伊拉克库尔德地区钻井液体系研究

张　坤

(大庆钻探工程公司 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413)



伊拉克库尔德地区钻井液体系研究

张坤

(大庆钻探工程公司 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413)

伊拉克库尔德地区区块的差异性较大，地质复杂，极易出现井塌、卡钻、断钻具、井涌、井漏等复杂事故。针对以上问题，开展了抗高温、抗盐、强抑制、高密度钻井液体系研究以及防漏堵漏技术研究。通过调整pH值使羧基和酚羟基等抗高温基团发生弱交联，提高欠饱和盐水钻井液的悬浮能力；对加重材料进行表面改性，实现其悬浮稳定性；通过物理封堵和化学抑制等协调增效，解决塌漏同层、安全密度窗口窄等井壁稳定问题。研发的钻井液体系抗温达160 ℃，密度高达2.35 g·cm-3，具有较强的抗污染能力。在库尔德地区BN-2井和MASS-1井的现场应用表明，该钻井液体系有效地解决了盐膏层安全钻进、硬脆性泥页岩井壁稳定、高压水气层、井漏等一系列施工难题，为钻井施工和井下安全提供了技术保障。

伊拉克；库尔德地区；高密度钻井液；悬浮稳定；钙侵；防漏堵漏

伊拉克库尔德地区石油资源丰富，勘探区块54个，已探明石油储量约为450亿桶，天然气储量约为100～200万亿立方英尺，该地区目前尚处于勘探开发的初期阶段。受地质构造运动的影响，该地区区块差异性较大、断层错综复杂，钻井施工风险很大，由于缺乏地质认识及相应的钻井技术，井塌、卡钻、断钻具、井涌、井漏等井下复杂情况导致该地区钻井事故时间约占钻进周期的50%，约30%井被迫中途完井。

1　库尔德地区地质概况分析

库尔德地区位于伊拉克北部，所辖埃尔比勒、苏莱曼尼亚及杜胡克等3个自治省。受造山运动的影响，该地层岩性结构复杂，且多出现断层，例如LowerBakhtiary地层含有鹅卵石，泥岩夹有薄砂岩和粉砂岩层，地层非常松散，且易坍塌，易发生表层导管窜槽；UFars和LFars地层含有巨大的泥岩互层与薄层粉砂岩、硬石膏，泥岩互层含有石灰质粘土岩，下部有石灰岩，易发生漏失，硬石膏易侵入，易导致缩径，因此起下钻遇阻、遇卡等问题经常出现；UShiranish和LShiranish含有块状灰岩，且夹有泥质灰岩和白云质灰岩，泥质灰岩夹杂灰岩和轻微钙质的粘土岩，含钙量高，钻头泥包等问题在这类地层钻进中时常发生；Kolosh地层硬脆性泥页岩极易发生井壁失稳、井塌等问题，从而造成起下钻、划眼困难，Gulnerl或Saliferous地层压力梯度高，存在异常高压盐水层及高压气层，地层压力系数大于2.2g·cm-3，并且伴随有H2S产生。地层岩性非均质性强，给钻井过程中的井眼轨迹控制造成了很大的压力。

2　库尔德地区钻井问题分析

对库尔德地区不同层位岩性进行分析，预测各层潜在的钻井问题，结果见表1。

表1 库尔德地区不同层位岩性及钻井复杂问题预测

Tab.1 Lithology in different formations and prediction of drilling complex in Kurdish region

由表1可知，库尔德地区钻井复杂问题主要包括井塌、井涌、卡钻、断钻具、井漏以及H2S污染等。

安全钻进的钻井液技术难点主要可归纳为以下3点：(1)上部地层胶结疏松，容易坍塌，Kolosh地层硬脆性泥页岩井壁易发生失稳，井壁稳定难度大；(2)Kometan裂缝性灰岩地层易发生漏失，安全密度窗口较窄，在1 600～3 100 m段含有大段盐膏层及硬石膏与砂泥岩互层，容易发生缩径、坍塌，且塌漏同层；钻井液要具有良好的抗盐、抗钙、防漏、防塌性能难度很大；(3)含盐岩层、石膏层以及异常高压水气层，并伴随高浓度的H2S，井底温度高，要求钻井液具有良好的抗高温、抗盐、抗钙性能的同时，密度要达到2.2 g·cm-3以上，对流变性要求很高[1]。

