深部鹽巖層繩索取心鉆井液技術研究與應用

鄭文龍，烏效鳴，吳 笛，肖長波，盧予北

(1. 中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074；2. 四川省地質(zhì)工程勘察院，四川成都 610041；3. 河南省深部探礦工程技術研究中心，河南鄭州 450053)

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深部鹽巖層繩索取心鉆井液技術研究與應用

鄭文龍1，烏效鳴1，吳 笛1，肖長波2，盧予北3

(1. 中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074；2. 四川省地質(zhì)工程勘察院，四川成都 610041；3. 河南省深部探礦工程技術研究中心，河南鄭州 450053)

由于次生應力場的作用以及鹽巖易溶于水的特性，深部鹽巖層鉆進存在巖層蠕動、鉆井液易遭受鹽鈣侵等問題；鉆進參數(shù)選擇不合理易導致鹽巖層取心效率低、巖心沖蝕嚴重。本文以河南省葉舞凹陷ZK3井為例，采用石油鉆井與繩索取心相結合的措施，解決了普通固體礦產(chǎn)鉆探設備在深部地層取心中效力不足的問題；通過陽離子交換容量測定、礦物組分鑒定、鉆井液體系優(yōu)選及性能測試等試驗，確定了針對上部泥巖地層的聚合物鉆井液體系，中部含膏泥巖的欠飽和鹽水鉆井液體系，下部鹽巖層取心段的飽和鹽水鉆井液體系。通過確定合適的鉆井液密度與臨界環(huán)空返速，可以有效控制深部鹽巖層蠕變與井壁沖蝕，適度提高排量以成倍提高鉆進速度。鉆進過程中鉆井液性能穩(wěn)定，體系轉(zhuǎn)換順利且性能易于調(diào)整，為取心任務的順利完成提供了有力保證。

鹽巖層 繩索取心 鉆井液 井壁穩(wěn)定 巖心沖蝕 臨界返速 葉舞凹陷 河南

Zheng Wen-long, Wu Xiao-ming, Wu Di, Xiao Chang-bo, Lu Yu-bei. Drilling fluid technology suitable for core drilling in deep salt beds [J]. Geology and Exploration, 2015, 51(5)：0977-0983.

鹽巖層大致分為兩類，一類為純鹽巖層，另一類為復合鹽巖層。正確區(qū)別純鹽巖層和復合鹽巖層，是鉆好鹽巖井的首要工作(龔志敏，1995)。無論是純鹽巖層還是復合鹽巖層，均普遍存在施工復雜和井下事故頻發(fā)的現(xiàn)象。膏鹽層、軟泥巖、硬質(zhì)無水石膏等均對鉆井作業(yè)影響很大(蔣明英等，2010)，尤其是由于鹽膏層的蠕動而造成的埋鉆、卡鉆以及擠毀套管等事故給鉆井工程帶來重大的經(jīng)濟損失(郭春華等，2004)。

金衍等(2000)從力學與物理角度對鹽巖層事故原因進行了分析，認為次生應力場的作用以及鹽巖易溶于水的特性導致了鹽巖層鉆進的復雜性(金衍等，2000)。曾義金等(2003)則認為除高壓導致鹽巖層蠕動外，鹽巖地層滲透率過低而難以在井壁上形成有效泥皮，鉆井液在一定環(huán)空返速下導致鹽巖井壁沖刷溶蝕嚴重而加劇了井壁失穩(wěn)。鉆進過程中，隨井深增加，深部鹽巖層上覆壓力增大，井底溫度升高，因而確保鉆井液在循環(huán)過程中性能穩(wěn)定至關重要。如鉆遇復雜地層，就要求泥漿具有適當?shù)拿芏取⒘己玫脑毂谛阅芎涂刮廴拘阅?胡繼良等，2012)。

