High Performance Anti-Sloughing Water Based Drilling Fluid Technology for Well Manshen 1 in the Ordovician Sangtamu Formation
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摘要: 满深1断裂带奥陶系桑塔木组为泥岩、泥灰岩地层，裂缝发育，井壁坍塌风险极高，给安全钻井带来了极大挑战。满深1井钻进至井深7 392.54 m（桑塔木组）时钻遇走滑断裂带，发生坍塌卡钻，处理难度大，最终选择回填侧钻。为此，分析了桑塔木组地层特点，研究应用了高性能防塌水基钻井液技术：选择合理的钻井液密度，强化对井壁的力学支撑，并采用复合降滤失措施降低水敏性泥岩地层的水化；在引入多氨基井壁抑制剂的同时，提高K+质量浓度，实现多元抑制防塌；提高钻井液的抗温能力、润滑性能及封堵性能，以满足桑塔木组对抑制、封堵防塌及抗高温稳定性的要求。现场应用表明，该井侧钻过程中钻井液性能稳定，K+质量浓度保持在35 000 mg/L左右，150 ℃温度下的高压滤失量由11.3 mL降至8.0 mL，桑塔木组钻进过程中未发生井眼失稳情况，顺利钻至三开中完井深，套管一次下到设计位置。这表明，高性能防塌水基钻井液防塌效果显著，达到了预期目标。Abstract: The lithology of Ordovician Sangtamu Formation in Manshen 1 fault zone is composed of mudstone and marl with well developed fractures and high risk of wellbore collapse, which brings great challenges to safe drilling. When Well Manshen 1 was drilled to the depth of 7 392.54 m (Sangtamu Formation), a strike slip fault zone was encountered, resulting in well collapse and sticking of drill tools, which was difficult to deal with. Backfill sidetracking was thus implemented. To solve this, the formation characteristics of Sangtamu Formation were analyzed, and the high-performance anti-sloughing water based drilling fluid technology was developed. Reasonable drilling fluid density was selected to mechanically support the borehole wall, compound fluid loss control measures were adopted to reduce the damage caused by filtrate on the water sensitive mudstone formation, and multi-amino borehole wall inhibitors was introduced while increasing K+ content to achieve a multiple anti-sloughing effect. At the same time, the temperature resistance, lubrication property and plugging performance of drilling fluid were improved to meet the requirements of inhibition, plugging, anti-sloughing and high temperature stability of the Sangtamu Formation. The application in the sidetracked borehole of the Well Manshen 1 showed that the drilling fluid performance was stable during sidetracking, the K+ content was maintained to be at around 35 000 mg/L, and the high temperature and high pressure filtration rate was reduced from 11.3 mL to 8.0 mL at 150℃. During the whole construction, no borehole instability occurred in the Sangtamu Formation. The well was successfully drilled to the total depth of the third spud, and the casing was set in place in one run. This showed that the anti-sloughing effect of high performance water based drilling fluid was remarkable, and it achieved the expected goal.
