ZQ2井鹽膏層高密度欠飽和鹽水聚磺鉆井液技術(shù)

祝學(xué)飛，孫俊，舒義勇，徐思旭，周華安

（1.川慶鉆探工程有限公司新疆分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000；2.川慶鉆探鉆井液技術(shù)服公司，成都 610056）

傳統(tǒng)欠飽和鹽水磺化體系因含有高濃度的磺化材料，屬于強(qiáng)分散型鉆井液[1]，體系的動(dòng)切力和靜切力偏高，普遍呈現(xiàn)強(qiáng)凝膠狀態(tài)，隨著鉆遇裸眼段長(zhǎng)的增加、鉆屑污染、膏鹽的侵入，流變性與濾失造壁性維護(hù)非常困難且維護(hù)周期較短，尤以漏斗黏度、切力變化最為明顯，新配漿基本使用一周后便開始大型處理。隨著鉆井現(xiàn)場(chǎng)巖屑不落地清潔化生產(chǎn)的實(shí)施[2-3]，鉆井液廢棄物不再隨意排放，而稀釋劑因含有重金屬離子也被停止使用，流變性的控制更顯得捉襟見肘。隨著抗鹽抗鈣抗高溫類型聚合物處理劑的研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用，隨著清潔化生產(chǎn)的不斷加強(qiáng)與環(huán)境保護(hù)的嚴(yán)格管理，鉆井液處理劑發(fā)展方向以多元聚合物類、抗溫抗鹽抗鈣類、納米類[4-5]、低色度環(huán)保類等產(chǎn)品，會(huì)逐漸替代傳統(tǒng)的、高色度、強(qiáng)分散性的趨勢(shì)。

1 ZQ2井地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)

庫(kù)車山前區(qū)塊經(jīng)多次地震運(yùn)動(dòng)形成高陡構(gòu)造，中秋構(gòu)造吉迪克膏鹽層發(fā)育巨厚且構(gòu)造褶皺變形多[6]，以鹽巖、膏鹽、軟泥巖、泥巖不等厚互層為主，該開次電測(cè)井底溫度為125 ℃，要求鉆井液既要有較強(qiáng)的抗鹽膏污染能力，還應(yīng)具有良好的高溫穩(wěn)定性；鹽巖溶解引起鹽間泥巖失去支撐形成掉塊易造成掉塊卡鉆，軟石膏分散溶解性極強(qiáng)，引起流變性較大變化，石膏層縮徑、鹽膏層蠕變?cè)斐煽s徑卡鉆[7]。ZQ2井吉迪克組～庫(kù)姆格列木群（N1j2～E1-2km1）地質(zhì)分層與巖性見表1。

表1 ZQ2井吉迪克組～庫(kù)姆格列木群（N1j2～E1-2km1）地質(zhì)分層與巖性

2 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)與思路

該開次原設(shè)計(jì)為油基鉆井液體系，套管結(jié)構(gòu)為套管+膨脹管模式，為解決井身結(jié)構(gòu)難題，油田公司決定該井段試驗(yàn)油基改水基鉆井液，套管結(jié)構(gòu)更改為全套管，將復(fù)合鹽層與低壓層套打，對(duì)水基鉆井液技術(shù)提出了較高要求。鄰井ZQ1井本段分第三、第四開次采用油基鉆井液鉆進(jìn)，鉆井液最高密度為2.33 g/cm3，且鉆進(jìn)起下鉆過程中阻卡頻繁，第四開次因井漏逐步降密度至2.19 g/cm3。鹽膏層鉆井液維護(hù)最大的難點(diǎn)是鹽與膏對(duì)流變性的影響，尤其是膏污染特別嚴(yán)重[8-9]，流變性優(yōu)控為鹽膏層鉆井液的第一要?jiǎng)?wù)，優(yōu)控的基礎(chǔ)是鉆井液護(hù)膠，其實(shí)質(zhì)對(duì)黏土顆粒的有效保護(hù)。

