渤海曹妃甸区块钻井液体系优化研究

董平华 ，张 磊 ，刘海龙 ，霍宏博 ，李治衡

（1.中海石油（中国）有限公司 天津分公司，天津 300459；2.海洋石油高效开发国家重点实验室，天津300459）

曹妃甸区块位于渤海中部海域，油层主要分布在新近系明化镇组和馆陶组。明化镇和馆陶组地层砂泥岩互层多，地层强度低，抵抗变形能力弱，易造成蠕变缩经，泥岩伊蒙混层含量高，易水化膨胀，进而造成井下起下钻遇阻等复杂情况，如钻井液抑制性过强，极易造成倒划眼困难[1-9]，特别是在浅层大斜度井和大位移井更为突出。曹妃甸区块已钻探井13口，已钻井所发生的井下复杂情况主要是起下钻阻卡划眼、测井遇阻与遇卡，处理起下钻阻卡（划眼）共302.3h，占84%。13口总共起钻90趟，起钻遇卡倒划眼26趟，占29%，倒划眼过程中出现扭矩增大、憋泵、抬钻具等井下复杂情况，共下钻77趟，遇阻划眼8趟，占10%。为提升开发井钻井作业效率，改善所采用的钻完井液体系与油田地层的适应性，本研究根据岩性特点，提出了改进PEC钻井液体系优化方向和措施，采用强包被，强封堵，多重抑制的技术方法缓解缩径而引起的起下钻阻卡、倒划眼困难。室内在改进型PEC钻井液的基础上，通过包被剂加量优化，封堵剂的优选，抑制剂的评价等进一步优化了改进型PEC钻井液，提高了针对性并现场应用，降低了复杂情况，提高了起下钻时效。

1 复杂情况分析

1.1 岩性特点和分析

曹妃甸区块明上段和明下段上部表现为砂泥岩互层为主，而明下段中下部则表现为泥岩夹薄层砂岩，砂岩多为细砂状结构，馆陶组表现为厚层砂岩夹薄层泥岩的特征，砂岩为中-粗砂状结构。明化镇泥岩黏土矿物主要由伊蒙混层（61%～84%）组成，其次为伊利石（4%～12%）、高岭石（6%～18%）、绿泥石（6%～13%），伊蒙混层中混层比为60%～65%，明化镇组钻屑粘土矿物总量在20%～28%，水化能力较强的伊蒙混层在71%～86%之间；馆陶组泥岩黏土矿物主要由伊蒙混层（62%～76%）组成，其次为伊利石（4%～12%）、高岭石（10%～14%）、绿泥石（10%～12%），伊蒙混层中混层比为（65%～70%）。馆陶组钻屑粘土矿物含量高达18%～35%，其水化能力较强伊蒙混层含量在48%～76%，高岭石含量为12%～35%。根据实验要求，对明化镇与馆陶组钻屑进行理化性能分析，钻屑回收率在4.2%～5.3%，钻屑膨胀率在22.81%～37%，密度在 2.4～2.51g·cm-3，明化镇和馆陶组地层属于强分散、强膨胀地层。

由于砂泥岩存在蠕变性质，裸眼段井壁会随着钻开时间的增加而变形破坏。室内研究了蠕变缩径的大小随时间的变化关系，曹妃甸浅层砂泥岩都表现出较强的蠕变性质，岩心蠕变率受偏应力影响，岩心发生瞬态蠕变后进入稳定蠕变过程，偏应力越大，蠕变率增长速度越快。且随着岩石含水率的上升，砂泥岩的稳态蠕变速率明显上升，瞬时形变明显增加。

钻井过程中，泥岩与钻井液接触，钻井液中的水分向地层内渗透，在泥岩吸水过程中，泥岩会产生膨胀应变，进而产生膨胀应力。利用吸水膨胀系数测量装置[10]测定现场岩芯样品在PEC体系下垂向和径向膨胀应变量随吸附含水量间的关系，结果表明膨胀应变随泥岩含水量增加急剧增加，进而引起井壁失稳，造成复杂情况。

