龙凤山气田强抑制封堵型防塌钻井液技术

褚　奇，李　涛，王　栋，胡雪峰，付　强，殷拥军，杨　军

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京100101；2.中国石化东北油气分公司，吉林长春130072；3. 中国石化中原石油工程有限公司钻井四公司，河南濮阳457001）

龙凤山气田强抑制封堵型防塌钻井液技术

褚奇1，李涛1，王栋2，胡雪峰2，付强3，殷拥军3，杨军3

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京100101；2.中国石化东北油气分公司，吉林长春130072；3. 中国石化中原石油工程有限公司钻井四公司，河南濮阳457001）

褚奇等.龙凤山气田强抑制封堵型防塌钻井液技术［J］.钻井液与完井液，2016，33（5）：35-40.

龙凤山气田泉头组及以上地层水敏性泥页岩发育，在钻井过程中经常发生垮塌、卡钻、扩径和泥包钻头等复杂情况，营城组地层裂缝发育，易发生井漏。针对该地区的地质特征与钻井要求，通过水化膨胀实验和抑制膨润土造浆实验，优选胺钾复合抑制剂NK-1作为钻井液抑制剂；通过失水造壁性能评价实验和岩心渗透率测试实验，优选了降滤失剂KFT-Ⅱ和封堵防塌剂ZX-8作为钻井液封堵防塌剂，在此基础上研制了强抑制封堵型防塌钻井液体系，并对其性能进行了综合评价。实验结果表明，该钻井液具有良好的流变性、失水造壁性、抑制性和封堵防塌性。在北209井的现场应用中，钻井液性能稳定，封堵性和防塌性能突出，解决了全井的井壁失稳问题，起下钻、电测和下套管作业无遇阻，满足了现场钻井施工和储层保护的需要。

防塌钻井液；井眼稳定；龙凤山气田；储层保护；应用

龙凤山气田是中国石化东北油气分公司的重点勘探开发区，含气面积为64.87 km2，预测天然气地质储量超过2×1010m3。随着龙凤山气田勘探开发的深入，依照相邻井区应用的钻井液技术在龙凤山区块进行的钻井施工，出现了许多突出问题。泉头组及以上地层水敏性泥页岩发育，成岩性差，易坍塌掉块、泥包钻头；下部的营城组地层裂缝发育，易发生井漏。前期施工的北2井和北201井各井段均出现不同程度的卡钻现象，在营城组地层多点发生漏失，分别漏失837.20和1 022.85 m3钻井液，堵漏时间分别占钻井周期的17.06%和32.35%。以上问题已成为龙凤山气田大规模勘探开发的障碍。因此，笔者通过做抑制泥页岩水化膨胀实验、抑制膨润土造浆实验和封堵微裂缝实验，研究出一种适用于龙凤山气田易水化地层和裂缝发育地层使用的封堵型防塌钻井液体系，对相应处理剂进行优选。

1　关键处理剂优选与性能评价

针对龙凤山气田钻井过程中存在的井壁失稳和井漏问题，结合龙凤山气田已钻井的施工资料及地层特点，钻井液体系应具有较强的抑制性和封堵防塌性。因此优选了钻井液化学抑制剂和封堵防塌剂。

1.1抑制剂的优选

1.1.1抑制泥页岩水化膨胀实验

分别提取北201井青山口组和泉头组地层的钻屑各10.0 g，研磨成粒径为0.015～0.044 mm的粉末，在4.0 MPa下压实5.0 min，使用NP-01型页岩膨胀仪分别测试岩屑粉末在不同实验浆中的线性膨胀率，实验结果如图1所示。

图1　实验浆的页岩膨胀率随时间变化的曲线

由图1可见，岩屑在0.5%NK-1实验浆中的膨胀率最小，KCl也具有明显的抑制页岩膨胀的效果，且浓度越大，抑制效果越明显，而浸入0.5%UHIB实验浆中的页岩膨胀率明显大于其他实验样，且呈现先增大后达到平衡的实验现象，从而说明UHIB在初始阶段不断进入黏土层间，并通过静电吸附、氢键作用和偶极作用将黏土的片层束缚在一起，阻止水分子进入，当实验时间达到10 h时已经达到了岩屑的阳离子交换容量，UHIB不再进入黏土层间，从而不再引起页岩的水化膨胀［1-3］。这种实验现象也验证了线性膨胀率实验方法不适用于评价聚胺类抑制剂抑制性能的文献报道［4-5］。因此， 初步判断胺钾复合抑制剂NK-1抑制页岩膨胀的效果最为显著。

