超高密度復(fù)合鹽水鉆井液流變性調(diào)控及應(yīng)用

穆瑞東，王琦，張瑩輝

超高密度復(fù)合鹽水鉆井液流變性調(diào)控及應(yīng)用

穆瑞東1，王琦2，張瑩輝3

（1. 西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2. 陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司，陜西 西安 710119； 陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司銅川分公司，陜西 銅川 727000）

某井是四川地區(qū)的巖氣能源勘探井，由于該井口施工地區(qū)氣層十分活躍，所以井口控制風(fēng)險性較大，必須始終維持鉆井液質(zhì)量和使用性能，但是由于超高密度復(fù)合鹽水鉆井液固相控制難度參數(shù)高，造成鉆井液流變性十分困難。根據(jù)某井實際案例作為研究出發(fā)點，并且結(jié)合超高密度復(fù)合鹽水鉆井液影響因素以及超高密度復(fù)合鹽水鉆井液流變性調(diào)控，總結(jié)出應(yīng)用策略。

超高密度復(fù)合鹽水鉆井液；流變性；方案設(shè)計；技術(shù)操作

鉆井實際操作時，如果遇到超高密度復(fù)合鹽水結(jié)構(gòu)層時，要求鉆井液自身具有較高的抗鹽能力，現(xiàn)階段超高密度復(fù)合鹽水鉆井液流變性、濾失性等方面調(diào)整仍然困擾著井口開采和使用，所以技術(shù)人員需要積極引進(jìn)超高密度復(fù)合鹽水鉆井液流變性調(diào)控技術(shù)以及應(yīng)用策略，從根本上保證超高密度復(fù)合鹽水鉆井液流變性質(zhì)量和效果。

1 實際案例

某井是四川地區(qū)的巖氣能源勘探的主要設(shè)備，該井口按照方案設(shè)計的基礎(chǔ)井深為4 000 m，實際鉆井深度為4 000 m。由于該井自身建設(shè)具有顯著特點，因此井口一開、二開鉆井液均使用聚胺聚合物質(zhì)，而三開鉆井液則需要使用氯化鉀聚合物質(zhì)。對于該井來說，由于四開操作的基礎(chǔ)密度相對加高，因此進(jìn)行流變性調(diào)整十分艱難，所以需要將鉆井液物質(zhì)轉(zhuǎn)化為復(fù)合形態(tài)的鹽水鉆井液進(jìn)行井口鉆進(jìn)，直至順利完成鉆井操作后開展后續(xù)技術(shù)操作[1]。

該井實際建設(shè)和施工時，其井口陸地上部分結(jié)構(gòu)地層主要以沙石和泥土為主，因此地質(zhì)結(jié)構(gòu)層礦物質(zhì)基礎(chǔ)含量較多，極易吸收水分產(chǎn)生膨脹與結(jié)構(gòu)分散，長期以往該地層結(jié)構(gòu)會造成流動泥漿物質(zhì)，最終導(dǎo)致土壤基礎(chǔ)含量無法有效被控制[2]。

由于地面上部分1～2層地層一般需要選擇不分散的聚胺聚合物作為井口鉆井液物質(zhì)，有效強化鉆井液使用效果。鉆井實際使用和運轉(zhuǎn)過程中，鉆井液進(jìn)入自流井口時，需要進(jìn)入河流組地質(zhì)結(jié)構(gòu)層，該結(jié)構(gòu)層內(nèi)部包含頁巖以及煤炭等物質(zhì)，所以該地質(zhì)結(jié)構(gòu)層經(jīng)過發(fā)育之后會脫落，針對此種現(xiàn)狀，在三開操作時，需要轉(zhuǎn)化為氯化鉀聚合物有效封堵鉆井液管理結(jié)構(gòu)體系，以此不斷強化地質(zhì)結(jié)構(gòu)層防止結(jié)構(gòu)分散[3]。

由于該鉆井地質(zhì)結(jié)構(gòu)層壓力系數(shù)相對較高，所以隨著地質(zhì)結(jié)構(gòu)層基礎(chǔ)密度不斷提升，逐漸轉(zhuǎn)化為氯化鉀聚磺物質(zhì)，從根本上提高鉆井液物質(zhì)的基礎(chǔ)容量和占地空間。而井口四開所處地質(zhì)結(jié)構(gòu)層一般為五峰組、寶塔組，該地質(zhì)在實際建設(shè)時普遍顯示井口位置氣質(zhì)十分活躍，一旦操作不當(dāng)鉆井時極易遇到地質(zhì)高壓產(chǎn)生裂縫問題，井口風(fēng)險相對較大會產(chǎn)生誘導(dǎo)性井口滲漏[4]。除此之外，由于龍馬溪底部和五峰組在實際建設(shè)時一般為粉碎的地質(zhì)結(jié)構(gòu)層，所以鉆井操作時極易產(chǎn)生井口內(nèi)壁失去基礎(chǔ)穩(wěn)定性而坍塌，造成所需要的鉆井液體密度達(dá)到2.42 g·cm-3。

