土庫曼斯坦尤拉屯地區(qū)復雜鹽膏層鉆井液技術

朱思遠，鄧明毅

（1.西南石油大學石油工程學院，成都 610500；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，四川廣漢 618300）

土庫曼斯坦尤拉屯地區(qū)鹽膏層普遍發(fā)育，沉積環(huán)境較新，巖性成分復雜，上部為巖鹽、硬石膏、白云巖和灰?guī)r混合層，中部為巖鹽與硬石膏層，下部為泥巖與灰?guī)r和硬石膏層。局部區(qū)域鹽膏層間發(fā)育超高壓和高礦化度鹽水層，復合鹽層段“三高”鉆井液（高密度、高溫和高鹽）性能維護困難。鹽膏層底部為低壓薄弱層，同一裸眼復雜壓力“上溢下漏”問題突出。因此，分析鹽膏層的工程地質(zhì)特征及難點，優(yōu)化復雜鹽膏層高密度水基鉆井液技術以及高密度防漏堵漏技術，為該地區(qū)鉆井施工的順利進行提供技術保障。

1 地質(zhì)特征及技術難點

1.1 地質(zhì)特征

南約洛坦氣田尤拉屯區(qū)塊鹽膏層段處于上侏羅統(tǒng)克里米德氏組，平均埋深為3400～4000 m，平均厚度為550 m，地層溫度達130～140 ℃。巖性以鹽巖和石膏層相互交錯，夾薄層灰?guī)r、白云巖和泥巖。石膏、泥巖均具有吸水性，可塑性強。局部區(qū)域發(fā)育高壓鹽水層等，鹽水層壓力系數(shù)為2.20～2.40。鹽膏層底部為石膏和灰?guī)r薄弱層，且同高壓鹽水層位于同一裸眼段。已鉆井資料統(tǒng)計，該區(qū)塊鹽膏層鉆井過程中，高壓鹽水侵導致鉆井液性能惡化，以及惡性井漏和漏溢同存等多重復雜并存。

1.2 主要技術難點

復雜鹽膏層鉆井是該區(qū)鉆井的最大技術難點和關鍵。其原因為：①高壓鹽水及鹽膏層復雜地質(zhì)特征對其相適應的高密度鉆井液體系要求高。該區(qū)塊鹽膏地層具有埋藏深、壓力系數(shù)高并含高壓鹽水等特點，應選擇具備抗高溫、抗鹽、抗鈣鎂離子污染于一體的優(yōu)質(zhì)高密度鉆井液體系。其技術關鍵及難點在于高溫、高礦化度作用下，高密度鉆井液因其固有的高固相所造成流變性及失水性能難控制的問題[1]。此外，該區(qū)塊高壓鹽水壓力梯度和礦化度高（主要以鈣鎂二價金屬離子為主），鹽水層分布無規(guī)律性，鉆進過程中難以預測，井侵或溢流頻繁，“鹽水侵”、“鈣鎂侵”易對鉆井液性能造成嚴重污染。②高壓鹽水層與高壓鹽水層下部薄弱易漏氣層同存，壓穩(wěn)與防漏矛盾突出[2]。該區(qū)塊超高壓鹽水層下部為低壓的薄弱易漏層，鉆遇上部高壓鹽水層后，需用高密度的鉆井液去壓穩(wěn)高壓鹽水，但對低壓層產(chǎn)生高壓差造成壓裂地層誘發(fā)井漏問題，且鹽水層壓力和下部漏失壓力相差越大，井漏越嚴重。在高密度鉆進中超出井段安全承壓能力鉆井液密度窗口窄，井漏溢流并存，伴隨鹽水浸、井漏的反復，此過程中往往會造成鉆井液的嚴重污染，引發(fā)井下復雜，甚至造成井下發(fā)生惡性卡鉆。表1為該區(qū)塊部分井鉆遇鹽底低承壓地層發(fā)生井漏、溢流統(tǒng)計。

以上分析可知，根據(jù)該區(qū)塊巨厚鹽膏地質(zhì)和工程的特點，鉆井液面臨的諸多難點，需要解決好高密度飽和鹽水鉆井液流變性控制問題、高溫穩(wěn)定性問題以及防噴防漏堵漏問題。高溫高壓超深井復合鹽層及高壓鹽水層普遍分布、無規(guī)律，窄密度窗口導致溢流、井漏同存，鉆井風險極大。

