柯探1 井高鈣鹽水層的鉆井液技術(shù)

白海鵬，劉學(xué)清，商國(guó)璽，陳 勇，陳海軍

（北京京能油氣資源開發(fā)有限公司，北京 100000）

柯探1 井是京能油氣公司部署在新疆阿克蘇地區(qū)柯坪縣的第一口重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)探井，目前已在中下寒武系鹽下吾松格爾組獲得日產(chǎn)百萬(wàn)方的高產(chǎn)天然氣流，獲得塔里木盆地新區(qū)新層系的重大突破。由于 缺乏相應(yīng)地質(zhì)資料，該井在四開鉆井過(guò)程中鉆遇高鈣鹽水層，發(fā)生了卡鉆等井下故障，耗時(shí)兩個(gè)月才 恢復(fù)正常鉆進(jìn)。為了保證快速安全鉆進(jìn)，需要尋找合適的鉆井液體系。

1 鉆井概況及工程難點(diǎn)

1.1 鉆井概況

柯探1 井三開完鉆井深3 300.21 m，四開井眼φ215.90 mm，最終完鉆井深3 743.00 m。地質(zhì)預(yù)測(cè)四開井段主要巖性為一套膏鹽巖地層，按照設(shè)計(jì)使用的鉆井液體系為欠飽和鹽水聚合物，以1.56 g/cm3的鉆井液密度鉆至3 484.56 m 時(shí)發(fā)生溢流，將鉆井液密度提至2.00 g/cm3時(shí)壓井成功，循環(huán)加重時(shí)測(cè)得井底段受污染鉆井液，鈣離子濃度為50 000 mg/L，鉆井液完全固化，失去流動(dòng)性，自鉆遇高鈣鹽水層以后，鉆井液體系由欠飽和轉(zhuǎn)換為飽和鹽水聚合物。卡鉆以后采取了一系列的措施，主要改進(jìn)了鉆井液配方等，順利鉆穿高鈣鹽水層[1–2]。

1.2 施工難點(diǎn)

（1）缺乏資料?？绿? 井屬于新區(qū)塊1 字號(hào)井，地質(zhì)資料偏少，卡層及地層預(yù)測(cè)困難，缺乏可以參考的鉆井液資料。

（2）地層容易發(fā)生垮塌、卡鉆。含膏質(zhì)泥頁(yè)巖吸水膨脹，鉆井液抑制性不好極易發(fā)生卡鉆；夾層純鹽巖段由于鹽溶導(dǎo)致井壁垮塌，井徑不規(guī)則影響固井質(zhì)量等。

（3）鉆井液性能要求高。一般飽和鹽水鉆井液能抗?jié)舛葹? 000 mg/L 鈣離子污染，該段地層水鈣離子濃度為50 000 mg/L 左右，對(duì)鉆井液抑制性要求更高；環(huán)保要求嚴(yán)格，不允許使用磺化類材料，使用的為非磺化類飽和鹽水鉆井液，其密度最高2.0 g/cm3，因此對(duì)膠體穩(wěn)定性提出了更高的要求。

（4）鉆井液性能處理難度大。四開次發(fā)生溢流，鉆井液密度提至2.00 g/cm3時(shí)還多次出現(xiàn)井漏，裸眼內(nèi)“漏”、“涌”同存，鉆井液密度處理“窗口”窄。起下鉆期間多次發(fā)現(xiàn)溢流，關(guān)井套壓為零，開井以后井口始終存在線流現(xiàn)象，屬高壓低滲地層，高鈣鹽水和鉆井液的重力置換導(dǎo)致始終存在鈣侵，加劇了鉆井液的鈣污染。

2 技術(shù)對(duì)策

2.1 鈣污染機(jī)理和解決思路

2.1.1 鈣污染機(jī)理

鉆井液屬于一種絮凝狀態(tài)的膠體體系的，其大部分膠體主要成分為鈉蒙脫石。一般情況下鉆井液抗二價(jià)鹽污染能力較差，這是因?yàn)殁}離子可進(jìn)入鈉蒙脫石晶層間將鈉離子置換下來(lái)，鈉離子水化能力比鈣離子強(qiáng)；其次，黏土顆粒周圍會(huì)有大量的陽(yáng)離子吸附，黏土顆粒的擴(kuò)散雙電層被壓縮，致使水化膜變薄，分散度降低，導(dǎo)致鉆井液塑形黏度和表觀黏度增加，切力降低失去懸浮性，失去封堵能力，濾失量無(wú)法控制。

