靳書波 靳A 李斌文
（西北石油局規劃設計研究院 烏魯木齊 830011）
摘要：深井水平井鉆井液技術是壹項綜合技術，主要考慮井眼穩定技術、井眼凈化技術、高溫穩定技術、潤滑防卡技術。塔河油田所鉆水平井主要采用了MMH聚磺混油和復合金屬離子聚磺混油鉆井液體系，筆者主要介紹兩種體系的現場應用技術和維護以及使用效果。
關鍵詞：鉆井液 井眼凈化 井眼穩定 潤滑 保護儲層 暫堵技術
1 概述
隨著塔河油田勘探開發工作的不斷深入，為完善開發井網和提高油氣產能，相繼在塔河1號、2號油田部署了7口水平井。該油田位於塔裏木盆地沙雅隆起，油氣層埋藏較深，所鉆的井深均在4500m左右，地質情況復雜。上部第三系庫車組、康村組、吉迪克組砂巖、泥巖不等厚互層弱膠結，成巖性差、可鉆性好，砂巖高滲透性、泥巖以伊利石為主水化分散性強烈；下部侏羅系、三疊系泥巖主要成分以伊利石為主（36％～60％），含15％有序混層（S占22％）伊利石／蒙脫石，個別層段含15％無序混層（S占50％）伊利石／蒙脫石。泥巖遇水壹般不易分散，但存在：①硬脆性泥頁巖層理與微裂縫發育，同時存在易水化膨脹分散的泥巖，產生高的膨脹壓力，導致井壁剝落掉塊坍塌；②泥巖異常孔隙壓力與強地應力引起的高的坍塌壓力易造成力學不穩定，液柱壓力低於泥巖地層壓力，同壹地層水化差異大，泥巖地層壓力系數高於油層，井壁受力不平衡等地質因素。
上部地層極易造成虛厚砂泥餅和膠粘性鉆屑厚泥餅縮徑阻卡，鉆井液必須具有強包被、強抑制能力、良好的造壁性及潤滑性。下部地層剝蝕掉塊垮塌嚴重，井壁失穩，井徑擴大，而且處於造斜和水平井段。鉆井液必須具有有效的防塌措施，同時，由於深井水平井的特殊性，如井底溫度高，鉆遇地層層序巖性復雜，造斜點和水平段較深，防卡、防塌、測井、固井等要求高，鉆井液量多等因素，維護調整困難，工程事故多。
2 鉆井液技術要求
水平井鉆進中主要存在鉆柱在斜井段向下部井壁整體傾斜，下沈偏心，鉆柱與井壁接觸面積增大，造成井下摩擦系數增加。攜巖難度較大：鉆屑的下滑方向由直井的軸向下滑向斜井段、水平段的徑向下滑轉化，鉆井液以軸向上提力克服鉆屑的徑向下滑力，要克服鉆屑軸向下滑力較困難，壹般情況下斜井段不可避免的要形成沈積層，沈積層的厚度隨井斜角的增大而增厚。鉆屑向下方井壁的沈積，導致鉆井液懸浮的均勻性破壞，不利於對鉆屑的攜帶，增加了鉆柱與井壁的摩擦阻力。在層理發育的地層，膠結不好的砂巖、礫巖層和復雜地層易發生坍塌、掉塊，嚴重時會掩埋鉆具造成卡鉆。綜上所述，要求鉆井液具有極強的潤滑性、攜巖能力、防塌能力和井壁穩定性，該地區井比較深，要求鉆井液具有良好的抗溫性。水平段鉆井液更需要考慮儲層保護。
3 鉆井液設計
3.1 井眼凈化技術
通過改善鉆井液的塑性粘度、動切力、動塑比和靜切力等，以較高的動塑比值、切力等，使鉆井液具有良好的懸浮攜帶能力，降低鉆屑的沈降速度，並將其及時帶出。選擇MMH正電膠和復合金屬離子聚合物（PMHC）調節鉆井液流變性能，確保了適當的環空流速，既能保護井壁，又能將巖屑帶出。國外研究指出，環空傾斜在0°～90°整個範圍內，鉆井液流速越高，環空凈化速度越高。在水平井中，堅持定時旋轉鉆具和短程起下鉆。旋轉鉆具有利於巖屑的清除，壹是將下井壁沈積的巖屑推入流動的鉆井液中，被鉆井液流帶出井眼；二是將大塊巖屑積壓碾磨，變成小顆粒有利於巖屑的懸浮帶出井眼。控制好井眼軌跡，可以減少流動阻力，降低動能的消耗，有利於巖屑的清除。另外，依據井身結構和鉆具組合選用合適的環空返速和鉆井液流變參數，既能保證鉆屑攜帶，又減少對不穩定井壁的沖蝕破壞。