1.1.2抑制膨润土造浆实验

抑制膨润土造浆及维护钻井液流变性的能力，是评价钻井液抑制剂最简单有效的方法之一。在400 mL自来水中定量加入不同抑制剂和5.0%的钠基膨润土，高速搅拌30 min，用0.1%NaOH溶液调节体系pH值不小于9.0，75 ℃热滚16 h后测实验浆的φ3读数。再加入5.0%的钠基膨润土，高速搅拌30 min，75 ℃热滚16 h后测定φ3读数。如此反复直至测不出读数为止［6-7］。比较各阶段实验浆的φ3读数大小，可对比不同抑制剂的作用效果，见图2。

图2　不同实验浆φ3读数随膨润土加量变化的曲线

由图2可知，在相同膨润土加量下，其他实验浆的φ3读数明显小于清水实验浆的φ3读数，当膨润土加量达到20.0%时， KCl实验浆的φ3读数才迅速升高，且7.0%KCl实验浆的φ3读数始终小于3.0%KCl实验浆的φ3读数，表明提高KCl浓度可以进一步提高K+固定膨润土晶格作用，有效抑制膨润土的水化作用；当膨润土加量达到25.0%时，1.0%PB-1、 0.5%UHIB和0.5%NK-1实验浆的φ3读数才明显增大，且在相同膨润土加量下，UHIB与NK-1的φ3读数大小相当且一直维持在较低水平，表明UHIB和NK-1抑制膨润土水化的能力强于KCl。因此，最终确定NK-1作为钻井液抑制剂。

1.2封堵防塌剂的优选

1.2.1酸溶性测试

储层保护贯穿于油气勘探开发的全过程。龙凤山区块的储层属于致密砂岩气藏，具有基块致密、裂缝发育、局部超低含水饱和度、高毛细管压力和损害形式多样化的工程地质特征，普遍采用酸化压裂作为增产措施。钻井液漏失是引起裂缝性致密砂岩储层损害最为严重的方式之一，不仅有固相堵塞储层流动通道，滤液带来的液相圈闭损害，而且在气藏开采工程中，固相还会随高速气流的采出冲蚀油层套管、井口装置等，给气井的高效安全生产带来隐患，另外，还会对压裂效果产生一定负面影响。因此，有必要对进入储层段的封堵防塌材料的酸溶性进行评价。实验测得，除杏壳和云母外，其他封堵防塌材料具有较佳的酸溶性。其中，碳酸钙的酸溶性最佳，为96.54%；纤维素的酸溶性较差，为31.22%；其他封堵防塌材料的酸溶率在40.0%～70.0%，可以基本满足酸化解堵的需要。

1.2.2失水造壁性能评价实验

研究了在基础配方（4.0%膨润土+0.15% Na2CO3+0.10% HV-CMC）中加入不同封堵防塌剂，120 ℃下老化16 h，测定不同实验浆的常温中压滤失量、高温高压动态滤失量和高温高压砂床渗透深度，实验结果如表1所示。

表1　不同封堵防塌剂的失水造壁性能评价

由表1可以看出，6种封堵防塌材料中ZX-8、FLC-2000和KFT-Ⅱ的失水造壁效果较好；ZX-8、FLC-2000和KFT-Ⅱ之间复配可以进一步提高钻井液的失水造壁性。因此，初步选定FLC-2000、KFT-Ⅱ和ZX-8作为钻井液体系的封堵防塌剂。

1.2.3岩心渗透率测试实验

封堵防塌剂之所以可以稳定井壁，原因之一在于固相颗粒能够在一定温度和压力下进入井壁微裂缝，增强井壁的内结构，阻止钻井液滤液进一步渗透，所以对比滤失前后岩心渗透率是评价封堵防塌剂的重要指标［8-9］。结果见表2。实验用钻井液配方为4.0%膨润土+0.15%Na2CO3+0.10%HV-CMC。

表2　不同防塌剂对岩心渗透率的影响

由表2可以看出，6种封堵防塌材料中， KFT-Ⅱ、FLC-2000和ZX-8封堵岩心微孔隙的效果较好，FLC-2000、KFT-Ⅱ、ZX-8之间复配后可以进一步提高钻井液的封堵能力。但考虑到FLC-2000的进口成本较高，供货来源有限，因此，结合成本因素和实验效果，最终确定KFT-Ⅱ和ZX-8作为钻井液用封堵防塌剂。

2　钻井液体系性能评价

根据室内处理剂优选实验结果和龙凤山气田钻井工艺要求，在参考邻井成熟钻井液体系配方的基础上，确定封堵型防塌钻井液配方如下。

（3.0%～6.0%）膨润土+（0.10%～0.15%）Na2CO3+（0.1%～0.3%）HV-CMC+（1.0%～2.0%）SMC+（1.0%～2.0%）SMP-I+（0.5%～1.0%）磺酸盐聚合物降滤失剂DSP-2+（0.3%～0.5%）NK-1+（1.0%～2.0%）KFT-Ⅱ+（1.0%～2.0%）ZX-8+（0.5%～1.5%）超细碳酸钙QS-2+（0.6%～1.2%）随钻承压堵漏剂SZD-2+（0.5%～1.0%）润滑剂SMJH-1+重晶石

