扩展安全密度窗口的钻井液技术及其应用

谢 俊，司西强，吴协力，范 波

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一公司，河南 濮阳 457001

顺北油气田位于塔里木盆地东北坳陷区西部，含有多条富含油气的断裂带，自勘探开发以来，已在1 号断裂带整体建产，在5 号断裂带获高产油气流，是中石化重要的油气生产基地，其油气埋藏深度超过7 300 m，是世界陆上超深油气藏之一［1］。由于埋藏深、地质构造复杂，钻探过程中经常发生井壁垮塌与井漏，尤其在5 号断裂带南部区域的钻探中，三开志留系、桑塔木组等地层含大段硬脆性泥岩，易垮塌；志留系泥岩裂缝发育，压力敏感，易井漏，并且地层有可能出盐水。当井壁失稳时，可以通过提高钻井液密度来支撑井壁，但会导致井漏风险大大增加；发生井漏时，为降低井漏风险，可以降低钻井液密度，却会导致井壁坍塌风险大大增加。这种“塌漏同存”的矛盾，直接导致了钻井液安全密度窗口变窄，频繁诱发井下复杂情况的发生，甚至严重影响勘探开发进度。如顺北5-5H、顺北5-10 井均在三开志留系发生井壁失稳诱发的卡钻事故，其中顺北5-5H、顺北5-6、顺北52x 因在三开无法有效调和井漏与井壁失稳共存的矛盾，顺北5-5H、顺北5-6 累计处理复杂时间300 d 以上，三开提前中完，被迫多下一层套管封隔复杂段，而顺北52x 被迫弃井［2］。因此，如何扩展钻井液安全密度窗口，调和“塌漏同存”矛盾，是目前亟需解决的问题。

1 钻井液技术扩展安全密度窗口可行性分析

1.1 井壁失稳原因分析

对顺北51x 井志留系实钻岩性进行了统计，志留系泥岩含量72%，对岩屑进行了X 线衍射矿物分析，柯坪塔格组岩屑黏土矿物平均含量为32.3%，并含有石英、斜长石、方解石等脆性矿物63.6%，黏土矿物组成见表1。由表1可知：柯坪塔格组黏土矿物中主要含有51%伊利石，伊-蒙混层含量25%，以伊利石为主，属于硬脆性泥岩，膨胀性黏土矿物含量较少。室内分散及膨胀实验表明，柯坪塔格组黏土矿物的清水滚动回收率平均为75%，清水中膨胀率为10%，属于弱分散弱膨胀泥岩，但仍然具有一定的水敏性，尤其是伊利石表面水化后，仍然具有很强的膨胀压。林永学等［3］对柯坪塔格组、桑塔木组泥岩进行微观结构分析，结果表明柯坪塔格组和桑塔木组地层泥岩基质微孔隙、微裂缝、层理等弱面极其发育，孔喉直径主要分布在0.1～5 µm，微裂缝、层理宽度为0.5～15.0 µm。石秉忠等［4］利用CT 成像技术对硬脆性泥岩水化裂缝发展进行了研究，结果表明硬脆性泥岩井壁失稳，本质上表现为水化作用，致使矿物颗粒间内聚力减小或消失，原始和次生微孔缝的扩张与扩展演化形成宏观裂纹，宏观裂纹增宽成缝并发展直至破坏。他们同时发现，含有KCl 等具有抑制泥岩水化作用的处理剂，对裂缝扩展速度有较为明显的延迟作用。因此，对于志留系等裂缝发育的硬脆性泥岩，通过强化钻井液抑制泥岩水化作用，减少泥岩水化产生的次生裂缝及延缓地层裂缝扩展，降低地层坍塌压力，延长坍塌周期，该措施在理论上是可行的，坍塌压力的降低意味着可以降低钻井液密度，从而可以扩展安全密度窗口，减少滤液沿微裂缝、层理侵入地层的现象，并进一步延缓泥岩地层的水化效应。

表1 黏土矿物组成分析

1.2 井漏原因分析

对于易漏地层，一般都是通过随钻封堵等强化钻井液封堵地层微裂缝，提高地层的承压能力或漏失压力，扩展安全密度窗口，从而能够将钻井液维持在一个较高的密度，防止地层垮塌或地层出水等。对于压力敏感地层，当维持较高的密度时，可能使漏层产生较多的压裂裂缝，增加了地层漏失及垮塌风险。由于地质构造的挤压和扭曲作用，5 号断裂带志留系层位缝网发育，存在大段、大量张开和闭合的裂缝［2］，裂缝对钻井液密度即压力变化敏感，易开启、扩大。图1 为顺北5-5H志留系漏层成像测井。由图1 可知：在漏失井段多处发育由钻井液压裂而成的水力压裂缝，水力压裂缝在成像图上的特征为沿井壁对称出现的褐黑色图形，是由钻井液压裂诱导而成、被低电阻钻井液所充填的人工裂缝，且因为过多钻井液沿着裂缝侵入地层，加速了泥岩水化及裂缝扩展，造成井壁崩落现象明显，裂缝扩展亦降低了漏层漏失压力，造成堵漏成功率不高或者堵漏成功后复漏现象频繁，大大增加了处理复杂问题的时间。

