顺北蓬1井是中国石化部署在塔里木盆地顺托果勒低隆起北缘的一口重点超深风险预探井，目的为探索顺8井北三维区北东向隐伏断裂控制下的储层发育特征、横向展布规律及含油气性，为深化油藏研究和该地区下一步的勘探部署提供依据。该井设计井深9 075.19 m，采用五开井身结构。其中，二开为φ444.5 mm大尺寸井眼，中完井深5 350.00 m，裸眼段长4 751.00 m，需钻穿三叠系和二叠系地层。三叠系阿克库勒组和柯吐尔组地层以泥岩为主，夹砂砾岩，钻进时易水化膨胀，井眼失稳问题突出；二叠系发育巨厚英安岩及玄武岩等火成岩，地层裂缝孔隙发育，有井塌和井漏双重风险[1]。顺北蓬1井的邻井在钻进该地层时频繁出现问题：顺北评2H井采用1.25~1.26 kg/L钻井液钻进二叠系地层(4 790.00~5 305.00 m井段)过程中发生较大漏失3次，累计漏失钻井液220.9 m3，耗时4.25 d；顺北5井以长裸眼形式穿过二叠系地层(4 966.00~5 388.00 m井段)，钻进中无漏失，但在三叠系中下部—奥陶系恰尔巴克组地层(4 284.00~7 317.00 m井段)后期钻井及中完阶段阻卡频繁，且三叠系—二叠系地层井径扩大率达到24.5%；顺北3井钻进二叠系地层(4 436.00~4 982.00 m井段)时漏失卡钻1次，只得回填侧钻，侧钻前漏失6次，累计漏失1 026.0 m3，侧钻后钻进二叠系及以深地层漏失7次(为反复漏失)，累计漏失1 584.0 m3。可见，要顺利完成顺北蓬1井二开大尺寸井眼钻井施工，不发生井塌、井漏等问题，须研究超长大尺寸井眼井筒强化钻井液技术。为此，笔者在分析三叠系、二叠系地层井塌井漏原因的基础上，优选抑制剂、防塌剂和封堵剂等处理剂，构建了强抑制强封堵钻井液体系，结合现场具体情况制定了技术措施，配套了施工工艺，成功完成了顺北蓬1井二开大尺寸长裸眼段钻井施工，并创造了φ444.5 mm钻头钻深5 350.00 m和φ339.7 mm套管下深5 349.00 m的国内石油工程新纪录。
1 井塌井漏原因分析 1.1 三叠系地层井眼失稳机理 1.1.1 矿物组成岩石矿物组成反映地层岩石特性，研究岩石的矿物组成是分析井眼失稳机理的基础[2]，可为解决工程地质及井眼稳定问题提供重要依据。为此，采用X-射线衍射的方法，对顺北区块三叠系柯吐尔组地层的矿物组成进行了定量分析，结果见表 1。
| 岩样 | 全岩矿物组成，% | 黏土矿物组成，% | |||||||||
| 石英 | 长石 | 方解石 | 铁白云石 | 黏土矿物 | 伊利石 | 蒙脱石 | 伊/蒙混层 | 绿泥石 | 高岭石 | ||
| 1# | 35.2 | 11.3 | 7.8 | 2.8 | 35.9 | 13.2 | 25.4 | 41.2 | 6.3 | 11.2 | |
| 2# | 38.7 | 13.8 | 6.2 | 2.2 | 44.7 | 17.1 | 24.2 | 44.5 | 6.0 | 8.2 | |
| 3# | 44.6 | 10.5 | 4.9 | 1.4 | 36.1 | 17.8 | 15.8 | 39.5 | 8.2 | 10.7 | |
| 4# | 27.8 | 14.5 | 8.3 | 6.8 | 26.6 | 20.2 | 26.8 | 38.7 | 4.6 | 7.7 | |
| 5# | 31.5 | 15.2 | 6.2 | 3.1 | 44.0 | 22.6 | 21.2 | 42.1 | 6.5 | 7.6 | |
由表 1可知，三叠系柯吐尔组地层以黏土矿物为主，含量达26.6%~44.7%，黏土矿物中蒙脱石、伊/蒙混层含量高达55.3%~68.7%，水敏效应较强；同时，石英、长石和方解石等脆性矿物的平均含量达50%以上，属于典型的硬脆性泥页岩，钻井过程中在外力作用下容易产生诱导裂缝，增加井眼失稳风险。
1.1.2 微观结构特征井眼失稳现象与地层岩石的微观结构特征密切相关[3-4]。为此，采用扫描电子显微镜观察了三叠系地层岩样的微观形貌特征，如图 1所示。
