張世攀,張易航,趙海存，何淼，張俊,許明標(biāo),3*

(1. 新疆貝肯能源工程股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；3.非常規(guī)油氣湖北省同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢 430100)

鹽膏層可以圈閉和聚集豐富的海洋深部油氣資源，目前在國(guó)內(nèi)外各油氣田具有發(fā)現(xiàn)[1-5]。但鉆遇鹽膏層往往面臨著復(fù)雜的巖層、鹽水層環(huán)境，高礦化度的地層水會(huì)嚴(yán)重影響鉆井液流變性，同時(shí)各類復(fù)雜的地層礦物組分的侵污作用會(huì)大大影響鉆井液作用效果[6-7]。早在1951年，美國(guó)-威利斯盆地便采用飽和鹽水鉆井液或低濾失油包水乳化鉆井液用以防治鹽層段井徑擴(kuò)大。此后，?？松驹谠撆璧劂@過3口深4 100 m的井，通過在飽和鹽水體系中加入膠質(zhì)(山軟木土/海泡石)和淀粉，也取得了較為成功的應(yīng)用效果，且費(fèi)用低廉。在國(guó)內(nèi)，祝學(xué)飛等[8]通過于飽和鹽水體系中引入有機(jī)鹽Weigh2對(duì)C表現(xiàn)出包被抑制性強(qiáng)、抗鹽膏污染能力強(qiáng)等效果，并在ZQ2井段鹽膏層取得了良好效果。舒義勇等[9]在ZQ2井吉迪克組高壓鹽膏層和蘇維依組低壓易漏層采用水基鉆井液套打技術(shù)，有效解決油基鉆井液鹽膏層阻卡、堵漏成功率低、鉆井液成本高等問題。鄧仕奎等[10]針對(duì)土庫曼加爾金內(nèi)什氣田不同復(fù)雜特點(diǎn)，選用兩性離子聚合物和聚磺鉆井液體系，解決了444.5 mm大井眼3 000 m長(zhǎng)裸眼泥頁巖地層造漿、鉆頭泥包、井壁垮塌和起下鉆阻卡等技術(shù)難題。盡管針對(duì)鹽膏層儲(chǔ)層的相關(guān)鉆井方案有許多，且取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果，但就某確定鹽膏層進(jìn)行高密度(密度>2.5 g/cm3)鉆井液設(shè)計(jì)及綜合性能評(píng)定的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。

在M油田鹽膏層鉆井過程中，鉆井液最高密度達(dá)到2.28 g/cm3才能夠滿足安全鉆進(jìn)的需要。而為了提高單井產(chǎn)能，常常需要進(jìn)行水平井鉆進(jìn)，M油田特殊的地層巖性決定了如果采用水平井鉆進(jìn)，就必須在鹽膏層中定向造斜，這就給鉆進(jìn)鹽膏層帶來了極高的挑戰(zhàn)。為了防止鹽膏層定向造斜帶來的各向異性的蠕變，鉆井液就必須具有更高的密度。

為此，M油田鹽膏層定向井鉆井液體系的構(gòu)建必須滿足以下需求：

1)能有效抑制鹽膏層蠕變、鹽溶，以及由芒硝及石膏等礦物組分的水化膨脹[11-12]，以保證井眼的穩(wěn)定，避免定向井鉆進(jìn)時(shí)井壁可溶巖鹽溶入鉆井液，造成井眼軌跡模糊以及井眼縮徑等問題[13]。2)鉆井液須具有更高的密度，初步建議鉆井液密度至少要達(dá)到2.60 g/cm3才能滿足抑制鹽膏層蠕變的需要，并且在高密度情況下，要具有較好的流變性，黏度易于控制。3)具有良好的抗鹽、抗鈣侵的能力、潤(rùn)滑性和抑制鉆井液中鹽重結(jié)晶的能力。4)高溫高壓下仍具有較低的濾失量，能形成薄而韌、壓縮性好的泥餅。5)應(yīng)具備一定的抗氣侵能力，防止地層酸性氣體侵，破壞鉆井液結(jié)構(gòu)。

