大段鹽膏層高密度鹽水鉆井液維護(hù)技術(shù)

李志勇，李春季，藍(lán) 強(qiáng)*，崔永軍，賀倫俊，蓋秀江

(1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257100；2.中石化勝利石油工程有限公司塔里木鉆井分公司，山東 東營(yíng) 257100；3.中國(guó)石化勝利油田分公司油氣勘探管理中心，山東 東營(yíng) 257100)

土庫(kù)曼斯坦阿姆河右岸氣田的主力產(chǎn)層位于鹽膏層之下，因此，要鉆達(dá)目的層，鹽膏層是必須穿過(guò)的，鉆井液在鉆井過(guò)程中不可避免要遇到鹽石膏污染、高壓鹽水層等問(wèn)題[1-2]，導(dǎo)致鉆井液流變性能和濾失性能難以控制，鉆井液必須有抗氯離子和鈣離子污染的能力，還要具備在高溫條件下良好流動(dòng)性。由于前期使用的鉆井液性能無(wú)法滿足鹽膏層鉆井要求，致使部分井出現(xiàn)井下復(fù)雜甚至報(bào)廢，在土庫(kù)曼斯坦的工程報(bào)廢井中，超過(guò)30%的井是由于不能順利穿過(guò)侏羅系巨厚鹽膏層造成的[3]。

鉆穿鹽膏層通常采用高密度鹽水鉆井液體系[4]，鉆井液性能維護(hù)技術(shù)至關(guān)重要。由于高密度鹽水鉆井液組成不同于普通水基鉆井液，在鉆進(jìn)鹽膏層過(guò)程中易受地層膏鹽污染，若維護(hù)處理不當(dāng)，鉆井液粘切會(huì)大幅度上升，嚴(yán)重時(shí)失去流動(dòng)性，最終導(dǎo)致鉆具遇阻卡、循環(huán)壓耗增加、鉆井液脫氣性變差、密度降低，從而大大增加了井控風(fēng)險(xiǎn)[5]。

1 高密度鹽水鉆井液流變性影響要素分析

高密度鹽水鉆井液造成的高固相、鹽膏層的污染是客觀存在的[6]，因此流變性能控制難度非常大，在滿足攜帶鉆屑和懸浮重晶石的條件下，各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)控制在較低范圍內(nèi)。影響高密度鹽水鉆井液流變性主要包括以下幾個(gè)因素。

1.1 鉆井液固相含量的影響

鉆井液組成不變時(shí)，鉆鹽膏層時(shí)粘切往往升高，這與鉆井液中固相有關(guān)，即與固相分散程度及其表面性質(zhì)相關(guān)。鉆井液中的固相主要是由惰性固相和活性固相組成[7]。惰性固相主要是具有惰性的加重材料，在長(zhǎng)時(shí)間的水力剪切和機(jī)械研磨下，固相粒度逐漸變小、比表面積增大，造成體系穩(wěn)定性變?nèi)?，受地層物質(zhì)污染的敏感性增強(qiáng)[8]。如前期施工的Kel-21和SShor-21兩口井，采用復(fù)合鹽水鉆井液鉆鹽膏層時(shí)粘切大幅升高，為降低粘切加入了大量分散性降粘劑，多次反復(fù)處理后鉆井液終切高達(dá)58 Pa。

這主要是因?yàn)殡S著井深增加，鉆井液中總固相含量升高，鉆井液中水相比例減少，鉆井液流動(dòng)隨之內(nèi)摩擦力變大。鉆井液固相里的活性固相包含配漿膨潤(rùn)土與地層內(nèi)的泥巖，主要是蒙脫石、伊蒙混層等黏土礦物，是影響其流動(dòng)性的主要因素。鉆井液的密度增大隨之固相容量限降低，此時(shí)固含量對(duì)鉆井液粘度敏感性急劇增強(qiáng)；同樣，活性固相顆粒的分散度高，對(duì)鉆井液粘度的影響也大幅度增加。因此鉆井液密度越高，其活性固相含量越低。

1.2 鉆井液整體抑制性的影響

鉆井液的抑制性是指其抑制固相顆粒進(jìn)一步分散或膨脹的能力，它直接影響活性固相顆粒和地層黏土礦物在鉆井液中的總量和分散度。鉆井液體系的組成不同，抑制性也不同，抑制性越好的鉆井液體系，流變性更加容易調(diào)控。與低密度鉆井液相比，高密度鉆井液對(duì)抑制性的要求更高，為更好控制鉆井液的流變性，要求鉆井液抑制性強(qiáng)，此時(shí)的固相顆粒分散度盡可能低。

1.3 鉆井液中鹽濃度的影響

鉆井液中的金屬離子通過(guò)壓縮黏土顆粒間擴(kuò)散雙電層、可降低黏土顆粒的電動(dòng)電位，減小黏土顆粒在鉆井液中的分散性，從而提高鉆井液對(duì)黏土分散的化學(xué)抑制性。顯然，鉆井液中的含鹽量越高，抑制性越強(qiáng)，同理，含鹽量降低導(dǎo)致抑制性減弱，黏土顆粒趨于分散，必然增加鉆井液流變性的調(diào)控難度。