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| 图 1 三叠系地层岩样扫描电镜图片 Fig.1 The core SEM image of Triassic strata |
由图 1可知，三叠系地层微孔隙发育，连通性较好，微裂缝、层理发育，裂缝宽度为1~14 μm。分析认为，钻井过程中，钻井液滤液会沿着微裂缝优先侵入地层内部，与地层发生水化作用，导致地层内部应力不平衡，使地层强度降低，最终在微裂缝等力学弱面发生剥落掉块和坍塌[5-9]。
1.1.3 理化性能选取三叠系地层岩样，参照石油天然气行业标准《钻井液用聚丙烯酰胺钾盐》(SY/T 5946—2002)，进行了岩样膨胀特性和水化分散试验，结果如图 2和图 3所示。
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| 图 2 水化膨胀特性试验结果 Fig.2 Test results of hydration expansion characteristics |
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| 图 3 滚动分散回收率试验结果 Fig.3 Results of rolling dispersion recovery test |
由图 2、图 3可知，三叠系地层岩样水化分散性较强，水化膨胀性较弱，但水化膨胀初期膨胀速率较快。分析认为，泥页岩与入井流体接触后在短时间内达到吸附平衡，强烈的局部水化作用将改变地层内部的应力状态，使岩石强度降低，导致井眼失稳。
测试了三叠系地层岩样比表面积和比亲水量，并将其与蒙脱石、伊利石进行了对比，结果见表 2。
| 岩样 | 比表面积/(m2·g-1) | 单位吸水量/(g·g-1) | 比亲水量/(mg·m-2) |
| 1# | 55.23 | 0.62 | 11.17 |
| 2# | 57.31 | 0.61 | 10.73 |
| 3# | 53.48 | 0.55 | 10.24 |
| 4# | 44.28 | 0.44 | 10.00 |
| 蒙脱石 | 823.10 | 8.15 | 9.91 |
| 伊利石 | 103.22 | 1.19 | 11.62 |
由表 2可知，三叠系岩样的单位吸水量较低(平均为0.55 g/g)，但比亲水量较大(平均为10.54 mg/m2)，与蒙脱石相当，水化膜短程斥力将导致水化界面变形或破裂。强烈的局部水化作用将改变地层内部的应力状态，促使微裂缝开裂、延伸、相互贯通，最终沿层理、微裂缝等力学弱面发生剪切破坏。因此，钻井中应加强钻井液对黏土水化效应的抑制作用[10-13]。
1.2 二叠系火成岩漏失原因二叠系地层易漏失是影响顺北区块安全快速钻井的主要因素，该区块已钻井二叠系地层钻井漏失发生率达到50%以上。部分已钻井的钻井液漏失情况见表 3。
| 井号 | 漏失井深/m | 漏失类型 | 漏失发生时间 | 漏失量/m3 |
| 顺北5-1X | 4 953.43 | 间歇性 | 钻进 | 9.48 |
| 3 950.00~5 362.11 | 失返性 | 下套管及固井 | 600.00 | |
| 顺北5-2 | 失返性 | 固井 | 158.00 | |
| 顺北5-3 | 4 823.67 | 间歇性 | 钻进 | 92.77 |
| 4 274.74 | 失返性 | 下套管及固井 | 352.72 | |
| 顺北7 | 5 075.89 | 失返性 | 钻进 | 174.05 |
| 4 818.00 | 失返性 | 下套管及固井 | 304.00 | |
| 顺北鹰1 | 4 975.19 | 间歇性 | 钻进 | 36.70 |
| 5 005.68 | 间歇性 | 钻进 | 14.30 | |
| 5 396.00 | 失返性 | 固井 | 356.00 |
