苏南地区复杂地层地热钻井冲洗液研究与应用

2013-12-19张益飞

地质与勘探 2013年6期

张益飞

(江苏省南京工程高等职业学校，江苏南京 211135)

苏南地区地处北纬30°00'～32°30'。根据众多的钻孔(井)资料，其恒温带埋深为20m，温度为18℃。与苏北相比，苏南的地热梯度低于苏北，地热梯度为25℃/km，千米深地温一般为36～45℃，研究区内地热储层大部分埋深在2000m左右，地热井钻井深度大，地下地层复杂，由于深部可借鉴的地质资料匮乏，而要保证开采量，设计的井径较大，这对地热钻探技术特别是冲洗液技术的要求很高。以前该地区地热钻井遇见煤系、泥岩、页岩、松散易垮塌等复杂地层，多是以膨润土、纤维素、烧碱为主的细分散体系的化学泥浆，效果不好，出现事故直接影响工程进度、完井质量和工程成本。所以，对该地区复杂地层制定相应的冲洗液体系，显得尤为重要。本文就该地区复杂地层地热钻井冲洗液进行实验研究，并将其应用在现场实践中。

1 研究区概况

1.1 区域地形地貌

本区地貌成因和形态是在印支－燕山运动所奠定的基底构造格局基础上，经受各种内、外力营力的长期作用塑造成的。西南部基岩抬升广泛，出露地表，发育较多的基岩山体，表现为构造－剥蚀地形;而东北部则因持续下降，长期接受第四系松散层的堆积，地形地貌上表现为广阔的堆积平原。

1.2 区域地层岩性

研究区属江南地层区苏州－长兴小区的江苏部分。东部第四系地层较厚，前第四系均被覆盖于深部，而西部前第四系则广泛出露于地表，主要有泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系古近系及新近系半松散沉积地层。岩性包括石英砂岩、泥岩、粉砂岩、灰岩等。区内岩浆活动比较频繁，主要为燕山期侵入的复式岩体，以中酸性花岗岩、花岗斑岩为主。

1.3 区域地质构造

研究区大地构造位于扬子准地台下扬子台褶皱带东端，印支运动使该区上升成陆地，构成木渎向斜，燕山运动使地壳进一步褶皱隆起，发生断裂活动，使本区山体与邻区山体断离，并伴随强烈的岩浆侵入和火山喷发。喜马拉雅运动又以北北东向、北西西向两组扭裂控制形成了该区的基本构造和地貌格局，其后，地壳运动总体表现为平稳下降，接受沉积，时有短暂海侵，形成以陆相为主的海陆交互相沉积物。无全新活动断裂，区域基底稳定。区域构造资料显示，新生代以来的构造活动主要表现为垂直升降运动。

1.4 研究区地层特征

第四系(Q):厚度70.0 ～196.0m，顶部为填土、灰黄色粘土，中部为灰色粘土、中下部为黄色粘土，夹少量砂砾，磨圆度好、底部为白色粘土，杂色砂砾。

白垩系(K):厚度100.0 ～224.0m，主要岩性为棕黄色泥岩、棕红色泥岩、以紫色和肉红色为主的杂色砂岩，夹砾。

侏罗系(J):厚度0.0 ～270.0m，主要岩性为夹少量紫色砂岩的凝灰岩、夹少量灰色砂岩或灰白色砂岩的青灰色砂岩。

二叠系(P):厚度 895.0 ～1680.0m，上部为灰黑泥岩、灰色泥质粉砂岩夹少量灰色或灰白色砂岩，夹煤层或煤矸石。中部以灰、深灰色石英砂岩、灰黑色泥岩、灰色泥质砂岩为主，夹灰色、青灰色砂岩或灰色泥岩。下部岩性主要为深灰色石英砂岩、灰色粉砂质泥岩、灰色泥质砂岩、灰岩，局部见花岗岩或石英闪长岩。

2 煤系、破碎泥质砂岩地层

煤系、破碎泥质砂岩地层松散，遇水变软，易坍塌掉快，严重的可能产生埋钻。煤系中多夹有粉砂岩，地层掉快后常有探头石，容易产生卡钻等事故，对正常钻进的危害较大。

2.1 冲洗液的选择

针对地层特性，经过试验和实践，选择以降失水为主的钙处理泥浆体系(高元文，2006)，适当的冲洗液比重控制液柱压力，对坍塌地层进行压力平衡。钙处理泥浆是在泥浆中加入絮凝剂(石灰、石膏或氯化钙)，并用稀释剂和降失水剂等调节泥浆性能，形成适度的含有一定钙离子的粗分散泥浆。具体泥浆配方(质量比):膨润土6%，石灰0.3%，铁铬木质素磺酸盐(FCLS)0.2% ～0.3%，羧甲基纤维素钠(CMC)0.1% ～0.2%，使用烧碱把pH值调制到10即可。性能:比重1.15，漏斗粘度30～45s，失水量10ml，泥皮厚0.8mm，初切力0Pa，终切力1 ～4Pa，动切力3Pa，pH 值10 ～12。

