第六章高密度饱和盐水钻井液

—154—第六章高密度饱和盐水钻井液技术第一节高密度饱和盐水钻井液概述一、饱和盐水钻井液的作用和发展概况凡NaCl含量超过1%（质量分数，Cl-含量约为6000mg/l）的钻井液统称为盐水钻井液。一般将其分为以下三种类型：（一）欠饱和盐水钻井液其Cl-含量自6000mg/l直至饱和之前均属于此类。（二）和盐水钻井液是指含盐量达到饱和，即常温下NaCl浓度为3.15×105mg/l（Cl-含量为1.89×105mg/l）左右的钻井液。注意NaCl溶解度随温度变化而变化。（三）海水钻井液是指用海水配制而成的含盐钻井液。体系中不仅含有约3×104mg/l的NaCl，还含有一定量的Ca2+和Mg2+。根据含盐量的多少，在国外出版的专著中又将盐水钻井液分为以下几种类型：含盐量在1%~2%时为微咸水钻井液，在2%~4%时为海水钻井液，在4%与近饱和之间时为非饱和盐水钻井液，在含盐量达最大值31.5%时则被称为饱和盐水钻井液。如前所述，为了防止盐膏层发生塑性变形和盐溶而造成缩径或井塌等复杂情况的发生，—155—提高所用钻井液的密度是非常有效和必要的，这一点已被国内外盐膏层钻井的实践所证实。例如，华北油田新家4井使用油包水乳化钻井液钻3630~4518m的盐膏层井段，当钻井液密度为1.90~1.95g/cm3时，在盐岩或含盐膏泥岩处，起下钻均会遇阻。而钻井液密度提高至2.03~2.04g/cm3时，井下情况正常，下钻仅轻微遇阻，不需划眼就可通过。因此，为保证安全顺利钻穿盐膏层，必须提高钻井液密度至能够控制盐岩蠕变和塑性变形所需范围。所需密度应根据井深、井温及盐岩蠕变规律来确定，同时还要根据已钻井实际资料和岩心实测试验数据来进行修正，钻井过程中还需根据该井段的实际情况随时进行调整，以确保钻井作业的顺利进行。钻井液密度的具体确定方法和应用图版已在第四、五章详细介绍过，在此不再赘述。一般情况下，盐的溶解是造成盐膏层钻井过程中各种井下复杂情况的主要原因。因此，要想顺利钻穿盐膏层，就必须采取有效的措施以控制盐的溶解速率。当钻遇盐岩层、盐膏层或盐膏与泥页岩互层时，盐的溶解会使钻井液的粘度、切力上升，滤失量剧增，因此会进一步增加盐膏层钻井的难度。若在钻井液中预先加入工业食盐，可使水基钻井液具有更强的抗盐能力和抑制性。由于饱和盐水钻井液矿化度极高，因此抗污染能力强，对地层中粘土的水化膨胀和分散有极强的抑制作用。钻遇盐膏层时，由于体系中的盐已达饱和，使盐的溶解受到抑制，因此可使盐膏层中盐的溶解减至最小程度，避免大肚子井眼的形成和井塌等复杂情况的发生，从而使井眼规则，确保钻井过程的顺利进行。在20世纪80年代中期，我国就研究成功饱和盐水钻井液体系，使其顺利钻进盐膏层，基本解决了盐膏层的盐溶、缩径、井塌及卡钻等井下复杂情况。因此，现已形成了较成熟的饱和盐水钻井液体系和针对不同地层的饱和盐水钻井液配方。如胜利油田在新东风10井使用聚合物复合钾盐饱和盐水钻井液顺利通过含盐膏的红层，钻达5344.71m；青海油田在狮20井使用新型的三磺饱和盐水钻井液钻进；中原油田使用了磺化沥青三磺盐水钻井液钻进。这些井的钻井实践表明，只要根据地层实际情况对饱和盐水钻井液的配方进行适当调整，就可以顺利钻穿盐膏层。对于高密度饱和盐水钻井液体系，不仅能尽可能减少盐岩的溶解，而且由于其“高密度”（2.0~2.5g/cm3），因此可以有效控制盐岩的蠕变和塑性变形，从而解决了盐膏层两大主要原因引起的复杂情况。同时由于体系中加入了抗盐、抗高温和强抑制性的处理剂，如磺化酚醛树脂、氯化钾和硅酸盐等，因此可以保证井壁稳定，并可在深井和超深井中使用。—156—二、盐的重结晶及其预防措施值得注意的是，盐的溶解度会随温度上升而有所增加（见表6-1-1）。因此在地面配制的饱和盐水钻井液，当循环到井底时就变得不饱和了，而当循环至地面时又会发生盐的重结晶。这样，使用饱和盐水钻井液钻进对下部盐膏层仍会因盐溶而带来各种井下复杂情况，而盐的重结晶会给钻井工作带来困难，还会增加泵压、磨损钻具和泵的部件。