川西地区钻井盐水侵危害机理及其应对措施

2019-02-27米光勇高德伟袁和义

钻采工艺 2019年1期

李诚，米光勇，高德伟，王强，罗乐，袁和义

(1中石油西南油气田分公司川西北气矿 2四川长宁天然气开发有限责任公司)

川西大兴场构造位于“上扬子地台”的西部边缘，处于龙门山山前断褶构造带、峨眉山前缘断褶带和川西南平缓构造带的过渡区[1-2]，经过地质分析，结合已钻DS1井、DS001-X1井来看，构造上雷口坡组、嘉陵江组高压盐水，易导致井漏、井壁失稳、卡钻的多种风险[3-5]；因此高压盐水的认识和处理，是亟待研究解决的重要问题[6-10]。

一、盐水侵危害实验

对已钻井DSX1井雷口坡组取样盐水进行化验：盐水中一价阳离子以钾离子和钠离子为主，综合含量在100 000 mg/L以上，二价阳离子以钙离子和镁离子为主，钙离子80 000 mg/L以上，镁离子13 000 mg/L以上。大量的阳离子对钻井液性能稳定性造成严重的影响。因此，在实验室环境下将现场使用的钻井液(JFS-有机盐体系)与高Na、Ca、Mg盐水，在高温高压下按不同比例混合，观察其性能改变情况：随着Na+的含量增加，JFS有机盐钻井液的表观黏度和塑性黏度均先增加后降低。动切力亦呈现先增高再降低随后不断波动规律，其质量分数在2.5%前增加，然后降低。Ca2+污染后，其黏度、切力均上升，并且在实验范围内并没有拐点出现。而百分之一的Ca2+就足以使钻井液失去悬浮稳定性，对钻井液性能影响巨大。相同浓度的Mg2+和Ca2+对钻井液的流变影响是不同的，镁离子的加入会使蒙脱石在一定程度的絮凝，但是其效果没有钙离子强。

分析认为，钻井液中的黏土矿物由于晶格取代，其黏土颗粒表面带有负电荷，吸附阳离子形成扩散双电层，NaCl进入钻井液后，Na+浓度的不断增加，进入黏土颗粒吸附层并置换氢离子，使得钻井液的pH值降低。吸附层钠离子的增加，压缩了黏土胶体颗粒的双电层，降低了电动电位，离子的水化程度减弱，黏土颗粒间的斥力减小，聚结稳定性变差，宏观上形成絮凝结构，使钻井液黏度、切力增加；黏土的水化膜变薄，使钻井液中自由水增加，失水量增大，同时会造成处理剂失效，钻井液丧失胶体性质。随着Na+量的增加，压入作用加剧，黏土的分散度明显降低，使得钻井液的黏度、切力转而下降，滤失量继续上升。严重时钻井液中颗粒聚结而失去稳定性，胶体被破坏，上层析出清水出现水土分层现象。Ca2+的引入其原理与Na+相似，但二价钙离子库仑力强于单价钠离子，压缩双电层的作用更强，使黏土颗粒水化膜变薄，特别是黏土颗粒边角部分水化膜变得更薄，钻井液更易形成网状结构，因此对钻井液性能影响更大。而且Ca2+的水化能力要比Na+弱得多，因此Ca2+的引入使蒙脱石的絮凝程度增加，致使钻井液的黏度、切力及滤失量显著增大。而Mg2+的影响规律从实验结果来看与Ca2+相似但影响程度较低。

由上述结果可知：对于三种化学污染物对钻井液的影响程度由小到大为NaCl

二、盐水侵复杂及原因分析

1.盐水侵带来的现场复杂工况

2013年04月16日DS001-X1用密度1.62 g/cm3欠饱和盐水钻进至井深3 781.58 m(层位:雷四段)发现高压复合盐水侵，出现井壁失稳、卡钻、井漏等现象造成4次填井侧钻，多次蹩停顶驱，随着钻井液密度的提升，后期出现多次井漏，其造成了大量的时间和经济损失。

复杂处理期间现场通过多次重浆举砂，循环出井底垮塌掉块包含粒径3～5 cm雷三下部深灰色灰岩掉块和灰白色石膏以及粒径1～4 cm沙湾组掉块。在钻至雷二依然有粒径1～6 cm深灰色掉块。

DS001-X4井以密度1.65 g/cm3的有机盐-JFS钻井液钻至井深3 714.20 m(进入雷四55 m)发生盐水侵，逐步提高钻井液密度至2.25～2.27 g/cm3基本压稳盐水层。其后在嘉三发生严重井漏，降低密度至2.20 g/cm3维持钻进，每趟起钻前在套管鞋附近提高密度至2.25 g/cm3。在打钻过程中，频繁出现蹩跳、扭矩波动大、蹩停顶驱现象，通过循环重浆举砂，返出岩屑掉有深灰色灰岩、紫红色泥岩、黑色碳质页岩，最大粒径达5 cm。

