Key Drilling Fluid Technology in the Ultra Deep Section of Well Ying-1 in the Shunbei Oil and Gas Field
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摘要:
鹰1井是顺北油气田的一口超深重点风险预探井，设计井深9 016.85 m（垂深8 603.00 m）。该井超深井段志留系柯坪塔格组与奥陶系桑塔木组等硬脆性泥岩地层、志留系裂缝性地层和奥陶系破碎性地层，在钻进过程中易出现井眼失稳、井漏、坍塌掉块等井下故障。为此，通过室内试验研究，分析了该井超深井段硬脆性泥岩地层井眼失稳机理、强压力敏感性裂缝性地层漏失原因及破碎性碳酸盐岩地层井眼失稳原因，应用“多元协同”井壁稳定基本理论，构建了SMHP–1强抑制强封堵钻井液，并制定了针对性强的防塌防漏技术措施。该井顺利钻穿大段硬脆性泥岩、裂缝性地层和破碎性地层，未发生井眼失稳及钻井液漏失，顺利钻至井深8 588.00 m完钻，创亚洲陆上井深最深纪录。现场应用表明，SMHP–1强抑制强封堵钻井液能够解决深部地层大段泥岩及破碎性地层的井眼失稳与漏失难题，为国内外深井超深井安全钻进提供了技术借鉴。
Abstract:Well Ying-1 is an ultra-deep key investigative risk management pre-exploration well deployed by Sinopec in the Shunbei Oil and Gas Field with designed well depth of 9 016.85 m (TVD 8 603.00 m). Drilling the welln encountered downhole problems including wellbore instability, well leakage and borehole wall sloughing. They also easily occur in drilling hard brittle mudstone formations, such as the Silurian Kepingtage Formation and the Ordovician Sangtamu Formation. For this reason, laboratory studies have been carried out to analyze mechanisms contributing to the instability of large section of hard brittle mudstone shale. As such, the reasons for leakage in the Silurian high pressure sensitive fissured formation, and the reasons for instability in Ordovician fractured formations. Based on the basic theory of " multivariate synergistic” wellbore stability, the drilling fluid system SMHP-1 with strong inhibition and sealing capacity was constructed, and the technical measures of mud loss and borehole wall collapse prevention were worked out. The well successfully drilled through a large section of hard brittle mudstone and broken formation to a total depth of 8 588 m without borehole wall instability and drilling fluid loss, setting a record of the deepest onshore well depth in Asia. The field application showed that the drilling fluid system SMHP-1 could effectively solve the problems of wellbore stability and leakage in deep mudstone and broken formations by strong inhibition and sealing capacity, and provide best practices for safe drilling of deep or ultra-deep wells at home and abroad.
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顺北油气田位于新疆阿克苏地区和巴州交界处，属于断溶体油气藏，埋深超过7 300.00 m，最深达8 600.00 m，是目前世界上油藏埋深最深的油气田之一，具有超深、超高压、超高温的特点[1–2]。鹰1井是该油气田的一口重点风险预探井，目的是探索顺托果勒低隆北缘构造北三维区北西向、北东向断裂交汇处的储层发育特征、横向展布规律及含油气性，设计井深9 016.85 m，垂深8 603.00 m。顺北油气田超深井钻井实践表明，井深6 000.00 m以深地层极其复杂，面临一系列钻井难题：志留系柯坪塔格组和奥陶系桑塔木组等地层发育大段泥岩，水敏性强，井眼易失稳；志留系地层裂缝发育，压力敏感性强，漏失风险大；奥陶系地层破碎程度高、胶结差，易坍塌掉块，引起卡钻等井下故障。为此，笔者在分析大段硬脆性泥岩及奥陶系破碎性地层井眼失稳、志留系强压力敏感性裂缝性地层漏失原因的基础上，通过优选高性能封堵防塌剂、优化钻井液抑制性能等技术措施，构建了SMHP–1强抑制强封堵钻井液，并采取了相应的防塌、防漏及井壁稳定技术措施，保证了鹰1井超深井段钻井安全，顺利钻至井深8 588.00 m完钻，创亚洲陆上井深最深纪录。鹰1井的顺利完成，标志着中国石化8 500.00 m以上特深复杂地层钻井液关键技术取得突破，为超深油气资源的高效勘探开发提供了技术支撑。
1. 超深井段钻井液技术难点及原因分析
