石阡縣CK6地?zé)峋@井液技術(shù)

朱斗圣，宋繼偉，張承飛，鄧少東，趙華宣

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局112地質(zhì)大隊(duì)，貴州安順561000；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開(kāi)發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì)，貴州貴陽(yáng)550008；3.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開(kāi)發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì)，貴州遵義563001）

地?zé)崾且环N廉價(jià)、清潔、豐富的能源，經(jīng)研究資料表明，貴州省的地?zé)豳Y源十分豐富，具有良好的勘查和開(kāi)發(fā)前景[1]。近年來(lái)，貴州省省委、省政府提出了建設(shè)溫泉省、公園省的戰(zhàn)略目標(biāo)。鉆井作為地?zé)豳Y源勘查最直接的手段和地?zé)豳Y源開(kāi)采必需的手段，對(duì)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)有著重要作用。貴州省地?zé)豳Y源普遍埋深2000m以深，鉆孔地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆進(jìn)效率低，施工成本高、風(fēng)險(xiǎn)大[2]，對(duì)鉆井及相關(guān)工藝技術(shù)提出了更高的要求。鉆井液是鉆井的血液，只有性能優(yōu)良的鉆井液才能滿足復(fù)雜地層的鉆進(jìn)要求，才能降低鉆井施工成本和風(fēng)險(xiǎn)[3]。本文以石阡縣CK6地?zé)峋ㄒ韵潞?jiǎn)稱“CK6井”）為例，探討貴州省復(fù)雜地層地?zé)峋@井液應(yīng)用技術(shù)。

1 CK6井工程概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

CK6井地處石阡縣彎塘鎮(zhèn)河岸上，地勢(shì)較平坦，距石阡縣城約6km，交通方便，水源條件好。施工區(qū)處在各個(gè)地質(zhì)構(gòu)造板塊的交界地帶，區(qū)內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)較為復(fù)雜，有2條斷層相互交叉，其中F1斷層是北東—南西向，F(xiàn)2斷層是北西—南東向。

CK6井位于F1和F2斷層交叉帶上，地層破碎嚴(yán)重。鉆進(jìn)到破碎帶時(shí)，孔內(nèi)坍塌、縮徑、掉塊事故頻發(fā)，給鉆井施工帶來(lái)極大困難。

1.2 地層巖性

從表1可以看出，CK6井630m以淺地層泥質(zhì)較多，地層水敏性較強(qiáng)，鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生膨脹縮徑、地層造漿和泥包鉆頭現(xiàn)象[]；998m和1514m處先后鉆遇2個(gè)斷層破碎帶，井壁穩(wěn)定性較差，鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的巖屑顆粒較大，排渣困難。

1.3 井身結(jié)構(gòu)

CK6井設(shè)計(jì)井深2000m，實(shí)際完井深度1896m，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表2所示。

2 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)與技術(shù)要求

2.1 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

CK6井雖然是地?zé)峋?，但井底溫度不超過(guò)80℃，對(duì)鉆井液抗溫性能要求不高。該井全孔采用鉆井液正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，根據(jù)鉆孔地質(zhì)情況及鉆井設(shè)計(jì)分析，該井的鉆井液技術(shù)需要解決以下幾個(gè)難點(diǎn)：

（1）630m以淺地層多為水敏性地層，易發(fā)生軟化縮徑和地層造漿。

表1 CK6井地層巖性

表2 CK6井井身結(jié)構(gòu)

（2）泥質(zhì)較重地層發(fā)生地層造漿后，有害固相增多，可能導(dǎo)致鉆井液性能改變，甚至發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象，影響鉆進(jìn)效率和孔壁穩(wěn)定。