此外，如在大段裸眼盐层中钻进时，盐的重结晶会使上部盐层缩径，造成起下钻遇阻卡。例如江汉油田的王深二井，表层套管下至366m，裸眼钻至5163m。该井从900m就进入盐层，全井共钻穿纯盐层1925m，当钻深部井段时，起下钻经常在2000~3400m盐层处遇阻卡。上下活动钻具比原悬重增减10~30t，因缩径，下钻时钻头受很大测向力，钻头在最薄处产生裂缝，新钻头下钻至井底没有钻进，起钻后就发现钻头直径缩小8mm。此井段在刚钻穿时，电测井径均大于钻头直径，但钻深部井段时，曾多次对上部盐层进行测井，发现盐层段井径一次小于一次，后来竟小于钻头直径，但泥岩井径变化不大，而在3400~3900m井段的盐层，井径扩大。上述上部盐层由钻开时的扩径，随时间推移而变为缩径，主要是由于盐的重结晶引起的。此外，盐层本身塑性变形随时间增长而增大亦会造成缩径。目前，用于抑制盐的重结晶比较有效的方法就是在钻井液中加入适量盐重结晶抑制剂，这样就可以配制在井下高温条件下处于饱和状态的钻井液，而上返至地面时，随温度下降，盐也不会从钻井液中结晶出来，从而解决了上部钻杆、接头及地面循环系统中因重结晶盐粒造成的泵压增加、钻具磨损带来的操作困难。由于井底的盐处于饱和状态而使盐溶解度减小，因此在饱和盐水钻井液中加入重结晶抑制剂使其成为过饱和盐水钻井液是非常必要的。另外，配制饱和盐水钻井液时最好选用抗盐粘土，但含量不宜太高。其配制和维护技术将在本章第三节详细介绍。表6-1-1几种无机盐在不同温度下的溶解度溶解度，温度，g/100ml℃盐类20406080100CaCl274.5115.0136.8147.0159.0—157—NaCl36.036.637.338.439.8KCl34.040.645.551.156.7MgCl254.2557.560.7168.8772.7三、高密度饱和盐水钻井液的类型、特点和应用范围各油田在钻井实践中，已应用成功4种典型的高密度饱和盐水钻井液体系，即聚合物饱和盐水钻井液、氯化钾聚磺饱和盐水钻井液、氯化钠/氯化钾过饱和盐水钻井液和复合饱和盐聚合醇硅酸盐钻井液。尽管它们组成有所不同，但它们都具有以下特点：1．由于矿化度极高，因此具有很强的抑制性，能有效抑制泥页岩水化，保证井壁稳定；2．不仅具有很强的抗盐侵的能力，而且能够有效地抗钙侵和抗高温，适于钻穿大段盐膏层，并可在深井和超深井中使用；3．由于其滤液性质与地层原生水比较接近，因此对油气层的损害较小；4．饱和盐水钻井液还能有效地抑制地层造浆，流动性好，性能稳定。因此，高密度饱和盐水钻井液适于钻穿埋藏较深、厚度较大的大段深、厚盐层及岩性复杂的复合盐膏层。但由于该体系矿化度高，对钻具腐蚀性较大，维护工艺较复杂，耗盐量大导致配制成本较高，因此在一定程度上限制了它的广泛使用。但总的来说，高密度饱和盐水钻井液是钻进复合盐层和深层大段纯盐层的理想钻井液体系，可以在欠饱和盐水钻井液无法对付的盐膏层中使用。—158—第二节高密度饱和盐水钻井液体系设计和主要技术指标一、高密度饱和盐水钻井液的设计原则盐膏层对钻井液体系的选择和使用提出了非常严格的要求，因此高密度饱和盐水钻井液体系设计应遵循以下原则：1．盐侵、抗高温，能有效抑制盐溶和水敏性地层水化膨胀，以保证井眼和钻井液性能的稳定；2．高温条件下，钻井液仍能保持良好的流变性能；3．具有良好的防塌性、润滑性，并对岩屑具有较好的悬浮和携带能力；4．具有抗高压、抗低渗含盐量较低的地层水污染的能力和抑制钻井液中盐重结晶的能力；5．高温高压下仍具有较低的滤失量，能形成薄而韧、压缩性好的泥饼。二、高密度饱和盐水钻井液的组成高密度饱和盐水钻井液一般主要由以下组分组成：—159—（一）膨润土或抗盐土主要用来提高饱和盐水钻井液的塑性粘度和动切力。一般情况下，钻井液中膨润土含量应控制在25~50g/l。如膨润土含量过低，则钻井液切力低，影响岩屑的携带与加重剂的悬浮；而膨润土含量过高则钻井液粘切过大，性能不稳定。