防塌钻井液在金龙井区三开的应用

【摘要】井壁垮塌问题是一个长期困扰钻井工程的技术难题，在金龙地区三开井段中，井壁垮塌主要发生在砂泥岩地层，包括脆性泥岩井壁的坍塌剥落，砂岩地层的渗透垮塌，风化砂岩的井壁扩大和砂砾岩井壁失稳。本文从该区地层垮塌的机理分析入手，通过优选处理剂和试验评价，钾钙基聚磺体系防塌性能优化及现场维护进行了介绍，对信件后油田金龙井区三开井眼防塌具有现实指导意义。

【关键词】 金龙 三开 井壁 垮塌

金龙井区位于准格尔盆地西北缘西部隆起中拐凸起，井区内地质条件复杂，地层结构多变，受断裂发育和构造特点的影响，近年来所钻井在下部三开井段频繁出现垮塌掉块、失水难控制以及井径扩大率超标等问题。该井区三开井段上部为硬脆质泥岩，中部为大段砂砾岩；下部为安山岩和凝灰岩。三开施工过程中经常发生起下钻严重挂卡和遇阻，划眼困难，倒划眼的情况非常普遍，事故卡钻率非常高，提高现有钾钙基聚磺体系钻井液的防塌性能显得尤为重要。

1 地层垮塌的机理分析

1.1 硬脆性泥岩垮塌

克上组3400m-3700m为硬脆性泥岩，矿物组成中伊蒙混层多，打开裸眼时渗透水化作用较强。硬脆性泥岩极易吸水，导致岩石经水化膨胀应力的影响而破碎，在泥饼形成之前极易剥落垮塌。此外，形成泥饼之后，也易在钻井液失水的作用下水化破碎，发生二次垮塌。一旦在起下钻过程中泥饼被破坏，破碎岩体失去屏障造成垮塌，这就是该区井经常遇到起下钻严重遇阻、挂卡的主要原因。

1.2 砂砾岩垮塌

百口泉组3900m-4000m为大套的粗砂砾岩。由于砂砾岩骨架结构成熟度低，孔隙度高，胶结疏松的特点，井眼钻开时泥饼尚未形成，在钻井液瞬时滤失的作用下，砂砾岩上快速形成侵入区，易掉块剥落。泥饼形成以后，在动滤失作用下，侵入区继续扩大，井壁会发生周期性垮塌。这就是该区井在钻开地层时间不长时起下钻无挂卡反应，过一段时间后，再提钻就会出现严重挂卡的原因，也是井径扩大率超标的原因。

2 处理剂的确定

综上所述，该地区井底温度较高，佳木河组含有高压低渗盐水层，因此在选择处理剂的时候，既要考虑到防塌的效果，还要求处理剂不增稠、抗高温、抗盐、抗污染、不影响录井。传统的防塌降失水剂都会受到荧光、井温和PH环境等局限性，无法从根本上解决三开存在的问题。经过实验筛选，结合本井区井壁不稳的原因，最终选择白沥青+SMP-1+FMS-1为防塌主处理剂。

白沥青通过水溶化反应，可部分溶于水，部分溶于油，具有一定的乳化性能，无荧光，在高温高压下，能起到封堵防塌降低高温高压滤失量的作用。

磺甲基酚醛树脂SMP-1在深部地层有很好的防塌降滤失效果，能够耐高温，抗钙、抗盐、低荧光，水溶性好，是“三磺”体系中高温高压降滤失最好的材料。

有机硅稳定剂FMS-1稳定性好，抗温可达200℃，可有效防止泥岩膨胀，有很强的护壁防塌功能，具有稀释效应，降低磨阻，可在高温高压状态下调节流变性。

3 处理剂的配伍性试验

3.1 白沥青封堵防塌试验

白沥青是环氧乙烷、环氧丙烷共聚物在碱性条件下与一种天然大分子反应的产物。当井底温度超过“软化点”时，白沥青分子便聚集成塑性胶束粒子，在压差作用下进入井壁的孔隙和层间面，形成封堵膜，使井壁不再受钻井液冲刷，阻止自由水向井壁渗透。相分离作用使胶束分子靠氢键和离子交换形成化学吸附，也可使井壁粘土颗粒表面形成一层保护层，进一步抑制自由水侵入，从而降低钻井液滤失量。醚分子在井壁表面发生强烈吸附，形成憎水性半透膜，降低了井壁的膨胀压，从而可以稳定井壁抑制分散。

从表1中可见，加入白沥青后，与基浆HTHP滤失量之差随时间增长而增大，这说明：钻井液形成滤饼随着时间延长越来越致密，封堵防塌效果越来越好。3.2 SMP-1钻井液抗温性实验

SMP-1的分子以苯环为主，苯环间以碳原子相连。高温下可使黏土表面对处理剂吸附大量负电荷，有较强的水化膜，增加了黏土颗粒的聚集稳定性，从而改善泥饼质量提高防塌能力。分子链上的吸附基磺甲基，能在粘土粒子表面进行O-OH的吸附，原理是水化膜护胶，并在邻对位上引进了磺硫钠基-SO3Na，决定了它抗盐、抗钙、降低高温高压滤失量的作用（表2）。

老化条件：100℃，24h。试验浆为：金209井井浆+3%SMP-1+0.3%NaOH。可见加入SMP-1的钻井液在高温下长时间静止后性能更加稳定。

3.3 有机硅FMS-1性能试验

有机硅FMS-1的分子中Si-OH键易与粘土上的Si-OH键缩聚成Si-O-Si键，在粘土表面上形成一层甲基朝外的CH-Si吸附层，使粘土表面润湿反转，减缓水化作用，降低粘土间的相互作用力，削弱了网架结构，因此FMS-1具有良好的抑制性及化学防塌能力，也具有较好的稀释能力和性。

表3数据表明，浓度1%的FMS-1溶液相对降粘效果差，浓度为1%时，具有降粘效果和降滤失效果。

4 现场应用

4.1 转化和配制防塌型钻井液

金龙地区三开设计钻井液体系为钾钙基聚磺体系，转化时一次性加入2%白沥青、2%SMP-1和1%FMS-1，现场钻井液配方为：4%坂土+3%阳离子乳化沥青+0.5%CaO+2%白沥青+5%KCl+0.3%NaOH+1%F M S-1+0.2%N a2C O3 +0.8%S P-8+0.6%MAN104+0.6%NPAN+2%SMP-1+1%低荧光剂+重晶石。

现场按照实际钻井液量和配方比例将各种材料依次加入，循环2周后测其性能（表4）：