順北區(qū)塊抗突發(fā)性鹽水鉆井液體系的室內(nèi)研究

李秀靈，李 瓊，邱春陽，鄭成勝，趙懷珍

(中石化勝利石油工程公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257000)

順北區(qū)塊古生界志留系地層埋深5 300～6 900 m，包括塔塔埃爾塔格組和柯坪塔格組，由于地質(zhì)構(gòu)造運動強烈，斷裂帶附近縫網(wǎng)發(fā)育，且深層存在高壓鹽水層[1]，鉆井液安全密度窗口窄，井漏嚴重且高發(fā)。其中漏失層位主要發(fā)生在塔塔埃爾塔格組和與柯坪塔格組的交界面處，塔塔埃爾塔格組地層溫度超過140 ℃，是防漏堵漏的重點井段，柯坪塔格組漏失相對較少。而柯坪塔格組底部存在高壓鹽水且井間差異較大，壓穩(wěn)鹽水層提高鉆井液密度后，直接導致上部易漏失井段裂縫重新張開或誘發(fā)新的裂縫，其中5號斷裂帶南部順北5-5H、順北5-6和順北52X井出現(xiàn)了20次以上的頻繁井漏和出鹽水并存的復雜情況[2-3]。對已施工井進行統(tǒng)計分析表明：順北油氣田志留系存在漏失和出鹽水的矛盾，志留系井漏發(fā)生既有地層破碎、天然裂縫發(fā)育的原因，又因為地層承壓能力弱，易受壓力波動或過高的鉆井液密度影響產(chǎn)生的誘導裂縫性漏失情況。部分井遭遇突發(fā)高壓鹽水層后，鹽水礦化度高，導致現(xiàn)場施工的鉆井液體系嚴重污染，性能失穩(wěn)，濾失量和流變性失控，加重劑嚴重沉降，導致鉆井液密度變化明顯，加劇地層漏失。因此本研究通過構(gòu)建一套針對志留系抗突發(fā)性鹽水污染的鉆井液體系，實現(xiàn)更好的鉆井液穩(wěn)定性和抗污染效果，確保鉆井液在高礦化度鹽水的污染下，性能穩(wěn)定，減少由于地層鹽水污染導致的其他復雜情況，從而助力于順北工區(qū)鉆井提速提效。

1 鉆井液技術(shù)難點分析

順北區(qū)塊志留系在鉆井過程中所遇到技術(shù)挑戰(zhàn)主要有以下幾方面：1)地層溫度高，要求鉆井液具有較好的抗高溫性能；2)鉆遇高壓鹽水層對鉆井液抗鈣性能和井壁穩(wěn)定提出更高要求；3)漏失現(xiàn)象嚴重，需要進一步地增強鉆井液的封堵性；4)地層存在多套壓力系統(tǒng)，包括淺層氣和高壓鹽水層，這就需要對鉆井液的密度進行進一步的調(diào)整?；谝陨想y點，通過對順北區(qū)塊鉆井液體系展開了一系列的研究，形成適合本區(qū)塊鉆遇突發(fā)性鹽水鉆井的鉆井液體系，這對于順北區(qū)塊安全高效的勘探開發(fā)，具有十分重要的意義。

2 鉆井液對策和思路

1)合理控制鉆井液密度。在加強封固及阻緩孔隙壓力傳遞的前提下，適當提高鉆井液密度，以提高鉆井液液柱壓力對井壁的力學支撐作用，保持井壁力學穩(wěn)定[4]。

2)提高鉆井液抗污染能力。要求選用的鉆井液抗污染能力強，在鉆遇突發(fā)鹽水層時，較好地控制流變性波動，保持體系性能穩(wěn)定。

2)強化封堵性。由于志留系地層漏失，要求鉆井液具有良好的隨鉆堵漏防漏能力，通過合理的粒度級配，使鉆井液在近井壁處形成一層致密封堵層，阻緩鉆井液濾液侵入，維護井壁穩(wěn)定。

3 關鍵處理劑的優(yōu)選

根據(jù)順北區(qū)塊志留系地層的特點和技術(shù)對策分析，優(yōu)選關鍵處理劑：降濾失劑、封堵劑、鈣離子控制劑等，提高鉆井液抗溫能力、抗污染能力、降低濾失。通過隨鉆堵漏材料、成膜封堵劑、納米乳液等，增強鉆井液的封堵能力，使形成的鉆井液具有較強的封堵性。

根據(jù)順北區(qū)塊志留系地層特點，針對地層突發(fā)性鹽水，含有高濃度鹽、二價鹽存在下，易造成鉆井液性能惡化的情況，結(jié)合“多元協(xié)同”井壁穩(wěn)定基本理論，提高鉆井液的抗鹽抗鈣性能，優(yōu)化鉆井液方案，形成抗突發(fā)性鹽水鉆井液體系。

