代页1井钻井液应用技巧

2016-10-12朱斗圣张承飞邓少东江松谢海洋

西部探矿工程 2016年10期

关键词：缩径护壁钻井液

朱斗圣，张承飞，邓少东，江松，谢海洋

（贵州省地质矿产勘查开发局112地质大队，贵州安顺561000）

代页1井钻井液应用技巧

朱斗圣*，张承飞，邓少东，江松，谢海洋

（贵州省地质矿产勘查开发局112地质大队，贵州安顺561000）

代页1井钻遇地层复杂，水敏性地层厚度大，缩径坍塌严重。为了解决钻进施工中钻遇地层坍塌缩径、钻具难以通过的问题，应对该钻孔复杂的地层条件，综合分析了地层的特征和复杂程度以及满足页岩气钻进所需的钻井液性能参数。在实验室进行了钻井液配比实验，通过该钻孔的应用实践，表明所采用的钻井液性能良好，适应性强，粘度适中，滤失量合理，形成的泥饼薄而致密，对防止孔壁的缩径垮塌起到了良好作用，减少了孔内事故发生率，完全能够满足该钻孔的钻进施工要求，从而提高了钻进效率。

钻井液；软塑地层；坍塌缩径

页岩气是一种清洁、丰富的新能源。经过近几年的勘探研究表明，贵州省的页岩气资源十分丰富，目前仍然处于勘探阶段。代页1井就是一口页岩气勘探井。该井地处贵州黔南州代化镇，距离县城大约50km，交通比较方便，水源条件好。该井钻遇地层存在漏失，地层破碎、易坍塌、缩径。特别是炭质泥岩孔段，地层呈泥状，软塑状，遇水膨胀缩径、坍塌厉害，并且该地层段厚度大，根据地质资料，该层厚度达到240m，钻探非常困难。

页岩气勘探孔必须保证孔壁稳定，钻井液不漏失，以保证钻井液录井和测井的顺利进行；必须要全孔段取芯，保证地质人员对钻孔地层的研究和气体解析。因此采用合适的钻井液处理剂就成为该地层钻探的关键。

1　钻孔地质目的

代页1井的钻探目的是为了研究贵州省黔南地区下石炭统打屋坝组含气页岩的厚度及含气性，进一步在贵州黔南地区扩大页岩气勘探成果。

（1）获取目地层打屋坝组地层、岩石、地化、地球物理参数和页岩含气性参数，为开展页岩气资源潜力评价和有利区优选提供基础参数数据；

（2）查清贵州南部地区下石炭统打屋坝组的岩性、沉积相及沉积厚度。

2　地层特点及技术难点

2.1地层及岩性状况

根据地质资料和物探资料，该钻孔钻遇地层大概情况判断见表1。

2.2技术难点

表1　代页1井地层分层及岩性状况

（1）由表1可知，在10～750m的地层段，钻厚740m，钻井液漏失严重，需要进行堵漏防漏，但是孔壁相对比较稳定，有掉块现象发生。

（2）在750～990m孔段，钻厚240m，孔壁缩径坍塌严重，是整个钻孔最难的部分。在实际钻进过程中，该孔段地层全部呈软塑状，塑性变形特别严重，缩径坍塌特别严重，钻具无法通过，没有性能优良的钻井液护壁，要顺利钻进是不可能的。因此，在钻进施工中的地层防塌、堵漏、预防缩径就成了该钻孔钻井液的技术重点。

3　钻孔施工的主要难题

3.1上部地层钻进施工中的掉块和漏失问题

该钻孔上部地层是指0～750m地层段。该层段主要是裂隙发育程度高，岩石比较破碎，易掉块卡钻；从取出的岩芯可以看到，岩芯有一部分呈碎块状。钻井液主要沿着岩石裂隙面漏失，而且裂隙中需要大量的钻井液充填，钻井液消耗量很大。

3.2下部软塑层的施工难题

下部的炭质泥页岩孔段，是整个钻探施工中的最难部分。该孔段厚度大，塑性变形严重，水敏性强，遇水极容易吸水膨胀、坍塌缩径。经常造成孔壁坍塌、缩径、埋钻等孔内事故。解决好上述问题是能否顺利施工的关键。钻井液技术应用的好坏是直接关系到钻孔施工的成败。为了确保本次钻孔顺利钻进施工，必须配制性能优良的钻井液。

