葉舞凹陷ZKX井深部鹽層鉆井液技術(shù)研究

彭朝洪，肖長波，徐 飛

(四川省地質(zhì)工程勘察院，四川成都610072)

葉舞凹陷鹽田位于河南省中部葉縣和舞陽縣境內(nèi)，是我國東部31個鹽盆中發(fā)現(xiàn)的大型優(yōu)質(zhì)鹽礦床之一，ZKX井位于葉縣鹽田范圍內(nèi)，該鉆探的目的是河南葉舞凹陷鹽礦的普查，在2000～2400 m連續(xù)取心，為石鹽礦床查證提供支持。

該孔設(shè)計井深2630 m，為三開井身結(jié)構(gòu)，其中一開(0～491.2 m)、二開(491.2～2000 m)井段采用全面鉆進(jìn)，三開(2000～2630 m)連續(xù)取心;該井實(shí)際完井深度 2400 m，0～491.2 m井段采用311.1 mm鉆頭擴(kuò)眼后下入244.5 mm套管固井，491.2～2000 m井段采用215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)后下入177.8 mm套管并固井，2000～2630 m井段120.6 mm裸眼鉆進(jìn)。

鹽層是指以鹽或石膏為主要成分的地層［1］，鹽層蠕變特性除了和巖石理化性質(zhì)有關(guān)還與氯離子含量、鉆井液性能緊密相關(guān)［2］，所以本文主要研究鹽水鉆井液的配制及防護(hù)。

1 巖石性質(zhì)及對鉆井液的要求

對鹽巖層我們采用的研究方法很多，比如X光衍射分析、電鏡掃描分析等［3］。同時測定可溶性鹽的類型(Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl－等)及含量［4］。

一開(0～492 m)地層，深度淺，地層簡單，鉆井液體系采用常用材料配制普通鉆井液。

二開以淺(491.2～1650 m)地層的普遍情況是泥頁巖的復(fù)合體，其中頁巖具有比較高的膨脹性，其陽離子交換容量CEC為5 mmol/100 g土。所以在鉆井液設(shè)計時應(yīng)當(dāng)注意考慮鉆井液對頁巖的抑制作用，同時要考慮二開以深(1650～2000 m)含鹽膏層的抗鹽能力。

三開地層中含有大量的石鹽礦物，含有極少的蒙脫石，說明該地層的膨脹量不高，含有大量的伊利石、石英和方解石等，屬于中等分散;但是因?yàn)槿_中含有大量的鹽巖，所以回收率將會降低;陽離子交換容量比二開地層的數(shù)值更低，＜3 mmol/100 g土。本研究區(qū)域的可溶鹽類型分析結(jié)果是石鹽礦石主要組分為 NaCl，其含量一般為75% ～90%，最高為95.17%，最低為68%，平均為80%以上。其次為CaSO4，含量一般為3.5% ～6%。所以在鉆井液設(shè)計時應(yīng)當(dāng)注意考慮鉆井液的抗鹽能力、抑制鹽巖溶解及提高取心率。

2 鉆井液體系優(yōu)化

2．1 二開以淺防塌鉆井液體系

二開(491.2～1650 m)鉆遇水敏性泥頁巖地層，應(yīng)重點(diǎn)考慮水化膨脹使鉆孔發(fā)生井眼蠕變縮徑、井壁掉塊、井壁坍塌、上下鉆桿遇阻等問題。選用泥頁巖強(qiáng)抑制劑腐植酸鉀、XY－27和HV－CMC進(jìn)行復(fù)配。其配方及性能見表1。

表1 防塌鉆井液主要性能統(tǒng)計

優(yōu)選的鉆井液配方為6號配方，其性能參數(shù)為:密度1.0 g/cm3，漏斗粘度34 s，表觀粘度16.5 mPa·s，塑性粘度 13 mPa·s，動切力 3.5 Pa，濾失量13.5 mL/30 min，靜切力 3.5/10 Pa/Pa。

