飽和鹽水鹽層水平井鉆井液技術
何振奎  鄧新華  孟懷啟  張國新
（中石化河南油田分公司工程技術研究院，河南南陽）
【摘  要】  鉆井液是鹽層鉆井的關鍵技術之一，它直接影響鉆井作業的成敗。采用連通井開發地下鹽，則在鹽層段要進行水平鉆井，鉆井液技術更為顯得重要。通過近年來對舞陽、葉縣鹽業開發的現狀調查及室內試驗，研究出一套以護膠降濾失劑A為主劑的適應于連通鹽井鉆井的飽和鹽水鉆井液，并對其進行了配方優選、配方性能評價包括抑制性評價、潤滑性評價、抗污染評價。現場試驗一組井，其中一口直井一口水平井，成功解決了泥頁巖吸水膨脹、縮徑、坍塌、非開發鹽膏層段鹽溶導致井徑擴大起下鉆遇阻卡、事故頻發、主力開發鹽層撈不到鹽樣、水平段井眼軌跡不易控制及固井質量差等問題。通過壓裂連通成功。
【關鍵詞】  飽和鹽水水平井鉆井液  處理劑優選  配方性能評價  鉆井**  鉆井周期縮短

河南油田八、九十年代在葉縣、舞陽地區鉆井10多口，其中6口在H1－H2段上部1100～2200m鉆遇鹽巖層。大部分應用聚合物抗鹽如聚丙烯酰胺-鐵鉻鹽、PAC141聚合物系列等鉆井液鉆井。井眼溶蝕嚴重，鹽層井徑擴大率大于50%，有的井則更高，如舞4井的鹽膏層段1450～2410m的井徑擴大率30%～120%，舞5井的鹽膏層段1450～2410m的井徑擴大率為20%～74%。
2000年在該區塊重點探井田一井施工中，實施了欠飽和鹽水聚合物鉆井液技術。該體系具有較強的抑制性強，抗污染效果較好，具有一定的防卡、防塌能力，保證了該井順利鉆探。基本滿足了鉆井的要求，但鹽膏層的井徑擴大率等不盡如人意。
飽和鹽水鉆井液體系在河南油田的研究與應用尚屬，利用飽和鹽水鉆井液開采鹽，而且在鹽層段應用水平井技術鉆井更是一大新的課題。葉縣、舞陽境內地下蘊藏豐富的氯化鈉，利用直井或定向井開采其效果都不如利用水平連通井開發好。連通井有時采用一直一水平井，有時是兩口水平井，通過壓裂形成連通。在鹽層鉆井即要抗鹽污染，又要防止鹽層段鹽溶井徑擴大，還要防止鹽層塑性流動（蠕動）縮徑造成卡鉆。
地下豐富鹽層的發現有力的支援了地方經濟的發展，現在兩地正在大規模開發。
1  存在的問題及鉆井液體系的確定
2004年葉縣所鉆的一口直井XL3-2井，應用欠飽和鹽水鉆井液，當鉆至設計井深1560m時發生粘卡，由于鉆頭水眼堵無法用解卡液解卡，采取各種措施撈出鉆桿31根，挽回了較大的經濟損失，但終因下部環空固化無法倒扣套銑而報廢。損失時間113d，還有大量沒撈出的鉆具，經濟損失巨大。
目前葉縣、舞陽施工的大部分井幾乎都采用欠飽和鹽水鉆井液，濾失量大，經常出現井下復雜情況，如卡鉆、井塌劃眼、電測卡電纜、起下鉆遇阻卡、下套管不到底等情況。巖樣錄井總是撈不到鹽樣，事故多，鉆井周期長，嚴重影響了鹽礦的開發進度。
因為要鉆的是鹽層厚度較大的直井或鹽層水平井，根據國內外鉆鹽膏層的技術現狀，結合舞陽孟寨鹽礦的地層特點，決定使用飽和鹽水鉆井液體系，其理由如下：
孟寨鹽礦采用連通井開采，一口直井一口水平井或兩口水平井對接，不管是哪一種都要鉆穿上部大段的鹽膏層、泥巖層夾層。如果使用淡水抗鹽鉆井液體系或欠飽和鹽水鉆井液鉆井，則在十多層甚至幾十層鹽膏層處會使鹽膏大量溶解，形成“大肚子”井眼，而在泥巖層又會使其吸水膨脹、剝落掉塊，結果給鉆井工作帶來很大的問題，也會導致固井質量不合格。
使用飽和鹽水鉆井液則可完全避免上述問題。由于鉆井液濾液中NaCl或Cl-含量達到飽和，鉆遇鹽膏層時阻止其溶解，不會形成“大肚子”。另外由于飽和鹽水鉆井液具有很強的抑制性，當鉆遇泥巖段時能夠抑制其膨脹、分散，保證井徑規則，井徑擴大率小，起下鉆暢通、鉆井速度提高、水平段井眼軌跡易于控制并能保證固井質量合格。
2  地理、構造位置、地質分層及巖性
礦區位于孟寨鄉境內，是一個以舞陽凹陷區域構造背景，地層傾向為北偏東23º、傾角為6 º的單斜構造。礦區內沒有發現斷層，礦體多層復式礦床，內部礦層對比性好，厚度變化小，為典型的碎屑巖系硬石膏—石膏型礦床。該地區位于北緯30 º30´，東經113 º37´，磁偏角為3.45º。主要開采層位是核1段22鹽群。
平原級＋上寺組
上部淡黃色、灰黃色流砂層。下部淺黃色、灰白色、雜色細砂巖，礫狀砂巖與灰黃色、棕紅色泥巖呈不等厚互層，成巖性差。
廖莊組
頂部雜色礫狀砂巖，含礫砂巖夾棕色泥巖呈略等厚互層，局部夾雜色礫狀砂巖和棕紅色泥巖。下部雜色礫狀砂巖，淺灰色含礫砂巖與與棕紅色、灰黃色泥巖呈不等厚互層，局部夾淺灰色粉砂巖。
核1段
頂部雜色礫狀砂巖，含礫巖夾棕色泥巖和粉砂質泥巖。上中部為棕色、灰色泥巖與灰色含石膏泥巖，石膏巖，夾灰色泥巖，褐灰色頁巖，灰質泥巖和含膏鹽泥巖。下部為灰色泥巖夾白色鹽巖為主要含鹽巖井段。