表1 尤拉屯區(qū)塊鉆遇鹽底低承壓地層發(fā)生井漏、溢流統(tǒng)計

2 復雜鹽膏層鉆井液技術

2.1 抗高溫、抗高鈣高密度飽和鹽水鉆井液技術

高密度飽和鹽水鉆井液技術作為鹽下油氣勘探開發(fā)技術中的核心內(nèi)容之一，其性能好壞必然直接決定著鹽膏層鉆井施工的成敗。以常規(guī)高密度飽和鹽水鉆井液配方為基礎，針對鈣離子對高密度水基鉆井液污染機理，以及流變性和失水造壁性控制理論為依據(jù)，采用體系“處理劑高效、種類簡單”為原則和“強護膠-屏蔽”抗鈣為技術思路[3-5]，開展高密度水基鉆井液鈣抑制劑及其配套處理劑的優(yōu)選，優(yōu)化形成了一套滿足該區(qū)塊復雜鹽膏層需要的抗高溫、抗高鈣的高密度飽和鹽水鉆井液，將該鉆井液進行現(xiàn)場應用試驗，不斷優(yōu)化完善，形成比較成熟配套的高密度水基鉆井液現(xiàn)場應用技術。

1）抗鈣抑制劑評價及機理。在4%膨潤土基漿中加入2%鈣抑制劑和11.1%氯化鈣，然后測量在150 ℃老化前后基漿性能Zeta電位，其實驗結(jié)果見表2， 取鈣污染抑制性評價實驗中得到的API濾餅，經(jīng)烘干及表面處理后，利用Quanta 200F型場發(fā)射掃描式電子顯微鏡進行濾餅表面形貌觀察，實驗結(jié)果見圖1。

表2 抗鈣抑制劑實驗評價結(jié)果

實驗結(jié)果表明，在 11.1%CaCl2（40 000 mg/L Ca2+）污染下，加入高鈣污染抑制劑CQ-HJH就能有明顯的抗鈣降濾失效果，同時有一定的提高切力的效果，充分說明了高鈣污染抑制劑CQ-HJH可以抗 40 000 mg/L Ca2+污染，同時抗溫達 150 ℃。Zeta電位數(shù)據(jù)表明， 引入抗鈣抑制劑提高了其水化膜即雙電層的厚度， 大幅度提高了黏土的Zeta電位， 保證了黏土在高溫高鈣環(huán)境下的穩(wěn)定性和水化分散作用[6-7]。

圖1 濾餅的SEM照片（放大5000倍，150 ℃老化16 h）

由圖1鈣污染后的濾餅微觀形貌可看出，濾餅厚而疏松，黏土顆粒發(fā)生面-面聚結(jié)，形成片狀大顆粒堆積，且顆粒間空隙大，有明顯的裂縫，這從微觀上解釋了高鈣污染基漿的濾失量驟增的原因。而加入鈣污染抑制劑后，濾餅薄而致密，黏土顆粒未出現(xiàn)片狀大顆粒堆積，而是形成端-端或端-面連接的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，粗細分布均勻，形貌甚至優(yōu)于鈣污染前的泥餅微觀形貌。流變性能及濾失性能分析、Zeta電位以及SEM掃描電鏡分析了鈣污染抑制劑的作用機理，從宏觀上評價了抗鈣抑制劑的抗鈣效果，同時從微觀上解釋了抗鈣抑制劑在基漿中優(yōu)異的抗高溫老化抗高鈣污染性能。

2）配方及性能評價?？垢邷亍⒖垢哜}的高密度飽和鹽水鉆井液體系配方為：（1%～2%）膨潤土+（0.5%～1.0%）燒堿+（0.5%～1.0%）高鈣污染抑制劑HJ-LV+（5%～6%）抗溫抗鹽主降濾失劑ZR-13或HY-S+（2%～3%）抗溫抗鹽輔助降濾失劑JNJS220或者RSTF+（2%～5%）潤滑劑RH-220或者PPL+（0.2%～0.3%）鹽結(jié)晶抑制劑NTA-2+（5%～7%）氯化鉀+30%氯化鈉+高密度特礦粉/重晶石（按需要）。其性能評價結(jié)果見表3和表4。

表3 抗高溫、抗高鈣的高密度飽和鹽水鉆井液體系性能

表4 抗高溫、抗高鈣的高密度飽和鹽水鉆井液體系抗鈣污染實驗

由表3和表4可以看出，優(yōu)化形成的高密度（欠） 飽和鹽水鉆井液配方在140 ℃滾動16 h后，鉆井液依然保持了良好的綜合性能。通過抗不同濃度CaCl2污染實驗可知，該體系在6000 mg/L Ca2+污染條件下，除pH值下降外，其綜合性能依然良好。通過對鉆井液體系的優(yōu)選，提高了鉆井液抗鈣離子、鎂離子污染的能力以及抗溫性能，室內(nèi)評價表明，該體系抗溫可達140 ℃，抗鈣離子污染可達6000 mg/L。

