低壓低滲透氣田?139.7mm套管開窗側鉆水平井鉆井液技術

侯博 李錄科 張珩林 劉振 孫志強

關鍵詞：蘇里格氣田；低壓低滲透氣田；側鉆；水平井；鉆井液；?139.7 mm 套管

0 引言

蘇里格氣田屬于低壓低滲透氣田，單井采氣年衰減率較高，隨著近幾年規?；_采，部分常規井已失去開采價值，實施?139.7 mm 小井眼套管開窗側鉆水平井可以鉆遇新油氣儲層，使老井恢復采氣能力［1］。蘇里格氣田水平井鉆遇地層從上至下依次為第四系，白堊系洛河組，侏羅系安定組、直羅組、延安組，三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組和二疊系石千峰組、石盒子組，側鉆井選擇在套管環空水泥膠結質量好的石千峰組（井深2 600～2 900m） 開窗［2］，鉆至石盒子組盒8 亞2 段含氣砂巖入窗，施工800～1 000 m 后完鉆，完鉆井深4 200～4 500m。鉆井面臨窄環空間隙壓耗控制、井眼凈化、井壁穩定、井漏、潤滑性等一系列問題，給鉆井提出了嚴格要求［ 3］。2017?2018 年在蘇36-20-XCH 井、蘇36-13-XCH 井進行了小井眼側鉆水平井先導試驗，采用鉀聚磺鉆井液體系施工，當鉆遇石千峰組和石盒子組上部易造漿泥巖地層時，鉆井液抑制性不足，固相含量升高導致鉆井液黏切不易控制，黏卡現象時有發生，且封堵能力不足，2 口水平井在入窗時出現泥巖垮塌。蘇36-20-XCH 井石千峰組滑動鉆進時黏托現象嚴重，起鉆扶正器和鉆頭泥包5 井次，且伴隨著3～4 m3/h 井漏，停泵后又出現返吐現象，施工至井斜70°時石盒子組灰黑色泥巖出現坍塌，反復劃眼處理無效，最終被迫填井側鉆，鉆井周期長達100 d 以上。蘇36-13-XCH 井施工至井深3 589 m 井斜87°時井壁坍塌，劃眼8.5 d，劃通后水平段施工至781 m 又出現黏吸卡鉆，采用震擊、浸泡解卡液等措施處理無效后被迫從井斜60°爆炸松扣，重新填井側鉆，鉆井周期71 d。

從試驗井施工情況可推斷，原鉀聚磺鉆井液體系無法滿足開窗側鉆水平井井下安全施工要求，出現鉆頭泥包、滑動效率低、井壁垮塌反復劃眼等問題，隨著氣田開窗側鉆水平井規模開發力度逐年增大，急需研究出一套滿足井下安全及快速鉆進的鉆井液配方與工藝技術。筆者在前期室內實驗基礎上，系統篩選鉆井液處理劑，研發了適用于蘇里格氣田?139.7 mm 套管開窗側鉆水平井鉆井液體系CQSP-4，在18 口井進行了成功應用，為同類井安全高效優質鉆進提供了借鑒。

1 技術難點

（1） 石千峰組、石盒子組上部為棕紅色及棕褐色泥巖，可塑性好，鉆進過程中易水化分散混入鉆井液中，導致有害固相含量升高，發生鉆頭泥包現象，要求鉆井液具有較強的抑制性，能有效抑制巖屑分散［4］。

（2） 開窗后裸眼段為?118 mm 井眼，采用?88.9mm 非標鉆桿，其接箍處尺寸105 mm，平均環空間隙僅為6.5 mm，環空間隙窄，循環壓耗大，導致鉆井液循環當量密度（ECD） 高［5］，易引發漏失。

（3） 斜井段和水平段處于同一裸眼段， 段長1 600～1 800 m，要求鉆井液必須具有良好的潤滑性，以便減小鉆具與井壁之間的摩擦，一旦黏卡，無有效處理方法，將面臨井眼報廢的風險。

