抗盐钻井液在舞阳盐矿Y4井的应用.pdf

第 3 3卷 第 5期 2 0 1 1 年 9月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LL I NG PR0DUCT1 0N TECHN0L0GY V0 l - 3 3 No ． 5 S e p．2 01 1 文章编号1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 1 0 5 0 0 1 0 0 4 抗盐钻 井液在舞阳盐矿Y4 井的应用 刘 鸿 燕 胡 郁 乐 潘 峰 符 碧 犀 1 ． 重庆工程职业技术学院地测学院， 重庆4 0 0 0 3 7 ； 2 ． 中国地质大学， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 ； 3 ． 河南省地质工程勘察院， 河南驻马店4 6 3 0 0 0 摘要为了解决盐膏层钻井难的问题， 针对河南省舞阳地区的含盐地层和舞阳Y4井钻井液应用中暴露的问题， 通过对盐 水钻井液配方及添加剂作用机理的研究和盐水钻井液优配原则分析， 设计 出了一种高矿化度和强抑制性的饱和抗盐钻井液体 系， 添加剂仅为低黏Na C MC、 S MP I I 、 水解聚丙烯腈钾盐和磺化沥青 4种， 成功完成了Y4井的钻探施工。 关键词 舞阳Y4井； 饱和抗盐钻井液 ； 添加剂 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码B App l i c a t i o n o f s a l t r e s i s t a nt s l u r r y o n、 ve U Y4 i n W uy a n g mi n e L I UHo n g y a n ， H UY u l e z ，P A NF e n g 3，F UB i X i 1 S c h o o l o fGe o l o g y a n d S u r v e y ， C h o n g q i n g V o c a t i o n a l I n s t i t u t e ofE n g i n e e r i n g ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ， C h i n a ； 2 ． C h i n a U n i v e r s i ty of G e o s c i e n c e s ， W u h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ； 3 ． He n a n I n s t i t u t e o fGe o l o g i c a l E n g i n e e r i n g I n v e s t i g a t i o n ， Z h u m a d i a n 4 6 3 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o o v e r c o me t h e d i ffi c u l t i e s i n s a l t f o r ma t i o n d r i l l i n g ， e s p e c i a l l y f o r W u y a n g a r e a ， a n d t o s o l v e t h e p r o b l e m e x p o s e d i n s l u r r y a p p l i c a t i o n o f W e l l Y4 i n W u y a n g ， a t y p e o f s a t u r a t e d s a l t r e s i s t a n t s l u r r y s y s t e m i s d e v e l o p e d ， t h r o u g h t h e s t u d y o f s a l t wa t e r d r i l l i n g fl u i d f o rm u l a t i o n a n d t h e wo r k i n g