3　钻井液技术对策

为了实现安全钻穿石膏层、高压水气层和易漏失的地层，室内开展了抗高温、抗盐、强抑制、高密度钻井液体系的研究及配套防漏堵漏技术。

3.1钻井液体系研究

3.1.1钻井液技术难点的解决措施

1)提高欠饱和盐水钻井液的悬浮能力

在高温欠饱和盐水环境下，钻井液的流变性难以控制。由于褐煤类处理剂分子链上的羧基以及树脂类处理剂分子链上的酚羟基具有良好的抗高温特性，通过调整pH值能够使其发生弱的交联，一方面平衡高温下单剂断链的问题，另一方面实现增效的作用，从而保证体系的高温稳定性以及悬浮能力。

2)改善加重剂的悬浮稳定性[2]

结合DLVO理论，在钻井液体系中引入HLB值>7的表面活性剂，一方面增大颗粒表面电位的绝对值，从而增强颗粒间静电排斥作用；二是通过表面形成吸附层的强化位阻效应产生颗粒间强位阻排斥力；三是对加重剂表面润湿性进行改进，提高溶剂化膜强度及增大厚度，增强溶剂化排斥作用以实现欠饱和盐水环境中的加重剂均匀分散，悬浮稳定，从而保障加重剂在高温环境下不发生聚集沉降。

3)塌漏同层、安全密度窗口窄的井壁稳定问题[3]

通过化学抑制、物理封堵双重协调作用，提高地层的承压能力及扩展安全密度窗口，在实现井壁稳定的同时，有效预防漏失：(1)加入不同粒径的碳酸钙复配填充材料及超细可膨胀材料，提高地层的承压能力，预防漏失，同时利用可变形粒子封堵孔隙及裂缝，提高地层承压能力，扩展安全密度窗口；(2)针对Kolosh地层的大段硬脆性泥页岩，加入聚胺抑制剂和聚合醇，配合加入无机盐，通过化学抑制作用控制泥页岩的水化分散，利用聚合醇的“浊点效应”，封堵微裂缝，从而保证井壁稳定，确保钻进安全顺利。

3.1.2高密度钻井液体系的构建

室内优选了抗高温能力较强及抗盐、抗钙效果好的褐煤类降滤失剂、树脂类降滤失剂、增黏包被剂及封堵防塌剂，同时优选出表面活性剂，实现钻井液体系在160 ℃、密度2.35 g·cm-3时具有良好流变性及沉降稳定性，以满足现场施工需求。钻井液体系为：清水+0.05%～0.1%NaOH+0.03%～0.05%Na2CO3+0.2%～0.4%DRISTEMP+2%～3% SPNH+2%～3%SMP-2+1%～3%F-Soltex+25%～30%NaCl+1%～3%聚合醇+0.05%～0.1%聚胺+0.5%～0.7%SP-80+5%～8%CaCO3-F+5%～8%CaCO3-M。

3.1.3钻井液性能评价

1)流变性及高温稳定性

将钻井液体系加重至2.35 g·cm-3，评价其在160 ℃条件下老化24 h、48 h、72 h后的流变性及滤失量，结果见表2。

表2 钻井液老化不同时间后的性能

Tab.2 Properties of drilling fluid after aging different time

注：AV为表观黏度，PV为塑性黏度，YP为动切力，Gel(10″/10′)为10 s和10 min时的凝胶强度，FLAPI为API滤失量，FLHTHP为高温高压滤失量。

室内研究表明，钻井液经160 ℃老化后的黏度略有降低，且长时间老化钻井液流变性变化平稳，体系FLHTHP略微增加，但变化幅度较小，表明钻井液体系具有较好的流变性及高温稳定性。

2)沉降稳定性

将老化(160 ℃×24 h)后的抗高温、高密度(2.35 g·cm-3)钻井液体系分别静置16 h、24 h、48 h、72 h后测定钻井液密度，考察钻井液体系的稳定性，结果见表3。