（4） 側鉆水平井水平段長800～1 000 m，水平段巖屑受重力與鉆井液攜砂性能影響，水平段越長越容易堆積形成巖屑床，巖屑床厚度還與鉆井液流變性、鉆井泵功率、水平段長度等密切相關，其他條件受限情況下，鉆井液必須具有良好的攜巖能力［6］，才能有效防止巖屑床的生成。

（5） 由于水平段儲層不連續，易鉆遇石盒子組底部盒8 亞2 段灰黑色泥巖［7］，它主要以伊利石及伊蒙混層為主，吸水后可塑性差，易差異水化產生剝落，且液相侵入泥巖微孔隙中，易引發井壁坍塌［8］，要求鉆井液應具有良好的封堵性以盡可能減少濾液的侵入。

2 鉆井液體系及性能評價

2.1 主要處理劑的選擇

2.1.1 封堵劑

鉆井液封堵劑有利于形成致密光滑濾餅，通過剛性粒子架橋和可變形粒子的復配，填充泥頁巖孔喉和裂縫［9］，減少鉆井液濾液對地層侵入，避免井壁坍塌。實驗室通過柔性粒子（無熒光白瀝青） 與剛性粒子超細鈣ZDS（2 500 目） 復配了鉆井液封堵劑，并對其加量進行了單因素優化，結果見圖1、表1。表1 中，中壓失水測試條件0.69 MPa、20 ℃，高溫高壓失水測試條件4.2 MPa、100 ℃，回壓0.7 MPa，基漿配方：清水+0.1%燒堿+0.1%PAC-HV+5% 白土。由圖1、表1 可以看出，基漿中超細鈣ZDS、白瀝青封堵劑加量增至3% 后降濾失效果均趨于穩定，基漿+3% ZDS+3%白瀝青濾失量最小，說明該配方封堵效果最好。

2.1.2 降濾失劑

鉆井過程中濾液侵入地層會引發泥頁巖水化膨脹，需要加入降濾失劑降低鉆井液濾失量［10］。選取PAC-LV、CMC-LV、NAT20、GD-K 等鉆井液降濾失劑，以“清水+0.1%PAC-HV+1%ZDS”為基漿，然后加入上述處理劑，100 ℃ 下熱滾24 h，對比不同加量下鉆井液中壓失水。由表2 可以看出，降濾失劑NAT20 加量為0.8%～1.0% 時效果最好，鑒于此，優選NAT20 作為降濾失劑。

2.1.3 抑制劑

通過滾動分散實驗評價鉆井液抑制性［11］，選取一定質量6～10 目石千峰組巖屑，在100℃ 鉆井液中滾動12 h 后，測定通過40 目標準篩后的剩余鉆屑質量，計算鉆屑滾動回收率，將第1 次滾動后的鉆屑按照以上步驟進行第2 次滾動回收實驗，計算2 次滾動回收率。由表3 可以看出， 8%KCl+2%XCS-3 復配巖屑滾動回收率強于單一KCl 和聚合物復配，主要原因在于抑制劑XCS-3 屬于醇類，和KCl 復配后能夠協同增效，增強鉆井液抑制性，因此優選KCl+XCS-3 作為鉆井液抑制劑。

2.1.4 潤滑劑

潤滑劑主要用來降低鉆井液流動阻力和濾餅摩擦因數，防止鉆具黏卡并提高滑動效率［12］。小井眼開窗側鉆水平井環空間隙僅有6.5 mm，鉆井液中固相含量應盡可能低，因此選取脂肪酸酯RY-838、改性植物油LUBE、金屬減阻劑GXJM-1、清潔潤滑劑YKZJ-1、改性脂肪酸酯RH220等液體潤滑劑，使用滑塊式濾餅黏附系數測量儀測定鉆井液黏附系數，結果見表4，可以看出，鉆井液中加入 3%RH220 能顯著降低濾餅黏附系數，可解決小井眼長裸眼段滑動摩擦阻力大造成的托壓問題。

2.2 鉆井液性能評價

綜上，得到了強抑制強封堵CQSP-4 鉆井液體系配方：清水+0.1% 燒堿+5% 膨潤土+2%～3% 白瀝青+0.8%～0.1% NAT20+3% ZDS+7%～8%KCl+2%XCS-3+3%RH220+適量重晶石粉。對CQSP-4 體系進行了室內評價，實驗溫度100 ℃，結果見表5。

