2. 中石化华北石油工程有限公司, 河南 郑州 450006
2. Sinopec Huabei Oilfield Service Corporation, Zhengzhou, Henan, 450006, China
鄂尔多斯大牛地气田开发井以水平井为主[1-2]，其目的层石千峰组和石盒子组地层黏土矿物含量为22.7%～40.2%，地层微裂缝发育，其中包括切穿石英砂岩的微裂缝和粒缘微裂缝[3-4]。在增斜段钻井过程中，石千峰组棕褐、灰绿色泥岩和石盒子组棕褐、灰绿色泥岩段水敏分散严重，频繁掉块垮塌引起井下复杂情况[5-7]。处理井下复杂情况不仅占用了大量的钻井时间，增加了钻井成本,而且有时会因井下复杂情况的恶化而出现更严重的井下故障[8-9]，导致井下复杂情况处理时间进一步延长，如大牛地气田DPH-25井井壁失稳处理时间长达1 592.5 h。室内性能评价发现，该气田所应用的钻井液动切力太低，不利于携岩，沥青类封堵剂不能完全满足井壁稳定的要求。为此，笔者研制了新型防塌封堵剂PAS-5，并与阳离子沥青粉YK-H复配作为封堵剂，在原来钻井液配方的基础上构建了新型防塌钻井液,并进行了室内试验和现场应用。
1 防塌封堵剂PAS-5的合成及性能评价 1.1 防塌封堵剂PAS-5的合成针对大牛地气田石千峰组和石盒子组地层岩石节理、微裂缝发育，钻井过程中井壁易垮塌掉块等问题，研制了新型防塌封堵剂PAS-5，防塌封堵剂中的不同成分可以发挥各自的抑制防塌、封堵微裂缝等稳定井壁的作用[10-12]。
合成步骤为：1)在三口烧瓶中加入100 mL蒸馏水，放入水浴锅中；2)按合适比例称取聚合醇、阳离子抑制剂和有机硅，按一定顺序边搅拌边加入到三口烧瓶中，搅拌至充分溶解；3)加入合适比例的还原型引发剂和氧化型引发剂，并将水浴温度升至70 ℃；4)持续搅拌30 min，待三口烧瓶内液体缩合反应完毕；5)干燥、粉碎，即得防塌封堵剂PAS-5。
防塌封堵剂PAS-5的作用机理为：1)防塌封堵剂与地层岩石中的黏土矿物紧密结合，改变地层岩石的表面性质，促使防塌封堵剂中的聚合醇和阳离子抑制剂更好地与地层岩石表面接触并发挥作用；2)防塌封堵剂可在井壁岩石表面形成一层隔离膜，阻止和降低钻井液滤液进入地层，从而抑制地层岩石的水化膨胀，防止井壁掉块和坍塌；3)防塌封堵剂具有抑制地层岩石水化膨胀和分散的作用，并与聚合醇协同增效，维持井壁稳定。防塌封堵剂PAS-5通过抑制防塌和封堵作用，可以在地层岩石表面形成一层隔离膜和封堵带，从而防止黏土含量高、微裂缝发育地层出现井壁失稳问题。
1.2 防塌封堵剂PAS-5的性能评价大牛地气田石千峰组和石盒子组地层岩石致密并存在微裂缝，室内选用大孔隙、高渗透率的人造岩心模拟地层微裂缝发育情况。人造岩心渗透率约为500 mD，在5%膨润土中分别加入3%不同类型的具有封堵作用的处理剂配成封堵液，利用JHMD-II岩心动态损害评价系统评价不同封堵液对高渗透率岩心的封堵效果，结果见表 1。
| 序号 | 封堵液配方 | 原始渗透率/mD | 封堵后渗透率/mD | 封堵率，% | 动滤失量/mL |
| 1 | 5%膨润土+2%超细碳酸钙 | 512.5 | 313.7 | 38.8 | 6.5 |
| 2 | 5%膨润土+2%超细碳酸钙+3%磺化沥青FT-1 | 453.8 | 209.7 | 53.7 | 5.8 |
| 3 | 5%膨润土+2%超细碳酸钙+3%阳离子沥青粉YK-H | 530.3 | 126.2 | 76.2 | 3.6 |
| 4 | 5%膨润土+2%超细碳酸钙+3%乳化沥青RHJ-3 | 503.0 | 229.9 | 54.3 | 5.4 |
| 5 | 5%膨润土+3%防塌封堵剂PAS-5 | 478.5 | 45.5 | 90.5 | 2.5 |
| 6 | 5%膨润土+3%防塌封堵剂PAS-5+3%阳离子沥青粉YK-H+2%超细碳酸钙 | 488.6 | 30.8 | 93.7 | 1.8 |