鹰1井设计采用5开井身结构：一开为ϕ660.4 mm钻头×607.00 m，ϕ508.0 mm套管×606.80 m；二开为ϕ444.5 mm钻头×5 395.00 m，ϕ339.7 mm套管×5 393.42 m；三开为ϕ311.1 mm钻头×7 676.00 m，ϕ250.8 mm/ϕ244.5 mm套管×7 614.62 m；四开为ϕ215.9 mm钻头×8 395.00 m，ϕ177.8 mm套管×8 395.00 m；五开为ϕ149.2 mm钻头×8 588.00 m。其中，6 479.50～6 816.00 m井段的志留系柯坪塔格组与6 816.00～7561.50 m井段的奥陶系桑塔木组等硬脆性泥岩地层、5 697.50～6 816.00 m井段的志留系裂缝性地层和8 285.00～8 500.00 m井段的奥陶系破碎性地层，是该井顺利钻至设计井深的关键井段，给钻井液技术带来了很大的挑战。
1.1 深部硬脆性泥岩易坍塌失稳
顺北油气田志留系柯坪塔格组和奥陶系桑塔木组等地层发育大段泥岩，水敏性强，钻井过程中极易因水化作用而发生井壁剥落掉块甚至垮塌，导致井眼失稳。顺北油气田共有12口井在钻进该泥岩地层时发生井眼失稳，造成3口井填井侧钻，累计损失钻井时间286 d。笔者根据矿物组成、微观结构特征和理化特性等实验分析结果，进行了井眼失稳机理研究。
1.1.1 矿物组成分析
岩石矿物组成直接关系到钻井液设计及处理剂优选，对研究泥岩地层井壁稳定具有重要意义[3]。采用X射线衍射分析了鹰1井柯坪塔格组和桑塔木组泥岩的矿物组成，结果见表1。由表1可知，该井深部泥岩中的石英、方解石等硬脆性矿物平均含量高达65.47%，黏土矿物平均含量为33.73%，属典型的硬脆性泥岩。其中，黏土矿物以伊利石为主，平均含量为49.58%，其次为蒙脱石、伊/蒙混层，平均含量为31.66%。该井深部泥岩中含量较高的黏土矿物与钻井液接触后易发生水化，从而改变了岩石内部的应力状态，造成岩石强度降低，最终导致井眼失稳。
表 1 鹰1井深部泥岩的矿物组成Table 1. Mineral composition of deep mudstone in Well Ying–1编号 全岩矿物组成，% 黏土矿物组成，% 石英 长石 方解石 铁白云石 黄铁矿 黏土矿物 伊利石 蒙脱石 伊/蒙混层 绿泥石 高岭石 1 37.10 11.20 6.80 5.40 4.90 30.20 57.10 27.30 3.20 6.50 12.80 2 38.90 12.60 5.20 1.30 5.70 38.40 44.60 24.40 11.90 7.00 13.00 3 45.10 10.40 3.90 4.70 4.20 32.40 58.20 16.80 11.30 4.90 9.30 4 29.90 14.10 7.30 7.60 3.60 30.90 52.60 19.80 4.30 5.50 10.20 5 33.70 13.90 5.20 7.20 4.00 38.50 49.10 25.60 9.50 6.20 14.20 6 38.40 12.80 4.90 5.70 3.80 36.70 43.20 22.80 11.20 7.80 10.20 7 40.30 11.90 3.60 6.30 3.20 39.80 47.10 22.20 8.20 4.60 13.50 8 41.40 12.20 3.20 8.60 2.40 27.50 52.00 19.90 10.70 6.30 8.50 9 39.60 12.60 4.10 3.80 7.80 22.80 44.10 26.40 7.70 6.00 9.70 10 37.90 13.60 4.70 3.90 4.10 40.10 47.80 25.20 8.20 8.20 11.10 平均 38.23 12.53 4.89 5.45 4.37 33.73 49.58 23.04 8.62 6.30 11.25 1.1.2 微观结构特征分析
井壁稳定性与地层的微观结构特征密切相关[4–6]。采用扫描电子显微镜观察了鹰1井柯坪塔格组和桑塔木组泥岩地层的微观结构特征，结果见图1。由图1可以看出，该井柯坪塔格组和桑塔木组地层泥岩基质微孔隙、微裂缝、层理等弱面极其发育，孔喉直径主要分布在100 nm～5 μm，微裂缝、层理宽度为0.5～15.0 μm。这为钻井液滤液侵入提供了天然通道，在液柱压力、毛细管力等驱动下，滤液沿微裂缝、层理优先侵入泥岩内部，发生水化作用，使岩石强度降低；而且，泥岩极易沿着微裂缝、层理等弱面发生剪切滑移，最终导致井眼失稳[7–11]。
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图 1 鹰1井柯坪塔格组和桑塔木组泥岩扫描电镜结果Figure 1. SEM results of mudstone in Kepingtage Formation and Sangtamu Formation in Well Ying–11.1.3 岩石理化性能分析
分析了鹰1井柯坪塔格组和桑塔木组地层泥岩样品的理化性能，结果见表2。由表2可知，柯坪塔格组和桑塔木组泥岩岩样在清水中的滚动分散回收率大于70%，在清水中的线性膨胀率小于15%，属于弱分散、弱膨胀泥岩；比表面积为50～70 m2/g，表明其膨胀性矿物含量不高，主要为非膨胀性矿物；总吸水量较低，但比亲水量较大（9～11 mg/m2，与蒙脱石相当）。强烈的水化膜短程斥力作用将改变页岩内部的应力状态，易导致微裂缝尖端应力集中，促使微裂缝扩展贯通，最终出现井眼失稳现象[12–17]。
表 2 鹰1井柯坪塔格组和桑塔木组地层泥岩理化性能Table 2. Physical and chemical properties of mudstone in Kepingtage Formation and Sangtamu Formation of Well Ying–1岩样编号 地层 比表面积/（m2·g–1） 总吸水量/（g·g–1） 比亲水量/（mg·m–2） 清水回收率，% 清水膨胀率，% 1 柯坪塔格组 54.12 0.50 9.21 76.35 11.6 2 62.53 0.62 9.93 72.32 13.8 3 50.80 0.51 10.13 80.98 13.2 4 桑塔木组 57.72 0.62 10.72 75.53 14.7 5 51.91 0.49 9.36 73.95 12.8 6 68.92 0.62 9.07 81.73 13.2 注：蒙脱石比亲水量为9.91 mg/m2，伊利石比亲水量为11.62 mg/m2。 1.2 志留系裂缝性地层易漏失
顺北油气田志留系地层钻进过程中漏失严重，主要漏失地层为塔塔埃尔塔格组。据统计，该油气田中部8口井在钻进志留系地层时，有7口井发生了井漏，累计漏失钻井液近10 000 m3，损失钻井时间达485 d。其中，1口井因此被迫移井位，2口井被迫改变井身结构设计。分析研究认为，地层裂缝发育、漏失压力低和裂缝启动压力低是导致志留系地层漏失严重的主要原因。
1）地层裂缝发育导致多点漏失。志留系塔塔埃尔塔格组和柯坪塔格组地层为砂泥岩地层，埋深5 300.00～6 900.00 m。由于地质构造的挤压和扭曲作用，志留系地层断裂带附近裂缝发育，存在大量张开和闭合裂缝，裂缝宽度为0.1～1.5 mm，易发生全井段随机性多点漏失。