3）應用效果。為研究該高密度（欠）飽和鹽水鉆井液對尤拉屯區(qū)塊復雜鹽膏地層的適用性，在該區(qū)塊服務井進行現(xiàn)場試驗， 截止2017年底， 高抗鈣飽和鹽水鉆井液先后在尤拉屯地區(qū)的10余口井進行了現(xiàn)場試驗， 現(xiàn)場應用結(jié)果表明， 高抗鈣水基鉆井液和改進后的抗鈣聚磺鉆井液解決了大段膏鹽地層條件下的鈣污染問題，鉆井液流變性能穩(wěn)定、濾失量低。在施工鹽膏層時鉆井液性能穩(wěn)定， 沒有一口井因為鉆井液的原因引起鹽膏層復雜和事故， 沒有發(fā)生鹽膏層進尺報廢。鹽膏層鉆井成功率為100%。

對尤拉屯部分井鉆井液性能進行統(tǒng)計，結(jié)果見表5。由于鉆井液配方合理，維護處理措施得當，技術支撐有力，各井在穿越巨厚鹽膏層時，鉆井液性能優(yōu)良，為鹽膏層順利鉆井和電測、固井等作業(yè)提供了有力保障。

表5 尤拉屯部分井鉆井液性能統(tǒng)計

2.2 高壓鹽水鹽膏層防漏堵漏技術

尤拉屯區(qū)塊鹽膏層內(nèi)高壓鹽水溢流、井漏并存，為壓住高壓鹽水層，鉆井液密度達到2.30 g/cm3以上，由于井身結(jié)構(gòu)限制，需鉆至底部低壓薄弱過渡層第7層，平衡上部高壓鹽水層所需壓力超過了該薄弱地層的漏失壓力，使其安全密度窗口為0。該區(qū)塊鉆井過程中多次出現(xiàn)高壓鹽水溢流與井漏，屬于上溢下漏型[7]。高壓鹽水鹽膏層防漏堵漏基本思路為：①通過調(diào)整優(yōu)化鉆進參數(shù)、水力參數(shù)以及高密度鉆井液流變參數(shù)達到降低循環(huán)壓耗來防止井漏；②提高高密度水基鉆井液封堵性能為主的防漏技術手段，解決一般性井漏問題；③通過復合堵漏技術提高所鉆遇薄弱地層承壓能力，建立或拓寬其安全密度（壓力）窗口，為安全鉆完井創(chuàng)造條件。

2.2.1 防漏堵漏配方優(yōu)選

通過分析漏層的性質(zhì)及特點，總結(jié)以往施工經(jīng)驗，利用高壓可視液侵測試儀器評價堵漏劑，開展防漏堵漏配方評價及優(yōu)選。其結(jié)果見表6。實驗表明，1#配方能夠堵住1 mm縫板，最大承壓能力達3 MPa；2#配方能夠堵住3 mm縫板，最大承壓能力達4 MPa；3#配方能夠堵住5 mm縫板，最大承壓能力達5 MPa；4#配方能夠堵住7 mm縫板，最大承壓能力達7 MPa。針對一般性漏失，采用1#和2#配方進行全井或者段塞式隨鉆堵漏的方式進行，針對嚴重漏失，采用3#到4#配方進行停鉆堵漏。