2．2 二開以深欠飽和鹽水鉆井液體系

二開(1650～2000 m)鉆遇含鹽膏巖地層，根據(jù)ZKX井現(xiàn)場的條件計算出欠飽和鹽水鉆井液中的Cl－含量為0.1009 g/mL左右，同時考慮到抑制鹽巖層過度溶解及鉆井液對鹽的容納能力，所以選擇欠飽和鹽水鉆井液中的Cl－含量為0.1 g/mL。

基漿為5%預(yù)水化膨潤土+10%NaCl。采用LV－CMC、腐植酸鉀、水解聚丙烯腈鈉鹽、HVCMC降失水，HV－CMC、水解聚丙烯腈鈉鹽、LVCMC抗溫性能好;同時HV－CMC、LV－CMC和水解聚丙烯腈鈉鹽還具有一定程度的抗鹽性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化使用正交實(shí)驗(yàn)，采用四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 欠飽和鹽水鉆井液主要性能

優(yōu)選的鉆井液配方為5號配方:淡水+5%膨潤土+10%NaCl+0.15%HV－CMC+0.2%腐植酸鉀+0.8%水解聚丙烯腈+0.8%LV－CMC。其性能為:密度1.20 g/cm3，漏斗粘度30 s，表觀粘度18 mPa·s，塑性粘度 17 mPa·s，動切力 1 Pa，濾失量 9 mL/30 min，靜切力 3.5/6 Pa/Pa。

2．3 三開飽和鹽水鉆井液體系

三開是2000 m以深的鹽巖地層，該段采用取心鉆進(jìn)，鉆孔深，取心工藝要求高，故設(shè)計使用飽和鹽水鉆井液體系，實(shí)驗(yàn)方法和欠飽和鹽水鉆井液類似。

基漿為3%鈉膨潤土+2%凹凸棒抗鹽粘土+31.5%NaCl+0.01%聚丙烯酰胺鉀鹽。飽和鹽水鉆井液選用抗鹽抗高溫處理劑為凹凸棒抗鹽粘土和FKJ－2材料;增粘劑主要采用鈉基膨潤土和聚丙烯酸鉀處理劑;降失水采用腐植酸鉀、水解聚丙烯腈鈉鹽、LV－CMC、FKJ－2材料;潤滑劑采用聚丙烯酸鉀處理劑。實(shí)驗(yàn)配方及性能參數(shù)如表3所示。

表3 飽和鹽水鉆井液主要性能

優(yōu)選的鉆井液配方為配方3:淡水+3%鈉膨潤土+2%凹凸棒抗鹽粘土+31.5%NaCl+0.01%聚丙烯酰胺鉀鹽+0.3%腐植酸鉀+0.7%水解聚丙烯腈鈉鹽+0.90%LV－CMC+0.90%FKJ－2+1.5%NaOH(以土的質(zhì)量計)。其性能為:密度1.25 g/cm3，漏斗粘度 38 s，表觀粘度 23.5 mPa·s，塑性粘度21 mPa·s，動切力 2.5 Pa，濾失量 6.5 mL/30 min，靜切力 4/8.5 Pa/Pa。

3 鉆井液性能與抑制效果評價

3．1 鉆井液性能評價

3．1．1 泥餅質(zhì)量評價

泥餅質(zhì)量主要通過泥餅照片、顯微鏡照片、泥餅厚度和泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)的測定進(jìn)行評價。泥餅照片如圖1所示，能夠清楚地辨別出非鹽水鉆井液、欠飽和鹽水鉆井液和飽和鹽水鉆井液，石鹽在各種鉆井液形成的泥餅上表現(xiàn)差異性較大。

圖1 三套鉆井液體系泥餅對照圖

將圖1的3個泥餅用顯微鏡放大50倍觀察，如圖2所示，淡水防塌鉆井液、欠飽和鹽水鉆井液、飽和鹽水鉆井液在常溫失水量分別為:13.5、9、6.5 mL/30 min，失水量逐步減小。從顆粒級配的優(yōu)越性、泥餅致密性、泥餅折線率的角度觀察發(fā)現(xiàn)，泥餅質(zhì)量最優(yōu)的是飽和鹽水鉆井液，所以其濾失性能最優(yōu)。

