石阡县CK6地热井钻井液技术

朱斗圣，宋继伟，张承飞，邓少东，赵华宣

（1.贵州省地质矿产勘查开发局112地质大队，贵州安顺561000；2.贵州省地质矿产勘察开发局111地质大队，贵州贵阳550008；3.贵州省地质矿产勘察开发局114地质大队，贵州遵义563001）

地热是一种廉价、清洁、丰富的能源，经研究资料表明，贵州省的地热资源十分丰富，具有良好的勘查和开发前景[1]。近年来，贵州省省委、省政府提出了建设温泉省、公园省的战略目标。钻井作为地热资源勘查最直接的手段和地热资源开采必需的手段，对实现上述目标有着重要作用。贵州省地热资源普遍埋深2000m以深，钻孔地质条件复杂，钻进效率低，施工成本高、风险大[2]，对钻井及相关工艺技术提出了更高的要求。钻井液是钻井的血液，只有性能优良的钻井液才能满足复杂地层的钻进要求，才能降低钻井施工成本和风险[3]。本文以石阡县CK6地热井（以下简称“CK6井”）为例，探讨贵州省复杂地层地热井钻井液应用技术。

1 CK6井工程概况

1.1 地质构造

CK6井地处石阡县弯塘镇河岸上，地势较平坦，距石阡县城约6km，交通方便，水源条件好。施工区处在各个地质构造板块的交界地带，区内构造应力场较为复杂，有2条断层相互交叉，其中F1断层是北东—南西向，F2断层是北西—南东向。

CK6井位于F1和F2断层交叉带上，地层破碎严重。钻进到破碎带时，孔内坍塌、缩径、掉块事故频发，给钻井施工带来极大困难。

1.2 地层岩性

从表1可以看出，CK6井630m以浅地层泥质较多，地层水敏性较强，钻进时易发生膨胀缩径、地层造浆和泥包钻头现象[]；998m和1514m处先后钻遇2个断层破碎带，井壁稳定性较差，钻进时产生的岩屑颗粒较大，排渣困难。

1.3 井身结构

CK6井设计井深2000m，实际完井深度1896m，井身结构设计如表2所示。

2 钻井液技术难点与技术要求

2.1 钻井液技术难点

CK6井虽然是地热井，但井底温度不超过80℃，对钻井液抗温性能要求不高。该井全孔采用钻井液正循环钻进工艺，根据钻孔地质情况及钻井设计分析，该井的钻井液技术需要解决以下几个难点：

（1）630m以浅地层多为水敏性地层，易发生软化缩径和地层造浆。

表1 CK6井地层岩性

表2 CK6井井身结构

（2）泥质较重地层发生地层造浆后，有害固相增多，可能导致钻井液性能改变，甚至发生钻头泥包现象，影响钻进效率和孔壁稳定。

（3）钻井至断层破碎带时，易发生掉块、垮孔事故，护壁困难。

（4）在破碎地层中钻进时产生的岩屑粒径较大，排渣困难。

（5）碳酸盐岩地层溶隙、溶洞发育，断层破碎带裂隙发育，均有可能导致钻井液漏失。

（6）进入热储层后，需考虑储层保护。

（7）下入套管较长，下套管过程中必须保持孔壁稳定，保证套管安全下到位[]。

2.2 钻井液技术要求

钻井液要有良好的流变性，又要具有较高的比重，确保钻井液具有良好的护壁排砂能力。

针对上述技术难点，钻井液设计需遵循以下原则：

（1）630m以浅钻井液设计以抑制性钻井液为主，除开孔钻井液需适当增加膨润土用量外，应尽量采用低固相聚合物钻井液，防止水敏性地层的膨胀缩径垮塌和地层造浆，确保孔壁稳定和形成规则的井眼[]。

