环保型高性能水基钻井液在山前超深井中的应用

李家学， 张绍俊， 李磊， 孙东山， 张超， 王涛

（1. 塔里木油田公司油气工程研究院，新疆库尔勒841000；2. 塔里木油田公司库车油气开发部，新疆库尔勒841000；3.能新科（中国）科技有限公司，北京100022）

环保型高性能水基钻井液在山前超深井中的应用

李家学1， 张绍俊1， 李磊2， 孙东山3， 张超3， 王涛1

（1. 塔里木油田公司油气工程研究院，新疆库尔勒841000；2. 塔里木油田公司库车油气开发部，新疆库尔勒841000；3.能新科（中国）科技有限公司，北京100022）

针对库车山前构造超深、超高压、高温、高含盐地层常规高密度水基钻井液性能调控维护困难，钻进时阻卡等事故频发，安全钻达目的层极其困难等问题，试验应用了环境保护型高性能水基钻井液。该钻井液是由多元高性能井眼稳定剂、纳米成膜封堵剂、高效润滑剂、特殊提速剂等组成，具有抑制性强、流变性和润滑性良好、环境友好、保护储层等性能。该环境保护型高性能水基钻井液在库车山前x井进行了试验应用，应用表明高性能水基钻井液性能稳定，抑制性强，润滑性能好，相比于应用油基钻井液的邻井，机械钻速快6.6%，无事故，井下复杂相对很少。该环境保护型高性能水基钻井液体系环保指标检测合格，产生的岩屑呈土本色，生物毒性小，是环境敏感地区复杂地层提高钻井清洁生产水平的途径之一。

环境保护；高性能水基钻井液；超深井；盐膏层

0 引言

塔里木盆地库车山前构造某区块是典型的超深、超高压、高温、高含盐地层，常规高密度水基钻井液性能调控维护困难，钻进时阻卡等事故频发，安全钻达目的层极其困难[1-2]。为了解决盐膏层井壁稳定和目的层储层保护问题，于2011年引进了高密度油基钻井液技术，目前该技术已经成功应用了60余口井，事故复杂大大降低，经济效益凸显[3-5]。但是油基钻井液使用不可避免地遭遇环境保护问题[6-9]。

为了缓解油基钻井液带来的环境保护和成本压力问题，引进环保型高性能水基钻井液[10-11]。该钻井液是由多元高性能井眼稳定剂、 纳米成膜封堵剂、 高效润滑剂、 特殊提速剂等核心处理剂科学配比组成。该体系具有较强抑制性能、良好的流变性和润滑性，环境友好、 无膨润土、 处理剂可生物降解， 能够克服磺化水基或油基钻井液所带来的环境污染风险[12-17]。该体系已经在美国页岩气水平井得到成功应用，但在库车山前构造超高压、高温、高含盐地层条件下应用还是第1次。为此，根据试验应用井井身结构、地层特性和钻井液特点，通过大量实验，对原有的配方进行了优化和改进，形成了3套新配方，并进行了各项性能评价。

1 环保型高性能水基钻井液室内实验

1.1 钻井液体系特点及配方设计

经过充分分析和论证，拟在库车山前构造带某区块X井上开展现场试验应用，该试验井总体上可分为盐上井段、盐膏层井段、目的层井段3部分。盐上井段主要是大套砂泥互层，夹杂砾岩，易水化分散和掉块，需加强包被抑制性；盐层井段主要问题是复合盐层埋藏深，易蠕变缩径，可能存在盐间高压水层，需加强钻井液在高密度下的抗温性、抑制性、抗污染和防垮塌能力；盐下井段为强水敏和盐敏地层，地层温度高（170 ℃）， 裂缝发育， 易发生钻井液高温性能恶化和井漏，需加强钻井液的抗温性和抑制封堵性。为此设计了3套盐上地层、盐膏层地层、盐下地层钻井液配方。

