准噶尔盆地南缘山前高陡构造高密度水基钻井液技术研究

李轶，张达清，王俊文，申延晴 王越之)

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉玛依834000 (长江大学石油工程学院， 湖北 武汉 430100)



准噶尔盆地南缘山前高陡构造高密度水基钻井液技术研究

李轶，张达清，王俊文，申延晴 王越之)

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉玛依834000 (长江大学石油工程学院， 湖北 武汉 430100)

准噶尔盆地南缘地区具有广阔的勘探前景，该地区钻井复杂事故多，导致钻井速度下降、钻井周期长。主要地质原因在于安集海河组地层岩性以泥岩为主，水敏性极强，易发生泥岩水化膨胀、分散而造成井眼缩径、井壁垮塌。为了提高南缘地区钻井速度，加快勘探开发进程，针对上述钻井难点，结合南缘地区地质资料及已完钻井的资料，对该地区钻井液技术进行了研究。根据安集海河组地层特点，室内对现场使用的PRT钻井液体系和有机盐钻井液体系进行了评价，优选出具有现有2种钻井液体系优点的高密度PRT-有机盐钻井液体系配方，并对该体系的抑制性、封堵性和抗污染性进行了评价。结果表明，该钻井液体系能很好地满足钻井工程的需要。将该新的钻井液体系在现场进行了应用，使用效果良好，其中A5井∅311.1mm井段较邻井平均机械钻速提高22%，钻井周期缩短4d。

准噶尔盆地；南缘地区；高陡构造；PRT-有机盐钻井液体系

中国新疆准噶尔盆地南缘地区是油气最丰富的地区之一[1]，南缘山前为北天山山前构造带，受构造运动影响，平面上形成褶皱带。该地区具有良好的生油条件，有利于油气聚集的构造，具有很好的勘探前景。但是该地区地质条件复杂，受构造运动影响，中上部地层倾角大，断层发育，新老地层重复，地层破碎，稳定性差；中下部大段龟裂性硬脆页岩和强水敏性泥页岩，易发生水化膨胀，造成缩径和地层垮塌，其中尤以安集海河组地层造浆最为严重；下部是高应力和异常高压地层，需使用高密度钻井液。由于南缘地区复杂的地质条件以及工程技术上的难点[2]，使得在该地区钻井过程中井下复杂事故频繁发生，钻井速度慢、钻井周期长、钻井成本高，严重制约了南缘地区油气勘探开发的进程。笔者旨在减少复杂事故的发生，提高钻井速度，降低钻井成本，加快勘探步伐，开展了针对南缘地区的钻井液技术研究。

1 南缘山前地质特点与钻井液技术难点

1.1 南缘山前地质特点

根据南缘地区在1996～2013年所钻的66口井统计，发生事故、复杂的井有44口，占所钻井数的66.7%。近5年钻井的平均机械钻速都较低，在3m/h以下，钻井周期都在100d以上，呈现出钻井复杂、事故率高、机械钻速低等特点，大大延长了钻井周期，严重影响了该地区的钻井进程。

1)受沉积和地层岩性的影响，地层水敏性强。根据对南缘地区安集海河组地层的黏土矿物分析，以伊-蒙混层为主，其中蒙脱石质量分数大于40%，黏土矿物质量分数大于30%(最高达70%)，说明安集海河组地层有大量易水敏黏土矿物存在。

2)受山前构造影响存在较大水平应力，最大水平应力大于上覆地层压力、大于最小水平主应力，并且地层压力系数当量密度超高(最高达2.50g/cm3以上)，属高压、超高压力系统。

3)推覆体破碎、高陡、层间胶结弱易造成井眼失稳。由于推覆挤压和构造运动，造成很多构造地层倾角大，断层发育，地层破碎、微裂隙发育，钻井过程中易塌、易漏，极可能引起坍塌卡钻。

4)高低压同存易引发井漏。由于存在不整合面、低压层，且不同压力系数地层在同一裸眼内，易导致漏、溢、塌、卡等复杂情况，再加上地层压力预测不准确，钻井液密度确定困难，更增加了钻探难度。

1.2 南缘山前钻井液难点

南缘地区安集海河组地层特点造成了在该地层钻井液使用上的诸多难题，其钻井液使用上存在的难点具体体现在以下几个方面：

1)强水敏性导致泥岩剧烈分散。带来的直接危害是泥岩水化膨胀造成缩径，垮塌，水化分散造成钻井液流变性难以控制。南缘地区钻井成败的关键取决于钻井液技术，而钻井液要达到稳定井壁的目的必须兼顾物理支撑和化学抑制两种方法。