由表 1可知，上述处理剂的封堵能力从强到弱依次为：防塌封堵剂PAS-5、阳离子沥青粉YK-H、乳化沥青RHJ-3和磺化沥青FT-1；防塌封堵剂PAS-5和阳离子沥青粉YK-H复配作为封堵剂，其封堵率可高达93.7%。因此，在构建新型防塌钻井液时，可将防塌封堵剂PAS-5与阳离子沥青粉YK-H复配作为封堵剂，以进一步提高钻井液的封堵性及抑制性。
2 新型防塌钻井液构建及室内评价 2.1 配方的确定大牛地气田在钻进石千峰组和石盒子组地层时，原来的钻井液配方为3.0%膨润土+0.2%~0.3%阳离子乳液聚合物DS-301+0.2%~0.4%包被剂BLZ-1+0.3%~0.5% KHPAN+0.3%~0.5%NH4-HPAN+1.0%抗高温降滤失剂KJ-1+3.0%磺化沥青FT-1+2.0%超细碳酸钙+3.0%阳离子沥青粉YK-H。该钻井液在82 ℃时老化16 h后的常规性能测试结果见表 2。由表 2可知，其动切力仅为1.25 Pa，动塑比为0.13，钻井作业过程中形成的岩屑不能及时携带至地面，易在斜井段形成岩屑床，进而影响钻井效率；而且原钻井液配方的API滤失量和高温高压滤失量均较高，容易造成井壁失稳。
| 试验温度/℃ | 表观黏度/(mPa·s) | 塑性黏度/(mPa·s) | 动切力/Pa | 动塑比 | API滤失量/mL | 高温高压滤失量/mL | 摩阻系数 | 滤饼黏附系数 | pH值 |
| 24 | 14.50 | 10.5 | 4.00 | 0.38 | 9.0 | 0.126 | 0.06 | 9 | |
| 82 | 10.75 | 9.5 | 1.25 | 0.13 | 10.2 | 20 | 0.115 | 0.06 | 9 |
为避免钻井过程中形成岩屑床，在原钻井液配方的基础上引入凝胶型携岩剂，以提高钻井液携带岩屑的能力；原钻井液配方的高温高压滤失量较高，在新配方中增大了抗高温滤失剂的加量；针对原钻井液配方中的沥青类处理剂不能满足现场钻井作业需求的问题，利用防塌封堵剂PAS-5替代原钻井液配方中的磺化沥青。最终确定适用于二开斜井段石千峰组和石盒子组的新型防塌钻井液配方为：3.0%膨润土+0.3% KHPAN+0.4%阳离子乳液聚合物DS-301+0.2%包被剂BLZ-1+1.5%抗高温降滤失剂KJ-1+3.0%阳离子沥青粉YK-H+2.0%超细碳酸钙+ 0.4%凝胶型携岩剂PAS-6+2.0%防塌封堵剂PAS-5。
分别在24 ℃和82 ℃条件下对新型防塌钻井液的常规性能进行了测试，结果见表 3。由表 3可知，该钻井液整体流变性好，摩阻系数低，润滑性良好，API滤失量小于5.0 mL，高温高压(82 ℃，3.5 MPa)滤失量小于15.0 mL。
| 试验温度/℃ | 表观黏度/(mPa·s) | 塑性黏度/(mPa·s) | 动切力/Pa | 动塑比 | API滤失 量/mL | 高温高压滤失量/mL | 摩阻系数 | 滤饼黏附系数 | pH值 |
| 24 | 28.5 | 21.5 | 7.0 | 0.33 | 4.6 | 0.108 | 0.06 | 9 | |
| 82 | 23.0 | 16.5 | 6.5 | 0.40 | 4.2 | 14.0 | 0.100 | 0.06 | 9 |
称取8 g过100目筛石千峰组和石盒子组岩屑，分别装入直径25.4 mm的膨胀仪测筒内，在10 MPa压力条件下稳压5 min，测量饼状岩样的厚度为0.68 cm，将压好岩心的测筒安装到膨胀仪上，用清水和新型防塌钻井液的滤液对石千峰组和石盒子组岩屑进行岩样膨胀试验，膨胀仪可记录不同时间段岩样的线膨胀量，将不同时间段岩样的线膨胀量与原始厚度相比，可得出岩样的线膨胀率(见表 4)。由表 4可知，石千峰组和石盒子组岩样在钻井液滤液中的膨胀率较低，表明该钻井液可有效抑制石千峰组和石盒子组地层的水化膨胀，满足该地层钻井安全需要。
| 试验液 | 岩样层位 | 不同时间下的膨胀率，% | ||||||