3  室內研究
3.1  抗鹽鉆井液處理劑的優選
（1）淡水基漿：在5000mL水中加入200g安丘產鈣膨潤土和12g碳酸鈉，高速攪拌20min，于室溫下養護24h備用。
（2）飽和鹽水基漿：在5000mL4%的膨潤土基漿中加入26%NaCl，高速攪拌20min，于室溫下養護24h備用。
將所需樣品加入基漿中，高速攪拌20min，于室溫下養護24h或室溫養護24h后再在一定溫度下滾動16h，在室溫下高速攪拌5min，用ZNS型失水儀測定鉆井液的API濾失量，用ZNN-D6型旋轉粘度計測定鉆井液的流變性。
（3）聚合物A、PAC141、FA367在飽和鹽水漿中的性能對比
在飽和鹽水基漿中分別加入A、PAC141和 FA367，實驗結果見表1。由表1可以看出，A的提粘效果和降濾失效果比PAC141、FA367好，粘度隨著加量增加而增加，濾失量隨著加量增加而降低，A濃度控制在0.7%～1.0%較好。
3種處理劑的飽和鹽水漿在80℃條件下養護16h測性能，結果見表2。兩種溫度條件下A體系的粘度和濾失量變化不大，而PAC141、FA367體系隨溫度增高粘度明顯降低，濾失量明顯升高，說明A的抗溫效果比PAC141、FA367強。
表1  聚合物A、PAC141、FA367在飽和鹽水漿中的性能對比
處理劑        加量/%        PV/mPa?s        YP/Pa        θ10″/Pa        θ10′/Pa        FL/mL
PAC141        0        6.0        2        0.5        1.0        158
        0.3        8        3        0.5        1.5        32
        0.5        11        3        1.0        1.5        29
        0.7        13        4        1.0        2.0        27.5
        1.0        16        5        1.5        2.5        18
FA367        0.3        9        3        0.5        1.0        31
        0.5        11        4        0.5        1.5        28
        0.7        14        4        1.0        2.0        27
        1.0        17        6        1.0        2.0        16
A        0.3        13        4        0.5        0.5        25
        0.5        19        6        0.5        1.0        12
        0.7        26        8        1.5        2.0        10
        1.0        30        11        1.5        2.5        9
表2  抗溫能力對比（80℃）
泥漿類型        溫  度        PV/mPa?s        YP/Pa        FL/mL
飽和鹽水基漿+1.0%PAC141        室  溫        16        5        18
        80℃        13        3        23
飽和鹽水基漿+1.0%FA367        室  溫        17        6        16
        80℃        14        2        21
飽和鹽水基漿+1.0%A        室  溫        30        11        7
        80℃        29        9        8
三種體系的抗溫降濾失性能如圖1。













圖1  降濾失性抗溫能力對比
（4）頁巖滾動回收率試驗
表3  頁巖滾動回收率評價結果
處理劑        溶液濃度    %        0.42mm篩回收率    %
清  水        0        15.4.