2）地层漏失压力低。志留系地层漏失压力当量密度普遍较低（最低1.33 kg/L），其中，顺北1井区、5井区北部和中部地层漏失压力当量密度分别为1.37～1.39，1.40和1.33～1.38 kg/L。统计已钻井漏失情况发现，塔塔埃尔塔格组地层漏失概率大于柯坪塔格组地层，漏失井的漏速不等，漏速最小为2 m3/h，最大为井口失返。
3）裂缝启动压力低，易张开。裂缝对钻井液密度变化敏感，易开启、扩大，增大了堵漏难度，裂缝开启压力当量密度仅为1.35～1.40 kg/L。例如，顺北5–5H井志留系地层成像测井显示纵向裂缝发育，缝宽6.93～19.24 mm，走向为北东—南西向，为明显的诱导裂缝，如图2所示。
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图 2 顺北5–5H井志留系地层成像测井图Figure 2. Imaging logging map of Silurian formation in Well SHB5–5H1.3 破碎性地层易坍塌掉块
受挤压构造影响，顺北油气田奥陶系地层破碎、胶结程度差，钻井过程中井壁坍塌掉块严重，遇阻、卡钻等井下故障频发。据不完全统计，该油气田4口井钻进奥陶系破碎性地层时，因井壁坍塌掉块严重共侧钻7次，单井损失时间达135 d，累计损失时间540 d。分析认为，地层应力集中及岩石胶结程度差是该破碎性地层易坍塌掉块的主要原因。
1）应力集中。由于地质构造运动影响，超深海相碳酸盐岩破碎性地层产生构造应力集中，且地应力具有明显的方向性，非均匀性强。最大水平主应力与最小水平主应力相差较大，地应力分布不均，地层被钻开后地应力释放，导致井眼失稳[18]。
2）岩石胶结程度差、微裂缝发育。由鹰1井鹰山组地层矿物组成的X射线衍射分析结果发现，其矿物成分主要为方解石、白云石（方解石含量最高为96.6%，白云石含量最高为99.8%），不含黏土矿物成分。由岩石薄片分析结果（见图3）发现，岩石存在微裂缝，硅质胶结以块状或团块状充填裂缝，胶结程度差。因此，在钻井过程中，水力楔劈作用、钻头转动和钻具扰动都会破坏岩石的弱胶结作用，裂缝逐渐扩展直至岩石破坏，导致井壁发生坍塌掉块。
2. 超深井段钻井液关键技术
2.1 硬脆性泥岩井壁稳定钻井液技术
2.1.1 钻井液防塌技术对策
基于顺北鹰1井深部地层泥岩井壁失稳机理分析，结合“多元协同”井壁稳定基本理论，提出了硬脆性泥岩井壁稳定钻井液技术对策。
1）强化钻井液黏土水化抑制性能。利用聚胺、氯化钾等强抑制剂的协同作用抑制黏土的水化作用，减小水化膜短程斥力，保持泥岩的原始强度。
2）提高钻井液的封堵性能。针对鹰1井深部地层泥岩微观孔隙结构特征，研制了抗高温镶嵌成膜防塌剂SMNA–1与微纳米封堵剂SMNF–1，通过合理的粒度级配，使钻井液在近井壁处形成一层致密封堵层，阻缓压力传递及钻井液滤液侵入。
3）合理控制钻井液密度。在加强封固及阻缓孔隙压力传递的前提下，适当提高钻井液密度，以提高钻井液液柱压力对井壁的力学支撑作用，保持井壁力学稳定。
2.1.2 钻井液构建及性能评价
按照硬脆性泥岩地层井壁稳定技术对策，构建了SMHP–1强抑制强封堵钻井液（简称为SMHP–1钻井液）：2.0%膨润土+0.2%Na2CO3+0.5%NaOH+0.5%～1.0%抗高温降滤失剂SMPFL–H + 1.0%～2.0%抗高温镶嵌成膜防塌剂SMNA–1+1.0%超细碳酸钙QS–2（粒度为1 500～2 000目）+ 0.5%～1.0%聚胺SMJA–1+3.0%～4.0%KCl。
2.1.2.1 黏土水化抑制性能
选取鹰1井志留系柯坪塔格组和奥陶系桑塔木组地层岩样，采用滚动分散回收试验和线性膨胀试验评价SMHP–1钻井液的抑制性能，结果见图4和图5。
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图 4 鹰1井深部泥岩滚动分散回收率试验结果Figure 4. Experimental results of rolling dispersion recovery rate of deep mudstone in Well Ying–1![]()
图 5 鹰1井深部泥岩线性膨胀率试验结果Figure 5. Test results of linear expansion rate of deep mudstone in Well Ying–1由图4可以看出，该井深部地层泥岩岩样在清水中的滚动分散回收率约为70%，而在SMHP–1钻井液中的滚动回收率>94%，与在油基钻井液中的滚动回收率（约95%）接近，说明SMHP–1钻井液具有优异的抑制泥岩水化分散的性能。由图5可以看出，泥岩岩样在清水中的线性膨胀率约为15%，但其初始膨胀率较高，而在SMHP–1钻井液和油基钻井液中的线性膨胀率仅为3%左右，表明SMHP–1钻井液具有良好的抑制泥岩水化膨胀的性能。
2.1.2.2 封堵性能
鹰1井深部地层泥岩微纳米级孔隙发育，孔喉直径主要分布在100 nm～5 μm，而常规高温高压滤纸孔径较大（30～50 μm），难以评价钻井液对该地层的封堵性能。为此，采用压力传递试验评价了SMHP–1钻井液对鹰1井深部地层泥岩的封堵性，结果见图6。
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图 6 鹰1井深部泥岩压力传递试验结果Figure 6. Pressure transmission test results of deep mudstone in Well Ying–1由图6可知：4%NaCl水溶液的压力传递速率很快，2.0 h后下游压力基本与上游压力持平，压力穿透岩心；SMHP–1钻井液可显著降低泥岩的压力传递速率，压力穿透岩心时间为13.5 h；SMHP–1钻井液中加入2%纳米封堵剂SMNF–1后，其降低压力传递速率的效果更明显，24.0 h后下游压力基本趋于稳定，上下游压差1.5 MPa，基本阻隔压力传递作用，井壁稳定性能突出。
2.2 志留系裂缝性地层随钻防漏技术
根据顺北油气田志留系地层漏失原因，采取了以防为主、随钻堵漏的钻井液技术思路，即在保持合理钻井液密度的前提下，向钻井液中加入一定量的随钻堵漏材料，在近井壁附近形成致密封堵层，阻缓压力传递和钻井液滤液侵入，防止裂缝开启及延伸，从而达到防漏的目的。
2.2.1 随钻堵漏剂配方的优选
针对志留系地层裂缝尺寸，选用1 mm的裂缝盘作为裂缝评价介质，根据孔喉“理想充填”及“屏蔽暂堵”理论[19–22]优选了4种封堵材料及其合理的粒径分布，按照表3的加量配比加入到SMHP–1钻井液中，并分别测试其裂缝封堵性能，结果见图7。由图7可知，3#配方随钻堵漏剂的裂缝盘累计漏失量仅为4.2 mL，随钻堵漏效果最佳。因此，确定3#配方为随钻堵漏剂最优配方：2.0%刚性架桥及充填材料+1.5%弹性可变形封堵材料+1.0%惰性纤维材料+0.5%软化封堵材料。进入志留系地层前50.00 m，在钻井液中一次性加足随钻堵漏剂，并定期向钻井液中补充堵漏剂，维持随钻堵漏剂加量在5%以上。