为保证该钻井液具有良好的流变性、失水性、抑制性和防塌性，各处理剂的用量取上述配方中建议用量中的最小值。

2.1钻井液流变性能和滤失性能

测定钻井液的各项性能，结果如表3所示。由表3可以看出，在相同密度条件下，封堵型防塌钻井液体系在老化前后的表观黏度、塑性黏度、动切力、静切力和API滤失量变化较小，高温高压滤失量略有增大，表明该钻井液的流变和滤失性能较为稳定，能够在深部地层条件下使用，可以满足龙凤山气田现场施工的要求。

表3　封堵型防塌钻井液流变与滤失性能

2.2抑制、防塌性能

考察高温老化前后封堵型防塌钻井液（密度为1.20 g/cm3）的抑制性能和防塌性能，利用2.00～3.20 mm的岩屑进行滚动回收率实验，并结合高温高压动态滤失实验和砂床渗透深度测定实验，结果如表4所示。由表4可以看出，老化前后封堵型防塌钻井液体系的页岩膨胀率随着时间的延长略有增大，但增大幅度较小；钻井液过孔径为0.70 mm筛的页岩回收率保持在88%以上，过孔径为0.45 mm筛的页岩回收率略有提高，表明该钻井液更有利于保持岩屑的完整性，有助于现场施工中振动筛筛除岩屑。高温老化后，封堵型防塌钻井液的高温高压瞬时滤失量由高温老化前的1.6 mL升至2.6 mL，动态高温高压滤失量与高温高压砂床渗透深度略有增大，表明高温对该钻井液的抑制性和防塌性影响较小，NK-1和KFT-Ⅱ、ZX-8与钻井液其他处理剂的配伍性良好，钻井液性能指标达到了龙凤山气田易水化和裂缝发育地层的钻井工艺要求。

表4　封堵型防塌钻井液抑制、防塌性能评价结果

2.3酸溶助排性能

为考察封堵型防塌钻井液体系储层保护性能，使用北201井营城组砂岩地层岩心进行人工造缝（裂缝宽度分别为300、600和900 μm），根据参考文献［10-12］报道的测试程序，利用MFC-I型多功能钻井工作液酸溶解堵评价仪，对钻井液的酸溶助排性能进行评价，实验结果如图3所示。由图3可知，岩样的酸溶助排恢复率随着返排压力的增大，先增大后降低，但均大于65.0%，酸化解堵效果明显，表明在后续的酸化压裂施工时，酸液可以有效清除井筒附近的酸溶性堵塞，溶蚀岩石矿物，扩大渗流通道，改善储层渗流能力，说明该钻井液具有良好的储层保护作用。

图3　不同裂隙岩样酸溶助排恢复率与返排压差变化曲线

3　现场应用

封堵型防塌钻井液自2015年应用于龙凤山气田以来，成功解决了该区块泥页岩地层钻井工程中出现的扩径、掉块、井塌和井漏等复杂情况，降低了钻井液处理频率，有效地控制了钻井液成本，取得了显著的经济效益和社会效益。现以具有代表性的北209井为例，对封堵型防塌钻井液体系的现场应用情况做详细介绍。

北209井是中国石化在松辽盆地长岭断陷龙凤山次洼龙凤山圈闭布署的一口评价井，目的层位是营城组Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ砂组，井底温度为126.3 ℃，井型为二开次直井。该井实钻井深为3 910 m，使用封堵型防塌钻井液解决了上部泥页岩地层水化造浆引起的井壁坍塌和下部地层的漏失问题，起下钻无遇卡现象，电测一次成功到底，一开和二开井段的井径扩大率分别为9.31%、5.08%，井径规则；平均机械钻速为8.62 m/h，创工区最高纪录，钻井周期为40.98 d，创工区最短纪录；目的层的潜在漏失问题得到很好的解决，施工过程中未发生漏失；酸化压裂后稳定日产气量为2.0×104m3/d，日产水量为1.0 t，流压为15.8 MPa，生产压差为2.0 MPa，明显高于该工区平均产量。

1）一开钻井液现场处理与维护（97.8～1 605 m井段）。使用强抑制聚合物防塌钻井液体系， 以满足悬浮携砂、 防漏和防塌的要求， 其基本配方如下。

1#（3.0%～6.0%）NV-1钠基膨润土+ （0.1%～0.2%）Na2CO3+（0.3%～0.5%）HV-CMC + （0.2%～0.3%）NK-1+（0.3%～0.5%）KFT-Ⅱ

钻井液密度控制在1.05～1.15 g/cm3，黏度为42～50 s。使用好四级固控设备，及时清除有害固相，以保持钻井液性能稳定。在起钻前加入优质膨润土浆，确保表层套管下入和固井作业的顺利进行。