為使鹽水鉆井液體系在較高密度下依然保留較好的流變性能，且利于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控， 本工作通過采用無黏土相來設(shè)計(jì)基礎(chǔ)鉆井液配方，利用鉆進(jìn)過程中地層黏土水化造漿，使鉆井液性能更加穩(wěn)定，并對(duì)其進(jìn)行了處理劑、可溶鹽和加重材料的系統(tǒng)篩選與評(píng)價(jià)，構(gòu)建出一套適用于水平井鹽膏層鉆進(jìn)的高密度鹽水鉆井液體系，該研究工作的開展對(duì)于以M油田為例的高密度鹽膏層水平井鉆井液設(shè)計(jì)上提供了一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原料及設(shè)備

實(shí)鉆巖屑樣本，M油田FQ-4及FQ-6井；甲酸鉀(HCOOK)，試劑級(jí)，濟(jì)南舜捷化工有限公司；WiPar BA 6#特種重晶石，WiPar CD3#優(yōu)選鐵礦粉，STARFLO、LockSeal封堵劑、磺化瀝青TX和ST，荊州嘉華科技有限公司；Na2CO3，試劑級(jí)，山東錦沅新材料科技有限公司；NaCl，試劑級(jí)，南京化學(xué)試劑股份有限公司。

ZNN-D6A型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、ZNS-5A型中壓濾失儀、GJS-B12K型高頻高速攪拌器、XGRL-4型滾子加熱爐，青島海通達(dá)專用儀器廠；YYM型系列液體密度，山東美科儀器有限公司；FANN極壓潤(rùn)滑儀，美國(guó)FANN儀器廠；日立Regulus8200冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，上海甄準(zhǔn)生物科技有限公司；D-MAX X射線衍射儀，興和儀器(上海)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1)巖屑分析部分。為了進(jìn)一步了解儲(chǔ)層巖心的物性特征，采用掃描電鏡、薄片分析、化學(xué)分析等方法，對(duì)FQ-4及FQ-6井儲(chǔ)層段不同層位的巖心進(jìn)行了分析。

2)鉆井液性能評(píng)測(cè)。鉆井液六速黏度、API濾失量、密度等性能均依據(jù)國(guó)標(biāo)“GB/T 16783.1-2006《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試》”實(shí)施。

2 現(xiàn)場(chǎng)巖屑分析

為更好地設(shè)計(jì)能有效滿足M油田現(xiàn)場(chǎng)需要的鹽膏層鉆井液體系，分別對(duì)M油田FQ-4和FQ-6兩口井的鹽膏層段現(xiàn)場(chǎng)巖屑進(jìn)行了全巖分析(XRD衍射分析技術(shù))，結(jié)果如表1所示。

表1 鹽膏層巖屑全巖分析

從表1可以看出，鹽膏層巖屑中含有大量的石鹽及硬石膏，其總含量達(dá)到了80%以上，鹽膏層屬性比較明顯。繼而在此基礎(chǔ)上還對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖屑的化學(xué)組分進(jìn)行了分析，結(jié)果如表2所示。

表2 鹽膏層巖屑化學(xué)組分分析

從表2可以看出，這兩口井鹽膏層巖屑的化學(xué)組分主要為Na2SO4、CaCl2、NaCl，并含有碳酸鈣和碳酸鎂，其余為泥質(zhì)、硅酸鹽及硬石膏。考慮到儲(chǔ)層含鹽層的溶解會(huì)使鉆井液的年度、切力升高，增加鉆井液濾失量，因而在后續(xù)的配方體系選擇上，選用飽和鹽水體系以提高鉆井液抗鹽能力和抑制性。

3 鉆井液體系加重方式選型

在鉆井液密度調(diào)控方面，為使密度增加至2.60 g/cm3，采用常規(guī)的鹽溶液結(jié)合常規(guī)重晶石加重進(jìn)行性密度調(diào)節(jié)的方式是不現(xiàn)實(shí)的[14]。因此，必須采用有機(jī)鹽加重至一定密度后，再采用密度超過4.30 g/cm3的重晶石來加重，才能使加重至2.60 g/cm3的超高密度鉆井液體系具有較好的流變性。通過初期篩查，實(shí)驗(yàn)確立了以甲酸鉀作為初始加重劑，以WiPar BA 6#重晶石或WiPar加重劑作為后置加重劑的復(fù)配加重劑組合，并分別對(duì)不同復(fù)配比例下的高密度鉆井液體系進(jìn)行了考察。