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致密砂岩气藏具有孔渗特性差、水润湿性强、微裂缝发育和毛细管效应显著等特征，在钻井完井及储层改造过程中易遭受水锁损害，大幅度降低油气井产能[1–2]。针对水锁损害，众多学者开展了一系列实验与理论研究，建立了水锁预测模型[3–5]，探讨了水锁损害机理及防治措施[6–10]。赖南君等人[11]利用可对岩心加温加压的水锁损害评价仪研究了毛细管力与正压差对水锁损害的影响；刘建坤等人[12]将低磁场核磁共振T2谱技术与常规流动实验相结合，提出了水锁伤害核磁共振试验评价方法；唐洪明等人[13]利用核磁共振和T2谱技术开展了毛细管自吸与水相返排可视化实验；丁绍卿等人[14]将核磁共振技术应用于压裂液伤害机理研究，分析了黏土吸水效应及水锁效应对岩心渗透率的伤害程度。
以上方法多采用岩心驱替实验进行宏观规律研究，基于微观可视化的研究较少。为此，笔者建立了致密砂岩气藏孔隙网络模型，以期通过室内微观可视化实验分析液相侵入过程中孔隙网络内水相前缘的动态分布，揭示液相侵入过程中的微观流动机理；并在此基础上，建立了基于等效毛细管的低渗透气藏液相侵入微观流动模型，结合实验验证了模型的可行性，以期为低渗透气藏储层保护提供理论支撑。
1. 孔隙网络微观可视化实验
1.1 微观流动实验装置
该实验中，将HC区块须家河组致密砂岩制成铸体薄片，利用图形扫描软件刻画孔隙网格，然后采用激光刻蚀致密砂岩孔隙网格。微观流动实验装置主要由计量管、微观流动实验装置、体视显微镜和量筒组成（见图1）。所选岩心孔隙度为9.23%，渗透率为0.27 mD。刻蚀材料为光学石英玻璃，尺寸30 mm×30 mm，刻蚀模型尺寸11 mm×8 mm。石英玻璃无涂层，孔隙流道亲水，且石英玻璃透光性好，便于采用光学显微镜观察水相的侵入与返排。实验流体为蒸馏水，由于孔隙网络微观模型尺寸小，实验开始时在刻蚀模型注入端预先注入10 cm高的水柱，由于水相侵入开始后不再补充水，随着实验的进行水柱高度下降。
1.2 微观流动实验结果
不同侵入时间下孔隙水相分布实验结果如图2所示。
从图2可以看出，侵入初期（<8 s），在毛细管力和水柱压力作用下，水相侵入速度较快，迅速占据孔隙空间及其喉道；侵入中期，水相侵入速度减小，侵入深度缓慢增加，直至水侵前缘抵达模型右端出口；侵入后期，由于水柱压力降低且黏滞阻力增加，孔隙内水相流动能力下降，直至水侵呈稳定状态，水相侵入基本停止，侵入水相大多以残余水状态分布于孔隙网络模型中。由30 s时的水相分布可知，水相大部分位于孔喉处。根据实验结果，孔隙内水相侵入主要发生在流道中，孔道连接处的影响几乎可以忽略；同时，水相前缘推进与毛细管流动规律类似，可以为建立水相侵入模型提供实验依据。
水侵实验结束后，采用注射器返排侵入水相，当返排压力大于水相黏性阻力时，水相开始返排。返排后孔隙中的水相分布如图3所示。从图3可以看出，大部分孔隙中的水相得以返排，但仍有部分较小喉道中的水相未能返排。未能返排的水相以残余水状态存在，集中于孔喉处，阻碍气相流动。对于致密砂岩气藏，工作液与储层接触后，在井筒压差和毛细管力作用下沿孔隙侵入基质，由于致密砂岩通常具有亚束缚水饱和度特征，侵入水相可能在部分孔道壁面形成滞留水，即使后期采取负压差返排，孔喉处的滞留水仍不容易排出。
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图 3 水相返排后孔隙空间水相分布Figure 3. Aqueous phase distribution in pore space after the flow back of aqueous phase2. 不同阶段水相侵入评价模型
由于水相侵入主要发生在孔隙流道中，孔喉处可以忽略，因此将致密砂岩孔隙网络简化为等效毛细管，忽略孔道壁面的摩擦系数。水相受到毛细管力、孔道壁面黏滞阻力、重力及惯性力作用[15]，根据主要作用力将水相侵入划分为初始阶段和平稳阶段，其中初始阶段包括惯性力侵入阶段、惯性力–黏滞阻力作用阶段及黏滞阻力作用阶段[16]。
2.1 惯性力侵入阶段
水相在惯性力侵入阶段开始进入毛细管，侵入量和侵入距离极小，主要作用力为毛细管力和惯性力，该阶段的瞬时侵入深度为[17]：
l1=t√2σcosθρr+Fpρπr2 (1) 式中：l1为惯性力作用阶段水相侵入深度，m；t为时间，s；σ为表面张力，N/m；θ为接触角，（°）；ρ为流体密度，kg/m3；r为孔隙喉道半径，m；Fp为压差作用力，N。
等效毛细管半径采用Kozeny-Carman公式计算：
r=√8Kϕ (2) 式中：K为渗透率，mD；ϕ为孔隙度。
惯性力作用阶段持续的时间为[17]：
