沈家鋪油田石膏層安全鉆井技術(shù)

葛兵兵 賀海波 林莉莉 李 偉

（1、中國石油渤海鉆探工程公司第一鉆井工程分公司,天津 300280 2、中國石油大港油田分公司勘探開發(fā)研究院，天津 300280 3、中國石油大港油田分公司采油工藝研究院，天津 300280）

隨著沈家鋪油田油氣勘探開發(fā)的不斷深入，目前沈家鋪油田油氣井井深均在2000-3500m 之間，鉆進過程中都會鉆遇孔店組棗0 油組石膏層。石膏層主要成分是Ca2SO4，而在鉆進中經(jīng)常會出現(xiàn)縮徑卡鉆和井壁垮塌等井下復(fù)雜情況，如家31-12井，因鉆遇膏鹽層泥漿性能惡化短起下、起鉆更換鉆具組合配泥漿耽誤時間30.5 小時。因此，做好石膏層鉆井液技術(shù)的研究與推應(yīng)用有利于加快沈家鋪油田的油氣資源開發(fā)。

1 石膏層地質(zhì)特點

沈家鋪油田石膏層主要分布在下第三系孔店組棗0 油組，具有以下特點:

（1）石膏層埋藏淺，在1900m-2200m 之間，最高溫度57°。

（2）石膏層厚度約200m 左右，最高厚度達400m，為大港油田含量之最。

（3）石膏層中，石膏的含量高，為70%～80%; 鹽巖的含量較低，為5%～-10%;其余為泥質(zhì)砂巖；石膏是地層中中硫酸鈣的一種穩(wěn)定形式，化學(xué)式為CaSO4·2H2O，化學(xué)成成為CaO 32.6%，SO346.5%，H2O 20.9%。一般呈白色或無色透明，當(dāng)含有雜質(zhì)時，呈灰褐、黃等色。

（4）石膏層中存在鹽水，沈家鋪油田鹽水比例普遍在15%-18%（普遍為CaCl2、MgCl2、NaCl 等）。

2 石膏層鉆井液技術(shù)難點

大港油田鉆井使用的鉆井液體系為硅基防塌鉆井液，該體系主要組成4%般土粉+0.8%純堿+3%硅鉀基防塌劑+3%聚合醇防塌劑+3%低熒光防塌封堵劑+4%磺化酚醛樹脂+1%抗鹽抗溫降濾失劑，但該體系的鉆井液鉆遇石膏層的風(fēng)險是Ca2+污染導(dǎo)致泥漿流動性變差甚至失去流動性并且失水?dāng)U大導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

2.1 石膏層易引起井下復(fù)雜情況

沈家鋪油田的大段石膏層欠壓實、強度低、可鉆性好。鉆開石膏層后，構(gòu)造應(yīng)力和上覆地層壓力的原有平衡失衡，井下鉆井液濾液會加速鹽膏層的塑性流動和塑性蠕變，易引起縮徑卡鉆和井壁垮塌等井下復(fù)雜情況。

2.2 鹽膏層與易漏失地層共存

沈家鋪油田玄武巖廣泛存在于沙一段，玄武巖是一種基性噴出巖，其化學(xué)成分與輝長巖或輝綠巖相似，SiO2含量變化于45%～52%之間，K2O+Na2O 含量較侵入巖略高，CaO、Fe2O3+FeO、MgO 含量較侵入巖略低。礦物成份主要由基性長石和輝石組成，次要礦物有橄欖石，角閃石及黑云母等，巖石均為暗色，一般為黑色，有時呈灰綠以及暗紫色等，呈斑狀結(jié)構(gòu)，氣孔構(gòu)造和杏仁構(gòu)造普遍。

玄武巖體積密度為2.8～3.3g/cm3，致密者壓縮強度很大，可高達300MPa，有時更高，存在玻璃質(zhì)及氣孔時則強度有所降低。玄武巖耐久性甚高，節(jié)理多，且節(jié)理面多成五邊形或六邊形，構(gòu)成柱狀節(jié)理，性脆，因而不易采得大塊石料，由于氣孔和杏仁構(gòu)造常見，因此沙一段玄武巖為易漏地層。沈家鋪油田石膏層與易漏失地層共存，若鉆井液密度過高，又會壓漏壓力系數(shù)低的地層。