鑒于上述理論依據(jù)，許多專家推薦使用油基鉆井液、飽和鹽水鉆井液或欠飽和鹽水鉆井液在鹽巖層鉆進。國外石油天然氣與鹽礦鉆探過程中，常采用油基鉆井液以控制鹽巖地層發(fā)生溶蝕與塑性蠕變，預防含有石膏與石鹽的軟泥巖水化分散帶來的井下復雜情況(唐軍等，2014)。但是，越發(fā)嚴格的環(huán)保條例與成本考慮限制了油基鉆井液的廣泛應用(Zhongetal.,2011)。鄭力會等(2005)提出了有機鹽加重鉆井液體系，與無機鹽鹽水鉆井液相比，有機鹽鉆井液可在保持低固相含量的前提下達到更高的加重密度，但同時也存在成本過高問題。地質(zhì)勘查單位普遍存在巖心采取率要求高、鉆井液成本預算有限、取心工作延長建井周期、固相控制設備不完善等客觀情況，從而對鹽巖層取心鉆進過程中鉆井液性能的維護與調(diào)整工作提出了極大考驗。

為保證中原沉積巖地區(qū)深部鹽巖層取心鉆進工作的順利進行，本次研究在對河南葉舞凹陷ZK3井鉆遇地層巖石礦物組分鑒定及鹽巖層蠕變特性研究的基礎上，通過優(yōu)化井身結構設計、優(yōu)選與地層相適應的鉆井液體系、確定合理的鉆井液密度等措施，采用石油鉆井與繩索取心“二合一”技術，有效實現(xiàn)了深部鹽巖層快速取心鉆進的目的。

1 地層情況與取心要求

河南省葉舞凹陷ZK3井位于葉縣鹽田范圍內(nèi)，0～1900m內(nèi)地層情況為：第四系更新統(tǒng)平原組(Qp)，由亞粘土及砂質(zhì)粘土、棕紅色粘土、礫石層組成；上第三系漸新統(tǒng)上寺組(Nsh)，由泥巖、砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)砂巖組成；下第三系漸新統(tǒng)廖莊組(El)，由泥巖、砂質(zhì)泥巖、細砂巖、泥質(zhì)砂巖組成，下部可見白云質(zhì)泥巖；下第三系始新統(tǒng)核桃園組(Eh)，由石鹽巖、泥質(zhì)鹽巖及含膏泥巖、泥質(zhì)膏巖組成。上部地層固結性差，遇水易軟化；下部地層石鹽巖夾泥質(zhì)鹽巖、泥質(zhì)膏鹽，易發(fā)生塑性變形，鉆井液易遭受鹽鈣侵。根據(jù)實鉆錄井資料分析，1900～2360m巖性以細粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂質(zhì)鹽巖為主，鉆井液易遭受鹽侵。

取心要求包括：(1)在2000～2630m連續(xù)取心，終孔直徑大于95mm；(2)巖心采取率不低于75%，礦心和頂、底板巖心采取率不低于85%；(3)巖心采取過程中最大回次不超過3～4m；(4)嚴格、謹慎使用鉆進泥漿，保證巖心原狀(盧予北等，2012)。

2 井身結構與取心工藝

鹽井上部通常要求在滿足地質(zhì)錄井的基礎上進行不取心鉆進以減少費用，為直接獲取地質(zhì)資料，又常在下部進行大段取心；開采井則要求井身結構簡單、施工方便、服務年限長。因此，探采結合井必須在滿足探的基礎上兼顧采的要求，這必然加大了鹽井施工的難度(王道樂，1994)。該井為典型的探采結合井，除探查深部鹽巖層外，兼探查該地區(qū)深部地熱資源。從勘探目的與優(yōu)化井身結構出發(fā)，確定了如下井身結構及套管程序設計，如表1所示。

該井取心段位于2000m以下，如采用巖心管提鉆取心方式，采取巖心及起下鉆輔助工序所占總時間比例將達到30%～40%(武漢地質(zhì)學院，1980)，這必然導致建井周期大幅延長，非一般巖心鉆探施工單位所能承受。盡管已有多家單位在大口徑深部取心方面開始采用長筒取心以縮短非取心時間，但仍無法滿足該井設計中巖心采取過程中最大回次不超過3m～4m的要求。為了增加純鉆時間，提高鉆進效率，采用繩索取心鉆進是最有效的途徑之一(鄢泰寧，2009)。本次研究最終決定采用Φ120mmPDC繩索取心鉆頭+Φ110mm取心筒+Φ110mm鉆鋌+Φ120mm扶正器+Φ89mm繩索鉆桿的鉆具組合進行取心工作。