2.1.2 解決思路

通過(guò)改進(jìn)鉆井液配方解決以上兩種原因?qū)е碌你@井液失穩(wěn)。結(jié)合鉆井液機(jī)理及其他區(qū)塊鉆井經(jīng)驗(yàn)，提出兩種對(duì)策：①降低膨潤(rùn)土（主要成分為含鈉蒙脫石）的含量，將膨潤(rùn)土的含量控制在下限；②加入非磺化類的降失水劑，擴(kuò)大或者穩(wěn)定擴(kuò)散雙電層的厚度，保證鉆井液在適量鈣侵的情況下依然具有良好的懸浮性、流動(dòng)性和封堵能力[3–6]。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.2.1 基漿準(zhǔn)備

柯探1 井現(xiàn)場(chǎng)使用的飽和鹽水鉆井液作為實(shí)驗(yàn)用基漿， 由材料使用量計(jì)算基礎(chǔ)配方：0.17%NaOH+0.23%Na2CO3+NaCl（氯根飽和）+7.14%KCl+2.14%NFA–25+2.85%PGCS–1+1.42%PAC–LV+1.07%KWKY–1+0.17%IND30+ 重晶石（井漿密度2.00 g/cm3）。

用溢流井漿的上層清水和部分生產(chǎn)水配制成的高鈣鹽水做模擬地層水污染實(shí)驗(yàn)。配制鹽水的性能：鈣離子濃度為53 000 mg/L，氯根濃度為216 000 mg/L，密度為1.23 g/cm3，pH 為6。

做a、b 兩組實(shí)驗(yàn)。a 實(shí)驗(yàn)直接測(cè)基漿性能。b 實(shí)驗(yàn)將60 mL 高鈣鹽水混入946 mL 基漿中，直接強(qiáng)絮凝，高速攪拌12 min 后黏切開始下降，流動(dòng)困難；30 min 后流動(dòng)性有所改善，開始進(jìn)行室溫和熱滾實(shí)驗(yàn)?？绿? 井四開井底溫度約為70 ℃（本文所有的熱滾實(shí)驗(yàn)均采用75 ℃）。結(jié)果見表1，從表中可以看出，受污染的鉆井液熱滾之后，流動(dòng)性依然很差，近乎全失水，表明基漿在鈣侵下已完全失去流動(dòng)性和懸浮性，基漿不具備抗鈣污染能力。

2.2.2 抗鹽黏土海泡石代替膨潤(rùn)土實(shí)驗(yàn)

采用抗鹽黏土海泡石代替膨潤(rùn)土，將海泡石和膨潤(rùn)土按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%配制成膠液，水化24 h之后備用。

同樣做a、b 兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)比。a 實(shí)驗(yàn)取946 mL 基漿，混入60 mL 高鈣鹽水和60 mL 海泡石膠液，高速攪拌10 min。b 實(shí)驗(yàn)取946 mL 基漿，混入60 mL高鈣鹽水和60 mL 膨潤(rùn)土膠液，高速攪拌10 min。結(jié)果見表2，從表中可以看出，加入海泡石膠液的基漿流動(dòng)性和降濾失效果略好于加入膨潤(rùn)土膠液的基漿。分析認(rèn)為，四開鉆井液全部由三開轉(zhuǎn)換來(lái)，膨潤(rùn)土已經(jīng)充分水化，容固空間有限，海泡石可以在飽和鹽水當(dāng)中造漿，但是難以取代已經(jīng)充分水化的膨潤(rùn)土漿。

表1 高鈣鹽水對(duì)基漿性能的影響

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，如果采用海泡石提高鉆井液的抗鈣污染能力，需要替換大量舊漿，經(jīng)濟(jì)成本太高。新疆地區(qū)組織海泡石較困難，從其他地區(qū)組織過(guò)來(lái)周期太長(zhǎng)。綜合考慮以上因素，現(xiàn)場(chǎng)最終未使用海泡石。

表2 海泡石和膨潤(rùn)土受高鈣鹽水的影響

2.2.3 抗鈣降濾失劑實(shí)驗(yàn)