針對(duì)該井上段膏鹽層埋深，采用高密度欠飽和復(fù)合鹽適度控制鹽膏層溶解，適當(dāng)擴(kuò)大井徑避免形成大肚子，防止鹽層蠕變形成小井眼；針對(duì)軟泥巖、鹽質(zhì)泥巖分散性強(qiáng)，對(duì)高密度鉆井液性能影響大，鄰井多次出現(xiàn)軟泥巖堆積堵塞防溢管現(xiàn)象[10]，引入抗鹽鈣型中小分子四元共聚物MYK，利用其抗鹽抗鈣抗污染與護(hù)膠；改性植物膠NXX對(duì)泥巖、軟泥巖進(jìn)行包被抑制避免分散與敷篩現(xiàn)象；用KCl、有機(jī)鹽Weigh2加強(qiáng)抑制，用適當(dāng)磺化材料進(jìn)行抗溫與護(hù)膠，幾者相結(jié)合形成聚磺高密度欠飽和鹽水鉆井液，用其解決鹽膏污染與軟泥巖引起的流變性矛盾，同時(shí)極致潤(rùn)滑封堵。

2.1 主要材料選擇與作用機(jī)理

經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選以下幾種主要處理劑。①聚合物類降濾失劑四元共聚物MYK：以甲基、酰胺基、羧基、磺酸基合成的共聚物，配伍性好，屬可生物降解的環(huán)保產(chǎn)品，分子鏈中含有四元環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其剛性較強(qiáng)，不易受鹽鈣侵入影響而脫附，側(cè)鏈磺酸基團(tuán)的兩個(gè)S—O（π 鍵）鍵的存在，在高溫、高礦化度環(huán)境中具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，高溫下不易與主鏈斷裂，且可以與羥基等親水基團(tuán)形成穩(wěn)定的共軛體系，阻止鹽鈣離子侵入，從而提高整體抗鹽鈣能力，加量范圍為1.0%～1.5%。②改性植物膠包被抑制劑NXX，帶有抑制性基團(tuán)與吸附基團(tuán)，對(duì)泥巖有效包被抑制，加量范圍0.1%～0.2%。③有機(jī)鹽Weigh2溶液的水活度值極低，其井壁、鉆屑、黏土顆粒的水化應(yīng)力（τ水化）相應(yīng)降低，使井壁穩(wěn)定，鉆屑黏土顆粒不分散不水化，同時(shí)電離出大量的陽離子通過靜電引力吸附進(jìn)入黏土晶格，抑制黏土表面水化和滲透水化，從而具有較強(qiáng)的抑制性；同時(shí)有機(jī)鹽鉆井液有著較高濃度的電解質(zhì)，使得侵入的鹽、鈣物質(zhì)難以溶解，其抗鹽抗鈣污染能力較強(qiáng)，加量范圍為5%～8%。

2.2 室內(nèi)優(yōu)化配方實(shí)驗(yàn)

以常規(guī)欠飽和鹽水氯化鉀磺化體系配方為基礎(chǔ)，室內(nèi)優(yōu)選關(guān)鍵處理劑的基礎(chǔ)上，以流變性、抑制性、潤(rùn)滑性、封堵性為主要考察評(píng)價(jià)指標(biāo)，不斷優(yōu)化完善基礎(chǔ)配方，最終形成一套聚磺高密度欠飽和鹽水鉆井液體系如下。

1%膨潤(rùn)土+4%SMP-3+4%SPNH+1.5%MYK+0.1%NXX+8%Weigh2+1.5%DYFT-2+10%KCl+20%NaCl+2%潤(rùn)滑劑+高密度重晶石

將基礎(chǔ)配方分別進(jìn)行5%NaCl、2%CaSO4、5%膨潤(rùn)土抗污染評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。由表2可以看出，聚磺高密度欠飽和鹽水鉆井液呈現(xiàn)塑性黏度略高、切力較低特點(diǎn)；污染后塑性黏度、切力值均在理想范圍，具有良好的抗鹽膏和土相污染能力。

表2 基漿性能與抗污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 鉆井液配制

優(yōu)先配制膠液，配方為：水+0.5%NaOH+4%SMP-3+4%SPNH+2%MYK+0.2%NXX+2%DYFT-2，待其充分水化后與二開聚磺井漿按體積比6∶4混合，膠液應(yīng)分次加入，加重過程中陸續(xù)補(bǔ)充，防止一次性加入至固液比例失調(diào)造成重晶石沉淀，再依次加入KCl、NaCl、潤(rùn)滑劑，最后加重至所需密度，加重過程中在循環(huán)罐前中后三位置插入壓縮空氣管線對(duì)重晶石進(jìn)行吹吐防止沉淀發(fā)生，配制完畢鉆井液漏斗黏度較高，替入井筒充分循環(huán)剪切2～3循環(huán)周再進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。本次根據(jù)井筒容積與地面循環(huán)量共配制密度為2.10 g/cm3的井漿440 m3，先期應(yīng)控制地面循環(huán)量，建立循環(huán)即可，后續(xù)根據(jù)性能調(diào)整再補(bǔ)充循環(huán)量。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