2 超高密度復(fù)合鹽水鉆井液影響因素

2.1 溫度因素

在鉆井操作過程中，泥餅的鉆取質(zhì)量會由于外部環(huán)境溫度的作用大幅度下降，其泥餅基礎(chǔ)厚度不斷增加，則會造成其基礎(chǔ)密度減少，此種背景下泥餅過濾矢量無法有效控制和管理。

目前，高溫對于鉆井液的基礎(chǔ)黏度作用主要包含3中管理形式，比如：增稠、凝膠、固化等，其主要原因則是由于高溫環(huán)境下會減低鉆井液物質(zhì)的pH數(shù)值，如果環(huán)境溫度過高會導(dǎo)致鉆井液pH至少下降至7～8，最終影響鉆井液處理試劑的基礎(chǔ)效果，大幅度下降鉆井液流變性和熱量穩(wěn)定性[5]。除此之外，如果鉆井操作過程中，其周邊溫度始終處于高溫狀態(tài)，則會增加處理試劑的總體使用量，其外部環(huán)境溫度越高，持續(xù)時越長，所破壞的處理試劑則越多，導(dǎo)致處理試劑基礎(chǔ)消耗數(shù)量越來越多，使用性能越來越差。由于高溫環(huán)境對于水資源的影響十分復(fù)雜，其核心影響因素則是高溫環(huán)境對于處理試劑產(chǎn)生負(fù)面作用[6]。

2.2 材料密度

由于超高密度復(fù)合鹽水鉆井液進(jìn)行鉆井操作時，高壓操作造成軟土巖石極易侵入鉆井液，因此為了保證井口內(nèi)部的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，平衡井口與地質(zhì)結(jié)構(gòu)層之間的壓力，需要提高鉆井液物質(zhì)的基礎(chǔ)密度參數(shù)，并且鉆井液自身密度越高，其液體固相含量則越高，因此材料占比的整體比例同樣越來越高。

超高密度復(fù)合鹽水鉆井液自身流動參數(shù)以及黏度參數(shù)不斷提升，此種現(xiàn)狀對于鉆井液流變性能的影響也相對較大，因此日常維護十分困難。因此鉆井液物質(zhì)的加重材料數(shù)量較多時，鉆井液結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的自由水分基礎(chǔ)含量會不斷降低，長期以往會不斷增加鉆井液材料內(nèi)顆粒之間的摩擦性，致使鉆井液黏度不斷增加[7]。

對于鉆井液使用性能來說，自身濾失性能同樣成為影響鉆井液固相顆粒物質(zhì)基礎(chǔ)濃度、物質(zhì)分散度以及等級配備的重要因素之一，因此鉆井液在實施過程中需要通過有效控制和調(diào)整以上影響條件，從根本上減少鉆井液失水量。

鉆井液物質(zhì)中的加重顆粒物質(zhì)相互作用和摩擦，從而影響鉆井液的在井口內(nèi)部結(jié)構(gòu)的潤滑性，為此技術(shù)人員影響鉆井液物質(zhì)中增加具有潤滑作用的試劑，最大程度降低阻力，但是潤滑試劑添加量同樣需要盡可能控制，一旦添加過度則會增加界面阻力參數(shù)，嚴(yán)重甚至造成超高密度復(fù)合鹽水鉆井液流變性快速惡化[8]。現(xiàn)階段鉆井液基礎(chǔ)穩(wěn)定性成為影響鉆井液使用質(zhì)量的重要因素之一，如果鉆井液固相基礎(chǔ)含量過高，因此鉆井液的基礎(chǔ)流變性、結(jié)構(gòu)沉降穩(wěn)定性同樣成為鉆井液基礎(chǔ)性能的研究重點內(nèi)容之一，如果井下鉆取時，表面潮濕或者吸附作用會導(dǎo)致井口自有水資源基礎(chǔ)含量降低，其鉆井液基礎(chǔ)穩(wěn)定性會不斷降低[9]。

3 超高密度復(fù)合鹽水鉆井液流變性調(diào)控

3.1 復(fù)合鹽

超高密度復(fù)合鹽水鉆井液在使用時需要始終維持較低的黏土基礎(chǔ)容量參數(shù)，由于超高密度復(fù)合鹽水鉆井液內(nèi)部所包含的膨潤土材質(zhì)基礎(chǔ)含量較高，導(dǎo)致黏土顆粒之間會形成端頭與結(jié)構(gòu)面、端頭與端頭時間的物質(zhì)構(gòu)成，長期以往極易造成物質(zhì)的基礎(chǔ)黏度不斷提升，造成鉆井液過濾試劑所展現(xiàn)的作用不斷降低[10]。