1#井漿+（2%～3%）SQD-98+0.5%PCC+（3%～4%）SDL-1，密度為 2.35 g/cm3

2#井漿+（2%～3%）SDL-1+（2%～3%）SQD-98（細）+（2%～3%）GDJ-1+1.5%軟化變形顆粒+0.5%PCC，密度為2.35 g/cm3

3#井漿+5%FDJ-Ⅰ+5%FDJ-Ⅱ+3%FDJ-Ⅲ+3%GDJ-1+5%GDJ-Ⅱ+2%PCC，密度為 2.35 g/cm3

4#井漿+5%FDJ-Ⅰ+5%FDJ-Ⅱ+3%FDJ-Ⅲ+5%GDJ-1+5%GDJ-Ⅱ+5%GDJ-Ⅲ+3%PCC，密度為2.35 g/cm3

表6 堵漏配方評價實驗

2.2.2 防漏堵漏技術措施

1）防漏技術措施。①通過對尤拉屯地區(qū)的鉆進參數(shù)、水力參數(shù)以及鉆井液流變參數(shù)優(yōu)化設計，盡可能使工況在最優(yōu)狀態(tài)，從而達到降低循環(huán)壓耗來防止井漏。參數(shù)設計中考慮了不同密度的鉆井液流變參數(shù)、溫度，壓力影響下的當量循環(huán)鉆井液密度，形成高密度降低循環(huán)壓耗的防漏鉆井液技術。②通過觀察短程起下鉆、靜止觀察后效，摸清安全鉆井液密度，實行鉆井和起下鉆“雙密度制”，實現(xiàn)近平衡鉆進的合理鉆井液密度控制。③進入低壓層前，調(diào)整高密度鉆井液流變性能，盡可能低地維持塑性黏度和切力值，鉆井液密度控制在平衡鉆井的下限。同時先在鉆井液中加入隨鉆堵漏劑，達到防止井漏和降低漏失速度的作用。④在漏層鉆進時，滿足巖屑攜帶條件下，盡可能低地降低排量，同時做到緩慢開泵和控制下鉆速度分段循環(huán)，減小激動壓力。⑤提高抗溫抗鹽處理劑的濃度，提高體系的抗鹽水污染性能。

2）堵漏技術措施。①針對一般性漏失，采用上述1#或2#配方隨鉆堵漏。將配好的堵漏漿液泵入井中，單泵鉆進，機械鉆速為正常鉆進的40%～60%。當堵漏漿液返出井口時，停止使用振動篩和其他固控設備，保持隨鉆堵漏2～3個循環(huán)周。井不漏后，則除去鉆井液中的堵漏材料，恢復正常鉆進。必要時可采用全井隨鉆堵漏工藝。②在采用隨鉆堵漏無法解決一般性井漏問題時或者嚴重井漏問題，采用3#或4#配方進行停鉆高濃度堵漏漿進行堵漏。其具體措施如下：起鉆至安全井段，按3#或4#配方快速配制堵漏漿，期間觀察環(huán)空液面，按要求執(zhí)行吊灌措施。注入堵漏漿到裸眼井段，注意觀察井口液面，若有漏失，必須及時灌注鉆井液保持井口液面。漸次擠鉆井液，當套管壓力升至2.0～3.0 MPa，停止擠入，穩(wěn)壓20～30 min后，卸壓。循環(huán)出堵漏漿，若未見鉆井液漏失，則恢復正常鉆進，若出現(xiàn)漏失，則重復上述步驟，使鉆井液不再漏失。若多次重復仍達不到要求，改用第2種配方重復以上操作，或恢復原堵漏方案。

3）應用效果。該區(qū)塊T264井三開φ311.2 mm井眼用密度為2.15 g/cm3鉆井液在井深3424～3426 m 段鉆遇高壓鹽水， 提高密度至 2.42 g/cm3壓穩(wěn)水層。但在同一裸眼段3770～3840 m存在低壓層，設計要求鉆穿低壓層后完鉆。為避免在3770～3840 m頻繁井漏，進入前，利用短起下，靜止觀察后效，摸清了安全鉆進密度下限為2.36 g/cm3和安全起下鉆密度下限為2.41 g/cm3，鉆進中嚴格強化參數(shù)控制，排量為18～22 L/s，泵壓為9～12 MPa，嚴格開泵制度，控制起下鉆速度和分段循環(huán)措施，降低循環(huán)壓耗和激動壓力對井底壓力的影響。在3770～3840 m鉆進期間共出現(xiàn)5次明顯井漏，采用降排量措施，將排量控制在10～12 L/s，降低泵壓4～6 MPa，使其漏速從失返好轉(zhuǎn)至井口見返，能建立起循環(huán)，隨后采用塞橋漿堵漏和關井憋壓堵漏工藝，堵漏均取得成功，在2.39 g/cm3的高密度情況下，順利完鉆。

3 結(jié)論及建議

1.在現(xiàn)有的高密度飽和鹽水體系基礎上，通過抗鈣抑制劑的引入和配套處理劑的優(yōu)選，優(yōu)化形成抗高溫高鈣的高密度鉆井液體系。室內(nèi)評價和現(xiàn)場應用表明，該體系抗溫可達140 ℃，抗鈣可達40 000 mg/L。解決了大段膏鹽地層條件下的鈣污染問題。

2.應用降低循環(huán)壓耗的高密度鉆井液技術和隨鉆防漏技術相結(jié)合，使用高濃度橋塞堵漏技術，較好地解決了井漏及安全密度窗口窄的難題，為安全鉆完井創(chuàng)造條件。