垦利东兴地区深层卤水普查井钻井技术

王勇军，赵长亮，张明德，郑宇轩

(山东省鲁北地质工程勘察院，山东德州253017)

1 项目来源

2012年我院与山东大学合作，参与国家高技术研究发展计划(863计划)黄河三角洲深层卤水高效开采关键技术项目，2012年9月山东省国土资源厅以《关于下达2012年度省地质勘查项目计划的通知》(鲁国土资发［2012］112号)文批准开展“山东省垦利县东兴地区开展深层地下卤水资源普查”工作，并以鲁勘字［2012］48号文下达到我院，我院承担该勘探井施工任务。

2 工程概况

2．1 地理位置

工作区位于山东省东营市垦利县东南10 km东兴地区，南与东营城区相连、东通东营机场、面积30.67 km2，拐点极值坐标为东经 118°38'30″～118°43'00″，北纬 37°30'30″～37°33'00″，区内地理位置优越，交通网络四通八达，交通便利。

2．2 地质概况

工作区在大地构造单元上属华北陆块、华北拗陷、济阳坳陷区、东营潜断陷、东营凹陷(潜)的次级构造单元——民丰洼陷范围内，北以北部陡坡带相接，南以辛镇构造带毗邻、东以青城子凸起为邻、西与利津洼陷相通。深层卤水赋存在古近纪始新世—渐新世的湖相沉积物中，赋存层位为古近纪沙河街组三段和四段，卤水层岩性为砂岩、粉砂岩、含砾砂岩、粗砂岩、细砂岩等，卤水层埋深2000～2500 m，卤水层累计厚度约200～300 m，卤水层涌水量300～400 m3/d。从上至下地层依次为:第四系平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组。

2．3 钻探技术要求

(1)设计孔深:2500 m。

(2)设计完钻层位:沙河街组三段。

(3)孔斜要求:百米孔斜 ＜1°，0～1000 m 孔斜＜3°，终孔孔斜 ＜5°。

(4)设计取水段:1914～2490 m(沙河街二段、沙河街三段上)。

(5)止水方法:1900 m处橡胶伞止水，上部采用水泥戴帽固井止水。

3 钻孔设计及钻探设备

3．1 井身结构及钻具组合

根据钻探技术要求，结合工区地质资料及我单位在该地区多年施工的经验，为实现安全高效钻进，本井设计为二开结构，井身结构及钻具组合见表1。

表1 井身结构及钻具组合

3．2 钻探设备

工程所使用主要钻探设备见表2。

表2 主要钻井设备

4 主要工艺技术措施

4．1 钻头及钻进参数

充分分析工区的地质资料，结合我单位多年来在东营地区地热井钻井施工的经验，为了实现高效钻进的目标，钻头及钻进参数见表3。

表3 钻头及钻进参数

4．2 钻井液设计

4．2．1 钻井液性能参数

结合本工程的特点、地区地层资料及我单位在该地区钻井施工经验，我们分井段设计了钻井液，钻井液性能参数见表4。

4．2．2 钻井液基本配方

施工使用钻井液配方见表5。

4．2．3 钻井液处理及维护

(1)开钻前选用优质膨润土配制钻井液，预水化24 h，并加入一定量的CMC碱液、腐植酸钾调节钻井液性能［1］，由于表层多为粉砂、粉土等地层，造浆性能差，钻孔孔径又较大，所以在表层钻进中要加强钻井液的除砂工作，同时要适当地补充配制好的预水化膨润土钻井液，提高钻井液的携带能力。

表4 钻井液性能参数

表5 钻井液基本配方

(2)二开钻开表层套管固井水泥塞后，首先添加 NaCHO3及 Na2H2P2O7进行除钙处理［8］，同时加强机械除砂工作，除钙工作结束后，加入一定量的预水化膨润土钻井液，并加入火碱、CMC、腐植酸钾、水解聚丙烯晴铵盐及磺化沥青调节钻井液的性能至设计值，钻进过程中及时补充浓度为1%的处理剂溶液，同时加强机械除砂工作，维护钻井液的性能。

(3)钻进至1600 m后，首先向钻井液中加入一定量的抗盐共聚物，然后加入盐、加入一定量的火碱及铁铬盐调节钻井液的pH值和粘度，最后加入降失水剂调节钻井液失水量［3］，所有处理剂均配制成水溶液，再加入钻井液中，搅拌均匀。

(4)钻进至1900 m后，逐渐向钻井液中加入抗盐共聚物、盐、铁铬盐、淀粉、重结晶抑制剂火碱、磺化沥青、腐植酸钾、水解聚丙烯晴铵盐等处理剂调节钻井液性能至设计值［9］，钻进中及时补充浓度为1%的处理剂溶液，维持钻井液性能。

4．3 完井及洗井

完井:根据石油部门在该地区的经验结合本工程的实际情况，本井采用钻孔筛管衬网完井。

洗井:首先采用高压水流喷射冲洗，然后采用空压机洗井，最后采用深井泵抽水洗井的联合洗井方案。

5 施工中遇到问题及处理方案

5．1 石膏污染淡水钻井液

5．1．1 问题

施工至1150 m时钻井液开始变稠、失水量增加、泥饼增厚、pH值下降，返出岩屑中可见白色石膏痕迹，上提钻具27 m后遇阻，逐根开泵划眼上提至1050 m后，阻力减小，后采用反复上提下放的方式将钻柱提出，起钻后下钻至1050 m再次遇阻。现场分析为地层含有石膏，污染钻井液造成钻井液性能变差，失水量大增，含石膏地层缩经垮塌造成起下钻遇阻。