（3）鉆井至斷層破碎帶時(shí)，易發(fā)生掉塊、垮孔事故，護(hù)壁困難。

（4）在破碎地層中鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的巖屑粒徑較大，排渣困難。

（5）碳酸鹽巖地層溶隙、溶洞發(fā)育，斷層破碎帶裂隙發(fā)育，均有可能導(dǎo)致鉆井液漏失。

（6）進(jìn)入熱儲(chǔ)層后，需考慮儲(chǔ)層保護(hù)。

（7）下入套管較長(zhǎng)，下套管過(guò)程中必須保持孔壁穩(wěn)定，保證套管安全下到位[]。

2.2 鉆井液技術(shù)要求

鉆井液要有良好的流變性，又要具有較高的比重，確保鉆井液具有良好的護(hù)壁排砂能力。

針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，鉆井液設(shè)計(jì)需遵循以下原則：

（1）630m以淺鉆井液設(shè)計(jì)以抑制性鉆井液為主，除開(kāi)孔鉆井液需適當(dāng)增加膨潤(rùn)土用量外，應(yīng)盡量采用低固相聚合物鉆井液，防止水敏性地層的膨脹縮徑垮塌和地層造漿，確?？妆诜€(wěn)定和形成規(guī)則的井眼[]。

（2）進(jìn)入非水敏性地層后，可減少KCl等抑制性添加劑的用量以節(jié)省成本。

（3）鉆進(jìn)到溶蝕地層和破碎地層時(shí)，添加必要的堵漏劑，減少鉆井液漏失[]，必要時(shí)可使用水泥堵漏等其它堵漏措施。

（4）在斷層破碎帶鉆進(jìn)時(shí)，適當(dāng)提高鉆井液粘度比重，以保證孔底干凈和保持孔壁穩(wěn)定。

（5）鉆進(jìn)至熱儲(chǔ)層后，不能使用可能污染地?zé)崴奶砑觿?，不能給儲(chǔ)層透水性造成不可恢復(fù)性傷害。

（6）如固井段有易失穩(wěn)地層，固井前應(yīng)保證鉆井液比重足夠維持孔壁穩(wěn)定。

3 鉆井液方案的確定

3.1 鉆井液添加劑的選擇

根據(jù)上述鉆井液技術(shù)要求，選擇了如下鉆井液添加劑[]：

（1）聚丙烯酸鉀（KPAM）：提粘、改善鉆井液的流變性并能有效地包被鉆屑，抵制地層造漿；鉀離子的存在，能防止軟泥、頁(yè)巖和硬脆性泥、頁(yè)巖的水化和剝落，起到穩(wěn)定井壁的作用，具有較好的降失水作用[]。

（2）水解聚丙烯腈胺鹽（NH4-HPAN）：有抑制粘土水化、防塌、降濾失量和輕微降粘作用，同時(shí)具有較好的抗鹽以及抗污染的能力。

（3）高粘羧甲基纖維素鈉（HV-CMC）：增粘劑，同時(shí)具有一定降濾失能力，在泥漿中含量較高時(shí)，亦具有一定的抑制頁(yè)巖水化膨脹能力[]。

（4）高粘防塌劑：抑制水敏性頁(yè)巖水化、防治滲透性砂巖滲漏，具有卓越的防塌堵漏效果[]。

（5）磺化褐煤樹(shù)脂（SPNH）：具有降濾失性好、抗鹽、抗鈣等良好性能，對(duì)鞏固井壁，防塌、防卡具有重要作用。

（6）腐植酸鉀（KHm）：對(duì)泥頁(yè)巖也具有一定的抑制作用。

（7）防塌潤(rùn)滑劑：能有效地改善泥餅質(zhì)量，具有明顯的防塌作用，并可降低摩擦阻系數(shù)，具有良好的潤(rùn)滑作用。

（8）乙烯基單體多元共聚物（PAC-141）：無(wú)毒無(wú)腐蝕，易溶于水，有改善流變參數(shù)、提高剪切稀釋能力、降低濾失量、包被鉆屑、抑制分散等作用，并有抗鹽、抗溫能力。

（9）單向壓力封閉劑：對(duì)孔隙及微裂漏失，堵漏速度快，效果好[]；能迅速形成具有一定強(qiáng)度的非滲透性帶阻止工作液中的液、固相侵入儲(chǔ)層，使儲(chǔ)層免遭損害，帶通過(guò)抽水反排可以解除；能顯著降低泥漿的濾失量，又不影響泥漿的流變性能，耐溫性能優(yōu)良；無(wú)毒，無(wú)害，適用于熱儲(chǔ)層暫行堵漏。