钻井液中最佳膨润土含量应随钻井液密度与温度增高而下降。由于膨润土在盐水中不易水化，故应先将膨润土在淡水中进行预水化，然后再加盐或加到盐水钻井液中。而抗盐土可以直接加到盐水或饱和盐水钻井液中，但必须使用剪切枪使抗盐土在水中充分分散。（二）盐类一般选用氯化钠。在特殊情况下，亦选用氯化钾与氯化钠进行复配。对于石膏含量较高的地层，亦可选用硫酸胺，利用同离子效应来控制Ca2+对钻井液性能的不良影响。（三）护胶剂与降滤失剂通常选用野生植物胶、生物聚合物、羧甲基纤维素、预胶化淀粉、羧甲基淀粉、聚丙烯酸盐类（如水解聚丙烯腈、水解聚丙烯酰胺、PAC141、SK1104等）来使钻井液流变参数与滤失量达到钻井工程的要求。使用时，处理剂数量必须加足，才能保证性能稳定。上述处理剂抗温能力不同，因此需依据所钻井最高井底温度来选用护胶剂和降滤失剂，以确保在高温下仍具有良好的性能。钻进深部盐膏层时，为了降低高温高压滤失量，可加入磺化度高的磺化酚醛树脂或SPNH、SLSP等。（四）降粘剂对于未加重的饱和盐水钻井液，只要控制好膨润土含量，加足护胶剂和降滤失剂，通常不需要降粘剂。但对于加重的饱和盐水钻井液，尤其当密度大于1.8g/cm3时，若膨润土含量过高，则往往需要加入饱和盐水以降低土含量，并加入降粘剂来调整流变参数。常用的降粘剂有铁铬木质素磺酸盐、磺化单宁、SK-3、XB-40、XY-27以及水解聚丙烯腈的盐类等。—160—（五）流型调整剂饱和盐水钻井液往往动切力低，携带岩屑能力较差。可加入1%~2.5%改性石棉或海泡石。海泡石应预先配成10%预水化浆再加入井浆中。在高密度饱和盐水钻井液中加入改性石棉或海泡石之后的性能变化情况见表6-2。从表中数据可见，加入这两种流型调整剂以后，动塑比明显增加。表6-2-1饱和盐水钻井液加入改性石棉或海泡石后的性能变化钻井液处理情况钻井液性能密度g/cm3漏斗粘度s塑性粘度mPa·s动切力Pa王西新7-4井浆（井深1518.75m）1.31526.5142加入改性石棉，2%1.3329.3155广1-8井井浆（井深2704m）1.3240287加入海泡石浆1.34643211（六）磺化沥青类产品对于层理裂隙发育的复合盐膏泥页岩层，为了防止井塌，可加入1%~2%的磺化沥青来封堵泥页岩的层理与裂隙。（七）烧碱与纯碱根据所选用处理剂的需要，可用纯碱除钙，用烧碱调整pH值。（八）润滑剂为了改善钻井液的润滑性能，应加入适量的润滑剂或原油、柴油等。—161—（九）重结晶抑制剂为了抑制深井段因盐岩溶解而引起井径扩大，并避免出现井下复杂情况以及防止盐的重结晶，可在饱和盐水钻井液中加入适量的重结晶抑制剂，使其成为过饱和盐水钻井液。常用的重结晶抑制剂有氮—三乙酰胺、亚铁氰化钠、亚铁氰化钾、氯化镉和NTA。其中NTA是一种合成的氮氚三乙酰胺的衍生物盐抑制剂，除了具有抑制盐重结晶的作用外，还能提高钻井液的热稳定性，使滤失量略有下降，对钻井液流变性能影响不大，其加量一般为0.2%~0.4%（见表6-2-2）。表6-2-2NTA对钻井液性能的影响钻井液类型NTA加量，%Cl-浓度，104mg/l钻井液性能塑性粘度，mPa·s动切力，PaAPI滤失量，mlCMC-FCLS饱和盐水钻井液017.5732470.219.833656.8PAC141-143饱和盐水钻井液017.5375155.80.220.4567105.6实验表明，NTA不仅在饱和盐水钻井液中具有较好的抑制效果，而且在欠饱和盐水钻井液中亦能起到抑制盐的溶解的作用（见表6-2-3）。表6-2-3NTA抑制盐溶情况NTA加量，%原浆中[Cl–]，mg/l加入盐量，g浸泡24h后未被溶解的盐量，g溶解率，%01346294.670.2195.50.21346294.300.7582.60.41346294.211.1672.4—162—NTA不仅在过饱和NaCl溶液中具有抑制重结晶的作用，而且在含有Ca2+、Mg2+的过饱和复合盐溶液