柯探1 井高鈣鹽水層的鉆井液技術

白海鵬，劉學清，商國璽，陳 勇，陳海軍

（北京京能油氣資源開發有限公司，北京 100000）

柯探1 井是京能油氣公司部署在新疆阿克蘇地區柯坪縣的第一口重點風險探井，目前已在中下寒武系鹽下吾松格爾組獲得日產百萬方的高產天然氣流，獲得塔里木盆地新區新層系的重大突破。由于 缺乏相應地質資料，該井在四開鉆井過程中鉆遇高鈣鹽水層，發生了卡鉆等井下故障，耗時兩個月才 恢復正常鉆進。為了保證快速安全鉆進，需要尋找合適的鉆井液體系。

1 鉆井概況及工程難點

1.1 鉆井概況

柯探1 井三開完鉆井深3 300.21 m，四開井眼φ215.90 mm，最終完鉆井深3 743.00 m。地質預測四開井段主要巖性為一套膏鹽巖地層，按照設計使用的鉆井液體系為欠飽和鹽水聚合物，以1.56 g/cm3的鉆井液密度鉆至3 484.56 m 時發生溢流，將鉆井液密度提至2.00 g/cm3時壓井成功，循環加重時測得井底段受污染鉆井液，鈣離子濃度為50 000 mg/L，鉆井液完全固化，失去流動性，自鉆遇高鈣鹽水層以后，鉆井液體系由欠飽和轉換為飽和鹽水聚合物?？ㄣ@以后采取了一系列的措施，主要改進了鉆井液配方等，順利鉆穿高鈣鹽水層[1–2]。

1.2 施工難點

（1）缺乏資料?？绿? 井屬于新區塊1 字號井，地質資料偏少，卡層及地層預測困難，缺乏可以參考的鉆井液資料。

（2）地層容易發生垮塌、卡鉆。含膏質泥頁巖吸水膨脹，鉆井液抑制性不好極易發生卡鉆；夾層純鹽巖段由于鹽溶導致井壁垮塌，井徑不規則影響固井質量等。

（3）鉆井液性能要求高。一般飽和鹽水鉆井液能抗濃度為2 000 mg/L 鈣離子污染，該段地層水鈣離子濃度為50 000 mg/L 左右，對鉆井液抑制性要求更高；環保要求嚴格，不允許使用磺化類材料，使用的為非磺化類飽和鹽水鉆井液，其密度最高2.0 g/cm3，因此對膠體穩定性提出了更高的要求。

（4）鉆井液性能處理難度大。四開次發生溢流，鉆井液密度提至2.00 g/cm3時還多次出現井漏，裸眼內“漏”、“涌”同存，鉆井液密度處理“窗口”窄。起下鉆期間多次發現溢流，關井套壓為零，開井以后井口始終存在線流現象，屬高壓低滲地層，高鈣鹽水和鉆井液的重力置換導致始終存在鈣侵，加劇了鉆井液的鈣污染。

2 技術對策

2.1 鈣污染機理和解決思路

2.1.1 鈣污染機理

鉆井液屬于一種絮凝狀態的膠體體系的，其大部分膠體主要成分為鈉蒙脫石。一般情況下鉆井液抗二價鹽污染能力較差，這是因為鈣離子可進入鈉蒙脫石晶層間將鈉離子置換下來，鈉離子水化能力比鈣離子強；其次，黏土顆粒周圍會有大量的陽離子吸附，黏土顆粒的擴散雙電層被壓縮，致使水化膜變薄，分散度降低，導致鉆井液塑形黏度和表觀黏度增加，切力降低失去懸浮性，失去封堵能力，濾失量無法控制。

2.1.2 解決思路

通過改進鉆井液配方解決以上兩種原因導致的鉆井液失穩。結合鉆井液機理及其他區塊鉆井經驗，提出兩種對策：①降低膨潤土（主要成分為含鈉蒙脫石）的含量，將膨潤土的含量控制在下限；②加入非磺化類的降失水劑，擴大或者穩定擴散雙電層的厚度，保證鉆井液在適量鈣侵的情況下依然具有良好的懸浮性、流動性和封堵能力[3–6]。

2.2 現場試驗

2.2.1 基漿準備

柯探1 井現場使用的飽和鹽水鉆井液作為實驗用基漿， 由材料使用量計算基礎配方：0.17%NaOH+0.23%Na2CO3+NaCl（氯根飽和）+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（井漿密度2.00 g/cm3）。

用溢流井漿的上層清水和部分生產水配制成的高鈣鹽水做模擬地層水污染實驗。配制鹽水的性能：鈣離子濃度為53 000 mg/L，氯根濃度為216 000 mg/L，密度為1.23 g/cm3，pH 為6。

做a、b 兩組實驗。a 實驗直接測基漿性能。b 實驗將60 mL 高鈣鹽水混入946 mL 基漿中，直接強絮凝，高速攪拌12 min 后黏切開始下降，流動困難；30 min 后流動性有所改善，開始進行室溫和熱滾實驗?？绿? 井四開井底溫度約為70 ℃（本文所有的熱滾實驗均采用75 ℃）。結果見表1，從表中可以看出，受污染的鉆井液熱滾之后，流動性依然很差，近乎全失水，表明基漿在鈣侵下已完全失去流動性和懸浮性，基漿不具備抗鈣污染能力。

