付 宇， 裴小龍， 南天浩， 劉星宇， 宋東陽

(武警黃金部隊(duì)第四支隊(duì)，遼寧 遼陽 111000)

0 引言

北京市大興區(qū)采育鎮(zhèn)鳳河營，位于京津冀交匯處，地處環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中心地帶，是按照21世紀(jì)城市生態(tài)學(xué)理論—全新的概念規(guī)劃的“北京市33個(gè)重點(diǎn)建設(shè)的中心城鎮(zhèn)”之一。為了將采育鎮(zhèn)建設(shè)成全國聞名的生態(tài)型，可持續(xù)發(fā)展型明星小城鎮(zhèn)，北京市大興區(qū)采育鎮(zhèn)政府決定開發(fā)鳳河營地?zé)崽锏責(zé)豳Y源用于地?zé)峒泄┡?，以響?yīng)國家節(jié)能減排工作號(hào)召，在減少煙塵對(duì)大氣污染的同時(shí)，降低運(yùn)行成本，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

熱水儲(chǔ)層在鉆井、完井、開采等勘探開發(fā)作業(yè)過程中，由于儲(chǔ)層本身物理、化學(xué)、熱力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)等原平衡狀態(tài)的變化，以及各種作業(yè)因素的影響，使外來工作液與底層巖石之間和外來工作液與地層內(nèi)的熱水流體之間發(fā)生物理化學(xué)作用，從而導(dǎo)致儲(chǔ)層受到損害，它不僅使儲(chǔ)層的產(chǎn)能降低，甚至完全喪失產(chǎn)水能力，還會(huì)導(dǎo)致漏失、粘土膨脹等事故，給地?zé)崮艿拈_發(fā)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，為了確保鉆進(jìn)的順利進(jìn)行，需要優(yōu)化鉆井液的性能。

1 鳳河營熱水儲(chǔ)層基本特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

鳳河營熱水儲(chǔ)層在冀中坳陷處。冀中坳陷東鄰滄縣隆起，西以太行山東緣斷裂為界，北至燕山臺(tái)褶帶，南抵邢衡隆起[2]。

1.2 構(gòu)造基本特征

薊縣紀(jì)楊莊運(yùn)動(dòng)以來，冀中坳陷經(jīng)歷了7次較大規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，伴隨發(fā)育七期巖溶[3]。多期次巖溶的特點(diǎn)對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育具有明顯的控制作用[4]。不同部位巖溶疊加改造次數(shù)和程度的不同，造成了裂縫、溶蝕孔洞儲(chǔ)集層的垂向非均質(zhì)性和不同的橫向水力連通性，形成了目前冀中坳陷復(fù)雜的巖溶作用垂向模式。

1.3 熱水儲(chǔ)層地層特征

根據(jù)鳳河營地區(qū)石油探井揭露的地層并結(jié)合物探資料顯示，該區(qū)發(fā)育有新生界第四系平原組、新近系明化鎮(zhèn)組、古近系沙河組，上古生界石炭—二疊系、下古生界奧陶系、寒武系、中上元古界青白口系、薊縣系、長城系、基底為太古界。而中元古界薊縣系霧迷山組為主要的熱水儲(chǔ)層[5]。根據(jù)地層特征設(shè)計(jì)鳳河營開采井井身結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 鳳河營開采井井身結(jié)構(gòu)簡圖

1.4 地?zé)岬刭|(zhì)條件

鳳河營地區(qū)熱儲(chǔ)層可分為兩大類型，一類為新近系碎屑巖孔隙型熱儲(chǔ)層；二類為下古生界-中上元古界碳酸鹽巖裂隙，巖溶型熱儲(chǔ)層，共4套熱儲(chǔ)層。

(1)新近系碎屑巖高孔隙型熱儲(chǔ)層。

(2)下古生界-中、上元古界碳酸鹽巖裂隙、巖溶型熱儲(chǔ)層：奧陶系熱儲(chǔ)層(O)，薊縣系鐵嶺組熱儲(chǔ)層(Jxt)，薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層(Jxw)，其中霧迷山組熱儲(chǔ)層是華北地區(qū)最好的熱儲(chǔ)層[6]。

不規(guī)則分布的溶蝕孔洞和根須狀裂縫在多個(gè)深度段可見；掃描電鏡分析，晶間孔、晶間微孔發(fā)育，巖石中原生孔隙多被后期成巖作用破壞或溶蝕改造[7]。