p r i n c i p l e s o f a d d i t i v e s ， a n d t h e a n a l y s i s o n t h e p r i o r i t y p r i n c i p l e s o f t h e s a l i n e mu d ． T h e s l u r r y ma k e s W e l l Y4 d r i l l i n g a s u c c e s s ． I t n o t o n l y me e t s t h e n e e d s o f c o n v e n t i o n a l s a l t f o r m a t i o n d r i l l i n g ， b u t a l s o i s a d a p t i v e ， e n v i r o n m e n t a l f r i e n d l y a n d e c o n o mi c a 1 ． Ke y wo r d s We l l Y4 i n Wu y a n g ； s a t u r a t e d s a l t r e s i s t a n t s l u r r y ； a d d i t i v e 盐膏层钻井， 特别是深井盐膏层钻井， 是一个世 界性的技术难题。由于盐膏层的蠕动变形， 国内外 许多深井未钻达 目的层就提前完钻 ， 或者钻穿盐膏 层后事故完钻或套管挤毁 。因此如何安全快速地钻 穿盐膏层是实现油气勘探突破的首要问题 。 通过对盐膏层岩石理化性能 、 蠕变规律和机理 的研究 ， 并结合盐 膏层对钻井工程 的危害 ， 可得 出 盐膏层钻井的主要技术措施 合理的井身结构和套 管设计、 安全的盐膏层钻井液密度、 钻井液体系的 设计与优化、 盐膏层钻井工程技术措施的优化。针 对 目前抗盐钻井液体系所用添加剂种类繁多、 用量 大 、 成本高等问题， 本文结合工程实践 ， 研究抗盐钻 井液的作用机理及其性能， 在前人研究的基础上设 计出了改性的饱和抗盐钻井液体系， 满足了常规钻 井施工需要。 l 抗盐钻井液的选配分析及性能 目前所用的饱和抗盐钻井液体系所用的添加剂 繁多， 钻井液的性能维护十分困难。笔者以河南舞 阳盐矿 Y 4 井钻井液作为依托， 研究盐水钻井液的选 配与性能的调整方法。 1 ． 1 1 6 0 0 i n前钻井液配方 为了保证施工质量， 根据施工现场的具体情况 做了多组钻井液选配实验， 最终优选出饱和盐水钻 基金项目 河南省地矿局重点项目“ 河南永银化工实业有限公司4 0万吨卤折盐矿山钻井工程” 编号 Y Y H G X X MY 2 0 1 0 2 0 0 1 部分内容。 作者简介 刘鸿燕， 1 9 8 5 年生。2 0 1 1 年毕业于中国地质大学 武汉 地质工程专业， 获硕士学位， 现为重庆工程职业技术学院地测学院教 师。E ma i l l l2 0 a y a n y a h o o ． c o rn． c n 。 刘鸿燕等 抗盐钻井液在舞阳盐矿 Y 4 井的应用 井液作为舞阳Y 4 井的首选钻井液。 开 钻 前 配 制 7 0 m 膨 润 土 浆。 配 方 淡 水 5 ％～ 8 ％膨润土 纯碱 烧碱 膨润土的 3 ％ ， 按 配方配好后， 充分搅拌均匀， 水化 2 4 h配用。一开钻 进时， 边钻进边加入 F A ． 3 6 7 、 X Y - 2 7 混合胶液， 调整 黏切力逐步转化为聚合物钻井液。 二 开钻 井液 配方 0 ． 2 ％Na O H 3 ％ 纯碱 膨润 土 的 3 ％0 ． 3 ％ 高 黏 Na ． C MC0 ． 5 ‰P AC 1 4 1 O ． 5 ‰ 水解聚丙烯腈钾盐 0 ． 5 ％ o F A． 3 6 7 ， 维护中加铁 铬盐 1 ％～ 2 ％。 二开钻井液 中所用 的添加剂 有高黏 Na C MC、 P A C ． 1 4 1 、 F A 一 3 6 7 和铁铬盐。使用过程中钻井液的黏 度有时高达 6 0 S ， 钻井液黏度一旦上升， 就用铁铬盐 降黏， 但是降黏效果不明显， 失水量为 8 m L ／ 3 0 m i n 。 