2.3 石膏層對鉆井液性能的要求

石膏層溶解會產(chǎn)生鈣（Ca2+）、鎂離子（Mg2+），而高濃度的鈣、鎂等離子會污染鉆井液，導(dǎo)致鉆井液出現(xiàn)稠化、絮凝等現(xiàn)象，CaSO4、MgCl2能使鉆井液中分散的有機質(zhì)團粒很快地聚集到一塊，即膠體的聚沉。根據(jù)沈家鋪油田石膏層的地質(zhì)特點，鉆井液需要具有很強的抗石膏、鹽巖污染的能力，還需要具有良好的穩(wěn)定性、流變性和封堵性。

2.4 石膏層影響井眼軌跡

因膏鹽層地層軟，可鉆性好，若鉆具組合選擇不當(dāng)，極易造成井眼軌跡控制困難，以家31-7 為例，采用鉆具組合：Φ215.9mmSP1644D ×0.35m+Φ172mm 螺 桿 （1.5° ） ×7.17m+Φ165mm 浮 閥 ×0.5m+Φ210mm 穩(wěn) 定 器 ×1.54m+Φ165mm 無 磁 鉆 鋌 ×9.06m+Φ165mmMWD ×1.81m+Φ165mm 無 磁 鉆 鋌×8.91m+Φ127mm 加 重 鉆 桿×167.97m+Φ127mm 鉆桿，膏鹽層穩(wěn)斜段鉆進過程中自然降斜仍高達1.5°/30m，因此膏鹽層鉆進推薦選用欠尺寸穩(wěn)定器。

3 石膏層鉆井液的處理（圖1）

圖1 加入六偏磷酸鈉后抗鹽效果

3.1 確定適宜的鉆井液密度

為有效克服石膏層的塑性蠕變，最有效的方法是提高液柱壓力。然而提高鉆井液密度，又可能會把上部壓力系數(shù)低的地層壓漏，因此要求在進入石膏層之前提高井壁的承壓能力，加入鉆井液用防塌封堵劑聚合腐殖酸SN、鉆井液用抗鹽降濾失劑丙烯酰胺共聚物HC-RS 及鉆井液用包被抑制劑改性天然高分子IND30。提高井壁承壓能力的主要措施是橋塞堵漏和憋壓封堵，除此之外，也可以參考鄰井資料和鉆井工程設(shè)計，最終確定適宜的鉆井液密度，綜合調(diào)研沈家鋪油田區(qū)塊，推薦膏鹽層鉆井液密度范圍為1.18g/cm3-1.25g/cm3之間。

3.2 及時短起下修整井壁

在石膏層中鉆進，可鉆性好、鉆速快，工程上應(yīng)及時短起下修整井壁，以防石膏層縮徑卡鉆。沈家鋪油田石膏層鉆進工程上普遍采取“進一退二”，即鉆穿膏鹽層后短起至上部館陶組地層的方式來短起下修整井壁，取得很好的效果。

3.3 優(yōu)選鉆井液體系

依據(jù)沈家鋪地區(qū)石膏層的地質(zhì)特點，設(shè)計選用硅基防塌鉆井液體系。該體系不具備抗石膏、鹽巖、高壓鹽水和硫化氫污染的能力，為達到抗膏鹽侵能力，在原鉆井液配方基礎(chǔ)上加入3%六偏磷酸鈉(NaPO3)6，提高Na2CO3濃度至1.5%，同時加入1%聚陰離子纖維素PAC-LV、2%鉆井液用抗鹽降濾失劑丙烯酰胺共聚物HC-RS 及3%瀝青類封堵劑，使其具有良好的高溫穩(wěn)定性、流變性和封堵性。其中(NaPO3)6、Na2CO3選用為石膏抑制劑,鉆井液用抗鹽降濾失劑丙烯酰胺共聚物HC-RS 為鹽巖、高壓鹽水抑制劑，磺化褐煤、磺化酚醛樹脂為主要護膠劑，磺化丹寧為稀釋劑，瀝青質(zhì)類DBFT-201 處理劑為防塌封堵劑，有機磷酸鹽MDC220 為抗污染劑，改性烷基硅MSDS 為降粘劑，固體聚合醇PGCS-1 為抑制潤滑劑，聚陰離子纖維素PAC-LV 為抗高溫降濾失劑。

