Question

塔河油田水平井钻井液技术

Answer 1

靳书波　靳A　李斌文

（西北石油局规划设计研究院　乌鲁木齐　830011）

摘要：深井水平井钻井液技术是一项综合技术，主要考虑井眼稳定技术、井眼净化技术、高温稳定技术、润滑防卡技术。塔河油田所钻水平井主要采用了MMH聚磺混油和复合金属离子聚磺混油钻井液体系，笔者主要介绍两种体系的现场应用技术和维护以及使用效果。

关键词：钻井液　井眼净化　井眼稳定　润滑　保护储层　暂堵技术

1　概述

随着塔河油田勘探开发工作的不断深入，为完善开发井网和提高油气产能，相继在塔河1号、2号油田部署了7口水平井。该油田位于塔里木盆地沙雅隆起，油气层埋藏较深，所钻的井深均在4500m左右，地质情况复杂。上部第三系库车组、康村组、吉迪克组砂岩、泥岩不等厚互层弱胶结，成岩性差、可钻性好，砂岩高渗透性、泥岩以伊利石为主水化分散性强烈；下部侏罗系、三叠系泥岩主要成分以伊利石为主（36％～60％），含15％有序混层（S占22％）伊利石／蒙脱石，个别层段含15％无序混层（S占50％）伊利石／蒙脱石。泥岩遇水一般不易分散，但存在：①硬脆性泥页岩层理与微裂缝发育，同时存在易水化膨胀分散的泥岩，产生高的膨胀压力，导致井壁剥落掉块坍塌；②泥岩异常孔隙压力与强地应力引起的高的坍塌压力易造成力学不稳定，液柱压力低于泥岩地层压力，同一地层水化差异大，泥岩地层压力系数高于油层，井壁受力不平衡等地质因素。

上部地层极易造成虚厚砂泥饼和胶粘性钻屑厚泥饼缩径阻卡，钻井液必须具有强包被、强抑制能力、良好的造壁性及润滑性。下部地层剥蚀掉块垮塌严重，井壁失稳，井径扩大，而且处于造斜和水平井段。钻井液必须具有有效的防塌措施，同时，由于深井水平井的特殊性，如井底温度高，钻遇地层层序岩性复杂，造斜点和水平段较深，防卡、防塌、测井、固井等要求高，钻井液量多等因素，维护调整困难，工程事故多。

2　钻井液技术要求

水平井钻进中主要存在钻柱在斜井段向下部井壁整体倾斜，下沉偏心，钻柱与井壁接触面积增大，造成井下摩擦系数增加。携岩难度较大：钻屑的下滑方向由直井的轴向下滑向斜井段、水平段的径向下滑转化，钻井液以轴向上提力克服钻屑的径向下滑力，要克服钻屑轴向下滑力较困难，一般情况下斜井段不可避免的要形成沉积层，沉积层的厚度随井斜角的增大而增厚。钻屑向下方井壁的沉积，导致钻井液悬浮的均匀性破坏，不利于对钻屑的携带，增加了钻柱与井壁的摩擦阻力。在层理发育的地层，胶结不好的砂岩、砾岩层和复杂地层易发生坍塌、掉块，严重时会掩埋钻具造成卡钻。综上所述，要求钻井液具有极强的润滑性、携岩能力、防塌能力和井壁稳定性，该地区井比较深，要求钻井液具有良好的抗温性。水平段钻井液更需要考虑储层保护。

3　钻井液设计

3.1　井眼净化技术

通过改善钻井液的塑性粘度、动切力、动塑比和静切力等，以较高的动塑比值、切力等，使钻井液具有良好的悬浮携带能力，降低钻屑的沉降速度，并将其及时带出。选择MMH正电胶和复合金属离子聚合物（PMHC）调节钻井液流变性能，确保了适当的环空流速，既能保护井壁，又能将岩屑带出。国外研究指出，环空倾斜在0°～90°整个范围内，钻井液流速越高，环空净化速度越高。在水平井中，坚持定时旋转钻具和短程起下钻。旋转钻具有利于岩屑的清除，一是将下井壁沉积的岩屑推入流动的钻井液中，被钻井液流带出井眼；二是将大块岩屑积压碾磨，变成小颗粒有利于岩屑的悬浮带出井眼。控制好井眼轨迹，可以减少流动阻力，降低动能的消耗，有利于岩屑的清除。另外，依据井身结构和钻具组合选用合适的环空返速和钻井液流变参数，既能保证钻屑携带，又减少对不稳定井壁的冲蚀破坏。

