木垒2井井壁稳定钻井液技术

邱春阳，司贤群，陈二丁

(胜利石油工程有限公司 钻井工艺研究院，山东 东营 257000)

木垒2井位于准噶尔盆地木垒凹陷，是一口预探直井，钻探目的是了解木垒凹陷南部二叠系、石炭系含油气情况，落实石炭系烃源岩发育情况。该井设计井深3 200 m，实际完钻井深为3 300 m。该井位于山前构造带，地层岩性复杂，施工中钻井液技术难度大，邻井钻进过程井壁失稳严重，最大井径达到130%，导致起下钻阻卡严重，延长钻完井周期，勘探与开发进度低。通过使用聚胺纳米防塌钻井液体系，该体系抑制性好，能够对微纳米孔隙和裂缝进行封堵，封堵效率高。现场施工过程中辅助相应的钻井液维护处理工艺，保证了木垒2井的顺利完钻，为该区块进一步勘探开发提供了详实的技术参数和技术保障。

1 工程地质概况

1.1 工程概况

一开使用Φ444.5 mm钻头钻至井深307.50 m，下入Φ339.7 mm表层套管至307.50 m；二开使用Φ311.2 mm钻头钻至井深2 492 m，下入Φ244.5 mm技术套管至2 485.22 m；三开使用Φ215.9 mm钻头钻至井深3 300 m完钻。

1.2 地质概况

木垒2井位于准噶尔盆地木垒凹陷，该井地层自上而下钻遇石炭系石钱滩组(C2sh)、二叠系梧桐沟组(P3Wt)、平地泉组(P2P)及石炭系巴塔玛依内山组(C2b)。石钱滩组上部为灰色凝灰质细砂岩、粉砂岩、凝灰质角砾岩与深灰色泥岩不等厚互层；中部为灰色、灰绿色凝灰质粉砂岩、细砂岩与灰色、深灰色泥岩、砂质泥岩不等厚互层；下部以灰色、深灰色灰质、泥质粉砂岩为主夹灰色、深灰色生屑灰岩，泥岩、砂质泥岩。梧桐沟组以灰色泥岩为主夹薄层灰色粉砂岩、细砂岩。平地泉组上部以灰色泥岩、砂质泥岩为主夹薄层灰色粉砂岩、细砂岩；下部以灰色细砂岩、粉砂岩为主夹灰色泥岩、砂质泥岩。巴塔玛依内山组上部为紫红色安山岩、杂色火山角砾岩、深灰色玄武岩；下部为深灰色凝灰质泥岩、凝灰质砂岩互层夹深灰色炭质泥岩。

2 钻井液技术难点

1)上部地层胶结性差，钻进过程中机械钻速快，大尺寸钻头必然产生大量岩屑，如果岩屑不能及时携带出井眼，会导致钻头重复破碎，降低施工效率；并且停泵后导致沉砂卡钻。

2)该井处于山前构造，多期的强烈的构造运动导致地层层序倒转，地层中发育较强的地应力。当井眼形成的瞬间，地应力沿着井眼的径向释放，导致井壁坍塌。邻井曾发生卡钻事故，损失大量的人力和物力。

3)平地泉组和巴塔玛依内山组地层中泥岩硬脆，钻进过程中在地层应力和机械碰撞作用下极易发生硬脆性垮塌和应力性垮塌，并且坍塌的掉块难以破碎，容易造成掉块卡钻。

4)受造山运动影响，梧桐沟组和平地泉组地层不整合，易发生裂缝性漏失；下部巴塔玛依内山组地层裂缝系发育严重，地层渗透性强，施工中漏失严重。

3 钻井液体系研究

3.1 钻井液体系配方

通过调研国内山前构造井[1-4]及国内外深井[5-7]钻井液使用情况，结合邻井钻井液使用经验，针对木垒2井地层岩性及钻井液技术难点，通过优选钻井液处理剂，形成聚胺纳米防塌钻井液体系，配方如下：

(3.0～5.0)%膨润土浆+(0.2～0.3)%聚丙烯酸钾KPAM+(0.5～1.0)%胺基聚醇+(1.0～2.0)%磺化酚醛树脂+(1.0～2.0)%褐煤类降滤失剂+(0.8～1.0)%磺酸盐共聚物降滤失剂+(2.0～3.0)%羟基铝防塌剂+(3.0～4.0)%纳米封堵剂+(2.0～3.0)%无水聚合醇+(6.0～8.0)%低荧光磺化沥青+(6.0～8.0)%阳离子胶乳沥青。

