高性能水基鉆井液在中原小井眼側鉆水平井中的應用

趙 虎，王中華，司西強，吳協力，燕 鵬

1.中國石化石油工程鉆完井液技術中心，河南 濮陽 457001；2.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南 濮陽 457001；3.中國石化中原石油工程有限公司鉆井一公司，河南 濮陽 457001；4.中國石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，四川 成都 610051

中原工區小井眼側鉆井因生產時效低、定向難度大和完井電測難等原因，側鉆水平井部署較少。為實現小投資開窗側鉆復活老井，2021—2022 年嘗試開發了2 口側鉆水平井，目的層沙二段和沙三段，側鉆裸眼段含有泥砂互層、頁巖和鹽膏巖等，地層穩定性差；小井眼高環空壓耗，且老井眼經多年注采，井筒周圍油氣壓力會下降，更易發生井漏；窄環空間隙使鉆具易黏附卡鉆；短半徑水平井給定向和起下鉆等作業帶來較大難度［1-2］。2016 年，中原鉆井院針對海相頁巖氣研發出以聚醚胺基烷基糖苷NAPG、陽離子烷基糖苷CAPG、納微米封堵劑NWD和極壓潤滑劑（后升級為磺胺基烷基糖苷極壓潤滑劑LAPG）等為核心主劑的烷基糖苷衍生物鉆井液體系，即ZY-APD 高性能水基鉆井液，先后在川渝和中原區域應用于30 余口井，解決了沙溪廟、千佛崖、小河壩、石牛欄組和龍馬溪組等地層破碎帶的坍塌掉塊問題，起下鉆、電測、下套管暢通，避免了同類井應用水基鉆井液鉆井出現的復雜情況，同比該區塊原用的國內外高性能水基鉆井液，技術及其成本優勢明顯［3-6］。

本研究對ZY-APD 高性能水基鉆井液在中原工區小井眼側鉆水平井應用情況進行介紹，充分分析老油區易塌、易漏、出水等井下復雜情況，調整、完善鉆井液配方，解決施工中的技術難題，以滿足鉆完井施工中老井眼開窗側鉆的技術和成本要求，并總結其現場應用情況及效果，以期為該鉆井液在中原工區推廣應用提供技術支撐。

1 小井眼側鉆水平井地質與工程概況

1.1 地質概況

中原工區小井眼側鉆水平井2 口，分別為東濮凹陷中央隆起帶濮城構造文51-側平190 井和東濮凹陷西部斜坡帶胡狀集構造胡5-側9 平1井，目的層分別為沙一段和沙二段、沙二段和沙三段，側鉆后鉆遇地層和巖性如表1所示。

表1 2口井地質分層和巖性

1.2 工程概況

文51-側平190井和胡5-側9平1井均為開窗側鉆井，在Ф139.7 mm 技術套管中使用Ф118 mm鉆頭開窗側鉆，具體工程概況如表2所示。

表2 2口應用井的工程概況

1.3 不同鉆井液性能對比

該體系與以往側鉆井采用的聚合物鉀鹽、聚合物鹽水等體系相比具有明顯的井壁穩定、潤滑防卡和流變性易控制等優勢，如表3所示。

表3 不同鉆井液性能對比

2 鉆井液技術難點與對策

2.1 技術難點

2.1.1 沙一段至沙三段泥頁巖含量高，對鉆井液井壁穩定性要求高

文51 油藏沙一段和沙二段為灰色、紫紅色泥巖及砂泥互層，水敏性較強，膠結面穩定性差，易表面水化，水分子侵入黏土晶層，導致膠結強度降低。胡5 斷塊區沙二段和沙三段泥頁巖含量高達61.2%，鄰近注水井有9 口，未停注7 口，鄰井（新胡18 側井、胡5-85 井）出水、井壁坍塌、后效等，井壁失穩風險高［7］。

2.1.2 小井眼高環空壓耗高、注采鄰井多，井漏風險高

鄰井多次發生井漏等復雜情況，統計數據如表4所示。

表4 鄰井漏失等復雜情況

2.1.3 短半徑水平井狗腿度大，定向、潤滑防卡難度大

文51-側平190井開窗點為2 190 m，A靶點為2 598 m，完鉆井深2 728 m，裸眼段長538 m，最大井斜95.5°；胡5-側9平1井開窗點為1 645 m，A靶點為2 407 m，完鉆井深2 552 m，裸眼段長907 m，最大井斜96.02°，最大狗腿度為12.69°/30 m，井眼軌跡難度大。定向段鉆具滑動摩擦，對鉆井液的潤滑性和泥餅質量要求高，并要防止鉆頭泥包。

2.1.4 小井眼環空壓耗高、攜巖帶砂難度大，對鉆井液流變性調控要求高

在常規井眼中，環空約損失10%的循環壓力，小井眼中可能高達60%～90%，環空壓耗過高不利于水力能量的有效利用和發揮；Ф118 mm 鉆頭開窗，排量為8～10 L/s，轉盤轉速65 r/min，在流量一定時，環空壓耗隨稠度系數的增加而呈直線增加，隨流性指數的減小而呈指數規律增加，隨環空間隙的增加而減??；造斜段的懸浮帶砂、水平段的沖刷帶砂等對鉆井液的剪切稀釋性等提出極高的要求。