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图 7 不同配方随钻堵漏剂裂缝盘滤失量试验结果Figure 7. Test results of filtration rate for lost circulation additive with fractured disk by different formulas while drilling表 3 随钻堵漏剂中封堵材料的加量配比Table 3. Concentration ratio of plugging materials in lost circulation additive while drilling配方 刚性架桥及充填材料加量，% 弹性可变形封堵材料加量，% 惰性纤维材料加量，% 软化封堵材料加量，% 1 2.0 1.0 1.5 0.5 2 2.0 2.0 0.5 0.5 3 2.0 1.5 1.0 0.5 4 3.0 1.0 0.5 0.5 5 3.0 0.5 1.0 0.5 6 3.0 0.5 0.5 1.0 2.2.2 防漏堵漏钻井液维护处理措施
1）在满足防塌前提下，采用密度1.34 kg/L的钻井液揭开志留系地层，调整钻井液流变性，保持较低的黏度和切力，降低循环压耗的影响。
2）控制钻井液高温高压滤失量小于10 mL，以保持滤饼质量良好。
3）在满足录井要求的前提下，尽量不启动细目振动筛，并简化钻具组合，降低发生井下故障的概率。
4）适当控制钻速，每钻进2.00～3.00 m划眼1次，防止堵漏材料在井壁上黏附过多而造成井下故障。
5）控制起下钻速度，避免因激动压力过大而诱发井漏。长时间静止后，下钻时应采取分段循环措施，防止开泵压力过大，憋漏地层。
2.3 奥陶系破碎性地层安全钻进技术
根据奥陶系破碎性地层井壁坍塌机理，制定了钻井液防塌技术对策。
2.3.1 强化钻井液封堵性能
针对鹰1井奥陶系鹰山组破碎性地层的主要特征，利用屏蔽封堵技术，优选了弹性封堵颗粒、可填充变形封堵材料与微纳米封堵防塌剂，复配为随钻封堵剂，配方为：1.0%弹性石墨+1.0%温敏变形封堵剂SMSHIELD-2 + 0.5%纳米封堵防塌剂SMNF-1。该随钻封堵剂可以封堵岩石原生微孔缝和次生微裂缝，提高地层完整性，降低岩石渗透率，阻缓钻井液滤液侵入对胶结物的破坏。对比奥陶系鹰山组地层岩样应用该随钻封堵剂封堵前后的微观形貌发现（见图8），随钻封堵剂在破碎地层近井壁处形成一层“紧、密、实”的致密封堵层，岩心封堵端面较平整、光滑、密实，岩样完整性显著提高。另外，室内试验还发现，鹰山组地层岩样的渗透率由由封堵前的平均40.70 mD降至封堵后的0.68 mD，下降了2个数量级，岩石更加致密。
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图 8 鹰山组地层岩样封堵前后扫描电镜图Figure 8. SEM photos of rock samples in Yingshan Formation before and after plugging2.3.2 保持井眼清洁
1）不定期采用密度比井浆密度高0.2 kg/L、漏斗黏度大于100 s的多纤维重稠塞清洗井眼，采用多流态变化破坏岩屑床，提高钻井液携岩能力，保持井眼清洁，防止遇阻、卡钻等井下故障的发生。
2）井壁出现掉块后，采取低排量、低钻压钻进，对井底的掉块进行研磨破碎，然后采取大排量循环进行清除。破碎不了的或者携带不出的掉块，可适当提高钻井液黏度和切力，小排量循环将其平铺在井底，避免掉块堆积于环空而阻卡钻具。
2.3.3 适当提高钻井液密度
在加强封固及阻缓孔隙压力传递的前提下，钻遇破碎性地层时，根据实际工况提高钻井液密度，提高钻井液对井壁的有效力学支撑作用，保持井壁力学稳定。鹰1井四开井段在井深8 242.20 m处钻遇奥陶系破碎带地层，出现起下钻遇阻及划眼困难情况，随后将钻井液密度由1.35 kg/L逐渐提高至1.55 kg/L，起下钻遇阻及划眼困难情况有所好转。
3. 现场应用效果
鹰1井三开大段泥岩地层钻进过程中，SMHP–1钻井液性能稳定，泥岩钻屑棱角分明，完整度高。在整个三开钻进及中完作业期间，井眼始终稳定畅通，未发生井眼失稳问题，平均井径扩大率仅6%，三开钻井周期缩短36.9%，钻井效率超邻井15%以上，创ϕ311.1 mm钻头钻深7 616.00 m和ϕ250.8 mm +ϕ244.5 mm套管下深7 614.62 mm 2项国内石油工程新纪录。
鹰1井志留系地层钻进过程中，定期向钻井液中加入随钻堵漏剂，维持随钻堵漏剂加量在5%以上，确保在近井壁处形成致密封堵层，阻缓压力传递和滤液侵入，整个三开钻进及中完作业期间未发生漏失，而顺北5–6井、顺北5–8井和顺北5–10井等邻井在钻进志留系地层时多次发生严重漏失。
鹰1井奥陶系鹰山组破碎性地层钻进过程中，定期向钻井液中补充随钻封堵剂，在近井壁处形成了一层“紧、密、实”的致密封堵层，封堵了岩石原生微孔缝和次生微裂缝，提高了地层的完整性。同时，不定期采用密度比井浆密度高0.2 kg/L、漏斗黏度大于100 s的多纤维重稠塞清洗井眼，以保持井眼清洁。该井在钻进破碎性地层期间未出现井壁失稳现象，安全钻至井深8 588.00 m完钻，创亚洲陆上井深最深纪录。
4. 结论与建议
1）顺北油气田志留系柯坪塔格组、奥陶系桑塔木组等泥岩地层，微裂缝、层理等弱面发育，水化分散、水化导致的应力集中和裂缝扩展是发生井眼失稳的主要机理；志留系裂缝性地层裂缝启动压力低是发生井漏的主要原因；奥陶系破碎性地层应力集中、胶结程度差，坍塌掉块是造成钻进遇阻、卡钻的主要原因。
2）根据鹰1井深部地层泥岩井壁失稳机理，应用“多元协同”井壁稳定基本理论，研制了高效堵漏剂及封堵剂，并采用颗粒级配原理，构建了SMHP–1强抑制强封堵钻井液。
3）鹰1井超深井段应用SMHP–1强抑制强封堵钻井液钻进时，未发生井眼失稳、坍塌掉块、井漏等井下故障，初步形成了以硬脆性泥岩井壁稳定钻井液技术、志留系裂缝性地层随钻防漏技术和奥陶系破碎性地层安全钻进技术为核心的超深井钻井液关键技术。
4）鹰1井的应用效果表明，SMHP–1强抑制强封堵钻井液能够能解决深部地层大段泥岩及破碎性地层的井眼失稳及漏失难题，建议进一步深化志留系裂缝性地层漏失机理、破碎性地层井眼失稳机理等理论研究，以进一步优化该钻井液性能，更好地满足深井超深井高效钻进的需求。
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图 1 鹰1井柯坪塔格组和桑塔木组泥岩扫描电镜结果