表1 井身結構與套管規(guī)格

3 鉆井液體系選擇

除油基鉆井液和有機鹽加重鉆井液外，鹽巖層鉆進可供選擇的鉆井液體系主要為欠飽和鹽水鉆井液與飽和鹽水鉆井液體系。對于欠飽和鹽水鉆井液而言，鉆井中Cl-含量的控制非常重要。Cl-含量過低容易出現(xiàn)“大肚子”井段，過高則無法有效溶解井壁鹽巖。其鉆井液維護要點在于：含鹽量越低，降粘問題越突出；含鹽量越高，護膠問題越重要。而飽和鹽水鉆井液的維護要點在于以護膠為主，降粘為輔，著重考慮添加重結晶抑制劑，以解決鹽的溶解度隨溫度上升而增加導致井底含鹽量不飽和問題(鄢捷年，2001；郭春華等，2004)。

鹽水鉆井液多是在上部鉆井液體系的基礎上通過直接轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)換要點在于：首先將坂含控制在較低的范圍內(nèi)，通過抗鹽類處理劑充分護膠后逐步添加NaCl至設計加量并調(diào)整到設計密度，通過與體系相配伍的降粘劑調(diào)整粘切。無論是欠飽和鹽水鉆井液還是飽和鹽水鉆井液，都曾在鉆進鹽巖層中取得了良好的施工效果(龔志敏，1995；李益壽等，2005)。

采用飽和鹽水泥漿成本較低，抑制鹽溶能力較強，而用于鹽巖層取心尚不多見(王德承等，1990)。其中，以鐵鉻鹽作為降粘劑，以CMC、淀粉等作為護膠劑的飽和鹽水鉆井液曾在鹽巖層取心鉆進中得到應用(孫國強，1992；王有占，1993；劉鴻燕等，2011)?？紤]到FCLS在使用中易起泡，高價鉻對環(huán)境危害大，當前鉆井工程中已逐漸限制其使用。聚合物鉆井液因具有固相含量低、剪切稀釋性好、鉆進速度快等優(yōu)點已得到廣泛應用。靳紅兵等(2011)以CMC和NH4HPAN為主劑將KCl聚合物鉆井液體系轉(zhuǎn)換為飽和鹽水鉆井液，選用CQX-172型單動雙管取心筒完成了149.83m的取心任務；王衛(wèi)民等(2010)在S/D-1井選用了聚磺飽和鹽水鉆井液，收獲了170.64m鹽巖心，同時發(fā)現(xiàn)PDC取心鉆速為金剛石取心鉆速的3倍。

在綜合考慮防止巖層蠕變、減弱巖心溶蝕、控制鉆井液成本以及環(huán)境保護等因素之后，最終確定如下針對性鉆井液技術方案：上部泥巖地層以聚合物鉆井液體系實現(xiàn)快速鉆進；中部含鹽巖、鹽膏層段以欠飽和鹽水鉆井液體系有效控制井壁溶蝕并控制鉆井液成本；下部取心段在上部欠飽和鹽水鉆井液的基礎上轉(zhuǎn)化為飽和鹽水鉆井液，兼顧護心、護壁的目的。

4 室內(nèi)試驗

4.1 泥頁巖陽離子交換容量測定試驗

通過對現(xiàn)場鉆屑進行陽離子交換容量測定試驗，以表征不同地層在鉆進過程中鉆屑水化分散能力的強弱。試驗測得二開段和三開段鉆屑的陽離子交換容量分別為5mmol/(100g鉆屑)和3mmol/(100g鉆屑)，說明上述層段的鉆屑水化分散能力較弱，這與鉆屑中粘土礦物的種類和含量有關。