顺北区块二叠系地层发育巨厚英安岩及玄武岩等火成岩，埋深4 424.00~5 370.00 m，层厚400.00~700.00 m，主要为英安岩与凝灰岩互层[14]。通过分析顺北3井二叠系地层成像测井资料和顺北5-5井二叠系地层岩心可知，该区块二叠系英安岩、凝灰岩内部微裂缝发育，纵向分布以溶蚀孔洞为主，裂缝宽度0.5~3.0 mm。进一步分析认为，火成岩微观裂缝对井筒压力比较敏感，钻井液密度稍高则易发生裂缝扩展性漏失，二叠系火成岩纵向裂缝与溶洞发育、连通性好和压力敏感性是施工过程中发生漏失的主要原因。
2 井筒强化钻井液技术 2.1 三叠系地层井眼稳定措施通过以上分析可知，在顺北区块三叠系地层大尺寸长裸眼钻进过程中，钻井液的抑制防塌性能是关键。为此，通过室内试验优选了钻井液关键处理剂，进行了井筒强化钻井液技术研究。
2.1.1 强化钻井液的黏土水化抑制性能筛选效果较好的抑制剂对于长裸眼的井眼稳定至关重要。在对规模化应用的抑制剂进行初步筛选的基础上，通过线性膨胀和滚动回收试验，对无机抑制剂KCl、有机抑制剂SMJA-1与D230和小阳离子NL-5等进行了优选。
将一定量的膨润土分别加入去离子水和上述抑制剂的水溶液(质量分数为1.0%)中，计算其线性膨胀率，结果如图 4所示。
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| 图 4 膨润土线性膨胀试验结果 Fig.4 Results of linear expansion test |
从图 4可以看出，膨润土在去离子水中的线性膨胀率最大，达到48.5%；在SMJA-1溶液中线性膨胀率最小，仅为10.6%，说明SMJA-1具有较强的抑制黏土水化膨胀的能力。
将取自顺北区块三叠系地层的泥页岩岩屑，分别加入蒸馏水和质量分数为1.0%的KCl、SMJA-1、D230和NL-5溶液中，进行热滚回收率试验，结果如图 5所示。
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| 图 5 泥页岩岩屑热滚回收率试验结果 Fig.5 Results of shale cuttings hot-rolling recovery rate test |
从图 5可以看出，岩屑在蒸馏水中的回收率为23.5%，最低；在SMJA-1溶液中的回收率为86.3%，最高。这说明SMJA-1的抑制效果优于其他抑制剂。
综合考虑线性膨胀、热滚回收率试验、KCl对泥岩的抑制作用及该井钻井液设计中对K+浓度的要求，最终选择SMJA-1和KCl为钻井液的主要抑制剂。
2.1.2 强化钻井液的封堵性能针对三叠系地层的微观孔隙结构及温度特征，决定选用刚性粒子、可变形粒子常规封堵材料与微纳米尺度封堵材料相结合，通过合理的粒度级配，在近井壁形成一层致密承压封堵层，阻缓压力传递及滤液侵入。为此，对常用的SMNA-1、MFJ-3和NM-1等3种可变形粒子防塌剂进行了性能评价试验。试验通过向基浆中分别加入不同质量分数的上述3种封堵防塌剂，测定滤失量的变化，结果见图 6。
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| 图 6 封堵防塌剂滤失量试验结果 Fig.6 Results of plugging and anti-sloughing agent fluid loss test |
从图 6可以看出，随着封堵防塌剂加量的增大，基浆的API滤失量先急剧下降，出现拐点后下降幅度越来越小，其中SMNA-1的降滤失效果最好，最优加量为2.0%。
根据以上研究，形成了防治三叠系地层井眼失稳的强抑制强封堵钻井液体系，其配方(记为配方1)为：4.0%膨润土+0.2%Na2CO3+2.0%SPNH+2.0%SMC+1.5%SMP-2+0.3%PAC-LV+0.5%KPAM+1.0%SMJA-1+1.5%KCl+2.0%SMNA-1+1.0%QS-2+0.5%液体润滑剂SMJH-1。
