水平井钻井过程中强抑制强封堵钻井液技术应用研究

陈雪松

摘 要：大港油田水平井钻遇地层从上到下依次为明化镇组、馆陶组、东营组和沙河街组。东营组、沙一段地层为中硬泥页岩，其中黏土矿物含量较高，且主要以伊蒙间层为主，地层岩性十分脆弱，因此在大斜度井段钻进该地层时，由于泥页岩的水化膨胀，容易发生井壁剥落掉块，造成井眼规则，严重时将导致卡钻、井壁坍塌等井下复杂情况，严重影响了钻井施工及后续油田的开发。因此根据大港油田不同区块的地层特性和水平井钻井施工难点，针对上述井壁失稳复杂情况，对该地区泥页岩地层的井壁失稳机理进行了研究，明确了安全密度窗口，通过大量的调研和室内研究摸索出了强抑制强封堵钻井液体系，该体系主要是利用有机盐基液这种无固相加重流体较高的密度和较强的抑制性，配合强封堵材料解决井壁失稳问题，减少事故复杂，最终达到保护油气层的目的，有效解决了大港油田部分区块水平井钻井过程中面临的泥页岩水化膨胀，井壁剥落掉块，井壁坍塌等井下复杂情况，为实现顺利高效钻井奠定了良好技术基础。

关键词：大港油田;水平井钻井;井壁失稳;强抑制强封堵钻井液

前言

大港油田部分区块进行水平井、大位移井等类型的钻井施工时，其主要技术难点是井壁稳定、岩肩携带和润滑防卡。其中又以井壁稳定最为重要。由于大位移井特殊的井身结构，理论上和实践上井壁稳定问题显得格外突出和重要，因此大斜度井，尤其是长水平段，由于井斜大、裸眼井段长，井壁更容易挎塌失稳，井壁稳定己成为影响钻井速度和安全的重要的因素之一必须采取比直井更加有效的防塌措施，消除或减缓井眼不稳定现象的发生。实际应用中分析发现，在大港油田部分区块水平井钻井施工过程中所用的几种钻井液体系的抑制性较强，但低剪切速率下的粘度和切力较低，井奖携带和悬浮岩屑的能力较弱;老化后滤失量较大，由于滤液和压力传递，易引起井壁失稳。

1.水平井钻井井壁失稳原因与对策

1.1井壁失稳原因

（1）力学原因：部分区域储层垂深达到2000m以上，大斜度井的应力集中比直井更大，尤其在水平最大应力方位，井喷应力最为集中，而沙河街组油页岩的层理特征明显，大斜度钻井时泥岩层理弱面的法线与井喷应力之间夹角处于利范围内，井斜角达到60°以后，层理弱面强度处于最低范围，单轴强度20MPa，因此更容易发生剪切破坏，井壁破坏区的范更大。钻井实践中某些井眼轨迹靠近最大水平主应力的方位，大井斜条件下坍塌力高达1.55MPa，而钻井液密度是按照直井三压力来设计的，现场钻井液密度在的1.20-1.28g/cm3，因此远不能平衡东营组和沙河街地层的坍塌压力，这是发生井壁失稳的力学原因。

（2）化学原因：对沙河街油页岩岩心浸泡清水后试验测定，强度降低达到30%-50%，在直井条件下水化作用导致强度从60MPa下降到30MPa，坍塌力升高到1.25MPa，因此在直井和小井斜条件下可以通过适当提高钻井液密度，只要达到1.25g/cm3即可抵消化学作用，井壁依然保持稳定。但在大井斜条件层理弱面的强度处于不利的角度范围内，坍塌压力已经高达1.40-1.55MPa，井壁稳定本来处于脆弱的力学平衡状态，如果水化作用使层理面强度降低50%，则坍塌压力将会提高到1.80MPa，超出安全泥浆密度窗口的上限破裂压力是不允许的，此时化学作用打破了力学平衡，导致井壁不断周期性将塌。因此大斜度条件下必须严格控制钻井液的滤失量，增强封堵、抑制性，优良的钻井液性能成为力学平衡建立的前提。