為保證超高密度復(fù)合鹽水鉆井液能夠正常開展，當(dāng)加入復(fù)合鹽物質(zhì)之后，鉆井液物質(zhì)的基礎(chǔ)流變性會不斷增加，其基礎(chǔ)過濾矢量會降低，深入研究其主要原因則是由于鉆井液物質(zhì)中增加了大量的鉀離子，進(jìn)一步壓縮了黏土表面的雙電結(jié)構(gòu)層，造成黏土結(jié)構(gòu)層面上的負(fù)電性能大幅度減低，材料基礎(chǔ)粘性和剪切力不斷下降[11]。但是鉆井液物質(zhì)使用時，隨著鉀離子大面積消耗，物質(zhì)的基礎(chǔ)一致性逐漸失去了應(yīng)有的效果，詳細(xì)分析其主要原因，則是由于鉀離子的抑制作用并不具備一定效果。

隨著超高密度復(fù)合鹽水鉆井液循環(huán)周期不斷增加，進(jìn)一步提升了黏土表面的負(fù)電性，其電位數(shù)量不斷提升，與攜帶正向的端頭和結(jié)構(gòu)面電荷無法保證基礎(chǔ)對稱性，經(jīng)過相互吸引最終形成更多的物質(zhì)連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)量大幅度增加并且分布在整個空間之后，其物質(zhì)的基礎(chǔ)黏度以及剪切力會不斷增加[12]。

為此技術(shù)人員需要繼續(xù)增加納離子物質(zhì)有效彌補鉀離子的基礎(chǔ)消耗，從根本上減少網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建設(shè)數(shù)量。利用此種技術(shù)方式能夠有效控制井下鉆井液泥漿的基礎(chǔ)黏度和剪切力，但是增加鹽物質(zhì)之后超高密度復(fù)合鹽水鉆井液有效削弱了鉆井液的基礎(chǔ)保護作用，造成更多的黏土物質(zhì)顆粒不斷凝結(jié)，導(dǎo)致鈉離子、鉀離子物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，造成黏土結(jié)構(gòu)層攜帶負(fù)電，致使電離出更多的氫離子，消耗鉆井液的pH 值，影響了吸附劑如SMP對黏土的保護作用[13]。

3.2 氯化鈣

根據(jù)我國現(xiàn)有的研究案例，氯化鈣物質(zhì)所產(chǎn)生的實際作用逐漸展現(xiàn)，為了保證鉆井液使用效果，同樣使用類似的物質(zhì)和施工技術(shù)，但是在轉(zhuǎn)化為超高密度復(fù)合鹽水鉆井液時，所產(chǎn)生的效果并不理想，甚至?xí)哂幸欢ǜ弊饔肹14]。詳細(xì)分析其主要原因則是由于氯化鈣物質(zhì)中的鈣離子與納離子所產(chǎn)生的作用十分相似，但是氯化鈣物質(zhì)通過物質(zhì)交換，轉(zhuǎn)化了鉆井黏土物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的陽離子，直接壓縮了地質(zhì)結(jié)構(gòu)層的雙結(jié)構(gòu)墊層，最大程度介紹鉆井液電位以及排斥力，最終導(dǎo)致膨潤土物質(zhì)產(chǎn)生了許多碎屑[15]。在此種施工現(xiàn)狀，陽離子受到鉆井液pH數(shù)值變化影響較大，如果鉆井液的pH數(shù)值提升則會導(dǎo)致物質(zhì)之間的交換容量不斷增加，所以超高密度復(fù)合鹽水鉆井液提純堿物質(zhì)時，可以直接觀察氯化鈣物質(zhì)加入后所產(chǎn)生的凝固結(jié)構(gòu)體。

在鉆井液物質(zhì)使用時，如果想要有效分散鉆井液結(jié)構(gòu)體系，則需要直接增加燒堿物質(zhì)，將物質(zhì)的pH數(shù)值大幅度提升，針對已經(jīng)產(chǎn)生較強抑制性的鉆井液來說，經(jīng)過一系列技術(shù)分析最終認(rèn)為氯化鈣在此種情況下所產(chǎn)生的作用較小，其主要原因則是由于超高密度復(fù)合鹽水鉆井液納離子基礎(chǔ)含量極高，導(dǎo)致鉆井黏土層被不斷壓制，其陽離子物質(zhì)的基礎(chǔ)交換數(shù)量降低，與鉆井液結(jié)構(gòu)體系中其他聚合物質(zhì)相互組合，最終成為影響鉆井液使用效果的凝膠結(jié)構(gòu)，從根本上增加鉆井液物質(zhì)的基礎(chǔ)粘性，強化吸附水化膜[16]。