3.2　井眼稳定技术

针对侏罗系和三叠系泥页岩矿物组分、理化特性及井壁失稳等问题，首先，钻井液必须有较低的滤失量，良好的泥饼质量，能在短时间内对层理微裂缝泥页岩起到有效的封堵作用；其次，必须有足够的抑制性，有效防止井壁吸水膨胀、坍塌，同时防止钻屑分散，降低固相含量；再者，控制适当的钻井液环空流速，减轻钻井液对井壁的冲蚀。为此，优选了高效的防塌抑制剂及聚磺混油钻井液体系，采取合理的防塌技术措施，以满足深井水平井钻井施工的要求。采用沥青类产品FT-1、SMP、SPNH、NH₄PAN等封堵防塌处理剂，机械封堵层理、裂缝，增加钻井液的造壁封堵能力，降低失水与泥饼渗透率，阻止钻井液滤液大量进入地层。应用SN-1固体乳化剂强烈吸附油的特点，参与泥饼的形成，在井壁上形成一层憎水油膜，可有效控制滤液的侵入，减轻泥岩的水化。长链、高分子聚合物带有极强的离子基团、极性基团和非极性基团，与粘土表面吸附、桥接和絮凝，对泥岩起到包被抑制粘土分散作用。同时，应用防塌抑制降失水剂PA-1，来提高钻井液的化学抑制能力，最大限度的抑制泥页岩的水化分散，预防井壁垮塌。PA-1是KHm和阳离子组分接枝共聚物，K^＋和阳离子协同作用，提高了防塌效果，阳离子的加入提高了吸附和水化能力。

3.3　润滑防卡技术

根据塔河油田具体钻井施工情况，并参考国内外相关技术资料，经综合分析研究，选用混入原油的方法来提高钻井液的润滑性能。同时，优选了SN-1固体乳化剂作为乳化剂，在其分子结构中，具有亲油性强的阳离子基团，同时还有亲水性好的阴离子基团，具有双亲作用。在混油钻井液中加入SN-1后，能将油充分吸附，并通过SN-1富集油类参与泥饼的形成，在泥饼表面形成一层有乳滴构成的油膜，将钻具与泥饼或井壁间的磨擦转变为钻具与油膜间的摩擦，这样可以大大降低摩擦阻力和扭矩。通过室内实验，优选了原油和SN-1固体乳化剂的合理的加入量分别为8％～10％和0.3％～0.5％，推荐现场原油加入量为10％～12％。另外，为了提高钻井液的润滑性，在特殊情况下，加入2％～3％的固体润滑剂塑料小球，半埋与泥饼中，形成泥饼和钻具或套管之间的微型支撑物，起到“微轴承”的作用，避免压差卡钻，降低扭矩和摩擦阻力。

3.4　油气层保护

根据储层特征及损害机理的研究分析结果，即储层为非－弱水敏性，固相颗粒侵入污染是钻井完井液对储层的主要损害因素，为了适应钻遇地层特点及深井水平井施工的特殊要求，使施工工艺简便，从经济性、可操作性和保护油气层方面综合考虑，优选了水基钻井完井液体系，并实施屏蔽暂堵保护油气层技术，尽可能地保持低固相、低滤失量、良好的泥饼质量，PH值控制在9左右，使之和储层相匹配。钻井完井液采取在上部复合金属离子聚磺混油钻井液基础上，实施屏蔽暂堵技术直接转换的技术措施，即采用MMH正电胶聚磺混油暂堵和复合金属离子聚磺混油暂堵钻井完井液体系。