3.4 提高鉆井液的抗污染能力

石膏的化學(xué)名為硫酸鈣(Ca2SO4),通過向鉆井液中加入適量的（NaPO3)6、Na2CO3可以降低鉆井液的Ca2+含量，同時抑制包被劑減小了石膏在鉆井液中的溶解度，從而減輕了石膏對鉆井液的污染。加入NaOH 提高鉆井液的pH 值，一般將其控制在10～11 之間，可以降低石膏在鉆井液中的溶解度，從而減輕石膏對鉆井液的污染。若鉆井液被石膏、巖鹽和鹽水污染，可加入3%稀釋堿液，配方：12.5%水+3%Na2CO3+1%NaOH，同時加入2%水解聚丙烯腈銨鹽NPAN 控制失水進行處理，使鉆井液的pH 值升高，拆散因過量Ca2+、Mg2+等形成的較大的黏土絮凝結(jié)構(gòu)，從而獲得良好的鉆井液性能[1-3]。

4 現(xiàn)場應(yīng)用實例

4.1 工程簡況

家31-8 井位于河北省黃驊市采油三廠，構(gòu)造位置：沈家鋪油田官18 斷塊。井型定向井，井別生產(chǎn)井。設(shè)計井深2911m，設(shè)計目的層：棗II、棗IV 油組。實際完井井深2900m，完鉆目的層：棗IV。鉆探目的為開發(fā)挖掘沈家鋪開發(fā)區(qū)官18 斷塊潛力。

設(shè)計井身結(jié)構(gòu)：∮339.7mm 導(dǎo)管×20m+∮311.1mm 鉆頭×501m+∮244.5mm 套管×500m+∮215.9mm 鉆頭×2911m+∮139.7mm 套管×2907m。實際井身結(jié)構(gòu)：∮339.7mm 導(dǎo)管×23.25m+∮311.1mm 鉆頭×505m+∮244.5mm 套管×504.83m+∮215.9mm 鉆頭×2900m+∮139.7mm 套管×2897.48m。

二開使用中215.9mm 鉆頭、聚合物鉆井液鉆進至井深1500m，家31-8 井在孔一段棗0 油組鉆遇260m 石膏層，地層石膏含量高，在70.2%-80.9%之間，鹽巖的含量較低，在5%～10%之間。在長段石膏層鉆進過程中，采用硅基防塌鉆井液體系。

4.2 方案制定

家31-8 井石膏膏層中鉆進的鉆井液技術(shù)方案。通過分析鄰井資料，在該構(gòu)造的鹽膏層中鉆進，密度確定在1.25g/cm3較合理。在進入鹽膏層之前，進行室內(nèi)預(yù)處理實驗，在井深3929.5m 按優(yōu)選配方(井漿+2%六偏磷酸鈉+10%稀釋堿液+重晶石)對鉆井液進行預(yù)處理，預(yù)處理后鉆井液濾液中Ca2+含量從224 mg/L 降高至20mg/L、粘度和切力較低，鉆井液的流變性很好，API 濾失量3.0mL,現(xiàn)場預(yù)處理效果較好。

在石膏層中鉆進時，應(yīng)勤測鉆井液性能，通過分析實驗數(shù)據(jù)，判斷鉆井液性能的變化趨勢，以便及時采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?。如果鉆井液的漏斗粘度和中壓濾失量增大、流變性變差、濾液中的Ca2+含量增加，說明鉆井液遭遇鹽膏侵，根據(jù)被污染的嚴(yán)重程度，在膠液里適當(dāng)增加Na0H、Na2CO3、六偏磷酸鈉(NaPO3)6 對鉆井液進行稀釋處理[3]。