| 0.5 h | 1.0 h | 3.0 h | 5.0 h | 7.0 h | 12.0 h | 16.0 h | ||
| 新型防塌钻井液滤液 | 石千峰组 | 10.3 | 10.3 | 13.2 | 14.7 | 16.2 | 17.6 | 17.6 |
| 清水 | 石千峰组 | 55.9 | 60.3 | 66.2 | 67.6 | 69.1 | 69.1 | 69.1 |
| 新型防塌钻井液滤液 | 石盒子组 | 27.9 | 29.4 | 32.4 | 33.8 | 35.3 | 35.3 | 35.3 |
| 清水 | 石盒子组 | 76.5 | 85.3 | 95.6 | 100.0 | 102.9 | 104.4 | 104.4 |
分别在清水和新型防塌钻井液中加入6/10目石千峰组和石盒子组岩样50 g，在82 ℃条件下热滚16 h后测试其滚动回收率，结果见表 5。
| 试验液 | 岩样层位 | 回收质量/g | 岩样回收率，% |
| 清水 | 石千峰组 | 38.25 | 76.5 |
| 新型防塌钻井液 | 石千峰组 | 48.70 | 97.4 |
| 清水 | 石盒子组 | 31.20 | 62.4 |
| 新型防塌钻井液 | 石盒子组 | 48.17 | 96.3 |
由表 5可知，石千峰组和石盒子组岩屑在新型防塌钻井液中的滚动回收率可达97.4%和96.3%，表明该钻井液的抑制能力较强，能够有效抑制石千峰组和石盒子组地层黏土矿物水化分散，有助于维持井壁稳定。
2.3 抗固相污染性能将过100目筛的石千峰组和石盒子组岩屑按不同比例加入新型防塌钻井液中，在82 ℃条件下滚动16 h后进行钻井液抗固相污染性能评价，结果见表 6。由表 6可知，新型防塌钻井液在加入岩屑后，密度及黏度略有增加，但是整体流变性变化不大，滤失量降低，表明其抗固相污染能力较好。
| 岩屑层位 | 岩屑加量，% | 钻井液密度/ (kg·L-1) | 表观黏度/ (mPa·s) | 塑性黏度/(mPa·s) | 动切力/Pa | 动塑比 | 初切力/Pa | 终切力/Pa | API滤失量/mL |
| 石千峰组 | 4 | 1.15 | 23 | 16.5 | 6.5 | 0.40 | 1.0 | 3.0 | 4.2 |
| 6 | 1.16 | 25 | 18.0 | 7.0 | 0.39 | 1.0 | 3.0 | 4.0 | |
| 8 | 1.17 | 27 | 19.0 | 8.0 | 0.42 | 1.0 | 3.0 | 4.0 | |
| 10 | 1.18 | 30 | 20.5 | 9.5 | 0.46 | 1.0 | 3.0 | 3.6 | |
| 石盒子组 | 4 | 1.24 | 26 | 18.0 | 8.0 | 0.44 | 1.0 | 2.5 | 4.0 |
| 6 | 1.24 | 27 | 18.5 | 8.5 | 0.46 | 1.0 | 2.5 | 4.0 | |
| 8 | 1.25 | 28 | 19.0 | 9.0 | 0.47 | 1.0 | 2.5 | 3.8 | |
| 10 | 1.26 | 29 | 19.5 | 9.5 | 0.48 | 1.0 | 2.5 | 3.6 |
利用大孔隙、高渗透率的人造岩心(渗透率约500 mD)模拟石盒子组地层岩心，对PG16井和PG17井所用钻井液及新型防塌钻井液的封堵性能进行测试，结果见表 7。由表 7可知，新型防塌钻井液的封堵率高达91.3%，动滤失量仅为2.6 mL，表明该防塌钻井液的封堵效果较好，要优于PG16井和PG17井所用钻井液。
| 钻井液 | 岩心原始渗透率/mD | 岩心封堵后渗透率/mD | 封堵率，% | 动滤失量/mL |
| PG16井钻井液 | 523.5 | 113.6 | 78.3 | 3.8 |
| PG17井钻井液 | 518.0 | 124.8 | 75.9 | 4.0 |