1）流變性控制。鉆進(jìn)中保持密度穩(wěn)定，有機(jī)鹽、潤(rùn)滑劑、瀝青類按適時(shí)循環(huán)周均勻補(bǔ)充；膠液充分水化后均勻補(bǔ)充入井，實(shí)鉆中鉆井漏斗黏度呈下降趨勢(shì)，切力趨勢(shì)平緩，無波峰波谷現(xiàn)象，沒有大型處理、大量稀釋、排放鉆井液現(xiàn)象。ZQ2井實(shí)鉆鉆井液性能與鄰井性能對(duì)比見表3。ZQ101、ZQ102為鄰井資料，均使用傳統(tǒng)欠飽和鹽水鉆井液體系，在Cl-含量低一些的情況下，初終切值差值仍較大，說明該鉆井液已有被污染或分散的可能。

表3 實(shí)鉆鉆井液性能與鄰井鉆井液性能對(duì)比

2）井眼質(zhì)量。該開次鉆進(jìn)周期為32.70 d，固井前中途完鉆周期為7.05 d，鉆進(jìn)、中途完鉆過程中短程起下鉆13次，起下鉆6次，經(jīng)短程起下鉆、起下鉆驗(yàn)證，井壁穩(wěn)定。但在4545～4630 m、5000～5150 m每次都有阻卡現(xiàn)象，上提下放遇阻最高噸位為35 t，該段為膏鹽層縮徑阻卡，后經(jīng)擴(kuò)眼作業(yè)解決阻卡問題。

3）現(xiàn)場(chǎng)巖屑效果。實(shí)鉆中 N1j2軟泥巖、鹽巖、鹽膏交替發(fā)育，鉆進(jìn)階段，因鹽間軟泥巖強(qiáng)度低，鉆井參數(shù)鉆壓為2～3 t，扭矩為5～8 kN·m，振動(dòng)篩返出巖屑表現(xiàn)為粉末狀、糊狀、團(tuán)狀，PDC切屑痕跡模糊，條狀巖屑較少。采取適當(dāng)濃度的MYK與NXX膠液及適度提高KCl、Weigh2濃度的措施進(jìn)行有效的應(yīng)對(duì)，效果明顯，未出現(xiàn)軟泥巖敷篩堵出口管現(xiàn)象。如圖1所示，E2-3s與E1-2km1膏泥巖段巖屑代表性好，PDC切削明顯。該開次實(shí)鉆井段為4545～5827 m，共1282 m，連續(xù)987 m鹽或鹽質(zhì)地層、含鹽泥巖夾層，275 m膏質(zhì)、含膏泥巖地層。

圖1 ZQ2井三開巖屑代表性照片

4）工程施工效果。后期作業(yè)電測(cè)、下套管、固井作業(yè)均一次性成功，井壁穩(wěn)定、井下安全。下φ273.05 mm+φ244.48 mm套管過程中鉆井液靜置94 h，開泵泵沖20沖，泵壓5 MPa頂通靜止鉆井液。

4 鉆井液維護(hù)要點(diǎn)[11-13]

1）合理膨潤(rùn)土含量是復(fù)合鹽高密度鉆井液流變性、濾失造壁性的基礎(chǔ)，且有效土強(qiáng)化護(hù)膠是保證高濃度鹽水鉆井液性流變性的首要條件，在高礦化度下才能形成膠體有效載體，在滿足懸浮重晶石的前提下，盡可能保持低膨潤(rùn)土含量（該開次控制小于15 g/L）、低黏度和切力，利于流變性控制。

2）抗鹽抗鈣是高密度欠飽和鹽水鉆井液的維護(hù)重點(diǎn)，是優(yōu)控流變性的基礎(chǔ)，重點(diǎn)以處理劑MYK進(jìn)行抗鹽抗鈣，維護(hù)膠液配方沿用配漿膠液配方。ZQ2井井深5 672 m井漿抗石膏污染實(shí)驗(yàn)見表4。表4中井漿在2%石膏污染范圍內(nèi)流變性比較理想，3%相對(duì)較高，但在接受范圍。