t1=0.0232ρr2μ (3) 式中：t1为惯性力作用阶段持续时间，s。
2.2 惯性力–黏滞阻力作用阶段
惯性力–黏滞阻力作用阶段的黏滞阻力不能忽略，此时水相侵入深度为[18]：
l2=√2ba[t−1a(1−e−at)] (4) 其中a=8μρr2 (5) b=2σcosθρr (6) 式中：l2为惯性力–黏滞阻力作用阶段的水相侵入深度，m。
该阶段的作用时间为[17]：
t2=2.1151ρr2μ (7) 式中：t2为惯性力–黏滞阻力作用持续时间，s。
2.3 黏滞阻力作用阶段
水相侵入进入黏滞阻力作用阶段时，惯性效应可以忽略，动力平衡条件为[15]：
(2σcosθr−Fpπr2)πr2=8π μl3v3+ρgl3πr2sinα (8) 式中：α为自吸方向与水平方向的夹角，（°）；l3为平稳阶段水相侵入深度，m；
v3 为平稳阶段水相侵入速度，m/s；g为重力加速度，m/s2。由式（8）可得水相侵入速度的计算公式：
v3=rσcosθ4μl3−Fp8πμl3−ρgr2sinα8μ (9) 一维线性流动时，水相侵入过程中的压力分布为：
p=pin−(pin−pou)l3L (10) 式中：L为水侵压力波及长度，m；pin为入口处的流体压力，Pa；pou为出口处的流体压力，Pa。
则压差作用力为：
Fp=(pou−pin)l3πr2L (11) 将式（10）和式（11）代入式（9）求解。由于通常无法用解析方法求解，于是采用数值求解方法来求取近似解，笔者采用四阶Runge-Kutta差分格式求解：
{v3=cl3−dc=rσcosθ4μd=ρgr2sinα8μ+(pou−pin)r28μL (12) 式（12）即为建立的平稳阶段侵入模型，l3的初始值取t2时刻的l2。负压差条件下，水相侵入达到动力学平衡时的侵入深度可以认为是最大侵入深度：
l3max (13) 式中：l3max为负压差下水相最大侵入深度，m。
3. 模型验证
通过微观流动实验装置测量刻蚀模型毛细管束平均半径约为149.6 μm，表面张力取0.072 N/m，接触角取30°，黏度为1.0 mPa∙s，计算毛细管束不同水相侵入阶段水相自吸侵入深度，结果如图4所示。由式（2）和式（4）可知：惯性力和惯性力–黏滞阻力作用阶段持续时间均与毛细管半径成正比。由图4可知，惯性力作用阶段持续时间t1为0.52 ms时，水相自吸侵入深度为0.43 mm；惯性力–黏滞阻力作用阶段持续时间t2为47.0 ms时，水相自吸侵入深度为14.41 mm。之后水相侵入进入黏滞阻力作用阶段，水平方向自吸侵入不受重力的影响，侵入深度随时间增长不断增大；对于垂向自吸侵入，在重力作用下存在最大水相自吸侵入高度。算例条件下垂向水相最大自吸侵入高度为84.96 mm。致密砂岩孔喉半径通常介于0.03～2.00 μm[18]，可知惯性力和惯性力–黏滞阻力作用阶段持续时间短，水相自吸侵入深度主要取决于黏滞阻力作用阶段。
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图 4 不同阶段毛细管水相自吸侵入深度Figure 4. Self-absorption invasion depth of capillary aqueous phase at different stages为了验证侵入模型（式（12））的可行性，采用西南石油大学研制的岩心自吸水测量仪，测试了致密砂岩垂向自吸侵入高度，实验装置及测试流程见文献[19]。岩心取自HC地区须家河组致密砂岩，渗透率0.24 mD，孔隙度9.3%，长度50.0 mm。实验结果表明，初始阶段水相侵入速度较快，之后侵入高度趋于平缓，实验数据与模型计算结果吻合度较高（见图5）。
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图 5 模型预测结果与实验数据对比Figure 5. Comparison of model prediction results with experimental data通过式（13）可以计算负压差条件下最大水相侵入深度，此处采用负压差水相自吸实验数据进行验证。实验岩样取自川西蓬莱镇组和川中须家河组，岩样L54渗透率为0.17 mD，孔隙度为6.2%；岩样HE6渗透率为1.88 mD，孔隙度为11.8%[19]，实验欠压值1 MPa，实验结果与计算结果如图6所示。
从图6可以看出，负压差条件下，实验初期仍有水相侵入岩心，随着实验时间增长，水相侵入深度未明显增加。岩样L54和HE6的最大侵入深度的实验测试结果分别为3.1 和1.8 mm，计算结果分别为2.9和2.3 mm。可见，在相同实验条件下，岩石越致密，渗透率越低，水相最大侵入深度越大。