在 1 5 0 0 m后使用饱和盐水聚合物钻井液体系， 该体系是用原浆转换而来 三分之一的原浆 烧碱 卤水 处理剂胶液 1 ％高黏 N a C MC 3 ％S MP I I 2 ％水解聚丙烯腈钾盐 适量磺 化沥青 Na C 1 至饱和。维护中加铁铬盐 1 ％～ 2 ％。 在钻进 过程 中， 钻井液 黏度 2 5 ～ 5 0 S ， 失水量达 2 0 mL ／ 3 0 mi n ， 加入铁铬盐后黏度没有下降反而有所 升高， 滤饼厚 4 ～ 5 m m， p H值 6 ～ 7 。由于对钻井液添 加剂选用不合理， 对地层亦不了解， 二开后采用的抗 盐钻井液失水量大， 黏度不好控制， 致使下钻连续遇 阻 、 卡钻 ， 井下掉块严重。 1 ． 2 钻井液失败原 因分析 1 地层造浆严重， 导致钻井液的黏度上升， 所使 用的处理剂中大部分都有增黏作用， 唯一的降黏剂 F C L S还是分散性降黏剂。加入 F C L S ， 不但没起到 降黏作用， 反而使得黏土分散程度增强， 钻井液的黏 度上升， 致使黏度不好控制。另外， F C L S 易起气泡， 污染环境 。 2 高黏 C MC主要是提黏 、 增稠 、 堵漏细小裂缝 的作用 ， 不是理想的降失水剂。 3 钻井液的 p H值为 6 ～ 7 ， 而 F C L S 发挥作用的 p H值范围在 9 1 1 之间， C MC适应的p H值范围在 8 ． 5 左右， 所以原浆中处理剂的使用并未达到最佳效 果 ， 而且地层造浆严重， 不宜使用分散性钻井液。 4 直接用卤水配制抗盐钻井液， 黏土和添加剂 不好溶解且作用效果降低。钻井液中 C l 一 可抑制地 层中N a C 1 的溶解， 有效地解决盐泥岩的坍塌掉块问 题， 但卤水中 c l 一 浓度未达到饱和， 井内仍有坍塌掉 块现象 。 1 ． 3 盐水钻井液的配方、 性能及配制方法 通 过对 初 配抗盐 钻 井液 性能 、 添加 剂作 用 原 理以及地层特点进行综合分析， 结合大量的室内 实 验 ， 得 出 最 优 抗 盐 钻 井 液 配 方 4 ％ 膨 润 土 浆 0 ．2 ％ N a O H 3 ％纯碱 膨润土的 3 ％ 1 ． 8 ％低黏 Na C MC4 ％ S MP I I 3 ％K． HP AN 2 ％磺 化沥青 3 0 ％ N a C 1 。从单个添加剂浆液性能 表 1 中可以 看到， 3 种添加剂均有降滤失作用， 低黏 C MC的降 滤失效果最好。 表 1 添加剂浆液性能对比 陛能参数原浆 原 S 浆 M 队 N 注原浆为 4 ％ 的膨 润土水溶液 。 正常的配浆顺序是先将膨润土进行预水化处 理， 即在淡水中加入黏土质量 4 ％的碳酸钠对钙膨 润土进行浸泡后配成淡水钻井液 ， 然后在淡水钻井 液 中加 入 添 加剂 胶 液 低 黏 Na C MC S MP ． I I K H P A N 磺化沥青 搅拌， 搅拌时间不得小于2 0 ra i n ， 然后加入 固体 N a C 1 搅拌至全部融化， 最后加入 N a O H调节钻井液的 p H值至 9 ～ 1 l 。根据当地的地 层情况 ， 不需用加重剂加重密度 。 表2 是添加 3 0 ％ N a C 1 前后钻井液性能对比， 可 以看 出， 加入 3 0 ％Na C l 后失水量 没有 多大的变化 ， 这是因为 C MC在 p H为 8 ．2 5 附近， 其水溶液黏度最 大 ， S MP ． I I 和水解聚丙烯腈钾盐 的适应 p H为 8 ～ 9 ， 所以充分发挥了其降失水的效果。 表 2 原浆和抗盐钻井液性能对比 该抗盐钻井液有较强的泥页岩抑制性 ， 在 8 0℃ 下热滚 1 6 h ， 其 4 O目筛清水的回收率为2 3 ％， 普通 浆液回收率为 6 7 ％， 抗盐钻井液回收率为 8 2 ％。泥 页岩的膨胀实验如图 1 所示， 可以看到， 6 h内抗盐 1 2 石油钻采工艺 2 0 1 1 年 9月 第 3 3卷 第 5期 钻 时 闯／ h 图 1 高温高压泥页岩膨胀量实验 Y4井 井深 为 2 0 1 0 m， 井底温 度 8 O℃， 此温 度 下抗盐钻井液表观黏度 l 4 ． 5 m P a S ， 塑性黏度 1 2 ．5 mP a S ， 动 切力 2 ． 5 P a ， A P I 失 水 l 3 ． 5 mL， 因此该 配 方能保证 Y4井顺利与 Y3井对接。 2 盐水钻井液的配制和维护 2 ． 