准噶尔盆地超深井钻井液体系的研究与应用

杨云锋

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

曹光福，申延晴，张浩，杨英波，李君

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉玛依 834000)



准噶尔盆地超深井钻井液体系的研究与应用

杨云锋

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

曹光福，申延晴，张浩，杨英波，李君

(中石油新疆油田分公司勘探公司，新疆 克拉玛依 834000)

新疆准噶尔盆地达巴松凸起地层岩性复杂，地层压力体系多变，钻井过程中易发生喷、漏、塌、卡等复杂事故，钻井施工难度大，对钻井液性能要求高。针对地层复杂情况，室内研究出用胺基钻井液体系钻长裸眼二开井段，用有机盐钻井液体系钻高压高温三开和四开井段，并成功地在DT1井应用。室内研究和现场应用结果表明：该钻井液体系具有很好的流变性，滤失量小，泥饼质量好，润滑性好，抑制性强，抗污染能力强。现场应用时井壁稳定，没有出现高压地层井喷和裂缝地层井漏等问题，全井无井下复杂事故，各次完钻电测和下套管均一次成功。该井的试验成功为后续探井高效钻探奠定了良好的技术基础。

胺基钻井液；有机盐钻井液；流变性；滤失量；井壁稳定；井喷；井漏

1　地质概况

准噶尔盆地达巴松凸起地层岩性复杂，西山窑组和八道湾组都存在着不同发育程度的煤层，长度几米到几十米不等[1]。由于在煤层上不能形成较好的泥饼来保护井壁，且煤层自身在钻进过程中由于地层压力激动等因素的影响，极易剥落掉块、坍塌，易造成卡钻，同时形成“大肚子”致使下部地层钻屑上返时在“大肚子”部位来回返滚，不能正常返出，当堆集到一定程度时易造成砂桥卡钻，当停止循环时，“大肚子”部位的堆集钻屑有可能快速下沉造成埋钻现象[2]。

准噶尔盆地各地层的压力因数均有较大变化，由于压力因数有较大变化，钻井过程中又无法做到在每个压力系统都下一层套管，致使泥浆工程有一定的难度，在压力高的地层容易引起井喷、井塌，而在压力低的地层又易引起井漏[3]。整个盆地在所钻进的地层剖面上都不同程度地含有黏土矿物，且蒙脱石和伊利石质量分数均较高，表明地层黏土水化膨胀的趋势很强，一般水基钻井液很难满足井壁稳定性要求。表1为各地层组含黏土矿物质量分数及地层压力因数的情况。

表1　DT1井各地层组黏土矿物质量分数及地层压力因数

2　钻井液体系研究

2.1钻井液配方

针对准噶尔盆地复杂的地质情况，在室内设计了2套钻井液体系：用于二开地层的胺基钻井液体系和用于三、四开地层的有机盐钻井液体系。胺基钻井液主要由聚合物包被剂PMHA、聚胺抑制剂JA-1、无机盐抑制剂KCl和聚合物增黏剂、降黏剂及润滑剂，再辅加沥青类可变性粒子组成，形成一种协同抑制防塌效果，满足现场防止煤层易剥落掉块和抑制黏土矿物的水化膨胀的目的[4,5]。由于三开和四开地层为异常高压地层，地层黏土矿物中伊利石质量分数最高，伊-蒙混层比也最高，要求钻井液有很强的抑制黏土水化分散的能力，且井底温度达到150℃左右，孔隙压力梯度当量密度变化大，最高为2.10g/cm3。因此，选择在上部地层钻井液的基础上引入有机盐，将其改进成有机盐钻井液体系，以满足现场防塌抑制、抗高温和高密度的要求[6,7]。

胺基钻井液体系配方：4%膨润土+0.2%Na2CO3+0.5%KOH+10%KCl+0.8%聚合物降滤失剂SP-8+0.8%包被剂PMHA-2+0.7%铵盐降滤失剂NPAN+0.5%低黏度羧甲基纤维素CMC-LV+3%磺化酚醛树脂SMP-1(粉)+1.5%褐煤树脂降滤失剂SPNH+1%低荧光润滑剂+2%阳离子乳化沥青+3%磺化沥青粉+2%聚胺抑制剂JA-1+0.8%CaO+2%超微细碳酸钙QCX-1+0.3%快速钻井剂KSZJ-1+1%固体润滑剂+2%随钻堵漏剂+1%ZL+重晶石(配方中的百分数为质量分数，下同)。

有机盐钻井液配方：2%～3%膨润土+0.2%Na2CO3+0.5%KOH+7%KCl+0.7%聚合物降滤失剂SP-8+0.5%包被剂PMHA-2+3%磺化酚醛树脂SMP-2+2%褐煤树脂降滤失剂SPNH+0.5%低黏度羧甲基纤维素CMC-LV+3%高效防塌沥青粉KH-n+10%有机盐加重剂OS-100+3%降黏剂TX+2%聚胺抑制剂JA-1+1%固体润滑剂+3%降滤失剂PHT+1%低荧光润滑剂+2%随钻堵漏剂+0.8%CaO+2%超微细碳酸钙QCX-1+1%随钻堵漏剂WC-1+活化重晶石。