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图 6 负压差条件下水相最大侵入深度Figure 6. The maximum invasion depth of aqueous phase under negative pressure difference4. 结 论
1）采用激光刻蚀技术雕刻了致密砂岩孔隙网络，开展了液相侵入微观可视化实验，分析了液相侵入过程中及返排后孔隙网络内的水相分布。实验结果表明，孔隙介质内的水相侵入主要发生在流道中，水相推进与毛细管流动规律类似，部分较小喉道中的水相不能返排。
2）孔隙网络内水相侵入过程包括惯性力作用、惯性力–黏滞阻力作用和黏滞阻力作用3个阶段。致密砂岩水相侵入的惯性力和惯性力–黏滞阻力作用阶段持续时间短，黏滞阻力对水相自吸侵入起主导作用。
3）将孔隙网络视为等效毛细管束，建立了致密砂岩液相侵入微观动力学模型，通过致密砂岩垂向自吸和负压差条件水平向侵入实验验证了模型的可行性。分析表明，负压差条件下水相仍能侵入岩心，且岩石越致密最大侵入深度越大。
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表 1 磺化树脂材料对钻井液滤失性能的影响试验结果
Table 1 The influence of sulfonated resin on the filtration property of drilling fluid
配方 塑性黏度/
（mPa∙s）动切力/
Pa静切力/Pa API滤失
量/mL高温高压滤
失量1）/mL初切 终切 1# 22 5.0 1.5 7.0 3.2 9.7 2# 23 5.5 1.5 7.5 2.0 8.2 注：1）在温度150 ℃条件下测得。 
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表 2 KCl对钻井液流性的影响试验结果
Table 2 The influence of KCl on rheology of drilling fluid
试验条件 配方 塑性黏度/
（mPa∙s）动切力/Pa 静切力/Pa API滤失量/
mL高温高压滤失量1）/
mLK+质量浓度/
（mg·L–1）初切 终切 常温 2# 29 7.5 2.0 10.0 1.4 7.6 24 000 3# 27 6.0 2.0 8.0 1.6 8.0 35 000 150 ℃下老化24 h 2# 28 7.0 2.0 8.0 1.2 7.2 24 000 3# 24 6.0 1.5 7.0 1.5 7.8 35 000 150 ℃下老化48 h 2# 32 8.5 2.0 11.0 1.6 7.8 24 000 3# 28 5.0 2.0 8.5 1.6 8.0 35 000 150 ℃下老化72 h 2# 40 11.0 3.0 12.0 2.2 9.2 24 000 3# 30 5.5 2.0 7.5 1.8 9.6 35 000 注：1）在温度150 ℃条件下测得。
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表 3 多氨基井壁稳定剂对钻井液稳定性的影响试验结果
Table 3 The influence of multi-amino borehole wall stabilizer on drilling fluid stability
配方 塑性黏度/（mPa∙s） 动切力/Pa 静切力/Pa API滤失量/mL 高温高压滤失量1）/mL 开罐情况 初切 终切 3# 28 6 2.0 9.0 1.6 8.2 上部有少许清液 4# 27 6 2.0 8.0 1.6 8.2 上下均匀 5# 25 5 1.5 8.0 1.7 8.0 上下均匀 注：1）在温度150 ℃条件下测得。
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表 4 沥青防塌剂对钻井液防塌性能的影响试验结果
Table 4 The influence of asphalt anti-sloughing agent on anti-sloughing performance of drilling fluid
配方 塑性黏度/（mPa∙s） 动切力/Pa 静切力/Pa API滤失量/mL 高温高压滤失量1）/mL 初切 终切 4# 28 6.5 2.0 8.0 1.6 8.2 6# 35 7.5 2.5 10.0 1.4 7.6 7# 43 9.0 3.0 12.0 1.2 7.2 注：1）在温度150 ℃条件下测得。