2.2 作用机理的分析

钙处理泥浆是在普通泥浆中加入絮凝剂、石灰、石膏、氯化钙等，并用降粘剂和降失水剂来调整泥浆性能，以形成控制絮凝而又稳定的粗分散泥浆体系。钙处理泥浆中含有较大数量的钙离子，由于钙的电位高，易被粘土颗粒吸附，促使粘土表面的水化膜变薄，粘土颗粒与高分子化合物达到牢固连接，可使细分散的粉土颗粒适度地絮凝变成粗分散状态，因而提高了对外来可溶盐的抗污染能力，使泥浆性能稳定。而此时的粘度和切力将迅速上升，以铁铬盐来稀释，降低粘度，保持泥浆一定的流动性。若失水量较大时，可加入CMC调节失水量，粘土吸附CMC后，其表面包裹较厚的可塑性大的水化膜，是粘土颗粒在压差作用下堆积是形成致密的渗透性小的泥皮，从而使失水量降低(王立仁，2007)。其次有机降失水剂具有很多的亲水性很强的亲水基，束缚住大量的自由水，降低失水量，与钙处理后的泥浆共同阻止水分子渗入地层，故能抑制粘土膨胀、水化分散(胡继良，2012;马日等，2007;张晓静，2007)，抑制孔内自然造浆和巩固孔壁，有利于避免或降低钻孔的坍塌、缩径和吸水膨胀的现象发生，即使有坍塌，钙处理泥浆有较强的絮凝作用，可以把大的岩粉颗粒絮凝成团带至地面，有利子地面除砂。

2.3 特点

泥浆粘度和切力低，流动性好，起下钻时粘附性小，性能稳定，处理周期长。

2.4 冲洗液实践应用

苏州临湖地热第一口井施工中，钻进690～1596m，钻遇厚度达906m的煤系，中间还夹有粉砂岩。由于没预先对该地层制定适应的方案，采用常规泥浆，导致孔壁坍塌，虽然做了很多补救措施，还是导致了埋钻。在临湖地热第二口井的煤系地层，改变泥浆方案，按上述配比和性能要求，采用钙处理泥浆体系，快速顺利地通过该地层，且施工过程中未发现明显的坍塌迹象。

3 凝灰岩、泥岩、页岩地层

凝灰岩、泥岩、页岩地层中，凝灰岩及泥页岩的水化造成孔壁不稳定，引起井壁缩径，进而垮塌，原因是冲洗液向凝灰岩、泥岩、页岩中渗流，引发地层孔压增加以及水化效应，其中水化效应包括泥页岩等水化膨胀、分散产生水化应力等(刘选鹏等，2010)。还有地层中的粘土易吸水膨胀和分散，造成井壁的岩石强度降低。在钻进过程中，冲洗液对井壁的冲刷作用，加上钻具回转对缩径井壁的撞击作用，导致井壁的垮塌，严重时发生吸钻、埋钻、造成井壁局部超径，影响冲洗液上返速度，并降低冲洗液携带岩粉的能力，产生二次破碎。稳定此类地层，从冲洗液的角度关键是要控制失水量。

3.1 冲洗液的选择

针对此类地层特性，选择低固相不分散冲洗液体系，以降低失水为主，来保持冲洗液中的矿物化浓度与地层中保持平衡，从而抑制水分子向地层中渗入。此类冲洗液主要是加入高分子聚合物水解聚丙烯酰胺，同时加入腐植酸钾提高矿化度(欧哲金，2011)，为了更好地阻止水分子向地层渗入，还可加入油脂类磺化沥青做封堵剂和润滑剂。具体泥浆配方(质量比):粘土4%，聚丙烯酰胺(1600万分子量)0.5%，中粘 CMC 为 0.1%，腐植酸钾 0.2%，磺化沥青0.1%，使用烧碱把pH值调制到8～10即可。性能:比重1.05，漏斗粘度25～40s，失水量8～10ml，泥皮厚0.4mm，初切力0Pa，终切力2 ～6Pa，动切力5Pa，pH 值8 ～10。