1.5 鳳河營熱水儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

鳳河營的熱水儲(chǔ)層主要集中在霧迷山組熱儲(chǔ)層，采取X-射線衍射實(shí)驗(yàn)對(duì)巖石學(xué)特征進(jìn)行測試，成分和各含量見表1。

表1 儲(chǔ)層巖石的礦物成分及含量 %

從表1可以看出，鳳河營熱水儲(chǔ)層中主要的礦物是白云石，次要的礦物是石英，還含有少量的鉀長石和方解石，同時(shí)還存在部分粘土礦物。

同時(shí)，利用X-射線衍射實(shí)驗(yàn)對(duì)粘土含量進(jìn)行了分析，結(jié)果見表2。

表2 巖樣粘土含量比例 %

注：S蒙脫石，I/S伊利石/蒙脫石不規(guī)則間層礦物，I伊利石，K高嶺石，C綠泥石，C/S綠泥石蒙脫石間層礦物。

從表2可以看出，粘土礦物以伊利石為主，其次是高嶺石，綠泥石。粘土礦物相對(duì)含量較高，透水性差，吸水膨脹，失水收縮，具有較大的脹縮變形能力，遇水導(dǎo)致強(qiáng)度降低，引起孔壁不穩(wěn)定，出現(xiàn)膨脹掉塊的現(xiàn)象[8]。因此，當(dāng)鉆進(jìn)到儲(chǔ)層時(shí)，需加入抑制劑。

2 鳳河營鉆井出現(xiàn)的事故

2.1 井漏

通過資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層發(fā)育下古生界-中上元古界碳酸鹽巖裂隙。另外鳳河營熱水通過10號(hào)井現(xiàn)場觀測，井漏現(xiàn)象在熱水儲(chǔ)層相對(duì)較普遍(見圖2)，因此需要在泥漿中加入一些暫堵劑[9]。

2.2 粘土水化膨脹

鳳河營的熱水儲(chǔ)層主要集中在霧迷山組熱儲(chǔ)層，采取X-射線衍射實(shí)驗(yàn)對(duì)其巖石學(xué)特征進(jìn)行測試。表1和表2結(jié)果顯示，鳳河營熱水儲(chǔ)層粘土礦物絕對(duì)含量較高，存在潛在的水敏損害[10]。因此，為了保證孔壁的穩(wěn)定，需要在泥漿中加入一些抑制劑[11-12]。

3 原鉆井液體系性能評(píng)價(jià)

原鉆井液體系(a)的配方如下：4%的鈉土粉+0.2%純堿+0.2%～0.4%防塌潤滑劑+0.4%聚丙烯酸鉀+0.2%CMC+0.2%聚丙烯晴胺鹽+3%磺化瀝青粉。因此，首先需要考慮防塌潤滑劑加量對(duì)原鉆井液體系性能的影響。

圖2 漏失簡圖

通過室內(nèi)進(jìn)行泥漿API失水量實(shí)驗(yàn)、流變性實(shí)驗(yàn)、熱滾回收率實(shí)驗(yàn)和堵漏試驗(yàn)，了解現(xiàn)有鉆井液體系的流變性、失水造壁性、防塌抑制性、堵漏能力。

3.1 確定防塌潤滑劑的加量

為了獲得更好的鉆井液體系的性能，考慮防塌潤滑劑在不同加量下鉆井液的基本性能，從而確定防塌潤滑劑的加量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同防塌潤滑劑加量的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的讀數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)塑比以及API失水量見表4和圖3、圖4。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著原鉆井液體系中的防塌潤滑劑加量的增加，動(dòng)塑比提高，在防塌潤滑劑加量為4%時(shí)，原鉆井液體系的動(dòng)塑比達(dá)到最大，而在不同防塌潤滑劑加量的原鉆井液體系下，API失水量差別不大。因此，確定防塌潤滑劑的加量為4%。

表4 不同防塌潤滑劑加量的鉆井液基本性能

圖3 不同防塌潤滑劑加量的原鉆井液體系的動(dòng)塑比(YP/PV)

圖4 不同防塌潤滑劑加量的原鉆井液體系的API失水量

3.2 原鉆井液體系的性能評(píng)價(jià)

根據(jù)上述確定防塌潤滑劑的加量為4%，配制原鉆井液體系。測定其基本性能，失水造壁性，抑制性，堵漏能力，然后進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 原鉆井液體系的基本性能