Figure 1. SEM results of mudstone in Kepingtage Formation and Sangtamu Formation in Well Ying–1
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图 2 顺北5–5H井志留系地层成像测井图
Figure 2. Imaging logging map of Silurian formation in Well SHB5–5H
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图 4 鹰1井深部泥岩滚动分散回收率试验结果
Figure 4. Experimental results of rolling dispersion recovery rate of deep mudstone in Well Ying–1
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图 5 鹰1井深部泥岩线性膨胀率试验结果
Figure 5. Test results of linear expansion rate of deep mudstone in Well Ying–1
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图 6 鹰1井深部泥岩压力传递试验结果
Figure 6. Pressure transmission test results of deep mudstone in Well Ying–1
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图 7 不同配方随钻堵漏剂裂缝盘滤失量试验结果
Figure 7. Test results of filtration rate for lost circulation additive with fractured disk by different formulas while drilling
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图 8 鹰山组地层岩样封堵前后扫描电镜图
Figure 8. SEM photos of rock samples in Yingshan Formation before and after plugging
表 1 鹰1井深部泥岩的矿物组成
Table 1 Mineral composition of deep mudstone in Well Ying–1
编号 全岩矿物组成，% 黏土矿物组成，% 石英 长石 方解石 铁白云石 黄铁矿 黏土矿物 伊利石 蒙脱石 伊/蒙混层 绿泥石 高岭石 1 37.10 11.20 6.80 5.40 4.90 30.20 57.10 27.30 3.20 6.50 12.80 2 38.90 12.60 5.20 1.30 5.70 38.40 44.60 24.40 11.90 7.00 13.00 3 45.10 10.40 3.90 4.70 4.20 32.40 58.20 16.80 11.30 4.90 9.30 4 29.90 14.10 7.30 7.60 3.60 30.90 52.60 19.80 4.30 5.50 10.20 5 33.70 13.90 5.20 7.20 4.00 38.50 49.10 25.60 9.50 6.20 14.20 6 38.40 12.80 4.90 5.70 3.80 36.70 43.20 22.80 11.20 7.80 10.20 7 40.30 11.90 3.60 6.30 3.20 39.80 47.10 22.20 8.20 4.60 13.50 8 41.40 12.20 3.20 8.60 2.40 27.50 52.00 19.90 10.70 6.30 8.50 9 39.60 12.60 4.10 3.80 7.80 22.80 44.10 26.40 7.70 6.00 9.70 10 37.90 13.60 4.70 3.90 4.10 40.10 47.80 25.20 8.20 8.20 11.10 平均 38.23 12.53 4.89 5.45 4.37 33.73 49.58 23.04 8.62 6.30 11.25 
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表 2 鹰1井柯坪塔格组和桑塔木组地层泥岩理化性能
Table 2 Physical and chemical properties of mudstone in Kepingtage Formation and Sangtamu Formation of Well Ying–1
岩样编号 地层 比表面积/（m2·g–1） 总吸水量/（g·g–1） 比亲水量/（mg·m–2） 清水回收率，% 清水膨胀率，% 1 柯坪塔格组 54.12 0.50 9.21 76.35 11.6 2 62.53 0.62 9.93 72.32 13.8 3 50.80 0.51 10.13 80.98 13.2 4 桑塔木组 57.72 0.62 10.72 75.53 14.7 5 51.91 0.49 9.36 73.95 12.8 6 68.92 0.62 9.07 81.73 13.2 注：蒙脱石比亲水量为9.91 mg/m2，伊利石比亲水量为11.62 mg/m2。
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表 3 随钻堵漏剂中封堵材料的加量配比
Table 3 Concentration ratio of plugging materials in lost circulation additive while drilling
配方 刚性架桥及充填材料加量，% 弹性可变形封堵材料加量，% 惰性纤维材料加量，% 软化封堵材料加量，% 1 2.0 1.0 1.5 0.5 2 2.0 2.0 0.5 0.5 3 2.0 1.5 1.0 0.5 4 3.0 1.0 0.5 0.5 5 3.0 0.5 1.0 0.5 6 3.0 0.5 0.5 1.0
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-
[1] 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. Optimization of fast drilling technology for ultra-deep wells in the Shunbei Oilfield[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(6): 8–13.