1.4 鉆井液pH值的影響

鉆井液的pH值大小會(huì)影響體系的抑制性。當(dāng)pH值越高，鉆井液中固相顆粒的電動(dòng)電位越高，此時(shí)分散性越強(qiáng)，其抑制性越差，這往往造成鉆井液的流變性能惡化，其主要原因是大量的氫氧根離子促進(jìn)黏土礦物的分散[9]。

1.5 鉆井液密度的影響

高密度水基鉆井液流變性維護(hù)的關(guān)鍵因素是較高的固相含量。若固相粒子的分散性提高，固相粒子的表面通過(guò)吸附和潤(rùn)濕作用，將大幅度減少整個(gè)鉆井液體系中自由水含量[8]，導(dǎo)致體系的鉆屑容量限降低，若遇到外來(lái)物質(zhì)的污染，固相顆粒間極易連接形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致體系黏度和切力大幅度增高，增加了現(xiàn)場(chǎng)處理的難度。

1.6 鉆井液固相控制能力的影響

鉆井液中聚合物的抑制絮凝能力可以降低劣質(zhì)固相顆粒的分散，有利于提升固控設(shè)備的清除效果。充分利用機(jī)械固控設(shè)備對(duì)亞微米顆粒的清除，才能根本解決固相污染的問(wèn)題。所以固控設(shè)備的高效使用是控制鉆井液流變性的重要因素。

2 高密度鹽水鉆井液的維護(hù)技術(shù)

因?yàn)槠錁?gòu)成具有固相含量高、比表面積大和自由水含量低的特點(diǎn)，所以現(xiàn)場(chǎng)性能維護(hù)主要是通過(guò)清除劣質(zhì)固相、改變固相顆粒的表面性質(zhì)和增加自由水含量等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于高密度鉆井液固相含量較高，其表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力、靜切力等流變等參數(shù)偏高。高密度鹽水鉆井液流變性維護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵就是通過(guò)固相控制、提高化學(xué)抑制能力和等濃度維護(hù)，從而將各流變參數(shù)調(diào)控在合理的范圍之內(nèi)。

2.1 強(qiáng)化固控設(shè)備的使用

提升清除劣質(zhì)固相效率，增強(qiáng)固控設(shè)備使用效率，盡量減少劣質(zhì)固相在鉆井液里停留時(shí)間，是鉆井液流變性調(diào)控的關(guān)鍵[6]。鉆屑進(jìn)入鉆井液后及時(shí)將鉆屑清除，可提高清除效率。振動(dòng)篩的使用是實(shí)現(xiàn)快速、高效地清除劣質(zhì)固相最好的固控設(shè)備，其關(guān)鍵要使用合適目數(shù)的振動(dòng)篩篩布，通常需要使用150目或者更高的200目振動(dòng)篩篩布，這對(duì)控制劣質(zhì)固相積累更為有效；同時(shí)提高振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率和振幅，同樣可以提高劣質(zhì)固相的清除能力。

2.2 膨潤(rùn)土含量的控制

在鉆井液中膨潤(rùn)土是影響鉆井液流變性主要因素，只有限制膨潤(rùn)土的含量[5]鉆井液才能有良好的流變性。從上部井段低密度鉆井液實(shí)施控制，下部井段鉆井液密度提高，應(yīng)逐漸降低膨潤(rùn)土含量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析來(lái)看，密度2.0 g/cm3的鹽水鉆井液膨潤(rùn)土含量在25～30 g/L較為合理，鉆井液流變性容易調(diào)控(表1)。在減少膨潤(rùn)土含量的同時(shí)，如果使用抗鹽土，高密度高鹽水鉆井液的流變性將會(huì)進(jìn)一步提升。

表1 膨潤(rùn)土含量對(duì)高密度鹽水鉆井液性能的影響

表1可顯示，膨潤(rùn)土含量對(duì)鉆井液性能的影響：膨潤(rùn)土含量逐步提高，其黏度大幅度增加，切力特別是終切也大幅度增加。因此，有必要將鉆井液中的膨潤(rùn)土含量控制在4.0%以內(nèi)，鉆井液的性能可以控制在合理范圍內(nèi)。

2.3 鉆井液中鹽濃度的控制

NaCl可以抑制黏土顆粒的分散，有利于控制鉆井液的流變參數(shù)，因此需要保持鉆井液中有效的含鹽量，通常在鉆鹽膏層前控制鉆井液中的Cl-濃度在120000～140000 mg/L。

2.4 鉆井液pH值的控制

實(shí)踐證明，抗鈣鹽水鉆井液可在中酸堿度下使用，需將pH值控制在7～7.5(表2)，既能保持鉆井液強(qiáng)化學(xué)抑制能力，又能維持固相顆粒粗分散，可部分減少?gòu)?qiáng)分散類處理劑的使用，更有助于流變性穩(wěn)定[8]。

表2 燒堿對(duì)高密度水基鉆井液流變性的影響

從表2的結(jié)果看出，燒堿的加入可提高鉆井液的pH值，且終切有較大幅度增加。因此，需要將pH值控制在7～7.5范圍是比較合適的。

2.5 鉆井液處理劑等濃度的維護(hù)

