[来源：石 油 钻 采 工 艺]郑文龙1、乌效鸣 1、朱永宜 2、王稳石 2、张林生 3 、许 洁 1（1. 中国地质大学（武汉） ， 湖北武汉 430074；2. 中国地质科学院勘探技术研究所， 河北廊坊 065000；
3. 重庆睿智石油天然气技术服务有限公司， 重庆 404100）
摘要：
松科 2 井为国际大陆科学钻探计划（ICDP） 支持的全球第一口钻穿白垩纪陆相沉积地层的大陆科学钻探井。该井二开（2 840 m） 钻遇地层中伊蒙混层、 伊利石和高岭石等黏土矿物总含量高达 60% 以上， 易水化分散导致缩颈和垮塌；二开上部套管 Ø508 mm， 下部井径 Ø215.9 mm， 上下两部分井径相差悬殊而导致岩屑返排困难。通过 XRD 衍射矿物鉴定、 室内钻井液材料复配以及现场岩心浸泡等实验分析， 优选出适宜于大口径 Ø311.2 mm 和 Ø215.9 mm 取心工作的低成本钻井液体系。现场应用过程中， 钻井液动塑比维持在 0.45~0.82 Pa/（mPa · s） ， 润滑系数控制在 0.11~0.14， 泥饼黏附系数 0.12~0.15， 有效解决了携岩困难问题， 并降低了长裸眼卡钻风险。在大口径取心试验、 正式设计取心与全面钻进等作业频繁更换以及钻井液性能不断调整过程中， 井内未发生大的坍塌与掉块， 圆满完成了在 491.12~510.94 m 段 Ø311.2 mm 口径试取心试验， 以及1074.00~1 148.01 m 和 1 182.74~1 256.01 m 段的 Ø215.9 mm 口径设计取心任务。
正文：
松科 2 井布置在松辽盆地东南断陷区徐家围子断陷带宋站鼻状构造上， 是国际大陆科学钻探计划（ICDP） 支持的全球第一口钻穿白垩纪陆相沉积地层的大陆科学钻探井， 也是我国第一深科学钻探直井，设计井深 6 400 m。通过松辽盆地科学钻探工程的实施， 实现“两井四孔、 万米连续取心” ， 为获取白垩纪时期亚洲东部高分辨率气候环境变化记录， 阐明大庆油田形成的原因、 过程和结果奠定坚实的基础。通过获取松辽盆地深达 6 400 m 的原位、 连续地球物理参数， 为松辽盆地及其相关类似盆地的地球物理勘探提供科学“标尺” 。
为获取更加详细的地层资料， 松科 2 井特殊的井身结构设计与钻进规程对钻井液性能提出了新的要求， 井身结构设计为五开， 一开（440 m）和二开（2840 m） 均以小口径（一开 Ø444.5 mm 和二开Ø215.9 mm） 成孔， 再按设计井径（一开 Ø660.4 mm和二开Ø444.5 mm） 扩孔， 尤其是在二开成孔过程中，上下两部分井段井径相差悬殊， 钻屑难以顺利返排；试取心试验、 正式取心作业和全面钻进交替进行， 为满足工程需要， 钻井液性能需要频繁调整。松辽盆地地层稳定性差， 地温梯度高， 曾使用过多种不同钻井液体系。这些钻井液体系均具有良好的抑制性， 但是成本普遍较高。松科 1 井开创了低成本循环减阻钻井液体系在大庆地区绳索取心钻进中使用的先例， 通过 PAM、 DFD 及 LG 植物胶等处理剂复配， 针对不同地层及时调整钻井液性能， 成功完成了 164.77 m~1 795.18 m 的连续取心工作 ［6-7］ 。在充分考虑松科 2 井特殊的钻井工程设计的基础上， 结合上述各钻井液体系的选用情况与邻井复杂情况提示， 最终确定一开选用普通高坂含钻井液，以满足快速钻进时充分携岩的需要；二开选用聚合物体系， 随井温升高逐步转为聚磺体系， 以满足抗温和维持井壁稳定的需要。该钻井液体系的选取， 一方面性能易于调整与维护， 适应于多重钻进工艺施工；另一方面， 在低成本条件下可实现钻井液体系的快速转换， 减少弃浆和排污费用。