1 盐水钻井液的配制 在现场 实际操作 中， 有 4种 常用方法来配制饱 和盐水钻井液 新浆转化 、 技术套管内用井浆转化 、 裸眼转化和裸眼替浆 。在 Y 4井采用 了 2种方法的 结合， 先用卤水和三分之一原浆配制一部分抗盐钻 井液， 然后在循环过程中边加胶液边放掉三分之二 的井浆 ， 同时按所需配浆密度调整钻井液中膨润土 的含量， 使其达到所需的范围。钻进中逐步补充降 失水剂和聚合物胶液， 并保持其有效含量；加入适 量的润滑剂 ， 改善钻井液的润滑性能。 2 ． 2 盐水钻井液的使用及维护 1 及时 补充钻井 液 中的烧 碱用量 ， 使钻 井液 的p H值始终保持在 9 ～ 1 l 之间。饱和盐水钻井液 的p H值会随着使用时间的推移逐渐下降， 这是因为 滤液 中的 Na 与黏土矿物 晶层 问的 H 不断发生离 子交换消耗部分 O H 一 ， 同时由于工业食盐中含有的 Mg C 1 ， 与滤液 中的 O H 反应 生成 Mg OH。 沉淀 而消耗部分 O H 。p H值的降低将严重影响饱和盐 水钻井液 的性能 ， 因为无论 Na ． C MC的护胶作用还 是 F C L S的稀释降黏作用都是建立在 p H值 9 ～ 1 1 的 基础上， 一旦突破这一界限， 钻井液的性能将发生质 的变化。 2 确保钻井液的高密度， 以控制井眼在盐膏层 的蠕变缩径， 应根据实际情况对密度进行调整。 3 保持饱和盐水钻井液正常的含盐量是维护处 理的关键。对钻井液 c r含量进行定期测量， 根据 c l的变化情况及 时补充 Na C 1 ， 保证 C l含量维持 在 l 8 0 g m 以上；用 N a O H调整钻井液的 p H值在 9 ～ 1 1 之间， MB T维持在 2 5 ～ 4 0 g ／ L为宜。 4 确保钻井液体系的强抑制性和良好的流变 性， 严格控制钻井液的滤失量， 并形成优质的薄而韧 的滤饼。饱和盐水钻井液的维护原则是以护胶降失 水为主， 降黏为辅。所以根据施工现场实际情况及 时补充相应 的钻井液处理剂 低黏 Na C MC胶液 。 在饱和钻井液的作用下， 地层造浆程度有所下降， 若 粒度有所升高， 应加添加剂胶液， 避免使用干粉。低 黏N a C MC 、 S MP ． I I 、 水解聚丙烯腈钾盐和磺化沥青 胶液都有降失水和降黏的作用。 5 饱和盐水钻井液应强化滤饼的质量和对润滑 性的改善， 并提高滤饼的可压缩性。一般可选择 3 ％ 磺化沥青粉和2 ％ ～ 3 ％超细碳酸钙 Q S 一 2 或 2 ％～ 3 ％ 与地层温度相适应软化点的超细颗粒的乳化沥青来 调节固体颗粒的级配 ， 同时可混入 3 ％～ 8 ％柴油及少 量表面活性剂来改善滤饼 的润滑性。此处选用 的是 2 ％磺化沥青粉。 3 现场应用 该矿山项 目位于舞阳县孟寨镇梅庄村附近， 4 0 万吨卤折盐矿山钻井工程设计水平连通井 4 对 8 口， 其中水平井 4 眼， 直井 4 眼， 采用水平井连通法开采。 舞阳县凹陷是倾向北偏东 2 3 。 、 倾角 6 。 的单斜构造， 没有断层。矿体为多层复式矿床， 内部矿层对比性 好 ， 厚度变化小 ， 为典型的碎屑岩系硬石膏一石盐型 矿床。Y 3 是直井， Y 4 为定向井， Y 4 井和Y 3 井是一 对对接井 ， 施工地区地层情况见表 3 。 表 3 施工地区地层简况 深度 ／ m 岩性描述 0 ～ 6 0 棕黄， 浅黄色砂质黏土为主， 夹厚层白色流砂层， 局部含砾 石 6 0 ～ 7 5 0 上部为浅棕 色含砂泥岩， 夹有较多的流砂层；中 部 为棕 红 色泥岩 与流砂层 互层 下部 以杂 色砾 岩为主 夹流砂层 ． 棕红 色泥岩层 7 5 0 ～ 1 4 0 4 浅黄灰 白色砂岩 ， 夹棕 色黏土 层及 暗棕 色含砾 岩 为主， 次为紫色、 绿灰 色砂质 泥岩， 夹浅棕 红 色泥岩及软泥 1 4 0 4 ～ 1 5 0 1棕红 色与灰色含 膏白云质泥岩互层 ， 灰色软泥岩 ， 薄层石 盐 1 5 0 1 ～ 2 0 1 0以盐层为主， 单层厚 0 ． 9 ～ 1 8 ． 8 m， 盐层 内部含泥 质 硬石 膏 ， 盐层 问的 夹层厚 0 ． 4 ～ 1 3 ． 