2)强应力、高压、超高压需要使用高密度、超高密度钻井液。而高密度、超高密度钻井液高固相含量的特点决定了其流变性、失水造壁性等综合性能难于兼顾。山前推覆断褶带构造应力大，特别是在应力集中的地区，应力释放易造成钻井中塌缩阻卡、卡钻等井下复杂情况。由于地应力大、地层倾角大、地层水化能力强等原因，稳定井壁所需钻井液密度高，在高钻井液密度下机械钻速极慢，钻井周期长，这又相应加长了钻井液对井壁的浸泡时间。

3)推覆破碎、高陡、弱层间胶结易造成井眼失稳。这是造成安集海河组地层阻卡及卡钻等井下复杂与事故的主要原因。高密度钻井液[3～5]性能调控、维护处理较困难，失水造壁性、流变性与抑制性等综合性能难于同时兼顾，钻井液维护处理成本高。

2 高密度水基钻井液技术

南缘地区在以往的钻井过程中，在安集海河组地层主要采用有机盐钻井液体系和钾钙(聚磺)钻井液体系(简称PRT)的水基钻井液体系。两种体系钻井液在强水敏性、推覆破碎、高密度、高地应力的安集海河组地层易垮塌地层使用时各有优劣。PRT体系的流变性、失水造壁性等综合性能较好，其抑制性比有机盐体系弱，这对易失稳的安集海河组地层有负面影响；有机盐体系表现出更强的抑制性，但在使用高密度时流变性难以控制，这对机械钻速、堵漏等施工有负面影响。为了更好地适应该地区的钻井需求，对南缘地区以往所用的钻井液体系进行改进，研究了在PRT体系中引入有机盐的新钻井液体系(简称为PRT-有机盐体系)，以增强其抑制性，并结合PRT体系具有优良的流变性和失水造壁性的特点，以达到更好的综合性能目的。

2.1 钻井液配方

通过在室内对不同处理剂在不同加量下的效果进行评价后，筛选出PRT-有机盐钻井液体系基本配方为：原浆+0.1%聚合物包被剂FA367+0.2%聚合物稀释剂XY-27+5%褐煤类降滤失剂TX+1%KOH+2%护胶降滤失剂RSTF+10%沥青类降滤失剂PPL+0.5%LV-CMC+10%KCl+1%天然沥青+0.3%～0.5%石灰+重晶石(配方中的百分数为质量分数)，钻井液密度为2.50～2.60g/cm3。

2.2 性能评价

1)抑制性 采用岩屑滚动回收率法对比评价该地区以往使用的PRT钻井液体系、有机盐钻井液体系、改进后的PRT-有机盐钻井液体系抑制性，试验结果见表1。

表1 各钻井液体系的滚动回收率对比

可以看出，有机盐钻井液体系和PRT-有机盐钻井液体系滚动回收率相差不大且明显高于PRT钻井液体系，说明PRT-有机盐钻井液体系抑制性能很好。

2)封堵性 将PRT-有机盐钻井液体系与该地区以往使用的有机盐钻井液体系和PRT钻井液体系的封堵性能进行对比。在120℃条件下，分别测试了在3.5、5MPa的压力条件下3种钻井液体系的高温高压滤失量，试验结果如表2所示。PRT-有机盐钻井液体系的滤失量在2种压力条件下均小于其他2种钻井液体系，表明PRT-有机盐钻井液体系具有良好的封堵性能。

表2 钻井液体系的封堵性能对比

3)抗污染性 向PRT-有机盐钻井液(表3中用M代替)中分别加入质量分数5%的盐、质量分数2%的石膏、质量分数8%的膨润土粉和质量分数5%的水泥，高速搅拌30min后装入老化罐中，在120℃下热滚16h，冷至50℃时测定钻井液被以上介质污染前后的性能，评价该钻井液的抗污染性。实验数据如表3所示。在高密度PRT-有机盐钻井液中分别加入盐、石膏、膨润土和水泥后钻井液的流变性、滤失量变化都很小，形成的泥饼质量好，表明其具有较强的抗盐、膏、黏土和水污染的能力。

表3 PRT-有机盐钻井液抗污染性

注：ρ为密度；μf漏斗黏度；μa为表观黏度；μp为塑性黏度；τd为动切力；τi为初切力；τf为终切力；VAPI为API滤失量；Vhthp为泥饼厚度为2mm时高温高压滤失量。