钻井液设计考虑上述诸因素外，还得考虑直井段，特别是二开、三开井段裸眼段长，大段泥岩以及泥岩、砂岩互层。泥岩段易泥包，砂岩段泥饼厚等易造成阻卡，钻井液要保持低固相、强抑制、薄而韧的泥饼和优良润滑性，保证安全快速钻进。一开、二开主要采用钾基聚合物钻井液体系和正电胶钻井液体系，三开采用正电胶聚合物混油暂堵钻井液体系以及复合金属离子聚磺混油暂堵钻井液体系，各体系依次转化。复合金属离子聚合物不分散体系和正电胶钻井液体系均具有的强抑制、低固相特性，适合中上部地层快速钻进；正电胶聚合物混油暂堵钻井液体系和聚磺体系具有抗高温、高温高压失水低、造壁性好等特性，适合下部井段钻进；同时适合于油气层段钻进。

复合金属离子聚磺混油钻井液体系配方：（40～50)kg/m³坂土＋(2～3)kg/m³纯碱＋(3～4)kg/m³NaOH+ (2～5)kg/m³80A51+2kg/m³PMHC+20 kg/m³SMP-1（粉）＋30kg/m³磺化沥青＋(80～100)kg/m³原油＋2 kg/m³SN-1（或SP-80)＋…

正电胶聚合物钻井液体系配方：（40～50)kg/m³坂土＋(2～3)kg/m³纯碱＋(5～10)kgMMH+(5～10)kg/m³PAM+(2～4)kg/m³PAC-HV+(20～30)kg/m³SMP-1（粉）＋(20～30)kg/m³磺化沥青＋(20～30)kg/m³SN-1＋(80～100)kg/m³原油＋…。

4　钻井工程简况

所钻的7口水平井均是下入Φ244.5mm技术套管后，使用215.9mm钻头进行定向造斜钻进，施工工程基本数据见下表1。

表1　塔河油田水平井钻进基础数据　Table1　Basic data of Horizontal well drilling in Tahe oil field

续表

5　钻井液现场应用技术

5.1　井壁稳定技术

钻进过程中，对泥岩井段的防塌措施为：从力学上，为了提高钻井液液柱压力对井壁的支撑，使其大于地层的坍塌密度，钻井液的使用密度为1.20～1.22g/cm³，比该地区已完钻直井同层位正常使用密度高0.02～0.05g/cm³，并以钻井液的特有流变特性，减少了对井壁的冲刷和起下钻、开泵所引起的压力激动。从化学上，以补充 MMH正电胶、PA1、WFT-666、FT-1、SPNH、SMP-1、PMHC、NH₄-PAN胶液为主，改善泥饼质量，提高钻井液对地层的抑制封堵防塌能力；同时，利用SN-1固体乳化剂吸附原油在井壁形成一层油膜的特殊作用，改善井眼的稳定性；另外还可降低滤失量，使API失水在4ml以下， HTHP失水9～10ml，从而减少了对井壁的浸泡深度，为长时间的安全施工打下了基础。

5.2　润滑技术

钻井液润滑性能主要以原油为主，分别于井斜角达30°与进入水平段时补充加入原油18t和12t，使钻井液、钻井完井液含油量为 8％～10％，并用一定量 SN-1固体乳化剂（或SP-80）充分乳化，辅以2％～3%FT-1(WFT-666）和SMP改善泥饼质量，使之具有良好的润滑防卡能力。其滤饼摩阻系数Kf始终控制在0.029以下，起下钻阻力一般在4t～8t，旋转扭矩在300～450mV。

5.3　井眼净化技术

主要是选择了悬浮携岩能力较强的钻井液和钻井完井液，在较低的排量下，粘切及流变性的调整以补充MMH正电胶（或PMHC）和NH₄PAN胶液为主，使动切力大于15 Pa,动塑比在1左右，初切一般18～23Pa，初切和终切接近；工程上适时采取短起下钻及旋转钻具的措施，在该井施工中，下钻、测井、下塞管均一次到底，开泵正常，保证了全水平段未通一次井，而井下一切正常，大排量洗井也无明显的钻屑返出，证明井眼干净，未形成明显的岩屑床。

