1、高钙盐钻井液体系在西部油田的研究与应用张辉（中原油田钻井工程技术研究院 河南 濮阳 457001）摘要：针对西部油田第三系易缩径、阻卡；三叠系、石炭系井壁易坍塌扩径的地质特点，提出采用高钙盐钻井液体系解决所述问题。通过现场应用表明，高钙盐钻井液体系具有极强的抑制防塌能力，可有效地解决浅层泥岩吸水缩径、砂岩段厚泥饼缩径和深部泥页岩（三叠、石炭系）剥蚀掉块垮塌等问题，试验井段井径规则，所试验井三叠、石炭系平均井径扩大率小于 6%，完井电测及下套管固井等作业顺利。而且该体系在同样地层钻进中的密度低于常规钻井液体系，从而有利于油气层保护。主题词：钻井液 塔里木油田 高钙盐钻井液 抑制防塌 一、前言通过
2、我们大量的地质资料调研，塔里木盆地的地层主要具有以下特点；上部地层钻屑分散性强，易在井壁上形成假泥饼，主要原因是钻井液内抑制性处理剂加量不足，抑制性不强，容易引起泥页岩地层水化膨胀，导致泥岩井眼缩径。砂岩的渗透率极高，钻井液易向地层滤失，在井壁上形成厚泥饼，造成绝大多数砂岩层新井眼井径小于钻头直径。尤其是钻井液失水大时，如塔河地区二开井段滤失量一般在 7-13ml，部分井滤失量偏大，更容易形成厚泥饼。同时,上述粘泥团的存在,又加剧了厚泥饼的形成。在钻井过程中，如不适当采取短起下作业，起下钻阻卡将会严重。地层中不同程度的含有石膏、盐等，地层中的钙、镁离子侵入钻井液中，引起粘土颗粒聚集，改变了粘土
3、颗粒的电位，从而释放出自由水及束附水，使钻井液失水上升，破坏了钻井液性能，使泥饼变厚而虚，砂岩地层就会形成厚泥饼造成井径变小。下部、石炭系地层粘土矿物以伊/蒙混层和伊利石为主，且混层比高，属易水化分散、剥落掉块地层。且伊/蒙混层矿物水化膨胀不均匀，当泥浆滤液沿地层微裂隙侵入地层深部时，随着泥页岩的水化膨胀的进行，地层将产生强大的膨胀压，井壁失去平衡，导致坍塌掉块。三叠系下部、石炭系地层存在着较高的坍塌压力，且坍塌压力大于孔隙压力。当按孔隙压力设计钻井液密度时，相对于地层坍塌压力而言即形成“欠平衡” 。因此，钻井液密度过低是导致易坍塌地层扩径原因之一。钻井液体系及其性能控制不合理直接会影响泥浆的
4、防塌性能，尤其是钻井液滤失量的大小和泥饼质量的好坏直接影响到井壁的稳定。泥浆的滤失量大，将会增加进入地层微裂隙泥浆的滤液量和侵入深度，导致地层岩石膨胀、坍塌，如果泥饼质量差，泥饼将不能有效阻止滤液进入地层，从而影响地层的稳定性。 钻井施工过程中，定点冲孔时间长，造成易塌地层的岩石在水力冲刷下产生掉块，井径扩大。针对以上存在的问题，为了解决钻遇泥岩分散膨胀型地层和硬脆性地层所出现的复杂情况，我们开始在塔河和其它西部地区研究应用了强抑制性钻井液体系高钙盐钻井液体系，二、高钙盐钻井液体系研究及其特点高钙盐钻井液体系主要由无机抑制剂 CaCl2、CaO、KCl 和有机抑制剂两性离子磺酸盐聚合物、无机有
5、机单体聚合物、聚合铝防塌剂、聚合（多元）醇组成，其中游离的钙离子浓度在 10003000mg/l，钾离子浓度在 5005000mg/l，由此保证了钻井液对粘土、泥页岩的吸水膨胀、分散剥蚀的抑制作用；由于该体系引入磺酸基团的两性离子聚合物、无机有机单体共聚物，其优良的抗钙、抗盐性、耐高温性，保证了体系的流变性和高温稳定性；聚合（多元）醇、聚合铝在钙离子的作用下，具有特殊的成膜性能和地层粘土矿物形成类似于水泥质的不渗透封堵层，有效降低了地层的坍塌压力。1、防塌机理高钙盐体系具有良好的抑制能力，其主要是利用无机阳离子钙对粘土中和作用、同离子效应和渗透水化效应。（1）中和作用 由于粘土矿物的晶层表面是