PAC141        0.7        68.1
FA367        0.7        73.6
A        0.7        88.7
試驗條件：在80℃下滾動16h

頁巖滾動回收率如圖2所示。










圖2  頁巖在三種處理劑溶液和中清水中的回收率
試驗采用舞5井1680m井段6～10目巖樣，用《泥頁巖理化性能試驗方法》進行試驗，試驗結果見表3。由表3得知，相同溶液濃度條件下A的巖巖回收率明顯高于其余兩種處理劑，說明A的抑制性比PAC141、FA367的效果好。
綜合上述試驗結果，選A為飽和鹽水鉆井液體系主處理劑。
3.2  抗鹽鉆井液配方優選
舞陽鹽層在1460m以下，0～1460m采用淡水鉆井液，飽和鹽水鉆井液是用上部地層淡水鉆井液轉化而成。上部地層淡水鉆井液基本配方：4%膨潤土+0.2%HPAM+0.2%MMH+0.5%SJ-2+0.4%DSJ-2，后面簡稱基漿。選擇A、SMP、HV-CMC進行復配將基漿轉化成飽和鹽水鉆井液體系，實驗結果見表4。在配方1#淡水漿中加入鹽后，失水大幅度上升，性能變差。加入抗鹽增粘降失水劑A、抗鹽降濾失劑SMP、護膠增粘劑HV-CMC等，通過調整加量得到配方4#。該配方流變性好，濾失量低。
基漿：4%膨潤土+0.2%HPAM+0.2%MMH+0.5%SJ-2+0.4%DSJ-2
1#  基漿+26%NaCl
2#  1#+0.7%A+1%SMP
3#  2#+0.5%HV-CMC
4#  3#+1.0%A
5#  4#+0.5%RH-3
表4  飽和鹽水配方優選試驗
配方        ρ
g/cm3        AV
mPa?s        PV
mPa?s        YP
Pa        Gel
Pa        APIFL
mL
基漿        1.03        37        26        11        2/5        5.0
1#        1.25        22        17        5        0.5/1        15
2#        1.25        31        22        9        0.5/3        7
3#        1.25        34        23        11        0.5/3        6
4#        1.25        36        26        10        0.5/4        4.6
5#        1.25        36        26        10        0.5/4        4.5
3.3  配方性能評價
3.3.1  抑制性評價
用舞5井1680m井段6～10目巖樣進行試驗。分別稱取巖樣50g置于裝350mL溶液的養護罐中，在80℃條件下滾動16h后用0.42mm篩回收烘干測頁巖回收率，結果見表5。由表2.5可知，配方4#、5#的回收率*高，反映其抑制性*好。

表5  頁巖滾動回收率實驗結果
配  方        基漿        1#        2#        3#        4#        5#
巖樣
質量        養護前        50.00        50.00        50.00        50.00        50.00        50.00
        養護后        25.10        36.15        39.35        39.80        44.60        44.70
滾動回收率  %        50.2        72.3        78.7        79.6        89.2        89.4
3.3.2  潤滑性評價
利用極壓潤滑儀和泥餅粘滯系數測定儀，評價了以上的潤滑性能，結果見表6。由表6可以看出，淡水基漿的潤滑性好，轉化成飽和鹽水后潤滑性變差，不利于水平段鉆井。加入潤滑劑RH-3后潤滑性明顯好轉，潤滑系數達到鉆水平井的要求。
表6  潤滑性評價結果
配  方        基漿        1#        2#        3#        4#        5#
潤滑系數        0.1384        0.3172        0.2899        0.2657        0.2493        0.1391
泥餅粘滯系數        0.0855        0.1228        0.1191        0.1083        0.1089        0.0663
3.3.3  抗污染評價
由上述試驗結果得知，配方5#性能優于其它配方。用舞5井1680m井段過100目篩巖樣粉對配方5#進行污染試驗。在配制好的泥漿中加入頁巖粉，經過80℃、16h滾動老化后測泥漿性能，實驗結果見表7。由表7可知，隨著頁巖加量的增加，泥漿的流變性變化不大，數值波動在允許的范圍內，說明體系的抗污染能力、抑制能力強。
表7  飽和鹽水鉆井液體系抗污染評價結果
序  號        頁巖粉
%        AV
mPa?s        PV
mPa?s        YP
Pa        APIFL
mL
1        0        38        27        11        5
2        3        39        27        12        5
3        5        41        30        11        4.5
4        10        43        31        12        4
4  小結
（1）選擇A為飽和鹽水主處理劑，其抗能力強，抑制效果好，加量控制在0.7%～1.0%之間.