2.2.1 抑制性能

選取一定質量6～10 目石千峰組巖屑，放入100 ℃鉆井液中滾動12 h，通過40 目標準篩后，測定剩余鉆屑質量，計算鉆屑滾動回收率，評價CQSP-4 鉆井液抑制性能，實驗表明，清水滾動回收率為28.3%，10% 鹽水鉆井液滾動回收率為72.5%，鉀聚磺鉆井液滾動回收率為68.75%，CQSP-4 鉆井液體系抑制性極強，滾動回收率達到了95.63%，能抑制造漿地層黏土顆粒分散與膨脹。

2.2.2 熱穩定性

蘇東35-XCH 井現場用CQSP-4 鉆井液熱滾實驗結果見表6，可以看出，熱滾前后鉆井液流變性無明顯變化，濾失量微增，性能穩定。

2.2.3 抗巖屑污染實驗

鉆井過程中不可避免地會遇到地層鉆屑對鉆井液的污染，特別是在造漿嚴重地層，地層鉆屑過多混入會導致鉆井液黏切升高，濾失量增大［13］。測試了鉆井液中加入不同質量分數鉆屑后在100 ℃熱滾16 h 后鉆井液性能，中壓失水測試條件為0.69MPa、20 ℃，高溫高壓失水測試條件為4.2 MPa、100℃，回壓為0.7 MPa。從表7 可以看出，巖屑質量分數大于14%以后，YP、FLAPI、FLHTHP 有明顯升高，說明優化后鉆井液體系具有較強的抗污染性，抗巖屑污染能力高達14%。

3 鉆井液工藝優化

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西北側，?139.7 mm 套管開窗側鉆水平井目的層為石盒子組，井底溫度90～100 ℃，裸眼段長1 600～1 800m，開窗側鉆水平井安全施工不僅需要優異的鉆井液性能，還需要配套的鉆井液精細化處理技術。

3.1 開窗側鉆技術

使用鉆桿和刮管器通井期間，用清水替出井筒內廢液并收集，側鉆時用鉆井液替出井筒內清水。利用開窗前的準備時間，用清水配制鉆井液，鉆井液配方為： 100 m3 清水+0.8%NAT-20+2% 白瀝青+8%KCl+3%ZDS+0.25%XCD ，在配制好的鉆井液中補充20 m3 水化膨潤土漿，充分循環鉆井液后進行開窗作業。

3.2 裸眼段鉆進技術

采用抑制性較強的KCl 和XCS-3 復配，鉆井液抑制性明顯增強，鉆進過程中返出巖屑棱角分明，鉆頭切削痕跡明顯［14］，有效解決了石千峰、石盒子組上部泥巖易水化分散的難點，同時配合使用NAT20，將濾失量降至3 mL 以內，調整適當的黏度和切力，穩定井壁。

井斜45°后泥巖坍塌嚴重，易造成卡鉆，提前將鉆井液密度調至1.25 g/cm3，在原配方基礎上向鉆井液中再次加入2%～3% 乳化瀝青粉強化固壁，形成有效的封堵層，防止地層坍塌，保證了井壁穩定和井下安全。

3.3 鉆井液固相控制技術

（1） 保持鉆井液中低固相含量，能提高濾餅質量和改善黏滯性［15］。鉆井過程中聚合物含量保持在0.5% 以上，使鉆井液具有較好的抑制性和潤滑性，保證鉆屑在返至地面過程中不分散而被及時清除。

（2） 堅持使用四級凈化設備。振動篩采用180～220 目細篩布，并定期使用大排量除砂除泥一體機、離心機，及時清除鉆井液中有害固相。

3.4 防漏技術

（1） 在井下正常情況下保持較低的鉆井液密度，不隨意提高鉆井液密度。

（2） 泥漿泵排量設定為6.5～7.2 L/s，環空返速為1.2～1.3 m/s。

（3） 發生漏失，優先通過降低排量的方式降低環空壓耗，循環觀察漏失量［16］，若效果不明顯，再采用隨鉆堵漏的方法，使用細目顆粒狀與纖維類堵漏劑復配，加入2%～3% 聚合物承壓堵漏劑DLJ-1、非滲透處理劑DF-NIN 等以提高地層承壓能力［17］。