6、带负电的，正负电性相吸，加上 Ca2+的正电荷比一价的钠、钾等离子的强，Ca 2+能强烈地吸附到粘土颗粒的晶层表面，消弱了各个晶层间的负电荷排斥力，使粘土晶层间的距离缩短，水分不易进入晶层之间，因而使粘土不易水化分散、膨胀和运移。（2）同离子效应地层中的泥页岩以及地层水中都有不同浓度的钠、钾、钙等阳离子，当钻井液中含有大量钙离子时，由于同性离子相斥，使地层中的钙离子不容易被交换出来，从而减少地层泥页岩的水化分散和运移。（3）渗透水化效应井下的钻井液和地层孔隙水之间存在渗透作用，在压差作用下，钻井液和地层泥页岩之间形成滤饼（内外滤饼）半透膜，当钻井液滤液中的钙离子大于地层中孔隙水的钙离子浓度时，
7、由于存在钙离子浓度差的反渗透压力，从而降低了钻井液滤液向地层中渗透的力量，减少了地层泥页岩的水化分散、膨胀和运移的能力。2、抗钙聚合物的研究钙离子的抑制作用是一把“双刃剑” ，它同时也对钻井液的其它性能造成影响，破坏了钻井液的稳定胶体性，抑制性越强破坏性越大，怎样才能既让钻井液中的粘土水化成胶、又能抑制地层中的粘土不水化，经过研究发现，在配制钻井液时，搬土预水化后用抗盐的聚合物护胶，就能得到具有稳定性能的钻井液，从而起到稳定井壁的作用（因其滤液中含有大量的钙离子） 。 在高钙环境下，使用的钻井液处理剂必需具有抗钙能力，但目前很多所谓的抗盐处理剂都是在处理剂中混入纯碱，在室内评价时由于纯碱除去了
8、钙，从数据上看似乎具有抗钙性，这些处理剂的纯品当钙离子达到 500mg/l 以上，在 120老化后，几乎失去作用，为此我们用无机-有机单体和 AMPS 磺酸盐单体研制开发了专用降失水剂 Siop-E 和具有防塌增效作用的两性离子磺酸盐共聚物 CPS-2000。3、高钙盐体系性能研究(1)高钙盐体系性能与饱和盐水性能对比室内配制的高钙盐体系与现场饱和盐水井浆性能对比如表 1。从表 1 可以看出，室内配制的高钙盐体系的基本性能与现场饱和盐水井浆的性能相近。表 1 高钙盐体系与饱和盐水井浆性能对比常规性能泥浆体系 Dg/cm3AVmPa.SPVmPa.SYPPaFLml/mmHTHPml高钙盐体系
9、1.65 57.5 43 14.5 4.8/0.5 14饱和盐水井浆 1.62 60.0 45.0 15.0 4.0/0.5 14注：高钙盐体系为：4%钙土浆+1.3%NaOH+0.5%处理剂 A+0.5%GXC+1%处理剂 D+2%处理剂C+3%CaCl2+5%NaCl；饱和盐水聚磺井浆为：文 90-44 井井深 3250 米取的完井样。(2)高钙盐体系的粒度分布高钙盐钻井液属于粗分散体系，为证实其真实性，我们对现场钻井液体系中的各种固相进行分析，以考察其亚微米颗粒的分布情况，其结果见表 2。由表 2 可以看出，高钙盐体系的亚微米含量很少，与饱和盐水钻井液体系有着本质的区别。表 2 高钙盐体