3.2 作用机理分析

配浆时，由于粘土(膨润土)多为钙质土，必须将其转化为钠质土，所以要先预水化粘土。然后加入稳定剂CMC(唱伟，2004)，使之包围在分散的粘土颗粒周围，稳定泥浆胶体，再加入水解度为30%的PHP(水解聚丙烯酰胺)(石得权，2010;郑哲武等，2004;郝振军等，2011)，搅拌均匀后加入腐植酸钾和磺化沥青。若不加入稳定剂CMC，直接加入PHP，粘土会絮凝成团状，不利于分散。

不分散低固相泥浆，由于粘土含量较少，在孔壁形成的泥皮较薄，而加入PHP以后，它可以有效的把无用的固相颗粒絮凝成团，能防止岩屑分散，起到包被作用。水解的PHP分子链上的水化基团–COONad在水中电离成COO和Na，使其分子链带负电荷和易于水化，在静电引力和水化膜斥力的作用下，使卷曲的分子链得以伸展，这种伸展的长链高分子在泥页岩井壁表面上产生多点吸附，并可横过微裂缝，从而阻止凝灰岩、泥页岩的剥落(王勐，2006);同时能在井壁表面形成致密的吸附膜，对水敏地层减轻侵蚀作用，减少水渗入地层的速度，对地层的水化膨胀起抑制作用(孙丙伦等，2008)。PHP还具有降失水作用，这点与CMC类似，通过提高液相粘度，其吸附基吸附在粘土的表面，众多的水化基束缚住大量的自由水，使失水量降低。若失水量过大，可适量加入低粘CMC，但不能加入无机降失水剂。

腐植酸钾也具有降失水作用，它同时能提供K+，K+能镶嵌在硅氧四面体氧原子组成的六角环中，紧紧地与粘土片连结在一起。K+还可以减小粘土颗粒表面的水化半径，阻止其水化膨胀。通过加入腐植酸钾，还能提高冲洗液中的矿化度，阻止因冲洗液与地层的矿物质浓度差导致水流向地层。

磺化沥青物质亲水性差，亲油性强，能在泥皮上形成一层油膜，防止水分子的渗入，同时具有润滑作用，减少冲洗液循环对孔壁的冲刷作用。

3.3 冲洗液实践应用

苏州临湖地热钻井420～690m为凝灰岩。同样是第一口井，泥浆运用不当，导致坍塌。返钻时，局部严重超径，导致事故头找不到。在第二口井开钻后，上部比较软的地层采用上述配比和性能的不分散低固相体系冲洗液，很好地抑制了地层坍塌，未发现缩径、超径等现象。另在苏州石湖地热钻井上部泥岩地层使用此冲洗液方案，起下钻顺利无阻，下钻到底，未发生泥质包钻等现象。

4 高温地层

苏南地区目前遇到的高温地层一般存在于灰岩中，也是热储层，温度一般在60℃ ～100℃。首先是高温对水基泥浆中的粘土产生影响，出现“高温分散”等现象;其次高温对水基泥浆处理剂的作用将产生“降解”、“交联”、“解吸”、“去水化作用”，使泥浆失去流变性和稳定性，甚至失效或者产生更严重的后果，直接影响钻进效率及钻孔安全(张琰，1999)。所以，解决高温地层泥浆问题主要是泥浆获得热稳定性，保持流变性和滤失性。

4.1 冲洗液的选择

经实践对比分析总结，高温地层钻井冲洗液采用铁铬盐－CMC体系，这种泥浆体系中，铁铬木质素磺酸盐作为稀释剂控制流变性能，低粘CMC用来控制失水(胡继良等，2012;鄢泰宁，2010)。由于地热资源中一般都含有S等腐蚀性元素，为了提高热稳定性，一般还加入表面活性剂OP－10(聚氧乙烯烷基苯酚醚)，不至于在高温下导致泥浆体系分解，此泥浆抗盐抗高温效果明显。具体泥浆配方:粘土4%，CMC 为 0.3%，铁铬盐 0.5%，OP－10为0.2%，使用烧碱把pH值调制到9～10。性能:比重1.05，漏斗粘度 30s～40s，PTPH 失水量 10 ～15ml，泥皮厚0.5mm，初切力 2Pa，终切力 2 ～4Pa，动切力5Pa，pH 值9 ～10。