3.2 井眼穩定技術
針對侏羅系和三疊系泥頁巖礦物組分、理化特性及井壁失穩等問題，首先，鉆井液必須有較低的濾失量，良好的泥餅質量，能在短時間內對層理微裂縫泥頁巖起到有效的封堵作用；其次，必須有足夠的抑制性，有效防止井壁吸水膨脹、坍塌，同時防止鉆屑分散，降低固相含量；再者，控制適當的鉆井液環空流速，減輕鉆井液對井壁的沖蝕。為此，優選了高效的防塌抑制劑及聚磺混油鉆井液體系，采取合理的防塌技術措施，以滿足深井水平井鉆井施工的要求。采用瀝青類產品FT-1、SMP、SPNH、NH4PAN等封堵防塌處理劑，機械封堵層理、裂縫，增加鉆井液的造壁封堵能力，降低失水與泥餅滲透率，阻止鉆井液濾液大量進入地層。應用SN-1固體乳化劑強烈吸附油的特點，參與泥餅的形成，在井壁上形成壹層憎水油膜，可有效控制濾液的侵入，減輕泥巖的水化。長鏈、高分子聚合物帶有極強的離子基團、極性基團和非極性基團，與粘土表面吸附、橋接和絮凝，對泥巖起到包被抑制粘土分散作用。同時，應用防塌抑制降失水劑PA-1，來提高鉆井液的化學抑制能力，最大限度的抑制泥頁巖的水化分散，預防井壁垮塌。PA-1是KHm和陽離子組分接枝***聚物，K＋和陽離子協同作用，提高了防塌效果，陽離子的加入提高了吸附和水化能力。
3.3 潤滑防卡技術
根據塔河油田具體鉆井施工情況，並參考國內外相關技術資料，經綜合分析研究，選用混入原油的方法來提高鉆井液的潤滑性能。同時，優選了SN-1固體乳化劑作為乳化劑，在其分子結構中，具有親油性強的陽離子基團，同時還有親水性好的陰離子基團，具有雙親作用。在混油鉆井液中加入SN-1後，能將油充分吸附，並通過SN-1富集油類參與泥餅的形成，在泥餅表面形成壹層有乳滴構成的油膜，將鉆具與泥餅或井壁間的磨擦轉變為鉆具與油膜間的摩擦，這樣可以大大降低摩擦阻力和扭矩。通過室內實驗，優選了原油和SN-1固體乳化劑的合理的加入量分別為8％～10％和0.3％～0.5％，推薦現場原油加入量為10％～12％。另外，為了提高鉆井液的潤滑性，在特殊情況下，加入2％～3％的固體潤滑劑塑料小球，半埋與泥餅中，形成泥餅和鉆具或套管之間的微型支撐物，起到“微軸承”的作用，避免壓差卡鉆，降低扭矩和摩擦阻力。
3.4 油氣層保護
根據儲層特征及損害機理的研究分析結果，即儲層為非－弱水敏性，固相顆粒侵入汙染是鉆井完井液對儲層的主要損害因素，為了適應鉆遇地層特點及深井水平井施工的特殊要求，使施工工藝簡便，從經濟性、可操作性和保護油氣層方面綜合考慮，優選了水基鉆井完井液體系，並實施屏蔽暫堵保護油氣層技術，盡可能地保持低固相、低濾失量、良好的泥餅質量，PH值控制在9左右，使之和儲層相匹配。鉆井完井液采取在上部復合金屬離子聚磺混油鉆井液基礎上，實施屏蔽暫堵技術直接轉換的技術措施，即采用MMH正電膠聚磺混油暫堵和復合金屬離子聚磺混油暫堵鉆井完井液體系。
鉆井液設計考慮上述諸因素外，還得考慮直井段，特別是二開、三開井段裸眼段長，大段泥巖以及泥巖、砂巖互層。泥巖段易泥包，砂巖段泥餅厚等易造成阻卡，鉆井液要保持低固相、強抑制、薄而韌的泥餅和優良潤滑性，保證安全快速鉆進。壹開、二開主要采用鉀基聚合物鉆井液體系和正電膠鉆井液體系，三開采用正電膠聚合物混油暫堵鉆井液體系以及復合金屬離子聚磺混油暫堵鉆井液體系，各體系依次轉化。復合金屬離子聚合物不分散體系和正電膠鉆井液體系均具有的強抑制、低固相特性，適合中上部地層快速鉆進；正電膠聚合物混油暫堵鉆井液體系和聚磺體系具有抗高溫、高溫高壓失水低、造壁性好等特性，適合下部井段鉆進；同時適合於油氣層段鉆進。