图1 顺北5-5H志留系漏层成像测井

因此，压力敏感的漏层对钻井液密度极为敏感，保持钻井液的强封堵性能，能够减少滤液沿裂缝对地层的侵入，一方面有助于降低裂缝扩展的速度，另一方面有助于强化钻井液的抑制性能，降低地层坍塌压力，扩展钻井液安全密度窗口，在确保井壁稳定的前提下，采用较低密度钻井液钻进漏层，降低钻井液作用于井壁的压力，有利于地层防漏，降低地层漏失及堵漏后复漏几率，提高堵漏成功率，达到“塌漏同治”的目的。

2 多元协同抑制钻井液技术

2.1 化学固壁剂选择

目前现场使用的聚磺钾胺基钻井液体系具有良好的抗温及抑制性能，为控制井壁稳定，在志留系等易坍塌层位，钻井液密度需要控制在1.38～1.41 g/cm3，较高的密度不利于压力敏感地层的防漏，井漏及复漏频繁，并诱发井壁垮塌。为了扩展安全密度窗口，降低钻井液密度，通过向聚磺钾胺基钻井液中引入聚合铝盐，强化钻井液的化学抑制及化学固壁性能，形成氯化钾-胺基-铝盐多元协同抑制钻井液技术。

黏土矿物主要是含水的铝硅酸盐，硅酸盐、铝酸盐等与黏土矿物在结构方面相似，在高温下能够与黏土矿物发生化学反应起到化学固壁作用。硅酸盐溶胶对钻井液体系pH 非常敏感，当体系pH 低于11 时，硅酸盐非常容易发生缩聚，生成多聚体，并可能进一步发生交联形成凝胶，对钻井液体系流变性能影响极大［5-6］。而铝酸盐对钻井液体系pH 的敏感度要低于硅酸盐，当体系pH 保持8 以上时，铝酸盐大部分保持溶解状态（见图2），且不溶物不会相互交联成为凝胶，对体系流变性能基本没有影响，同时其适应的pH 较低，有利于高温下井壁稳定，因此选择聚合铝盐强化钻井液化学固壁性能。

图2 pH变化对聚合铝盐溶解度的影响［7］

2.2 钻井液的抑制机制

KCl 具有独特的晶格固定作用，其抑制泥岩膨胀能力优于NaCl 与CaCl2，是最常用的无机盐抑制剂，高温高压下，通过离子交换，能够将一些易水化膨胀地层转化为低分散低膨胀的伊利石。

胺基页岩抑制剂是近年来发展的一种新型环保页岩抑制剂，胺基氮原子上的未共用电子对能与质子结合形成正电铵离子［8］，通过离子交换减弱黏土颗粒表面的亲水性，具有加量低、抑制性强的优点，已在国内外得到广泛应用。聚合铝盐在pH 8～9 时，以水溶性的四羟基铝阴离子存在，当钻遇地层水（pH 一般在5～6）时，铝络合离子会立即生成Al（OH）3沉淀，在井壁孔喉内或微裂缝内迅速沉积，Al（OH）3沉淀还可通过进一步与地层黏土矿物发生物理化学作用，最终成为地层页岩晶体的一部分，封堵地层中的层理与微裂缝，减弱钻井液滤液对地层的侵害作用，增强井壁稳定性，起到封堵固壁作用［9］。

2.3 多元协同抑制钻井液性能评价

以现场聚磺钾胺基钻井液为基础，引入1%～2%聚合铝盐AOP-1，形成多元抑制协同钻井液体系。该体系为（3%～4%）膨润土+（0.5%～1.0%）降滤失剂+（2%～4%）磺化褐煤SMC+ （2%～4%）磺化酚酫树脂SMP+（2%～3%）磺化沥青+（2%～3%）阳离子沥青胶乳+（0.3%～0.5%）抗盐抗高温聚合物+（0.1%～0.2%）NaOH+（5%～7%）KCl+（0.3%～0.5%）聚磺钾胺+（1%～2%）聚合铝盐AOP-1+重晶石（调节密度至1.35 g/cm3）。