4　钻井液技术措施

4.1上部地层钻井液特点

合理的钻井液，将直接影响到钻探质量、钻进效率和钻探成本。针对上部生物屑泥晶灰岩、燧石泥晶灰岩、泥晶灰岩，夹泥晶生物屑灰岩、生物屑砂屑灰岩、砾屑灰岩、泥灰岩及薄层硅质岩地层，岩性相对稳定、构造比较完整，所以钻进过程中主要采用聚丙烯酰胺无固相钻井液。采用这种钻井液具有润滑能力强、排砂效果好、机械钻速高的特点。此外，在上部地层中使用聚丙烯酰胺无固相钻井液，钻井液配制速度快，在漏失量大时还可以顶漏钻进，钻进成本也不算高。由于上部地层是没有页岩气存在，所以钻井液漏失以后也是不影响钻井液录井效果的，采用顶漏钻进不影响钻孔质量，在钻进至比较完整的岩层后采用套管进行护壁。

4.2下部软塑状水敏性地层的钻井液特点

在下部水敏性地层孔段，岩层呈泥状和软塑状，缩径严重，在正常钻进过程极易会缩径，把钻杆箍死，导致事故。针对这种情况，必须配制高质量的钻井液。尤其是要针对该水敏性地层塑性变形很强的特点，针对性地配制性能良好的钻井液。对该钻井液的要求是：（1）必须具有较强的抑制水化膨胀缩径的功能；（2）必须具有平衡和抵御该水敏性地层塑性变形的功能；（3）具有护壁防塌功能；（4）具有润滑钻具功能；（5）具有保护页岩气储层功能；（6）对环境无害、无污染。

对此，必须适当加大钻井液的比重但是比重又不宜过大，以免把钻井液压漏，降低钻井液的滤失量，钻井液粘度不能过高，粘度高会损坏水龙头。原浆采用优质钠土粉加水充分搅拌，水化24h以上。处理剂采用CMC、KPHP及GSP广谱护壁剂，粘度高时可以采用腐植酸钾作稀释剂，配制成低固相钻井液，性能控制标准为：密度1.03～1.09g/cm3，漏斗粘度28～33s，失水量小于6～8mL/7.5min，泥饼厚度小于1mm，pH值9～10。

5　钻井液的选择

5.1选择钻井液的技术思路

在对钻孔钻遇地层进行仔细分析、认真研究的基础上，根据地层特性和以往的经验，在实验室内进行了钻井液对比试验，确定采用低密度、低失水、低渗透性的抑制性钻井液体系。

对聚合物降失水机理的研究表明，高分子链与粘土颗粒的侨联作用，在钻井液体系内部形成比较稳定的空间网架结构，粘土颗粒更加细化均匀分散，泥饼结构更加致密，从而有效地降低了钻井液的失水量。有效地抑制了断层角砾岩地层因水化膨胀而导致的钻孔缩径。为此，专门采用了几种降失水剂和页岩抑制剂做过实验，最后选定一个钻井液配方。

5.2钻井液处理剂的选择

根据试用配方选定方向选择了聚丙烯酸钾、水解聚丙烯腈胺盐（NH4-HPAN）、氯化钾、羧甲基纤维素钠（Na-CMC）、KL防塌护壁剂、磺化沥青、KL防塌护壁剂、803堵漏剂等多种泥浆处理剂。原因是：①聚丙烯酸钾具有降滤失、降粘和抑制页岩分散的作用。而水解聚丙烯腈胺盐（NH4-HPAN）在以前的实验和应用中都已经试验成功。②高粘羧甲基纤维素钠（HV—CMC）具有降滤失和增粘的作用。在泥浆中含量较高时，亦具有一定的抑制页岩水化膨胀能力。③KL防塌护壁剂和磺化沥青防塌护壁剂具有良好的冷水分散性能，能够有效地抑制页岩膨胀和防止井壁坍塌；优良的降失水性能，泥皮致密坚韧；良好的润滑性能，可更好地防止粘附卡钻和一定的防垮塌作用。④803堵漏剂具有较好的随钻堵漏效果。⑤氯化钾。钾离子对水敏性地层的膨胀缩径也有一定的抑制作用。