1 施工难点
（1） 地层不稳定， 泥岩和砂岩互层频繁。四方台组、 嫩江组上部及泉四段泥岩黏土矿物含量高， 极易分散造浆；嫩江组下部、 姚家组、 青山口组及登娄库组泥岩性脆， 伊蒙混层占 50% 左右， 易剥落掉块；各层段夹砂岩和泥质粉砂岩等弱胶结地层易发生强渗透而形成虚厚泥皮， 压差卡钻风险较大。
（2） 井身结构复杂。二开时上部为 Ø508 mm 套管， 中部为 Ø311.2 mm 井眼， 下部为 Ø215.9 mm 井眼， 不同井段井眼尺寸相差悬殊， 确保岩屑顺利返排至关重要。
（3）大口径取心难度大， 裸眼取心时间长。Ø311.2 mm 和 Ø215.9 mm 大口径取心工艺复杂， 相对应钻井液性能参数控制缺乏参考， 长时间、 长井段不稳定地层钻进增加了取心风险。
（4） 扩孔危险性较高。泥岩地层经钻井液长时间浸泡而导致强度下降， 大井眼二次扩孔发生卡钻与坍塌的风险较大；扩孔作业导致前期初次成孔所形成的泥皮进一步严重分散， 钻井液性能尤其是流变性难以控制。 为满足详细获取地层资料的测井需要，一开以 Ø444.5 mm 钻头开孔， 以 Ø660.4 mm 钻头扩孔；二开以 Ø311.2 mm+Ø215.9 mm 钻至 2 826.08 m后， 再以 Ø444.5 mm 钻头扩孔。初次成孔过程中形成的泥皮在扩孔阶段分散严重， 导致钻井液黏度和切力上升很快。
（5） 取心钻进和全面钻进的钻具组合更换频繁，刮擦井壁易产生大量掉块， 卡钻风险增大。为严格控制井斜采取的各种防斜和纠斜措施对井壁稳定影响较大。
针对上述技术难点， 初步选定如下钻井液方案：一开以高坂含钻井液开孔， 大致配方为 1#：8% 膨润土 +0.4% 纯碱 +0.1% 烧碱 +0.25% 提黏增切剂+0.1% 聚合物包被剂 + 重晶石；二开上部选用聚合物体系， 随井温升高逐渐转为聚磺体系， 大致配方为2#：4% 膨润土 +0.24% 纯碱 +0.1% 烧碱 +0.1% 聚合物包被剂 +0.5% 聚合物降滤失剂 A+0.4% 聚合物降滤失剂 B+0.5% 纤维素类降滤失剂 + 重晶石；二开下部大致配方为 3#：4% 膨润土 +0.24% 纯碱+0.1% 烧碱 +0.15% 聚合物包被剂 +0.6% 聚合物降滤失剂 A+0.6% 纤维素类降滤失剂 +2% 磺化降滤失剂 C+2% 磺化沥青 +2% 防塌降滤失剂 D+2% 惰性封堵剂 +2% 润滑剂 + 重晶石。
2 室内研究
2.1 矿物组分
取明水组和四方台组上部灰色泥岩、 嫩江组上部红棕色泥岩以及青山口组灰绿色泥岩进行矿物组分鉴定， 实验仪器为 XRD 衍射分析仪， 其矿物组分见表 1。可以看出， 松科 2 井上部地层黏土矿物总含量均在 60% 以上。四方台组和嫩江组上部在钻进过程中泥岩易水化分散， 造浆严重；嫩江组下部和青山口组硬脆性泥页岩易剥落掉块， 井壁自稳能力较差。
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2.2 室内钻井液体系优选
2.2.1 岩心浸泡实验 取嫩江组岩心碎块， 分别浸泡在 0.2% 聚合物包被剂溶液以及清水中， 观察其水化分散情况。由图 1 可见， 岩心碎块具有极强的水化分散能力， 30 min 左右即在清水中发生很大程度的坍塌破碎；而在 0.2% 聚合物包被剂溶液中， 岩心碎块虽有轻微掉块现象， 但是整体完整性与稳定性相对较高。这说明该聚合物包被剂有较强的稳定钻屑的能力， 也能在一定程度上提高井壁稳定性。