1#（盐上地层钻井液） 0.2%NaOH+4%超细碳酸钙YX-1+1%K2CO3+1%降滤失剂FIL-1+1%降滤失剂FIL-2+0.2%VIS-500+1%乳化剂NDFT-1+1%LUB-1+1.5%聚合物抑制剂HIB-1+7%KCl+加重剂

降滤失剂FIL-1（高降解改性聚合物类降滤失剂，抗温120 ℃）和FIL-2（高降解成膜降滤失剂，抗温140 ℃）复配使用，控制滤失量；4%超细碳酸钙YX-1（0.012～0.015 mm）对疏松地层进行物理封堵，提高泥饼质量；乳化剂NDFT-1降低表面张力，减小表观黏度和塑性黏度，提高体系的稳定性；聚合物抑制剂HIB-1配合KCl，提高体系的抑制性能。

2#（盐膏层地层钻井液） 饱和NaCl溶液+1%K2CO3+0.5%增稠剂NDFT-9+1.4%润湿剂NDFT-2+1%润滑剂NDFT-3+0.2%NaOH+1%降滤失剂NDFT-8+1.5%Hiperm+加重剂

在饱和盐水溶液中使用合成类改性生物聚合物增稠剂NDFT-9（抗温180～200 ℃）提供流体结构，控制流型；改性生物聚合物降滤失剂NDFT-8（抗温180～200 ℃）控制体系滤失性能；合成改性类润湿剂NDFT-2（抗温180～200 ℃）、改性植物油润滑剂NDFT-3（抗温180～200 ℃）和合成类泥页岩成膜剂Hiperm（抗温180 ℃）提高体系的抑制性、润滑性和稳定性。

3#（盐下地层钻井液） 欠饱和NaCl溶液+0.4%NaOH+0.5%NDFT-9+2%环保型仿沥青NFA-25+1%降滤失剂PAQUA-1+1%NDFT-8+0.5% NDFT-2+1%NDFT-3+1%纳米碳酸钙+1.5%Hiperm+5%KCl+加重剂

采用合成类改性生物聚合物降滤失剂PAQUA-1（抗温180 ℃）和NDFT-8控制体系滤失量；合成类泥页岩成膜剂Hiperm配合KCl提供抑制性能；环保型仿沥青NFA-25和纳米碳酸钙提供体系的封堵性能，保护储层和稳定井壁。

1.2 高性能水基钻井液性能评价

1.2.1 基本性能

根据已钻邻井资料和工程地质设计，预计应用区块盐上井段钻井液密度最高为1.8～1.9 g/cm3，盐膏层钻井液密度范围普遍为2.2～2.4 g/cm3，盐底地层温度在155 ℃左右。盐下地层钻井液密度范围为1.8～1.9 g/cm3，预计井底温度在170 ℃左右。因此确定盐上、盐膏层、盐下地层钻井液配方（1#、2#、 3#）老化温度为 150 ℃、165 ℃、180 ℃。按照配方配制钻井液，滚动老化16 h，测其老化后的密度、45 ℃下的流变性、低温低压滤失量、pH值及120 ℃的高温高压滤失量，实验数据及结果见表1。实验数据表明，环保型水基钻井液的黏度、切力适中，滤失量较低，润滑性能良好，能满足地层钻进要求。

表1 高性能钻井液性能测定数据及结果

1.2.2 抑制性

图1为高性能水基钻井液对应用区块泥页岩露头岩屑滚动回收率实验结果，实验中康村组、库姆格里姆群泥页岩的老化条件分别为130 ℃×16 h、160 ℃×16 h。从图1可知， 环保型高性能水基钻井液的泥页岩滚动回收率达到90%以上， 具有较强的抑制性能，能有效抑制泥页岩的分散和膨胀。