在石膏層中鉆進時，應(yīng)管理使用好固控設(shè)備，振動篩篩布使用160 目以上，除砂器篩布200 目，并保證24h 開啟，同時每班使用中速離心機不少于4h，每天使用高速離心機不少于2h。篩布應(yīng)勒沖洗，并檢查篩布是否損壞，如有損壞，應(yīng)及時更換新的篩布。控制鉆井液的膨潤土含量在90g/L 以下[4-5]。如果膨潤土含量過高，則易高溫分散，使鉆井液的流變性和高溫穩(wěn)定性變差。同時，要經(jīng)常檢查尖嘴罐和過渡槽里是否有劣質(zhì)固相沉淀，如有則應(yīng)及時清除，以免影響鉆井液的性能。

增強鉆井液的潤滑性能。家31-8 井二開裸眼段長達2395m（505m-2900m），因此在鉆進中，通過加入防塌潤滑劑PHD、封堵潤滑劑FRH-A、固體聚合醇PGCS-1 和石墨等，保持鉆井液中的液體潤滑劑含量在5%-6%之間，滑塊摩擦系數(shù)小于0.07。

家31-8 采用硅基防塌鉆井液體系鉆進、通井和起下鉆作業(yè)均很順利，未發(fā)生縮徑卡鉆和井壁垮塌等井下復(fù)雜情況，大大縮短了鉆井周期，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益。鉆進過程中鉆井液未受到污染，鉆井液性能穩(wěn)定。

4.2.1 井眼軌跡控制

家31-8 井設(shè)計井眼軌跡：上直段0-100m；造斜段100-464.35m，造斜至29.15°，方位319.49°；穩(wěn)斜段464.35-2911m。實際井眼軌跡：上直段0-98.35m；造斜段98.35-414.50m，造斜至26.73°，方位319.32°；穩(wěn)斜段464.35-2900m。家31-8 井實鉆井眼軌跡與設(shè)計井眼軌跡如圖2所示。

圖2 實鉆井眼軌跡與設(shè)計井眼軌跡

4.2.2 石膏層軌跡控制的要點

（1）在鉆遇石膏層前將井斜比設(shè)計井斜高1.5-2.0°，用以彌補石膏層井段自然降斜情況，減少甚至避免石膏層內(nèi)定向，起到了良好的效果。

（2） 石膏層鉆進采用欠尺寸穩(wěn)定器，推薦尺寸206mm-210mm，家31-8 井采用210mm 穩(wěn)定器，實鉆過程中效果理想。

（3）石膏層內(nèi)定向保持鉆井液中的液體潤滑劑含量在5%-6%之間，滑塊摩擦系數(shù)小于0.07。

5 結(jié)論與認(rèn)識

5.1 硅基防塌鉆井液適合沈家鋪油田石膏層鉆井。在進入石膏層前，進行室內(nèi)預(yù)處理實驗，探索六偏磷酸鈉及稀釋堿液的合理加量及配方，通過現(xiàn)場預(yù)處理，增強鉆井液的抗石膏污染能力。

5.2 在長段石膏層鉆進過程中，要勤測鉆井液性能，分析鉆井液性能的變化原因，及時采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，同時應(yīng)管理使用好固控設(shè)備，控制較低的鉆井液膨潤土含量，強化鉆井液的潤滑性能。

5.3 在鹽膏層鉆進過程中，除優(yōu)化鉆井液的性能外，還應(yīng)結(jié)合工程技術(shù)措施，及時拉劃井壁，確保井下安全，可有效減少或避免井下復(fù)雜情況。

5.4 設(shè)計有石膏層的井，應(yīng)根據(jù)實鉆井眼數(shù)據(jù)提前優(yōu)化井眼軌跡，避免石膏層內(nèi)定向。