5.4　保护储层技术

进入水平段前，充分调整钻井液各项性能，控制较低的固相含量和滤失量，一次性用混合漏斗按循环周加入0.75％～1.0％油溶树脂和3％的QS-2，并补充加入磺化沥青使之含量达2％～3％，以实施屏蔽暂堵保护油气层技术，并根据消耗及时补充。进一步强化泥饼质量，减少滤液侵入油层量。同时，加强井眼净化和固相控制，减少钻井液中的微粒进入产层孔隙中，避免堵塞油气通道。

5.5　固相控制

固相控制主要以振动筛、清洁器、离心机等为主，加上频繁起下钻作业，给钻井液密度、固相含量的控制及性能的维护带来一定程度的难度。为此，采取了充分利用好现有固控设备，增加胶液的补充量，提高钻井液的携岩能力，降低重复研磨程度，减少细微颗粒的含量等有效措施，很好地将含砂量控制在0.2％以内，固相含量控制在11％～13％。

6　现场应用效果

在塔河油田所钻7口井的施工中，主要使用MMH正电胶聚磺混油钻井液和复合金属离子聚磺混油钻井液，在现场使用中各具特点。钻进施工中TK106H和TK201H井为无事故井，其他井均不同程度地发生卡钻事故。其性能见表2。MMH正电胶聚磺混油钻井液抗温性较差，深井维护处理比较困难。由于MMH正电胶与其他类型处理剂配伍性较差，使用阴离子处理剂，削弱了体系的正电性，从而降低体系的抑制防塌能力，但MMH正电胶体系具有很强的携岩能力，防止“钻屑床”的形成，保证了起下钻畅通。复合金属离子聚磺混油钻井液具有抗温性、配伍性、流变性好，钻井液性能稳定。

6.1　TK104H、TK201H井使用MMH正电胶体系使用情况

在该井段钻进施工之前首先在套管内将钻井液转换为MMHSN-2钻井液体系，使MMH含量达到3％（胶体），由于该井段上部地层掉块严重，在套管内一次性加入防塌剂3% PN-1及2%FT-1，钻进至造斜段混入8％原油，并加入足量固体乳化剂SN-1，使原油得到充分乳化，在钻进过程中，定期定深补充MMH、原油、PAM、防塌降失水剂，确保钻井液各组分达到设计要求。

在井斜角达到60°时，加强短程起下钻及分段循环，并将钻井液YP提至15Pa以上，动塑比值控制在0.8～1.2之间，静切力提至8～10Pa/10～12Pa，确保钻井液具有较强的携带能力和悬浮能力，在水平段后施工中严格控制固相含量，特别是含砂量。充分利用四级固控设备及补充胶液的方法，降低钻井液中的含砂量，达到设计要求。

稳定的钻井液性能及合适的流变性，具有较强的防塌能力和较底磨擦系数，并配合工程措施是该段成功的关键。

（1）Φ₆读数不低于8.5。

（2）在施工中，主要以维护为主，处理为辅，钻井液处理剂以胶液形式加入，保持稳定的钻井液性能。

表2　斜井段及水平段钻井液性能　Table2　Drilling field performance of gradient and horizontal well paragraph

（3）用SPNH、NH₄-HPAN调节钻井液流型；用SMP-1、SPNH控制高温高压失水。

各种处理剂的合理配伍及具有良好的润滑性，较强的防塌能力和悬浮携带能力是该井钻井液成功的关键。

6.2　TK202H井复合金属离子聚磺混油体系使用情况

定向前将聚合物钻井液一次性转换为复合金属离子聚磺混油钻井液。先补充预配好的新浆40m³(1.5 t坂土＋80 kg Na₂CO₃+50 kg NaOH+75 kg PMHC）。然后，按配方边循环边用混合漏斗均匀地加入SPNH、FT-1、SMP-1、PA-1、PMHC，之后又补充加入适量Na₂CO₃。待循环到相对均匀后，在一个大循环周内均匀混入8％原油，同时，加入0.3%SN-1固体乳化剂。最后，进行充分的循环直到钻井液性能基本稳定。