2.原因分析

盐水侵带来的风险主要是因钻井液改性后引起的卡钻和井漏为主，以现场参数为基础进行实验，对盐水侵后这两种复杂发生的原因进行分析。

为分析盐水侵对井壁岩石强度的影响，利用人造岩心，采用压裂实验法，研究盐水污染钻井液、水基分散钻井液、桥堵钻井液三种注入体系下对应的薄弱地层破裂压力、裂缝传播压力及重启压力，分析薄弱地层承压能力与注入体系性能的关系。结果表明，盐污染水基钻井液的API滤失量较大，形成的滤饼厚且疏松，其对应的岩心破裂压力仅为17.5 MPa。而未受污染水基钻井液的API滤失量较小、滤饼薄而密，其对应的岩心破裂压力可高达31 MPa，高出前者达13.5 MPa。而桥堵钻井液对应的岩心破裂压力位30 MPa，井壁具有较高的强度。

DS001-X1在雷四段的钻井过程中，出现盐水侵入，污染钻井液，随之引起3 313～3 314.58 m发生多次裂缝性漏失，因此为减少漏失情况的发生，需提高钻井液的抗盐性，从而提高地层的承压能力。

分析复杂出现的原因主要有三点：①过多的提高钻井液密度压井，导致井底压力过大发生压差卡钻；②钻井液被污染后滤饼API滤失量较增加，井筒压力传递到近井地带中，压差减小后井壁受到支撑力减弱，并且岩心受钻井液液相的物理或化学作用的影响，从而使岩心承压能力减弱；③钻井液滤液在正压差的作用下，侵入地层微裂缝中而产生水劈作用，出现地层破碎型井壁失稳及井漏复杂情况。

三、解决措施及现场应用

钻遇盐水层后有两种工程措施：①继续钻进，将盐水层打穿后固井；②立即压井固井，下一开再解决盐水问题。

1.钻井液配方的改进

根据复杂原因分析，在钻井液性能上就必须具有更致密的滤饼，降低滤失量，减小近井地带空隙压力的增加，减小水劈作用，来保障井壁稳定；增强抗Na、Mg、Ca离子的功能，降低其对钻井液流变性的影响，对此研制了新的JFS-有机盐钻井液体系：2%～3%膨润土+2%～3%聚合物降滤失剂+2%～3%钻井液用降滤失剂+5%～8%SMP-2+3%～5%固壁防塌剂+6%～8%改性树脂沥青+2%～2.5%钻井液用硬胶乳化润湿剂+1%SP-80+6%～8%封堵剂树脂胶微粒+5%～6%抗盐高温降失水剂+1.0%～1.5%烧碱+工业盐至饱和+0.5%～1.0%稀稀释剂+0.5%～1.0%盐重结晶抑制剂+0.4%～0.7%金属离子螯合剂+ 5%～6%润滑剂+ 5%～7%KCl+BaSO4。

>对新配方不同密度、黏度、切力性能在150℃高温条件下滤饼失水量进行室内试验测试，结果如表1。

由表1可知，在高温高压工业盐饱和情况下，其失水量很少控制在6 mL以内，说明其滤饼的抗盐能力较强，为进一步控制钻井液流变性不变，除去钙镁离子，分别使用Na4P2O7除去大量Ca2+，提高OH-离子浓度除去大量Mg2+，其原理如式(1)、式(2)：

Na4P2O7+2Ca2+=Ca2P2O7↓+4Na+

(1)

2OH-+Mg2+=Mg(OH)2↓

(2)

表1 JFS复合盐水防塌钻井液性能测试

DS001-X4井在新JFS-有机盐钻井液配方结合Na4P2O7、OH-共同使用条件下，井壁失稳和漏失情况较DS001-X1井有明显减轻，卡钻解卡程度也更容易，创造出大兴场构造上零侧钻记录，成功应对地层盐水，验证了新配方新添加的实用性，为进一步解决盐水侵问题指明了研究方向。

2.压井工艺的探索

针对在DS001-X4井压井过程中出现在压井初期的一段时间内，井内平稳或少量漏失，过1～2 d后又出现缓慢溢流，随后再提高密度，如此循环，甚至压漏上部地层，但溢流依然会发生的现象，分析其压井困难的原因：在提密度压井过程中，钻井液不断侵入地层，近井地带压力孔隙不断增加，直到地层压力近似等于井筒压力出现平衡点。又由于地层盐水密度整体低于钻井液密度，在盐水层一段的空隙压力梯度小于井筒内压力梯度，造成在平衡点以上地层空隙压力大于井筒压力，发生盐水侵，平衡点以下井筒压力大于地层空隙压力发生漏失，最终导致DS001-X4井每次提高密度一段时间后又出现盐水侵，每次循环均有盐水排出的现象。

为此制定DS001-X4井压井思路：先通过一段时间静置，一方面让盐水溢出，集于井底，让井筒在井底处的液体密度与地层中盐水密度相近达到压力梯度相近的目的；另一方面让钻井液中自带重晶石粉沉底。然后将钻头提至盐水层顶部后循环高密度钻井液压井，将上部替为密度、黏度较大的高密度钻井液，起到平衡地层压力、防止盐水上窜并将井底重晶石粉推进盐水层空隙的作用，使重晶石粉起到一定的封堵作用，减小盐水的流动通道，增大流动的启动压差。最后观察一个施工周期，判断井内是否稳定。

DS001-X4井通过该方法成功压井，顺利完成了固井工作，证实了该方法的正确性，也验证了理论分析的可信度。