高密度鹽水鉆井液要保證性能穩(wěn)定，如流變性失控，就會(huì)出現(xiàn)稀釋降粘、體積增大、頻繁加重和鉆井液性能不穩(wěn)的情況。鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)該始終采用“細(xì)水長(zhǎng)流”的方法對(duì)鉆井液來(lái)進(jìn)行日常性能維護(hù)，把各種處理劑都應(yīng)配制為濃度較高的膠液，并加重來(lái)保持鉆井液密度的穩(wěn)定。等濃度維護(hù)處理方法既可以維持鉆井液里含鹽量與其他處理劑的濃度保持不變，可維持鉆井液的抑制能力、流變性與其他性能穩(wěn)定。

2.6 鉆井液抑制降粘切措施

所謂的“抑制降粘切”是通過(guò)限制固相顆粒過(guò)度的分散，降低其表面親水性，降低固相顆粒表面和高價(jià)金屬離子間的親合性，進(jìn)而提高了鉆井液抗污染的能力，有效控制了粘切增高[9]。

2.7 鉆井中加重材料濃度的控制

加重劑的加入導(dǎo)致鉆井液體系中固相含量的升高。高密度鉆井液固相含量控制方法：一加入可溶性鹽類，既提高抑制能力抑制劣質(zhì)固相水化分散，又提高了鉆井液密度。鉆井液固相含量低、粘切低、流動(dòng)性更好調(diào)控。二是使用高密度的加重材料，由此減少加重材料的使用量，可降低總固相含量(表3)。

表3 加重材料對(duì)鹽水鉆井液塑粘和動(dòng)切力的影響

如表3結(jié)果可知，以一定比例加入鐵礦石和活化石粉加重劑，可將鉆井液密度提高至2.25以上，且其粘切均可以控制在可接受的范圍內(nèi)。

3 鹽膏層強(qiáng)抑制高密度鉆井液體系的構(gòu)建

高密度鹽水鉆井液里含有較多鹽類，其本質(zhì)就是一種具有較強(qiáng)抑制性的粗分散體系，流變性會(huì)較好而濾失性往往比較差。在堿性條件下，鉆井液中的多種處理劑易與黏土顆粒之間發(fā)生相互作用，從而使固相顆粒分散性有一定程度的增加。所以鉆井液體系既沒有絕對(duì)的抑制性、也無(wú)絕對(duì)的分散性，因此抑制和分散都是成對(duì)出現(xiàn)的。針對(duì)阿姆河鹽下油田的地質(zhì)特點(diǎn)，選用了高密度抗鈣鹽水鉆井液體系。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定了鹽膏層強(qiáng)抑制高密度鉆井液體系，該體系具有極強(qiáng)的抑制性、較好的潤(rùn)滑性與良好的流變性?？光}鹽水鉆井液配方為：2.5%～3.0%鈉土+0.5%PAM+2.0%WNP-1+3.0%SMP-2+2.0%DSP-2+2.0%DLP-1+1.5%碳酸鈣(500～700目)+1.5%碳酸鈣(1500～2000目)+25.0%NaCl+0.2%XC，重晶石粉加重。

該體系性能較好：密度為1.95～2.00 g/cm3，漏斗黏度為60～80 s，初切1.5～3.0 Pa，終切力10 Pa以內(nèi)，高溫高壓條件下性能穩(wěn)定。此維護(hù)技術(shù)在鹽膏層(厚度400 m)鉆進(jìn)中進(jìn)行了應(yīng)用，室內(nèi)評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該體系對(duì)于防卡、抗鹽膏層污染和流變性調(diào)控具有良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)高密度鹽水鉆井液抑制降粘切維護(hù)技術(shù)成功克服了鹽膏層蠕變?cè)斐摄@具遇阻卡、油氣水侵問(wèn)題，在本區(qū)塊實(shí)現(xiàn)了安全優(yōu)質(zhì)快速鉆井。

(2)該體系克服了常規(guī)高密度鹽水鉆井液鉆鹽膏層時(shí)受地層鈣鎂等離子污染的問(wèn)題，依然保持優(yōu)良的性能，降低了含油氣高壓鹽膏層鉆井的井控風(fēng)險(xiǎn)。

(3)鉆井液的pH值不但影響高密度鹽水鉆井液的流變性，并且影響其濾失性，合理的pH值將是調(diào)節(jié)高密度鹽水泥漿流變性和造壁性的重要因素，建議控制在7.0～7.5之間。

(4)膨潤(rùn)土含量對(duì)高密度鹽水鉆井液流變性的影響很大，膨潤(rùn)土含量高極易引起嚴(yán)重增稠，因此，在實(shí)際鉆井過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制膨潤(rùn)土含量在25～30 g/L范圍內(nèi)。

(5)加重劑的配比與類型會(huì)顯著影響高密度鹽水鉆井液流動(dòng)性及濾失量，在高密度鉆井液中使用較高密度的加重劑，建議使用鐵礦石和活化石粉混合物來(lái)調(diào)控鉆井液密度。