（10）重晶石粉：做加重劑用，根據(jù)需要提供鉆井液比重。

3.2 室內(nèi)配方

3.2.1 鉆井液配方和性能

材料選定后，從材料廠家采集小樣并進(jìn)行了室內(nèi)配方實(shí)驗(yàn)?；鶟{采用優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土，水化24h以上，按照比例加入不同的添加劑，配制成低固相聚合物鉆井液[-]。

根據(jù)鉆井液技術(shù)要求，全孔采用低固相抑制性聚合物鉆井液[]。根據(jù)地層特點(diǎn)，630m以淺鉆井液（配方一）偏重提高鉆井液抑制性，630m以深鉆井液（配方二）適當(dāng)提高密度和攜帶巖屑的能力。實(shí)驗(yàn)室選定鉆井液配方及其性能見(jiàn)表3。

表3 鉆井液性能配方及性能

3.2.2 配方一抑制性評(píng)價(jià)

為保證配方一有足夠的抑制性，對(duì)其進(jìn)行了抑制性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)方法如下：

（1）根據(jù)配方一配制好鉆井液備用；

（2）用巖芯壓制機(jī)制取圓柱體土樣2個(gè)，土樣重10g，壓制壓力2MPa，壓制時(shí)間5min，分別測(cè)量并記錄2個(gè)土樣高度；

（3）將1號(hào)土樣放入膨脹量?jī)x中，倒入鉆井液，8h后在表盤讀數(shù)并記錄；

（4）將2號(hào)土樣放入膨脹量?jī)x中，倒入清水，8h后在表盤讀數(shù)并記錄（2次試驗(yàn)需選取同一臺(tái)儀器進(jìn)行測(cè)量，以減小無(wú)關(guān)變量引起的誤差）。

表4為配方一鉆井液抑制性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從結(jié)果可以看出，配方一的膨脹量遠(yuǎn)小于清水，說(shuō)明此配方抑制性良好。

3.2.3 配方二攜帶巖屑能力評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證配方二的攜帶巖屑能力，對(duì)其進(jìn)行了攜帶巖屑能力評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)方法如下：

表4 鉆井液抑制性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）配制配方二鉆井液備用；

（2）將巖屑（過(guò)100目篩）分別以0%、2%、5%、10%的加量加入到4份400mL的鉆井液中；

（3）使用攪拌機(jī)以1000r/min攪拌1min，分別將4份鉆井液攪拌均勻，靜置30min，觀察巖屑懸浮情況；

（4）分別測(cè)出4份鉆井液的六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀數(shù)、7.5min濾失量，并計(jì)算出每一份鉆井液的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力。

表5為配方二鉆井液攜帶巖屑能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從結(jié)果中可以看出，鉆井液在巖屑量達(dá)到10%時(shí)，靜置30min時(shí)才有少量巖屑沉淀，且能保持良好的粘度和濾失量，說(shuō)明該配方具有優(yōu)良的攜帶巖屑和抵抗巖屑侵蝕能力。

表5 鉆井液攜帶巖屑能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 使用概況

按照上述鉆井液室內(nèi)方案，在CK6井進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。

在630m以淺地層鉆進(jìn)時(shí)，采用配方一鉆井液，鉆進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生縮徑和垮孔事故，鉆井液性能基本穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生明顯的地層造漿。

在630m以深地層鉆進(jìn)時(shí)，采用配方二鉆井液，護(hù)壁效果良好，排砂能力強(qiáng)，排出的巖屑顆粒最大的有50mm×50mm×20mm。在穿越斷層破碎帶前，加入重晶石將鉆井液密度提高到了1.5g/cm3，鉆進(jìn)時(shí)孔壁穩(wěn)定，鉆進(jìn)平穩(wěn)，基本沒(méi)有掉塊、卡鉆現(xiàn)象。

4.2 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)處理與維護(hù)

為保證鉆井液性能，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)鉆井液進(jìn)行適當(dāng)處理與維護(hù)。