图1 高性能水基钻井液滚动回收率实验

1.2.3 抗污染能力

选取盐膏层配方作为基础配方，在基础配方中分别加入8%岩屑、2 500 mg/L氯化钙以及10%、15%和20%的盐水，在165 ℃下老化16 h后，测定钻井液抗污染性能，见表2。可以看出，加入8%岩屑后，钻井液流变性、滤失性保持稳定，数值只有微小的升高，钻井液抗岩屑污染能力强；加入2 500 mg/L氯化钙后，钻井液流变性数据有一定幅度减少，滤失性能变化不大，但整体数据满足钻井工程的要求；加入10%盐水后，钻井液流变性减少，滤失量增大，基本保持稳定，但加入20%盐水后，高温高压滤失量过高，黏度切力降低较多，环保型高性能水基钻井液不能受较多盐水污染，后续施工中应避免高压盐水侵入钻井液中，造成性能变差。

表2 高性能水基钻井液抗污染实验数据

1.2.4 沉降稳定性

取盐膏层配方为基础配方，静置72 h，观察其沉降情况，并测定其性能，实验数据见表3。实验显示钻井液基本无沉降，底部仅有2 cm稍稠，稍搅拌即可恢复，测试性能基本无变化，说明高性能水基钻井液具有良好的沉降稳定性能。

表3 高性能水基钻井液沉降稳定性实验数据

2 现场应用

环保型高性能水基钻井液于2016年2月在库车山前构造带某区块X井上现场试验应用。该井井深7 027 m，为五开井身结构。一开使用φ473.075 mm 套管，下入深度为 200 m，封固表层疏松地层，加固井口，二开使用技术套管φ365.125 mm，下入深度为 3 800 m，封固上部复杂层段；三开使用φ273.05 mm套管，下入至井深6 600 m，封固盐上地层，为提高密度钻盐膏层做准备；四开使用φ215.9 mm套管，下入深度为6 800 m，封固盐膏层井段，五开使用φ139.7 mm尾管，封固目的层。

2.1 现场施工情况

环保型高性能水基钻井液试验井于2016年2月14日开钻，2017年1月9日钻至井深7 006 m完钻，实际钻井周期为290 d。相比邻井，试验井段钻井液性能稳定，抑制性强，润滑性能好，井径规则，无卡钻等重大事故，井下复杂相比邻井大幅减少，目的层漏失量大幅减少，节约钻井成本。

2.1.1 盐上地层

盐上地层包括新近系库车组-库姆格列木群组顶部地层。施工难点为：①泥岩地层夹杂砂砾岩、小砾岩、含砾砂岩等，渗透性好，易漏失；②大段砂岩和泥岩互层，易水化膨胀、分散；③吉迪克组底部存在异常高压地层，易溢流。

维护处理思路：采用强包被，强抑制，抗高温和污染，维持良好流变性。在上部钻井液基础上①加入抗高温材料，增强抗温性；②继续加聚合物包被抑制剂HIB-1；③参考邻井，控制合理密度；④控制API滤失量小于5 mL，高温高压滤失量小于12 mL ；⑤控制 K+浓度为 3×104～4×104mg/L，提高抑制性；现场记录钻井液性能，见表4。

表4 盐上地层钻井用环保型高性能水基钻井液性能

实钻中，钻井液性能保持稳定，漏斗黏度控制在 60～100 s,塑性黏度保持 40～80 mPa·s，动切力保持在15～20 Pa，高温高压滤失量控制在12 mL以内，井段钻进无事故发生，仅有少量的阻卡现象，整个盐上地层长裸眼钻进顺利。

2.1.2 盐膏层地层

库姆格列木群盐膏层地层主要为白色盐岩、含膏泥岩、膏质泥岩、泥岩、泥膏岩、泥质膏岩，夹杂灰质泥岩、白云岩、生屑云岩等。施工难点：①存在高压盐水层，易发溢流和盐水侵污；②存在缩径，导致卡钻等严重事故。

维护处理思路：①控制合理的钻井液密度，确保钻井液压住盐水而不压漏地层；②转换为近饱和盐水型高性能钻井液体系，控制钻井液Cl-含量在175 000 mg/L左右，保持体系可微溶盐状态，提高体系抗盐膏污染和防盐膏缩径卡钻能力。