10、系的粒度分布泥浆体系 1.4m 以下(%) 备注高钙盐体系 5.8饱和盐水聚磺井浆 22.504%钙土浆 1.80JL-9100 激光粒度仪分析的体积百分数。有关研究资料表明小于 1.0m 的固相颗粒对钻速的影响程度最大，约是大于 1.0m 的固相颗粒的 13 倍，所以减少钻井液中亚微米颗粒能大大提高机械钻速。(3)高钙盐体系的高温高压膨胀量为了尽可能地模拟泥浆体系对井下泥页岩的抑制性，检验所研制的体系的抑制效果，我们用 YPM-02 型高温高压膨胀量测定仪测定了高钙盐钻井液体系的高温高压膨胀量并与其它体系和抑制剂进行了对比，5%氯化钾等的高温高压膨胀量，其结果见表 3。由表 3 可知，钙盐钻
11、井液体系对泥页岩膨胀具有很强的抑制能力，比饱和盐水和 5% KCl 的效果还要好。清水在 24 小时之内膨胀量呈上升趋势，而高钙盐体系在 3 小时之后膨胀量就基本不再上升，而且总的膨胀量很小，只是清水膨胀量的 3%，说明高钙盐钻井液体系抑制性作用快、持续效果长，这对于防止长裸眼井段井眼缩径和垮塌具有很有好的作用。表 3 高钙盐体系的高温高压膨胀量(4)高钙盐体系的页岩回收率方法和步骤：取 58 目干燥的天然岩屑 10g 三份，分别置于装有实验液的三个老化罐中，然后密封于 150条件下热滚 24hr，取出老化罐冷却用 40 目的分样筛过滤（用小股自来水缓慢冲洗岩屑）并把筛余物于 105条件下烘干
12、（2 小时左右） ，冷却后称量筛余量并计算页岩回收率，其结果见表 4。由表 4 可知，高钙盐钻井液体系比饱和盐水钻井液的页岩回收率高，说明其抑制泥页岩分散的能力比饱和盐水泥浆好。配 方 高温高压页岩膨 胀量(mm) 备 注清水 15高钙盐体系（滤液） 0.46饱和盐水聚磺井浆（滤液） 0.855%KCl 0.910.3%CSW-1（小阳离子） 6.91YPM-02 高温高压膨胀仪于 120/2MPa 条件下测定。表 4 高钙盐体系的页岩回收率(5)高钙盐泥浆体系的岩心渗透率恢复值方法和步骤：把两个气测渗透率相近的同一井的天然岩心在模拟地层水中浸泡一定时间后，用煤油测正向初始渗透率值，然后再用泥
13、浆样品在规定的压力下反向污染两个小时，最后测定污染后的岩心渗透率，用污染后的岩心渗透率除以污染前的渗透率得出岩心的渗透率恢复值。实验结果：经过测定实验结果见表 5。由表 5 可知，高钙盐钻井液的岩心渗透率恢复值比聚磺饱和盐水钻井液要高，说明高钙盐泥浆体系的油层保护性比较好。表 5 高钙盐体系的岩心渗透率恢复值三、高钙盐钻井液体系的应用1、高钙盐钻井液体系在 T115 井的应用T115 井位于新疆沙雅隆起阿克库勒凸起的桑塔木盐边构造带，该井属评价井，该井技术难点是二开库车组、康村组胶结程度相对较差，易造成泥岩段扩径和砂岩段的缩径；三开三叠系、石炭系地层的泥页岩易吸水膨胀，造成严重的剥落、掉块、跨
14、塌，井径扩大率经常为 20-30%，严重影响到钻井、测井、固井的顺利进行，本井三开钻井液设计使用强抑制性高钙盐钻井液体系，其主要目的是通过化学防塌和物理封堵共同作用，以提高泥浆滤液的抑制性从而起到稳定井壁，减少泥页岩水化膨胀和剥落掉块，降低井径扩大率，避免井下复杂，提高井身质量和固井质量。泥浆体系 页岩回收率(%) 备注高钙盐体系 92.6饱和盐水聚磺井浆 86.4清水 16.4150/24热滚后 40 目分样筛过滤。泥浆体系 污染前渗透率； m210-3 污染后渗透率 m210-3 渗透率恢复值； % 备注高 钙 盐体系 0.887 0.853 96.2饱和盐水井浆 0.656 0.514
