川西高廟111水平井水基鉆井液技術

王忠瑾，司西強，陸為綱，孫書芳，王繼海，任忠新，王華梁

1.中國石化中原石油工程有限公司 鉆井工程技術研究院，河南 濮陽 457001；2.中國石化中原石油工程有限公司 鉆井二公司，河南 濮陽 457001

高廟111水平井是西南油氣分公司在四川盆地川西坳陷新場構造帶高廟子構造布置的一口套管開窗側鉆三維水平井。高廟111井二開尾管完井，已完成壓裂改造，求產期間產氣3 456.77 m3，根據鉆探任務進度安排，基于現有地質認識和工程工藝技術對高廟111井進行開窗側鉆，側鉆點1 700 m，設計垂深2 599 m、斜深3 782 m，實際完鉆井深3 540 m(水平段636.72 m)，實際側鉆井段1 700～3 540 m，裸眼段長達1 840 m，整個裸眼段包含了遂寧組、上沙溪廟組和下沙溪廟組等多套易坍塌掉塊層位，井壁失穩風險大。在鄰井施工過程中，遂寧組和沙溪廟組泥巖及泥沙互層頻繁發生井壁失穩坍塌掉塊，形成“大肚子”井眼，后期施工砂子難以及時帶出，形成砂床，導致起下鉆遇阻，頻繁劃眼，電測下套管困難，甚至對鉆井安全、固井質量及后期的儲層評價和開發產生了較大的影響。針對上述問題，在現場氯化鉀聚合物鉆井液體系基礎上，引入泥頁巖抑制劑支化聚醚胺[1]，提高瀝青類封堵劑含量加強鉆井液封堵性能，形成一種強抑制的封堵防塌鉆井液體系，并在高廟111水平井進行了應用，有效解決了鄰井普遍存在的井壁失穩難題。

1 地質工程概況

1.1 地質巖性描述

高廟111水平井從1 700 m開窗側鉆，鉆遇遂寧組、上沙溪廟組和下沙溪廟組，實鉆巖性分層描述如表1所示。

表1 高廟111井巖性分層描述

1.2 工程概況

本井是利用高廟111井進行的開窗側鉆水平井，開窗工藝采用斜向器+銑錐開窗方式，開窗確定方位要求采用陀螺測量。結合高廟111井實鉆井身結構，水平段采用Φ215.9 mm鉆頭開窗側鉆。為提高側鉆可靠性，開窗前在封隔器以上2 350～1 941.63 m井段擠打水泥塞封堵原井眼139.7 mm套管內井段，在244.5 mm套管內1 941.63～1 600 m井段打懸掛器位置水泥塞及側鉆水泥塞，采用憋壓候凝方式，在水泥塞承重試壓合格后、做井筒準備工作，下掃塞鉆具掃塞至開窗點以下(預留斜向器座掛位置)。刮管通井后下入斜向器至井深約1 700 m，定位后進行銑錐鉆具進行開窗、修窗及試鉆進5 m，然后下入常規鉆具組合盲打±15 m，井筒處理合格后再換正常鉆進鉆具進行造斜作業。高廟111水平井井身結構如圖1所示。

圖1 井身結構設計示意圖

2 主要技術難點

2.1 地層壓力系數高

本井地層壓力系數達1.8，設計鉆井液密度達2.05 g/cm3，根據高廟區塊鄰井實鉆情況，實鉆鉆井液密度達2.10～2.15 g/cm3。高密度鉆井液固相含量高，既要求處理劑加入鉆井液中具有較低的高溫高壓濾失量以及較好的抗污染能力，又要求鉆井液具有較好的流變性及沉降穩定性，加之鉆井過程中劣質鉆屑積累導致鉆井液固相控制更加困難，易造成鉆井液黏度、切力大幅上漲且不穩定，流型調節難度大。

