順北區塊抗突發性鹽水鉆井液體系的室內研究

李秀靈，李 瓊，邱春陽，鄭成勝，趙懷珍

(中石化勝利石油工程公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257000)

順北區塊古生界志留系地層埋深5 300～6 900 m，包括塔塔埃爾塔格組和柯坪塔格組，由于地質構造運動強烈，斷裂帶附近縫網發育，且深層存在高壓鹽水層[1]，鉆井液安全密度窗口窄，井漏嚴重且高發。其中漏失層位主要發生在塔塔埃爾塔格組和與柯坪塔格組的交界面處，塔塔埃爾塔格組地層溫度超過140 ℃，是防漏堵漏的重點井段，柯坪塔格組漏失相對較少。而柯坪塔格組底部存在高壓鹽水且井間差異較大，壓穩鹽水層提高鉆井液密度后，直接導致上部易漏失井段裂縫重新張開或誘發新的裂縫，其中5號斷裂帶南部順北5-5H、順北5-6和順北52X井出現了20次以上的頻繁井漏和出鹽水并存的復雜情況[2-3]。對已施工井進行統計分析表明：順北油氣田志留系存在漏失和出鹽水的矛盾，志留系井漏發生既有地層破碎、天然裂縫發育的原因，又因為地層承壓能力弱，易受壓力波動或過高的鉆井液密度影響產生的誘導裂縫性漏失情況。部分井遭遇突發高壓鹽水層后，鹽水礦化度高，導致現場施工的鉆井液體系嚴重污染，性能失穩，濾失量和流變性失控，加重劑嚴重沉降，導致鉆井液密度變化明顯，加劇地層漏失。因此本研究通過構建一套針對志留系抗突發性鹽水污染的鉆井液體系，實現更好的鉆井液穩定性和抗污染效果，確保鉆井液在高礦化度鹽水的污染下，性能穩定，減少由于地層鹽水污染導致的其他復雜情況，從而助力于順北工區鉆井提速提效。

1 鉆井液技術難點分析

順北區塊志留系在鉆井過程中所遇到技術挑戰主要有以下幾方面：1)地層溫度高，要求鉆井液具有較好的抗高溫性能；2)鉆遇高壓鹽水層對鉆井液抗鈣性能和井壁穩定提出更高要求；3)漏失現象嚴重，需要進一步地增強鉆井液的封堵性；4)地層存在多套壓力系統，包括淺層氣和高壓鹽水層，這就需要對鉆井液的密度進行進一步的調整。基于以上難點，通過對順北區塊鉆井液體系展開了一系列的研究，形成適合本區塊鉆遇突發性鹽水鉆井的鉆井液體系，這對于順北區塊安全高效的勘探開發，具有十分重要的意義。

2 鉆井液對策和思路

1)合理控制鉆井液密度。在加強封固及阻緩孔隙壓力傳遞的前提下，適當提高鉆井液密度，以提高鉆井液液柱壓力對井壁的力學支撐作用，保持井壁力學穩定[4]。

2)提高鉆井液抗污染能力。要求選用的鉆井液抗污染能力強，在鉆遇突發鹽水層時，較好地控制流變性波動，保持體系性能穩定。

2)強化封堵性。由于志留系地層漏失，要求鉆井液具有良好的隨鉆堵漏防漏能力，通過合理的粒度級配，使鉆井液在近井壁處形成一層致密封堵層，阻緩鉆井液濾液侵入，維護井壁穩定。

3 關鍵處理劑的優選

根據順北區塊志留系地層的特點和技術對策分析，優選關鍵處理劑：降濾失劑、封堵劑、鈣離子控制劑等，提高鉆井液抗溫能力、抗污染能力、降低濾失。通過隨鉆堵漏材料、成膜封堵劑、納米乳液等，增強鉆井液的封堵能力，使形成的鉆井液具有較強的封堵性。

根據順北區塊志留系地層特點，針對地層突發性鹽水，含有高濃度鹽、二價鹽存在下，易造成鉆井液性能惡化的情況，結合“多元協同”井壁穩定基本理論，提高鉆井液的抗鹽抗鈣性能，優化鉆井液方案，形成抗突發性鹽水鉆井液體系。

