庄301井优快钻井钻井液技术

邱春阳，王家喜，张海青，王宝田

中国石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司(山东东营257064)

庄301井优快钻井钻井液技术

邱春阳，王家喜，张海青，王宝田

中国石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司(山东东营257064)

庄301井位于准中莫西庄地区，该区块地层岩性复杂，施工中复杂情况多，机械钻速低，钻井周期长。分析该区块复杂情况发生的原因后，通过使用聚硅铝胺防塌钻井液体系，辅助相应的钻井液现场维护处理工艺及工程措施，顺利钻至目的层。全井机械钻速11.15m/h，比邻井提高了25%，实现了优快钻井的目标。

庄301井;机械钻速;钻井液;优快钻井

庄301井位于准噶尔盆地马桥凸起北翼，是莫西庄地区的一口评价井，钻探目的是评价庄301井侏罗系三工河组二砂组(J1s2)含油气情况。庄301井设计井深4 350m，采用三开制井身结构，一开Φ444.5mm钻头钻深125.00m，Φ339.7mm套管下深124.19m;二开Φ311.2mm钻头钻深1 704.00m，Φ244.5mm套管下深1 702.52m;三开Φ215.9mm钻头钻至井深4 360.00m完钻，取芯后裸眼完井。该区块地层岩性复杂，施工中复杂情况多，机械钻速低，钻井周期长。为加快莫西庄地区勘探开发进程，提高庄301井钻井效率，通过使用聚硅铝胺防塌钻井液体系，配合相应的钻井液现场维护处理工艺，并辅助必要的工程措施，顺利钻至目的层，全井平均机械钻速11.15m/h，比邻井提高了25%，达到了优快钻井的目的。

1 区块复杂情况及原因分析

1.1 钻头泥包

钻头泥包发生在第三系地层，庄A1井钻至井深1 183.78m发生钻头泥包。庄A2井钻进至井深1 152.00m及1 671.00m出现2次钻头泥包。钻头泥包原因有2点:①第三系地层含有红棕色软泥岩，泥岩吸水后膨胀，粘土膨胀后粘性大，易于粘附于切削齿和钻头本体上造成钻头泥包;②上部地层胶结性差，岩性疏松，机械钻速快，Φ311.2mm大井眼环空返速低，循环时间短，岩屑来不及携带出井眼，钻头重复破碎，导致软泥岩吸水膨胀造成泥包。

1.2 起下钻遇阻

起下钻遇阻主要发生在吐谷鲁群地层。庄C井、庄D井、庄E井及庄F井在此井段起下钻遇阻频繁，被迫反复划眼，损失大量的时间。起下钻遇阻原因有2点:①吐谷鲁群泥岩吸水后膨胀分散严重，在上覆地层的压力下造成缩径，导致起下钻阻卡;②砂岩及粉砂岩渗透性强，岩屑在上返过程中容易粘附在井壁上形成虚厚泥饼，导致起下钻过程中钻头及大尺寸钻具在小井眼处发生阻卡。

1.3 电测遇阻

电测遇阻发生在吐谷鲁群下部至三工河组井段。庄K井电测遇阻，通井后才完成电测作业;庄G井和庄L井电测耗时9天仍未测成功;庄H井电测耗时近半个月，反复通井8次，电测仍未成功。吐谷鲁群下部砂岩和泥岩互层频繁，泥岩中高岭石含量较高，脆性大，易垮塌和水化分散，造成井眼扩大率较大;砂岩易形成虚厚泥饼，在泥岩和砂岩交界处，形成台阶，造成锯齿形井眼。从电测井径图上清晰看出，致使电测仪器尤其是带推靠臂仪器在上行过程中遇卡。西山窑组煤层及碳质泥岩发育，庄103井累计钻遇4m纯煤层;庄102井钻遇5m纯煤层;庄3井累计钻遇13m纯煤层。煤层及碳质泥岩性脆，地层垮塌严重，形成大肚子井眼，导致电测仪器下放遇阻。三工河组地层硬脆，易发生应力性垮塌，掉块沉积，导致电测仪器下不到井底。