2.2 地層造漿嚴重

鉆遇遂寧組和上沙溪廟組，根據鄰井高沙311HF井、高廟32-1井等井的現場施工情況看，該區塊地層以泥巖發育為主，地層造漿嚴重，易造成鉆井液搬含上漲而導致鉆井液黏切上漲難以控制，造成后期維護處理頻繁，工作量大，泥漿成本偏高。地層易造漿特性要求鉆井液具有較強的抑制性能。

2.3 地層巖性交錯，井壁穩定要求高

本井從遂寧組開始造斜，鉆穿上沙溪廟組，在下沙溪廟組著陸。鉆遇地層主要為棕紅色(粉砂質)泥巖夾淺灰、(泥質)粉砂巖，淺灰色細粒巖屑砂巖，紫棕色泥巖與淺灰、淺綠灰色細粒巖屑砂巖，粉砂巖不等厚互層等，巖性變換交錯。地層中的泥巖易吸水膨脹剝落掉塊，對鉆井液的防塌能力提出了更高的要求。鄰井高沙311HF下鉆至井深1 973 m開始遇阻，循環劃眼時返出大量泥餅和掉塊；鉆進至井深2 300 m時循環起鉆至井深2 180 m遇阻倒劃眼；一開中完通井下鉆在井段2 030～2 300 m遇阻。下鉆至2 840 m(下沙溪廟組)、起鉆至2 890 m分別遇阻。高廟33-4HF井鉆至2 300～2 800 m處，出現較為嚴重的井塌現象，從振動篩返出的掉塊最大達100 mm×90 mm×30 mm。

2.4 裸眼段長，井眼軌跡差，對潤滑性要求高

本井為一口開窗側鉆三維水平井，為了避開原井眼，設計井眼軌跡復雜，本井AB靶連線方位198.83°，側鉆點1 700 m，位移9.32 m；軌跡需要先向310°方向增斜，在井深1 920 m處井斜增至28.57°，走側向位移61.30 m；再在井深2 160 m將井斜降至17°，方位252°；然后在井深2 390 m再將井斜增至28.57°，方位降至198.83°調整至對靶點方位，走側向位移82.58 m。定向段反復增、降井斜，繞障扭方位，軌跡復雜，這就要求鉆井液具有更好的泥餅質量及潤滑性能，能有效降低摩阻與扭矩，滿足造斜段和水平段的安全施工。

3 鉆井液技術對策

現場鉆井液配方：2%～3%預水化膨潤土漿+1%～2%降濾失劑(Lv-CMC和HP)+0.5%～1%銨鹽+0.2%～0.5%固相化學清潔劑ZSC201+1%～2%樹脂褐煤HA+1%～1.2%磺化瀝青FT-1+3%～4%氯化鉀+燒堿+重晶石(根據實際情況添加)。根據現場鉆井液配方來看，鉆井液具有一定的抑制防塌能力，但是針對高廟子區塊的復雜情況，鉆井液難以控制泥巖的水化分散，不足以保障井壁穩定。針對這種情況，在現場鉆井液中引入一種新型泥頁巖強抑制劑支化聚醚胺PEA-1產品，加量為0.3%～0.5%，將氯化鉀及銨鹽加量適當提高，加強鉆井液抑制防塌性能，并且提高磺化瀝青加量并復配膏狀乳化瀝青增強鉆井液封堵性能。

3.1 鉆井液抑制性

在現場氯化鉀聚合物鉆井液體系中加入0.3%～0.5%支化聚醚胺PEA-1產品，提高鉆井液抑制性能。支化聚醚胺PEA-1是由中原石油工程公司鉆井工程技術研究院原創研發的一種新型胺基抑制劑，該產品含有多個胺基吸附基團，抑制黏土水化分散效果突出，它能夠隨濾液進入近井壁地帶，拉緊黏土晶層間距，防止井壁坍塌；在較低加量條件下具有極強的相對抑制率，同等加量條件下比市售聚胺基抑制劑相對抑制率高。支化聚醚胺PEA-1在200 ℃下相對抑制率如圖2所示。