5.3低固相聚丙烯晴铵盐钻井液的特点

针对孔内坍塌、掉块、缩径严重的水敏性地层，此次采用低固相聚丙烯晴铵盐钻井液。低固相钻井液的主要特点是是指钻井液体系中固相含量不大于4%，且以掺加不同的高分子聚合物维持钻井液性能。低固相钻井液是小口径金刚石钻进中最常用、最有效的钻井液体系，它既有无固相钻井液体系的高钻速，又有良好的携带悬浮岩屑能力和防塌性能。最主要的是聚丙烯晴铵盐钻井液具有较强的抑制水化膨胀的功能。

聚丙烯晴铵盐钻井液具有以下优点：（1）提高了钻进速度；（2）钻井液润滑性能良好；（3）护壁性能良好，抑制水化膨胀的能力强，减少了缩径卡钻、埋钻等孔内事故；（4）降低了钻探成本，减小环境污染。

6　现场应用试验

代页1井是设计的一口页岩气参数井，要求全孔取芯，钻井液录井和现场气体解析。终孔后进行全孔测井。设计孔深990m。采用的是XY—44型钻机，BW—250泥浆泵，采用HQ、NQ金刚石绳索取芯钻进工艺。

在开孔钻进至15.3m，下入孔口管。换径用HQ进行钻进，钻进至200m处，钻井液全部漏失，采用堵漏剂无效，顶漏钻进250m，采用水泥堵漏，效果一般，又顶漏钻进至400m，下入套管护壁堵漏。换径用NQ钻进，钻进至451m处钻遇软塑层，出现缩径现象，泵压升高，提钻后钻具下不到孔底，需要进行扫孔。钻进至460m后，出现钻具被箍死，无法钻进。处理该事故以后，下钻扫孔根本到不了孔底。

根据经验，不能再采用普通钻井液钻进，必须配制更好性能的钻井液，否则不会有任何效果。根据地质设计资料，软塑层厚度有240m，必须及时配制高性能的抑制性泥浆进行护壁，预防孔内事故发生。最终根据室内对比实验决定采用聚丙烯晴铵盐低固相钻井液的方案，并在钻井液中加入一定量的惰性材料——随钻堵漏剂和锯末进行堵漏，并添加一定量的加重剂，提高钻井液比重，钻井液配方及性能见表2。

表2　代页1井钻井液配方及性能

在使用过程中，钻井液粘度不能过高，否则会泵压增高，损坏水龙头。经过试验，应用效果良好，孔内坍塌、缩径、塑性变形都得到抑制，没有出现钻具箍死现象，岩芯完整度良好，顺利终孔。

7　现场钻井液维护

现场配备：搅拌机1台，使钠膨润土粉能充分水化分散；配备加药桶，将待加入的处理剂预先分散、水化、溶解；配备钻井液比重称、马氏漏斗粘度计、打气筒失水仪和pH试纸以便测量钻井液性能指标；泥浆池、沉淀池、循环槽用水泥砂浆修筑，以免混入杂物污染钻井液。每班测量2次钻井液性能指标，根据测量数据加入相应处理剂调节以保持钻井液性能基本不变；停钻时除尽沉淀池、循环槽内的沉砂以保证钻井液较小的含砂量。钻井液性能指标与最初钻井液性能指标相差较大时换浆。注意不要有其它水分混入泥浆池，以免破坏钻井液性能。

8　应用效果

通过现场应用实践证明，所使用的聚丙烯晴铵盐钻井液性能稳定，孔内钻进平稳，孔壁比较稳定，取芯顺利，顺利完钻。说明这种低固相钻井液完全可以满足该钻孔软塑地层的钻进要求。经济技术指标见表3。

9　结论与建议

经过现场钻井液使用情况表明，所选用的钻井液对复杂软塑地层具有良好的润滑减阻和护壁效果，能够很好地抑制水敏性地层的水化、膨胀，并兼有地层微裂隙堵漏效果。根据不同的地层确定不同钻井液配方，才能满足钻孔施工需要。此外，钻井液性能的现场维护是十分重要的，在水敏性地层中施工钻孔，一般要求钻井液具有低密度、低滤失量、抑制性能良好、泥饼薄而韧性好、堵漏效果明显，就可以起到较好护壁作用。对塑性变形较大的地层，要适当加大钻井液比重，从而满足钻孔施工需要。