由表3可看出，该钻井液体系静置72 h后未出现加重剂沉降的现象，钻井液上、下密度差仅为0.01 g·cm-3，体现出优良的沉降稳定性。

3)抑制性

室内研究采用大庆嫩江组强造浆性泥岩的岩屑对抗高温、高密度钻井液的抑制性进行分析，评价其滚动回收率，结果见表4。

由表4可知，抗高温、高密度钻井液的滚动回收率较清水显著提高，具有很好的抑制能力，能够满足现场钻井施工的需求。

表3 钻井液静置不同时间后的密度

Tab.3Density of drilling fluid after standing different time

静置时间/h上层密度/(g·cm-3)下层密度/(g·cm-3)162.352.35242.342.35482.342.35722.342.35

表4 钻井液的滚动回收率

Tab.4 Rolling recovery of drilling fluid

4)抗污染性能

针对库尔德地区含有大段盐膏层的特点，对抗高温、高密度钻井液的抗钻屑污染能力及抗氯化钙污染能力进行室内评价[4]，结果见表5。

表5 钻屑和氯化钙对钻井液性能的影响

Tab.5 Effects of cuttings and CaCl2on properties of drilling fluid

注：老化条件：160 ℃。

由表5可知，抗高温、高密度钻井液体系表现出良好的抗钻屑污染及抗氯化钙污染能力，能够满足现场钻井施工需求。

3.2防漏堵漏技术措施[5-7]

由于库尔德地区裂缝性灰岩地层极易发生漏失，安全密度窗口较窄，所以，防漏和堵漏是钻井施工能否顺利进行的关键。对于防漏和堵漏来说，钻井液仅是一种技术手段，要想更好地防漏堵漏，需要各个施工环节紧密配合。钻进过程中应以防漏为主、堵漏为辅。

(1)防漏技术方案

针对库尔德地区同时存在孔隙性漏失和微裂缝性漏失的情况，防漏主要通过合理的井身结构设计、ECD控制、加入适当的防漏材料提高地层承压能力以及降低钻井液密度等方法来实现。

(2)堵漏技术方案

对于裂缝(孔洞)性漏失，钻井液封堵材料可以用包括片状、粒状、可膨胀性材料、纤维等等，堵漏材料的加量以及粒径的匹配则要根据不同地层裂缝的大小以及漏失的速度来确定。同时结合室内研究的情况以及现场初步试验来确定最佳的堵漏剂配方，继而形成合适的堵漏工艺。利用具有良好粒径匹配的封堵材料，在井筒附近快速建立封堵，从而避免或降低漏失，提高堵漏成功率。

堵漏浆配方：清水+5%～8%膨润土+0.05%～0.1%NaOH+0.03%～0.05%Na2CO3+2.5%Mica-M+5%～8%CaCO3-C+3%～4%Kseal+3%～4%NPE+3%～4%复合堵漏剂-F+3%～4%复合堵漏剂-M+3%～4%复合堵漏剂-C。

4　现场应用

将抗高温、高密度钻井液体系在库尔德地区的BN-2井和MASS-1井进行了现场应用，结果表明，该体系有效地解决了盐膏层的安全钻进、硬脆性泥页岩井壁稳定、高压水气层以及井漏等施工难题。其中，BN-2井在与邻井井深增加1 103 m的前提下钻进周期同比缩短了59 d，钻井液的漏失量减少了3 000 m3，MASS-1井与邻井相比钻进周期缩短46 d，钻井液漏失量减少了1 200 m3。2口井的现场应用表明，抗高温、高密度钻井液体系具有良好的流变性及降滤失性能、良好的抗氯化钙及抗钻屑污染能力，现场井眼规则，无明显井径扩大或缩径现象。

4.1钻井液抗盐膏污染能力

在施工过程钻遇盐膏层时，采用高矿化度盐水维护钻井液体系，并随时监测钻井液的性能随井深的变化。BN-2井钻遇盐膏层时钻井液的性能如表6所示。

4.2井壁稳定性

库尔德地区的Kolash等地层由于含有大量微裂缝的泥页岩，在钻进过程中易发生剥落坍塌。且在邻井钻进过程中现场掉块现象时有发生，经常造成憋泵或起下钻遇阻现象。经过室内研究及经验累积，在二开施工期间，在保证抗高温、高密度钻井液低的滤失量的同时，在体系中引入无机盐提高抑制性，同时加入沥青类封堵材料，提高地层承压能力的同时减少压力和滤液的传递，从而延长井眼安全周期，保证现场施工的顺利进行。现场应用结果表明，BN-2井和MASS-1井在钻进过程中施工顺利，井眼规则，无井眼坍塌等复杂事故发生。