2.2 二叠系地层防漏堵漏技术对策根据二叠系地层的漏失特征，采取以防为主、随钻封堵的技术思路，即在钻进中向钻井液中加入一定浓度的堵漏材料，使其在裂缝近井壁地带形成致密封堵层，阻断井筒压力向地层传递，防止裂缝开启及延伸。
2.2.1 随钻防漏材料筛选利用无渗透滤失仪(20~40目砂床)评价了超细碳酸钙QS-2、屏蔽暂堵剂PB-1、竹纤维等常用随钻防漏材料和封堵剂SMGF-1的封堵性能，试验结果见表 4。
| 试验浆 | 试验条件 | 滤失量/mL | 浸入深度/cm |
| 基浆 | 常温 | 全失 | 穿透 |
| 120 ℃×16 h | 全失 | 穿透 | |
| 基浆+3.0%QS-2 | 常温 | 76.0 | 穿透 |
| 120 ℃×16 h | 全失 | 穿透 | |
| 基浆+3.0%PB-1 | 常温 | 52.0 | 穿透 |
| 120 ℃×16 h | 全失 | 穿透 | |
| 基浆+3.0%竹纤维 | 常温 | 8.0 | 穿透 |
| 120 ℃×16 h | 106.0 | 穿透 | |
| 基浆+3.0%SMGF-1 | 常温 | 0 | 4.0 |
| 120 ℃×16 h | 0 | 6.0 | |
| 基浆+3.0%QS-2+3.0%SMGF-1 | 常温 | 0 | 4.0 |
| 120 ℃×16 h | 0 | 5.5 | |
| 基浆+3.0%QS-2+3.0%SMGF-1+3.0%高软化点沥青 | 常温 | 0 | 3.5 |
| 120 ℃×16 h | 0 | 5.0 |
根据试验结果，确定将SMGF-1作为该井段的随钻防漏材料。且由表 4可知，SMGF-1与其他材料配合使用可达到更好的封堵效果。因此，最终确定防漏配方为：井浆+2.0%~3.0%QS-2(500~800目)+ 1.0%~3.0% SMGF-1+3.0%高软化点沥青。研究认为，该配方可封堵缝宽为0.5 mm的裂缝，承压能力大于7.0 MPa。
2.2.2 停钻专堵技术措施通过室内试验，从强度、回弹率、圆度和球度等方面综合考虑，确定将云母、碳酸钙、高强支撑剂GQJ系列产品和矿物纤维作为二叠系地层堵漏材料。根据SAN-2工程分布理论[15]，对颗粒材料进行合理的粒径级配，根据地层裂缝尺度和漏失特征，确定纤维和片状材料的加量，最终形成了适用于不同漏速的桥接堵漏配方。
1) 漏速不大于10 m3/h时，配方为：井浆+5.0%~10.0%碳酸钙+3.0%~5.0%GQJ-3+1.0%~3.0%云母+1.0%~2.0%矿物纤维+1.0%~3.0%SMGF-1。利用DLM-01型堵漏模拟装置评价了上述配方的承压能力，结果表明，该配方可封堵缝宽为1.0~2.0 mm的裂缝，承压能力大于7.0 MPa。
2) 漏速大于10 m3/h而不大于30 m3/h时，配方为：井浆+8.0%~10.0%碳酸钙+1.0%~3.0%GQJ-2+3.0%~5.0%GQJ-3+2.0%~4.0%云母+1.0%~3.0%矿物纤维+3.0%~5.0% SMGF-1。利用DLM-01型堵漏模拟装置评价了上述配方的承压能力，结果表明，该配方可以封堵缝宽为2.0~3.0 mm的裂缝，承压能力大于7.0 MPa。
3) 漏速大于30 m3/h时，配方为：井浆+10.0%~15.0%碳酸钙+1.0%~3.0%GQJ-1+2.0%~4.0% GQJ-2 +4.0%~6.0% GQJ-3 +2.0%~4.0%云母+1.0%~3.0%矿物纤维+3.0%~5.0% SMGF-1。利用DLM-01型堵漏模拟装置评价了上述配方的承压能力，结果表明，该配方可封堵缝宽为3.0~5.0 mm的裂缝，承压能力大于7.0 MPa。
3 现场应用 3.1 现场施工工艺结合室内研究成果，对顺北蓬1井二开φ444.5 mm长裸眼段实施了如下井筒强化钻井液工艺措施：
1) 钻进期间，全力开动四级固控设备清除有害固相。
2) 钻至井深3 870.00 m时，一次性加入1.5 t聚胺和58.0 t KCl，钻井液中聚胺的质量分数不小于1.0%，钾离子浓度不低于15 000 mg/L。