2）二开钻井液现场处理与维护（1 605～3 910 m井段）。二开井段上部地层以泥岩、页岩和砂岩为主，地层胶结疏松，渗透性好，钻屑容易吸水膨胀，易泥包钻头；下部地层裂缝发育，易发生漏失。按照“三低一高”的施工原则，即在保证高排量的情况下，尽量使用低密度、低黏度、低切力的钻井液钻进，采用封堵型防塌钻井液，其基本配方如下。

1#+（0.05%～0.2%）HV-CMC+（1.0%～2.0%）SMC+（1.0%～2.0%）SMP-Ⅰ+（0.5%～1.0%）DSP-2+（0.3%～0.5%）NK-1+（1.0%～2.0%）KFT-Ⅱ+（1.0%～2.0%）ZX-8+（0.5%～1.5%）QS-2+（0.6%～1.2%）SZD-2+（0.5%～1.0%）SMJH-1

施工中，以维护钻井液性能为主，保持封堵防塌剂KFT-Ⅱ和ZX-8的有效含量不低于1.0%，SMJH-1的有效含量在0.8%左右，摩擦系数小于0.06，并可通过吸附作用在钻具表面生成疏水膜，防止泥包钻具，严格控制钻井液密度不高于1.15 g/cm3；另外，使用孔径为0.076 mm的线性高频振动筛、除砂器、除泥器、离心机，严格控制固相含量不高于12.0%，滤失量不高于4.0 mL。完钻后，大排量清洗井眼，配制60.0 m3润滑防卡封井钻井液，确保电测顺利进行。北209井分段钻井液性能如表5所示。

表5　北209井分段钻井液性能

4　结论

1.针对龙凤山气田上部地层易发生坍塌掉块、泥包钻头和扩径等复杂情况，下部地层裂缝发育，易发生漏失，优选了NK-1作为钻井液抑制剂，KFT-Ⅱ和ZX-8作为钻井液封堵防塌剂，提高了钻井液的抑制性能和防塌性能。

2. NK-1、KFT-Ⅱ和ZX-8与常规钻井液处理剂之间具有良好的配伍性，所配制的封堵型防塌钻井液体系具有良好的流变性能、滤失性能、抑制性能、防塌性能和储层保护性能。

3. 封堵型防塌钻井液体系在北209井的现场应用中表现出良好的抑制性和防塌性，有效地解决了全井的井壁失稳问题，起下钻顺畅，提高了钻井时效，封堵层酸溶率高，通过酸化返排易解除，储层效果显著，具有良好的推广应用前景。

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Plugging Inhibitive Drilling Fluid Used in Longfengshan Gas Field

CHU Qi1， LI Tao1， WANG Dong2， HU Xuefeng2， FU Qiang3， YIN Yongjun3， YANG Jun3
（1. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering， Beijing 100101；2. Sinopec Northeast Oilfield Company， Changchun， Jilin 130072；3. The 4th Drilling Branch of Zhongyuan Petroleum Engineering Ltd.， Sinopec， Puyang， Henan 457001）

The Quantou Formation and the formations above in Longfengshan gas field are mainly water sensitive shales. Downhole troubles such as borehole wall collapse， pipe sticking， wellbone expansion and bit balling have frequently been encountered in drilling these formations. Lost circulation， on the other hand， has always been encountered in the Yingcheng Formation， which is full of fractures. To ensure safe drilling through these formations， a plugging inhibitive drilling fluid was formulated based on laboratory researches. A shale inhibitor， NK-1， was selected through shale core swelling test and bentonite hydration test. KFT-II and ZX-8， as plugging agent and anti-collapse agent， were selected through mud cake building test and core permeability experiment. Laboratory evaluation showed that this drilling fluid had stable rheology， good filtration characteristics， strong inhibitive capacity and plugging and anti-collapse performance. In field application， the well Bei-209 was drilled successfully with this drilling fluid. The drilling fluid had stable rheology， and no borehole wall collapse happened. Tripping of drill string， wireline logging and casing running were run with no hindrance， and the reservoir formations were fairly protected from being damaged.

Anti-collapse drilling fluid； Borehole stabilization； Longfengshan gas field； Reservoir protection； Application

TE254.3

A

1001-5620（2016）05-0035-06

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.007

中国石油化工股份有限公司科技攻关项目“微裂隙地层纳微米封堵井筒强化技术”（P14100）。

禇奇，副研究员，博士，1982年生，2012年毕业于西南石油大学应用化学专业，现在从事油田化学品的研究与现场应用工作。电话（010）84988610/18611781706；E-mail：chuqi.sripe@sinopec.com。

（2016-3-5；HGF=1604M2；编辑马倩芸）