川西高廟子防塌鉆井液技術研究及應用

李麗 劉偉

（1.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川德陽 618000；2.中國石化西南油氣分公司工程技術管理部，四川德陽 618000）

川西高廟子防塌鉆井液技術研究及應用

李麗1劉偉2

（1.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川德陽 618000；2.中國石化西南油氣分公司工程技術管理部，四川德陽 618000）

高廟地區施工井普遍出現長井段井壁失穩，影響安全順利成井。通過實鉆、測井分析，在室內試驗基礎上，明確了該地區井壁失穩層位。通過抑制封堵劑種類優選、加量優化和鉆井液密度合理取值等研究，形成一套防塌鉆井液技術，并在兩口高廟水平井中進行了成功應用?，F場應用表明，通過強化鉆井液抑制封堵性，能使施工井的起下鉆時間和下套管前通井時間有效縮短，提高鉆井時效，降低復雜事故率。

高廟子構造 井壁穩定 鉆井液 防塌技術

0 引言

川西坳陷高廟子構造位于川西坳陷中段孝泉―豐谷NEE向大型隆起構造帶的東段，主要分布在合興場構造區和豐谷構造區之間，沙溪廟組是該區的主要含氣層，主要砂組中JS33-2為主力開發層，砂體總體呈北東向展布。

高廟子實鉆井施工中最常見的復雜工況主要是遇阻卡、劃眼掉快，如GM2井第二次開鉆井段發生長段劃眼，返砂量達35 m3以上，劃眼時間超過12 d；GM103D井鉆至3 311.31 m，井下發生井下垮塌，后填井側鉆，后鉆進恢復至原井深，耗時64.65 d。井壁失穩是高廟地區鉆井施工面臨的主要技術難題。

1 高廟地區失穩因素分析

高廟地區實鉆井井徑分析顯示（圖1），高廟區塊易失穩層段主要集中在沙溪廟組，尤其以上沙—下沙交界和下沙層段為主。

圖1 GM2井和GM4井井徑對比圖

失穩巖石中黏土礦物含量為29%～47%，非黏土礦物以石英為主，斜長石、方解石次之，由于石英、長石為脆性礦物，易于形成裂縫。黏土礦物中不含有蒙脫石，以伊利石和綠泥石為主，高嶺石次之，其中伊/蒙混層含量為3%～15%，間層比為15%。圖2為掃描電鏡顯示，局部地方黏土排列具有一定方向性，易于剝裂；泥巖表面有較多微裂縫和微孔，局部發育溶蝕孔隙。高廟區塊沙溪廟組失穩泥頁巖在蒸餾水中滾動回收率為69.14%，屬于硬脆性泥頁巖中的4～5類，即良好定向不易膨脹分散泥頁巖—高度定向低膨脹弱分散泥頁巖類［1］。

圖2 GM33-4井電鏡掃描圖

高廟區塊井壁失穩機理為力學和化學的耦合作用，其中力學失穩作用明顯：①高廟子構造屬于應力敏感區域，蓬萊鎮組中下部—須五段地層坍塌壓力主體高于地層孔隙壓力，低于地層破裂壓力，安全鉆井液密度窗口下限受控于地層坍塌壓力，上限受控于破裂壓力。從GM2井和GM4井的施工情況可以看到，當第三次開鉆井眼施工井尺僅12 m就發生井壁失穩，顯示出顯著的力學失穩特征；②蓬萊鎮—沙溪廟組泥巖黏土礦物以伊利石和綠泥石分散性黏土礦物為主，泥巖自身微裂縫發育，當巖石浸泡于鉆井液中時，不會迅速發生膨脹和變軟，但隨著鉆進時間延長，鉆井液濾液沿微裂隙侵入，減弱泥巖之間的結合力，降低巖石強度，導致掉塊垮塌。

2 井壁穩定鉆井液技術研究

針對高廟地區井壁失穩因素，高廟地區井壁穩定采用物化封固井壁阻緩壓力傳遞—加強抑制水化—化學位活度平衡—合理密度的有效應力支撐”的“多元協同”技術［2］。

2.1 抑制劑優選

K+的無機鹽有KCl、K2SO4和K3PO4，在聚磺漿中加入不同鉀鹽和石灰的配比，室內實驗漿的基礎配方為：3%NV-1＋0.3%FA367＋0.2%XY-27＋2% SMC＋3%SMP-2＋1%SMT＋2%FT-342＋適量BaSO4，密度為1.8 g/cm3，如表1所示。試驗漿體中加入3種鉀鹽＋生石灰復配抑制劑后，鉆井液滾動回收率提高明顯，其中KCl、K2SO4性能較優。相比Cl-和SO42-離子，PO43-離子嚴重影響聚磺鉆井液的濾失性能，使聚磺漿80℃老化后濾失量上升至35 mL，兼顧性能和經濟性評價考慮，選擇KCl和生石灰作為抑制劑。

表1 不同鹽類中試驗漿滾動回收率對比評價表

2.2 KCl加量優選

隨K+濃度增加，鉆井液滾動回收率逐漸增加，當K+濃度超過15 500 mg/L后，鉆井液滾動回收率超過90%，隨K+濃度繼續增高，滾動回收率變化緩慢。當KCl加量超過7%后，鉆井液濾失量劇增，濾失性能不可控，因此控制KCl加量4%～5%。