15、78.3实验所用岩心为胡 108 井天然岩心。经现场检测，井场水的 Ca2+浓度 1600mg/l，Cl -浓度 23000mg/l，过去二开配置泥浆用水均为其他地淡水，为节约淡水费用、提高钻井液的抑制性，二开实际采用了高钙盐钾基钻井液体系。下面主要介绍各井段应用情况。（1）二开维护处理方法用一开井浆钻水泥塞，钻水泥塞过程中加入适量 Na2CO3清除多余的 Ca2+，保持 Ca2+浓度在 1000-1400mg/l，钻完水泥塞后补充部分新浆，聚合物水溶胶液，聚合物以抗钙抗盐的大、中分子为主，调整性能至设计范围进行二开。高钙盐钻井液体系具有经济环保性，在以后的胶液配制中可以直接使用井场水，节约拉
16、水费用。特别注意配制预水化膨润土浆必须用淡水并加一定数量的护胶剂以提高胶体的稳定性。由于高钙盐泥浆中含有较高浓度的钙离子和氯离子，选用处理剂时要以抗钙、抗盐的泥浆材料为主，在 3000 米以前，由于井底温度不高，可适当选用如铵盐、FST518 等产品，本井日常维护配方有两种：一是：现场盐水0.1-0.3%CPS2000+0.2-0.4%DBF-2+ 0.5-0.8%NH4PAN+0.2-0.4%AOP-1，二是：现场盐水0.3-0.8%SIOP-E+0.3-0.6%KPAM+ 0.5-0.8%FST518+1-2%KCl，主要作用是提高钻井液的抑制性和造壁性，保持钻井液较低的失水和粘切。在井深
17、 2600 米以前地层造浆性强、钻速快、泥浆密度、固相含量上升快，本井段主要以提高钻井液的抑制性为主，具体做法是利用大分子聚合物的包被絮凝作用、钙盐的抑制、造壁作用和钾盐的晶格镶嵌稳定作用共同构筑了钻井液的不分散性。注意使用好固控设备，振动筛最好采用 60 目以上筛网，除砂器、除泥器、离心机钻进时使用率力争达到100%，把钻井液有害固相控制在较低范围以内，达到提高机械钻速保证井下安全的目的。该井段地层主要为胶结疏松的粉砂岩、细砂岩，地层吸水性好，易形成厚泥饼，处理主要以 DBF-2、NH 4PAN、PST-518 等为主配成稀胶溶液补量，同时加入一定数量的无机有机聚合物 SIOPE 和磺酸聚合
18、物 CPS2000，以保持钻井液的性能稳定，现场实践证明，该处理方法能使钻井液保持交好的流变性、较低的失水量和薄而韧的泥饼质量，钻井液密度一直控制在设计的下限，保证了起下钻畅通和较高的机械钻速。井深 2600 以后，地层石膏含量逐渐增多，但由于该钻井液体系为高钙盐体系，基本不存在钙污染问题（该体系曾钻穿过海参 1 井的 300 米石膏层和纯膏层，钻井液性能未受大的污染） ，至直钻穿含膏地层，钻井液性能一直保持稳定，见表 6。表 6 钻井液穿盐膏层前后性能井段m密度g/cm3粘度sFLmlPH值固含%搬含glCl-Mg/lCa2+Mg/lPVmpa.sYPPa初/终切pa2109 1.18 44
19、 9 8 8 38 20000 1400 19 3 1/32885 1.17 45 6.5 8 12 50 18000 1000 18 4.5 1/43038 1.17 43 6 8 11 50 17000 1000 18 3.5 1/3.53154 1.17 47 5.5 8 12 52 17000 1200 19 4 1/33418 1.19 42 5 8 11 54 16000 1200 18 3.5 0.5/3在白垩系上统下第三系地层岩性为泥岩与细中砂岩厚互层，下部为细中砂岩、砾状砂岩、细砾岩与泥质粉砂岩、泥岩互层砂岩，地层吸水性极强，邻井调研资料显示短起频繁，短起下阻卡严重，T115