高性能水基钻井液体系黏度、切力均高于常规欠饱和盐水钻井液，因此实钻中控制钻井液漏斗黏度为100 s左右，塑性黏度控制为110 mPa·s左右，动切力控制为20 Pa左右，高温高压滤失量小于15 mL。实钻超过300 m长的膏泥岩顺利穿越，无事故复杂，电测、下套管顺利，实钻钻井液性能见表5。

表5 盐膏层钻进用环保型高性能水基钻井液性能

2.1.3 盐下地层

盐下地层为库姆格列木群底部、白垩系巴什基奇克组，主要为褐色、棕褐色层状砂岩，粗、中、细砂岩，夹杂泥岩，泥砾夹层等。主要钻进难点：①裂缝发育，易漏失；②油气活跃，地层压力系数较高，易溢流，安全密度窗口窄；③具有中等偏强水敏，储层保护难度较大。

维护处理思路：①控制合理钻井液密度，降低漏失风险，保护储层；②加入随钻堵漏剂和超细碳酸钙，控制钻井液滤失量；③主体配方中采用酸溶率高的处理剂，确保泥饼在酸化后能有效解除。

盐下地层钻井液密度控制为1.70 g/cm3，漏斗黏度控制为120 s，塑性黏度控制在100 mPa·s左右，动切力控制在20～25 Pa左右，高温高压滤失量在8 mL以内。实钻顺利钻达设计井深，无事故复杂，实钻性能见表6。

表6 盐下地层钻进用环保型高性能水基钻井液性能

2.2 现场应用效果分析

通过现场试验应用证实：环保型高性能水基钻井液体系高温高压滤失量小，泥饼质量好，流变性等综合性能优异，环保性能好，储层保护效果高，能满足山前深井现场钻井工程的需要。

1）采用高性能水基钻井液后，可显著降低事故复杂损失时间，提高机械钻速，缩短钻进工期，提高钻井效率，如表7所示。

表7 环保型高性能水基钻井液现场应用效果分析

2）试验井井壁稳定，井径规则。盐上井段使用环保型高性能水基钻井液体系后的井径比使用聚磺钻井液体系的井径规则，其平均井径扩大率为4.24%，比聚磺体系小 21.98%，在 2 856～3 070 m井段井径扩大率较大，且有出现垮塌、钻头泥包等现象，其原因在于该地层泥岩易水化垮塌，快速钻进维护处理不及时，同时现场使用时，考虑环保要求，强调沥青类物质不能加入。现场通过提高KCl加量至7%、补充1%抑制剂HIB、1%润滑剂和少量的环保型仿沥青类封堵剂提高体系的抑制、封堵和润滑性能，此后钻进恢复正常。盐下井段环保型高性能水基钻井液体系有类似油基钻井液的较规则井径，其平均井径扩大率为0.71%，略大于油基钻井液，比聚磺钻井液小，如图2～图4所示。

图2 环保型高性能水基钻井液在盐上（二开）井段施工井径曲线

图3 环保型高性能水基钻井液在盐上（三开）井段施工井径曲线

3）环保型高性能水基钻井液抗温、抗盐等性能满足区块安全钻井需要。试验井井底温度最高达168 ℃，成功钻达目的层，钻井液性能保持较好，日常维护简单，处理量小。成功钻穿四开复合盐井段，密度范围 2.25～2.32 g/cm3， Cl-含量基本在18×104～21×104mg/L，性能稳定，无事故与复杂，通井、电测、下套管等过程非常顺利。

