高性能水基钻井液在东濮老区二开制水平井的应用

2021-03-16赵虎司西强董瑞军

石油工业技术监督 2021年3期

赵虎，司西强，董瑞军

1.中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院（河南濮阳457001）

2.中国石化中原石油工程有限公司钻井二公司技术发展中心（河南濮阳457001）

东濮老区水平井以往采用三开制，技术套管封至A靶点。为节约钻井成本，2020年首批二开制水平井开发2口井，表套下至明化镇500 m，目的层为沙一段和沙二段，裸眼段含有大段泥岩、膏岩等，地层稳定性差；长裸眼段和水平井开发方式给定向和起下钻等作业带来较大难度。以前期应用的ZYAPD高性能水基钻井液配方为基础，根据地层和工程情况调整钻井液配方，降低钻井液成本，解决了施工中的技术难题，满足钻完井施工要求[1]。本文对该钻井液在东濮老区的应用进行介绍，并总结其现场应用效果，为该钻井液在水平井的推广应用提供了技术支撑。

1 低成本高性能水基钻井液

2016年中原钻井院针对不同区块的页岩气井研发出以聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）、阳离子烷基糖苷（CAPG）和烷基糖苷（APG）为核心主剂的烷基糖苷衍生物钻井液体系，简称ZY-APD钻井液，其成本较低，先后在昭通、长宁、南川、武隆和普光等地区应用了6口井。应用表明其解决了沙溪庙、千佛崖、小河坝、石牛栏组和龙马溪组等地层破碎带的坍塌掉块问题，起下钻、下套管畅通，避免了同类井应用水基钻井液钻井出现的复杂情况，对比该区块其他高性能水基钻井液技术和成本，其优势明显[2-10]。2020年为满足东濮老区首批二开制水平井开发，造斜段和水平段采用高性能水基钻井液。根据地层岩性和钻井周期，对体系配方做出如下调整：

1）降低ZY-APD钻井液主剂加量，NAPG加量为1.0%～1.5%，CAPG加量为1.0%～2.0%，即可满足东营组—沙二段泥岩稳定周期大于30 d的钻完井需求。

2）引入包被剂HP，对上部东营组软泥岩钻屑包被，固控设备及时清理。

3）放弃极压润滑剂，较低钻井液密度（1.15～1.42 g/cm3），形成较好的泥饼质量，即可满足钻完井需求。

该高性能水基钻井液与以往该地区定向井和三开制水平井采用的聚合物钾盐等体系对比，具有明显的井壁稳定、润滑防卡和流变性控制优势，具体对比见表1。

2 东濮老区二开制水平井地质与工程概况

2.1 地质概况

东濮老区一期二开制水平井2口井，分别为东濮凹陷中央隆起带文留构造文25-平1井，古云集构造云2-平6井。目的层分别为沙二段和沙一段，造斜段之下钻遇地层和岩性见表2。

2.2 工程概况

文25-平1和云2-平6均为二开井身结构：一开Ф311.2 mm钻头，下Ф244.5 mm表层套管，二开Ф215.9 mm钻头，具体工程参数见表3。

3 钻井液技术难点与技术思路

3.1 技术难点

1）东营组—沙二段泥岩含量高，对钻井液井壁稳定要求高。应用井段文25-平1泥岩含量为80%，云2-平6井泥岩含量为57%，分散特性较强。套管下深仅为500 m左右，裸眼地层易缩颈及剥蚀掉块，钻井过程中的机械破坏和钻井液长时间浸泡地层，超过坍塌周期，导致井壁失稳。

2）完钻井斜大，裸眼段较长，润滑防卡难度大。文25-平1井造斜点为1 980 m，A靶点为2 649 m，完钻井深2 700 m，裸眼段长2 200 m，最大井斜92.99°，最大狗腿度为8.85°/30 m；云2-平6井造斜点为1 852 m，A靶点为2 448 m，完钻井深2 570 m，裸眼段长2 065 m，最大井斜90.62°，最大狗腿度为7.18°/30 m。定向段钻具滑动摩擦，对钻井液的润滑性和泥饼质量要求高，防止钻头泥包。