（2）进入非水敏性地层后，可减少KCl等抑制性添加剂的用量以节省成本。

（3）钻进到溶蚀地层和破碎地层时，添加必要的堵漏剂，减少钻井液漏失[]，必要时可使用水泥堵漏等其它堵漏措施。

（4）在断层破碎带钻进时，适当提高钻井液粘度比重，以保证孔底干净和保持孔壁稳定。

（5）钻进至热储层后，不能使用可能污染地热水的添加剂，不能给储层透水性造成不可恢复性伤害。

（6）如固井段有易失稳地层，固井前应保证钻井液比重足够维持孔壁稳定。

3 钻井液方案的确定

3.1 钻井液添加剂的选择

根据上述钻井液技术要求，选择了如下钻井液添加剂[]：

（1）聚丙烯酸钾（KPAM）：提粘、改善钻井液的流变性并能有效地包被钻屑，抵制地层造浆；钾离子的存在，能防止软泥、页岩和硬脆性泥、页岩的水化和剥落，起到稳定井壁的作用，具有较好的降失水作用[]。

（2）水解聚丙烯腈胺盐（NH4-HPAN）：有抑制粘土水化、防塌、降滤失量和轻微降粘作用，同时具有较好的抗盐以及抗污染的能力。

（3）高粘羧甲基纤维素钠（HV-CMC）：增粘剂，同时具有一定降滤失能力，在泥浆中含量较高时，亦具有一定的抑制页岩水化膨胀能力[]。

（4）高粘防塌剂：抑制水敏性页岩水化、防治渗透性砂岩渗漏，具有卓越的防塌堵漏效果[]。

（5）磺化褐煤树脂（SPNH）：具有降滤失性好、抗盐、抗钙等良好性能，对巩固井壁，防塌、防卡具有重要作用。

（6）腐植酸钾（KHm）：对泥页岩也具有一定的抑制作用。

（7）防塌润滑剂：能有效地改善泥饼质量，具有明显的防塌作用，并可降低摩擦阻系数，具有良好的润滑作用。

（8）乙烯基单体多元共聚物（PAC-141）：无毒无腐蚀，易溶于水，有改善流变参数、提高剪切稀释能力、降低滤失量、包被钻屑、抑制分散等作用，并有抗盐、抗温能力。

（9）单向压力封闭剂：对孔隙及微裂漏失，堵漏速度快，效果好[]；能迅速形成具有一定强度的非渗透性带阻止工作液中的液、固相侵入储层，使储层免遭损害，带通过抽水反排可以解除；能显著降低泥浆的滤失量，又不影响泥浆的流变性能，耐温性能优良；无毒，无害，适用于热储层暂行堵漏。

（10）重晶石粉：做加重剂用，根据需要提供钻井液比重。

3.2 室内配方

3.2.1 钻井液配方和性能

材料选定后，从材料厂家采集小样并进行了室内配方实验。基浆采用优质钠基膨润土，水化24h以上，按照比例加入不同的添加剂，配制成低固相聚合物钻井液[-]。

根据钻井液技术要求，全孔采用低固相抑制性聚合物钻井液[]。根据地层特点，630m以浅钻井液（配方一）偏重提高钻井液抑制性，630m以深钻井液（配方二）适当提高密度和携带岩屑的能力。实验室选定钻井液配方及其性能见表3。

表3 钻井液性能配方及性能

3.2.2 配方一抑制性评价

为保证配方一有足够的抑制性，对其进行了抑制性评价实验。试验方法如下：

（1）根据配方一配制好钻井液备用；

（2）用岩芯压制机制取圆柱体土样2个，土样重10g，压制压力2MPa，压制时间5min，分别测量并记录2个土样高度；

（3）将1号土样放入膨胀量仪中，倒入钻井液，8h后在表盘读数并记录；

（4）将2号土样放入膨胀量仪中，倒入清水，8h后在表盘读数并记录（2次试验需选取同一台仪器进行测量，以减小无关变量引起的误差）。

表4为配方一钻井液抑制性评价实验结果。从结果可以看出，配方一的膨胀量远小于清水，说明此配方抑制性良好。

3.2.3 配方二携带岩屑能力评价

为了验证配方二的携带岩屑能力，对其进行了携带岩屑能力评价。实验方法如下：

表4 钻井液抑制性评价实验结果

（1）配制配方二钻井液备用；

（2）将岩屑（过100目筛）分别以0%、2%、5%、10%的加量加入到4份400mL的钻井液中；

（3）使用搅拌机以1000r/min搅拌1min，分别将4份钻井液搅拌均匀，静置30min，观察岩屑悬浮情况；

（4）分别测出4份钻井液的六速旋转粘度计读数、7.5min滤失量，并计算出每一份钻井液的表观粘度、塑性粘度、动切力。

表5为配方二钻井液携带岩屑能力实验结果。从结果中可以看出，钻井液在岩屑量达到10%时，静置30min时才有少量岩屑沉淀，且能保持良好的粘度和滤失量，说明该配方具有优良的携带岩屑和抵抗岩屑侵蚀能力。

