北京鳳河營熱水儲層的鉆井液體系優(yōu)化研究

付 宇， 裴小龍， 南天浩， 劉星宇， 宋東陽

(武警黃金部隊第四支隊，遼寧 遼陽 111000)

0 引言

北京市大興區(qū)采育鎮(zhèn)鳳河營，位于京津冀交匯處，地處環(huán)渤海經濟圈的中心地帶，是按照21世紀城市生態(tài)學理論—全新的概念規(guī)劃的“北京市33個重點建設的中心城鎮(zhèn)”之一。為了將采育鎮(zhèn)建設成全國聞名的生態(tài)型，可持續(xù)發(fā)展型明星小城鎮(zhèn)，北京市大興區(qū)采育鎮(zhèn)政府決定開發(fā)鳳河營地熱田地熱資源用于地熱集中供暖，以響應國家節(jié)能減排工作號召，在減少煙塵對大氣污染的同時，降低運行成本，達到節(jié)能環(huán)保的目的。

熱水儲層在鉆井、完井、開采等勘探開發(fā)作業(yè)過程中，由于儲層本身物理、化學、熱力學和水動力學等原平衡狀態(tài)的變化，以及各種作業(yè)因素的影響，使外來工作液與底層巖石之間和外來工作液與地層內的熱水流體之間發(fā)生物理化學作用，從而導致儲層受到損害，它不僅使儲層的產能降低，甚至完全喪失產水能力，還會導致漏失、粘土膨脹等事故，給地熱能的開發(fā)造成巨大的經濟損失[1]。因此，為了確保鉆進的順利進行，需要優(yōu)化鉆井液的性能。

1 鳳河營熱水儲層基本特征

1.1 區(qū)域地質特征

鳳河營熱水儲層在冀中坳陷處。冀中坳陷東鄰滄縣隆起，西以太行山東緣斷裂為界，北至燕山臺褶帶，南抵邢衡隆起[2]。

1.2 構造基本特征

薊縣紀楊莊運動以來，冀中坳陷經歷了7次較大規(guī)模的構造運動，伴隨發(fā)育七期巖溶[3]。多期次巖溶的特點對碳酸鹽巖儲層發(fā)育具有明顯的控制作用[4]。不同部位巖溶疊加改造次數(shù)和程度的不同，造成了裂縫、溶蝕孔洞儲集層的垂向非均質性和不同的橫向水力連通性，形成了目前冀中坳陷復雜的巖溶作用垂向模式。

1.3 熱水儲層地層特征

根據(jù)鳳河營地區(qū)石油探井揭露的地層并結合物探資料顯示，該區(qū)發(fā)育有新生界第四系平原組、新近系明化鎮(zhèn)組、古近系沙河組，上古生界石炭—二疊系、下古生界奧陶系、寒武系、中上元古界青白口系、薊縣系、長城系、基底為太古界。而中元古界薊縣系霧迷山組為主要的熱水儲層[5]。根據(jù)地層特征設計鳳河營開采井井身結構簡圖見圖1。

圖1 鳳河營開采井井身結構簡圖

1.4 地熱地質條件

鳳河營地區(qū)熱儲層可分為兩大類型，一類為新近系碎屑巖孔隙型熱儲層；二類為下古生界-中上元古界碳酸鹽巖裂隙，巖溶型熱儲層，共4套熱儲層。

(1)新近系碎屑巖高孔隙型熱儲層。

(2)下古生界-中、上元古界碳酸鹽巖裂隙、巖溶型熱儲層：奧陶系熱儲層(O)，薊縣系鐵嶺組熱儲層(Jxt)，薊縣系霧迷山組熱儲層(Jxw)，其中霧迷山組熱儲層是華北地區(qū)最好的熱儲層[6]。