圖2 不同產品的相對抑制率對比

由圖2可知：在0.3%加量條件下，市售聚胺基抑制劑相對抑制率為85.58%，而支化聚醚胺PEA-1相對抑制率高達99.28%，相同條件下PEA-1能夠起到更好的抑制防塌作用。適當提高氯化鉀及銨鹽含量，減少PEA-1消耗，在維持鉆井液具有較強抑制性能的同時降低成本。

3.2 鉆井液封堵性

調研了鄰井的鉆井施工情況，多數井在上沙溪廟組和下沙溪廟組交接地層，巖性變化大，加之下沙溪廟組結構疏松，發生泥巖吸水膨脹、剝落掉塊形成“大肚子”井眼，造成遇阻和卡鉆等井下復雜事故。在加強鉆井液抑制性能的同時，必須加強鉆井液的封堵性能。室內優選出膏狀乳化瀝青，在鉆至下沙溪廟前100 m，使用乳化瀝青及磺化瀝青對地層進行封堵，加量均在2%～3%。此外，根據施工過程中鉆井液的MBT數值，可以適當補充預水化的優質膨潤土漿，采用Bettersize2000激光粒度儀測試預水化的4%膨潤土漿黏土顆粒D50值為5.429 μm，具有很好的封堵特性，與乳化瀝青和磺化瀝青配合使用，能夠很好地提高鉆井液的封堵能力和濾餅質量。

3.3 鉆井液潤滑性

高廟111水平井設計裸眼段長達2 082 m，加之井眼軌跡設計復雜，對鉆井液潤滑性能要求高。本井擬采取兩方面措施來降低摩阻和扭矩。一方面補充2%～4%液體潤滑劑增加鉆井液潤滑性能，另一方面通過加入乳化瀝青、磺化瀝青、小分子降濾失劑和石墨等處理劑來提高濾餅質量，使形成的濾餅薄而韌且致密。

4 現場應用

4.1 鉆井液維護措施

1)在現場鉆井液中加入支化聚醚胺PEA-1前先做小型實驗，確定PEA-1與現場鉆井液的配伍性能以及加量，現場鉆井液加入PEA-1前后性能如表2所示。

表2 小型實驗及現場鉆井液加入PEA-1前后性能

由表2可以看出：支化聚醚胺PEA-1加量為0.3%～1.0%時，小型實驗對現場鉆井液流變性能及濾失量基本無影響，現場加入時按照循環周加入0.3%的PEA-1產品，加入前后實測鉆井液性能無變化，支化聚醚胺與現場鉆井液適應性較好。

2)鉆井液密度。根據導眼井高廟111井實鉆經驗及井下實際情況，適當提高鉆井液密度。

3)鉆井液流變性能。①采用密度4.2 g/cm3的優質重晶石作為加重劑，減少人為引入劣質固相進入鉆井液；②引入泥頁巖強抑制劑支化聚醚胺PEA-1，有效抑制泥巖鉆屑水化分散，使搬土含量控制在20～30 g/L；③及時補充氯化鉀、銨鹽、樹脂和小分子聚合物等配制的加重膠液，利于控制鉆井液流型，增強鉆井液抑制性的同時減少支化聚醚胺的消耗；④在遂寧組和上沙溪廟組適當提高ZSC-201含量，該處理劑具有較好的抑制增效作用。在有效加量范圍內對鉆井液濾失量和流變性等影響小，能有效抑制泥頁巖的水化膨脹分散，清除鉆井液中的有害固相，減少鉆井液中的亞微米粒子含量，保證鉆井液清潔[2-5]。⑤及時掏沉沙罐，振動篩采用孔徑小于0.076 mm的篩網，合理使用高低速離心機，除去鉆井液中的有害固相，保證鉆井液清潔。