表1 钻井液性能对比

表2 地质分层和岩性

表3 应用井工程概况

3）该井采用老浆转换，含有大段膏层，钻井液长期稳定难度大。老井眼为低固相聚合物钻井液，坂土含量高，以老浆为基础转换为高性能水基钻井液，随着钻井周期的增长，中低相对分子质量的聚合物降滤失剂亦可引起钻井液黏切值升高，井眼清洁困难。文25-平1井含膏地层高达15%，Ca2+等侵入钻井液易导致钻井液滤失量升高，泥饼质量变差，常规加OH-和CO32-的处理方式导致钻井液增稠，流变性变差。

3.2 技术思路

1）钻井液井壁稳定能力。密度控制：参照邻井资料合理调整钻井液密度，大斜度定向段和水平段要高于同层位邻井的钻井液密度，支撑井壁稳定，但切记不可在短时间内大幅提高钻井液密度，以免压漏地层。抑制能力：采用糖苷系列为主抑制剂，非离子型抑制剂（NAPG）和小阳离子型抑制剂（CAPG），作用机理为吸附成膜、嵌入及拉紧晶层等[11-17]。复配KCl使体系获得更高的抑制能力，KCl在该体系还具有灭菌、增强钻井液的长期稳定性等作用。封堵能力：配合纳微米封堵剂、超细碳酸钙、磺化沥青、改性石蜡等多种封堵材料，有利于快速形成致密的高强度封堵层，提高井壁承压能力，可满足地层的封堵需求。

2）钻井液润滑防卡技术。糖苷衍生物APD由于其分子结构上的多羟基和一个烷基基团，能够在钻具、套管表面及井壁岩石上产生强力吸附，烷基作为亲油基则朝外规则排列，形成非常稳定且具有一定强度的润滑膜[18]，CAPG可通过羟基的氢键吸附和季铵基团的静电吸附而牢牢吸附在黏土颗粒表面，并可直接参与泥饼的形成，使泥饼具有较好的润滑性[19-21]。

3）钻井液流变参数控制技术。地层泥岩含量较多，定向钻速较慢，使用老浆转换钻井液，劣质固相的不断侵入。APD为多羟基结构，优先吸附在重晶石和钻屑表面，吸附成膜，降低颗粒间的内摩擦，改善流动性，提高钻井液的固相容量。APD通过吸附、交联和护胶等作用，增强聚合物之间的结构强度，提高温度耐受能力和抗钙污染能力，可增强钻井液的长期稳定能力[22]。

4 高性能水基钻井液在东濮老区的应用

4.1 钻井液的配制

取现场井浆，测试老浆膨润土含量，根据测定值确定老浆用量，转换后高性能水基钻井液膨润土为20～25 g/L。采用边钻进边转换高性能水基钻井液180～220 m3，配方：1%～1.5%NAPG+1.5%～2.0%CAPG+0.1%～0.2%HP+0.5%～1%纳微米封堵剂+1%～2% FT（磺化沥青）+1%～1.5% ZY-JLS（降滤失剂）+5%～6%KCl+0.1%NaOH。

4.2 钻井液的维护处理

1）流变性控制和井眼清洁。为了同时满足造斜段的悬浮携砂和水平段的冲刷带砂，钻井液应保持合理的流变性，排量足够且无掉块的情况下造斜段钻井液的黏度控制在35～60 s，有掉块后水平段黏度控制在55～75 s较为合理；使用XC（生物聚合物）等可提高钻井液的黏切；若需要降低钻井液的黏切值，可用含CAPG和ZY-JLS的稀胶液稀释。若下钻划眼较多，可用高XC或HP配制稠塞液清砂。

2）滤失量和泥饼质量控制。适当补充ZY-JLS可降低钻井液的滤失量，补充NAPG和CAPG可改善泥饼质量，纳微米封堵剂、超细碳酸钙、磺化沥青FT等可降低滤失量。

3）钻井液的防塌措施。保持合理的钻井液密度，有效支撑井壁，是保持井壁稳定的前提。钻进过程中根据井下实际情况及时上提密度。保持抑制剂的含量：3%APD（NAPG和CAPG总和）+5%KCl；保持封堵剂的含量：1%纳微米封堵剂+2%磺化沥青，当出现井壁掉块时可适当提高磺化沥青加量。