3.1 引入梳基聚合物降濾失劑降低濾失量

利用梳型聚合物[5]與常見抗鹽降濾失劑具有不同的分子結構和作用機理，使其分子鏈在水溶液中排列成梳子形狀，增大聚合物分子鏈的剛性和分子結構的規整性，提高在高鹽、高二價離子條件下的抗溫能力和降濾失效果，改善鉆井液濾餅的結構形成致密低滲的濾餅,減少濾餅的滲透性，從而降低失水。

與具有代表性的抗高溫抗鈣降濾失劑Driscal-D、PFL-L進行性能對比，結果見表1。從表1可以看出，在含有高鈣鹽水基漿中加入3%降濾失劑后，DMP-2的熱穩定性好，黏度效應小、抗鹽抗鈣性能較好，而Driscal-D、PFL-L增黏明顯，老化后起泡嚴重，且不易消除。

表1 兩種降濾失劑性能對比

3.2 復配增黏劑增強抗溫抗鹽性

將磺酸鹽共聚物DSP與低黏LV-PAV進行復配，利用磺酸鹽共聚物中的磺酸根基團對鹽極不敏感，而且在高溫環境下時，磺酸基可吸附在黏土顆粒表面形成較厚的水化膜，減小了自由水的含量。DSP與LV-PAV復配增黏劑當吸附在黏土顆粒表面后，在受到Ca和Na污染時有效地阻止黏土顆粒出現聚結現象，有助于保持鉆井液的穩定性[6]。在含有高鈣鹽水基漿中分別加入DSP、LV-PAC以及一定配比的DSP+LV-PAC，考察其在高鈣鹽水中的抗溫性，結果見表2。

表2 DCP-1與LV-PAC復配抗鹽效果

從表2中數據可知，DSP與LV-PAV復配使用，能夠提高二者在高鈣鹽水中的抗溫性和降濾失效果，經過150 ℃熱滾24 h后，體系黏度變化不大。

3.3 引入硫酸鈉作為鈣離子控制劑

從圖1中數據來看，在4%土+20%NaCl+3%CaCl2高鈣鹽水基漿中加入Na2SO4，隨著加量增大，游離的Ca2-含量逐漸減少，老化后體系Ca2-含量略大于老化前，當加量為4%時，基本達到穩定，再加大Na2SO4加量體系游離Ca2-含量變化不大，因此優選4%Na2SO4。

3.4 引入成膜封堵劑WDJ和納米乳液提高封堵性

通過隨鉆堵漏材料、成膜封堵劑、納米乳液、超細碳酸鈣等多種封堵材料的配合，使之在近井壁形成一層致密封堵層，阻緩鉆井液濾液侵入，有效提高鉆井液封堵性，增強體系的隨鉆暫堵能力。

其中成膜封堵WDJ由有機聚合物、植物衍生物、金屬氧化物合成制得，該處理劑具有特殊的分子結構，側鏈上含有眾多的磺酸根基團、胺基。胺基與黏土礦物既有吸附作用，又能夠與黏土顆粒形成氫鍵，并且容易在井壁上形成一層不透水隔離膜。納米乳液是一種水包油型的細小乳狀液，當乳液破乳時可與井壁巖石吸附形成保護膜，其成膜特性與成膜封堵劑WDJ相結合，形成雙膜效應，可有效維護裂縫性地層的井壁穩定。

配制3%成膜封堵劑WDJ+2%納米乳液(配方1)，加到濾紙表面，進行抽濾，抽濾半小時后，取出濾紙。采用掃描電鏡法，分析濾紙表面的變化情況，如圖2所示。配方1在濾紙表面觀察到良好的成膜封堵結構。

4 鉆井液性能評價

在優選出梳型聚合物降濾失劑、鈣離子控制劑和復配增黏劑的基礎上，同時引入抗高溫改性淀粉、SMP-2、SPNH等，增強抗鹽性，使之具有很好的濾失造壁性，引入成膜封堵劑、納米乳液等提高鉆井液封堵性，引入無機+有機(KC1+聚胺)的組合抑制劑方案，進一步強化鉆井液抑制性能，優化鉆井液性能，最終形成了抗污染能力較強的抗突發性鹽水鉆井液體系。