（4） 控制單根鉆時40～60 min，防止環空鉆屑濃度過高，導致鉆井液循環當量密度升高，誘發漏失。

（5） 進入裸眼段下鉆每300 m 分段循環一次，鉆井液性能均勻后再下鉆。

3.5 降摩減阻技術

由于?88.9 mm 鉆桿、鉆具與井壁接觸面積大、裸眼井段長導致黏附卡鉆風險增大［18］，現場施工必須加強軌跡控制，確保軌跡平滑，同時密切監控摩阻、扭矩變化， 始終保持潤滑劑RH-220 含量在3% 以上，裸眼段上提下放摩阻控制在180 kN 以內。

3.6 井眼清潔技術

（1） 堅持短程起下鉆清砂。每鉆進200 m 短程起下鉆一次，每鉆進一個單根劃眼1 ～ 2 次，破壞鉆屑在井內形成的巖屑床，并采用變排量循環，確保井眼清潔。

（2） 注重鉆井液動切力和?6 讀數［19］。鉆進過程中通過加入黃原膠XCD 將鉆井液動切力由4～5Pa 提高至8～10 Pa，保持?6 讀數不小于5，提高鉆井液攜砂能力。

（3） 雷特纖維洗井技術［20］。起鉆及完井通井時現場配制雷特纖維清掃漿20 m3，原漿按照體積比例加入1.4‰雷特纖維28 kg，充分攪拌2 h，以7.2L/s 排量清潔井眼，攜帶出井內大量細砂，清潔效果良好。

4 應用實例與效果分析

蘇東16-XCH 井設計井深4 010 m，水平段長800 m。在雙石層鉆進過程中鉆井液基漿中加入8%KCl+2%XCS-3，巖屑成形，未出現糊篩布現象；加入RH220 并配合使用四級固控設備，鉆井液濾餅光滑致密，滑動未出現黏托現象，機械鉆速明顯提高；在水平段鉆進過程中，每班補充1～2 袋黃原膠，優化鉆井液動切力和?6 讀數，并通過定期短程起下鉆，以及雷特纖維清掃技術，有效解決了水平段巖屑床堆積、起下鉆遇阻難題；斜井段及水平段鉆進過程中，因承壓能力較低一直存在滲漏現象，隨著排量優化與隨鉆封堵劑的添加，地層承壓能力逐漸提高，漏失量從開窗時1～1.5 m3/h 降至完井時的0.5 m3/h；水平段3 725～3 783 m 泥巖鉆進過程中未出現井壁垮塌現象， 鉆進、起下鉆、通井和下套管過程正常，開窗側鉆水平井周期14.83 d。

2017?2018 年在蘇36-20-XCH 井等2 口井使用了鉀聚磺鉆井液體系，在施工中出現斜井段泥巖垮塌、水平段黏吸卡鉆、井漏等井下復雜，后續使用CQSP-4 鉆井液體系，側鉆水平井井壁穩定，由表8可以看出，在應用CQSP-4 鉆井液體系后未出現黏吸卡鉆、井壁垮塌劃眼、大型井漏現象，井下復雜得到了控制，施工效率大幅度提高。2021?2022 年在蘇里格共施工18 口開窗側鉆水平井，鉆井液性能穩定，流變性好，摩阻小，鉆井周期較2017?2018 年降低了69.58%，機械鉆速提升了102.82%。

5 結論

（1） 強抑制強封堵CQSP-4 鉆井液體系具有抑制性高、潤滑性優良、防塌能力強等特點，解決了施工過程中摩阻大、泥巖垮塌等問題，滿足了蘇里格地區?139.7 mm 套管開窗側鉆水平井鉆井液工藝要求。

（2） ?139.7 mm 套管開窗側鉆水平井施工過程中，部分井存在漏塌矛盾的問題，密度高易井漏、密度過低則鉆井液柱壓力不能有效穩定泥巖，建議后期施工過程中繼續摸索鉆井液密度與地層漏失壓力的平衡點。