20、 井由于采取了以上措施，使泥岩吸水膨胀减缓，沙岩形成优质泥饼，在施工中短起下作业次数明显减少，起下钻畅通，仪表显示最大摩阻不超过 20吨。整个二开钻进，钻井液性能一直比较稳定，性能未出现大的波动（见表 9） ，该体系维护处理简单，防塌效果明显，平均井径扩大率仅为 1.2%，最大井斜 1%，井身质量达到优级标准，中完测井、固井顺利。（2）三开维护处理方法在进入三叠系前，调整胶液配方，加入磺化处理剂，维护胶液配方为：0.5-1%SIOP-E+0.3-0.5%+1%HFT301+1-2%SMP-1+1-2%SYP-1+1%CaCl2+0.5%KCl1-2%AOP-1，并逐渐提高钻井液粘切，降低钻井液
21、的高温高压失水，在进入三叠系前调整钻井液性能达到：密度：1.30g/cm 3，粘度 60S，FL：4ml， PH 值：9， HTHP：12ml， Kf:0.1，固含：15%，坂含：50mg/l，含砂：0.2%，Cl ：1500mg/l，Ca 2+：1500mg/l， PV：30mpa.s，YP：8Pa，初/终切：2/8Pa。控制较低的失水及良好的流变性能，防止砂岩缩径粘卡及泥岩的垮塌。三叠系和石炭系是本井的技术关健。该井段的泥岩、泥岩互层的遇水膨胀后垮塌，在进入该地层时，加足 AOP1、SYP1、SMP1、HFT301，为保护油气层，加重材料使用BYJ1 或 BGH1。其中 AOP1 为有机聚
22、合铝复合材料，在 PH 为 9 时以液态存在，当它渗入地层后，PH 降低，变为固态胶结物质，可以和地层粘接在一起形成整体护壁作用的封堵层，多元醇也能在钙离子存在的情况下在井壁或近井壁形成不渗透膜，阻止了液体压力向地层传递，从而提高了井壁的稳定性。加强对钻井液的滤液分析、作好小型试验，根据实际情况及时调整泥浆的流型，改善泥饼质量，在配制胶液时按配方浓度补充 Ca2+，室内研究证明，要保持高钙盐体系良好的防塌性能，钻井液中 Ca2+浓度应在 15003000mg/l，K 浓度应在 3%左右，AOP1 浓度应在 23%，SYP1 浓度应在 2%左右，PH 值控制在 9 左右，加密测量钻井液性能，注意
23、控制好泥浆的滤失量。进入三叠系中、下部钻进时有泥页岩剥蚀掉块出现，主要是硬脆性泥页岩力学不稳定造成的，再加上钻具碰撞，要从根本上解决应力不稳问题因素，我们采用了两种方法，一是提高钻井液密度，要求达到设计的上限；1.30g/cm 3，第二加强了化学防塌，提高钻井液的化学封堵能力，加足聚合铝防塌剂 AOP1，依靠 AOP1 和多元醇在钙离子的作用下形成井壁封固层，堵塞泥页中的微裂缝，提高井壁抗压差能力，达到平衡地层压力的目的，通过以上措施，在实钻过程中、刚钻开地层时有少量掉块，在以后的钻进和起下钻过程，掉块逐渐变少，完井电测资料显示井径规则，井径扩大率对比见表 7。表 7 T115 井三开井径扩大
24、率与邻井对比井号 T115 S96 TK216 TK218石炭系平均井径扩大率，% 5.6 32.87 9.15 17.1三开全井平均井径扩大率% 4.25 41.68 4.42 2.3整个三开钻进过程中钻井液性能一直比较稳定，未出现大的波动（见表 11） ，该体系维护处理简单，防塌效果明显，井身质量达到优级标准，中完测井、下套管、固井顺利。2、高钙盐钻井液体系在深部盐层井 T914 井的应用T914 井是一口深部含盐的评价井，该井在盐层段主要技术难点为盐层埋藏深、井眼裸眼段长、同一裸眼段存有多套压力系统，砂岩段易形成厚泥饼造成缩径、泥岩易坍塌掉块、盐层段易漏失。由于该井采用高钙盐体系，取得了