引入高質(zhì)量的多糖聚合物POLYSAL，該材料相當(dāng)于一種聚合物涂層，可以有效地保護(hù)膠體，防止壓縮擴(kuò)散雙電層。 a 組實(shí)驗(yàn)?zāi)z液配方：0.125%IND30+1.000%抗鈣降濾失劑+1.500%KWK Y–1+0.500%NaOH+10.000%NaCl+10.000%KCl。b 組實(shí)驗(yàn)?zāi)z液配方 0.125%IND30+1.000%PAC –LV+1.500%KWK Y–1+0.500%NaOH+10.00%NaCl+ 10.000%KCl。測(cè)得兩組膠液密度均為1.12 g/cm3。

a 實(shí)驗(yàn)取946 mL 基漿，混入60 mL 高鈣鹽水和a 組膠液，高速攪拌10 min。b 實(shí)驗(yàn)取946 mL 基漿，混入60 mL 高鈣鹽水和b 組膠液，高速攪拌10 min。結(jié)果見表3，從表中可以看出，a 組和b 組對(duì)比流動(dòng)性和懸浮性差不多，但是加入抗鈣降濾失劑的a 組在熱滾之后，API 濾失量明顯降低很多，說(shuō)明加入該藥品可以提高鉆井液體系的抗鈣污染能力。

表3 抗鈣降濾濾失劑受高鈣鹽水的影響

2.2.4 現(xiàn)場(chǎng)配方優(yōu)化

將現(xiàn)場(chǎng)井漿加入1.5% POLYSAL，加入Na2CO3控制鈣離子濃度低于500 mg/L，補(bǔ)充0.5% PAC–LV，加料泵不停地循環(huán)剪切。取處理完的井漿加入60 mL配制的高鈣鹽水進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4，從表中可以看出，流動(dòng)性和懸浮性變化不大，失水略微增加，但還在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，說(shuō)明此配方已具備抗鈣侵的能力。

2.3 井場(chǎng)鉆井液維護(hù)

在井場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上針對(duì)該井四開的施工難點(diǎn)，分別采取相對(duì)應(yīng)的措施。

2.3.1 調(diào)整鉆井液體系及配方

一是將鉆井液體系由欠飽和轉(zhuǎn)換為飽和鹽水聚合物，防止鹽溶造成的垮塌；二是加大抑制劑 PGCS–1 和KCL 的含量，加大隨鉆堵漏劑SLD–1、CARB 的加量，提高鉆井液的封堵性；優(yōu)化鉆井液配方，將后期維護(hù)性能的膠液配方調(diào)整如下：0.5%NaOH+0.3%Na2CO3+7.0%KCL+2.0%NFA–25+3.0%PGCS–1+1.5%PAC–LV+1.5%POLYSAL+1.0%KWKY–1+0.1%IND30+NaCl（氯根飽和）。

表4 轉(zhuǎn)換后的井漿受高鈣鹽水的影響

2.3.2 保證鉆井液性能達(dá)標(biāo)

一是嚴(yán)密監(jiān)測(cè)循環(huán)池液面的變化，加入惰性隨鉆堵漏劑；二是嚴(yán)密監(jiān)測(cè)鉆井液性能，控制pH 值不低于10，控制鈣離子濃度不高于500 mg/L，根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整鉆井液流變性；三是每次起下鉆作業(yè)將井底受污染的鉆井液排放掉，防止受污染的鉆井液入井。

2.4 應(yīng)用效果

通過(guò)改進(jìn)鉆井液配方和上述措施，順利鉆穿柯探1 井四開高鈣鹽水層，電測(cè)無(wú)阻卡，井徑規(guī)則，套管一次性下到位，鉆井液性能滿足固井施工要求，現(xiàn)場(chǎng)施工效果良好。

3 結(jié)論

（1）為了優(yōu)質(zhì)高效地完成勘探作業(yè)，需要控制好低密度固相，為轉(zhuǎn)換四開飽和鹽水鉆井液做好準(zhǔn)備。設(shè)計(jì)當(dāng)中至少需要兩種抗鹽、抗鈣的降失水材料，該區(qū)塊井底溫度偏低，除聚合物之外，常見的淀粉比較適合該區(qū)塊。

（2）除應(yīng)用純堿和小蘇打除鈣外，可以使用一些硅酸鉀，能預(yù)防鈣侵。生成的硅酸鈣對(duì)井壁穩(wěn)定、防塌有一定的幫助，同時(shí)鉀離子可以提高鉆井液的抑制性。