综上所述，PRT-有机盐钻井液流变性好和滤失量低，钻屑滚动回收率高，抑制性强，抗污染性强，能够较好地满足在安集海河组地层的钻井要求。

3 现场应用

3.1 应用情况

A5井是该地区的一口预探井，该井设计井深3850m，实钻井深3950m。A5井在∅311.1mm井段钻进安集海河组，根据其地层异常高压、分散性极强、易塌的特点，拟采用PRT-有机盐钻井液体系。使用该钻井液体系在A5井安集海河组钻进过程中，(短)起下钻25次，均做到一次到底；同时钻进过程中扭矩平稳，砂样代表性好，钻屑呈原生片状且棱角分明；电测井径规则，安集海河组未出现大井腔和垮塌现象，最大井径扩大率为4.6%，平均井径扩大率为3.2%，下套管一次成功。全井段钻井施工安全顺利，钻进及起下钻作业无阻卡，井身质量优良。

3.2 处理及维护

1)安集海河组地应力强、易塌、易缩径、易造浆，∅311.1mm井段前按试验配方加入TX碱液和低浓度聚合物胶液调整膨润土质量分数在1.3%左右，加入有机盐，保证有机盐质量分数在25%左右，KCl质量分数在10%左右，PPL质量分数达10%，漏斗黏度为50～55s，高温高压滤失量小于5mL，性能调整合格后进行∅311.1mm井段钻进。

2)以TX碱液混配有机盐为主，小分子聚合物为辅，强化钻井液体系的抑制能力，维护高密度下钻井液流变性。

3)在保持体系抑制性的基础上，以高温高压性能及流变性指标作为性能调控的指导方针，始终保证体系的封堵造壁性、润滑防卡性及流变性在最优的范围。

4)钻井液中K+质量浓度控制在38000～42000mg/L，Ca2+质量浓度控制在180～300mg/L，膨润土质量浓度控制在22～29g/L。

5)根据井下实际情况的需要，及时合理调整钻井液密度。

6)根据井下情况，注重加强封堵防塌性。采用PPL、RSTF、MFG等来综合提高体系的封堵性，确保井壁的稳定。

7)做好超高密度下的防漏堵漏工作，备足堵漏材料及储备浆。

8)加强固控措施，选用100～120目筛过滤钻井液，尽量减少体系中的有害固相。

9)地面配制好处理浆，均匀混入，做到超高密度下钻井液性能的维护，最大限度地保持性能稳定，减少因性能调整而引起的波动。

10)采用PPL、RSTF、天然沥青等来提高造壁封堵性，高温高压滤失量小于等于5mL，泥饼厚度小于1.5mm。

11)严格短起下钻拉划井壁，每钻进50～100m短起下钻一次。

3.3 应用效果

A5井在∅311.1mm井段(2257～3056m)使用PRT-有机盐钻井液体系取得了较好的应用效果，相比邻井A6井其∅311.1mm井段机械钻速平均提高了22%，钻井周期缩短了4d(表4)。

表4 A5、A6井∅311.1mm井段钻井指标对比

4 结论

1)新疆南缘地区钻井地层的主要难点是水敏性强，水平应力大，地层压力系数超高，井眼不稳定，易导致漏、溢、塌、卡等复杂情况。长期以来钻井的平均机械钻速在3m/h以下，钻井液体系不能很好地满足钻井工作的需要。

2)PRT-有机盐钻井液体系是在现有PRT钻井液体系与有机盐钻井液体系两种体系的基础上开发的一种新的钻井液体系，该体系吸取了以前两种体系的优点。通过室内研究与现场使用形成了一套成熟的处理技术方法，且其性能能够较好地适应和满足南缘地区山前构造复杂地层的钻井需求，配方相对简单，维护处理方便，价格便宜。

[1]孙自明，何治亮，牟泽辉. 准噶尔盆地南缘构造特征及有利勘探方向[J]. 石油与天然气地质，2004，25(2)：216～221.

[2] 阮彪. 新疆油田乌夏地区二叠系地层延时特性及钻井提速技术研究[D]. 荆州： 长江大学，2013.

[3] 蔡利山，林永学，田璐，等. 超高密度钻井液技术进展[J]. 钻井液与完井液，2011，28(5)：70～77.

[4] 樊相生，曾李，张勇，等. 元坝地区高密度超高密度钻井液技术[J]. 钻井液与完井液，2014，31(2)：31～34.

[5] Abdullah M A, Hisham A N, Yusuf K, et al. Dispersants for cement and salt contaminated manganese tetraoxide high-density water-based drilling fluids[J].SPE177935，2015.

[编辑] 帅群

2016-05-10

李轶(1986-)，男，工程师，主要从事钻井工程技术管理与研究；通信作者：王越之，cjdxwyz@126.com。

TE254

A

1673-1409(2016)35-0084-04

[引著格式]李轶，张达清，王俊文，等.准噶尔盆地南缘山前高陡构造高密度水基钻井液技术研究[J].长江大学学报(自科版),2016,13(35):84～87.