钻进过程中，始终坚持以补充胶液维护为主。钻井液性能的维护原则是：以井眼净化为重点，搞好流变性控制，保持适当高的动塑比值及切力，以适应携带岩屑，有效悬浮岩屑的特殊需要，控制好泥饼质量和润滑性，强化防塌措施，严格控制失水。各种处理剂的选用及补充量以正常钻进进尺、钻遇岩性、井斜角、作业情况等来变化。一般胶液的补充时间为每趟钻的前1～2周内。

6.3　结论与认识

水平井造斜段及水平段钻进中由于钻井液采取了有效合理的维护处理工艺，钻井液性能优良、施工效果良好，钻井液性能见表2。

（1）钻井液悬浮携岩能力强，井眼清洁

钻井液流变性好具有正电胶的特性，携带岩屑效果好，悬浮能力强，返屑正常，每次开钻均能将上趟钻起钻前悬浮的岩屑按时正常带出；岩屑均匀，尤其是大斜度及水平段无任何混杂现象，质地纯净，棱角清晰，反映的地层界限分明，岩屑录井与电测解释结果吻合。

（2）钻井液防塌性能好，井壁稳定，井径规则

在整个施工中，虽然起下钻次数多，井底工况条件变化大，但由于钻井液性能优良，工艺技术措施合理，井壁始终稳定，钻进循环过程中很少见到有剥落掉块的泥页岩，更无井壁垮塌失稳划眼现象，振动筛筛网筛出的基本上均为钻屑，每趟钻起下顺利无异常情况，平均井径扩大率见表3，较好的解决了三叠系硬脆性泥页岩地层普遍存在的掉块垮塌、井径严重扩大问题，有利地保障了钻井施工的顺利实施。

表3　塔河油田水平井三开井段井径结果对比　Table3　The well radial contrastive result of third opening drilling well paragraph about Tahe oilfield's horizontal wells

(3）钻井液具有良好的润滑性能

由于SN-1固体乳化剂的特殊作用及原油含量合理，固相控制效果好，钻井液泥饼薄而坚韧、摩阻系数小，K_f始终控制在0.0143～0.029之内，最大限度的降低了摩阻和扭矩。钻进和起下钻顺利，电测、下筛管畅通无阻、一次到底，起下钻摩阻一般在4～8 t，旋转扭矩在300～400mV。

（4）钻井液性能稳定，易于维护调整

整个施工过程中尽管纯钻时间短、起下钻频繁，但每趟钻只需用胶液进行简单维护调整，未进行一次大型处理。

（5）钻井液具有较好的保护油气层作用

合理实施了屏蔽暂堵保护油气层技术，滤失量小，API失水在4.0ml以内，高温高压失水保持在9～11.0ml。室内评价结果表明，复合金属离子聚磺混油钻井完井液体系对岩心渗透率恢复值平均达到92.2％，不仅起到了较好地保护油气层作用，还达到了防漏堵漏作用。

（6）复合金属离子聚磺混油钻井液性能稳定，易维护，为水平井钻进理想的钻井液体系。

参考文献

[1]樊世忠，鄢捷年，周大晨．钻井液完井液及保护油气层技术．东营：石油大学出版社，1996

[2]徐同台，陈乐亮，罗平亚．深井泥浆 ．北京：石油工业出版社，1994

[3]张绍槐，罗平亚等．保护储集层技术 ．北京：石油工业出版社，1991

Techniques of drilling fluid for horizonal well in Tarim

Jin Shubo　Jin Pei　Li Binwen

(Academy of planning and designing,Northwest Bureau of Petroleum Geology，Ürümqi 830011)

Abstract:Drilling fluid of deep horizantal well we should consider well hole stabilization technique, well holerefine technique,high temperature stabilization technique,lubrication and defend clip technique mostly.The MMH polymer sulphur mix with oil and resumed lubricate hydronium polymer sulphurixm with oil are used in horizantal well,TaHe oil field.This paper introduces two system which are used in field and application effects.

Key words:drilling fluid　well hole refine　well hole stabilization　lubrication　reservoir protection temporary jam technique