25、较好的应用效果。特别是由于该体系抗污染能力强，使得该体系在承压堵漏成功后转化饱和盐水泥浆体系简单易行。取得的主要经济技术指标17大井眼电测一次成功，全井共测井 12 次，测井一次成功率为 92。全井共进行套管作业 5 次，一次成功率为 100。三叠系易坍塌井段平均井径扩大率 6.16%，整个井段平均井径扩大率 5.18%,四开井段平均井径扩大率 4.12%。承压堵漏时间为 72 小时，欠饱和盐水钻井液体系转换时间为 36 小时。四开取芯收获率为 100；五开取芯收获率为 85。3、高钙盐体系在侧钻水平井中 1H 井的应用中 1H 井取得的主要技术指标:试验井段平均井径扩大率为 13.64与原井
26、对比降低 68%试验井段电测一次成功率为 100试验井段套管作业成功率为 100试验井段起下钻顺利无阻卡现象，因泥浆原因造成的事故损失时间为零。4、高钙盐钻井液在 T759 井的应用取得的主要技术指标:高钙盐泥浆使用井段裸眼段长 3561 米电测、套管作业一次成功。三开使用高钙盐体系，三叠系、石炭系等易塌段平均井径扩大率为；1.78。四开欠饱和盐水泥浆体系转换仅用了 23 小时，比其它泥浆体系转换节约两天以上。5、高钙盐钻井液在西部地区其井的成功应用解决了山前构造井桑株 1 井的二开井段石膏污染问题和三开碳酸根污染造成的井下复杂；解决了中石化西南分公司毛开 1 井的长段石膏污染问题等。6、高钙
27、盐(钾钙基)泥浆体系在高密度井官 7 井的应用官 7 井为四川盆地川南低褶带官渡构造带官中高点茅口构造一口预探井，地层古老，易漏、易塌、易斜等复杂情况同时存在，有钻遇高压、超高压油气层的可能性，本井在实钻过程中采用了钾钙盐钻井液体系解决三开膏盐层泥页岩防塌问题和高密度钻井液流变及抑制性等问题，钻井液密度达到了 2.65g/cm3,是高钙盐体系应用密度最高的一口井。四、认识与体会高钙盐钻井液体系通过在西部油田的成功应用，较好的解决了西部油田在勘探开发过程中出现的一系列技术难题，其突出特点是:1、高钙盐钻井液体系具有极强的抑制防塌能力，不仅可以解决浅层泥岩吸水缩径和砂岩段厚泥饼缩径等问题，而且对于
28、深部泥页岩（三叠、二叠系、石炭系）剥蚀掉块夸塌问题有明显效果，电测资料显示井径比较规则，有利于完井下套管固井作业。2、高钙盐体系中解决了由于钙等高价金属离子对处理剂的不良影响、使其具有抗高温、抗盐、抗钙能力，满足了各种井下施工要求,使该体系具有较强的防塌能力同时,兼顾了泥浆的其他性能。3、高钙盐钻井液体系转化、处理、维护操作简单易行，特别是在盐下钻井中，简化了欠饱和泥浆体系转换工艺，缩短了转换时间、提高了经济效益。4、高钙盐钻井液体系泥浆排放量少、可以直接利用井场水配浆，成本低、环保性能好。5、高钙盐钻井液体系具有较强的抗污染能力，其在石膏等钙污染和高温等双重作用下，性能仍然保持稳定，抑制性强，该体系在西部高矿化度地层及海相地层钻探的具有广阔的应用前景。作者简介：张辉，高级工程师，钻井院油田化学技术研究所。通讯地址：河南濮阳市中原东路 59 号 邮 编：457001电 话：0393-4899548 13199725230