4)鉆井液潤滑性能。①本井在造斜段加入3%～4%改性油酸酯類潤滑劑；②提高鉆井液潤滑性不僅可以通過加入潤滑劑來提高，提高濾餅質量也是降低定向、起下鉆摩阻的一種有效手段。本井在施工過程中加入乳化瀝青、磺化瀝青、石墨和樹脂等處理劑來提高濾餅質量。

5)鉆井液封堵性能。上部遂寧組泥巖段地層鉆進期間，適當加入磺化瀝青FT-1和超細鈣等加強鉆井液封堵性能即可，減少鉆井液消耗；鉆至上沙溪廟組，補充1%～1.5%乳化瀝青等加強鉆井液封堵性能；鉆至下沙溪廟組前50～100 m，提高乳化瀝青和磺化瀝青FT-1含量，進一步提高鉆井液封堵性能，保障交接層面泥沙互層的井壁穩定。

6)短起下。上部泥巖地層，每鉆進150～200 m，進行一次短起下，及時破壞井壁上的軟泥餅，防止縮徑；下部泥沙互層、砂層，每鉆進100～150 m進行一次短起下，及時清理井壁的細砂，降低摩阻和扭矩，防止憋鉆、卡鉆。

4.2 應用效果

1)井壁穩定。本井的強抑制防塌鉆井液體系具有良好的抑制鉆屑水化分散的能力，振動篩返出的沙溪廟組鉆屑完整(圖3)。在鉆進過程中，遂寧組、上沙溪廟組及下沙溪廟組井壁穩定，未見任何掉塊；而原高廟111井眼鉆至遂寧組和上沙溪廟組，井壁失穩，從振動篩返出大量掉塊(最大110 mm×50 mm×10 mm)，見圖4。調研鄰井鉆進過程中均呈現不同程度的井壁失穩，失穩周期一般在3～20 d；本井自2020年9月25日23:00進行開窗作業，9月27日進行側鉆水平段定向施工，鉆井液浸泡地層長達78 d，未出現井壁失穩現象，初步解決了前期井出現的井壁失穩問題。

2)鉆井液性能穩定。本井鉆井液抑制性強，具有很強的固相容納能力，在鉆進過程中，鉆遇遂寧組大段泥巖及沙溪廟組泥沙互層，雖然侵入鉆井液中的泥巖較多，但是鉆井液的流變性及失水等性能保持穩定，表明提高鉆井液抑制性能后，有助于鉆井液性能的穩定。提高鉆井液封堵性后，有利于形成薄而致密的濾餅，減少濾液侵入地層，減弱鉆井液的壓力傳遞，可保障沙溪廟組泥沙互層的井壁穩定。分段鉆井液性能見表3。由表3可知：正常鉆進過程中，鉆井液黏度保持在55～70 s，在保障鉆井液具有良好攜砂能力下，保持鉆井液對井壁的沖刷清潔作用，能及時有效清除附著在井壁上的細砂，降低鉆進過程及起下鉆過程中的摩阻和扭矩。

圖3 沙溪廟組返出的鉆屑

圖4 高廟111井遂寧組掉塊

表3 高廟111水平井分段鉆井液性能

5 認識及建議

1)調研了川西高廟子、中江等區塊鉆井液應用施工情況，發現在定向段和水平段長，鉆遇遂寧組、上沙溪廟組和下沙溪廟組，巖性頻繁交錯變換，易吸水膨脹剝落掉塊造成井眼垮塌，應進一步強化鉆井液抑制防塌及封堵性能。

2)在現場氯化鉀聚合物鉆井液基礎上引入泥頁巖強抑制劑支化聚醚胺形成一種強抑制防塌鉆井液，現場應用結果表明，鉆井液抑制性能明顯增強，有效抑制了泥巖的分散，保障了井壁穩定。

3)基于井眼軌跡設計復雜，給水平段施工帶來極大困難，尤其是鉆進過程中扭矩大，起下鉆上提下放摩阻大，需要反復劃眼。施工周期無限延長，井眼坍塌風險增大，并且易造成卡鉆及落魚事故，建議根據實際情況優化井眼軌跡設計。