[2] 张平. 顺北蓬1井ϕ444.5 mm长裸眼井筒强化钻井液技术[J]. 石油钻探技术, 2018, 46(3): 27–33. ZHANG Ping. Wellbore enhancing technology for ϕ444.5 mm openhole section in Well SHBP1 by means of drilling fluid optimization[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(3): 27–33.
[3] JARVIE D M, HILL R J, RUBLE T E, et al. Unconventional shale-gas systems: the Mississippian Barnett shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment[J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4): 475–499. doi: 10.1306/12190606068
[4] SIMPSON J P, WALKER T O, JIANG G Z. Environmentally acceptable water-base mud can prevent shale hydration and maintain borehole stability[R]. SPE 27496, 1995.
[5] 李佳,邱正松,宋丁丁,等. 井壁强化作用影响因素的数值模拟[J]. 钻井液与完井液, 2017, 34(2): 1–8. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2017.02.001 LI Jia, QIU Zhengsong, SONG Dingding, et al. Numeric simulation of factors affecting the strengthening of borehole wall[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2017, 34(2): 1–8. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2017.02.001
[6] 于雷,张敬辉,刘宝锋,等. 微裂缝发育泥页岩地层井壁稳定技术研究与应用[J]. 石油钻探技术, 2017, 45(3): 27–31. YU Lei, ZHANG Jinghui, LIU Baofeng, et al. Study and application of borehole stabilization technology in shale strata containing micro-fractures[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(3): 27–31.
[7] 俞杨烽. 富有机质页岩多尺度结构描述及失稳机理[D]. 成都: 西南石油大学, 2013. YU Yangfeng. Multi-scale structure description and borehole instability mechanism of organic rich shale[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2013.
[8] ZHAO Tianyi, LI Xiangfang, ZHAO Huawei, et al. Molecular simulation of adsorption and thermodynamic properties on type Ⅱ kerogen: influence of maturity and moisture content[J]. Fuel, 2016, 190: 198–207.
[9] 牛晓,潘丽娟,甄玉辉,等. SHB1-6H井长裸眼钻井液技术[J]. 钻井液与完井液, 2016, 33(5): 30–34. NIU Xiao, PAN Lijuan, ZHEN Yuhui, et al. Drilling fluid technology for long open hole section of Well SHB1-6H[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2016, 33(5): 30–34.
[10] SIGAL R F. A note on the intrinsic porosity of organic material in shale gas reservoir rocks[J]. Petrophysics, 2013, 54(3): 236–239.
[11] 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.
[12] 赵佩,李贤庆,田兴旺,等. 川南地区龙马溪组页岩气储层微孔隙结构特征[J]. 天然气地球科学, 2014, 25(6): 947–956. ZHAO Pei, LI Xianqing, TIAN Xingwang, et al. Study on micropore structure characteristics of Longmaxi Formation shale gas reservoirs in the Southern Sichuan Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2014, 25(6): 947–956.
[13] 薛世峰,马国顺,葛洪魁,等. 液-固-水化耦合形式的井眼稳定性模型研究[J]. 石油钻探技术, 2007, 35(1): 41–44. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2007.01.012 XUE Shifeng, MA Guoshun, GE Hongkui, et al. Study of a fluid-solid-wetting coupling wellbore stability model[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2007, 35(1): 41–44. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2007.01.012
[14] 宋世超. 泥页岩井壁稳定的力学与化学协同作用研究与应用[D]. 武汉: 长江大学, 2013. SONG Shichao. Mechanical and chemical shale stability research and application of collaborative action[D]. Wuhan: Yangtze University, 2013.
[15] 李芷,贾长贵,杨春和,等. 页岩水力压裂水力裂缝与层理面扩展规律研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(1): 12–20. LI Zhi, JIA Changgui, YANG Chunhe, et al. Propagation of hydraulic fissures and bedding planes in hydraulic fracturing of shale[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(1): 12–20.
[16] SAVARI S, WHITFILL D L, JAMISON D E, et al. A method to evaluate lost circulation materials-investigation of effective wellbore strengthening applications[R]. SPE 167977, 2014.