3.1 引入梳基聚合物降濾失劑降低濾失量

利用梳型聚合物[5]與常見抗鹽降濾失劑具有不同的分子結(jié)構(gòu)和作用機理，使其分子鏈在水溶液中排列成梳子形狀，增大聚合物分子鏈的剛性和分子結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，提高在高鹽、高二價離子條件下的抗溫能力和降濾失效果，改善鉆井液濾餅的結(jié)構(gòu)形成致密低滲的濾餅,減少濾餅的滲透性，從而降低失水。

與具有代表性的抗高溫抗鈣降濾失劑Driscal-D、PFL-L進行性能對比，結(jié)果見表1。從表1可以看出，在含有高鈣鹽水基漿中加入3%降濾失劑后，DMP-2的熱穩(wěn)定性好，黏度效應小、抗鹽抗鈣性能較好，而Driscal-D、PFL-L增黏明顯，老化后起泡嚴重，且不易消除。

表1 兩種降濾失劑性能對比

3.2 復配增黏劑增強抗溫抗鹽性

將磺酸鹽共聚物DSP與低黏LV-PAV進行復配，利用磺酸鹽共聚物中的磺酸根基團對鹽極不敏感，而且在高溫環(huán)境下時，磺酸基可吸附在黏土顆粒表面形成較厚的水化膜，減小了自由水的含量。DSP與LV-PAV復配增黏劑當吸附在黏土顆粒表面后，在受到Ca和Na污染時有效地阻止黏土顆粒出現(xiàn)聚結(jié)現(xiàn)象，有助于保持鉆井液的穩(wěn)定性[6]。在含有高鈣鹽水基漿中分別加入DSP、LV-PAC以及一定配比的DSP+LV-PAC，考察其在高鈣鹽水中的抗溫性，結(jié)果見表2。

表2 DCP-1與LV-PAC復配抗鹽效果

從表2中數(shù)據(jù)可知，DSP與LV-PAV復配使用，能夠提高二者在高鈣鹽水中的抗溫性和降濾失效果，經(jīng)過150 ℃熱滾24 h后，體系黏度變化不大。

3.3 引入硫酸鈉作為鈣離子控制劑

從圖1中數(shù)據(jù)來看，在4%土+20%NaCl+3%CaCl2高鈣鹽水基漿中加入Na2SO4，隨著加量增大，游離的Ca2-含量逐漸減少，老化后體系Ca2-含量略大于老化前，當加量為4%時，基本達到穩(wěn)定，再加大Na2SO4加量體系游離Ca2-含量變化不大，因此優(yōu)選4%Na2SO4。

3.4 引入成膜封堵劑WDJ和納米乳液提高封堵性

通過隨鉆堵漏材料、成膜封堵劑、納米乳液、超細碳酸鈣等多種封堵材料的配合，使之在近井壁形成一層致密封堵層，阻緩鉆井液濾液侵入，有效提高鉆井液封堵性，增強體系的隨鉆暫堵能力。

其中成膜封堵WDJ由有機聚合物、植物衍生物、金屬氧化物合成制得，該處理劑具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈上含有眾多的磺酸根基團、胺基。胺基與黏土礦物既有吸附作用，又能夠與黏土顆粒形成氫鍵，并且容易在井壁上形成一層不透水隔離膜。納米乳液是一種水包油型的細小乳狀液，當乳液破乳時可與井壁巖石吸附形成保護膜，其成膜特性與成膜封堵劑WDJ相結(jié)合，形成雙膜效應，可有效維護裂縫性地層的井壁穩(wěn)定。

配制3%成膜封堵劑WDJ+2%納米乳液(配方1)，加到濾紙表面，進行抽濾，抽濾半小時后，取出濾紙。采用掃描電鏡法，分析濾紙表面的變化情況，如圖2所示。配方1在濾紙表面觀察到良好的成膜封堵結(jié)構(gòu)。

4 鉆井液性能評價

在優(yōu)選出梳型聚合物降濾失劑、鈣離子控制劑和復配增黏劑的基礎上，同時引入抗高溫改性淀粉、SMP-2、SPNH等，增強抗鹽性，使之具有很好的濾失造壁性，引入成膜封堵劑、納米乳液等提高鉆井液封堵性，引入無機+有機(KC1+聚胺)的組合抑制劑方案，進一步強化鉆井液抑制性能，優(yōu)化鉆井液性能，最終形成了抗污染能力較強的抗突發(fā)性鹽水鉆井液體系。