圖2 三種鉆井液泥餅微觀圖

通過摩阻測卡實(shí)驗(yàn)，測得淡水防塌鉆井液、欠飽和鹽水鉆井液、飽和鹽水鉆井液泥餅的摩阻值分別為0.031、0.027、0.018，3 種鉆井液摩阻系數(shù)依次減小，摩阻系數(shù)與泥餅的粘附力呈正比，所以發(fā)生卡鉆的可能性最小的是飽和鹽水鉆井液。

3．1．2 鉆井液抗溫性評價

鹽水鉆井液受溫度的影響，隨著溫度的升高，表觀粘度下降。2000 m孔深的井口循環(huán)溫度為33℃，井底循環(huán)溫度為45℃，2400 m孔深的井口循環(huán)溫度為45℃，井底循環(huán)溫度為59℃。鹽水鉆井液粘度隨溫度的變化如圖3所示。到達(dá)井底時，欠飽和鹽水鉆井液粘度達(dá)到16 mPa·s;飽和鹽水鉆井液達(dá)到18.5 mPa·s，粘度均在可用和控制范圍內(nèi)，溫度升高除了影響膨潤土水化分散作用和影響處理劑材料使粘度降低外，還使鹽的溶解度增加，所以在現(xiàn)場經(jīng)過鉆孔循環(huán)和地層的相互作用，溫度對鉆井液性能的影響將減小。

圖3 鹽水鉆井液表觀粘度與溫度關(guān)系曲線

3．1．3 鉆井液潤滑性評價

鉆井液潤滑性評價實(shí)驗(yàn)主要分析鉆井液的潤滑性，盡量減少其對鉆具的磨損和破壞，在深孔特別是深部取心過程中起到潤滑減阻的作用。使用EP型潤滑儀測試結(jié)果如表4所示。

表4 鉆井液潤滑性

測試結(jié)果顯示，飽和鹽水鉆井液體系的潤滑效果最好，能潤滑鉆具降低摩阻，利于深部鉆探和取心鉆進(jìn)。

3．2 抑制性效果評價

3．2．1 膨脹性測試

現(xiàn)場采集3種巖樣，其中一號巖樣與淡水防塌鉆井液接觸，二號巖樣與欠飽和鹽水鉆井液接觸，三號巖樣與飽和鹽水鉆井液接觸。稱取過100目篩的巖樣(在105℃烘干4 h)6.5 g在4 MPa壓制5 min，測試膨脹量。

由圖4可知，從巖樣的膨脹性角度而言，3種巖樣中膨脹性最強(qiáng)的是二號樣，由于該巖樣主要是取自于泥頁巖、砂巖及鹽膏層;其次是一號巖樣，主要是泥頁巖;膨脹性最弱的是三號巖樣，取自于鹽膏層復(fù)合地層。從鉆井液的抑制性效果而言，3種鉆井液均具有較強(qiáng)的抑制巖樣吸水膨脹的能力。

3．2．2 巖樣滾動回收測試

稱取50 g 10～20目的巖樣，與350 mL鉆井液混合加入到老化罐中，在80℃滾動16 h，用40目篩回收，回收巖樣在105℃下烘干，冷卻24 h，稱重并計算回收率。

圖4 三種巖樣的膨脹性曲線

由圖5發(fā)現(xiàn)，2套鹽水鉆井液體系均有較強(qiáng)的抑制水敏性巖樣的水化分散能力，ZKX井實(shí)際鉆遇鹽巖地層時，井底循環(huán)溫度較實(shí)驗(yàn)溫度低，取心率更高。