表5 钻井液携带岩屑能力评价实验数据

4 现场试验

4.1 使用概况

按照上述钻井液室内方案，在CK6井进行了应用试验。

在630m以浅地层钻进时，采用配方一钻井液，钻进过程中未发生缩径和垮孔事故，钻井液性能基本稳定，没有发生明显的地层造浆。

在630m以深地层钻进时，采用配方二钻井液，护壁效果良好，排砂能力强，排出的岩屑颗粒最大的有50mm×50mm×20mm。在穿越断层破碎带前，加入重晶石将钻井液密度提高到了1.5g/cm3，钻进时孔壁稳定，钻进平稳，基本没有掉块、卡钻现象。

4.2 钻井液现场处理与维护

为保证钻井液性能，现场试验过程中需要对钻井液进行适当处理与维护。

（1）正常钻进过程中，要求每班每30min测量一次泥浆密度、漏斗粘度。每班至少测量一次泥浆的全套性能（包括密度、粘度、滤失量、泥饼厚度、含砂量、pH值等）。特别是钻进破碎地层时，要随时观察排砂情况和钻井液的上返量的变化，以及是否有憋车现象，及时记录并调整钻井液性能。

（2）钻进过程中应充分利用振动筛及时清除地层中有害固相进入钻井液，振动筛应采用80目以上筛网。此外，每钻进200～300m，清理一次沉淀池，以保持钻井液的清洁。

（3）四开、五开开始扫水泥塞时，应使用小循环，并在扫塞完成后，可将扫塞的钻井液排放掉，以减少水泥侵钻井液处理成本。扫塞前向循环的钻井液内加入适量Na2CO3或NaOH，以降低水泥侵对钻井液的影响。

（4）随着井深加深，可适当提高钻井液密度和粘度，以保证钻井液的携砂能力。

（5）钻进过程中，每钻完一定进尺或相隔一定时间进行短起下钻一次，同时配合采用大排量钻进，确保及时将岩屑带出井筒，防止井壁上形成虚厚泥饼，保证起下钻顺利。

（6）地层长时间浸泡，井壁容易掉块，在施工过程中认真观察砂样返出情况，及时加入防塌剂，以保证井壁稳定。

（7）钻进中，在保证满足携带岩屑的情况下尽可能采用低粘切，起钻前可适当提高井筒内钻井液粘度、降低失水，以确保起钻顺利，井壁稳定。

（8）钻进至热储层后，尽量采用单向压力封闭剂堵漏，以保护储层。

4.3 使用效果

经过对钻井液的合理选择和精心控制，取得了良好的效果，保证了CK6井的顺利施工，主要体现如下：

（1）孔壁稳定：钻井液在实验方案的基础上，经过现场调整证后，CK6井在整个施工过程中，没有发生明显的掉块和缩径垮塌现象，起下钻没有发现阻卡现象，下套管顺利。

（2）排渣顺利：虽然钻进过程中遇到岩屑较大的情况，依然保证了岩屑及时排出，保持了孔底干净。

（3）钻井性能稳定：整个钻进过程没有发生地层造浆，除扫水泥塞时发生水泥侵导致短时的粘度下降和pH升高外，钻井液性能没有较大波动。

（4）钻井效率提高：根据以往的钻井经验，使用普通钻井液在贵州施工一口2000m的地热钻井，一般至少需要8～10个月，而本次钻井施工一共使用5个月，极大地提高了钻井施工效率。

5 结论

CK6井试验表明，本钻井液方案能够很好地抑制泥页岩等水敏性地层的水化、膨胀，对岩石破碎复杂地层具有良好的护壁效果和排渣能力，能够充分保证施工安全和有效提高钻进效率。

地层和钻井情况复杂多变，合理的使用钻井液除了在充分了解钻孔资料的基础上科学设计钻井液方案外，还应根据实际钻进情况适当调整。钻井过程中还应加强对钻井液的维护工作。

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