（2）優選出的飽和鹽水鉆井液配方流變性好，濾失量低，抗污染能力，有利于井壁穩定，滿足舞陽鹽層鉆井的需要。直井用配方：基漿+26%NaCl+0.7%～1.0%A+1%SMP+0.5%HV-CMC，水平井用配方：基漿+26%NaCl+0.7%～1.0%A+1%SMP+0.5%HV-CMC+0.5%RH-3。
5  現場試驗
5.1  JX1井飽和鹽水鉆井液試驗
構造位置：舞陽凹陷孟寨次凹南部斜坡帶；設計井深1780m（垂深）；目的層：核桃園組一段；完鉆原則：鉆穿22鹽群進入底板5～10m完鉆；完鉆層位：核一段。
5.1.1  一開簡況
一開使用φ375.65mm鉆頭，鉆至井深259m，φ273mm表層套管下至井深257.90m。
一開使用膨潤土＋CMC淡水鉆井液。鉆井液密度1.10g/㎝3，漏斗粘度FV50～60s。鉆進順利，下套管順利。

5.1.2  二開鉆井液體系及維護
5.1.2.1  259～1460m井段
鉆具組合：φ241mm鉆頭＋φ196.8mm鉆鋌×9.05m＋φ203mm鉆鋌×54.82m＋φ178mm鉆鋌×84.43m＋φ127mm鉆桿至井口。鉆井參數：鉆壓120kN，轉速90r/min，泵壓10MPa。鉆井液體系：MMH＋聚合物鉆井液。維護與處理：在一開鉆井液基礎上，將MMH、水解聚丙烯酰胺按1:1的比例配制成0.4%的水溶液鉆進時均勻加入，以控制上部泥巖地層造漿，提高鉆井液體系的抑制性，改善鉆井液流變性。將降濾失劑SJ-2T和DSFJ-2配制成5%（2:1）的水溶液隨鉆加入鉆井液中，以控制鉆井液濾失量、形成薄而致密的泥餅，以避免泥巖膨脹、剝落，避免在砂巖地層形成厚泥餅導致起下鉆遇阻卡。鉆井過程中保持振動篩、除砂器、離心機長期運轉，以*大程度地**鉆井液的有害固相，防止粘卡事故的發生。
鉆井液性能（如表8）。
表8  259～1460m井段鉆井液性能
密度
g/cm3        Funnel FV
s        中壓失水
mL        PV
mPa?s        YP
Pa        泥餅
mm        pH        含砂量
%
1.05～1.18        45～55        6        27        11        0.5        8～9        0.3
鉆進過程中井下沒有發生復雜情況，如井塌、卡鉆、井漏、井涌井噴等。起鉆順利下鉆到底，開泵一次成功。
5.1.2.2  飽和鹽水井段1461～1750m
鉆具組合：φ241mm鉆頭＋φ196.8mm無磁鉆鋌×9.05m＋φ178mm鉆鋌×137.56m＋φ127mm鉆桿至井口。φ178mm技術套管下至1565m。電測井徑平均井徑擴大率為3.40%。鉆井起下鉆暢通無阻，各趟電測均順利到底，沒有卡電纜現象，下套管順利，固井質量合格。
鉆井參數：鉆壓120～160kN，轉速90r/min，泵壓10MPa。鉆井液體系：飽和鹽水聚合物鉆井液。維護與處理：
根據地質設計，井深1465m將鉆遇**層膏鹽層，因此從1461m開始鉆井液體系的轉化。即從淡水聚合物鉆井液轉換成飽和鹽水聚合物鉆井液。
首先在鉆井液中加入0.7%～1%的抗鹽護膠降失水劑A，加入1%的抗鹽降失水劑SMP。現場用管線接入了Cl-含量達120000mg/L的鹽水，此時將該鹽水加入鉆井液中，隨著鹽水的加入，鉆井液粘切上升、失水量增大，進一步加入后粘切不斷下降，此時鉆井液中的Cl-約為120000mg/L，還沒有達到飽和，繼續向鉆井液中加入工業NaCl，檢測鉆井液濾液中Cl-的含量，當達到189000mg/L時開始恢復鉆井。當鉆至井深1468m時振去篩下可見白色石膏巖屑。