2.2 技術對策

2.2.1 增強鉆井液井壁穩定能力

參照鄰井資料合理調整鉆井液密度，大斜度定向段和水平段的鉆井液密度要高于同層位鄰井的鉆井液密度，支撐井壁穩定，控制文51-側平190 井密度1.35～1.40 g/m3、胡5-側9 平1 井密度1.30～1.36 g/m3。采用糖苷衍生物APD 為主抑制劑，加入非離子型抑制劑 NAPG 和小陽離子型抑制劑CAPG，作用機制為吸附成膜、嵌入及拉緊晶層等［8-10］；復配KCl或NaCl（穿鹽層）使體系獲得更高的抑制能力，鹽具有抑菌、增強鉆井液的長期穩定性等作用。NAPG 和CAPG 總加量為5%～7%，即可滿足沙二段至沙三段泥巖穩定周期大于30 d的鉆完井需求。

2.2.2 使用鉆井液封堵和防漏技術

優化封堵劑粒徑，級配6～18 μm超細碳酸鈣、磺化瀝青、膠乳瀝青和石墨等剛性和柔性封堵材料架橋填充，利于快速形成致密的高強度封堵層，提高井壁承壓能力，可滿足地層的封堵需求。加入足量的隨鉆堵漏劑、微裂縫堵漏劑MFP-2 和硅酸鹽短絨纖維等，保障井控，在平衡井壁穩定和地層出水的前提下盡量走密度下限。下鉆分段循環，做好地破試驗等配套工程措施。

2.2.3 增加鉆井液潤滑防卡能力

由于糖苷類分子結構上的多羥基和一個烷基基團，使其能夠在鉆具、套管表面及井壁巖石上產生強吸附［11］。以不同分子量的聚合物形成致密而光滑的泥餅是潤滑減摩的基礎，NAPG和CAPG通過胺基和季銨基團牢牢吸附在黏土顆粒表面，使泥餅具有更好的潤滑性［12］。保持聚合物有效加量大于0.5%，并加入2%LAPG 和2%石墨固體潤滑劑，形成較好的泥餅質量，更好地起到潤滑減摩的效果［13］。

2.2.4 強化鉆井液井眼清潔能力

采用合適泵排量和返速，滿足攜帶巖屑和較低的環空壓耗要求，確保上返速度高于臨界返速，達到剪切性能好、黏度較低、有一定切力以及懸浮巖屑好的要求。發揮APD 高固相容量限的特點，優先吸附在重晶石和鉆屑表面，降低顆粒間的內摩擦，增大漿體的流動性。上部井段漏斗黏度為47～60 s，下部井段黏度為60～80 s，控制合理的膨潤土質量濃度為35～45 g/L，保持良好的流變性和長期穩定性，控制靜切力（1.5～5）/（3～10） Pa，有一定的懸浮能力，成分相對簡單易調控；強化包被絮凝作用，包被劑HP加量為0.2%～0.3%，對沙二段、沙三段泥巖鉆屑包被，固控設備及時清除；配制HP、XC、短絨等稠塞清砂，工程上非鉆進時間高速旋轉，定期短程起下鉆，破壞剛形成的巖屑床；清掃井眼，保證井眼的暢通。

3 鉆井液配制與維護工藝

3.1 鉆井液的配制

預水化膨潤土漿或采用前期高性能水基鉆井液老漿，測試老漿膨潤土含量，根據測定值確定老漿用量，轉換后高性能水基鉆井液膨潤土質量濃度為35～45 g/L，體積為100～110 m3。

3.1.1 文51-側平190井鉆井液配方

該井鉆井液配方為5% 預水化膨潤土+5%NAPG+2%CAPG+0.5%磺酸鹽共聚物降濾失劑MMT+2%LV-CMC +0.2%乳液包被劑HP+0.2%黃原膠XC+2%超細碳酸鈣+3%天然瀝青粉+1%LAPG+20%NaCl+3%隨鉆堵漏劑+ 0.2%NaOH +重晶石。

3.1.2 胡5-側9平1井鉆井液配方

該井鉆井液配方為50%高性能水基鉆井液老漿+2% 預水化膨潤土+0.2% 乳液包被劑HP+2%NAPG+0.5% 降濾失劑ZY-JLS+0.15% 超支化乳液聚合物EHBPS-L+1%磺化瀝青FT-3+1% 超細碳酸鈣+1% 微裂縫堵漏劑MFP-2+3%KCl+0.2%NaOH +重晶石。其中，2%NAPG 等均是按鉆井液體積總量（老漿體積∶新漿體積=1∶1）計算，因高性能水基鉆井液老漿中含有約8%APD，則胡5-側9 平1 井中APD 總量為8%×50%+2%×100%=6%。