復合金屬離子聚磺混油鉆井液體系配方：（40～50)kg/m3阪土＋(2～3)kg/m3純堿＋(3～4)kg/m3NaOH+ (2～5)kg/m380A51+2kg/m3PMHC+20 kg/m3SMP-1（粉）＋30kg/m3磺化瀝青＋(80～100)kg/m3原油＋2 kg/m3SN-1（或SP-80)＋…
正電膠聚合物鉆井液體系配方：（40～50)kg/m3阪土＋(2～3)kg/m3純堿＋(5～10)kgMMH+(5～10)kg/m3PAM+(2～4)kg/m3PAC-HV+(20～30)kg/m3SMP-1（粉）＋(20～30)kg/m3磺化瀝青＋(20～30)kg/m3SN-1＋(80～100)kg/m3原油＋…。
4 鉆井工程簡況
所鉆的7口水平井均是下入Φ244.5mm技術套管後，使用215.9mm鉆頭進行定向造斜鉆進，施工工程基本數據見下表1。
表1 塔河油田水平井鉆進基礎數據 Table1 Basic data of Horizontal well drilling in Tahe oil field
續表
5 鉆井液現場應用技術
5.1 井壁穩定技術
鉆進過程中，對泥巖井段的防塌措施為：從力學上，為了提高鉆井液液柱壓力對井壁的支撐，使其大於地層的坍塌密度，鉆井液的使用密度為1.20～1.22g/cm3，比該地區已完鉆直井同層位正常使用密度高0.02～0.05g/cm3，並以鉆井液的特有流變特性，減少了對井壁的沖刷和起下鉆、開泵所引起的壓力激動。從化學上，以補充 MMH正電膠、PA1、WFT-666、FT-1、SPNH、SMP-1、PMHC、NH4-PAN膠液為主，改善泥餅質量，提高鉆井液對地層的抑制封堵防塌能力；同時，利用SN-1固體乳化劑吸附原油在井壁形成壹層油膜的特殊作用，改善井眼的穩定性；另外還可降低濾失量，使API失水在4ml以下， HTHP失水9～10ml，從而減少了對井壁的浸泡深度，為長時間的安全施工打下了基礎。
5.2 潤滑技術
鉆井液潤滑性能主要以原油為主，分別於井斜角達30°與進入水平段時補充加入原油18t和12t，使鉆井液、鉆井完井液含油量為 8％～10％，並用壹定量 SN-1固體乳化劑（或SP-80）充分乳化，輔以2％～3%FT-1(WFT-666）和SMP改善泥餅質量，使之具有良好的潤滑防卡能力。其濾餅摩阻系數Kf始終控制在0.029以下，起下鉆阻力壹般在4t～8t，旋轉扭矩在300～450mV。
5.3 井眼凈化技術
主要是選擇了懸浮攜巖能力較強的鉆井液和鉆井完井液，在較低的排量下，粘切及流變性的調整以補充MMH正電膠（或PMHC）和NH4PAN膠液為主，使動切力大於15 Pa,動塑比在1左右，初切壹般18～23Pa，初切和終切接近；工程上適時采取短起下鉆及旋轉鉆具的措施，在該井施工中，下鉆、測井、下塞管均壹次到底，開泵正常，保證了全水平段未通壹次井，而井下壹切正常，大排量洗井也無明顯的鉆屑返出，證明井眼幹凈，未形成明顯的巖屑床。
5.4 保護儲層技術