表4 ZQ2井井深5672 m井漿抗石膏污染實(shí)驗(yàn)

3）合適合理的密度是鹽膏層井眼穩(wěn)定的關(guān)鍵，從力學(xué)角度出發(fā)，在滿足井控和井壁穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡可能地控制較低的密度，液柱壓力與地層壓力平衡是防塌技術(shù)中最簡(jiǎn)單有效的技術(shù)手段，將鉆井液密度嚴(yán)格控制在地層安全密度窗口內(nèi)。該開次密度基本控制在2.10 g/cm3范圍，在蘇維依組砂巖易漏失井段（5600～5700 m）密度降至2.07～2.08 g/cm3，鉆過該井段后恢復(fù)至原密度，同時(shí)在井漿中加入1%隨鉆堵漏劑與快鉆時(shí)井段間斷向井漿中加入剛性堵漏劑KGD-1，進(jìn)行主動(dòng)防漏，實(shí)現(xiàn)了高低壓層套打。

4）抑制性。強(qiáng)抑制性是保證軟泥巖井段鉆井液流變性、發(fā)揮固控設(shè)備效率的關(guān)鍵，如軟泥巖不能有效包被則會(huì)造成敷篩使固控設(shè)備失去作用。一是通過聚合物類處理劑的成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改進(jìn)鉆井液的流型，抑制泥頁巖與鉆屑的水化分散，有效包被鉆屑；二是通過補(bǔ)充膠液保持8%～10%KCl、5%～8%Weigh2的含量。

5）鹽含量控制。合適的KCl、NaCl比例及Cl-含量是保持鹽膏層井壁穩(wěn)定的基礎(chǔ)，采用（8%～10%）KCl+（22%～25%）NaCl的復(fù)配方式，使濾液中Cl-總濃度處于飽和或過飽和且仍有較高濃度K+，通過降低濾液活度進(jìn)而降低水敏效應(yīng)，降低水化對(duì)地應(yīng)力的影響。

6）鹽重結(jié)晶。5045～5055 m井段振動(dòng)篩出現(xiàn)嚴(yán)重跑漿現(xiàn)象，仔細(xì)觀察振動(dòng)篩發(fā)現(xiàn)鹽結(jié)晶顆粒較多致堵篩孔現(xiàn)象，向井漿一次性補(bǔ)充0.5%的鹽重結(jié)晶抑制劑NTA-2后恢復(fù)正常。

7）控鈣思路。地層鈣離子侵入是造成流變性失控的根源，嚴(yán)控濾液鈣離子濃度小于2000 mg/L。

8）潤(rùn)滑、防塌、井壁穩(wěn)定控制。一是利用處理劑的復(fù)配、協(xié)同效應(yīng)，嚴(yán)格控制鉆井液的中壓與高溫高壓濾失量；二是密切關(guān)注井下摩阻、振動(dòng)篩返砂情況，及時(shí)向井漿補(bǔ)充1%～2%的抗鹽極壓潤(rùn)滑劑、瀝青類、乳化石蠟類潤(rùn)滑防塌封堵劑。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1.ZQ2井聚磺高密度欠飽和鹽水鉆井液技術(shù)的成功應(yīng)用，即在傳統(tǒng)磺化欠飽和鹽水體系基礎(chǔ)上引入聚合物，首次引入有機(jī)鹽，該鉆井液表現(xiàn)出包被抑制性強(qiáng)、抗污染能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單，拋棄了稀釋劑，為解決埋藏相對(duì)較淺的中上部鹽膏層高密度鉆井液流變性維護(hù)難題提供了一種思路。

2.鹽膏層鉆井液維護(hù)要點(diǎn)，優(yōu)控流變性為第一要?jiǎng)?wù)，護(hù)膠是基礎(chǔ)，自身抑制性、抗鹽抗鈣抗污染能力是前提。

3.需繼續(xù)研發(fā)用于欠飽和鹽水鉆井液體系的抗鹽、抗鈣、抗溫、抑制性更強(qiáng)的處理劑。

4.本開次鹽膏層及蘇維依組低壓漏層安全快速鉆進(jìn)，井壁穩(wěn)定，井下安全，電測(cè)、下套管一次性成功，為該區(qū)塊優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。