不規(guī)則分布的溶蝕孔洞和根須狀裂縫在多個深度段可見；掃描電鏡分析，晶間孔、晶間微孔發(fā)育，巖石中原生孔隙多被后期成巖作用破壞或溶蝕改造[7]。

1.5 鳳河營熱水儲層巖石學特征

鳳河營的熱水儲層主要集中在霧迷山組熱儲層，采取X-射線衍射實驗對巖石學特征進行測試，成分和各含量見表1。

表1 儲層巖石的礦物成分及含量 %

從表1可以看出，鳳河營熱水儲層中主要的礦物是白云石，次要的礦物是石英，還含有少量的鉀長石和方解石，同時還存在部分粘土礦物。

同時，利用X-射線衍射實驗對粘土含量進行了分析，結果見表2。

表2 巖樣粘土含量比例 %

注：S蒙脫石，I/S伊利石/蒙脫石不規(guī)則間層礦物，I伊利石，K高嶺石，C綠泥石，C/S綠泥石蒙脫石間層礦物。

從表2可以看出，粘土礦物以伊利石為主，其次是高嶺石，綠泥石。粘土礦物相對含量較高，透水性差，吸水膨脹，失水收縮，具有較大的脹縮變形能力，遇水導致強度降低，引起孔壁不穩(wěn)定，出現(xiàn)膨脹掉塊的現(xiàn)象[8]。因此，當鉆進到儲層時，需加入抑制劑。

2 鳳河營鉆井出現(xiàn)的事故

2.1 井漏

通過資料統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，薊縣系霧迷山組熱儲層發(fā)育下古生界-中上元古界碳酸鹽巖裂隙。另外鳳河營熱水通過10號井現(xiàn)場觀測，井漏現(xiàn)象在熱水儲層相對較普遍(見圖2)，因此需要在泥漿中加入一些暫堵劑[9]。

2.2 粘土水化膨脹

鳳河營的熱水儲層主要集中在霧迷山組熱儲層，采取X-射線衍射實驗對其巖石學特征進行測試。表1和表2結果顯示，鳳河營熱水儲層粘土礦物絕對含量較高，存在潛在的水敏損害[10]。因此，為了保證孔壁的穩(wěn)定，需要在泥漿中加入一些抑制劑[11-12]。

3 原鉆井液體系性能評價

原鉆井液體系(a)的配方如下：4%的鈉土粉+0.2%純堿+0.2%～0.4%防塌潤滑劑+0.4%聚丙烯酸鉀+0.2%CMC+0.2%聚丙烯晴胺鹽+3%磺化瀝青粉。因此，首先需要考慮防塌潤滑劑加量對原鉆井液體系性能的影響。

圖2 漏失簡圖

通過室內進行泥漿API失水量實驗、流變性實驗、熱滾回收率實驗和堵漏試驗，了解現(xiàn)有鉆井液體系的流變性、失水造壁性、防塌抑制性、堵漏能力。

3.1 確定防塌潤滑劑的加量

為了獲得更好的鉆井液體系的性能，考慮防塌潤滑劑在不同加量下鉆井液的基本性能，從而確定防塌潤滑劑的加量，實驗結果見表3。

表3 不同防塌潤滑劑加量的旋轉粘度計的讀數(shù)

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，計算出表觀粘度、塑性粘度、動塑比以及API失水量見表4和圖3、圖4。

上述實驗結果表明，隨著原鉆井液體系中的防塌潤滑劑加量的增加，動塑比提高，在防塌潤滑劑加量為4%時，原鉆井液體系的動塑比達到最大，而在不同防塌潤滑劑加量的原鉆井液體系下，API失水量差別不大。因此，確定防塌潤滑劑的加量為4%。

表4 不同防塌潤滑劑加量的鉆井液基本性能

圖3 不同防塌潤滑劑加量的原鉆井液體系的動塑比(YP/PV)