3.1 甲酸鉀與特種重晶石復(fù)合使用

采用密度和粒徑經(jīng)嚴(yán)格篩選的WiPar BA 6#特種重晶石進(jìn)行加重實(shí)驗(yàn)，確立了以淡水+堿+可溶鹽+重晶石組合形式作為基準(zhǔn)配方，并對(duì)其流變參數(shù)及配漿后的體系密度進(jìn)行評(píng)測(cè)，結(jié)果如表3所示。

表3 甲酸鉀與WiPar BA 6#重晶石加重后性能

由表3可知，采用特種重晶石6#復(fù)合加重后的高密度鹽水鉆井液體系中，甲酸鉀加量定為150%較為合適，此時(shí)的鉆井液黏度較低，能夠滿足工況需求。后續(xù)將采用該方案進(jìn)行加重，并篩選其他處理劑進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 甲酸鉀與WiPar加重技術(shù)復(fù)合使用

在鹽膏層定向井作業(yè)中首先要考慮重晶石沉降問題，同時(shí)鉆井液黏度應(yīng)盡可能控制在低值，以便于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。為此，實(shí)驗(yàn)還在超高密度鉆井液體系中引入了WiPar加重技術(shù)，一方面能有效防止重晶石沉降，另外一方面通過顆粒級(jí)配改善了鉆井液體系的流變性，使其黏度更低，更易于控制。

實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)了甲酸鉀復(fù)配特種重晶石6#后，再?gòu)?fù)配一定量的超細(xì)重晶石(WiPar BA7#、WiPar CD 8#)及超細(xì)鐵礦粉(WiPar CD 2#、WiPar CD 3#)下的鉆井液性能，其中WiPar CD 2#、WiPar CD 3#的目數(shù)均在1 200目以上，且加量配比控制在10%以內(nèi)，以最大化降低鉆具磨蝕的風(fēng)險(xiǎn)。所采用的基本配方為：淡水+堿+150%甲酸鉀+WiPar加重技術(shù)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，采用甲酸鉀與WiPar加重技術(shù)復(fù)合后，超細(xì)重晶石效果不理想，黏度有上升的趨勢(shì)；而超細(xì)鐵礦粉效果較好，綜合比較來看超細(xì)鐵礦粉WiPar CD3#效果最為理想，后續(xù)采用該種方案進(jìn)行系統(tǒng)的篩選與優(yōu)選研究。

表4 甲酸鉀與WiPar加重技術(shù)復(fù)配

4 高密度(2.6 g/cm3)鹽水鉆井液體系綜合性能評(píng)價(jià)

通過對(duì)處理劑的篩選與評(píng)價(jià)，確定高密度過飽和鹽水鉆井液體系的配方，配方如下：

基礎(chǔ)配方體系：淡水+0.25% Na2CO3+2%STARFLO+1%TX+0.5%LockSeal+5% NaCl+150%HCOOK+10%WiPar CD3#+90% WiPar BA 6#，后續(xù)將以此配方為基礎(chǔ)對(duì)其綜合性能進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)。

4.1 沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

為提高沉降穩(wěn)定性的測(cè)試準(zhǔn)確度，采用動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的方法，運(yùn)用一種滑道式沉降鞋，可以測(cè)定鉆井液體系的動(dòng)態(tài)沉降效果，具體測(cè)試方法為：采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，在600 r/min情況下，恒溫50 ℃攪拌5 min測(cè)得底部沉降后的鉆井液密度(ρ1)；在100 r/min情況下，恒溫50 ℃攪拌30 min測(cè)得底部沉降后的鉆井液密度(ρ2)。兩者密度差，就可以在一定程度上反應(yīng)加重劑的動(dòng)態(tài)沉降穩(wěn)定性，結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，該體系具有良好的沉降穩(wěn)定性。

表5 鉆井液體系沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果 (g/cm3)

4.2 抗溫性能評(píng)價(jià)

由于M油田A區(qū)塊油藏溫度118 ℃，地溫梯度3.15 ℃/100 m，B區(qū)塊油藏溫度95 ℃，地溫梯度3.35 ℃/100 m，屬正常溫壓系統(tǒng)。為此，實(shí)驗(yàn)分別評(píng)價(jià)了高密度鹽水鉆井液體系在90～120 ℃(老化16 h)下的抗溫性能，考察鉆井液性能的變化情況，判斷其是否滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求，結(jié)果如表6所示。

表6 超高密度鹽水鉆井液體系抗溫性能評(píng)價(jià)