1.2保证井壁稳定对策

（1）力学平衡对策：后续大位移井优化井眼轨迹方位，避开水平最大主应力方位（近似东西方向），尽量靠近水平最小主应力方位（近似南北方向），并结合井眼轨迹确定合理的钻井液密度，保障力学的稳定性，大位移井的安全泥浆密度窗口，在井斜角45°以后的大斜度井段钻井液密度从1.19g/cm3提高到1.45g/cm3，平衡坍塌压力。在力学稳定的基础上，降低钻井液的滤失量、优选强抑制强封堵钻井液，提高钻井液的抑制性和封堵能力，大斜度井段降低API失水，井斜角45°后，API失水从10ml降低到3.6ml，这些措施保障了大位移井在钻井和完井阶段井壁稳定。

2.强抑制强封堵钻井液体系

经过室内反复试验，优选出满足大港油田水平井钻井复杂钻井环境要求的两套钻井液配力：（1）密度≤1.40g/cm3，抗温120℃一套;（2）密度1.40g/cm3-1.60g/cm3，抗温160℃一套。基本配方：水+0.3%Na2CO3+2-3%BZ-VIS+0.05%BZ-XCD+1-2%BZ-Redu I+2-3% BZ-YFT+2-3%BZ-YRH+15-30%BZ-MYJ-I+重晶石。

2.1抗温稳定性评价

分别选用抗温120℃，密度1.20-1.40g/cm3配方和抗温160℃，密度1.40-1.60g/cm3配方体系在120℃和160℃高温热滚后，仍具有良好的综合性能。

2.2抑制性评价

从活度因素角度评价，釆用用吸附等温曲线法准确测定了不同浓度的强抑制强封堵钻井液中水的活度，数据分析可知，强抑制强封堵钻井液中水的活度极低，对易水化泥岩抑制能力极强，使钻井液性能较稳定，保护油气層效果较好。

2.3抗污染性能评价

强抑制强封堵钻井液抗污染能力决定于其抑制性，其水活度低、离子嵌入、压缩双电层的机理决定了其抑制性极强。强抑制性使得污染进入钻井液与完井液的粘土、盐、水泥变成惰性物，对性能没有太大的不良影响。由于不同温度、不同密度体系配方组分基本相同，所以只要选择一套典型的钻井液配方进行抗污染试验，其它基本相同。室内选择抗温160℃、密度1.40g/cm3的配方进行各种污染试验。

2.4润滑性评价

强抑制强封堵钻井液有非常好的润滑性。主要因为两方面的作用机理，一是大量的有机酸根具有很强的表面活性，本身就是很好的润滑剂，并能吸附在金属或粘土表面，形成润滑膜;二是低固相含量能有效地降低摩擦系数。

3.应用效果

通过在现场的应用，强抑制强封堵钻井液体系在大港油田水平井钻井过程中体现了良好的抑制性、润滑性、携岩性、具有优异的防塌和油气层保护性能。

3.1抑制性强

在强造浆井段未排放钻井液，在易塌层位设备多次出现问题，静止时间长达72小时的情况下，起下钻顺利，说明钻井液抑制性很强。

3.2携砂性强

钻进过程中返砂正常，施工顺利，无论是正常起下钻或因设备问题等临时起下钻，井眼总是畅通无阻，说明该体系携砂能力很强。

3.3润滑性好

钻进过程中不用加润滑剂，起钻拉力和钻进扭矩均保持在正常范围内，定向出现托压现象，加入的胶液可恢复正常。

3.4井壁稳定

加入相关的封堵防塌材料，使井壁形成致密的泥饼，增强了钻井液防塌性和封堵能力，有效抑制了沙河街泥灰岩地层的坍塌，起下钻通畅、没有出现划眼现象，电测、下套管非常顺利，而邻井在该井段施工中多次出现井壁坍塌及划眼等情况。

3.5抗污染能力强

三开钻水泥塞钻井液性能无变化，固完井因浮箍、浮鞋失效，在技套和尾管内共形成长的水泥段塞，用该体系钻完性能非常稳定。

3.6保护油气层效果好

随着BH-WYJ-I的加入，大大减少了钻井液中惰性固相的含量，使滤液与油气层水相性质相匹配，减少了水堵而造成的油气损害，油气显示活跃。

参考文献：

[1] 高德利.井壁稳定性技术研究[J].石油钻探技术，2009，12（4）：16-19.