柯探1 井高钙盐水层的钻井液技术

2021-03-05白海鹏刘学清商国玺陈海军

石油地质与工程 2021年1期

白海鹏，刘学清，商国玺，陈勇，陈海军

（北京京能油气资源开发有限公司，北京 100000）

柯探1 井是京能油气公司部署在新疆阿克苏地区柯坪县的第一口重点风险探井，目前已在中下寒武系盐下吾松格尔组获得日产百万方的高产天然气流，获得塔里木盆地新区新层系的重大突破。由于缺乏相应地质资料，该井在四开钻井过程中钻遇高钙盐水层，发生了卡钻等井下故障，耗时两个月才恢复正常钻进。为了保证快速安全钻进，需要寻找合适的钻井液体系。

1 钻井概况及工程难点

1.1 钻井概况

柯探1 井三开完钻井深3 300.21 m，四开井眼φ215.90 mm，最终完钻井深3 743.00 m。地质预测四开井段主要岩性为一套膏盐岩地层，按照设计使用的钻井液体系为欠饱和盐水聚合物，以1.56 g/cm3的钻井液密度钻至3 484.56 m 时发生溢流，将钻井液密度提至2.00 g/cm3时压井成功，循环加重时测得井底段受污染钻井液，钙离子浓度为50 000 mg/L，钻井液完全固化，失去流动性，自钻遇高钙盐水层以后，钻井液体系由欠饱和转换为饱和盐水聚合物。卡钻以后采取了一系列的措施，主要改进了钻井液配方等，顺利钻穿高钙盐水层[1–2]。

1.2 施工难点

（1）缺乏资料。柯探1 井属于新区块1 字号井，地质资料偏少，卡层及地层预测困难，缺乏可以参考的钻井液资料。

（2）地层容易发生垮塌、卡钻。含膏质泥页岩吸水膨胀，钻井液抑制性不好极易发生卡钻；夹层纯盐岩段由于盐溶导致井壁垮塌，井径不规则影响固井质量等。

（3）钻井液性能要求高。一般饱和盐水钻井液能抗浓度为2 000 mg/L 钙离子污染，该段地层水钙离子浓度为50 000 mg/L 左右，对钻井液抑制性要求更高；环保要求严格，不允许使用磺化类材料，使用的为非磺化类饱和盐水钻井液，其密度最高2.0 g/cm3，因此对胶体稳定性提出了更高的要求。

（4）钻井液性能处理难度大。四开次发生溢流，钻井液密度提至2.00 g/cm3时还多次出现井漏，裸眼内“漏”、“涌”同存，钻井液密度处理“窗口”窄。起下钻期间多次发现溢流，关井套压为零，开井以后井口始终存在线流现象，属高压低渗地层，高钙盐水和钻井液的重力置换导致始终存在钙侵，加剧了钻井液的钙污染。

2 技术对策

2.1 钙污染机理和解决思路

2.1.1 钙污染机理

钻井液属于一种絮凝状态的胶体体系的，其大部分胶体主要成分为钠蒙脱石。一般情况下钻井液抗二价盐污染能力较差，这是因为钙离子可进入钠蒙脱石晶层间将钠离子置换下来，钠离子水化能力比钙离子强；其次，黏土颗粒周围会有大量的阳离子吸附，黏土颗粒的扩散双电层被压缩，致使水化膜变薄，分散度降低，导致钻井液塑形黏度和表观黏度增加，切力降低失去悬浮性，失去封堵能力，滤失量无法控制。

2.1.2 解决思路

通过改进钻井液配方解决以上两种原因导致的钻井液失稳。结合钻井液机理及其他区块钻井经验，提出两种对策：①降低膨润土（主要成分为含钠蒙脱石）的含量，将膨润土的含量控制在下限；②加入非磺化类的降失水剂，扩大或者稳定扩散双电层的厚度，保证钻井液在适量钙侵的情况下依然具有良好的悬浮性、流动性和封堵能力[3–6]。

2.2 现场试验

2.2.1 基浆准备

柯探1 井现场使用的饱和盐水钻井液作为实验用基浆，由材料使用量计算基础配方：0.17%NaOH+0.23%Na2CO3+NaCl（氯根饱和）+7.14%KCl+2.14%NFA–25+2.85%PGCS–1+1.42%PAC–LV+1.07%KWKY–1+0.17%IND30+ 重晶石（井浆密度2.00 g/cm3）。

