沈家铺油田石膏层安全钻井技术

2021-10-20葛兵兵贺海波林莉莉

科学技术创新 2021年28期

葛兵兵贺海波林莉莉李伟

（1、中国石油渤海钻探工程公司第一钻井工程分公司,天津 300280 2、中国石油大港油田分公司勘探开发研究院，天津 300280 3、中国石油大港油田分公司采油工艺研究院，天津 300280）

随着沈家铺油田油气勘探开发的不断深入，目前沈家铺油田油气井井深均在2000-3500m 之间，钻进过程中都会钻遇孔店组枣0 油组石膏层。石膏层主要成分是Ca2SO4，而在钻进中经常会出现缩径卡钻和井壁垮塌等井下复杂情况，如家31-12井，因钻遇膏盐层泥浆性能恶化短起下、起钻更换钻具组合配泥浆耽误时间30.5 小时。因此，做好石膏层钻井液技术的研究与推应用有利于加快沈家铺油田的油气资源开发。

1 石膏层地质特点

沈家铺油田石膏层主要分布在下第三系孔店组枣0 油组，具有以下特点:

（1）石膏层埋藏浅，在1900m-2200m 之间，最高温度57°。

（2）石膏层厚度约200m 左右，最高厚度达400m，为大港油田含量之最。

（3）石膏层中，石膏的含量高，为70%～80%; 盐岩的含量较低，为5%～-10%;其余为泥质砂岩；石膏是地层中中硫酸钙的一种稳定形式，化学式为CaSO4·2H2O，化学成成为CaO 32.6%，SO346.5%，H2O 20.9%。一般呈白色或无色透明，当含有杂质时，呈灰褐、黄等色。

（4）石膏层中存在盐水，沈家铺油田盐水比例普遍在15%-18%（普遍为CaCl2、MgCl2、NaCl 等）。

2 石膏层钻井液技术难点

大港油田钻井使用的钻井液体系为硅基防塌钻井液，该体系主要组成4%般土粉+0.8%纯碱+3%硅钾基防塌剂+3%聚合醇防塌剂+3%低荧光防塌封堵剂+4%磺化酚醛树脂+1%抗盐抗温降滤失剂，但该体系的钻井液钻遇石膏层的风险是Ca2+污染导致泥浆流动性变差甚至失去流动性并且失水扩大导致井壁失稳。

2.1 石膏层易引起井下复杂情况

沈家铺油田的大段石膏层欠压实、强度低、可钻性好。钻开石膏层后，构造应力和上覆地层压力的原有平衡失衡，井下钻井液滤液会加速盐膏层的塑性流动和塑性蠕变，易引起缩径卡钻和井壁垮塌等井下复杂情况。

2.2 盐膏层与易漏失地层共存

沈家铺油田玄武岩广泛存在于沙一段，玄武岩是一种基性喷出岩，其化学成分与辉长岩或辉绿岩相似，SiO2含量变化于45%～52%之间，K2O+Na2O 含量较侵入岩略高，CaO、Fe2O3+FeO、MgO 含量较侵入岩略低。矿物成份主要由基性长石和辉石组成，次要矿物有橄榄石，角闪石及黑云母等，岩石均为暗色，一般为黑色，有时呈灰绿以及暗紫色等，呈斑状结构，气孔构造和杏仁构造普遍。

玄武岩体积密度为2.8～3.3g/cm3，致密者压缩强度很大，可高达300MPa，有时更高，存在玻璃质及气孔时则强度有所降低。玄武岩耐久性甚高，节理多，且节理面多成五边形或六边形，构成柱状节理，性脆，因而不易采得大块石料，由于气孔和杏仁构造常见，因此沙一段玄武岩为易漏地层。沈家铺油田石膏层与易漏失地层共存，若钻井液密度过高，又会压漏压力系数低的地层。

2.3 石膏层对钻井液性能的要求

石膏层溶解会产生钙（Ca2+）、镁离子（Mg2+），而高浓度的钙、镁等离子会污染钻井液，导致钻井液出现稠化、絮凝等现象，CaSO4、MgCl2能使钻井液中分散的有机质团粒很快地聚集到一块，即胶体的聚沉。根据沈家铺油田石膏层的地质特点，钻井液需要具有很强的抗石膏、盐岩污染的能力，还需要具有良好的稳定性、流变性和封堵性。