進入水平段前，充分調整鉆井液各項性能，控制較低的固相含量和濾失量，壹次性用混合漏鬥按循環周加入0.75％～1.0％油溶樹脂和3％的QS-2，並補充加入磺化瀝青使之含量達2％～3％，以實施屏蔽暫堵保護油氣層技術，並根據消耗及時補充。進壹步強化泥餅質量，減少濾液侵入油層量。同時，加強井眼凈化和固相控制，減少鉆井液中的微粒進入產層孔隙中，避免堵塞油氣通道。
5.5 固相控制
固相控制主要以振動篩、清潔器、離心機等為主，加上頻繁起下鉆作業，給鉆井液密度、固相含量的控制及性能的維護帶來壹定程度的難度。為此，采取了充分利用好現有固控設備，增加膠液的補充量，提高鉆井液的攜巖能力，降低重復研磨程度，減少細微顆粒的含量等有效措施，很好地將含砂量控制在0.2％以內，固相含量控制在11％～13％。
6 現場應用效果
在塔河油田所鉆7口井的施工中，主要使用MMH正電膠聚磺混油鉆井液和復合金屬離子聚磺混油鉆井液，在現場使用中各具特點。鉆進施工中TK106H和TK201H井為無事故井，其他井均不同程度地發生卡鉆事故。其性能見表2。MMH正電膠聚磺混油鉆井液抗溫性較差，深井維護處理比較困難。由於MMH正電膠與其他類型處理劑配伍性較差，使用陰離子處理劑，削弱了體系的正電性，從而降低體系的抑制防塌能力，但MMH正電膠體系具有很強的攜巖能力，防止“鉆屑床”的形成，保證了起下鉆暢通。復合金屬離子聚磺混油鉆井液具有抗溫性、配伍性、流變性好，鉆井液性能穩定。
6.1 TK104H、TK201H井使用MMH正電膠體系使用情況
在該井段鉆進施工之前首先在套管內將鉆井液轉換為MMHSN-2鉆井液體系，使MMH含量達到3％（膠體），由於該井段上部地層掉塊嚴重，在套管內壹次性加入防塌劑3% PN-1及2%FT-1，鉆進至造斜段混入8％原油，並加入足量固體乳化劑SN-1，使原油得到充分乳化，在鉆進過程中，定期定深補充MMH、原油、PAM、防塌降失水劑，確保鉆井液各組分達到設計要求。
在井斜角達到60°時，加強短程起下鉆及分段循環，並將鉆井液YP提至15Pa以上，動塑比值控制在0.8～1.2之間，靜切力提至8～10Pa/10～12Pa，確保鉆井液具有較強的攜帶能力和懸浮能力，在水平段後施工中嚴格控制固相含量，特別是含砂量。充分利用四級固控設備及補充膠液的方法，降低鉆井液中的含砂量，達到設計要求。
穩定的鉆井液性能及合適的流變性，具有較強的防塌能力和較底磨擦系數，並配合工程措施是該段成功的關鍵。
（1）Φ6讀數不低於8.5。
（2）在施工中，主要以維護為主，處理為輔，鉆井液處理劑以膠液形式加入，保持穩定的鉆井液性能。
表2 斜井段及水平段鉆井液性能 Table2 Drilling field performance of gradient and horizontal well paragraph
（3）用SPNH、NH4-HPAN調節鉆井液流型；用SMP-1、SPNH控制高溫高壓失水。
各種處理劑的合理配伍及具有良好的潤滑性，較強的防塌能力和懸浮攜帶能力是該井鉆井液成功的關鍵。
6.2 TK202H井復合金屬離子聚磺混油體系使用情況
定向前將聚合物鉆井液壹次性轉換為復合金屬離子聚磺混油鉆井液。先補充預配好的新漿40m3(1.5 t阪土＋80 kg Na2CO3+50 kg NaOH+75 kg PMHC）。然後，按配方邊循環邊用混合漏鬥均勻地加入SPNH、FT-1、SMP-1、PA-1、PMHC，之後又補充加入適量Na2CO3。待循環到相對均勻後，在壹個大循環周內均勻混入8％原油，同時，加入0.3%SN-1固體乳化劑。最後，進行充分的循環直到鉆井液性能基本穩定。