0 m， 主要 为 含膏泥岩、 粉砂泥岩及其互层等， 并有油页岩、 粉 砂 ％等 在离 Y 4 井不到 5 0 0 m的Yl 井， 离预计井深不 到 1 0 0 m的井段发生过一起坍塌事故， Y 3 井没有出 现大的钻井事故 ， 在钻进过程中有部分的掉块 ， 所以 刘鸿燕等 抗盐钻 井液在舞阳盐矿 Y4井的应用 1 3 根据地层岩性分析和事故预测 ， Y 4井 区域地层没有 大的裂隙和断层， 但盐膏层中夹有砂质黏土、 软泥岩 等， 易吸水膨胀， 蠕变率高。 根据所了解的地质资料、 施工现场以及事故历史情况， 为了满足钻井施工， 采 用了饱和盐水钻井液体系， 满足了地层的需要且保 证 了 Y3与 Y4的顺利对接 。 4 结论 1 虽然在盐水钻井液中加入 F C L S和 C MC等 分散剂 可 以阻止黏 土晶片之 间的聚结和分 散度降 低 ， 达到钻井液性能稳定 的 目的 ， 但是在造浆严重的 地层， 不宜使用分散性添加剂。F C L S 易起气泡， 污 染环境 ， 应避免使用。 2 及时补充钻井液中的烧碱用量， 使钻井液的 p H值始终保持在 9 - 1 1 之间， 保证添加剂发挥其最 佳作用。 3 此饱和抗盐钻井液体系是一种高矿化度和 强抑制性钻井液 ， 对于含岩盐地层或含膏盐地层 、 泥 页岩地层的钻进具有很好的护心和护壁作用。且由 于所 用添加剂种类 少和用量适 中， 其成本为 9 0 0元 ／ m ， 远远小于工程总费用的 l 5 ％。 4 添加剂的耐温能力有待加强。N a ． C MC若加 入抗氧剂如酚和酚的衍生物、 苯胺及其衍生物、 乙醇 胺、 尿素、 氨基磺酸、 亚硫酸盐等以及有机交联剂如 乙二醇等， 可使其抗高温能力提高到 2 0 0℃而成功 地用于 7 0 0 0 m的深井中。磺化酚醛树脂和磺化褐 煤配合使用， 抗高温抗盐效果要比单用好 ， 其复合物 是一种有效降低高温高压滤失量的处理剂。 5 在饱和盐水的基础上， 若加入Na ， S O 效果会 更好 ， 因为根据 同离子效应 ， S O 2 _的引入将抑制地 层 中 C a S O 的溶解 ， 而 C a 2 会 引起钻井液 稠化 、 性 能难以控制等不良影响。 参考文献 [ 1 ] 张奎林 ． 滨里海地 区巨厚盐膏层蠕动规律研究 [ D]． 山东东营中国石油大学， 2 0 0 9 ． [ 2] 吴虎， 张克明， 刘梅全， 等 ． 塔河油田深井穿盐膏层钻井 液技术 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 7 ， 2 9 2 8 6 ． 9 0 ． [ 3] 甄程 ． 塔河南盐体分布区钻井工艺技科 Dl山东东营 中国石油大学， 2 0 0 8 ． [ 4] 唐继平， 王书琪， 陈勉 ． 盐膏层钻井理论与实践 [ M ]． 北京 石油 工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 5] 乌效鸣， 胡郁乐， 贺冰新 ． 钻井液与岩土工程浆液 [ M] ． 湖北武汉中国地质大学出版社， 2 0 0 2 ． [ 6] 鄢捷年 ． 钻井液工艺学 [ M ]． 山东东营石油大学出 版 社 ． 2 0 01 ． [ 7] 钻井手册 甲方 编写组 ． 钻井手册 甲方 [ M] ． 北京 石 油 工 业 出版 社 ． 1 9 9 0 ． [ 8] 唐路林， 李乃宁， 吴培熙 ． 高性能酚醛树脂及其应用技 术 [ M]． 北京化学工业出版社， 2 0 0 8 ． [ 9 ] 杨振杰 ． 井壁失稳机理和几种新型防塌泥浆的防塌机 理一文献综述 [ J ]． 油田化学， 1 9 9 9 ， 1 6 2 1 7 9 ． 1 8 4 ． [ 1 0] 刘天科 ． 土库曼斯坦亚速尔地区盐膏层及高压盐水层 钻 井液技 术措施 [ J ]． 石油钻 采工艺， 2 0 1 0 ， 3 2 2 3 8 4 1 ． [ 1 1 ] 曾义金， 王文立， 石秉忠 ． 深层盐膏层蠕变特性研究及 其在钻井中的应用 [ J ]． 石油钻探技术， 2 0 0 5 ， 3 3 5 4 8 5 1 ． [ 1 2] 曾义金 ． 深部盐膏层蠕变关系研 J ] _ 石油钻探技术， 2 0 0 4 ， 3 2 3 5 - 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