3.2 钻井液体系作用机理

胺基聚醇分子上多个独立的胺基可充填在黏土颗粒的晶层之间，并把它们束缚在一起，有效地减少黏土的吸水倾向，其抑制作用具有长效性[8]。

羟基铝防塌剂渗入地层后，与黏土结合形成具有固结作用的硅铝酸盐不渗透层，阻止滤液的进一步侵入；进入页岩内部后，与地层中多价阳离子发生化学反应生成沉淀，增强井壁稳定性[9]。

纳米封堵剂颗粒尺寸小，能更快地吸附在井壁及黏土颗粒表面，并在其表面形成油膜，阻止井壁及黏土颗粒的水化，并能提高钻井液的润滑性；纳米封堵剂更容易挤入地层孔隙、层理及微细裂缝中，起到有效的封堵作用[10]。

阳离子胶乳沥青呈正电性，在井底温度作用下，在井壁岩石表面形成一层牢固的沥青薄膜，阻止滤液向地层渗透；正压差下，沥青乳液颗粒进入地层的微孔隙和微裂隙中，配合超细碳酸钙，封堵地层微孔隙和微裂隙，稳定井壁[11]。

聚合醇具有“浊点效应”，当地层温度低于浊点温度时，聚合醇吸附在钻具和固体颗粒表面，形成憎水膜，阻止泥页岩水化分散，稳定井壁，改善润滑性，防止钻头泥包。当地层温度高于其浊点温度时，聚合醇从钻井液中析出，粘附在钻具和井壁上，封堵岩石孔隙，阻止滤液渗入地层，实现稳定井壁的作用[12]。

4 现场钻井液施工工艺

4.1 一开钻井液施工工艺

1)配制10%膨润土浆200 m3，预水化24 h后开钻。

2)钻进中加入0.5%高黏聚阴离子纤维素，保持钻井液漏斗黏度大于50 s，保证钻井液体系的悬浮和携带能力。

3)钻完进尺后，适当提高钻井液黏度和切力，增强钻井液体系的携岩能力。

4)下套管前，配置封井浆封井，确保下套管顺利。

5)施工效果：下套管施工顺利；开泵顺利；固井施工顺利。

4.2 二开钻井液施工工艺

1)套管内处理一开井浆，净化钻井液。加入低黏聚阴离子纤维素LV-PAC，钻井液漏斗黏度至45 s左右开钻。

2)按照循环周补充0.4%聚丙烯酸钾KPAM胶液，保证钻井液体系的包被性能，防止岩屑遇水分散；均匀加入1.0%胺基聚醇，抑制泥页岩水化膨胀。

3)钻进过程中补充10%膨润土浆，保证膨润土粒子对井壁孔隙及微裂缝的封堵，提高钻井液体系的造壁性能和携带能力；根据钻井液体积消耗速度，适当加入纤维类堵漏材料，封堵地层中大的微裂缝，防止井壁漏失。

4)二开上部井段(<2 000 m)，采用低黏聚阴离子纤维素和褐煤控制钻井液的滤失量至5 mL；下部井段，采用磺化酚醛树脂和褐煤控制钻井液的滤失量至5 mL以内。

5)采用超细碳酸钙和低荧光磺化沥青，配合高含量膨润土浆，使钻井液体系能够在井壁上形成良好泥饼；辅助加入无水聚合醇和井壁稳定剂，对地层孔隙及微裂缝进行封堵，提高井壁稳定性。

6)钻井液密度控制在设计下限，并随着地层压力变化调整；进入平地泉组，钻井液密度控制在设计上限；平地泉组下段，地层出现掉块，申请提高钻井液密度，保证钻井液液柱压力平衡地层坍塌压力。

7)充分利用四级固控设备，振动筛、除砂器和除泥器使用率达到100%，间断开启离心机，保证钻井液体系具有良好的流变性。

8)工程上严格执行短起下钻措施，刮掉吸附在井壁上的虚厚泥饼；下钻过程中适当划眼，破碎井底的掉块，畅通井眼。

9)中完后，充分循环钻井液，适当提高钻井液黏度和切力，净化井眼；起钻前，用羟基铝防塌剂和低荧光磺化沥青配制封井浆，封住下部1 500 m井段，保证中完作业顺利进行。二开钻井液性能控制如表1 所示。

