ZQ2井盐膏层高密度欠饱和盐水聚磺钻井液技术

祝学飞，孙俊，舒义勇，徐思旭，周华安

（1.川庆钻探工程有限公司新疆分公司，新疆库尔勒 841000；2.川庆钻探钻井液技术服公司，成都 610056）

传统欠饱和盐水磺化体系因含有高浓度的磺化材料，属于强分散型钻井液[1]，体系的动切力和静切力偏高，普遍呈现强凝胶状态，随着钻遇裸眼段长的增加、钻屑污染、膏盐的侵入，流变性与滤失造壁性维护非常困难且维护周期较短，尤以漏斗黏度、切力变化最为明显，新配浆基本使用一周后便开始大型处理。随着钻井现场岩屑不落地清洁化生产的实施[2-3]，钻井液废弃物不再随意排放，而稀释剂因含有重金属离子也被停止使用，流变性的控制更显得捉襟见肘。随着抗盐抗钙抗高温类型聚合物处理剂的研发与实际应用，随着清洁化生产的不断加强与环境保护的严格管理，钻井液处理剂发展方向以多元聚合物类、抗温抗盐抗钙类、纳米类[4-5]、低色度环保类等产品，会逐渐替代传统的、高色度、强分散性的趋势。

1 ZQ2井地质构造特点

库车山前区块经多次地震运动形成高陡构造，中秋构造吉迪克膏盐层发育巨厚且构造褶皱变形多[6]，以盐岩、膏盐、软泥岩、泥岩不等厚互层为主，该开次电测井底温度为125 ℃，要求钻井液既要有较强的抗盐膏污染能力，还应具有良好的高温稳定性；盐岩溶解引起盐间泥岩失去支撑形成掉块易造成掉块卡钻，软石膏分散溶解性极强，引起流变性较大变化，石膏层缩径、盐膏层蠕变造成缩径卡钻[7]。ZQ2井吉迪克组～库姆格列木群（N1j2～E1-2km1）地质分层与岩性见表1。

表1 ZQ2井吉迪克组～库姆格列木群（N1j2～E1-2km1）地质分层与岩性

2 钻井液技术难点与思路

该开次原设计为油基钻井液体系，套管结构为套管+膨胀管模式，为解决井身结构难题，油田公司决定该井段试验油基改水基钻井液，套管结构更改为全套管，将复合盐层与低压层套打，对水基钻井液技术提出了较高要求。邻井ZQ1井本段分第三、第四开次采用油基钻井液钻进，钻井液最高密度为2.33 g/cm3，且钻进起下钻过程中阻卡频繁，第四开次因井漏逐步降密度至2.19 g/cm3。盐膏层钻井液维护最大的难点是盐与膏对流变性的影响，尤其是膏污染特别严重[8-9]，流变性优控为盐膏层钻井液的第一要务，优控的基础是钻井液护胶，其实质对黏土颗粒的有效保护。

针对该井上段膏盐层埋深，采用高密度欠饱和复合盐适度控制盐膏层溶解，适当扩大井径避免形成大肚子，防止盐层蠕变形成小井眼；针对软泥岩、盐质泥岩分散性强，对高密度钻井液性能影响大，邻井多次出现软泥岩堆积堵塞防溢管现象[10]，引入抗盐钙型中小分子四元共聚物MYK，利用其抗盐抗钙抗污染与护胶；改性植物胶NXX对泥岩、软泥岩进行包被抑制避免分散与敷筛现象；用KCl、有机盐Weigh2加强抑制，用适当磺化材料进行抗温与护胶，几者相结合形成聚磺高密度欠饱和盐水钻井液，用其解决盐膏污染与软泥岩引起的流变性矛盾，同时极致润滑封堵。