4.2 鹽巖溶解性試驗

為表征鹽巖心在不同含鹽量鹽水中的溶解情況，取三開段鹽巖心碎屑并研磨，稱取10g研磨后的巖心粉末于8MPa下穩(wěn)壓10min制取人工巖心，巖心表面積約為10.6cm2；室溫下將巖心分別置于100ml含鹽量為0、50g/L、100g/L、200g/L的鹽水溶液及飽和鹽水中；于2h后測試Cl-變化情況，計算巖心溶解速率分別為0.38g·cm-2·h-1，0.28 g·cm-2·h-1，0.24 g·cm-2·h-1，0.15 g·cm-2·h-1，0.03 g·cm-2·h-1。這說明隨著鹽濃度的增加，鹽巖溶解速率逐漸降低。為保證鹽巖層取心順利且有效控制鹽巖溶蝕，在取心段宜采用飽和鹽水鉆井液體系。

4.3 XRD衍射礦物組分鑒定試驗

2000m以下為設計取心段，取心、護心難度大，防止井壁失穩(wěn)要求高。每鉆進100m采取巖心碎塊進行XRD衍射礦物鑒定試驗，分析不同地層巖石的礦物組成及百分含量，試驗結果見表2。

表2 鹽巖層礦物組分(%)

由表2可知，進入三開地層后，綠泥石等粘土礦物含量大幅減少，除石鹽礦物外，還含有大量的石英、方解石等惰性礦物。可溶性鹽的類型測定結果表明NaCl含量在75%～90%，CaSO4含量為3.5%～6%。所以，對于取心段而言，鉆井液體系選擇應以防止鹽侵為主，兼顧防石膏侵，盡量選擇抗鹽和抗鈣的處理劑。

4.4 鉆井液配方基本性能測試

在上述地質(zhì)與工程資料的基礎上，通過實驗室內(nèi)鉆井液體系選擇與正交試驗，優(yōu)選針對上部泥巖地層、中部含鹽膏地層、下部取心段鹽巖地層的鉆井液配方，分別記為1#，2#，3#。

1#:5%NV-1+0.2%Na2CO3+0.1%KPAM+0.6%NaHPAN+0.1%XY-27+0.25%KHm;2#:5%NV-1+0.2%Na2CO3+10%NaCl+0.1%KPAM+0.8%NaHPAN+0.8%LV-CMC+0.15%HV-CMC+0.2%KHm+0.1%NaOH;3#:3%NV-1+31.5%NaCl+0.1%KPAM+0.7%NaHPAN+0.9%LV-CMC+0.3%KHm +0.9%FKJ-2+0.2%NaOH+8%凹凸棒土，以重晶石加重至設計密度。針對上述三種配方進行了基本性能測試，測試結果見表3。結果表明，上述鉆井液體系針對性強，流變性良好，易于現(xiàn)場轉(zhuǎn)換和維護。

表3 鉆井液基本性能測試

*：2#與3#配方的高溫高壓動態(tài)濾失量測試溫度分別為45℃，60℃；轉(zhuǎn)速為120r/min；/表示未測。

4.5 膨脹量測定試驗

分別取三套地層的典型巖樣，巖性分別為泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)石鹽巖；粉碎后過100目的分樣篩，105℃條件下烘干4h，并在室溫下冷卻24h。分別稱取6.5g樣品，使用巖心壓制機在4MPa壓力下恒壓5min制備人工巖心，分別記為a、b、c和A、B、C，并記錄巖心高度；將a、b、c三個巖樣浸泡在清水中，將A、B、C三個巖樣浸泡在相對應的1#、2#、3#鉆井液中，使用ZP-1膨脹儀進行膨脹量測定試驗，實驗結果見圖1。

圖1 膨脹量試驗結果Fig. 1 Test results of swelling capacity

結果顯示，三種巖樣在鉆井液中的24h膨脹量相比于清水分別減少了87%、84%和95%，表明三種鉆井液均具有良好的抑制性。

4.6 泥頁巖滾動回收試驗

取2050m和2350m處巖樣，分別記為二號巖樣和三號巖樣。其中，二號巖樣為粉砂質(zhì)泥巖，三號巖樣為粉砂質(zhì)石鹽巖；粉碎后過4～10目的分樣篩。稱取過篩巖樣40g，分別置于清水、10%NaCl溶液、20%NaCl溶液、2#鉆井液和3#鉆井液中。在80℃下滾動16h，將熱滾后的鉆井液和巖心碎屑過40目分樣篩，在105℃下烘干4h，在室溫下冷卻24h，稱量篩余物質(zhì)量。篩余物質(zhì)量與原試樣質(zhì)量(40g)的比值記為滾動回收率(%)，結果如表4所示。