圖5 回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 現(xiàn)場應(yīng)用

鉆井液技術(shù)人員在現(xiàn)場負(fù)責(zé)監(jiān)控鉆井液性能，負(fù)責(zé)設(shè)計鉆井液配方，每2 h測1次pH值、密度、粘度，每班(按8 h計)測一次鉆井液全套性能(pH值、密度、粘度、濾失量、含砂量)，使用飽和鹽水鉆井液時應(yīng)加密測量頻次;根據(jù)地質(zhì)資料及鄰井鉆探施工資料，控制好鉆井液的密度，以平衡地層壓力;嚴(yán)格控制鉆井液濾失量，二開后鉆井液濾失水量應(yīng)控制在15 mL/30 min以內(nèi)，深度超過2000 m應(yīng)控制在10 mL/30 min以內(nèi)。

用好“振動篩+除砂器”的固控組合，有條件時配備離心機(jī)，嚴(yán)格控制無用固相的含量，含砂量應(yīng)低于0.5%;進(jìn)入鹽巖層前50 m時，將普通鉆井液轉(zhuǎn)化為飽和鹽水鉆井液。防塌鉆井液、欠飽和鹽水鉆井液及飽和鹽水鉆井液體系有效地提高了鉆進(jìn)工作的安全性。ZKX井各典型地層監(jiān)測參數(shù)如表5所示。

ZKX井鉆井液體系現(xiàn)場運(yùn)用中，主要針對地層為:

表5 典型地層鉆井液性能參數(shù)

(1)含有少量石鹽礦物的泥頁巖復(fù)合體地層;

(2)鹽巖地層。

在(1)類地層中，由于復(fù)合地層的膨脹、收縮、鈣鹽浸和高溫等特性，巖土脹縮導(dǎo)致鉆孔孔徑發(fā)生變化易縮徑卡鉆;鹽浸導(dǎo)致普通鉆井液體系發(fā)生破壞，喪失鉆井液功能;高溫導(dǎo)致普通鉆井液顆粒物質(zhì)發(fā)生性能突變失效等問題。在(2)類地層中，除高溫問題以外，存在由于大量的石鹽礦物進(jìn)入鉆井液，導(dǎo)致鉆井液中鹽巖礦物過量，鉆井液性能發(fā)生改變問題。

使用普通鉆井液進(jìn)行泥頁巖地層鉆進(jìn)初遇石鹽礦物時，現(xiàn)場鉆井液由于鈣鹽浸性能失效，發(fā)生卡鉆事故，通過換用欠飽和鉆井液體系使鉆井液在含有NaCl和Ca2+污染的情況下，鉆井液粘度、失水量、切力等各種性能均達(dá)到合格要求，成功分離鉆桿與地層擠壓接觸，解決卡鉆事故并保證改地層鉆進(jìn)順利完成。

鹽巖地層鉆進(jìn)易出現(xiàn)漏失、卡鉆、鈣鹽侵、埋鉆等事故，應(yīng)結(jié)合鉆井井身結(jié)構(gòu)、鉆具工藝和鉆井液等技術(shù)，相互配合，共同發(fā)揮功效，保證鉆進(jìn)安全順利。

ZKX井鉆進(jìn)過程使用鉆井液技術(shù)很好地處理了鉆井中出現(xiàn)的漏失、卡鉆、鈣鹽侵、埋鉆事故。

5 結(jié)論與認(rèn)識

(1)本文研究的防塌鉆井液、欠飽和鹽水鉆井液及飽和鹽水鉆井液體系分別滿足了ZKX井不同井段的井壁穩(wěn)定、保護(hù)巖心和潤滑減阻等要求，對將在同區(qū)域的鹽膏層鉆進(jìn)鉆井液體系設(shè)計和實(shí)施有重要的參考價值;

(2)在能有效地解決鹽巖層產(chǎn)生蠕變前提下，盡可能取鉆井液中的Cl－含量的最小值，所以欠飽和鹽水鉆井液在鉆遇ZKX井二開以深的地層效果較優(yōu);

(3)飽和鹽水鉆井液體系能有效的抑制鹽巖層吸水膨脹和水化分散，保證了井壁穩(wěn)定及較高的取心率。

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