表6 BN-2井钻遇盐膏层时钻井液的性能

Tab.6 Property of drilling fluid when meeting gypsum layer of well BN-2

注：FV为漏斗黏度。

4.3防漏堵漏试验

在BN-2井钻进过程中对防漏堵漏材料进行优化，有效解决了钻进过程中的漏失问题，具体情况见表7。

由于MASS-1井地层的压力梯度高于BN-2井，若在提高密度的同时发生严重的井漏问题，则后果不堪设想。现场为了保证井下的安全，在总结BN-2井防漏堵漏的经验后，采用随钻防漏的钻井方式，在钻进过程中，不断补充随钻防漏堵漏材料，从而提高地层承压能力，有效扩大安全密度窗口，最终保证全井无明显漏失。

表7 BN-2井漏失情况统计及处理效果

Tab.7Fluid loss and treatment evaluation of well BN-2

开次漏失量/m3堵漏次数处理方式评价一开12800清水盲钻-二开660随钻堵漏成功三开25553清水盲钻/堵漏浆堵漏成功四开5.40随钻堵漏成功五开160.62堵漏浆堵漏成功

5　结论

通过对库尔德地区的地质特点及钻井液技术难点的分析，确定了不同井段的安全钻进钻井液技术对策以及防漏堵漏的相关措施；采用物理封堵及化学抑制的双重作用提高地层的承压能力，扩大安全密度窗口，有效解决了钻进过程中盐膏层的安全钻进、硬脆性泥页岩的井壁稳定、高压水气层以及井漏等施工难题，从而保证了现场安全钻进的需求。针对该地区地质特点研发的抗高温、高密度钻井液体系在库尔德地区的BN-2井及MASS-1井得到成功应用。

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Drilling Fluid System Suitable for Kurdish Region in Iraq

ZHANG Kun

(InstituteofDrillingEngineeringandTechnology,DaqingOilfieldDrillingEngineeringCompany,Daqing163413,China)

TherearemanydifferencesbetweenblocksandgeologicalcomplexinKurdishregionofIraq.Complicatedaccidentssuchaswellcollapse,sticking,drillingpipebreaking,well-kickingandwell-pluggingconstantlyoccurwhiledrilling.Inordertoresolvetheseproblems,asystemofhighdensitydrillingfluidwhichcanendurehightemperatureandsaltwithstronginhibitionisstudied.Technologyofleakpreventionandpluggingisalsostudied.ByadjustingthepHvalue,thecarboxylgroup,phenolhydroxylgroupandotherhightemperatureresistantgroupscangenerateweakcross-linkingandenhancethesuspensionofunder-saturatedsaltwaterdrillingfluid.Bysurfacemodificationofweightingagent,thestabilityofsuspensioncanbeextended.Bysynergyofphysicalpluggingandchemicalinhibition,collapseandplugginginthesameformation,narrowrangeofsafedensityandotherboreholestabilityproblemsaresolved.Thenoveldrillingfluidsystemcanresist160 ℃anditsdensitycanreach2.35g·cm-3withgoodanti-pollutionproperty.FieldapplicationofthedrillingfluidsysteminwellsofBN-2andMASS-1ofKurdishregionindicatesthat,thesafetyproblemsofdrillinginsaltbet,friablehardformationstability,highpressureaqueousgasbedandwell-pluggingaresolved.Thenewdrillingfluidsystemprovidestechniquesecurityofwellconstructingsafety.

Iraq;Kurdishregion;highdensitydrillingfluid;suspensionstability;calciumcontamination;leakpreventionandplugging

2016-05-31

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.10.012

TE 254

A

1672-5425(2016)10-0053-05

张坤.伊拉克库尔德地区钻井液体系研究[J].化学与生物工程，2016，33(10)：53-57.