用溢流井浆的上层清水和部分生产水配制成的高钙盐水做模拟地层水污染实验。配制盐水的性能：钙离子浓度为53 000 mg/L，氯根浓度为216 000 mg/L，密度为1.23 g/cm3，pH 为6。

做a、b 两组实验。a 实验直接测基浆性能。b 实验将60 mL 高钙盐水混入946 mL 基浆中，直接强絮凝，高速搅拌12 min 后黏切开始下降，流动困难；30 min 后流动性有所改善，开始进行室温和热滚实验。柯探1 井四开井底温度约为70 ℃（本文所有的热滚实验均采用75 ℃）。结果见表1，从表中可以看出，受污染的钻井液热滚之后，流动性依然很差，近乎全失水，表明基浆在钙侵下已完全失去流动性和悬浮性，基浆不具备抗钙污染能力。

2.2.2 抗盐黏土海泡石代替膨润土实验

采用抗盐黏土海泡石代替膨润土，将海泡石和膨润土按照质量分数为15%配制成胶液，水化24 h之后备用。

同样做a、b 两组实验对比。a 实验取946 mL 基浆，混入60 mL 高钙盐水和60 mL 海泡石胶液，高速搅拌10 min。b 实验取946 mL 基浆，混入60 mL高钙盐水和60 mL 膨润土胶液，高速搅拌10 min。结果见表2，从表中可以看出，加入海泡石胶液的基浆流动性和降滤失效果略好于加入膨润土胶液的基浆。分析认为，四开钻井液全部由三开转换来，膨润土已经充分水化，容固空间有限，海泡石可以在饱和盐水当中造浆，但是难以取代已经充分水化的膨润土浆。

表1 高钙盐水对基浆性能的影响

结合现场实际情况，如果采用海泡石提高钻井液的抗钙污染能力，需要替换大量旧浆，经济成本太高。新疆地区组织海泡石较困难，从其他地区组织过来周期太长。综合考虑以上因素，现场最终未使用海泡石。

表2 海泡石和膨润土受高钙盐水的影响

2.2.3 抗钙降滤失剂实验

引入高质量的多糖聚合物POLYSAL，该材料相当于一种聚合物涂层，可以有效地保护胶体，防止压缩扩散双电层。 a 组实验胶液配方：0.125%IND30+1.000%抗钙降滤失剂+1.500%KWK Y–1+0.500%NaOH+10.000%NaCl+10.000%KCl。b 组实验胶液配方 0.125%IND30+1.000%PAC –LV+1.500%KWK Y–1+0.500%NaOH+10.00%NaCl+ 10.000%KCl。测得两组胶液密度均为1.12 g/cm3。

a 实验取946 mL 基浆，混入60 mL 高钙盐水和a 组胶液，高速搅拌10 min。b 实验取946 mL 基浆，混入60 mL 高钙盐水和b 组胶液，高速搅拌10 min。结果见表3，从表中可以看出，a 组和b 组对比流动性和悬浮性差不多，但是加入抗钙降滤失剂的a 组在热滚之后，API 滤失量明显降低很多，说明加入该药品可以提高钻井液体系的抗钙污染能力。

表3 抗钙降滤滤失剂受高钙盐水的影响

2.2.4 现场配方优化

将现场井浆加入1.5% POLYSAL，加入Na2CO3控制钙离子浓度低于500 mg/L，补充0.5% PAC–LV，加料泵不停地循环剪切。取处理完的井浆加入60 mL配制的高钙盐水进行对比实验。实验结果见表4，从表中可以看出，流动性和悬浮性变化不大，失水略微增加，但还在设计范围之内，说明此配方已具备抗钙侵的能力。

2.3 井场钻井液维护

在井场试验的基础上针对该井四开的施工难点，分别采取相对应的措施。

2.3.1 调整钻井液体系及配方

一是将钻井液体系由欠饱和转换为饱和盐水聚合物，防止盐溶造成的垮塌；二是加大抑制剂 PGCS–1 和KCL 的含量，加大随钻堵漏剂SLD–1、CARB 的加量，提高钻井液的封堵性；优化钻井液配方，将后期维护性能的胶液配方调整如下：0.5%NaOH+0.3%Na2CO3+7.0%KCL+2.0%NFA–25+3.0%PGCS–1+1.5%PAC–LV+1.5%POLYSAL+1.0%KWKY–1+0.1%IND30+NaCl（氯根饱和）。