1.2 技术思路

根据岩性特点和分析，曹妃甸油田明化镇组与馆陶组胶结差，孔渗高，岩石强度低，易水化膨胀和蠕变缩径，地层被钻开瞬间，发生瞬间塑性变形，钻井液滤液进入引发蠕变和水化膨胀，造成井径缩小，起钻阻卡，抬钻具、憋泵等现象，砂泥岩交界处，最为严重。若采用强抑制的氯化钾钻井液钻进，起下钻阻卡更为严重，因为K+主要是通过其镶嵌作用来抑制粘土水化膨胀，但过多的K+会导致井壁硬化而影响起下钻速度[11]。为解决上述难题，提出两点优化思路，一是降低K+加量，优选其他抑制剂，实现综合抑制。二是加强钻井液封堵性能，形成高质量的泥浆，减少钻井液滤液侵入，降低砂泥岩的蠕变和水化膨胀程度。

2 改进型PEC钻井液配方优化

2.1 包被剂加量优化

采用PLH作为包被剂，通过其抑制明化镇组与馆陶组地层分散效果来优选其加量。将明化镇组泥岩钻屑，干燥后称取50g加入到350mL钻井液中，在90℃下热滚16h，冷却后过40目筛，筛余在105℃下烘干后称重，计算钻屑回收率，实验结果见表1。

表1 PLH加量对回收率影响（%）Tab.1 Effect of PLH addition on recovery

表1结果显示，加入PLH可以大幅度提高钻屑回收率，随着加量的增加，回收率增加，PLH加量在0.6%时钻屑一次回收率可以达到87.54%，效果良好，初步选取0.6%PLH加量进行后续实验。

2.2 封堵剂优化

为减少钻井滤液进入地层，需在钻井液中加入封堵剂。本研究对现场常用的封堵剂PF-SZDL、PF-LSF、PF-LPF进行优选，实验结果见表2。钻井液在80℃，3.5MPa条件下进行高温高压滤失量实验后，使用清水在相同条件下对泥饼进行渗透率测试。加入1.0%SZDL后泥饼渗透速率从0.56mL·min-1降低到0.14mL·min-1，加入1.0%PF-LSF以及1.0%PF-LPF泥饼渗透速率从 0.56mL·min-1降到0.089mL·min-1。PF-LSF 与 PF-LPF 1∶1 复配使用以及PF-SZDL都能显著提升钻井液的封堵能力，有效降低钻井液的滤失速度，提高泥饼质量，但提高用量后，封堵效果提升不明显，综上所述，后续采用1.0%PF-SZDL+1.0%PF-LSF+1.0%PF-LPF复配使用。

表2 封堵剂加量对钻井液性能影响Tab.2 Effect of the amount of plugging agent on drilling fluid performance

2.3 抑制剂优化

为减缓起下钻遇阻卡情况，需要加强钻井液综合抑制性，从钻屑回收率、抑制膨胀率、钻井液抗钻屑污染能力3个方面评价抑制性。按标准《SY/T5613-2016钻井液测试泥页岩理化性能试验方法》测量钻屑回收率和岩心膨胀率来评价抑制性。实验结果见表3。

表3 无机盐抑制剂对钻屑回收率和岩心膨胀率影响实验Tab.3 Effects of inorganic salts on drill cuttings recovery and core expansion

在随着NaCl和KCl的加量增加，钻屑一次回收率有所上升，在12%NaCl加量下一次回收率达到8.94%，相对清水提高4.44%；在10%KCl加量下一次回收率为9.50，相对清水提高5.00%，两者对钻屑滚动回收率提升效果相差不大，作为稳定钻井液体系的作用上两者性能差距不大。随着KCl的加量的增多，岩心膨胀率有所下降，但是在KCl的作用下岩石强度下降较小，泥岩水化膨胀或缩径后井壁强度较大，造成倒划眼困难，严重情况下将造成井壁坍塌。NaCl的加入使得岩心膨胀率有所增加，这是由于伊蒙混层中蒙皂石在Na+作用下由钙土转化为钠土，使得膨胀率增加，但NaCl的加入岩石强度下降较大，使得倒划眼更容易，可以提高倒划眼速度，此结果与现场钻井液使用效果相符，因此，选用NaCl作为抑制剂。

为进一步提高钻井液的抑制性，实验引入有机插层抑制剂进一步评价抑制性能。实验结果见表4。

表4 抑制剂加量对膨胀率的影响Tab.4 Effect of the amount of inhibitor on the expansion rate

在80℃下。使用12%NaCl做抑制剂的改进PEC体系能大大降低明化镇泥岩的膨胀率，相对清水可降低22.27%，在加入BIOTROL后能进一步抑制膨胀，加入12%NaCl和1.0%BIOTROL后改进PEC钻井液对泥岩膨胀率的抑制性相对清水提高23.01%。在90℃下测量钻屑一次、二次回收率，加入BIOTROL抑制剂后钻屑滚动回收率得到明显的提高，特别是BIOTROL吸附在钻屑表面的二次抑制能力作用下，BIOTROL加量为0.5%时，抑制性已经有明显提高；在BIOTROL加量为1.0%时，二次滚动回收率即可达到86.23%。根据实验结果，选取12%NaCl+0.5%BIOTROL作为抑制剂。

