王官屯油田石膏地層鉆探關(guān)鍵技術(shù)

劉建華 馮永建 吳華 羅平 李岱忠 邢孟冬

摘要：王官屯位于南大港斷裂構(gòu)造帶孔南地區(qū)，鉆井難度在于第三系古新統(tǒng)孔店組孔一段棗0組上部的石膏層。鉆遇石膏層鉆井液易受污染，造成密度、粘度上升，初切力上升，從而影響鉆井液循環(huán)速度，攜屑能力減弱，鉆頭易產(chǎn)生泥包，影響鉆速，發(fā)生卡鉆。石膏層吸水膨脹，長(zhǎng)時(shí)間浸泡導(dǎo)致地層蠕性增強(qiáng)，發(fā)生井壁塌陷或縮徑的復(fù)雜地下情況，造成井漏或卡鉆。通過(guò)優(yōu)化鉆具組合，調(diào)整鉆井液，從降低失水和粘度，提高攜巖性能，提高潤(rùn)滑等方面調(diào)整鉆井液體系，采用提前加入有機(jī)磷酸鹽，保證其PH值為9-11。

關(guān)鍵詞：王官屯;石膏層;孔一段;縮徑;有機(jī)磷酸鹽

1 王官屯地區(qū)石膏地層分布及特點(diǎn)

王官屯位于南大港斷裂構(gòu)造帶孔南地區(qū)，由始新統(tǒng)孔店組，漸新統(tǒng)沙河街組，東營(yíng)組及中新統(tǒng)館陶組組成。其中孔店組可劃分為孔一、孔二、孔三段不同的沉積地層，孔一段當(dāng)中的棗0油組發(fā)育出一套膏泥巖沉積， 主要以灰白色膏泥巖為主（CaSO4·2H2O），厚度呈從中心向四周逐漸減薄。

2 石膏層鉆探風(fēng)險(xiǎn)

該地層鉆井液容易發(fā)生鈣侵，導(dǎo)致鉆井液密度、粘度、初切力增大，流動(dòng)性變?nèi)?，不能完成攜帶巖碎，清理井眼的工作，會(huì)磨損鉆具，影響鉆速，發(fā)生卡鉆。因鉆井液粘度和密度增加，導(dǎo)致井底壓差失控，在起下鉆過(guò)程中容易因抽吸或激動(dòng)作用導(dǎo)致地層破裂，發(fā)生井漏。

2.1 石膏產(chǎn)生事故的機(jī)理

石膏層主要成分為含鈣化合物，具有遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成大量氫氧化鈣，而氫氧化鈣在水中可電離出鈣離子Ca2+和氫氧根離子OH-，如化學(xué)反應(yīng)式（1）所示。我們常規(guī)鉆井液中含有鈉基蒙脫石，其中的鈉離子易與鈣離子發(fā)生離子交換，生成了鈣質(zhì)粘土，如化學(xué)反應(yīng)式（2）和化學(xué)反應(yīng)式（3）所示，黏土的ξ電位減弱，電流方向變?yōu)橄騼?nèi)聚集，水化分散程度降低，形成的水化膜變薄，造成組織固體顆粒聚集的斥力減小，固體顆粒聚集，黏土固相體積增大，鉆井液密度升高。而氫氧根OH-則會(huì)致使鉆井液PH值增大，呈堿性，對(duì)鉆具造成傷害，污染地層。

鉆井液中的水分被石膏層所吸收，其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹反映，分子之間的作用力稱之為膨脹壓力，此時(shí)膨脹壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)前井內(nèi)壓力，鉆井液密度不足以平衡，該地層逐漸出現(xiàn)蠕變，故發(fā)生縮徑現(xiàn)象，為通井帶來(lái)困難。石膏層中的泥頁(yè)巖、泥巖等在吸收水分后井壁出現(xiàn)碎片剝落，電離出的SO42-離子使得鉆井液酸堿PH值降低，粘度增加，初切力增加，液體流動(dòng)性變差，井底巖碎不能很好地被鉆井液循環(huán)出，井眼不夠干凈，鉆頭磨損嚴(yán)重，降低了鉆速，同時(shí)易產(chǎn)生堆積，在鉆頭逐漸形成泥包，堵塞出水眼，鉆具內(nèi)壓力升高，導(dǎo)致破裂。而鉆遇石膏層，鉆井液失水越多，井壁泥餅越厚，在起下鉆過(guò)程中增加了鉆具摩擦力，多種原因并存最終導(dǎo)致卡鉆。由于密度升高導(dǎo)致粘度和初切力都上升，導(dǎo)致鉆井液循環(huán)壓耗過(guò)大，需提高泵壓，過(guò)大壓力會(huì)造成地層被壓漏的井下復(fù)雜事故。