測定其原鉆井液體系的流變性見表5。

表5 現(xiàn)用鉆井液體系的流變性

從表5中可以看出現(xiàn)用鉆井液體系的表觀粘度，塑性粘度，靜切力相對(duì)較低，還有待提高。

3.2.2 原鉆井液體系的失水造壁性

室內(nèi)研究對(duì)原鉆井液體系的失水造壁性進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)上述測的數(shù)據(jù)見表6。

表6 原鉆井液體系的失水造壁性

從表6看出，原鉆井液體系的API失水量相對(duì)較大，還有待繼續(xù)降低。

3.2.3 原鉆井液體系的抑制性

采用滾動(dòng)回收率法評(píng)價(jià)現(xiàn)用鉆井液體系的抑制性能。實(shí)驗(yàn)方法是取40目的巖樣50 g，加入體系中，在150 ℃下滾動(dòng)16 h，測定40目滾動(dòng)回收率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 原鉆井液體系的抑制性能

從數(shù)據(jù)可知，巖樣的現(xiàn)用鉆井液體系的熱滾回收率較高，該現(xiàn)用鉆井液具有良好的抑制性能，但在鉆進(jìn)過程中，出現(xiàn)了坍塌事故。因此，建議在現(xiàn)用鉆井液中加入KCl[13]。

3.2.4 原鉆井液體系的堵漏性能

通過地層特征分析，裂縫的大小>1 mm。利用API堵漏試驗(yàn)裝置測定現(xiàn)用鉆井液體系在1號(hào)縫隙下的堵漏情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 原鉆井液體系的堵漏性能

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原鉆井液體系的堵漏效果很差，需要進(jìn)一步改善。因此，建議在原鉆井液的基礎(chǔ)上加入超細(xì)碳酸鈣[14]。

4 確定鉆井液的優(yōu)化方案

4.1 確定超細(xì)碳酸鈣和氯化鉀的加量

為了達(dá)到更好的鉆井液體系的性能，在原鉆井液體系的基礎(chǔ)上加3%～5%超細(xì)碳酸鈣和3%～5%KCl，利用正交試驗(yàn)[15]確定超細(xì)碳酸鈣和KCl的加量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表9和表10。

表9 不同超細(xì)碳酸鈣和KCl加量下旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡單的直接對(duì)比，可以看出第4號(hào)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)塑比最好，失水量最小，這說明5%超細(xì)碳酸鈣和5%KCl的加量比較好。實(shí)驗(yàn)第2號(hào)的動(dòng)塑比最小，與實(shí)驗(yàn)第1號(hào)相比動(dòng)塑比下降，但失水量有所下降。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)第4號(hào)與實(shí)驗(yàn)第3號(hào)相比，動(dòng)塑比提高，失水量下降，而且實(shí)驗(yàn)第3號(hào)和第4號(hào)與實(shí)驗(yàn)第1號(hào)和實(shí)驗(yàn)第2號(hào)相比，動(dòng)塑比都提高?？梢猿醪脚袛喑?xì)碳酸鈣對(duì)動(dòng)塑比的影響較大，KCl對(duì)失水量的影響較大。

表10 不同超細(xì)碳酸鈣和KCl加量的鉆井液體系的基本性能

利用直觀分析法確定影響指標(biāo)的主要因素，最后找到最佳因素水平組合。計(jì)算結(jié)果顯示影響動(dòng)塑比的最主要的因素是超細(xì)碳酸鈣，氯化鉀的影響相對(duì)較小。5%超細(xì)碳酸鈣和5%氯化鉀為最佳組合。

4.2 鉆井液的優(yōu)化方案

綜合上述實(shí)驗(yàn)可知，現(xiàn)用鉆井液體系具有良好的抑制性，但現(xiàn)用鉆井液體系的基本性能，失水造壁性較差，同時(shí)堵漏效果極差。為了改善上述性能，提出了如下2套方案。

(1)新鉆井液體系-1：4%鈉土粉+0.2%純堿+0.2%～0.4%防塌潤滑劑+0.4%聚丙烯酸鉀+0.2%CMC+0.2%聚丙烯晴胺鹽+3%磺化瀝青粉+3%～5%超細(xì)碳酸鈣+3%～5%KCl。