1.4 卡钻

卡钻主要发生在三工河组，地层硬而脆，掉块不易破碎，容易造成卡钻。庄M井钻至三工河组接单根时卡钻，浸泡解卡剂后解卡。

2 钻井液体系研究

2.1 钻井液体系配方

通过调研国内深井［1-4］及煤层［5-7］钻井液使用情况，结合邻井钻井液使用经验［8-9］，针对庄301井地层岩性及钻井液技术难点，经过钻井液处理剂优选，对胺基聚醇钻井液进行改性，研发出胺基硅醇防塌钻井液体系。配方如下:(4.0～5.0)%膨润土+(0.4～0.8)%聚丙烯酸钾KPAM+(2.0～3.0)%磺化酚醛树脂SMP-2+(2.0～3.0)%抗温抗盐钙降滤失剂+(0.5～1.5)%铝络合物防塌剂+(0.5～1.5)%胺基硅醇+(0.5～1.5)%双膜承压剂+(2.0～4.0)%低荧光井壁稳定剂+(2.0～3.0)%超细碳酸钙+(2.0～4.0)%全油基润滑剂。

2.2 钻井液作用机理

胺基硅醇为含硅羟基和胺基的有机高分子;分子中的Si-OH键与粘土的Si-OH键缩聚成Si-O-Si键，胺基通过电荷吸附在粘土颗粒表面，同时形成牢固的化学吸附;胺基硅醇在胺基的基础上引入了硅羟基，通过对粘土表面形成疏水层，阻止了胺基对粘土颗粒的影响，因此胺基硅醇的加入对体系的流变性和滤失量影响较小;胺基硅醇在粘土表面形成一层疏水基团朝外具有疏水特性的吸附层，阻止和减缓了粘土表面的水化作用，进一步增强了体系的抑制能力。

铝络合物是一种两性离子。pH值较高时生成水溶性的四羟基铝阴离子，而当pH值在5～6之间时生成氢氧化铝沉淀。在钻井液中铝络合物以溶解的络离子形式存在;当铝离子随钻井液滤液进入地层时，由于地层水pH值在5～6之间，铝络合物与粘土结合形成具有固结作用的硅铝酸盐不渗透层，提高对地层的封堵强度，有效阻止滤液的进一步侵入［10］。

双膜承压剂中含有2种关键的物质:一种是起物理作用的由多种形状组成的惰性材料，主要在地层孔隙中形成具有一定强度的屏蔽膜;另一种是起化学作用的活性矿物材料，能够与地层孔隙中的砂子和粘土胶结，形成骨架结构，产生胶凝，进而在近井壁地带形成胶结，阻止滤液进一步侵入地层，达到持久承压稳定井壁的目的［11-13］。

3 现场钻井液技术

3.1 二开钻井液技术

1)加入足量的聚合物和胺基硅醇，施工中聚合物含量保持在0.4%以上，胺基硅醇加量在1%以上，抑制粘土矿物的水化膨胀，控制地层造浆，防止钻井液流变性恶化，造成黏度和切力增大。

2)钻井液保持低黏度、低密度、低切力和适当的携带能力;保持钻井液紊流流型;中压滤失量控制在8mL左右，释放钻头水力效率，提高机械钻速。

3)充分运转固控设备，除砂器、除泥器和离心机使用率在95%以上，振动筛筛布使用149μm(100目)，最大限度除去钻井液中的劣质固相，及时地清除钻屑，保持钻井液体系较低的固相含量。

4)保证双泵大排量钻进，排量控制在40L/s以上，提高环空岩屑的上返速度，提高井眼的净化效率，适当冲刷井壁，防止岩屑聚集并黏附在井壁形成虚厚泥饼而导致起下钻阻卡。

5)工程上加强短程起下钻，配合长起下钻，刮掉粘附在井壁上的虚厚泥饼，保证起下钻畅通。

6)中完封井，封井浆配方:井浆+1%润滑剂+2%抗温抗盐钙降滤失剂+0.5%磺酸盐共聚物，保证电测及下套管顺利。

3.2 三开钻井液技术

1)开钻前，清淘循环罐，利用固控设备除去钻井液中的劣质固相，膨润土含量控制在4%～5%，控制一定黏度(漏斗黏度40s以内)。按照钻井液体系配方低限加入各种处理剂，充分循环，待性能稳定并达到设计要求后开钻。

2)使用聚合物胶液维护钻井液的流变性。保持聚合物在钻井液体系中的含量在0.3%，胺基硅醇在钻井液体系中的含量保持在0.5%，抑制泥页岩及泥煤互层中泥页岩的水化膨胀，稳定井壁。

