彭朝洪，肖長(zhǎng)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(yáng)縣境內(nèi)，是我國(guó)東部31個(gè)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(jì)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(duì)鉆井液的要求

對(duì)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(shí)測(cè)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(jiǎn)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(yè)巖的復(fù)合體，其中頁(yè)巖具有比較高的膨脹性，其陽(yáng)離子交換容量CEC為5 mmol/100 g土。所以在鉆井液設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意考慮鉆井液對(duì)頁(yè)巖的抑制作用，同時(shí)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(shuō)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(huì)降低;陽(yáng)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(jì)時(shí)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(yè)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(wèn)題。選用泥頁(yè)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(jì)

優(yōu)選的鉆井液配方為6號(hào)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(dòng)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(chǎng)的條件計(jì)算出欠飽和鹽水鉆井液中的Cl－含量為0.1009 g/mL左右，同時(shí)考慮到抑制鹽巖層過(guò)度溶解及鉆井液對(duì)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(rùn)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(shí)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(hào)配方:淡水+5%膨潤(rùn)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(dòng)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(jì)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(jì))。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(dòng)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(píng)價(jià)

3．1 鉆井液性能評(píng)價(jià)

3．1．1 泥餅質(zhì)量評(píng)價(jià)

泥餅質(zhì)量主要通過(guò)泥餅照片、顯微鏡照片、泥餅厚度和泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)的測(cè)定進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(duì)照?qǐng)D

將圖1的3個(gè)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(jí)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(guò)摩阻測(cè)卡實(shí)驗(yàn)，測(cè)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(píng)價(jià)

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(shí)，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(rùn)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(chǎng)經(jīng)過(guò)鉆孔循環(huán)和地層的相互作用，溫度對(duì)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(rùn)滑性評(píng)價(jià)

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

表4 鉆井液潤(rùn)滑性

測(cè)試結(jié)果顯示，飽和鹽水鉆井液體系的潤(rùn)滑效果最好，能潤(rùn)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(píng)價(jià)

3．2．1 膨脹性測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)采集3種巖樣，其中一號(hào)巖樣與淡水防塌鉆井液接觸，二號(hào)巖樣與欠飽和鹽水鉆井液接觸，三號(hào)巖樣與飽和鹽水鉆井液接觸。稱取過(guò)100目篩的巖樣(在105℃烘干4 h)6.5 g在4 MPa壓制5 min，測(cè)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(hào)樣，由于該巖樣主要是取自于泥頁(yè)巖、砂巖及鹽膏層;其次是一號(hào)巖樣，主要是泥頁(yè)巖;膨脹性最弱的是三號(hào)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(dòng)回收測(cè)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(dòng)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(jì)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(shí)，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(chǎng)應(yīng)用

鉆井液技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)監(jiān)控鉆井液性能，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)鉆井液配方，每2 h測(cè)1次pH值、密度、粘度，每班(按8 h計(jì))測(cè)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(shí)應(yīng)加密測(cè)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(guò)2000 m應(yīng)控制在10 mL/30 min以內(nèi)。

用好“振動(dòng)篩+除砂器”的固控組合，有條件時(shí)配備離心機(jī)，嚴(yán)格控制無(wú)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(shí)，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(cè)參數(shù)如表5所示。

ZKX井鉆井液體系現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用中，主要針對(duì)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(yè)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(wèn)題。在(2)類地層中，除高溫問(wèn)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(guò)量，鉆井液性能發(fā)生改變問(wèn)題。

使用普通鉆井液進(jìn)行泥頁(yè)巖地層鉆進(jìn)初遇石鹽礦物時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)鉆井液由于鈣鹽浸性能失效，發(fā)生卡鉆事故，通過(guò)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(guò)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(shí)

(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(rùn)滑減阻等要求，對(duì)將在同區(qū)域的鹽膏層鉆進(jìn)鉆井液體系設(shè)計(jì)和實(shí)施有重要的參考價(jià)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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