图4 环保型高性能水基钻井液在盐下井段施工井径曲线

4）环保型高性能水基钻井液具有较强的抑制性能。岩屑清晰可见PDC钻头切削痕迹，棱角分明，基本与油基钻井液的钻屑相当，如图5所示。

图5 不同钻井液含泥岩层返出钻屑照片

5） 钻井液生物毒性小，环境友好。取现场盐上、盐膏层、盐下地层实钻钻井液进行环保性能检测，结果见表8。由表8数据看出，环保型高性能水基钻井液各项有毒重金属含量测试值均在安全范围之内，盐上地层生物毒性（EC50）值为45 900 mg/L，属于无毒，盐膏层地层和盐下地层因受体系中KCl和地层膏盐的影响，生物毒性（EC50）测试值判定为微毒，因此体系基本属于环境友好型流体。回收池里钻屑呈土本色，钻屑满足直接与环境接触标准，可以融入地面环境中。

表8 高性能水基钻井液环保性能测试结果

3 结论

1.环保型高性能水基钻井液具有强抑制、良好的流变性性、润滑性、环境友好性、储层保护性能。钻井液体系配方、控制指标、维护措施基本适应地层特征和满足实际钻井需要。

2.现场应用表明，环保型高性能水基钻井液性能稳定，抑制性强，润滑性能好，无卡钻等重大事故，井下复杂相对较少。

3.环保型高性能水基钻井液体系的环保指标检测合格，产生的岩屑呈土本色，生物毒性小，是环境敏感地区复杂地层提高钻井清洁生产水平的途径之一。

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Application of Environmentally Friendly High Performance Water Base Muds in Ultra Depp Well Drilling in Piedmont Area

LI Jiaxue1, ZHANG Shaojun1, LI Lei2, SUN Dongshan3,ZHANG Chao3, WANG Tao1
(1. Research Institute of Oil and Gas Engineering, PetroChina Tarim Oilf i eld Division, Korla, Xinjiang 841000;2. Department of Kuche Oil and Gas Development, PetroChina Tarim Oilf i eld Division, Korla, Xinjiang 841000;3. EntiPetrotech Corp, Beijing100022)

High density water base drilling fl uids have been used to drill ultra-deep, high temperature, ultra-high pressure wells penetrating salt formations in the piedmont structure in Kuche County, Xinjiang. Challenges encountered using conventional water base drilling fl uids included dif fi culties in mud property maintenance, tight hole and pipe sticking. An environmentally friendly high performance water base drilling fl uid formulated with borehole wall stabilizer, nano fi lming agent, high performance lubricant and specially designed fast drilling agent was tested in fi eld operations. The high performance drilling fl uid had high inhibitive capacity and good rheology and lubricity, and was environmentally friendly. It also helped protect reservoirs from being damaged. The application of this drilling fl uid in a well drilled in the piedmont structure in Kuche has proved its performance as said above. Rate of penetration(ROP) of the well was 6.6% faster than the ROP of an offset well drilled with oil base drilling fl uid. No drilling accidents have ever occurred, and occurrence of downhole complications was greatly reduced. This high performance low bio-toxicity water base drilling fl uid has passed environment protection inspection. Drill cuttings produced were in their original colors, and were not colored by the drilling fl uid. This environmentally friendly high performance drilling fl uid has provided a means of drilling complex formations in environmentally sensitive area.

Environment protection; High performance water base drilling fl uids; Ultra-deep well; Formation with salt and gypsum

国家重大专项“前陆冲断带超深井安全快速钻井技术（2016ZX05051002）”部分研究成果。

李家学，高级工程师，博士，1979年生，毕业于西南石油大学油气井工程专业，现在从事钻井液技术研究工作。电话（0996）2174315；E-mail：liji3211979@163.com。

李家学， 张绍俊， 李磊， 等.环保型高性能水基钻井液在山前超深井中的应用[J].钻井液与完井液， 2017， 34（5）：20-26.

LI Jiaxue, ZHANG Shaojun, LI Lei,et al.Application of environmentally friendly high performance water base muds in ultra depp well drilling in piedmont area[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017， 34（5）：20-26.

TE254.3

A

1001-5620（2017）05-0020-07

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.004

2017-7-18；HGF=1705M1；编辑 马倩芸）