[17] 卢运虎,陈勉,安生. 页岩气井脆性页岩井壁裂缝扩展机理[J]. 石油钻探技术, 2012, 40(4): 13–16. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2012.04.003 LU Yunhu, CHEN Mian, AN Sheng. Brittle shale wellbore fracture propagation mechanism[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2012, 40(4): 13–16. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2012.04.003
[18] 李益寿. 柯193井井壁稳定钻井液技术应用研究[J]. 新疆石油天然气, 2018, 14(2): 37–41. doi: 10.3969/j.issn.1673-2677.2018.02.008 LI Yishou. Study on application for hole stability of Ke 193 Well[J]. Xinjiang Oil & Gas, 2018, 14(2): 37–41. doi: 10.3969/j.issn.1673-2677.2018.02.008
[19] 张金波,鄢捷年,赵海燕. 优选暂堵剂粒度分布的新方法[J]. 钻井液与完井液, 2004, 21(5): 4–7. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2004.05.002 ZHANG Jinbo, YAN Jienian, ZHAO Haiyan. Optimization of bridging particle size distribution of drilling fluid for formation protection[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2004, 21(5): 4–7. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2004.05.002
[20] 蒋官澄,鄢捷年,王富华,等. 新型屏蔽暂堵技术在大宛齐地区的应用[J]. 石油钻探技术, 1999, 27(6): 21–23. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.1999.06.008 JIANG Guancheng, YAN Jienian, WANG Fuhua, et al. Applications of temporary plugging techniques in Dawanqi Area[J]. Petroleum Drilling Techniques, 1999, 27(6): 21–23. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.1999.06.008
[21] 张金波,鄢捷年. 钻井液暂堵剂颗粒粒径分布的最优化选择[J]. 油田化学, 2005, 22(1): 1–5. doi: 10.3969/j.issn.1000-4092.2005.01.001 ZHANG Jinbo, YAN Jienian. Optimization of particle size distribution for temporarily plugging/shielding agents in water base reservoir drilling fluids[J]. Oilfield Chemistry, 2005, 22(1): 1–5. doi: 10.3969/j.issn.1000-4092.2005.01.001
[22] 舒勇,鄢捷年,宋付英,等. 暂堵剂图解优化新方法在钻井液设计中的应用[J]. 石油钻探技术, 2008, 36(6): 48–51. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2008.06.011 SHU Yong, YAN Jienian, SONG Fuying, et al. The application of new graphical optimizing method of temporary plugging particle size distribution in drilling fluids design[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2008, 36(6): 48–51. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2008.06.011
-
期刊类型引用(50)
1. 邱春阳，王智，李彦操，厉明伟，龚伟，卜凡康. 顺北油田超深定向井润滑防塌钻井液技术. 天然气勘探与开发. 2025(01): 72-80 . 
百度学术
2. 杨坤. 塔西南山前破碎性地层安全高效钻井液关键技术. 化工管理. 2025(04): 165-168 . 百度学术
3. 刘雄伟，范胜，管金田，贺垠博. 顺北地区破碎性碳酸盐岩地层钻井液井壁稳定技术. 钻井液与完井液. 2025(01): 51-57 . 百度学术
4. 范翔宇，蒙承，张千贵，马天寿，李柱正，王旭东，张惊喆，赵鹏斐，邓健，周桂全. 超深地层井壁失稳理论与控制技术研究进展. 天然气工业. 2024(01): 159-176 . 百度学术
5. 方俊伟，贾晓斌，游利军，周贺翔，康毅力，许成元. 深层断溶体油气藏钻完井储层保护技术挑战与对策. 断块油气田. 2024(01): 160-167 . 百度学术
6. 李凡，李大奇，汤志川，高伟. 破碎地层护壁防塌剂研制及性能评价. 精细石油化工. 2024(02): 10-14 . 百度学术
7. 金军斌，董晓强，王伟吉，张杜杰. 塔里木盆地深部寒武系复杂地层钻井液技术. 石油钻探技术. 2024(02): 165-173 . 本站查看
8. 黎然，李文哲，张佳寅，刘阳. 万米深井SDCK1井上部超大尺寸井眼钻井液技术. 石油钻探技术. 2024(02): 93-99 . 本站查看
9. 贾俊，陈磊，郝超，周文军，冯永兵. 铝土岩水平井快封堵防塌钻井液技术. 钻井液与完井液. 2024(04): 473-480 . 百度学术
10. 张明明，李大奇，范翔宇. 破碎地层井壁坍塌压力及井周失稳区域研究. 断块油气田. 2024(05): 916-921 . 百度学术
11. 金军斌，张杜杰，李大奇，张栋，汪露，杨云龙. 顺北油气田深部破碎性地层井壁失稳机理及对策研究. 钻采工艺. 2023(01): 42-49 . 百度学术