鉆進過程中，始終堅持以補充膠液維護為主。鉆井液性能的維護原則是：以井眼凈化為重點，搞好流變性控制，保持適當高的動塑比值及切力，以適應攜帶巖屑，有效懸浮巖屑的特殊需要，控制好泥餅質量和潤滑性，強化防塌措施，嚴格控制失水。各種處理劑的選用及補充量以正常鉆進進尺、鉆遇巖性、井斜角、作業情況等來變化。壹般膠液的補充時間為每趟鉆的前1～2周內。
6.3 結論與認識
水平井造斜段及水平段鉆進中由於鉆井液采取了有效合理的維護處理工藝，鉆井液性能優良、施工效果良好，鉆井液性能見表2。
（1）鉆井液懸浮攜巖能力強，井眼清潔
鉆井液流變性好具有正電膠的特性，攜帶巖屑效果好，懸浮能力強，返屑正常，每次開鉆均能將上趟鉆起鉆前懸浮的巖屑按時正常帶出；巖屑均勻，尤其是大斜度及水平段無任何混雜現象，質地純凈，棱角清晰，反映的地層界限分明，巖屑錄井與電測解釋結果吻合。
（2）鉆井液防塌性能好，井壁穩定，井徑規則
在整個施工中，雖然起下鉆次數多，井底工況條件變化大，但由於鉆井液性能優良，工藝技術措施合理，井壁始終穩定，鉆進循環過程中很少見到有剝落掉塊的泥頁巖，更無井壁垮塌失穩劃眼現象，振動篩篩網篩出的基本上均為鉆屑，每趟鉆起下順利無異常情況，平均井徑擴大率見表3，較好的解決了三疊系硬脆性泥頁巖地層普遍存在的掉塊垮塌、井徑嚴重擴大問題，有利地保障了鉆井施工的順利實施。
表3 塔河油田水平井三開井段井徑結果對比 Table3 The well radial contrastive result of third opening drilling well paragraph about Tahe oilfield's horizontal wells
(3）鉆井液具有良好的潤滑性能
由於SN-1固體乳化劑的特殊作用及原油含量合理，固相控制效果好，鉆井液泥餅薄而堅韌、摩阻系數小，Kf始終控制在0.0143～0.029之內，最大限度的降低了摩阻和扭矩。鉆進和起下鉆順利，電測、下篩管暢通無阻、壹次到底，起下鉆摩阻壹般在4～8 t，旋轉扭矩在300～400mV。
（4）鉆井液性能穩定，易於維護調整
整個施工過程中盡管純鉆時間短、起下鉆頻繁，但每趟鉆只需用膠液進行簡單維護調整，未進行壹次大型處理。
（5）鉆井液具有較好的保護油氣層作用
合理實施了屏蔽暫堵保護油氣層技術，濾失量小，API失水在4.0ml以內，高溫高壓失水保持在9～11.0ml。室內評價結果表明，復合金屬離子聚磺混油鉆井完井液體系對巖心滲透率恢復值平均達到92.2％，不僅起到了較好地保護油氣層作用，還達到了防漏堵漏作用。
（6）復合金屬離子聚磺混油鉆井液性能穩定，易維護，為水平井鉆進理想的鉆井液體系。
參考文獻
[1]樊世忠，鄢捷年，周大晨．鉆井液完井液及保護油氣層技術．東營：石油大學出版社，1996
[2]徐同臺，陳樂亮，羅平亞．深井泥漿 ．北京：石油工業出版社，1994
[3]張紹槐，羅平亞等．保護儲集層技術 ．北京：石油工業出版社，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，?rümqi 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