3) 三叠系地层采用强抑制强封堵钻井液，处理剂严格按照配方1的加量进行维护，控制钻井液各项性能。具体为：逐步加入20 kg/m3磺化酚醛树脂、20 kg/m3褐煤树脂等降滤失剂，镶嵌成膜防塌剂浓度应不低于20 kg/m3，配合10~20 kg/m3超细碳酸钙、5~10 kg/m3单向压力屏蔽剂和3~8 kg/m3微纳米封堵剂，控制三叠系以深地层API滤失量≤4 mL、高温高压滤失量≤10 mL。
4) 钻至井深4 800.00 m(二叠系地层之前)时，以配方1为基础进行随钻防漏，向井浆中循环加入4.0% QS-2(500~800目)、3.0% SMGF-1和3.0%高软化点沥青。在二叠系地层钻进期间钻井液密度控制在1.23~1.30 kg/L，API滤失量≤4 mL，高温高压滤失量≤10 mL，以低黏低切钻进，保持良好的流动性，控制塑性黏度为18 ~25 mPa·s，动切力为4 ~10 Pa，以保证环空流动阻力、降低井漏风险。
5) 严格控制起下钻速度，每柱钻杆起下时间控制在65~70 s，以避免起下钻时产生抽汲和激动压力。下钻顶通时缓慢开泵，先小排量循环，待井口返浆并且泵压正常后再逐渐提高排量，尽可能减小开泵产生的激动压力，防止诱发井漏。
6) 下套管时根据地层岩性特征及井眼状况，结合循环系统实际情况，分别对三叠系中下部、二叠系漏层及井底进行分段打封闭浆，具体采取的防漏技术措施包括：
a) 按“井浆+0.5%液体润滑剂+1.0%乳化沥青RHJ-3”配方配制封井浆，封闭三叠系中下部地层，实际入井42.0 m3；
b) 二叠系漏层按“井浆+2.0%SQD-98+2.0%CXD+2.0%云母+2.0%SMGF-2+0.5%SMTQ+2.0%石灰石粉+2.0%GQJ-5+1.0%液体润滑剂+1.0%固体润滑剂+1.0%乳化沥青RHJ-3”配制封井浆，实际入井35.0 m3；
c) 按井浆+1.0%液体润滑剂+1.0%固体润滑剂+1.0%温敏变形封堵剂+1.0%SPNH+0.2%PFL”配方封闭井底，实际入井42.0 m3。
3.2 应用效果分析顺北蓬1井二开钻进过程中钻井液性能保持稳定，返出的泥岩钻屑棱角分明，完整度高，裸眼段井筒稳定、钻进顺畅，未出现失稳垮塌问题。二开井段平均井径扩大率仅为4.7%(如图 7所示)，创造了顺北二叠系地层平均井径扩大率最小纪录。另外，防漏、堵漏效果也非常显著，钻进过程中井壁单位面积渗漏量较邻井降低25.1%。二开长裸眼测井和下套管等作业均一次性顺利到底，未发生因钻井液问题引发的井下故障。
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| 图 7 顺北蓬1井二开井段电测井径曲线 Fig.7 Caliper curve of the second spud section in Well SHBP1 |
而且，顺北蓬1井先后创造了φ444.5 mm钻头钻深5 350.00 m和φ339.7 mm套管下深5 349.00 m等2项国内石油工程纪录。
4 结论1) 顺北区块三叠系地层主要为硬脆性泥页岩，微裂缝、层理发育，裂缝宽度为1~14 μm，钻井液滤液沿微裂缝侵入井壁、降低地层强度是引起井眼失稳的主要原因。二叠系英安岩、凝灰岩内部微裂缝发育，裂缝宽度为0.5~3.0 mm，纵向分布以溶蚀孔洞为主并与裂缝沟通，是引起井漏的主要原因。
2) 室内优选的以聚胺SMJA-1和KCl为主要抑制剂的钻井液体系，能有效抑制泥页岩表面水化作用，保持岩石的原始强度；选用的以可变形粒子SMNA-1和常微纳米尺度封堵材料SMGF-1，搭配合理的粒度级配，能在近井壁形成一层致密承压封堵层，阻缓压力传递及滤液侵入。
3) 研究的以强抑制强封堵钻井液及配套施工工艺为核心的井筒强化钻井液技术，在顺北蓬1井二开大井眼长裸眼井段取得了良好效果，钻井施工顺利并创造了2项石油工程新纪录，可为后续顺北区块类似井的钻井施工提供借鉴。
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