表4 泥頁巖滾動回收試驗結果(%)

結果表明，2#與3#鉆井液熱滾回收率均較高，說明其抑制性較好。通過觀察滾動回收后的巖樣可以發(fā)現(xiàn)，清水中回收的巖樣雖然也有部分較大顆粒，但基本上都是砂巖碎屑，其余全部水化分散，說明該地區(qū)巖樣熱滾時具有極強的水化分散性；相比而言，所使用的鹽水鉆井液具有較高的熱滾回收率，而且熱滾后的鉆屑完整性較強。

4.7 其它性能評價

以EP潤滑系數(shù)測定儀和NF-2型粘附系數(shù)測定儀分別測定了三種鉆井液的極壓潤滑系數(shù)和泥餅粘附系數(shù)。1#，2#，3#潤滑系數(shù)分別為0.32，022，0.20；粘附系數(shù)分別為0.28，0.26，0.23。表明該鹽水鉆井液具有良好的潤滑性，能夠有效預防粘附卡鉆和鉆頭泥包。

此外，還對2#和3#鉆井液做了抗鹽侵與抗鉆屑(泥頁巖)污染試驗，試驗結果見表5。隨著鉆屑、NaCl、CaSO4的加入，鉆井液的粘度、切力與濾失量略有增加，pH值略有下降,而總體性能變化不大，表明該鉆井液具有較好的抗污染能力。

5 現(xiàn)場應用與問題分析

5.1 鉆井液現(xiàn)場應用

為保證中原沉積巖地區(qū)深部鹽巖層取心鉆探順利進行，河南葉舞凹陷鹽礦普查ZK3井使用上述三種鉆井液配方在該區(qū)鹽巖地層進行取心鉆進工作，并取得了良好的使用效果。在應用過程中該鉆井液性能穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)因為泥頁巖水化分散而導致的造漿問題，一開、二開和三開鉆井液蘇氏漏斗粘度分別在30s、37s和40s左右，二開后鉆井液中壓濾失量控制在15ml/30min以內(nèi)，2000m以深控制在7ml/30min以內(nèi)?，F(xiàn)場固控設備組合為振動篩與除砂器，因固相清除能力有限，鉆井液含砂量偏高。各層段鉆井液性能參數(shù)見表6。

自1996m開始取心鉆進，至2386m完鉆，進尺390m，取心長度374.2m，取心率為95.9%，滿足了取心率≥75%的要求；隨井深增加，地面泥漿溫度升高，完鉆時實測井底溫度為68℃，地面泥漿溫度為45℃;由于井底溫度較低，整個鉆進過程中未觀察到重結晶現(xiàn)象；Cl-含量始終保持在175000～186000mg/L左右，有效保證了含鹽量始終維持在飽和狀態(tài)，抑制了鹽巖溶解；石膏含量0～8%不等，多呈粉末狀及星點狀分布，局部呈團塊狀分布，由于其溶解度較低，泥漿護膠充分且坂含較低，未觀察到鈣侵現(xiàn)象。初始鉆速在1～2m/h，提高排量后鉆速達到4m/h，取得了良好的提速效果，但是測井曲線表明，大排量沖洗條件下井徑擴大率也有所增加。

5.2 現(xiàn)場問題分析

在ZK3井鉆進過程中，當井深超過1500m時，鉆速下降明顯；繩索取心鉆進時，因提升鉆具阻力較大而出現(xiàn)埋鉆事故。鉆進效率低下除與鉆頭選型、鉆壓、轉(zhuǎn)速等有關，還與排量及鉆井液流變性能密切相關。如果鉆屑不能被及時排出地面，在井底造成重復切削，必然導致鉆速下降。表征鉆井液攜帶鉆屑能力的指標為攜帶比。

表5 鉆井液抗污染試驗

表6 典型地層鉆井液性能參數(shù)

(1)

(2)