2.3.1 抑制性能评价

用顺北51x 井柯坪塔格组及桑塔木组岩屑进行了清水、聚磺钾胺基钻井液体系、多元协同抑制钻井液体系岩屑滚动回收率及页岩膨胀实验。

取现场顺北51x井柯坪塔格组岩屑，在105 ℃条件下干燥4 h后，冷却至室温，过1.7～4.75 mm孔径筛布，称取约10 g过1.7～4.75 mm孔径的岩屑，质量记为m1，加入待测液中，在150 ℃下滚动16 h后，过0.38 mm孔径的筛布，筛余部分在105 ℃条件下干燥4 h，冷却至室温称质量，质量记为m2，滚动回收率=m2/m1×100%。实验结果见表2。由表2可知：多元协同抑制钻井液体系的岩屑一次回收率为96%，较清水及聚磺钾胺基钻井液体系有显著提高，表明钻井液中引入聚合铝盐后，发挥了多元协同的抑制性能，钻井液抑制泥岩水化性能得到强化。

表2 岩屑滚动回收率评价

取现场顺北51x桑塔木组岩屑，在105 ℃条件下干燥4 h 后，冷却至室温，过0.1 mm 孔径筛布，然后称取约10 g 过0.1 mm 孔径的岩屑，在4 MPa 下压制5 min 得到人造岩心，采用NP-2 型页岩膨胀测试仪测试其线性膨胀率，测试条件为室温、6 h，结果如图3 所示。由图3 可知：随着膨胀时间的延长，3 种体系的线性膨胀率均有所增加；相同膨胀时间下，多元协同抑制体系的线性膨胀率最低。说明多元协同抑制体系抑制桑塔木组泥岩岩屑水化膨胀的能力明显优于聚磺钾胺基体系，具有良好的井壁稳定能力。

图3 不同钻井液体系抑制膨胀实验

2.3.2 抗污性能评价

由于志留系地层存在大段的泥岩，且地层可能渗出较高矿化度的盐水，因此，在室内对该体系的抗污染性能进行评价，主要包括抗土污染、抗钻屑污染以及抗饱和盐水污染，实验条件为140 ℃下热滚16 h，结果如表3 所示。污染用土为配浆用钠膨润土，钻屑为顺北51x 井志留系塔埃尔塔格组过0.1 mm 孔径筛布的岩屑。由表3 可知：抗配浆土及钻屑粉污染分别为5%及10%时，体系受污染前后性能稳定，具有很强的固相容纳能力，同时具有良好的抗饱和盐水入侵的能力。

表3 钻井液体系抗污性能评价

3 现场应用

多元协同抑制钻井液技术在顺北5-9 井（SHB5-9）三开进行了应用，SHB5-9 是中石化西北油田分公司部署于顺北5 号断裂带南部区域的一口四开制评价井，设计井深8 410 m，完钻井深8 411 m，其中三开井段5 115～7 648 m，志留系井段5 486～6 761 m。为了解决志留系“塌漏同存”的难题，在该井使用了多元协同抑制钻井液技术，取得良好的施工效果，初步实现了“塌漏同治”的目标。

3.1 钻井液维护措施

1）钻井液转换：采用多元协同抑制强化钻井液化学抑制性能，确保钻井液滤液中K+含量不低于20 000 mg/L，聚胺加量不低于0.3%，在做好钻井液护胶的基础上，KCl 和聚胺可以直接加入循环钻井液中，将聚合铝盐配制成5%的高浓度胶液，以细水长流的形式缓慢加入钻井液，同时，胶液中加入0.5%聚合物，最终使钻井液中的聚合铝盐含量不低于1%。

2）失水控制：控制中压失水小于4.0 mL，高温高压失水小于12.0 mL。聚合物及磺化处理剂等以胶液的形式补入钻井液中，聚合物质量分数为0.5%～1.0%，磺化处理剂质量分数为1.0%～2.0%。当失水稳定的时候，聚合物质量分数为0.5%，磺化处理剂质量分数为1.0%；当需要降低失水时，则可提高两者的配制浓度。

3）流变性能控制：在漏层钻进时，控制黏度为55～60 s，适当提高钻井液的黏度切力，以提高钻井液的悬浮能力，预防发生井漏时排量下降造成的沉沙卡钻；钻穿漏层后，控制黏度为50～55 s。