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通过室内钻井液体系优选， 初步确定松科 2 井二开以浅大致钻井液配方， 其基本性能见表 2。
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2.2.2 抑制性评价 实验选用青山口组岩心碎屑，进行泥页岩滚动回收实验和泥页岩膨胀分散实验。由表 3 可知， 相比于清水， 钻井液对青山口组泥页岩有较强的抑制性。
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2.3 润滑性实验
在 3# 配方中添加润滑剂 RH-30， 以 EP-2A 极压润滑仪和 NF-2 型泥饼黏附系数测定仪分别测定钻井液的极压润滑系数 K s 和泥饼黏附系数 K f 。由表 4 可知， 润滑剂 RH-30 加量在 2% 时润滑系数和黏附系数已经降低到 0.12 和 0.10， 所以选取 2% 为RH-30 的最优加量。
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3 现场应用与性能调整
3.1 一开钻井液方案
一 开 开 孔 钻 头 直 径 Ø444.5 mm， 钻 进 深 度440.96 m；扩孔钻头直径 Ø660.4 mm， 扩孔钻进深度427.49 m；Ø508 mm 套管下入深度 426.62 m。钻遇地层为明水组和四方台组， 岩性以砂岩和泥岩为主，夹粉砂岩及砂砾岩。该井段井眼尺寸大， 钻进速度快， 岩屑量大， 在钻进过程中钻井液保持较高黏度和切力以有效携岩， 并且加强固控措施以最大程度清除岩屑， 添加 0.5% 钻井液清洁剂 RH-4 以防钻头泥包。整个一开钻进过程中， 钻井液典型性能参数为：密度 1.05~1.11 g/cm 3 ， 漏斗黏度 55~65 s， API 中压滤失量在 10 mL/30 min 左右。
3.2 二开钻井液方案
二 开 上 部（450.20~1 050.00 m）主 要 钻 遇 地层为嫩江组， 硬脆性泥页岩微裂隙发育， 易发生渗透水化剥落。一开结束扫完水泥塞后， 加足聚合物胶液以完成体系转换， 并进行 Ø311.2 mm 和Ø215.9 mm 大口径试取心试验。在试取心过程中，不断调整钻井液性能以适应取心需要。试取心顺利时钻井液性能参数为：密度 1.11~1.15 g/cm 3 ，塑性黏度 13~15 mPa · s， 动切力 4.5~6.5 Pa， 静切力1.5~3 Pa/7.5~9 Pa， 滤失量 7.5 mL 左右。
钻进至 1 050.00 m 时， 为保证正式取心工作顺利：一次性添加 2% 惰性封堵材料和 2% 低软化点沥青， 对微裂隙进行充填以增强井壁稳定性；加大纤维素类降滤失剂和聚合物降滤失剂等处理剂加量以控制滤失量；加入 2% 润滑剂 RH-30 和 0.5%清洁剂 RH-4， 提高钻井液润滑性以防黏卡。此时钻井液性能参数为：密度 1.18 g/cm 3 ， 塑性黏度22 mPa · s， 动切力 9.5 Pa， 静切力 2.5 Pa/9 Pa， 滤失量4 mL， 极压润滑系数 0.14， 泥饼黏附系数 0.12。整个取心过程中， 钻井液性能稳定， 井内未发生大的掉块与卡钻， 圆满完成了 Ø311.2 mm 的试取心试验， 以及 1 074.00~1 148.01 m 和 1 182.74~1 256.01m 的 Ø215.9 mm 口径设计取心任务， 图 2 为所取嫩江组岩心照片。