2.2 事故處理難度

（1）卡鉆后通井劃眼，鉆井液需要降低失水性，保證鉆井液密度值合適平衡井壁力學(xué)平衡，防垮塌，控制泥餅厚度優(yōu)質(zhì)，提高潤(rùn)滑性，減小鉆具與井壁之間，固相與固相之間的摩擦，從而調(diào)整鉆井液流動(dòng)性能，確保其攜巖攜砂效率，減少扭矩。

（2）抑制黏土礦物水化分散，抑制石膏層遇水后產(chǎn)生的鈣離子聚集形成鈣性黏土顆粒增多增大，固相含量降低，粘度和切力降低，環(huán)空壓耗降低，泵壓變化減小。

3 鉆井液處理

3.1鉆井液體系及特點(diǎn)

王官屯油區(qū)鉆井過(guò)程二開(kāi)段主要地質(zhì)以泥巖、泥質(zhì)砂巖為主，具有成巖性差，可鉆性值高，鈣侵、水化分散嚴(yán)重等特點(diǎn)。鉆井液配方：井漿+0.4%降濾失劑中粘羧甲基纖維素+0.8%水解聚丙烯腈銨鹽+1.5%防塌劑腐植酸鉀+1%封堵劑+1%磺化瀝青+0.5%聚丙烯酰胺鉀鹽。

孔一段棗0油組有含膏泥巖，需提前加入有機(jī)磷酸鹽調(diào)整好鉆井液性能，保證PH值9-11，以預(yù)防鉆井液遭石膏侵而引起的井下復(fù)雜和事故發(fā)生，故轉(zhuǎn)成硅基防塌鉆井液，鉆井液配方為：上部井漿+2%防塌劑有機(jī)硅改性聚合物+2%降粘劑改性烷基硅+ 2.5%降濾失劑聚合物改性腐殖酸+1%封堵劑磺化瀝青+1%磺甲基酚醛樹(shù)脂。

3.2 石膏地層鉆探工程技術(shù)

由于石膏層可鉆性極值高，常采用鉆具組合Ф215.9mmPDC+Ф172mm螺桿+Ф165mm浮閥+Ф210mm穩(wěn)定器+Ф165mmMWD短節(jié)+Ф165mm無(wú)磁鉆鋌+Ф165mm無(wú)磁鉆鋌+Ф127mm加重鉆桿+Ф127mm鉆桿9根+Ф178mm水力振蕩器+Ф127mm鉆桿若干，效果較好，其中水力激蕩器的作用是起到降低磨阻，提高鉆井機(jī)械鉆速。

3.3 鉆井液維護(hù)

3.3.1鉆進(jìn)石膏層前的處理

進(jìn)入石膏層前200m，更改鉆井液體系為硅基防塌鉆井液：膨潤(rùn)土﹢0.2%包被劑+2%硅穩(wěn)定劑+2%液體硅稀釋劑+2%降失水劑改性腐殖酸+2%防塌劑磺化瀝青+2%潤(rùn)滑劑。進(jìn)入石膏層前50-100米前，添加包被劑控制硅基防塌鉆井液的坂土含量小于70g/ml。封隔循環(huán)罐鉆井液，控制井筒及地面循環(huán)罐鉆井液到最少量，只要可以滿足循環(huán)鉆進(jìn)即可。添加質(zhì)量體積濃度為3%的六偏磷酸鈉膠液，以4-6?/h的流速持續(xù)跟入，直至鉆穿石膏層，石膏層較厚或較純時(shí)，添加質(zhì)量體積濃度4%的六偏磷酸鈉膠液，當(dāng)鉆井液粘度上漲過(guò)快達(dá)到以60s以上，加入質(zhì)量濃度為0.5～1%的硅氟高溫降粘劑溶液，降低鉆井液粘度到45s。

3.3.2鉆進(jìn)石膏層后的處理

穿完石膏層，添加六偏磷酸鈉膠液控制鈣離子濃度低至300mg/L以下，添加改性烷基硅降粘劑控制鉆井液漏斗粘度低于50s，使用濃度2%的降濾失劑中改性腐殖酸、2%的防塌劑有機(jī)硅改性聚合物改善泥餅質(zhì)量，保障后續(xù)井下施工安全。