4）润滑防卡措施。糖苷系列产品具有良好的润滑效果，井斜25°前可满足定向的需要，但随着井斜角的增大，井眼轨迹变化较大，单靠增加APD增大润滑性不经济，可少量补充改性石蜡等提高钻井液润滑性；完井过程中增加塑料小球保证电测和下套管的顺利进行。

4.3 完井措施

完钻电测前强化离心机的使用，降低固相含量；下套管通井过程中，采用分段循环，强化离心机使用，降低固相含量，利于水平段的清砂。牙轮钻具下钻到底，循环清砂完毕，泵入30 m3封闭液后，封闭1 000 m裸眼段，起钻后进行下套管作业到预定井深。

电测封闭液组成：井浆+2%NAPG+1%FT+1%改性石蜡。下套管封闭液组成：井浆+2%NAPG+1%FT+1%改性石蜡+0.5%塑料小球。

5 应用效果

在整个钻进过程中，钻井液性能稳定、井下安全、起下钻畅通无阻、电测和下套管作业一次成功，达到了稳定井壁、保护储层及井下安全的目的。具体应用效果如下：

1）强抑制和强封堵相结合，有效保障了东营组—沙二段的地层稳定。保持合理的钻井液密度，东营组钻井液密度为1.17～1.27 g/cm3，沙一段密度为1.23～1.33 g/cm3，沙二段密度为1.25～1.42 g/cm3。保持不低于3%APD+5%KCl；保持封堵剂的含量：1%纳微米封堵剂+2%磺化沥青FT，提高对地层微裂缝和微孔隙的封堵能力，当出现井壁掉块时可适当提高封堵剂含量。通过ZY-JLS降低滤液浸入，提高了井壁稳定性。文25-平1井应用段泥岩含量为80%，因密度支撑不够，钻进至2 089 m，振动筛返出灰色、棕色泥岩掉块，上提密度至1.35 g/cm3，观察振动筛返砂基本正常；云2-平6井泥岩含量为57%，全井段井壁稳定，应用段平均井径扩大率为6.44%，反映出钻井液的抑制黏土水化分散能力强。

2）润滑性好，满足定向施工，利于降低循环压耗、提高机械钻速。APD具有良好的润滑性，保持APD类产品总量≥3%，随着井斜和方位变化增大，水平段的加长，及时补充改性石蜡和石墨等有助于提高钻井液的润滑性。两口井二开段为215.9 mm（8½″）井眼，钻进过程中排量为32 L/s，泵压为12～16 MPa，起下钻和拉井壁平均摩阻为4～8 t。云2-平6井实钻过程中起下钻和拉井壁摩阻如图1所示。

图1 云2-平6井二开井段实钻摩阻

3）剪切稀释好、携岩能力强，保证了井眼清洁及岩屑床的清除。APD钻井液为低黏高切型钻井液，多数井段钻井液黏度控制在40～70 s，排量为32 L/s，可较好地满足造斜段的悬浮携砂和水平段的冲刷带砂，实钻过程中起下钻和拉井壁顺畅。文25-平1井2 089 m钻进过程中的掉块，如图2所示，钻井液可及时将其携带出地面，有效清除振动筛，避免了井下复杂工况的发生。分段钻井液性能见表4。

图2 文25-平1井2 089 m钻进过程返出的掉块

表4 应用井分段钻井液性能

4）钻井液成本较低，并且实现了回收再利用。因两口井钻井液单方成本仅为同密度油基钻井液（回收再利用浆）的25%～35%，ZY-APD等高性能水基钻井液标准配方的50%～60%，大大降低了钻井液的成本。因两口井为同期井，文25-平1井未完钻时，云2-平6井已开钻，故无法使用前者转换的钻井液，后期维护使用前者老浆30 m3，两口井回收钻井液260 m3，以备后期同类井开发使用。