2.4 石膏层影响井眼轨迹

因膏盐层地层软，可钻性好，若钻具组合选择不当，极易造成井眼轨迹控制困难，以家31-7 为例，采用钻具组合：Φ215.9mmSP1644D ×0.35m+Φ172mm 螺杆（1.5° ） ×7.17m+Φ165mm 浮阀 ×0.5m+Φ210mm 稳定器 ×1.54m+Φ165mm 无磁钻铤 ×9.06m+Φ165mmMWD ×1.81m+Φ165mm 无磁钻铤×8.91m+Φ127mm 加重钻杆×167.97m+Φ127mm 钻杆，膏盐层稳斜段钻进过程中自然降斜仍高达1.5°/30m，因此膏盐层钻进推荐选用欠尺寸稳定器。

3 石膏层钻井液的处理（图1）

图1 加入六偏磷酸钠后抗盐效果

3.1 确定适宜的钻井液密度

为有效克服石膏层的塑性蠕变，最有效的方法是提高液柱压力。然而提高钻井液密度，又可能会把上部压力系数低的地层压漏，因此要求在进入石膏层之前提高井壁的承压能力，加入钻井液用防塌封堵剂聚合腐殖酸SN、钻井液用抗盐降滤失剂丙烯酰胺共聚物HC-RS 及钻井液用包被抑制剂改性天然高分子IND30。提高井壁承压能力的主要措施是桥塞堵漏和憋压封堵，除此之外，也可以参考邻井资料和钻井工程设计，最终确定适宜的钻井液密度，综合调研沈家铺油田区块，推荐膏盐层钻井液密度范围为1.18g/cm3-1.25g/cm3之间。

3.2 及时短起下修整井壁

在石膏层中钻进，可钻性好、钻速快，工程上应及时短起下修整井壁，以防石膏层缩径卡钻。沈家铺油田石膏层钻进工程上普遍采取“进一退二”，即钻穿膏盐层后短起至上部馆陶组地层的方式来短起下修整井壁，取得很好的效果。

3.3 优选钻井液体系

依据沈家铺地区石膏层的地质特点，设计选用硅基防塌钻井液体系。该体系不具备抗石膏、盐岩、高压盐水和硫化氢污染的能力，为达到抗膏盐侵能力，在原钻井液配方基础上加入3%六偏磷酸钠(NaPO3)6，提高Na2CO3浓度至1.5%，同时加入1%聚阴离子纤维素PAC-LV、2%钻井液用抗盐降滤失剂丙烯酰胺共聚物HC-RS 及3%沥青类封堵剂，使其具有良好的高温稳定性、流变性和封堵性。其中(NaPO3)6、Na2CO3选用为石膏抑制剂,钻井液用抗盐降滤失剂丙烯酰胺共聚物HC-RS 为盐岩、高压盐水抑制剂，磺化褐煤、磺化酚醛树脂为主要护胶剂，磺化丹宁为稀释剂，沥青质类DBFT-201 处理剂为防塌封堵剂，有机磷酸盐MDC220 为抗污染剂，改性烷基硅MSDS 为降粘剂，固体聚合醇PGCS-1 为抑制润滑剂，聚阴离子纤维素PAC-LV 为抗高温降滤失剂。

3.4 提高钻井液的抗污染能力

石膏的化学名为硫酸钙(Ca2SO4),通过向钻井液中加入适量的（NaPO3)6、Na2CO3可以降低钻井液的Ca2+含量，同时抑制包被剂减小了石膏在钻井液中的溶解度，从而减轻了石膏对钻井液的污染。加入NaOH 提高钻井液的pH 值，一般将其控制在10～11 之间，可以降低石膏在钻井液中的溶解度，从而减轻石膏对钻井液的污染。若钻井液被石膏、岩盐和盐水污染，可加入3%稀释碱液，配方：12.5%水+3%Na2CO3+1%NaOH，同时加入2%水解聚丙烯腈铵盐NPAN 控制失水进行处理，使钻井液的pH 值升高，拆散因过量Ca2+、Mg2+等形成的较大的黏土絮凝结构，从而获得良好的钻井液性能[1-3]。

