流变性及热稳定性能评价

辽河油田西部凹陷地层温度较高，最高地温可达138 ℃，考虑井底钻具反复研磨生热情况，选用密度为1.7 g/cm3的高效封堵油基钻井液进行热稳定性能评价，钻井液基本配方为2.5%有机土+1.5%乳化剂+1%润湿剂+4%SEALTER+4%乳化沥青+4%氧化钙+重晶石，结果如表4所示。

由表4 可知：室内研制的高效封堵油基钻井液经过150 ℃、16 h 高温老化后流变性波动范围小，其高温高压滤失量仅为2.5 mL，表现出较好的热稳定性。

2.2 化学抑制性能评价

由致密油地层矿物分析得知，该层位黏土矿物分布广泛，蒙脱石、伊利石大量发育，室内取用沙四段2 900 ～3 100 m 样品25 g，通过滚动回收率实验对高效封堵油基钻井液的抑制性能进行测试，并与本地区常用的2 种水基钻井液聚磺钻井液、抗温聚合物钻井液的抑制性能进行比较，结果如表5 所示。其中，M1为一次滚动后剩余岩屑质量，M2为二次滚动后剩余岩屑质量；R1为一次滚动回收率，R2为二次滚动回收率，R2/R1为相对滚动回收率。

表5 不同钻井液体系的岩屑滚动回收率比较

由表5 可知：岩屑在水基钻井液中的一次滚动回收率均低于50%，二次滚动回收率均低于15%。岩屑在高效封堵油基钻井液中的一次滚动回收率及二次滚动回收率均远高于水基钻井液体系，相对滚动回收率高达90.8%。因此，油基钻井液的抑制能力适用于致密油储层长期稳定开发。

2.3 抗污染性能测试

致密油开发属于新层位预探，具有钻井周期不定及钻探难度大等特点，需要考虑钻井液体系在地层水、钻屑污染前后性能变化情况。在5%地层水、5%岩屑污染后，应用油水比85∶15、密度1.7 g/cm3的油基钻井液体系，对其抗污性能进行评价，油基钻井液基本配方为2.5%有机土+1.5%乳化剂+1%润湿剂+4%SEALTER+4%乳化沥青+4%氧化钙+重晶石，结果如表6 所示。由表6 可知：与文献［9-10］结果相比，本研究开发的钻井液体系被地层水、岩屑污染后，其性能仍保持稳定，抗污染能力较好，可以保证预探层位的长期持续钻探。

表6 不同钻井液体系的抗污染能力评价

3 现场应用

将高效封堵油基钻井液在辽河油田西部凹陷预探井SHY-1 井开发过程中进行了现场应用。根据该地区邻井已完钻井的资料梳理及取样岩性分析得知，本区块沙河街组地层岩性比较复杂，泥岩、油页岩、白云质灰岩等发育，正压钻井中自由水的侵入易引发泥页岩的水化、膨胀，导致井壁掉块、坍塌和漏失等井下复杂情况。邻井复杂情况统计和分析表明，在沙四段经常出现起下钻遇阻、大段划眼及卡钻等井下复杂情况。同时，SHY-1井地层岩性复杂，横向变化快，井斜较大、位移长，为保证储层钻遇率，钻进过程中需要不断调整井眼轨迹，导致井眼不平滑，易形成岩屑床；施工时摩阻高、扭矩大，易托压，并导致其他复杂情况发生。

针对以上问题，现场应用前在SEALTER 与乳化沥青的基础上，加入纳米封堵材料强化油基钻井液的封堵效果，提高封堵防塌性能；加入有机褐煤降滤失剂改善泥饼质量和流变性能，使泥饼更加致密，降低高温高压滤失量；加入流型调节剂改善体系低温条件下流变性能，以适应冬季低温施工。SHY-1 井使用的高效封堵油基钻井液基本性能如表7所示。由表7可知：高效封堵油基钻井液体系在该井的现场应用中表现突出，满足了该井的应用需求，为致密油地层钻井提供了技术支撑。第一，应用过程中体系性能稳定，在冬季低温条件下，长时间静止或频繁起下钻时流变性基本不变，未出现低温静止增稠现象，同时油基钻井液乳化稳定性、携岩性能等各项性能良好。第二，体系具有良好的微纳米裂缝封堵性能，能够有效抑制泥页岩的水化膨胀，防塌效果显著，钻进过程中井壁未发生化学失稳现象，在长裸眼水平段施工过程中，并未出现由于频繁起下钻导致的井塌和掉块等复杂情况，油基钻井液极强的抑制性保持钻井过程中返出岩屑棱角分明。第三，油基钻井液最长静止时间达112 h，开泵正常，钻井液返出状态良好，显示出钻井液良好的沉降稳定性；完钻通井及三趟电测均顺利到底，说明在井眼轨迹频繁调整的条件下，井眼依然稳定、通畅。

表7 高效封堵油基钻井液现场应用性能评价

4 结论

1） 建立了高效封堵油基钻井液体系，基本配方为2. 5%有机土+1.5%乳化剂+1%润湿剂+4%SEALTER+4%乳化沥青+4%氧化钙+重晶石，研究发现：该钻井液体系的封堵性能良好，同时具有良好的乳化稳定性和沉降稳定性。

2） 针对致密油储层埋藏较深、地温高的情况，高效封堵油基钻井液体系抗温达到150 ℃，抗污染能力、抑制能力均能满足黏土矿物大量发育的致密油地层长水平段钻进需求。

3） 现场应用结果表明，该技术可有效解决致密油地层井壁失稳的难题，为非常规油气资源安全高效开发提供有力的技术支撑。