3 优化后改进PEC性能评价

根据实验研究优化后改进PEC配方为：2%海水膨润土浆+0.3%NaOH+0.2%Na2CO3+0.6%PLH+0.25%PF-PAC-LV+1.5%PF-FLOTROL+0.1%XC+1%PF-SZDL+1%PF-LPF+1%PF-LSF+0.5%PF-BIOTROL+12%NaCl+石灰石加重。

3.1 基础性能

表5结果表明，该钻井液随密度提高仍保持良好的流变性能，热滚后性能稳定，保持较低的粘度和较高的切力，有利于携岩，且常压失水保持在4mL以下，有利于井壁稳定，综合性能较好。

表5 不同密度下改进PEC钻井液性能Tab.5 Improved PEC drilling fluid performance at different densities

3.2 抗钻屑污染性能评价

室内采用明化镇钻屑过100目筛，筛余钻屑加入改进PEC钻井液后以11000r·min-1高速搅拌10～20min，老化前后测量其流变性等性能。实验结果见表6，可以看出，改进PEC钻井液在钻屑浓度为20%时滚后 AV 增加了 5mPa·s，PV 增加了 4mPa·s，YP增加了1Pa，流变性随着钻屑含量的增加变化不大，失水略有上涨，可以看出改进PEC具有良好的抗钻屑污染能力。

表6 改进PEC抗钻屑污染能力评价实验结果Tab.6 Evaluation experiment of improved PEC anti-drilling cuttings pollution ability

3.3 封堵性能评价

室内借助渗透封堵仪（PPT）评价了钻井液对渗透性砂盘的封堵能力，评价结果见表7。

表7 钻井液基浆PPT封堵性结果Tab.7 PPT plugging results of drilling fluid base slurry

不加封堵剂的改进PEC基浆对2D砂盘滤失量比较大，PPT滤失量达到35mL，表明不加封堵剂封堵效果较差。添加封堵剂过后，滤失量降低至11mL，滤失速率由 1.18mL·min-1降至 0.37mL·min-1，滤失量和滤失速率大大降低，表明钻井液具有良好的封堵性能，可有效降低滤失。

3.4 现场应用情况

优化后的改进型PEC钻井液在曹妃甸油田A59井进行了应用，二开311.15mm井眼，设计井深2764m，裸眼段长是2354m，最大井斜70°。现场钻井液实际性能见表8，结果表明优化后的钻井液流变性能稳定，固相含量低，API失水小于4mL，表现出了较好的抑制能力，抗污染能力强，封堵性能良好。同时，本井与已钻井A10和A28H井的倒划眼速度对比，结果见图1。

表8 A59H现场钻井液性能Tab.8 A59H field drilling fluid performance

图1 倒划眼速度对比Fig.1 Comparison of backreaming speed

图1 结果表明，使用优化后钻井液的A59倒划眼速度相比A10和A28H井提高20%以上，大大提高起下钻效率。

4 结论

（1）曹妃甸区块浅部地层强度低，泥岩黏土矿物主要由伊蒙混层组成，属于强分散、强膨胀地层，存在水化膨胀和蠕变特性。

（2）曹妃甸区块探井作业期间主要复杂情况为起下钻遇阻，主要发生在311mm井段，分析认为主要为常规钻井液体系钾离子过高，井壁水化膨胀和蠕变协同作用造成缩径引起。

（3）针对起下钻时效低的问题，从钻井液优化上着手，采用强包被、强封堵改进型PEC钻井液，采用NaCl替代KCl，配合插层抑制剂，实现综合抑制，既可稳定井壁，又可避免井壁过硬，提高起下钻效率，优选处理剂为：包被剂0.6%PLH，封堵剂1%PFSZDL+1%PF-LPF+1%PF-LSF，抑制剂0.5%PFBIOTROL+12%NaCl。

（4）优化后的改进型PEC体系综合性能良好，提高了对曹妃甸区块的针对性和适应性，现场用后，流变性控制良好，起下钻顺畅，倒划眼速度大大提高。