圖4 不同防塌潤滑劑加量的原鉆井液體系的API失水量

3.2 原鉆井液體系的性能評價

根據(jù)上述確定防塌潤滑劑的加量為4%，配制原鉆井液體系。測定其基本性能，失水造壁性，抑制性，堵漏能力，然后進行優(yōu)化。

3.2.1 原鉆井液體系的基本性能

測定其原鉆井液體系的流變性見表5。

表5 現(xiàn)用鉆井液體系的流變性

從表5中可以看出現(xiàn)用鉆井液體系的表觀粘度，塑性粘度，靜切力相對較低，還有待提高。

3.2.2 原鉆井液體系的失水造壁性

室內研究對原鉆井液體系的失水造壁性進行評價，根據(jù)上述測的數(shù)據(jù)見表6。

表6 原鉆井液體系的失水造壁性

從表6看出，原鉆井液體系的API失水量相對較大，還有待繼續(xù)降低。

3.2.3 原鉆井液體系的抑制性

采用滾動回收率法評價現(xiàn)用鉆井液體系的抑制性能。實驗方法是取40目的巖樣50 g，加入體系中，在150 ℃下滾動16 h，測定40目滾動回收率。實驗結果見表7。

表7 原鉆井液體系的抑制性能

從數(shù)據(jù)可知，巖樣的現(xiàn)用鉆井液體系的熱滾回收率較高，該現(xiàn)用鉆井液具有良好的抑制性能，但在鉆進過程中，出現(xiàn)了坍塌事故。因此，建議在現(xiàn)用鉆井液中加入KCl[13]。

3.2.4 原鉆井液體系的堵漏性能

通過地層特征分析，裂縫的大小>1 mm。利用API堵漏試驗裝置測定現(xiàn)用鉆井液體系在1號縫隙下的堵漏情況。實驗結果見表8。

表8 原鉆井液體系的堵漏性能

從上述實驗結果表明，原鉆井液體系的堵漏效果很差，需要進一步改善。因此，建議在原鉆井液的基礎上加入超細碳酸鈣[14]。

4 確定鉆井液的優(yōu)化方案

4.1 確定超細碳酸鈣和氯化鉀的加量

為了達到更好的鉆井液體系的性能，在原鉆井液體系的基礎上加3%～5%超細碳酸鈣和3%～5%KCl，利用正交試驗[15]確定超細碳酸鈣和KCl的加量，實驗結果見表9和表10。

表9 不同超細碳酸鈣和KCl加量下旋轉粘度計讀數(shù)

實驗結果進行簡單的直接對比，可以看出第4號實驗的動塑比最好，失水量最小，這說明5%超細碳酸鈣和5%KCl的加量比較好。實驗第2號的動塑比最小，與實驗第1號相比動塑比下降，但失水量有所下降。同時，實驗第4號與實驗第3號相比，動塑比提高，失水量下降，而且實驗第3號和第4號與實驗第1號和實驗第2號相比，動塑比都提高?？梢猿醪脚袛喑毺妓徕}對動塑比的影響較大，KCl對失水量的影響較大。

表10 不同超細碳酸鈣和KCl加量的鉆井液體系的基本性能

利用直觀分析法確定影響指標的主要因素，最后找到最佳因素水平組合。計算結果顯示影響動塑比的最主要的因素是超細碳酸鈣，氯化鉀的影響相對較小。5%超細碳酸鈣和5%氯化鉀為最佳組合。

4.2 鉆井液的優(yōu)化方案

綜合上述實驗可知，現(xiàn)用鉆井液體系具有良好的抑制性，但現(xiàn)用鉆井液體系的基本性能，失水造壁性較差，同時堵漏效果極差。為了改善上述性能，提出了如下2套方案。

(1)新鉆井液體系-1：4%鈉土粉+0.2%純堿+0.2%～0.4%防塌潤滑劑+0.4%聚丙烯酸鉀+0.2%CMC+0.2%聚丙烯晴胺鹽+3%磺化瀝青粉+3%～5%超細碳酸鈣+3%～5%KCl。