3)西山窑组前，动塑比控制在0.3左右，保持紊流流型，适当冲刷井壁，提高机械钻速;进入西山窑组后动塑比控制在0.5，保持钻井液体系的悬浮携带能力，并合理控制环空压耗，防止激动压力过大而导致井壁失稳。

4)西山窑组前中压滤失量控制在5mL左右;进入西山窑组后中压滤失量降低至4mL以内，高温高压滤失量控制在12mL以内，防止泥页岩及泥煤互层中泥页岩的水化膨胀，保持井壁稳定。

5)进入西山窑组，一次性加入2%低荧光井壁稳定剂、2%超细碳酸钙、1%铝络合物防塌剂和1%双膜承压剂，使钻井液体系在井壁上形成薄、韧、致密的泥饼，隔绝钻井液和地层之间的压力传递，防止钻井液滤液侵入井壁，增强钻井液体系的防塌能力。

6)西山窑组前加入1.5%润滑剂，保持钻井液体系的润滑性;进入西山窑组后，润滑剂含量提高至2.5%，增强钻井液体系的润滑性，降低钻井过程中产生的摩阻和扭矩，保持起下钻畅通无阻，防止复杂情况的发生。

7)开钻后，钻井液密度控制在设计下限;进入西山窑组前，钻井液密度提高至设计上限，保证钻井液液柱压力对地层的正压差，保持井壁稳定。

8)合理使用固控设备。振动筛、除砂器和除泥器使用率为100%，振动筛筛布使用125μm(120目)，合理使用离心机，最大限度除去钻井液体系中的劣质固相和低密度固相，净化钻井液。

9)控制起下钻速度，特别在钻进至西山窑组后严格控制起下钻速度，下钻过程中采用分段循环的方式，避免在煤层及破碎地层开泵，防止压力激动过大产生的环空压耗使井壁失稳。

10)完钻后充分循环，进行一次短程起下钻，下钻至井底后循环，待振动筛无返砂后，泵入70m3封井浆。封井浆配方:井浆+0.5%抗温抗盐钙降失水剂+2%塑料小球+2%磺化酚醛树脂SMP-2;电测后通井，起钻前泵入70m3封井浆，封井浆配方:井浆+ 2%低荧光井壁稳定剂HQ-1+0.5%铝络合物防塌剂+1.5%磺化酚醛树脂SMP-2+2%塑料小球+0.5%抗温抗盐钙降失水剂。全井钻井液性能控制情况见表1。

表1 庄301井钻井液性能控制情况

4 结论与认识

1)胺基硅醇防塌钻井液抑制性好，封堵能力强，施工中井壁稳定，解决了上部地层易泥包钻头、起下钻遇阻、西山窑组煤层失稳和八道湾组硬脆性泥岩坍塌的难题。

2)取芯顺利，取芯收获率100%;全井下套管顺利;全井电测顺利，一次成功率100%。

3)井身质量良好。二开平均井径扩大率为10.26%，三开平均井径扩大率为12.74%。

4)提高了施工效率。钻井周期39.79天，较邻井(庄106井)缩短了25%;全井机械钻速为11.15m/h，较邻井(庄106井)提高了近20%，达到了优质高效钻井的目的。莫西庄钻时情况如表2所示。

5)上部地层优快钻井的关键在于钻井液的低黏切、低密度和工程上的高排量和高转速，抢在泥页岩坍塌之前完成施工作业;下部地层优快钻井的关键在于井壁稳定，减少划眼等处理复杂情况的时间。

表2 莫西庄钻时情况

摄影/徐志武

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Zhuang-301 well is located in Moxizhuang area of Junggar Basin.Many complex situations will occur in drilling process of this area because of complicated formation lithology，so the mechanical drilling rate is low and drilling cycle is long.According to the analysis of the reasons leading to the complex situations，a polysilicate aluminum amine anti-sloughing drilling fluid system is used，and some site drilling fluid maintenance and treatment measures are adopted，which ensures successfully to drill to target horizon at high drilling speed.The average mechanical drilling rate in whole drilling process of Zhuang-301 well is 11.15 m/h，and it is 1.25 times as large as that of near wells.

Zhuang-301 well;mechanical drilling rate;drilling fluid;rapid high-quality drilling

尉立岗

2015-02-03

中国石化胜利石油工程技术公司先导试验项目“准噶尔盆地中部井壁稳定钻井液技术的先导试验”(SJX1408)。

邱春阳(1978-)，男，高级工程师，现主要从事钻井液体系和现场施工工艺研究。