其鉆井液的基本配方為：4%膨潤土+1.0%LV-PAC+0.5%DSP-1+3%梳型聚合物降濾失劑+1.5%抗高溫淀粉+3%SMP-2+3%SPNH+3%成膜封堵劑+2%納米乳液+3%隨鉆堵漏材料+3%復配超細+0.5%聚胺+5%KCl+6%Na2SO4。

4.1 基本性能評價

將鉆井液體系分別在150 ℃恒溫熱滾24 h，測試其性能，結(jié)果見表3。由表3可知,該鉆井液體系熱穩(wěn)定性好，經(jīng)150 ℃熱滾老化的黏度變化不大，API濾失量僅為1.8 mL，高溫高壓濾失量9.6 mL。

表3 抗突發(fā)性鹽水鉆井液體系性能評價

4.2 封堵性評價

采用fann公司生產(chǎn)的PPA滲透堵塞儀、北京探礦工程研究所研制的Transparent-Filter-2高溫高壓可視型砂床濾失儀，在測試壓力3.5 MPa，溫度150 ℃下，評價抗突發(fā)性鹽水鉆井液體系的封堵性能，結(jié)果如圖3所示。該鉆井液在高溫高壓下，30 min內(nèi)濾液侵入深度≤5 cm，濾失量小于10 mL，表明其封堵效果較好。

4.3 抑制性評價

采用塔河油田順北地區(qū)志留系柯坪塔格組地層鉆屑，采用線性膨脹實驗和滾動分散回收實驗，評價抗突發(fā)性鹽水鉆井液的抑制性能，結(jié)果見圖4 和圖5。從圖4 可知，該鉆井液抑制性較好，16 h的線性膨脹高度為0.45 mm，150 ℃的滾動回收率大于90%。

地層鉆屑在KCl鉆井液中的線性膨脹高度為3.11 mm，而在抗突發(fā)性鹽水鉆井液和油基鉆井液中的線性膨脹率均較低，16 h抗壓抗鈣鉆井液的膨脹高度僅為0.52 mm，接近油基鉆井液的0.31 mm，說明該鉆井液具有良好的抑制泥巖水化膨脹的性能。由圖5可以看出，地層鉆屑在KCl鉆井液中滾動回收率小于90%，在抗突發(fā)性鹽水鉆井液中回收率>92%，說明抗突發(fā)性鹽水鉆井液具有優(yōu)異的抑制地層巖屑水化分散的性能。

4.4 體系穩(wěn)定性

在基本配方基礎上用重晶石進行加重，然后測其流變性能和密度，實驗結(jié)果如表4。

表4 體系的加重穩(wěn)定性

從表5中數(shù)據(jù)可以看出：從1.02 g/cm3加重至1.75 g/cm3，24 h鉆井液上下密度差小于0.01 g/cm3，說明該體系加重至1.75 g/cm3仍很穩(wěn)定。

5 抗污染性能分析

5.1 抗NaCl污染

在抗突發(fā)性鹽水鉆井液體系中于常溫下加入5%、10%、15%和20%的NaCl，充分攪拌后，靜置24 h，測定室溫下性能；然后，在150 ℃下熱滾24 h，再測其性能。結(jié)果見表5。表5顯示，該鉆井液體系抗鹽性較好，經(jīng)熱滾后，性能變化也不大，流變性好，高溫高壓濾失量略有增大。

表5 抗突發(fā)性鹽水鉆井液體系的抗鹽性評價

5.2 抗鈣污染

在抗突發(fā)性鹽水鉆井液體系中于常溫下加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的CaCl2，充分攪拌，靜置24 h，測其室溫和150 ℃熱滾24 h后的性能，其結(jié)果見表6。從表6可以看出，當CaCl2達3%后，老化前后體系攪拌12 h，測定游離的Ca2+離子質(zhì)量濃度均小于650 mg/L，且體系流變性能滿足鉆井要求，數(shù)據(jù)表明該配方抗鈣性較好。

表6 抗突發(fā)性鹽水鉆井液體系的抗鈣性評價

6 結(jié)論

1)梳型聚合物降濾失劑具有較好的抗鹽、抗鈣和濾失造壁性，對體系流變性能影響小，有效降低濾失量。

2)復配增黏劑具有很好的抗溫抗鹽能力，有效維護體系的膠體穩(wěn)定性，保證鉆井安全施工。

3)以梳型聚合物降濾失劑、復配增黏劑和鈣離子控制劑為核心處理劑形成的抗突發(fā)性鹽水鉆井液體系，其抗鹽抗鈣能力較強，該鉆井液具有良好的流變性、濾失造壁性、封堵性及抑制性，抗鹽抗鈣能力強，能夠滿足鉆遇順北區(qū)塊突發(fā)性鹽水層的鉆井需要。