4 超高密度復(fù)合鹽水鉆井液流變性應(yīng)用

對于四開鉆井施工和基礎(chǔ)建設(shè)來說，為保證超高密度復(fù)合鹽水鉆井液流變穩(wěn)定性和安全性，需要根據(jù)實際調(diào)整和管理方案進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和項目試驗。以此保證鉆井操作、電力測量以及固井等施工環(huán)節(jié)可以順利開展項目建設(shè)，并且以此作為基礎(chǔ)條件制定出一系列鉆井液施工具體應(yīng)對方案[17]。

4.1 強化鉆井液固相控制

在鉆井液實際操作環(huán)節(jié)上，振動過篩設(shè)備的孔洞直徑需要設(shè)定為0.063 mm，并且在實驗環(huán)節(jié)上需要定期清理儲存罐，以此有效維持固相體積的結(jié)構(gòu)比例[18]。而鉆井液使用時，為需要選擇全新的鉆井液膨潤土結(jié)構(gòu)配比，從根本上防止引進(jìn)不符合標(biāo)準(zhǔn)的固相物質(zhì)，確保經(jīng)過比例配置后的膨潤土基礎(chǔ)含量可以在10 g·L-1以內(nèi)[19]。

4.2 合理控制鉆井液密度

想要保障鉆井正常開展，實際進(jìn)行鉆進(jìn)操作時，鉆井液基礎(chǔ)密度需要保證在2.37～2.39 g·cm-3，該數(shù)值范圍不僅能夠更好的穩(wěn)定地質(zhì)壓力，又可以從根本上平衡地質(zhì)結(jié)構(gòu)層所產(chǎn)生的應(yīng)力參數(shù)，選擇鉆井液物質(zhì)時，需要根據(jù)鉆井液實際使用狀態(tài)和環(huán)境選擇適合的氯化鈉以及KCl物質(zhì)基礎(chǔ)含量，并且物質(zhì)補充模式主要以復(fù)合鹽水狀態(tài)為主，不能直接添加鉆井液物質(zhì)中[20]。

4.3 維持鉆井液PH數(shù)值

常見鉆井液pH物質(zhì)一般為8.5～9.5，從根本上防止超高堿物質(zhì)增加頁巖結(jié)構(gòu)分散等問題和安全風(fēng)險，由于鉆井液自身具有較高的濾失特點，因此還需要增加瀝青等物質(zhì)提高結(jié)構(gòu)封堵效果，始終保持鉆井泥餅的結(jié)構(gòu)厚度，只要鉆進(jìn)，就以細(xì)水長流的方式補充SMP-3、KJ-4、SMT、SMS-19 配制的混合加重膠液，調(diào)整井漿的流型[21]。

5 結(jié)束語

由此可見，由于某井在四川地區(qū)進(jìn)行鉆進(jìn)和建設(shè)時，鉆井液物質(zhì)普遍存在流變性較差等技術(shù)問題和困境，非常有必要系統(tǒng)開展高礦化度高密度水基鉆井液流變性調(diào)控方法及機理研究。為此本次研究主要針對超高密度復(fù)合鹽水鉆井液流變性進(jìn)行技術(shù)研究和調(diào)控，確保鉆井液使用效果和質(zhì)量水平。

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Rheological Control and Application of Ultra-high Density Compound Saline Drilling Fluid

1,2,3

(1. Xi'an Shiyou University, Xi'an Shaanxi 710065, China; 2.Shaanxi Province Coalbed Methane Development and Utilization Co., Ltd., Xi'an Shaanxi 710119, China; 3. Shaanxi Province Coalbed Methane Development and Utilization Co., Ltd. Tongchuan Branch, Tongchuan Shaanxi 727000, China)

A well is the rock gas energy exploration well in Sichuan region, due to the wellhead gas construction area is very active, so the wellhead control risk is bigger,the quality and service performance of drilling fluid must always be maintained, but the rheological control of drilling fluid is very difficult because of the high difficulty parameters of solid phase control of ultra-high density compound brine drilling fluid. In this paper, based on the actual case of a well as the starting point of the study, combined with the influence factors of ultra-high density compound saline drilling fluid and the rheological control of ultra-high density compound saline drilling fluid, the application strategies were summed up.

Ultra-high density compound brine drilling fluid; Rheological property; Scheme design; Technical operation

2021-08-07

穆瑞東（1996-），男，陜西省咸陽市人，碩士在讀。

TE254

A

1004-0935（2023）02-0302-04