其鉆井液的基本配方為：4%膨潤土+1.0%LV-PAC+0.5%DSP-1+3%梳型聚合物降濾失劑+1.5%抗高溫淀粉+3%SMP-2+3%SPNH+3%成膜封堵劑+2%納米乳液+3%隨鉆堵漏材料+3%復配超細+0.5%聚胺+5%KCl+6%Na2SO4。

4.1 基本性能評價

將鉆井液體系分別在150 ℃恒溫熱滾24 h，測試其性能，結果見表3。由表3可知,該鉆井液體系熱穩定性好，經150 ℃熱滾老化的黏度變化不大，API濾失量僅為1.8 mL，高溫高壓濾失量9.6 mL。

表3 抗突發性鹽水鉆井液體系性能評價

4.2 封堵性評價

采用fann公司生產的PPA滲透堵塞儀、北京探礦工程研究所研制的Transparent-Filter-2高溫高壓可視型砂床濾失儀，在測試壓力3.5 MPa，溫度150 ℃下，評價抗突發性鹽水鉆井液體系的封堵性能，結果如圖3所示。該鉆井液在高溫高壓下，30 min內濾液侵入深度≤5 cm，濾失量小于10 mL，表明其封堵效果較好。

4.3 抑制性評價

采用塔河油田順北地區志留系柯坪塔格組地層鉆屑，采用線性膨脹實驗和滾動分散回收實驗，評價抗突發性鹽水鉆井液的抑制性能，結果見圖4 和圖5。從圖4 可知，該鉆井液抑制性較好，16 h的線性膨脹高度為0.45 mm，150 ℃的滾動回收率大于90%。

地層鉆屑在KCl鉆井液中的線性膨脹高度為3.11 mm，而在抗突發性鹽水鉆井液和油基鉆井液中的線性膨脹率均較低，16 h抗壓抗鈣鉆井液的膨脹高度僅為0.52 mm，接近油基鉆井液的0.31 mm，說明該鉆井液具有良好的抑制泥巖水化膨脹的性能。由圖5可以看出，地層鉆屑在KCl鉆井液中滾動回收率小于90%，在抗突發性鹽水鉆井液中回收率>92%，說明抗突發性鹽水鉆井液具有優異的抑制地層巖屑水化分散的性能。

4.4 體系穩定性

在基本配方基礎上用重晶石進行加重，然后測其流變性能和密度，實驗結果如表4。

表4 體系的加重穩定性

從表5中數據可以看出：從1.02 g/cm3加重至1.75 g/cm3，24 h鉆井液上下密度差小于0.01 g/cm3，說明該體系加重至1.75 g/cm3仍很穩定。

5 抗污染性能分析

5.1 抗NaCl污染

在抗突發性鹽水鉆井液體系中于常溫下加入5%、10%、15%和20%的NaCl，充分攪拌后，靜置24 h，測定室溫下性能；然后，在150 ℃下熱滾24 h，再測其性能。結果見表5。表5顯示，該鉆井液體系抗鹽性較好，經熱滾后，性能變化也不大，流變性好，高溫高壓濾失量略有增大。

表5 抗突發性鹽水鉆井液體系的抗鹽性評價

5.2 抗鈣污染

在抗突發性鹽水鉆井液體系中于常溫下加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的CaCl2，充分攪拌，靜置24 h，測其室溫和150 ℃熱滾24 h后的性能，其結果見表6。從表6可以看出，當CaCl2達3%后，老化前后體系攪拌12 h，測定游離的Ca2+離子質量濃度均小于650 mg/L，且體系流變性能滿足鉆井要求，數據表明該配方抗鈣性較好。

表6 抗突發性鹽水鉆井液體系的抗鈣性評價

6 結論

1)梳型聚合物降濾失劑具有較好的抗鹽、抗鈣和濾失造壁性，對體系流變性能影響小，有效降低濾失量。

2)復配增黏劑具有很好的抗溫抗鹽能力，有效維護體系的膠體穩定性，保證鉆井安全施工。

3)以梳型聚合物降濾失劑、復配增黏劑和鈣離子控制劑為核心處理劑形成的抗突發性鹽水鉆井液體系，其抗鹽抗鈣能力較強，該鉆井液具有良好的流變性、濾失造壁性、封堵性及抑制性，抗鹽抗鈣能力強，能夠滿足鉆遇順北區塊突發性鹽水層的鉆井需要。