10)施工效果：钻进过程中井壁稳定，井径平均扩大率为9.35%；电测顺利；下套管一次到底。

4.3 三开钻井液施工工艺

1)预处理。在二开套管内循环钻井液，开动四级固控设备净化钻井液，然后按照设计下限补充处理剂，待钻井液性能达到设计要求后开钻。

2)抑制性控制。采取适度抑制的原则，按照循环周均匀补充聚合物KPAM和胺基聚醇，适当加入褐煤类降滤失剂，保证钻井液体系的适当分散，保持其抑制性和封堵性的统一。

3)封堵性控制。定期补充10%预水化膨润土浆，保持膨润土粒子对井壁的封堵；补充羟基铝防塌剂、纳米封堵剂和磺化沥青，随着井深而增加其含量，逐渐增加其封堵性。

4)滤失量的控制。采用磺化酚醛树脂和磺酸盐共聚物降滤失剂控制钻井液的滤失量。中压滤失量控制在3.0 mL以内，高温高压滤失量控制在12 mL以内，降低滤液向地层的渗透。

5)流变性控制。漏斗黏度控制在65 s左右，动塑比控制在0.3左右，保证钻井液具有良好的悬浮携带能力，防止环空压耗过大造成井壁失稳；每次起钻前封井，保证高温下钻井液良好的流变性。

表1 二开钻井液性能控制情况

6)固控设备使用。保持振动筛、除砂器和除泥器利用率达到100%，定期开动离心机，降低钻井液体系中的低密度固相含量，保证钻井液体系良好的流变性。

7)钻进过程中，要注意观察井口返浆情况，振动筛上的岩屑返出、岩屑的形状变化，做好井眼稳定性防护及监视工作，避免出现井眼垮塌的恶性事故，提高钻井液的悬浮、携带岩屑能力，确保正常钻进。

8)密度控制。钻井液密度控制在设计中限，以后随着地层压力监控情况随时调控；下部井段，钻井液密度控制在设计上限，保证钻井液液柱压力支撑地层坍塌压力，保持井筒的力学平衡。

9)完井措施。完钻后，充分循环钻井液，然后进行短起下钻，刮掉黏附在井壁上的虚厚泥饼以畅通井眼；下钻到底后，循环钻井液，配制稠钻井液洗井，待振动筛上无岩屑返出后，配制高黏切钻井液封井。三开钻井液性能控制如表2所示。

10)施工效果：钻进过程中井壁稳定，井径平均扩大率为8.89%，是该区块井身质量最好的一口井；完井作业顺利。

表2 三开钻井液性能控制情况

5 复杂情况处理

二开完钻后，循环钻井液时发生井漏。地层为平地泉组，钻井液失返。

5.1 复杂情况处理

1)第1次堵漏。现场施工小组确定如下堵漏措施，堵漏配方为：50 m3井浆+14%核桃壳+12%复合堵漏剂+2%云母片+4%单项压力封闭剂，泵入堵漏浆40 m3，未见泥浆返出；又泵入泥浆19 m3，静止堵漏；继续泵入钻井液后，钻井液未返，堵漏失败。

2)第2次堵漏。重新配制堵漏浆，堵漏浆配方为：50 m3井浆+12%核桃壳(粗)+8%核桃壳(中)+4%核桃壳(细)+4%棉籽皮+4%云母片+4%复合堵漏剂+3%随钻堵漏剂，泵入堵漏浆38 m3，最后井口返出泥浆，继续泵入井浆12 m3，井口返浆正常，堵漏成功。

5.2 第1次堵漏失败分析

井漏为失返性漏失，第一次配制堵漏浆中的堵漏剂颗粒粒径小，堵漏浆进入漏失通道后，堵漏段塞形成的堵漏强度低，在钻井液液柱压力的作用下，导致堵漏段塞不能在漏失通道留存，致使堵漏失败。

6 结论

1)聚胺纳米防塌钻井液体系抑制性能好，封堵能力强，配合现场钻井液维护处理工艺和应对复杂情况的处理措施，保证木垒2井顺利钻至目的层。

2)钻井液中使用羟基铝防塌剂、纳米封堵剂和阳离子胶乳沥青，通过各种处理剂“多元协同” 防塌作用，达到了井壁稳定的效果，全井起下钻顺利，下套管顺利了，电测顺利。

3)木垒区块位于山前构造地形，中部地层破碎，裂缝发育性好，要准备好堵漏材料，还必须添加纳米级封堵剂，封堵地层孔隙和微裂缝，防止井塌。

4)木垒区块下部石炭系地层坚硬，机械钻速低，必须定期开动离心机，最大限度地除去低密度固相含量，保证钻井液具有良好的流变性。

5)采用聚胺纳米封堵防塌钻井液体系施工，保证了井壁稳定，但是，全井机械钻速低，应该对体系进行进一步优化，以利于提高机械钻速。