4.2 作用机理分析

4.2.1 高温对粘土的影响

高温对粘土的影响主要表现在两个方面，即高温促使粘土分散和粘土钝化(鲍允纪，2012)。高温使水分子和一些离子的动能增加，水分子和离子易进入粘土颗粒层间，增强了层间表面的水化从而使粘土膨胀和分散。同时，高温也使片状粘土微粒的热运动加剧，加速其分散。粘土因高温分散的结果，使泥浆粘度升高，流动性下降，甚至难以流动。但高温又有使粘土表面钝化的倾向，其原因是高温下粘土晶胞表层的硅、铝、氢等易与泥浆中的OH－、Ca2+等起反应，生成水化硅酸盐或水化铝酸盐等类物质，从而改变了粘土晶胞表层的结构和带电情况，降低了粘土的活性，由此改变泥浆的性能，表现为高温增稠。

4.2.2 高温对泥浆处理剂的影响

高温对水基泥浆处理剂将产生“降解”、“交联”、“解吸”、“去水化作用”(鲍允纪，2012)，其中高温降解是高温下有机处理剂分子主链间或主链与官能团之间产生链的断裂，其表现是有机处理剂分子量减小和吸附能力减弱甚至失效。高温降解的强烈程度决定于有机处理剂的结构、高温持续的时间和剪切搅拌的强烈程度。高温交联是高温下，具有不饱和键或活性基团的有机化合物与高价金属盐或低分子有机物产生交联反应而增大分子量的现象，甚至出现体型分子结构。适度交联可抵消高温降解作用。高温解吸是高温下处理剂分子热运动能量增大，处理剂在粘土颗粒表面的吸附量降低，从而引起泥浆性能的改变。高温去水化是高温下水分子活动能量增大，粘土表面和处理剂亲水基团的水化作用减弱，减薄其水化膜厚度。高温水化降低了处理剂分子对粘土颗粒的保护，导致泥浆失水量增大。

4.2.3 配置高温泥浆的要求

配置高温泥浆必须做到:①降低高温分散强烈的优质膨润土的含量，防止高温增稠和固化现象;②必须采用抗高温能力强的有机处理剂;③减少粘土的情况下，为保持泥浆携带岩屑和悬浮重晶石的能力，必须加入抗温抗盐的结构增粘剂。

4.2.4 铁铬盐－CMC体系的分析

由于高温地层多存在于热储层中，且地热本身矿物质含量丰富，所以配置的泥浆在确保抗高温的前提下，还需抗盐。铁铬盐－CMC体系能满足此需要(陈礼仪等，2003)。

配浆时，首先预水化粘土24h，加入铁铬盐，待泥浆稳定好，再加入CMC，使失水量控制在合理的范围内，最终后加入OP－10，搅拌均匀。

铁铬木质素磺酸盐(FCLS)是以亚硫酸盐木浆木质素经浓缩、置换、氧化络合、干燥精制而成，产品外观为棕褐色粉末，易溶液于水，水溶液呈弱酸性。它抗盐、抗钙和抗高温能力强(170℃ ～180℃)，与粘土颗粒的断键边缘上形成吸附水化层，从而削弱粘土颗粒之间的端–面和端–端连接，拆散泥浆空间网架结构，降低泥浆的粘度和切力。它具有良好的降粘、降切力、稀释作用，也有降滤失作用。泥浆在高温条件下循环时，粘度切力会逐渐增高，进而固化，铁铬盐的作用就是为了保证其流变性的稳定。而CMC是一种良好的降滤失剂，同时还具有一定的抗盐、抗钙和抗高温能力(130℃ ～140℃)。加入CMC是为了降低失水量，确保高温地层中的泥质胶结物不被水化。OP－10(聚氧乙烯烷基苯酚醚)是为了提高各处理剂的抗温性能，且具有润滑的作用。另外此体系泥浆固相含量(粘土含量)必须受控制，固相含量过高，温度对它的影响也就越大，一般粘土含量控制在5%以内。

4.3 冲洗液实践应用

在宛平地热的井底温度达到了40多度，温度不是很高，但若运用粗分散体系泥浆，其会随着循环变得越来越稠，同时失水量逐渐偏大。临湖地热储层温度68℃，采用了铁铬盐－CMC泥浆后，流变性和泥浆的稳定得到了彻底的改善，基本没换浆，且调试次数明显减少。由于固相含量低，井壁上的泥皮很容易就被洗掉，减少了后期的洗井工作，为确保出水量创造了条件。

5 石湖地热钻井应用实例

以石湖地热井为例，该井井深1680m，其井身结构为:0～72m，井径 445mm;72～801m，井径331mm;801～1680m，井径216mm。井管均为J－55级石油套管。