從表6可以看出，高密度鹽水鉆井液體系具有較好的抗溫性能，在經(jīng)過120 ℃老化16 h后，性能依然穩(wěn)定，且API失水較小。

4.3 加重性能評(píng)價(jià)

鉆井密度過高，將引起鉆井液過度增稠、易漏失、鉆速下降、對(duì)油氣層損害加劇和鉆井液成本增加等一系列問題；而密度過低則容易發(fā)生井涌甚至井噴，還會(huì)造成井塌、井徑縮小和攜屑能力下降。為此，實(shí)驗(yàn)在復(fù)配加重劑體系的基礎(chǔ)上，對(duì)高密度鹽水鉆井液體系的加重性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果如表7所示。

從表7可以看出，該鉆井液體系隨著密度的增大，黏度逐漸增大，中壓失水也逐漸增大；該鉆井液體系密度最高可以加重至2.70 g/cm3，但超過該密度后，鉆井液流變性驟降，基本無法流動(dòng)，且中壓失水也急劇增大。因此，該體系在使用過程中應(yīng)特別注意密度的控制，保持密度調(diào)節(jié)區(qū)間在2.7 g/cm3以內(nèi)。

表7 鉆井液體系加重性能評(píng)價(jià)

4.4 抗侵污性能評(píng)價(jià)

由于目標(biāo)儲(chǔ)層礦物組成的復(fù)雜多樣性，在對(duì)鹽類侵污性能的考察上主要集中在以NaCl/CaCl2/Na2SO4為組成的復(fù)配含鹽礦物上，具體的抗復(fù)合鹽侵污性能實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)結(jié)果如表8～表10所示，其中復(fù)配鹽的配比皆為質(zhì)量比。

表8 抗復(fù)合鹽(2∶3∶5)侵污性能評(píng)價(jià)結(jié)果

表9 抗復(fù)合鹽(2∶5∶3)侵污性能評(píng)價(jià)結(jié)果

表10 抗復(fù)合鹽(5∶3∶2)侵污性能評(píng)價(jià)結(jié)果

從表8～表10可以看出，隨著復(fù)合鹽的侵入，鉆井液體系的黏度、中壓失水量和pH值都比較穩(wěn)定，說明該體系具有良好的抗復(fù)合鹽侵污性能。

4.5 抑制性能評(píng)價(jià)

鉆井液抑制性的評(píng)價(jià)有兩種方法：1)分散性試驗(yàn)-滾動(dòng)回收率；2)離心法測(cè)定防膨率[15]。實(shí)驗(yàn)采用以上兩種方法對(duì)高密度鉆井液體系抑制性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。由于多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)鉆屑都很細(xì)小，無法收集到足夠多的6～10目的現(xiàn)場(chǎng)鉆屑，因此實(shí)驗(yàn)室采用露頭土代替現(xiàn)場(chǎng)鉆屑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表11所示?？梢?，該體系具有較好的抑制性能，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。

表11 鉆井液體系抑制性能評(píng)價(jià)結(jié)果 %

4.6 潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)結(jié)果為：扭矩4 Nm，摩阻系數(shù)0.033 8%?？梢?，該鉆井液體系具有量好的潤(rùn)滑性能。

5 結(jié) 論

以M油田鹽高層水平井作業(yè)為依托建立了超高密度鹽水水泥漿配方體系，在鉆井液密度設(shè)計(jì)上，通過以HCOOK/WiPar BA 6#/WiPar CD 3#(15∶9∶1)進(jìn)行加重劑復(fù)配組合，得到了漿體性質(zhì)穩(wěn)定的超高密度鹽水鉆井液配方體系：淡水+2.5%Na2CO3+20%STARFLO+10%TX+5%LockSeal++50%NaCl+1500%HCOOK+100%WiPar CD3#+900%WiPar BA 6#，該體系能有效加重至2.6～2.7 /cm3，且表現(xiàn)出較好的流變性及漿體穩(wěn)定性。在抗溫性能方面，該套配方體系在90～120 ℃溫度區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出較好的流變性，API濾失量能有效控制在3 mL以內(nèi)。該超高密度鹽水鉆井液體系對(duì)目標(biāo)地層石膏、石鹽、芒硝及黏土有較好的抑制效果，同時(shí)該套鹽水鉆井液配方體系還具有較好的潤(rùn)滑性及優(yōu)異的化學(xué)性能，能有效滿足鹽高層水平井鉆進(jìn)需求。