2.1 主要材料选择与作用机理

经室内实验优选以下几种主要处理剂。①聚合物类降滤失剂四元共聚物MYK：以甲基、酰胺基、羧基、磺酸基合成的共聚物，配伍性好，属可生物降解的环保产品，分子链中含有四元环状结构，其刚性较强，不易受盐钙侵入影响而脱附，侧链磺酸基团的两个S—O（π 键）键的存在，在高温、高矿化度环境中具有较强的热稳定性，高温下不易与主链断裂，且可以与羟基等亲水基团形成稳定的共轭体系，阻止盐钙离子侵入，从而提高整体抗盐钙能力，加量范围为1.0%～1.5%。②改性植物胶包被抑制剂NXX，带有抑制性基团与吸附基团，对泥岩有效包被抑制，加量范围0.1%～0.2%。③有机盐Weigh2溶液的水活度值极低，其井壁、钻屑、黏土颗粒的水化应力（τ水化）相应降低，使井壁稳定，钻屑黏土颗粒不分散不水化，同时电离出大量的阳离子通过静电引力吸附进入黏土晶格，抑制黏土表面水化和渗透水化，从而具有较强的抑制性；同时有机盐钻井液有着较高浓度的电解质，使得侵入的盐、钙物质难以溶解，其抗盐抗钙污染能力较强，加量范围为5%～8%。

2.2 室内优化配方实验

以常规欠饱和盐水氯化钾磺化体系配方为基础，室内优选关键处理剂的基础上，以流变性、抑制性、润滑性、封堵性为主要考察评价指标，不断优化完善基础配方，最终形成一套聚磺高密度欠饱和盐水钻井液体系如下。

1%膨润土+4%SMP-3+4%SPNH+1.5%MYK+0.1%NXX+8%Weigh2+1.5%DYFT-2+10%KCl+20%NaCl+2%润滑剂+高密度重晶石

将基础配方分别进行5%NaCl、2%CaSO4、5%膨润土抗污染评价，结果见表2。由表2可以看出，聚磺高密度欠饱和盐水钻井液呈现塑性黏度略高、切力较低特点；污染后塑性黏度、切力值均在理想范围，具有良好的抗盐膏和土相污染能力。

表2 基浆性能与抗污染实验结果

3 现场应用

3.1 钻井液配制

优先配制胶液，配方为：水+0.5%NaOH+4%SMP-3+4%SPNH+2%MYK+0.2%NXX+2%DYFT-2，待其充分水化后与二开聚磺井浆按体积比6∶4混合，胶液应分次加入，加重过程中陆续补充，防止一次性加入至固液比例失调造成重晶石沉淀，再依次加入KCl、NaCl、润滑剂，最后加重至所需密度，加重过程中在循环罐前中后三位置插入压缩空气管线对重晶石进行吹吐防止沉淀发生，配制完毕钻井液漏斗黏度较高，替入井筒充分循环剪切2～3循环周再进行钻进作业。本次根据井筒容积与地面循环量共配制密度为2.10 g/cm3的井浆440 m3，先期应控制地面循环量，建立循环即可，后续根据性能调整再补充循环量。

3.2 现场应用效果

1）流变性控制。钻进中保持密度稳定，有机盐、润滑剂、沥青类按适时循环周均匀补充；胶液充分水化后均匀补充入井，实钻中钻井漏斗黏度呈下降趋势，切力趋势平缓，无波峰波谷现象，没有大型处理、大量稀释、排放钻井液现象。ZQ2井实钻钻井液性能与邻井性能对比见表3。ZQ101、ZQ102为邻井资料，均使用传统欠饱和盐水钻井液体系，在Cl-含量低一些的情况下，初终切值差值仍较大，说明该钻井液已有被污染或分散的可能。

表3 实钻钻井液性能与邻井钻井液性能对比

2）井眼质量。该开次钻进周期为32.70 d，固井前中途完钻周期为7.05 d，钻进、中途完钻过程中短程起下钻13次，起下钻6次，经短程起下钻、起下钻验证，井壁稳定。但在4545～4630 m、5000～5150 m每次都有阻卡现象，上提下放遇阻最高吨位为35 t，该段为膏盐层缩径阻卡，后经扩眼作业解决阻卡问题。

3）现场岩屑效果。实钻中 N1j2软泥岩、盐岩、盐膏交替发育，钻进阶段，因盐间软泥岩强度低，钻井参数钻压为2～3 t，扭矩为5～8 kN·m，振动筛返出岩屑表现为粉末状、糊状、团状，PDC切屑痕迹模糊，条状岩屑较少。采取适当浓度的MYK与NXX胶液及适度提高KCl、Weigh2浓度的措施进行有效的应对，效果明显，未出现软泥岩敷筛堵出口管现象。如图1所示，E2-3s与E1-2km1膏泥岩段岩屑代表性好，PDC切削明显。该开次实钻井段为4545～5827 m，共1282 m，连续987 m盐或盐质地层、含盐泥岩夹层，275 m膏质、含膏泥岩地层。