（1）正常鉆進(jìn)過(guò)程中，要求每班每30min測(cè)量一次泥漿密度、漏斗粘度。每班至少測(cè)量一次泥漿的全套性能（包括密度、粘度、濾失量、泥餅厚度、含砂量、pH值等）。特別是鉆進(jìn)破碎地層時(shí)，要隨時(shí)觀察排砂情況和鉆井液的上返量的變化，以及是否有憋車現(xiàn)象，及時(shí)記錄并調(diào)整鉆井液性能。

（2）鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)充分利用振動(dòng)篩及時(shí)清除地層中有害固相進(jìn)入鉆井液，振動(dòng)篩應(yīng)采用80目以上篩網(wǎng)。此外，每鉆進(jìn)200～300m，清理一次沉淀池，以保持鉆井液的清潔。

（3）四開(kāi)、五開(kāi)開(kāi)始掃水泥塞時(shí)，應(yīng)使用小循環(huán)，并在掃塞完成后，可將掃塞的鉆井液排放掉，以減少水泥侵鉆井液處理成本。掃塞前向循環(huán)的鉆井液內(nèi)加入適量Na2CO3或NaOH，以降低水泥侵對(duì)鉆井液的影響。

（4）隨著井深加深，可適當(dāng)提高鉆井液密度和粘度，以保證鉆井液的攜砂能力。

（5）鉆進(jìn)過(guò)程中，每鉆完一定進(jìn)尺或相隔一定時(shí)間進(jìn)行短起下鉆一次，同時(shí)配合采用大排量鉆進(jìn)，確保及時(shí)將巖屑帶出井筒，防止井壁上形成虛厚泥餅，保證起下鉆順利。

（6）地層長(zhǎng)時(shí)間浸泡，井壁容易掉塊，在施工過(guò)程中認(rèn)真觀察砂樣返出情況，及時(shí)加入防塌劑，以保證井壁穩(wěn)定。

（7）鉆進(jìn)中，在保證滿足攜帶巖屑的情況下盡可能采用低粘切，起鉆前可適當(dāng)提高井筒內(nèi)鉆井液粘度、降低失水，以確保起鉆順利，井壁穩(wěn)定。

（8）鉆進(jìn)至熱儲(chǔ)層后，盡量采用單向壓力封閉劑堵漏，以保護(hù)儲(chǔ)層。

4.3 使用效果

經(jīng)過(guò)對(duì)鉆井液的合理選擇和精心控制，取得了良好的效果，保證了CK6井的順利施工，主要體現(xiàn)如下：

（1）孔壁穩(wěn)定：鉆井液在實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整證后，CK6井在整個(gè)施工過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生明顯的掉塊和縮徑垮塌現(xiàn)象，起下鉆沒(méi)有發(fā)現(xiàn)阻卡現(xiàn)象，下套管順利。

（2）排渣順利：雖然鉆進(jìn)過(guò)程中遇到巖屑較大的情況，依然保證了巖屑及時(shí)排出，保持了孔底干凈。

（3）鉆井性能穩(wěn)定：整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程沒(méi)有發(fā)生地層造漿，除掃水泥塞時(shí)發(fā)生水泥侵導(dǎo)致短時(shí)的粘度下降和pH升高外，鉆井液性能沒(méi)有較大波動(dòng)。

（4）鉆井效率提高：根據(jù)以往的鉆井經(jīng)驗(yàn)，使用普通鉆井液在貴州施工一口2000m的地?zé)徙@井，一般至少需要8～10個(gè)月，而本次鉆井施工一共使用5個(gè)月，極大地提高了鉆井施工效率。

5 結(jié)論

CK6井試驗(yàn)表明，本鉆井液方案能夠很好地抑制泥頁(yè)巖等水敏性地層的水化、膨脹，對(duì)巖石破碎復(fù)雜地層具有良好的護(hù)壁效果和排渣能力，能夠充分保證施工安全和有效提高鉆進(jìn)效率。

地層和鉆井情況復(fù)雜多變，合理的使用鉆井液除了在充分了解鉆孔資料的基礎(chǔ)上科學(xué)設(shè)計(jì)鉆井液方案外，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)情況適當(dāng)調(diào)整。鉆井過(guò)程中還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鉆井液的維護(hù)工作。

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