12. 侯华丹，于雷. 基于弹性网眼体的油基钻井液堵漏体系研究与应用. 海洋石油. 2023(01): 55-58 . 百度学术
13. 李凡，李大奇，金军斌，张杜杰，方俊伟，王伟吉. 顺北油气田辉绿岩地层井壁稳定钻井液技术. 石油钻探技术. 2023(02): 61-67 . 本站查看
14. 范胜，蒋官澄，易浩，李志发，马立福，王国帅，杨俊，白兴文. 抗高温封堵固壁防塌水基钻井液研究与应用. 钻采工艺. 2023(02): 146-152 . 百度学术
15. 侯岳，刘春生，胡汉月. 一袋式堵漏技术在顺北油气田SHB501CH井的应用. 钻探工程. 2023(03): 99-105 . 百度学术
16. 王中华. 国内钻井液技术现状与发展建议. 石油钻探技术. 2023(04): 114-123 . 本站查看
17. 路保平，陈会年. 《石油钻探技术》50年与未来发展建议. 石油钻探技术. 2023(04): 3-10 . 本站查看
18. 谢俊，司西强，吴协力，范波. 扩展安全密度窗口的钻井液技术及其应用. 精细石油化工进展. 2023(05): 7-12 . 百度学术
19. 王伟吉，李大奇，金军斌，徐江，张杜杰. 顺北油气田破碎性地层井壁稳定技术难题与对策. 科学技术与工程. 2022(13): 5205-5212 . 百度学术
20. 喻化民，薛莉，吴红玲，李海彪，冯丹，杨冀平，鲁娜. 满深区块深井强封堵钻井液技术. 钻井液与完井液. 2022(02): 171-179 . 百度学术
21. 伍兴东. 顺北油田特深井裸眼坍塌处理工艺技术与应用. 内蒙古石油化工. 2022(04): 88-90 . 百度学术
22. 李科，赵怀珍，李秀灵，周飞. 抗高温高性能水基钻井液及其在顺北801X井的应用. 钻井液与完井液. 2022(03): 279-284 . 百度学术
23. 刘湘华，刘彪，杜欢，王沫. 顺北油气田断裂带超深水平井优快钻井技术. 石油钻探技术. 2022(04): 11-17 . 本站查看
24. 王雷鸣，罗衍阔，尹升华，周根茂，廖文胜，李召坤. 深地金属矿流态化浸出过程强化与地热协同共采的探索. 工程科学学报. 2022(10): 1694-1708 . 百度学术
25. 王伟吉，高伟，范胜，宣扬，董晓强. 新型非磺化环保低摩阻钻井液. 钻井液与完井液. 2022(04): 459-465 . 百度学术
26. 苗文静，宋晓勇. 顺北4井抗高温高密度钻井液技术应用. 石油化工应用. 2022(10): 72-76 . 百度学术
27. 王伟吉. 基于石墨烯修饰的超低渗透成膜剂制备及性能评价. 石油钻探技术. 2021(01): 59-66 . 本站查看
28. 路保平. 中国石化石油工程技术新进展与发展建议. 石油钻探技术. 2021(01): 1-10 . 本站查看
29. 吴雄军，林永学，王显光，刘金华，李大奇. 顺北5-7井超深层奥陶系地层油基钻井液技术. 长江大学学报(自然科学版). 2021(01): 100-106 . 百度学术
30. 李秀灵，李琼，邱春阳，郑成胜，赵怀珍. 顺北区块抗突发性盐水钻井液体系的室内研究. 承德石油高等专科学校学报. 2021(02): 18-23 . 百度学术
31. 唐磊，王建峰，曹敬华，杨敏，李双贵. 塔里木盆地顺北地区超深断溶体油藏地质工程一体化模式探索. 油气藏评价与开发. 2021(03): 329-339 . 百度学术
32. 陈修平，高雷雨，刘景涛，胡云磊，李家学，石祥超. 顺北油气田却尔却克组井壁失稳机理及应对措施. 钻井液与完井液. 2021(01): 35-41 . 百度学术
33. 汪海阁，黄洪春，毕文欣，纪国栋，周波，卓鲁斌. 深井超深井油气钻井技术进展与展望. 天然气工业. 2021(08): 163-177 . 百度学术
34. 白传中，刘刚，徐同台，肖伟伟，凡朝波，张永利，马飞. 裂缝性泥页岩地层防塌误区及强封堵防塌对策. 钻井液与完井液. 2021(03): 337-340 . 百度学术
35. 舒义勇，孙俊，曾东，徐思旭，周华安，席云飞. 塔里木油田跃满西区块高温恒流变钻井液研究与现场试验. 石油钻探技术. 2021(05): 39-45 . 本站查看
36. 金军斌，欧彪，张杜杰，王希勇，李大奇，王逸. 深部裂缝性碳酸盐岩储层井壁稳定技术研究现状及展望. 长江大学学报(自然科学版). 2021(06): 47-54 . 百度学术
37. 刘贤玉，管申，韩成，陈力，曹峰. 北部湾盆地开发井高效安全钻井技术. 石油钻探技术. 2020(01): 21-25 . 本站查看
38. 李双贵，于洋，樊艳芳，曾德智. 顺北油气田超深井井身结构优化设计. 石油钻探技术. 2020(02): 6-11 . 本站查看
39. 李成，白杨，于洋，许晓晨，范胜，罗平亚. 顺北油田破碎地层井壁稳定钻井液技术. 钻井液与完井液. 2020(01): 15-22 . 百度学术
40. 邱春阳，周建民，张海青，陈二丁，王宝田. 车古潜山油藏抗高温无固相钻井液技术. 断块油气田. 2020(03): 390-393 . 百度学术
41. 王建云，杨晓波，王鹏，范红康. 顺北碳酸盐岩裂缝性气藏安全钻井关键技术. 石油钻探技术. 2020(03): 8-15 . 本站查看
42. 卢运虎，肖先恒，赵琳，金衍，陈勉. 温度对超深裂缝性地层井壁稳定性的影响. 钻井液与完井液. 2020(02): 160-167 . 百度学术
43. 丁士东，赵向阳. 中国石化重点探区钻井完井技术新进展与发展建议. 石油钻探技术. 2020(04): 11-20 . 本站查看
44. 丁少军. 水平井段套损可膨胀修复技术——以大牛地气田PG34井为例. 大庆石油地质与开发. 2020(05): 80-85 . 百度学术
45. 于得水，徐泓，吴修振，陈迎伟，徐金永. 满深1井奥陶系桑塔木组高性能防塌水基钻井液技术. 石油钻探技术. 2020(05): 49-54 . 本站查看
46. 杨红歧，孙连环，敖竹青，桑来玉，杨广国，高元. 顺北油气田一区超深井三开长封固段固井技术. 石油钻探技术. 2020(06): 33-39 . 本站查看
47. 苏义脑，路保平，刘岩生，周英操，刘修善，刘伟，臧艳彬. 中国陆上深井超深井钻完井技术现状及攻关建议. 石油钻采工艺. 2020(05): 527-542 . 百度学术
48. 吴雄军，林永学，宋碧涛，金军斌，董晓强. 顺北油气田奥陶系破碎性地层油基钻井液技术. 钻井液与完井液. 2020(06): 701-708 . 百度学术
49. 韩成，黄凯文，罗鸣，刘贤玉，邓文彪. 南海莺琼盆地高温高压井堵漏技术. 石油钻探技术. 2019(06): 15-20 . 本站查看
50. 吴雪婷，邹韵，陆彦颖，赵增义，周城汉. 漏失循环条件下井筒温度预测与漏层位置判断. 石油钻探技术. 2019(06): 54-59 . 本站查看
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