3.3.3六偏磷酸鈉作用原理

在石油鉆井中，六偏磷酸鈉作為鉆井泥漿添加劑可以避免多價(jià)金屬離子沉淀，提高泥漿的抗鹽能力，降低鉆井液失水。六偏磷酸鈉是常用的一種抑制劑，主要用于抑制石英和硅酸鹽礦物，以及方解石、石灰石等碳酸鹽礦物，在鉆井工程中，多用于石膏地層的處理。

六偏磷酸鈉的抑制機(jī)理主要有：首先，六偏磷酸鈉在浮選抑制鈉長(zhǎng)石、鋯英石、霞石、燒綠石和多水高嶺石時(shí)，六偏磷酸鈉能無(wú)選擇性地降低油酸鈉在上述巖性中的吸附，并與礦物表面的多價(jià)金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。其次，六偏磷酸鈉在水溶液中容易電離，并與鈣離子絡(luò)合，如化學(xué)反應(yīng)式（4）。

4 小6X現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

小6X井構(gòu)造位置小集油田官979斷塊，二開(kāi)定向井，其鉆遇地層自上而下為平原組，明化鎮(zhèn)組，館陶組，東營(yíng)組，沙河街組，孔店組，其中含石膏層的孔一段棗0組，底界深度為3130m，在鉆井過(guò)程的二開(kāi)垂直段。

鉆具組合：Φ215.9mmPDC+Φ172mm螺桿+Φ165mm浮閥+Φ210mm穩(wěn)定器+Φ170mmMWD+Φ165mm無(wú)磁2根+Φ127mm加重18根+Ф127mm鉆桿

鉆進(jìn)2930m時(shí)將聚合物鉆井液體系改型為硅基防塌鉆井液，鉆井液配方：膨潤(rùn)土﹢0.2%包被劑+2%硅穩(wěn)定劑+2%液體改性烷基硅+2%降失水劑改性腐殖酸+2%防塌劑磺化瀝青+2%潤(rùn)滑劑。鉆進(jìn)至3030m時(shí)，添加包被劑，鉆井液坂土含量，鉆井液性能密度為1.4g/cm3，馬氏漏斗粘度53s，API失水3.8ml，PH值9.5，初切力為2.5pa，鉆進(jìn)至3080m時(shí)，添加質(zhì)量體積濃度2%的六偏磷酸鈉膠液。

本井完鉆后仍處于石膏層，檢測(cè)ca2+濃度小于300mg/l，不用添加有機(jī)磷酸鹽，鉆井液性能保持穩(wěn)定，施工順利。

5 結(jié)論

（1）鉆遇石膏層易發(fā)生鈣侵導(dǎo)致鉆井液受到污染，造成縮徑，地層坍塌，漏失等復(fù)雜地下情況引起的卡鉆事故，通過(guò)增加鉆井液包被性能，抑制性能，抗污染性能等措施，可以恢復(fù)鉆井液體系的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，達(dá)到繼續(xù)鉆井施工的要求。

（2）提前加入有機(jī)磷酸鹽，是必要的隔離鈣離子污染鉆井液的重要方法，阻礙了鈣離子與膨潤(rùn)土中的鈉離子發(fā)生離子交換，降低鈣質(zhì)黏土顆粒聚攏力，根據(jù)情況適時(shí)補(bǔ)充降失水劑，降粘劑，防塌劑以維護(hù)鉆井液性能穩(wěn)定，保證施工順利完成。

參考文獻(xiàn)

[1]馬曉曉，王宇斌，華開(kāi)強(qiáng)等.六偏磷酸鈉對(duì)制備超細(xì)生石膏粉體的助磨作用及其機(jī)理研究[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2021，41（01）：146-151.

[2]張琦，吳墨染，靳穎.探析大港油田鉆井液密度優(yōu)選關(guān)鍵因素[J].化學(xué)工程與裝備，2019（11）：63-64.

[3]吳泓璇. 阿姆河右岸巨厚鹽膏層蠕變規(guī)律及安全鉆井研究[D].西南石油大學(xué)，2018.

第一作者：劉建華 （1989-） ， 男， 漢， 中級(jí)工程師， 2013年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程專業(yè)， 本科， 從事石油鉆井技術(shù)管理工作。