2.3 封堵劑優選

2.3.1 高壓砂床實驗評價

對目前常用的封堵劑如納米乳液、超細碳酸鈣、FGL等進行室內評價，室內評價采用了高壓（5 MPa）砂床測試方法，測試步驟：先將500 g河砂（20～40目）裝入高壓濾失杯，再加入適量測試漿；將壓力從0增加至0.7 MPa，穩壓30 min；然后在60～90 s內將壓力從0.7 MPa增加至5 MPa；在5 MPa下穩壓30 min，觀察試驗漿承壓情況，較常規的砂床實驗而言，能夠定量測試鉆井液的封堵抗壓性。

表2顯示現場取樣井漿通過石英砂床，隨即擊穿砂床發生漏失，顯示井漿無法在石英砂床快速有效地形成封堵層；其中碳酸鈣、井眼強化封堵劑和FGL能在5 MPa下承壓30 min無漏失。由于碳酸鈣作為架橋離子增大了井漿的粒徑尺寸；井眼強化封堵劑中的纖維及可膨脹樹脂復合物可有效填充地層裂縫；FGL（多軟化點瀝青）粒徑分布較寬，加入井漿后可使井漿的整體粒徑降低，但由于其能變形封堵，有利于封堵地層中不同縫寬的裂縫。

表2 井漿中加入封堵劑后粒徑分布及高壓砂床實驗評價表

2.3.2 變形封堵劑不同溫度下濾失評價

由于變形封堵劑與溫度關系密切，室內對瀝青和乳化石蠟的封堵劑進行了不同溫度下的作用效率評價。在實驗漿中加入不同變形封堵劑，然后在60℃、90℃、120℃下測試實驗漿的高溫高壓濾失量，通過濾失量的變化描述不同變形封堵劑發生有效作用的溫度范圍。實驗漿配方：3%膨潤土＋0.12%純堿＋0.4MMAP＋3%SMC＋3%SMP-1＋1%SMT。

表3的實驗結果顯示，變形封堵劑能顯著降低實驗漿高溫高壓濾失量，3種變形封堵劑在井漿溫度60～90°使用時效果均較好，而當井漿溫度升至120℃時，FGL、FT342效果更優。

表3 3種變形封堵劑濾失量數據對比表

2.4 合理密度值分析

圖3顯示，在前期施工復雜井中如CG561、GM2、GM3、GM103井等井中，上沙溪廟和下沙溪廟鉆井液密度普遍低于后期施工井，同時復雜施工井在下沙溪廟井段密度調整幅度大；而施工較順利的井，下沙溪廟井段鉆井液密度值變動范圍較小。鑒于上沙溪廟井段為易塌井段，進入上沙溪廟組時，推薦鉆井液密度值達1.85 g/cm3，進入下沙溪廟組時，推薦鉆井液密度值提至設計高限值，維持鉆井液施工密度值，降低鉆井液密度值的變化對井壁穩定的影響。

圖3 上沙溪廟組鉆井液統計值圖

3 現場應用

高廟防塌鉆井液技術在GM33-5HF井和GM33-6HF井進行了現場應用，兩口井均為開發水平井，完鉆層位沙溪廟組（J2x），目的層為JS33-2?，F場采用的鉀石灰體鉆井液體系中KCl加量4%～5%，并保證了濾液中K+高于15 500 mg/L；上部井段采用FDFT-1、FT342、FGL封堵劑，水平井主要使用了FGL封堵劑，進入上沙前在強化鉆井液封堵性的情況下，將鉆井液密度提至1.85 g/cm3以上。

表4的室內評價顯示兩口井的滾動回收率均超過90%，失穩巖樣在GM33-6HF井鉆井液中24 h后滾動回收率為92.18%，32 h后滾動回收率為92.12%，幾乎無變化，顯示鉆井液抑制防塌性能較強。

現場應用表明，防塌鉆井液技術有利于井壁穩定，能有效降低復雜事故率（井壁失穩、卡鉆等）［3］。前期高廟地區水平井的復雜事故率為3.76%，而GM33-5HF井和GM33-6HF井均未發生復雜事故，安全順利鉆至目的井深。

防塌鉆井液也有利于起下鉆具和套管，前期完鉆井平均井深3 650 m，平均起下鉆時間292.3 h，下套管前通井時間103 h，而實驗井的平均井深3 739 m，其中平均起下鉆時間258.5 h，下套管前通井時間30.5 h，

表4 實驗井的滾動回收率數據表

時間縮短效果明顯，顯示出良好的井筒條件。

4 結論與建議

1）高廟子構造的失穩機理為力學和化學的耦合作用，其中力學是主要因素，而失穩層段主要集中在沙溪廟組。

2）沙溪廟組需采用合理的鉆井液密度值，推薦采用不低于1.85 g/cm3的鉆井液密度值進入上沙溪廟，進入下沙前將鉆井液度值提至高值，但在提密度前，須加強鉆井液的封堵性能，降低高密度下的濾液對薄弱地層的入侵。

3）高廟子防塌鉆井液性能優異，能有效提高施工井的鉆井時效和降低復雜事故率。

［1］雷又層，向興金.泥頁巖分類簡述［J］.鉆井液與完井液，2007，24（2）：63-66.

［2］邱正松，徐加放，呂開河，等.“多元協同”穩定井壁新理論［J］.石油學報，2007，28（2）：117-119.

［3］賈濤，劉軍，韓喜正，等.高平3井強抑制強潤滑鉆井液體系研究與應用［J］.天然氣技術與經濟，2011，5（6）：43-45.

（編輯：李臻）

B

2095-1132（2016）06-0027-03

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.06.008

修訂回稿日期：2016-11-08

李麗（1978-），女，工程師，從事鉆井液設計與研究工作。E-mail：ilovemyfamiliy@163.com。