4）密度控制：强化钻井液抑制性能后，拓宽了钻井液安全密度窗口，因此，在志留系漏层钻进时，控制钻井液密度在1.30～1.35 g/cm3。

5）封堵性能控制：采用磺化沥青和阳离子沥青胶乳复配使用，沥青总含量控制在4%～6%，保证钻井液具有良好的封堵性能，减少滤液的侵入。在漏层钻进过程中，向钻井液中加入1%～2%的微裂缝封堵剂MFP-1进行随钻封堵，提高地层漏失压力及承压能力。同时，地面备一罐质量分数为10%～15%的随钻封堵浆，在漏层钻进过程中，根据井下实际情况，每班加入5 m3封堵浆，以补充随钻封堵材料的消耗。

6）封闭浆：每次起钻前，配制适量的抗温防塌封闭浆，封闭易坍塌地层，封闭浆配方为井浆+（0.3%～0.5%）SMP+（0.3%～0.5%）SMC+0.1%聚磺钾胺。

3.2 应用效果

1）扩展安全密度窗口：通过使用多元协同抑制钻井液技术，强化了钻井液稳定井壁的能力，实现了低密度1.34 g/cm3钻进志留系“塌漏同存”段及桑塔木组泥岩段，较邻井同井段应用钻井液密度1.38～1.41 g/cm3普遍下降0.04～0.07 g/cm3，有效扩展了安全密度窗口。以志留系平均井深6 000 m 计算，环空静液柱压力下降2.4～4.2 MPa，如果在志留系进行挤堵施工，憋压一般也不超过4 MPa。可见，通过扩展安全密度窗口，大幅降低了钻井液作用于井壁的压力。

2）稳定井壁：虽然钻井液密度较邻井较大幅度下降，但仍然保持了易塌地层的井壁稳定。志留系各井的井径扩大率如图4 所示，桑塔木组各井的井径扩大率如图5 所示。由图4～5 可知：志留系井径扩大率为10.68%，桑塔木组井径扩大率为4.07%，钻井过程中各钻井参数稳定，起下钻顺畅，未出现井壁失稳导致的卡钻等复杂事故，中完电测一次成功，下套管顺利。

图4 志留系井径扩大率对比

图5 桑塔木组井径扩大率对比

3）减少井漏次数：通过成功降低易漏地层钻井液密度，降低了钻井液作用于井壁的压力，同时采取随钻封堵措施，取得了良好的防漏效果，在志留系漏失6 次，与邻井平均井漏次数16 次相比降低62.5%。同时，钻穿志留系后，在剩余井段钻井以及在中完下套管、固井过程中，都未发生复漏或井漏。

4）提高钻井时效：在钻穿志留系漏层后，施工方考虑到钻井液密度较低的情况，井下扭矩、泵压等钻井参数保持平稳，钻井液表现出良好的井壁稳定及防漏效果，为提高志留系下部桑塔木组的机械钻速，决定大胆尝试使用螺杆提速，并提高排量，使用螺杆加扶正器后，底部钻具组合变得复杂，如果井壁失稳或因排量提高造成井漏，将大幅增加处理复杂情况的困难及卡钻风险。施工结果表明，多元协同抑制钻井液具有良好的稳定井壁能力，确保了志留系及桑塔木组易塌地层的井壁稳定，同时由于钻井液密度较低，为上提排量提供了空间，大大降低了使用提速工具等复杂钻具结构的井下风险，有效缩短了钻井周期，三开钻井周期95 d，与邻井平均钻井周期177.5 d 相比降低了46.5%，大幅提高了钻井时效。

4 结论

1）顺北5 号断裂带志留系地层含有大段的硬脆性泥岩，并存在大量张开和闭合的裂缝，对压力极为敏感，易垮塌及漏失，较高的钻井液密度不利于防漏及井壁稳定。通过强化钻井液的抑制性能，提高钻井液稳定井壁能力，能够扩展钻井液安全密度窗口，进而可采用较低密度钻井液钻进漏层，减少地层漏失及堵漏后复漏几率，达到“塌漏同治”的目的。

2）在聚磺钾胺基钻井液基础上，通过引入聚合铝盐等抑制剂，强化钻井液抑制及化学固壁性能，构建了多元协同抑制钻井液技术，室内评价表明，其抑制性较钾胺基钻井液有较大幅度提升，具有良好的抗土、抗钻屑、抗饱和盐水等抗污染性能。

3）现场应用表明，多元协同抑制钻井液技术能够有效扩展钻井液安全密度窗口，在确保易塌地层井壁稳定的基础上，井漏次数较邻井大幅下降，有效解决了“塌漏同存”的难题，在顺北区块具有很好的推广及应用前景。