2.2钻井液性能

2.2.1抗温性

室内配制胺基钻井液和有机盐钻井液，分别在130℃和150℃下滚动16、48、72h，在50℃下测其性能，结果见表2和表3。

表2　胺基钻井液的抗温性能

注1：ρ为钻井液密度；μf为漏斗黏度；τi为初切力；τf为终切力；μp为塑性黏度；τ为动切力；VAPI为API滤失量；Vhthp高温高压滤失量。下同。

注2：高温高压滤失量测定试验条件为130℃×3.45MPa。

表3　有机盐钻井液的抗温性能

注：高温高压滤失量测定试验条件为150℃×3.45MPa。

2.2.2抑制性

室内选用新疆南缘安集海地层露头岩心，用滚动回收率法评价胺基钻井液体系和有机盐钻井液体系的抑制性。试验条件为130℃下滚动16h，测得自来水中岩屑回收率为15.98%，胺基钻井液中岩屑回收率为89.91%，有机盐钻井液中岩屑回收率为92.4%。试验结果表明胺基钻井液和有机盐钻井液具有很强的防塌抑制性，且在胺基钻井液基础上改进的有机盐钻井液的抑制性比胺基钻井液更好。

2.2.3抗污染

二开钻进过程中会钻遇黏土层和石膏层，为了考察钻井液的抗污染性，在胺基钻井液中分别加入分散性较强的夏子街土和CaSO4，充分搅拌30min，在100℃下热滚16h，测其流变性、滤失量及润滑系数，结果见表4。

三开和四开钻进过程中会钻遇黏土层、石膏层和碳酸盐岩层(主要成分为NaHCO3)。为了考察钻井液的抗污染性，在有机盐钻井液体系中分别加入分散性较强的夏子街土、CaSO4和NaHCO3，充分搅拌30min，在150℃下热滚16h，测其流变性、滤失量及润滑系数，结果见表5。

表4　胺基钻井液的抗污染能力

表5　有机盐钻井液的抗污染能力

由表4和表5可知，胺基钻井液和有机盐钻井液中加入15%夏子街土后，钻井液的黏度、切力均有所增加，但增加的幅度均不大、滤失量和润滑性变化不大。胺基钻井液加入CaSO4后和有机盐钻井液加入CaSO4和NaHCO3后，黏度、切力、滤失量、润滑系数均变化不大，表明这2套钻井液体系抗石膏污染和抗碳酸盐污染能力很强，能满足现场施工要求。

2.2.4沉降稳定性

将胺基钻井液和有机盐钻井液分别在130℃和150℃老化72h后倒入1000mL的量筒中静止16、48、72h，测定量筒上部、下部密度，密度差均不超过0.01g/cm3，且无重晶石下沉等现象。试验结果表明钻井液沉降稳定性好，携砂悬砂性能满足安全钻井的要求。

3　现场应用

3.1试验井基本情况与井深结构

图1　DT1井井身结构图

DT1井地处新疆维吾尔自治区和布克赛尔县境内，位于准噶尔盆地中央坳陷达巴松凸起D1井背斜圈闭，距D1井东偏北1.86km，D10井南偏西11.54km，D9井南偏西2.48km。该井是一口四开直井，设计井深为6000m，实际完钻井深6226m，目的层为石炭系，是一口勘探井。该井井身结构如图1所示。

3.2钻井液现场应用及维护

二开井段(500～3885m)白垩系为大段泥岩，且地层渗透性较好，易吸水膨胀造成井眼缩径垮塌，下部侏罗系煤层发育，西山窑组和八道湾组含7～8段煤层，最长煤层厚度超过10m，井眼承压能力较低，易发生坍塌和井漏等复杂情况。因此二开井段钻井液维护的总体方案是上部大段泥岩采用强抑制，针对大段泥岩吸水膨胀缩径垮塌问题，钻井液通过高质量分数的包被剂、胺基抑制剂及氯化钾来加强抑制性，并减轻提下钻挂卡程度，从而缩短提下钻时间。针对西山窑组和八道湾组煤层发育段，通过降低钻井液滤失量，预防与煤层胶结的泥岩因吸水膨胀挤压造成煤层不稳定，同时严格控制泥浆的密度，保持合理的液柱压力，从而保证煤层物理平衡，并合理控制膨润土质量分数和封堵材料，确保形成致密的优质泥饼，保证井眼稳定。该开次的钻井液性能为：密度1.10～1.45g/cm3，中压滤失量低于5mL，动切力控制在10Pa左右，初切力控制在2～3Pa,终切力控制在5～10Pa；塑性黏度控制在18～28mPa·s左右，保证钻屑及时带出井口。