鉆井過程中要不斷地加入NaCl，使其始終達到飽和。不斷用0.7%～1%的A和1%的SMP控制鉆井液濾失量，將鉆井液濾失量維持在6～8mL，以防止泥巖膨脹縮徑垮塌和砂巖層形成厚泥餅。當鉆井液粘度低于45s時，加入0.2%CMC（HV）水溶液將粘度調整至50s以上。飽和鹽水鉆井液pH值易下降，當pH值下降至7.5鉆井液池面有氣泡時用1%NaOH水溶液提高pH值至9～10。
鉆井過程中要保持振動篩、除砂器、離心機正常運轉。
工程措施上，每鉆進100m進行一次短程起下鉆，以破壞泥巖段的縮徑和砂巖層形成的厚泥餅。鉆井液性能（如表9）。

表9  1461～1750m井段鉆井液性能
ρ
g/cm3        Funnel
FV
s        中壓
失水
mL        泥餅
mm        pH        PV
mPa?s        YP
Pa        含砂量
%        摩阻系數
1.28～1.30        55～65        6～8        0.5        9～10        26        9        0.3        0.1423
1565～1750m為主要鹽層開發段，裸眼完井。
鉆井液流變性較好，其它性能也很好地滿足了井下實際要求。從撈得的巖樣看，10多層膏鹽和鹽巖層與所夾的泥巖層巖樣錄井清晰，特別是22鹽群鹽層厚達14m，而其它的兩個互隔1km的鉆井隊由于沒有使用飽和鹽水鉆井液，在巖樣錄井中沒有見到石膏和鹽巖。與井深、井型相同的鄰井相比，鉆井周期節約5d。
5.2  JX2水平井飽和鹽水鉆井液試驗
地理位置：舞陽縣孟寨鄉黑龍廟村北；構造位置：舞陽凹陷孟寨次凹南部斜坡帶；設計井深1780m（垂深）；測深1927m；目的層：核桃園組一段；完鉆原則：在22鹽群底板上140m處開始造斜，造斜半徑不大于140m。完鉆層位：核一段。
5.2.1  一開簡況
一開使用φ394.0mm鉆頭，鉆至井深251m，φ273mm表層套管下至井深250m。一開使用膨潤土＋CMC淡水鉆井液。鉆井液密度1.10g/㎝3，漏斗粘度FV50～60s。鉆進順利，下套管順利。
5.2.2  二開鉆井液體系及維護
5.2.2.1  251～1200m井段
鉆具組合：φ241mm鉆頭＋φ197mm無磁鉆鋌×9.05m＋φ203mm鉆鋌×55.84m＋φ177.8mm鉆鋌×77.4m＋φ127mm鉆桿至井口。鉆井參數：鉆壓150kN，轉速90r/min，泵壓10MPa，排量30L/s。鉆井液體系、維護與處理同JX1井。
鉆進過程中井下沒有發生復雜情況，如井塌、卡鉆、井漏、井涌井噴等。起鉆順利下鉆到底，開泵一次成功。
5.2.2.2  飽和鹽水直井段1201～1866m
（1）鉆具組合1201～1568m
φ241mm鉆頭＋φ197mm無磁鉆鋌×9.05m＋φ203mm鉆鋌×55.84m＋φ177.8mm鉆鋌×77.4m＋φ127mm鉆桿至井口。鉆井參數：鉆壓150kN，轉速90r/min，泵壓10MPa，排量30L/s。
鉆具組合1568～1866m
φ152.4mm鉆頭＋φ120mm單彎螺桿＋φ88.9mm無磁抗壓鉆桿×9.5m＋φ88.9mm鉆桿。鉆井參數：鉆壓40kN，泵壓15MPa，排量10L/s。