式(2)中：vc為雷諾數(shù)取2000時的臨界返速，m/s；μp為塑性粘度，Pa·s；ρ為鉆井液密度，g/cm3；τ0為動切力，Pa；D為井徑，cm；d為鉆桿或鉆鋌外徑，cm。

結合現(xiàn)場鉆具尺寸與井身結構，對鉆進各階段達到臨界返速時所需臨界排量進行了計算，并對不同排量條件下鉆速、井眼擴大率、巖心沖蝕情況做了統(tǒng)計。如在全面鉆進1652～1996m段，通過TBW1200與QZ3NB-800兩種型號的泥漿泵進行對比試驗，鉆速由1.125～1.75m/h提高到3.125～3.375m/h，最大超徑率由35.97%增至157.4%；在1996～2300m取心段，通過BW320與QZ3NB-800兩種型號的泥漿泵進行對比試驗，鉆速由1～2m/h提高到4m/h，最大超徑率由19.9%增大至123.3%。結果表明，無論是全面鉆進還是取心鉆進，在相同地質(zhì)條件下，排量提高后鉆速均大幅提高，井眼擴大率也隨之增大，而巖心沖蝕程度變化不大。

6 結論

(1) 通過簡化井身結構，采用石油鉆探與繩索取心相結合的方法，大幅提高了取心速度。通過控制臨界環(huán)空返速，適當提高排量成倍提高鉆進速度。該工程的實施對今后深部鹽巖層取心鉆進工程具有良好的借鑒意義。

(2) 所優(yōu)選鉆井液體系針對性強，在上部泥巖地層實現(xiàn)了快速鉆進，在巖鹽取心地層有效控制了巖層蠕動變形與井壁沖刷溶蝕；三種鉆井液體系易于現(xiàn)場轉(zhuǎn)換與維護，控制了鉆進成本，取得了良好的護壁、護心效果。

(3) 鉆井液體系轉(zhuǎn)換應在進入鹽巖層頂板50m左右進行，轉(zhuǎn)換過早成本較高，轉(zhuǎn)換過晚易遭受鹽鈣侵；除合理控制鉆井液密度外，工程上可配合劃眼、短起下等措施以有效預防鹽巖層鉆進時發(fā)生阻卡。

(4) 隨著深部探礦工程的不斷推進，地質(zhì)勘探單位在鉆井液技術方面應給予足夠的重視程度與投入力度，為安全、快速取心鉆進創(chuàng)造良好的條件。

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Drilling Fluid Technology Suitable for Core Drilling in Deep Salt Beds

ZHENG Wen-long1, WU Xiao-ming1, WU Di1, XIAO Chang-bo2, LU Yu-bei3

(1.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074; 2.SichuanInstituteofGeologicalEngineeringInvestigation,Chengdu,Sichua610041; 3.HenanResearchCenterofDeepPartProspectingEngineering,Zhengzhou,Henan450053)

With the function of the secondary stress field and the property of salt soluble in water, problems such as formation creeping, salt and calcium contamination often arise while drilling in deep salt beds. Unreasonable drilling parameters can result in low drilling efficiency and serious core washout. In this work, drilling equipment capacity deficiency is solved by combination of oil drilling and core drilling. With the CEC test, XRD test and different kinds of drilling fluid parameter tests, this work optimized the polymer drilling fluid system, unsaturated salt water drilling fluid system and saturated drilling fluid system for drilling in shale formations, salt-bearing strata and salt beds, respectively. Performances of the drilling fluids are stable, easy to transform and adjust. As a result, the borehole washing capability is improved by controlling critical annular velocity, and penetration rate is enhanced by increasing flow rates.

salt bed, core drilling, drilling fluid, borehole stability, core washing out, critical annular velocity, Yewu sag, Henan

2015-06-15；

2015-08-18；[責任編輯]郝情情。

河南省國土資源廳地質(zhì)礦產(chǎn)科技攻關項目《豫西復雜地層快速鉆探技術研究》(編號：2011-622-11)資助。

鄭文龍(1988年-)，男，中國地質(zhì)大學(武漢)博士研究生在讀，主要從事鉆井液與壓裂液方面研究工作。E-mail：15138480305@163.com。

TE254

A

0495-5331(2015)05-0977-07