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取心结束后， 以 Ø215.9 mm 钻头开始全面钻进，随井深增加， 井温也逐渐升高， 因上下两部分井眼尺寸相差较大而导致的携岩困难问题也越来越突出，接单根与下钻过程中均有遇阻和下不到底的现象，一度发展到录井方面岩屑采集作业难以进行。正常钻进时排量在 36 L/s 左右， 继续增大排量易导致下部井段冲刷严重而垮塌， 此时下部 Ø215.9 mm 井段的环空返速理论值已达 1.69 m/s， 而上部 Ø508 mm套管内返速仅为 0.21 m/s。上部套管内环空返速过低导致大量钻屑滞留在井眼上部， 一旦停止循环即往底部回落， 沉砂卡钻风险增大；钻屑在井内滞留时间过长， 遭受钻井液液流冲击与井壁频繁碰撞， 水化分散程度进一步提高， 钻井液性能恶化趋势明显。通过逐渐增大聚合物包被剂及增黏提切剂的加量， 以及适当提高钻井液密度， 多种措施并举以提高钻井液的携带能力。通过观察钻进过程中钻屑返出情况， 确定携岩效果最佳时的钻井液性能参数， 典型钻井液性能参数为：密度 1.25 g/cm 3 ， 塑性黏度16 mPa · s， 动切力 14 Pa， 静切力 2.5 Pa/15 Pa， 滤失量4 mL， 漏斗黏度 65~70 s， pH 值 8~8.5。
二开扩孔前， 结合前期小口径成孔过程中的经验， 通过室内小样试验确定生石灰的加入量， 使黏土颗粒保持适度絮凝， 大幅度提高体系的固相容量限和抑制能力， 配合 SMC 使用以改善泥皮质量， 同时也为三开钻井液体系的顺利转换提前做好准备。二开扩孔阶段钻井液主要性能参数为：密度 1.25~1.28 g/cm 3 ， 塑性黏度 16~22 mPa · s， 动切力9~14 Pa， 静 切 力 3~4 Pa/12~16 Pa， 滤 失 量 2.4~3.6mL， 漏斗黏度 65~75 s， pH 值 8~8.5。
由于钻遇地层泥岩发育， 除配制开孔钻井液时使用膨润土造浆外， 在整个二开段均未补入土粉， 现场以多种处理剂与水配制成一定浓度的胶液， 以细水长流的方式均匀持续补入循环罐， 避免磺化材料加干粉时导致钻井液起泡；充分利用固控设备以最大程度清除无用固相， 其中振动筛与除砂器使用率分别占纯钻时间的 100% 和 80%。二开结束时， 钻井液总量已达 670 余 m 3 ， 除定期清掏沉淀罐损失小部分钻井液外， 最大程度做到了无浪费， 严格控制了钻井液排放量， 节约了弃浆与治污费用。
4 结论
（1） 优选出的钻井液方案适于松科 2 井特殊的井身结构与施工工艺， 满足了大口径试取心试验、 正式取心工作以及全面快速钻进频繁转换的多重需要。
（2） 通过严格控制滤失量， 改善黏土颗粒的分布级配， 补入低软化点沥青和惰性封堵材料， 有效提高了井壁稳定性， 降低了强渗透地层发生黏卡的风险。
（3） 保持良好的剪切稀释性与润滑性， 适当提高钻井液密度， 最大程度加强固相控制， 是松科 2 井特殊井身结构下顺利携岩的关键。
（4） 所选钻井液体系性能易于维护与调整， 方便体系转换， 减少了弃浆与排污费用， 节约了钻进成本， 为松科 2 井进一步钻进工作中钻井液体系选择与维护提供了参考与借鉴。
（5） 大陆科学钻探的研究主题覆盖了所有地学领域的广泛目标， 具有科研成果重大且密集特点的同时还存在施工周期长， 投资巨大， 需要多单位多学科跨领域协作等难题。深部科学钻探工程的实施， 不仅将带动地球科学相关学科和技术的发展， 还需要一系列重大工程技术的支撑。该项目的实施将明显提升我国深部科学钻探技术水平， 有利于逐步形成具有自主知识产权的科学钻探技术和方法体系。
〔编辑 朱 伟〕