（2）鉆井液體系
飽和鹽水聚合物鉆井液。
（3）維護與處理
維護處理方法與JX1井相同，鉆井液性能控制也與JX1井相同。本段平均井徑擴大率為2.67%，起下鉆正常，固井質量合格。
5.3  飽和鹽水水平段1866～1927m
5.3.1  鉆具組合
φ152.4mm鉆頭＋φ120mm單彎螺桿＋φ88.9mm無磁抗壓鉆桿×9.5m＋φ88.9mm錐度鉆桿×300m＋φ88.9mm鉆桿。
5.3.2  鉆井參數
鉆壓20～60kN，轉盤轉速20～60r/min，泵壓15MPa，排量10L/s。
5.3.3  鉆井液體系
飽和鹽水聚合物鉆井液。
5.3.4  維護與處理
根據地質設計，井深1265m將鉆遇**層膏鹽層，因此從1200m開始用飽和鹽水聚合物鉆井液。
用0.3%的抗鹽護膠降失水劑A，加入1%的抗鹽降失水劑SMP。將鉆井液濾失量維持在5～9mL，以防止泥巖膨脹縮徑垮塌和砂巖層形成厚泥餅。當鉆井液粘度低于45s時，加入0.2%CMC（HV）水溶液將粘度調整至50s以上，將鉆井液粘度、切力調整到設計范圍，充分攜帶巖屑，防止巖屑床形成。飽和鹽水鉆井液pH值易下降，當pH值下降7.5鉆井液池面有氣泡時用1%NaOH水溶液提高pH值至9～10。每天檢測鉆井液中Cl-含量，當其含量低于189000mg/L時繼續向鉆井液中加入工業NaCl，直至飽和。開始造斜時還要加入0.5%的潤滑劑RH-3，提高鉆井液的潤滑性，以防止粘卡事故的發生。
鉆井過程中要保持振動篩、除砂器、離心機正常運轉。
工程措施上，每鉆進50～80m進行一次短程起下鉆，以破壞泥巖段的縮徑和砂巖層形成的厚泥餅。
5.3.5  鉆井液性能（如表10）
表10  飽和鹽水段1200～1927m鉆井液性能
ρ
g/㎝3        Funnel FV
s        中壓失水
mL        泥餅
mm        pH        PV
mPa?s        YP
Pa        含砂量
%        摩阻系數
1.28～1.30        55～65        6～8        0.5        9～10        28        11        0.3        0.1066
5.3.6  井下情況
鉆井起下鉆暢通無阻，鉆井液流變性好，攜帶能力強無巖屑床形成。全井鉆井液材料費用：27.56萬元，鉆井液成本：138.28元/m。兩口井經壓裂后連通成功。
6  結論與認識
（1）研制的飽和鹽水鉆井液體系，成功完成兩對連通式鹽層水平井。
（2）在飽和鹽水鉆井液中優選使用了抗鹽護膠能力強的A主處理劑，其抗鹽能力強，抑制效果好，攜帶能力強有利于水平井巖屑床的清掃。
（3）研究開發的鹽井直井飽和鹽水鉆井液和鹽井水平井飽和鹽水鉆井液體系，滿足了現場鉆井要求，所用處理劑少。體系簡單、易維護。
（4）井下**無事故：起下鉆暢通、電測、下套管順利。
（5）有利于巖樣錄井，砂、泥、膏鹽、巖鹽層位分明，解決錄井撈不到鹽樣的問題。
（6）抑制鹽層溶解、泥頁巖水化膨脹縮徑和砂巖段形成厚泥餅，有利于水平井井眼軌跡控制和固井質量合格。
（7）與相鄰的其它鉆井承包商所鉆的同類型井相比鉆井周期縮短4.5～5d。
參考文獻
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