3.2 鉆井液的維護處理

3.2.1 流變性控制

為了同時滿足造斜段的懸浮攜砂和水平段的沖刷帶砂，鉆井液應保持合理的流變性，在排量足夠且無掉塊的情況下鉆井液的黏度控制在50～60 s，有返砂不足或有掉塊后黏度控制在60～85 s。使用生物聚合物XC 等可提高鉆井液的黏切，若需要降低鉆井液的黏切，可用含CAPG 和ZY-JLS 的稀膠液稀釋。若下鉆劃眼較多，可用高濃度XC、HP 或硅酸鹽纖維等配制稠塞液清砂。

3.2.2 濾失量和泥餅質量控制

適當補充ZY-JLS、MMT 等可降低鉆井液的濾失量，補充NAPG 和CAPG 可改善泥餅質量，補充超細碳酸鈣、磺化瀝青FT等可降低濾失量。

3.2.3 鉆井液的防塌措施

保持合理的鉆井液密度并有效支撐井壁是保持井壁穩定的前提，鉆進過程中根據井下實際情況及時提高鉆井液密度。保持抑制劑的質量分數：5%～7%APD（NAPG 和CAPG 總和）+5%～7%KCl（20%～30%NaCl 穿鹽層）；保持封堵劑的質量分數：2%～3%超細碳酸鈣+2%～3%瀝青類（磺化瀝青FT、天然瀝青和膠乳瀝青總和），當出現井壁掉塊時可適當提高瀝青類處理劑加量。

3.2.4 潤滑防卡措施

糖苷系列產品具有良好的潤滑效果，井斜45°前可滿足定向的需要，但隨著井斜角的增大、井眼軌跡變化較大，單靠增加APD 來增加潤滑性不經濟，可少量補充LAPG 液體潤滑劑和石墨固體潤滑劑等以提高鉆井液潤滑性；完井過程增加塑料小球保證下套管的順利進行。

4 應用效果

在整個鉆進過程中，鉆井液性能穩定、起下鉆暢通、電測和下套管作業一次成功，達到了穩定井壁及井下安全的目的。

1）強抑制和強封堵相結合，有效保障了沙一段至沙三段的地層穩定。保持合理的鉆井液密度，維持井壁的力學平衡。保持抑制劑和封堵劑的濃度，當出現井壁掉塊時可適當提高加量。通過ZY-JLS 等，降低濾失液浸入，提高了井壁穩定性。小井眼水平井應用段井徑規則，亞甲基藍膨潤土含量穩定，反映出鉆井液的抑制黏土水化分散能力強。

2）潤滑性好，滿足定向施工要求，利于降低循環壓耗，提高機械鉆速。

APD 具有良好的潤滑性，保持APD 類產品總量≥5%，隨著井斜和方位變化增大、水平段的加長，及時補充改性LAPG 和石墨等有助于提高鉆井液的潤滑性。2 口井都使用Ф118 mm 鉆頭，鉆進過程中排量為8～10 L/s、泵壓為16～25 MPa，起下鉆和修整井壁平均摩阻為3～8 t。

3）流變參數穩定，攜巖能力強，保證了井眼清潔及巖屑床的清除。多數井段APD 鉆井液黏度控制在50～80 s，排量為9 L/s，可較好地滿足造斜段的懸浮攜砂和水平段的沖刷帶砂，實鉆過程中起下鉆和拉井壁順暢。鉆井液可及時攜帶巖屑和少量拉井壁掉塊返出地面，并從振動篩及時清除有害固相，避免了井下復雜情況的發生。

分段鉆井液性能如表5所示。

表5 應用井分段鉆井液性能

4）縮短了鉆完井周期，實現了回收再利用。2 口井都避免了小井眼側鉆井壁坍塌掉塊、起下鉆遇阻、電測不到底等復雜情況，大大降低了鉆井成本，比同層位鄰井縮短鉆完井周期10～40 d，其中胡5-側9平1井創區塊水平井鉆井周期最短、完井周期最短紀錄。文51-側平190井因未有高性能水基老漿，采用新漿配制；胡5-側9平1井采用的高性能水基老漿密度為1.70 g/cm3，老漿再利用率約30%，費用降低15%，隨著后期中原工區高性能水基鉆井液的推廣，老漿的回收利用率將大幅提高。

5 結論

1）APD 高性能水基鉆井液體系在井壁穩定、潤滑能力和攜巖帶砂等方面效果良好，5%～7%APD 加量即可滿足中原小井眼側鉆水平井開發所需鉆井液的抑制、潤滑和流變性調節需要。

2）體系采用粒徑為6～18 μm 超細碳酸鈣、磺化瀝青、膠乳瀝青等封堵材料和微裂縫堵漏劑MFP-2等防漏材料，沙二段、沙三段API濾失量控制在4 mL 以內，可滿足中原工區沙二段和沙三段泥巖、頁巖、鹽膏巖和砂巖層的封堵和防漏需要。

3）保持井斜大于45°井段，動切力大于8 Pa，靜切力大于1.5/4 Pa/Pa，利于攜砂；在排量受限、鉆速受限或有掉塊的情況下適當提高鉆井液黏切，保障井眼清潔。

4）在增加APD 的基礎上，保持聚合物有效加量大于0.5%，加入2%LAPG 和2%石墨固體潤滑劑，泥餅質量好，潤滑減摩效果好。