| 新型防塌钻井液 | 513.7 | 44.6 | 91.3 | 2.6 |
另外，利用人工造缝致密岩心分别对PG17井所用钻井液及新型防塌钻井液的封堵性能进行了测试，其动滤失量分别为5.5和3.4 mL，可见，新型防塌钻井液在人工裂缝内的渗入量较少，表明其封堵性能优于PG17井所用钻井液，可有效降低井壁失稳概率。
3 现场应用新型防塌钻井液在大牛地气田DPS-52井、DPS-55井、DPH-99井和DPS-76井等4口井的石千峰组和石盒子组地层中进行了应用，钻进过程中无井下复杂情况发生，现场作业顺利。而该区块DPH-74井应用原钻井液钻进石千峰组和石盒子组地层时，处理井下复杂情况耗时296 h。
3.1 常规性能评价DPH-99井石千峰组和石盒子组地层钻进中应用了新型防塌钻井液，其常规性能见表 8。由表 8可知，新型防塌钻井液流变性较好、API滤失量小于5 mL，有利于维持井壁稳定。
| 层位 | 井深/m | 密度/(kg·L-1) | 漏斗黏度/s | 塑性黏度/(mPa·s) | 动切力/Pa | 动塑比 | 初切力/Pa | 终切力/Pa | API滤失量/mL | 滤饼黏附系数 | pH值 |
| 石千峰组 | 2 440.00 | 1.16 | 40 | 16 | 6 | 0.38 | 4 | 9 | 5.0 | 0.06 | 9 |
| 2 585.00 | 1.22 | 40 | 14 | 5 | 0.36 | 3 | 7 | 5.0 | 0.06 | 9 | |
| 石盒子组 | 2 700.00 | 1.23 | 50 | 17 | 7 | 0.41 | 4 | 8 | 5.0 | 0.06 | 9 |
| 2 840.00 | 1.25 | 48 | 17 | 7 | 0.41 | 4 | 8 | 4.6 | 0.06 | 9 | |
| 2 920.00 | 1.25 | 48 | 15 | 7 | 0.47 | 4 | 8 | 4.6 | 0.06 | 9 |
分别统计大牛地气田应用新型防塌钻井液钻进石千峰组和石盒子组地层的4口井和应用原钻井液钻进相同地层的DPS-28井的起下钻划眼时间及平均机械钻速，结果见表 9。
| 钻井液 | 井号 | 起下钻划眼时间/h | 机械钻速/(m·h-1) |
| 新型防塌钻井液 | DPS-52 | 14.5 | 5.77 |
| DPS-55 | 11.0 | 7.32 | |
| DPH-99 | 2.5 | 8.57 | |
| DPS-76 | 17.0 | 5.13 | |
| 原钻井液 | DPS-28 | 50.3 | 4.17 |
由表 9可知，与DPS-28井相比，4口井的起下钻划眼时间明显缩短，机械钻速明显提高，其中DPS-55井与DPS-28井的钻井工程条件基本相同，与DPS-28井相比，DPS-55井的机械钻速提高了75.5%。这说明新型防塌钻井液能够维持石千峰组和石盒子组地层的井壁稳定，且起下钻遇阻等井下复杂情况较少，可以满足现场作业要求。
应用原钻井液的DPH-74井和DPS-28井，石千峰组和石盒子组地层井段平均井径扩大率分别为9.03%和8.82%；大牛地气田4口试验井在石千峰组和石盒子组的平均井径扩大率分别为5.08%，1.60%，4.30%和5.98%，井径扩大率均小于6.00%，说明利用新型防塌钻井液钻井能够明显降低石千峰组和石盒子组地层的平均井径扩大率，能有效维持井壁稳定。
4 结 论1) 根据大牛地气田地层特征研制的新型防塌封堵剂PAS-5，可以在地层岩石表面形成有效封堵带，从而防止含黏土矿物地层和微裂缝发育地层发生井壁失稳。
2) 构建的新型防塌钻井液流变性好，抑制性强，封堵率高达91.3%，整体性能优良。
3) 新型防塌钻井液在大牛地气田4口井应用过程中无复杂情况发生，井径扩大率低，并提高了机械钻速。
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