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表 5 满深1井桑塔木组灰色泥岩岩屑回收率试验结果
Table 5 The recovery ratio of grey mudstone of the Well Manshen 1 in the Sangtamu Formation
试验编号 试验介质 岩屑回收率，% 1 清水 5.7 2 钾基聚磺防塌钻井液 56.8 3 高性能防塌水基钻井液 83.6
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表 6 满深1井三开原井眼与侧钻井眼钻井情况对比
Table 6 Comparison on drilling conditions between the original third spud borehole and the sidetracked borehole in the Well Manshen 1
井眼 钻进井段/m 井段长度/m 钻进时间/d 井下情况 原井眼 7 175.00～7 392.54 217.54 7.42 正常 7 392.54～7 480.57 88.03 13.50 反复划眼、倒划眼，掉块严重，扭矩异常，断钻具 侧钻井眼 7 166.00～7 480.57 314.57 10.21 正常，井眼通畅
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[1] 金军斌. 塔里木盆地顺北区块超深井火成岩钻井液技术[J]. 石油钻探技术, 2016, 44(6): 17–23. JIN Junbin. Drilling fluid technology for igneous rocks in ultra-deep wells in the Shunbei Area, Tarim Basin[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(6): 17–23.
[2] 林永学,王伟吉,金军斌. 顺北油气田鹰1井超深井段钻井液关键技术[J]. 石油钻探技术, 2019, 47(3): 113–120. LIN Yongxue, WANG Weiji, JIN Junbin. Key drilling fluid technology in the ultra deep section of Well Ying-1 in the Shunbei Oil and Gas Field[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2019, 47(3): 113–120.
[3] 黄维安,牛晓,沈青云,等. 塔河油田深侧钻井防塌钻井液技术[J]. 石油钻探技术, 2016, 44(2): 51–57. HUANG Weian, NIU Xiao, SHEN Qingyun, et al. Anti-sloughing drilling fluid technology for deep sidetracking wells in the Tahe Oilfield[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(2): 51–57.
[4] 徐兴华,李前贵. 川西裂缝气藏储层保护研究新进展[J]. 天然气工业, 2008, 28(9): 77–79, 85. doi: 10.3787/j.issn.1000-0976.2008.09.024 XU Xinghua, LI Qiangui. New progress in reservoir protection of fracture gas reservoir in West Sichuan[J]. Natural Gas Industry, 2008, 28(9): 77–79, 85. doi: 10.3787/j.issn.1000-0976.2008.09.024
[5] 赵志国, 白彬珍,何世明,等. 顺北油田超深井优快钻井技术[J]. 石油钻探技术, 2017, 45(6): 8–13. ZHAO Zhiguo, BAI Binzhen, HE Shiming, et al. Optimaization of fast drilling technology for ultra-deep welsl in the Shunbei Oilfield[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(6): 8–13.