2.2.2 抗鹽黏土海泡石代替膨潤土實驗

采用抗鹽黏土海泡石代替膨潤土，將海泡石和膨潤土按照質量分數為15%配制成膠液，水化24 h之后備用。

同樣做a、b 兩組實驗對比。a 實驗取946 mL 基漿，混入60 mL 高鈣鹽水和60 mL 海泡石膠液，高速攪拌10 min。b 實驗取946 mL 基漿，混入60 mL高鈣鹽水和60 mL 膨潤土膠液，高速攪拌10 min。結果見表2，從表中可以看出，加入海泡石膠液的基漿流動性和降濾失效果略好于加入膨潤土膠液的基漿。分析認為，四開鉆井液全部由三開轉換來，膨潤土已經充分水化，容固空間有限，海泡石可以在飽和鹽水當中造漿，但是難以取代已經充分水化的膨潤土漿。

表1 高鈣鹽水對基漿性能的影響

結合現場實際情況，如果采用海泡石提高鉆井液的抗鈣污染能力，需要替換大量舊漿，經濟成本太高。新疆地區組織海泡石較困難，從其他地區組織過來周期太長。綜合考慮以上因素，現場最終未使用海泡石。

表2 海泡石和膨潤土受高鈣鹽水的影響

2.2.3 抗鈣降濾失劑實驗

引入高質量的多糖聚合物POLYSAL，該材料相當于一種聚合物涂層，可以有效地保護膠體，防止壓縮擴散雙電層。 a 組實驗膠液配方：0.125%IND30+1.000%抗鈣降濾失劑+1.500%KWK Y–1+0.500%NaOH+10.000%NaCl+10.000%KCl。b 組實驗膠液配方 0.125%IND30+1.000%PAC –LV+1.500%KWK Y–1+0.500%NaOH+10.00%NaCl+ 10.000%KCl。測得兩組膠液密度均為1.12 g/cm3。

a 實驗取946 mL 基漿，混入60 mL 高鈣鹽水和a 組膠液，高速攪拌10 min。b 實驗取946 mL 基漿，混入60 mL 高鈣鹽水和b 組膠液，高速攪拌10 min。結果見表3，從表中可以看出，a 組和b 組對比流動性和懸浮性差不多，但是加入抗鈣降濾失劑的a 組在熱滾之后，API 濾失量明顯降低很多，說明加入該藥品可以提高鉆井液體系的抗鈣污染能力。

表3 抗鈣降濾濾失劑受高鈣鹽水的影響

2.2.4 現場配方優化

將現場井漿加入1.5% POLYSAL，加入Na2CO3控制鈣離子濃度低于500 mg/L，補充0.5% PAC–LV，加料泵不停地循環剪切。取處理完的井漿加入60 mL配制的高鈣鹽水進行對比實驗。實驗結果見表4，從表中可以看出，流動性和懸浮性變化不大，失水略微增加，但還在設計范圍之內，說明此配方已具備抗鈣侵的能力。

2.3 井場鉆井液維護

在井場試驗的基礎上針對該井四開的施工難點，分別采取相對應的措施。

2.3.1 調整鉆井液體系及配方

一是將鉆井液體系由欠飽和轉換為飽和鹽水聚合物，防止鹽溶造成的垮塌；二是加大抑制劑 PGCS–1 和KCL 的含量，加大隨鉆堵漏劑SLD–1、CARB 的加量，提高鉆井液的封堵性；優化鉆井液配方，將后期維護性能的膠液配方調整如下：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（氯根飽和）。

表4 轉換后的井漿受高鈣鹽水的影響

2.3.2 保證鉆井液性能達標

一是嚴密監測循環池液面的變化，加入惰性隨鉆堵漏劑；二是嚴密監測鉆井液性能，控制pH 值不低于10，控制鈣離子濃度不高于500 mg/L，根據實際情況靈活調整鉆井液流變性；三是每次起下鉆作業將井底受污染的鉆井液排放掉，防止受污染的鉆井液入井。

2.4 應用效果

通過改進鉆井液配方和上述措施，順利鉆穿柯探1 井四開高鈣鹽水層，電測無阻卡，井徑規則，套管一次性下到位，鉆井液性能滿足固井施工要求，現場施工效果良好。

3 結論

（1）為了優質高效地完成勘探作業，需要控制好低密度固相，為轉換四開飽和鹽水鉆井液做好準備。設計當中至少需要兩種抗鹽、抗鈣的降失水材料，該區塊井底溫度偏低，除聚合物之外，常見的淀粉比較適合該區塊。

（2）除應用純堿和小蘇打除鈣外，可以使用一些硅酸鉀，能預防鈣侵。生成的硅酸鈣對井壁穩定、防塌有一定的幫助，同時鉀離子可以提高鉆井液的抑制性。