4 现场应用实例

4.1 工程简况

家31-8 井位于河北省黄骅市采油三厂，构造位置：沈家铺油田官18 断块。井型定向井，井别生产井。设计井深2911m，设计目的层：枣II、枣IV 油组。实际完井井深2900m，完钻目的层：枣IV。钻探目的为开发挖掘沈家铺开发区官18 断块潜力。

设计井身结构：∮339.7mm 导管×20m+∮311.1mm 钻头×501m+∮244.5mm 套管×500m+∮215.9mm 钻头×2911m+∮139.7mm 套管×2907m。实际井身结构：∮339.7mm 导管×23.25m+∮311.1mm 钻头×505m+∮244.5mm 套管×504.83m+∮215.9mm 钻头×2900m+∮139.7mm 套管×2897.48m。

二开使用中215.9mm 钻头、聚合物钻井液钻进至井深1500m，家31-8 井在孔一段枣0 油组钻遇260m 石膏层，地层石膏含量高，在70.2%-80.9%之间，盐岩的含量较低，在5%～10%之间。在长段石膏层钻进过程中，采用硅基防塌钻井液体系。

4.2 方案制定

家31-8 井石膏膏层中钻进的钻井液技术方案。通过分析邻井资料，在该构造的盐膏层中钻进，密度确定在1.25g/cm3较合理。在进入盐膏层之前，进行室内预处理实验，在井深3929.5m 按优选配方(井浆+2%六偏磷酸钠+10%稀释碱液+重晶石)对钻井液进行预处理，预处理后钻井液滤液中Ca2+含量从224 mg/L 降高至20mg/L、粘度和切力较低，钻井液的流变性很好，API 滤失量3.0mL,现场预处理效果较好。

在石膏层中钻进时，应勤测钻井液性能，通过分析实验数据，判断钻井液性能的变化趋势，以便及时采取适当的处理措施。如果钻井液的漏斗粘度和中压滤失量增大、流变性变差、滤液中的Ca2+含量增加，说明钻井液遭遇盐膏侵，根据被污染的严重程度，在胶液里适当增加Na0H、Na2CO3、六偏磷酸钠(NaPO3)6 对钻井液进行稀释处理[3]。

在石膏层中钻进时，应管理使用好固控设备，振动筛筛布使用160 目以上，除砂器筛布200 目，并保证24h 开启，同时每班使用中速离心机不少于4h，每天使用高速离心机不少于2h。筛布应勒冲洗，并检查筛布是否损坏，如有损坏，应及时更换新的筛布。控制钻井液的膨润土含量在90g/L 以下[4-5]。如果膨润土含量过高，则易高温分散，使钻井液的流变性和高温稳定性变差。同时，要经常检查尖嘴罐和过渡槽里是否有劣质固相沉淀，如有则应及时清除，以免影响钻井液的性能。

增强钻井液的润滑性能。家31-8 井二开裸眼段长达2395m（505m-2900m），因此在钻进中，通过加入防塌润滑剂PHD、封堵润滑剂FRH-A、固体聚合醇PGCS-1 和石墨等，保持钻井液中的液体润滑剂含量在5%-6%之间，滑块摩擦系数小于0.07。

家31-8 采用硅基防塌钻井液体系钻进、通井和起下钻作业均很顺利，未发生缩径卡钻和井壁垮塌等井下复杂情况，大大缩短了钻井周期，产生了很好的经济效益。钻进过程中钻井液未受到污染，钻井液性能稳定。

4.2.1 井眼轨迹控制

家31-8 井设计井眼轨迹：上直段0-100m；造斜段100-464.35m，造斜至29.15°，方位319.49°；稳斜段464.35-2911m。实际井眼轨迹：上直段0-98.35m；造斜段98.35-414.50m，造斜至26.73°，方位319.32°；稳斜段464.35-2900m。家31-8 井实钻井眼轨迹与设计井眼轨迹如图2所示。