5．1．2 处理措施

现场分析决定调整钻井液性能，采用铁铬盐降低钻井液粘度，使用CMC、腐植酸钾、水解聚丙烯晴铵盐、磺化沥青降低钻井液失水量、改善滤饼质量，使用火碱调节钻井液pH值。处理剂配比为:2%铁铬盐+1%CMC(低粘)+1%磺化沥青+2%腐植酸钾+1%水解聚丙烯晴铵盐+0.5%火碱。调节后钻井液性能为:粘度42 s、密度1.18 g/cm3、失水量6 mL/30 min、pH值9、滤饼厚度1.0 mm。下钻扫孔顺利通过，至1150 m正常钻进，同时加密短起次数，每钻进16 h短起一次，连续短起两次后，起下钻再无阻力。后续钻进中使用铁铬盐、CMC、磺化沥青、腐植酸钾、水解聚丙烯晴铵盐、火碱，按 2∶4∶2∶8∶4∶1的比例配制成浓度为2%的水溶液，以细水长流的方式加入钻井液中［7］。

钻进至1600 m转换成低浓度盐水钻井液时再无同类事故发生，后续使用欠饱和盐水钻井液钻进的过程中也再未出现过此类现象，膏泥岩地层缩径垮塌的问题得到很好的解决。

5．2 钻井液起泡影响循环

5．2．1 问题

在钻进至1600 m将淡水钻井液转换为低浓度盐水钻井液后，钻进中返出钻井液中出现大量气泡，并伴有油气显示，影响钻井液的流动，地面设备泵送困难，影响钻井液的循环。经现场综合分析出现大量气泡的原因为:(1)地层中油气侵入钻井液中产生气泡;(2)盐的加入使钻井液中产生了气泡;(3)在地层油气及盐的影响下，钻井液pH值降低，钻井液中的铁铬盐在低碱的环境中起发泡［2］。

5．2．2 处理措施

现场分析后决定采用2项措施:(1)提高钻井液的pH值(由原来的8提高至10.5);(2)使用消泡剂消泡。

经处理后钻井液中虽然还含有气泡，但已不影响地面设备的泵送，钻进至1750 m后，钻井液中气泡逐渐减少，直至到终孔再未出现钻井液起泡过多影响施工的现象。

5．3 沙河街组泥岩进尺缓慢

5．3．1 问题

钻进至1800～1819.5 m井段进尺缓慢，平均进尺仅为0.57 m/h，无憋钻、跳钻现象，上返岩屑颗粒极小，岩性为深灰色泥岩，起钻检查钻头，钻头完好。

经现场综合分析认为进尺缓慢的原因为深层泥岩地层塑性、研磨性较强，现使用钻头不能有效地刻取岩石颗粒，进而进尺缓慢。而现所使用的三翼PDC钻头复合片较大，不适应塑性、研磨性高的沙河街组泥岩地层。

5．3．2 处理措施

改用吉林大学研制的仿生PDC钻头，其利用仿生非光滑技术把土壤动物的体表非光滑形态应用到PDC复合片结构设计上，以此来减轻PDC复合片切削的粘附性、改善PDC排屑环境、降低PDC复合片的摩擦阻力、提高PDC复合片的寿命和切削率(见图1)［5］。钻头的布齿结构采用了奇偶齿交错分布的设计，奇齿切削出岩石的峰和谷正好被偶齿的谷和峰所切削，从而增加岩石的体积破碎。在松原油页岩矿区对研制的PDC仿生爪趾钻头进行了钻进试验，结果表明在夹有白云岩的致密性泥页岩地层，PDC仿生爪趾钻头钻进效率较高，平均机械钻速为2.82 m/h［4］。同时对钻进参数进行了修改，适当调低了钻进压力(4～6 kN)、提高钻进速度(采用最高转速144 r/min)［6］，加强固相控制工作，降低钻井液的密度(由1.30 g/cm3降低到1.25 g/cm3)。

图1 仿生PDC钻头

调整后钻进速度有所提高，在此类泥岩地层平均进尺达到0.86 m/h，至2500 m终孔，时有孔段进尺缓慢，泥岩地层进尺缓慢的问题仍未得到很好的解决。

2013年11月该井顺利钻进至设计孔深2500 m，终孔。

6 结语

(1)本工程采用二开成井井身结构，优化钻进参数、钻井液性能，有效地规避了风险、提高了钻井效率。

(2)钻井过程中使用铁铬盐、腐植酸钾、CMC、磺化沥青、火碱等处理剂配制的钻井液有效解决了含石膏泥岩地层钻进问题，使用欠饱和盐水钻井液顺利地通过了储层。

(3)通过优选钻头类型，一定程度上提高了在深部泥岩地层的钻进速度。

(4)今后还要加强对不同地层钻头类型选择、钻井液的研究，解决深层泥岩钻进速度慢的问题，使钻井效率得到进一步提高。

［1］ 武汉地质学院，等．钻探工艺学中册［M］．湖北武汉:地质出版社，1981．

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［3］ 中 国石油勘探与生产分公司工程技术与监督处．钻井监督［M］．北京:石油工业出版社，2003:35－39．

［4］ 刘 婧，高科，徐小健，等．新型仿生PDC齿高效切削机理及试验研究［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2013，40(12):6 －7．

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［6］ 景 龙，徐树，常林祯，等．沧州深部盐矿钻探施工关键技术探讨［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2013，40(5):10 －12．

［7］ 王 勇军，赵长亮，郑宇轩，等．牛热四井膏泥岩钻井液技术［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2011，38(3):33 －34．

［8］ 张 正，张统得．钻井液水泥钙侵问题分析与处理技术研究［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2013，40(3):33 －34．

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