三开、四开井段(3885～6226m)钻遇二叠系乌尔禾组，其棕色棕褐色塑性泥岩中黏土矿物质量分数高，分散性较强，易水化膨胀和分散，造成井壁不稳，同时钻井过程中易发生阻卡。因此在三开井段需加强泥浆的抑制性能。风城组、石炭系含异常高压油气水层，易发生油气水侵甚至漏喷同层的严重复杂，且四开井段砂岩地层发育、渗透性好，易形成虚厚泥饼。因此四开井段在钻进过程中合理调整泥浆密度，尽可能保持近平衡钻进。利用KCl、聚合物PMHA-2及聚胺JA-1多元复合抑制技术抑制黏土矿物水化膨胀和分散，同时利用TX、KH-n、固体润滑剂及PHT等对泥饼进行封堵，形成致密优质泥饼。在钻进过程中加大抗高温降滤失剂的使用，保持SMP-2、SPNH的含量不低于4%，CMC-LV作为辅助降滤失剂，API滤失量控制在3.0mL以下，高温高压滤失量控制在6mL左右。四开钻井液转化时加入2%QCX-1和1%WC-1，钻进中不断补充各种沥青，使其质量分数不低于3%，提高了封堵造壁能力，确保了井壁稳定，有效保护了储层和井下安全。

3.3应用效果

通过采用胺基钻井液体系，保证了二开井段长距离大尺寸裸眼井段安全钻进；三开、四开井段有机盐钻井液的应用避免钻进过程中油气水侵甚至漏喷同层等复杂情况。DT1井仅用159d完成了6226m的全部进尺，钻进过程无恶性复杂情况发生，实现零事故，达到安全钻进施工的要求，而邻井3口井复杂事故时率分别为6.54%、3.34%、7.18%。DT1井钻井月速1105.86m/台月，钻井月速较D1井提高51.23%、较D9井提高28.1%、较D10井提高48.12%。通过钻井液技术细化措施，实现了一开、二开、三开、四开电测一次成功，大尺寸套管一次到位。另外，该钻井液抗温性和润滑性较好，不仅减小了钻具扭矩、摩阻，也延长了钻头轴承寿命，二开SF65BGVH3，三开U513S、HJT537GK等钻头的纯钻时间均超过110h，二叠系、石炭系使用高效牙轮钻头机械钻速较邻井同井段机械钻速提高了67%～122%，单只钻头进尺提高了约3倍。

4　结论

1)用聚合物包被剂PMHA-2、聚胺抑制剂JA-1、无机盐抑制剂KCl和聚合物增黏剂、降黏剂及润滑剂，再辅加沥青类可变性粒子等处理剂，配制出具有协同防塌抑制效果的聚胺钻井液体系。该体系室内评价和现场应用均表现出很强的抑制性、抗温性和抗石膏侵，很好地防止了上部地层煤层易剥落掉块和抑制黏土矿物的水化膨胀。

2)在聚胺钻井液中加入有机盐和其他降滤失剂和封堵剂转化为有机盐钻井液体系。该体系室内评价和现场应用均表现出很强的抑制性、抗温性、抗石膏侵和抗碳酸盐侵，流变性和润滑性好，避免钻进过程中油气水侵甚至漏喷同层等复杂情况。

3)用胺基钻井液体系和有机盐钻井液体系成功地钻完DT1井，且无恶性复杂情况发生，实现零事故。延长钻头使用时间，提高了机械钻速，为后续高效钻探奠定了良好的技术基础。

[1]李丕龙.准噶尔盆地石油地质特征与大油气田勘探方向[J].石油学报，2005,26(6)：7～9.

[2] 张雪飞，张伟，徐新纽，等. 准噶尔盆地南缘H101井高密度油基钻井液技术[J].石油钻探技术，2016,44(1)：34～38.

[3] 邱春阳，秦涛，王宝田，等. 准噶尔盆地中部4区块侏罗系井壁稳定钻井液技术[J].钻采工艺，2015,38(5)：77～80.

[4] 王劲松，亢德峰，蓝强.双聚磺胺基聚醇钻井液在渤南低渗油田的应用[J].钻井液与完井液，2010,27(3)：51～54.

[5] 霍宝玉，杨飞，吕烛，等.聚胺仿油基钻井液在高位垂比水平井的应用[J].钻井液与完井液，2013,30(3)：27～30.

[6] 李向碧，郑有成，王兰.KCl—有机盐钻井液在高石梯—磨溪区块上部井段钻井提速中的应用[J].钻井工程，2014,34(3)：121～125.

[7] 戎克生，杨志毅，周红灯.有机盐钻井液在准噶尔盆地东部三台地区的应用[J].石油钻探技术，2009,37(4)：54～56.

[编辑]帅群

2016-01-22

国家自然科学基金项目(51174036)。

杨云锋(1991-)，男，硕士生，主要从事油田化学方面的学习与研究，18772618122@163.com。

TE254

A

1673-1409(2016)29-0039-04

[引著格式]杨云锋，曹光福，申延晴，等.准噶尔盆地超深井钻井液体系的研究与应用[J].长江大学学报(自科版),2016,13(29):39～42.