图1 ZQ2井三开岩屑代表性照片

4）工程施工效果。后期作业电测、下套管、固井作业均一次性成功，井壁稳定、井下安全。下φ273.05 mm+φ244.48 mm套管过程中钻井液静置94 h，开泵泵冲20冲，泵压5 MPa顶通静止钻井液。

4 钻井液维护要点[11-13]

1）合理膨润土含量是复合盐高密度钻井液流变性、滤失造壁性的基础，且有效土强化护胶是保证高浓度盐水钻井液性流变性的首要条件，在高矿化度下才能形成胶体有效载体，在满足悬浮重晶石的前提下，尽可能保持低膨润土含量（该开次控制小于15 g/L）、低黏度和切力，利于流变性控制。

2）抗盐抗钙是高密度欠饱和盐水钻井液的维护重点，是优控流变性的基础，重点以处理剂MYK进行抗盐抗钙，维护胶液配方沿用配浆胶液配方。ZQ2井井深5 672 m井浆抗石膏污染实验见表4。表4中井浆在2%石膏污染范围内流变性比较理想，3%相对较高，但在接受范围。

表4 ZQ2井井深5672 m井浆抗石膏污染实验

3）合适合理的密度是盐膏层井眼稳定的关键，从力学角度出发，在满足井控和井壁稳定的前提下，应尽可能地控制较低的密度，液柱压力与地层压力平衡是防塌技术中最简单有效的技术手段，将钻井液密度严格控制在地层安全密度窗口内。该开次密度基本控制在2.10 g/cm3范围，在苏维依组砂岩易漏失井段（5600～5700 m）密度降至2.07～2.08 g/cm3，钻过该井段后恢复至原密度，同时在井浆中加入1%随钻堵漏剂与快钻时井段间断向井浆中加入刚性堵漏剂KGD-1，进行主动防漏，实现了高低压层套打。

4）抑制性。强抑制性是保证软泥岩井段钻井液流变性、发挥固控设备效率的关键，如软泥岩不能有效包被则会造成敷筛使固控设备失去作用。一是通过聚合物类处理剂的成网状结构，改进钻井液的流型，抑制泥页岩与钻屑的水化分散，有效包被钻屑；二是通过补充胶液保持8%～10%KCl、5%～8%Weigh2的含量。

5）盐含量控制。合适的KCl、NaCl比例及Cl-含量是保持盐膏层井壁稳定的基础，采用（8%～10%）KCl+（22%～25%）NaCl的复配方式，使滤液中Cl-总浓度处于饱和或过饱和且仍有较高浓度K+，通过降低滤液活度进而降低水敏效应，降低水化对地应力的影响。

6）盐重结晶。5045～5055 m井段振动筛出现严重跑浆现象，仔细观察振动筛发现盐结晶颗粒较多致堵筛孔现象，向井浆一次性补充0.5%的盐重结晶抑制剂NTA-2后恢复正常。

7）控钙思路。地层钙离子侵入是造成流变性失控的根源，严控滤液钙离子浓度小于2000 mg/L。

8）润滑、防塌、井壁稳定控制。一是利用处理剂的复配、协同效应，严格控制钻井液的中压与高温高压滤失量；二是密切关注井下摩阻、振动筛返砂情况，及时向井浆补充1%～2%的抗盐极压润滑剂、沥青类、乳化石蜡类润滑防塌封堵剂。

5 结论及认识

1.ZQ2井聚磺高密度欠饱和盐水钻井液技术的成功应用，即在传统磺化欠饱和盐水体系基础上引入聚合物，首次引入有机盐，该钻井液表现出包被抑制性强、抗污染能力强、性能稳定、维护简单，抛弃了稀释剂，为解决埋藏相对较浅的中上部盐膏层高密度钻井液流变性维护难题提供了一种思路。

2.盐膏层钻井液维护要点，优控流变性为第一要务，护胶是基础，自身抑制性、抗盐抗钙抗污染能力是前提。

3.需继续研发用于欠饱和盐水钻井液体系的抗盐、抗钙、抗温、抑制性更强的处理剂。

4.本开次盐膏层及苏维依组低压漏层安全快速钻进，井壁稳定，井下安全，电测、下套管一次性成功，为该区块优化井身结构奠定了基础。