[6] 鄢捷年．钻井液工艺学[M]．东营: 石油大学出版社, 2001: 313–327． YAN Jienian. Drilling fluid technology[M]. Dongying: Petroleum University Press, 2001: 313–327.
[7] 李世文,李寅,蔡东胜,等. 钻井液的抑制性评价与研究[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2018, 38(1): 114–115. doi: 10.3969/j.issn.1673-4076.2018.01.056 LI Shiwen, LI Yin, CAI Dongsheng, et al. Inhibitory evaluation and research of drilling fluid[J]. China Petroleum and Chemical Standard and Quality, 2018, 38(1): 114–115. doi: 10.3969/j.issn.1673-4076.2018.01.056
[8] 李钟,罗石琼,罗恒荣,等. 多元协同防塌钻井液技术在临盘油田探井的应用[J]. 断块油气田, 2019, 26(1): 97–100. LI Zhong, LUO Shiqiong, LUO Hengrong, et al. Application of multivariate synergistic anti-caving drilling fluid technology in exploratory wells of Linpan Oilfield[J]. Fault-Block Oil & Gas Field, 2019, 26(1): 97–100.
[9] 马京缘,潘谊党,于培志,等. 近十年国内外页岩抑制剂研究进展[J]. 油田化学, 2019, 36(1): 181–187. MA Jingyuan, PAN Yidang, YU Peizhi, et al. Research progress on shale inhibitors at home and abroad in recent ten years[J]. Oilfield Chemistry, 2019, 36(1): 181–187.
[10] 黄进军,李文飞,田月昕,等. 水基钻井液用胺类页岩抑制剂特性及作用机理[J]. 油田化学, 2018, 35(2): 203–208, 213. HUANG Jinjun, LI Wenfei, TIAN Yuexin, et al. Properties and mechanism of shale inhibitor for water-based drilling fluid[J]. Oilfield Chemistry, 2018, 35(2): 203–208, 213.
[11] 刘厚彬,孟英峰,李皋,等. 超深井井壁稳定性分析[J]. 天然气工业, 2008, 28(4): 67–69. doi: 10.3787/j.issn.1000-0976.2008.04.020 LIU Houbin, MENG Yingfeng, LI Gao, et al. Analysis on the stability of ultra-deep well wall[J]. Natural Gas Industry, 2008, 28(4): 67–69. doi: 10.3787/j.issn.1000-0976.2008.04.020
[12] 田乃林, 杨竞,程忠玲. 塔里木盆地中央隆起井壁稳定性影响因素及措施建议[J]. 石油天然气学报, 2010, 32(1): 120–122. doi: 10.3969/j.issn.1000-9752.2010.01.025 TIAN Nailin, YANG Jing, CHENG Zhongling. The influential factors on wellbore stability in the central uplift of Tarim Basin[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2010, 32(1): 120–122. doi: 10.3969/j.issn.1000-9752.2010.01.025
[13] 李成,白杨,于洋,等. 顺北油田破碎地层井壁稳定钻井液技术[J]. 钻井液与完井液, 2020, 37(1): 15–20. LI Cheng, BAI Yang, YU Yang, et al. Study and application of drilling fluid technology for stabilizing fractured formations in Shunbei Oilfield[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2020, 37(1): 15–20.
-
期刊类型引用(3)
1. 袁媛，孟英峰，李皋，苏晓明. 致密砂岩储层毛管自吸微观分布特征. 油气地质与采收率. 2020(05): 71-78 . 
百度学术
2. 于浩雨，于明德，李洲，熊亮. 洛伊凹陷西南部边界大断裂发育特征及其对油气成藏的控制作用. 油气地质与采收率. 2020(05): 13-24 . 百度学术
3. 孟也，李相方，何敏侠，蒋明洁. 气泡卡断过程中的喉道液领形态与聚并模型. 断块油气田. 2019(05): 632-637 . 百度学术
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