(2)新鉆井液體系-2：4%鈉土粉+0.2%純堿+0.2%～0.4%防塌潤滑劑+0.4%聚丙烯酸鉀+2%瓜膠+0.2%聚丙烯晴胺鹽+3%磺化瀝青粉+3%～5%超細碳酸鈣+3%～5%KCl。

5 優(yōu)化后的鉆井液的性能評價

5.1 鉆井液的基本性能評價

室內測的2種新鉆井液的基本性能，與原鉆井液體系相比，結果見表11和圖5。

表11 鉆井液的基本性能

從實驗結果看出，新鉆井液體系-1與原鉆井液體系相比，表觀粘度、塑性粘度、靜切力及動塑比有很大的提高，說明原鉆井液加入超細碳酸鈣和KCl后，對鉆井液體系的基本性能有了很大的改善。但新鉆井液體系-1與新鉆井液體系-2相比，表觀粘度、塑性粘度、靜切力及動塑比有所降低，說明用瓜膠取代新鉆井液體系-1中的CMC之后，新鉆井液體系-2的基本性能沒有提高，反而有所下降。因此，可以初步判讀，新鉆井液體系-1的配方比較好。

圖5 3種鉆井液體系動塑比

5.2 鉆井液的失水造壁性

室內測的新鉆井液體系的失水造壁性，與原鉆井液體系的相比，結果見表12和圖6。

表12 鉆井液的失水造壁性

圖6 3種鉆井液體系的失水量

從實驗結果可知，新鉆井液體系-1的失水造壁性最好，而新鉆井液體系-2的失水造壁最差。說明向原鉆井液體系中加入超細碳酸鈣和氯化鉀之后，API大大降低，對原鉆井液體系的失水造壁性有很大的改善，但用瓜膠取代新鉆井液體系-2中的CMC之后，API大大提高，不但沒有得到改善，而與原鉆井液體系相比，失水造壁性大大降低。因此，綜合3種鉆井液體系的基本性能和失水造壁性的對比和評價，發(fā)現(xiàn)用瓜膠取代新鉆井液體系-2中CMC的方案不可取。

5.3 鉆井液體系的抑制性評價

采用滾動回收率法測的2種新鉆井液體系的熱滾回收率，評價新鉆井液體系的抑制性，與原鉆井液體系相比。結果見表13。

表13 巖屑的熱滾回收率

從實驗結果看以看出，鉆井液體系和新鉆井液體系-1都具有很好防塌抑制性，而優(yōu)化后的鉆井液體系具有更好的防塌抑制性。

5.4 鉆井液體系的堵漏能力評價

與評價原鉆井液體系一樣，測定新鉆井液體系的堵漏能力，與鉆井液體系相比，結果見表14和圖7。

表14 鉆井液體系的堵漏性能評價

圖7 鉆井液體系的堵漏能力

6 優(yōu)化后的鉆井液體系性能驗證

將優(yōu)化后的新鉆井液體系-1應用到11號井。通過現(xiàn)場觀測，在熱水儲層，沒有出現(xiàn)坍塌掉塊現(xiàn)象，井漏現(xiàn)象大大得到改善，只在3565～3585 m出現(xiàn)小于1 m3的漏失，對鉆進影響不大,因此優(yōu)化后的鉆井液性能具有較好的實用價值。

7 結論與認識

(1)鳳河營儲層因地層的特點，易出現(xiàn)井漏，孔壁坍塌等事故。

(2)原鉆井液體系有較強的抑制性，但其失水造壁性能、封堵能力較差，瞬間失水量大，不利于井壁穩(wěn)定。

(3)優(yōu)化后的鉆井液體系的配方為：4%鈉土粉+0.2%純堿+0.4%防塌潤滑劑+0.4%聚丙烯酸鉀+0.2%CMC+0.2%聚丙烯晴胺鹽+3%磺化瀝青粉+5%超細碳酸鈣+5%KCl。

(4)優(yōu)化后的鉆井液體系具有較強的防塌抑制性，良好的流變性，良好的失水造壁性及較好的封堵能力，井漏和坍塌問題得到很大的改善。

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