(2)新鉆井液體系-2：4%鈉土粉+0.2%純堿+0.2%～0.4%防塌潤滑劑+0.4%聚丙烯酸鉀+2%瓜膠+0.2%聚丙烯晴胺鹽+3%磺化瀝青粉+3%～5%超細(xì)碳酸鈣+3%～5%KCl。

5 優(yōu)化后的鉆井液的性能評(píng)價(jià)

5.1 鉆井液的基本性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)測的2種新鉆井液的基本性能，與原鉆井液體系相比，結(jié)果見表11和圖5。

表11 鉆井液的基本性能

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，新鉆井液體系-1與原鉆井液體系相比，表觀粘度、塑性粘度、靜切力及動(dòng)塑比有很大的提高，說明原鉆井液加入超細(xì)碳酸鈣和KCl后，對(duì)鉆井液體系的基本性能有了很大的改善。但新鉆井液體系-1與新鉆井液體系-2相比，表觀粘度、塑性粘度、靜切力及動(dòng)塑比有所降低，說明用瓜膠取代新鉆井液體系-1中的CMC之后，新鉆井液體系-2的基本性能沒有提高，反而有所下降。因此，可以初步判讀，新鉆井液體系-1的配方比較好。

圖5 3種鉆井液體系動(dòng)塑比

5.2 鉆井液的失水造壁性

室內(nèi)測的新鉆井液體系的失水造壁性，與原鉆井液體系的相比，結(jié)果見表12和圖6。

表12 鉆井液的失水造壁性

圖6 3種鉆井液體系的失水量

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，新鉆井液體系-1的失水造壁性最好，而新鉆井液體系-2的失水造壁最差。說明向原鉆井液體系中加入超細(xì)碳酸鈣和氯化鉀之后，API大大降低，對(duì)原鉆井液體系的失水造壁性有很大的改善，但用瓜膠取代新鉆井液體系-2中的CMC之后，API大大提高，不但沒有得到改善，而與原鉆井液體系相比，失水造壁性大大降低。因此，綜合3種鉆井液體系的基本性能和失水造壁性的對(duì)比和評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)用瓜膠取代新鉆井液體系-2中CMC的方案不可取。

5.3 鉆井液體系的抑制性評(píng)價(jià)

采用滾動(dòng)回收率法測的2種新鉆井液體系的熱滾回收率，評(píng)價(jià)新鉆井液體系的抑制性，與原鉆井液體系相比。結(jié)果見表13。

表13 巖屑的熱滾回收率

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看以看出，鉆井液體系和新鉆井液體系-1都具有很好防塌抑制性，而優(yōu)化后的鉆井液體系具有更好的防塌抑制性。

5.4 鉆井液體系的堵漏能力評(píng)價(jià)

與評(píng)價(jià)原鉆井液體系一樣，測定新鉆井液體系的堵漏能力，與鉆井液體系相比，結(jié)果見表14和圖7。

表14 鉆井液體系的堵漏性能評(píng)價(jià)

圖7 鉆井液體系的堵漏能力

6 優(yōu)化后的鉆井液體系性能驗(yàn)證

將優(yōu)化后的新鉆井液體系-1應(yīng)用到11號(hào)井。通過現(xiàn)場觀測，在熱水儲(chǔ)層，沒有出現(xiàn)坍塌掉塊現(xiàn)象，井漏現(xiàn)象大大得到改善，只在3565～3585 m出現(xiàn)小于1 m3的漏失，對(duì)鉆進(jìn)影響不大,因此優(yōu)化后的鉆井液性能具有較好的實(shí)用價(jià)值。

7 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)鳳河營儲(chǔ)層因地層的特點(diǎn)，易出現(xiàn)井漏，孔壁坍塌等事故。

(2)原鉆井液體系有較強(qiáng)的抑制性，但其失水造壁性能、封堵能力較差，瞬間失水量大，不利于井壁穩(wěn)定。

(3)優(yōu)化后的鉆井液體系的配方為：4%鈉土粉+0.2%純堿+0.4%防塌潤滑劑+0.4%聚丙烯酸鉀+0.2%CMC+0.2%聚丙烯晴胺鹽+3%磺化瀝青粉+5%超細(xì)碳酸鈣+5%KCl。

(4)優(yōu)化后的鉆井液體系具有較強(qiáng)的防塌抑制性，良好的流變性，良好的失水造壁性及較好的封堵能力，井漏和坍塌問題得到很大的改善。

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