0～72m，第四系，采用一般的细分散体系泥浆。该井段的泥浆配方(质量比):膨润土4%，CMC(MV)0.1%，使用烧碱把pH值调至8～10。性能:比重 1.05，漏斗粘度 20s～30s，API失水量≤10ml，泥皮厚度0.4mm，初切力0Pa，终切力1 ～4Pa，动切力4Pa，pH值8～10，含沙量≤3%。

72～801m，泥质粉砂岩，植物胶－CMC(LV)－腐植酸钾体系的泥浆，膨润土5%，植物胶0.2%，CMC(LV)0.1% ～0.2%，使用烧碱把pH值调至8－9。性能:比重1.07，漏斗粘度 25 ～35s，API失水量≤10ml，泥皮厚度0.5mm，被切力0Pa，终切力2 ～6Pa，动切力5Pa，pH 值8 ～9，含沙量≤4%。

801～1680m，石英砂岩、石英闪长岩。此层为储层，所以在满足冲洗液各项功能要求的前提下，还得保护储层，选用PHP－CMC(HV)体系的泥浆。粘土0.3%，PHP 0.5%，CMC 0.3%，使用烧碱把pH值调至8～10。性能:比重1.05，漏斗粘度30s～40s，API失水量≤10ml，泥皮厚度 0.4mm，初切力0Pa，终切力1 ～4Pa，动切力 4Pa，pH 值8 ～10，含沙量≤3%。

上部第四系地层较浅，加入CMC，确保地层不因吸水膨胀导致缩径即可，采用了快速钻进通过此地层，下入孔口管进行隔离。对于二开的泥质粉砂岩，冲洗液同样注重降失水，在300m左右，有轻度的涌水现象发生，又临雨季，冲洗液总是受到稀释，导致下钻时，涌出来的泥浆中局部为清水，且钻孔底部有4m的沉沙，经过反复循环都未返清。造成此类现象发生原因是泥浆的悬浮能力很弱，且粘度和切力均降低，为了确保冲洗液的粘度、切力，加入了植物胶，用以维持泥浆的稳定。对于三开，由于是储层，在满足冲洗液基本功能的前提下，以保护储层为主，兼顾后期的洗井工作。该层冲洗液必须满足比重轻(避免由于液柱压力过大而使水的流动方向流向地层)，固相含量低(固相含量高，会堵塞孔隙，影响出水量)，所以必须使用固相含量低或者无固相泥浆，最终选择使用以水解聚丙烯酰胺为主的低固相泥浆。事实证明，在使用空压机洗井20h，水量已经远远超出合同要求，这进一步说明完井液的重要性。

6 研究区地热钻井冲洗液应用效果

6.1 有效稳定孔壁

临湖地热的第二口井和石湖地热井使用了以上泥浆方案，基本未发现大面积的坍塌，未出现明显的憋钻、卡钻、憋泵等现象，也说明了泥浆对孔壁的稳定作用，根据完井后测井中的孔径参数分析，孔径的超径率基本都在8%之内，这说明针对不同地层制定的不同体系方案是有效可行的，稳定孔壁效果较好。

6.2 提高钻进效率

研究区地热钻井使用了以上泥浆方案，提高了钻速，减少了辅助时间，钻进效率有了很大提高。地热井使用不同泥浆体系钻井效率统计如表1。

表1 泥浆类型与钻井效率的关系Table 1 Relationship between mud category and drilling efficiency

6.3 保护储层

研究区临湖地热和石湖地热等钻井，使用了上述泥浆方案，水量与测井资料反应的渗透率计算出来的水量一致，这说明地热储层得到了保护。

6.4 节省钻探成本

泥浆使用优劣，对经济效益影响是明显的，研究区内复杂地层地热钻井使用上述泥浆方案，经成本核算，单孔成本可降低40～50万元。

7 结论和建议

煤系、破碎泥质砂岩地层的钻井冲洗液应选择以降失水为主的钙处理泥浆体系，并选择适当的冲洗液比重;凝灰岩、泥岩、页岩地层钻井冲洗液选择低固相不分散冲洗液体系，以降低失水为主;高温地层钻井冲洗液采用铁铬盐－CMC体系。由于地热资源中一般都含有S等腐蚀性元素，为了提高热稳定性，一般还加入表面活性剂OP－10。

目前复杂地层冲洗液的选择，还是针对特定地层，采用特定体系，还未出现某种冲洗液方案能解决所有复杂地层，因此，体系的选择很重要。

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