顺北区块抗突发性盐水钻井液体系的室内研究

李秀灵，李 琼，邱春阳，郑成胜，赵怀珍

(中石化胜利石油工程公司 钻井工艺研究院，山东 东营 257000)

顺北区块古生界志留系地层埋深5 300～6 900 m，包括塔塔埃尔塔格组和柯坪塔格组，由于地质构造运动强烈，断裂带附近缝网发育，且深层存在高压盐水层[1]，钻井液安全密度窗口窄，井漏严重且高发。其中漏失层位主要发生在塔塔埃尔塔格组和与柯坪塔格组的交界面处，塔塔埃尔塔格组地层温度超过140 ℃，是防漏堵漏的重点井段，柯坪塔格组漏失相对较少。而柯坪塔格组底部存在高压盐水且井间差异较大，压稳盐水层提高钻井液密度后，直接导致上部易漏失井段裂缝重新张开或诱发新的裂缝，其中5号断裂带南部顺北5-5H、顺北5-6和顺北52X井出现了20次以上的频繁井漏和出盐水并存的复杂情况[2-3]。对已施工井进行统计分析表明：顺北油气田志留系存在漏失和出盐水的矛盾，志留系井漏发生既有地层破碎、天然裂缝发育的原因，又因为地层承压能力弱，易受压力波动或过高的钻井液密度影响产生的诱导裂缝性漏失情况。部分井遭遇突发高压盐水层后，盐水矿化度高，导致现场施工的钻井液体系严重污染，性能失稳，滤失量和流变性失控，加重剂严重沉降，导致钻井液密度变化明显，加剧地层漏失。因此本研究通过构建一套针对志留系抗突发性盐水污染的钻井液体系，实现更好的钻井液稳定性和抗污染效果，确保钻井液在高矿化度盐水的污染下，性能稳定，减少由于地层盐水污染导致的其他复杂情况，从而助力于顺北工区钻井提速提效。

1 钻井液技术难点分析

顺北区块志留系在钻井过程中所遇到技术挑战主要有以下几方面：1)地层温度高，要求钻井液具有较好的抗高温性能；2)钻遇高压盐水层对钻井液抗钙性能和井壁稳定提出更高要求；3)漏失现象严重，需要进一步地增强钻井液的封堵性；4)地层存在多套压力系统，包括浅层气和高压盐水层，这就需要对钻井液的密度进行进一步的调整。基于以上难点，通过对顺北区块钻井液体系展开了一系列的研究，形成适合本区块钻遇突发性盐水钻井的钻井液体系，这对于顺北区块安全高效的勘探开发，具有十分重要的意义。

2 钻井液对策和思路

1)合理控制钻井液密度。在加强封固及阻缓孔隙压力传递的前提下，适当提高钻井液密度，以提高钻井液液柱压力对井壁的力学支撑作用，保持井壁力学稳定[4]。

2)提高钻井液抗污染能力。要求选用的钻井液抗污染能力强，在钻遇突发盐水层时，较好地控制流变性波动，保持体系性能稳定。

2)强化封堵性。由于志留系地层漏失，要求钻井液具有良好的随钻堵漏防漏能力，通过合理的粒度级配，使钻井液在近井壁处形成一层致密封堵层，阻缓钻井液滤液侵入，维护井壁稳定。

3 关键处理剂的优选

根据顺北区块志留系地层的特点和技术对策分析，优选关键处理剂：降滤失剂、封堵剂、钙离子控制剂等，提高钻井液抗温能力、抗污染能力、降低滤失。通过随钻堵漏材料、成膜封堵剂、纳米乳液等，增强钻井液的封堵能力，使形成的钻井液具有较强的封堵性。

根据顺北区块志留系地层特点，针对地层突发性盐水，含有高浓度盐、二价盐存在下，易造成钻井液性能恶化的情况，结合“多元协同”井壁稳定基本理论，提高钻井液的抗盐抗钙性能，优化钻井液方案，形成抗突发性盐水钻井液体系。

3.1 引入梳基聚合物降滤失剂降低滤失量

利用梳型聚合物[5]与常见抗盐降滤失剂具有不同的分子结构和作用机理，使其分子链在水溶液中排列成梳子形状，增大聚合物分子链的刚性和分子结构的规整性，提高在高盐、高二价离子条件下的抗温能力和降滤失效果，改善钻井液滤饼的结构形成致密低渗的滤饼,减少滤饼的渗透性，从而降低失水。

与具有代表性的抗高温抗钙降滤失剂Driscal-D、PFL-L进行性能对比，结果见表1。从表1可以看出，在含有高钙盐水基浆中加入3%降滤失剂后，DMP-2的热稳定性好，黏度效应小、抗盐抗钙性能较好，而Driscal-D、PFL-L增黏明显，老化后起泡严重，且不易消除。

表1 两种降滤失剂性能对比

3.2 复配增黏剂增强抗温抗盐性

将磺酸盐共聚物DSP与低黏LV-PAV进行复配，利用磺酸盐共聚物中的磺酸根基团对盐极不敏感，而且在高温环境下时，磺酸基可吸附在黏土颗粒表面形成较厚的水化膜，减小了自由水的含量。DSP与LV-PAV复配增黏剂当吸附在黏土颗粒表面后，在受到Ca和Na污染时有效地阻止黏土颗粒出现聚结现象，有助于保持钻井液的稳定性[6]。在含有高钙盐水基浆中分别加入DSP、LV-PAC以及一定配比的DSP+LV-PAC，考察其在高钙盐水中的抗温性，结果见表2。

表2 DCP-1与LV-PAC复配抗盐效果

从表2中数据可知，DSP与LV-PAV复配使用，能够提高二者在高钙盐水中的抗温性和降滤失效果，经过150 ℃热滚24 h后，体系黏度变化不大。

3.3 引入硫酸钠作为钙离子控制剂

从图1中数据来看，在4%土+20%NaCl+3%CaCl2高钙盐水基浆中加入Na2SO4，随着加量增大，游离的Ca2-含量逐渐减少，老化后体系Ca2-含量略大于老化前，当加量为4%时，基本达到稳定，再加大Na2SO4加量体系游离Ca2-含量变化不大，因此优选4%Na2SO4。

3.4 引入成膜封堵剂WDJ和纳米乳液提高封堵性

通过随钻堵漏材料、成膜封堵剂、纳米乳液、超细碳酸钙等多种封堵材料的配合，使之在近井壁形成一层致密封堵层，阻缓钻井液滤液侵入，有效提高钻井液封堵性，增强体系的随钻暂堵能力。

其中成膜封堵WDJ由有机聚合物、植物衍生物、金属氧化物合成制得，该处理剂具有特殊的分子结构，侧链上含有众多的磺酸根基团、胺基。胺基与黏土矿物既有吸附作用，又能够与黏土颗粒形成氢键，并且容易在井壁上形成一层不透水隔离膜。纳米乳液是一种水包油型的细小乳状液，当乳液破乳时可与井壁岩石吸附形成保护膜，其成膜特性与成膜封堵剂WDJ相结合，形成双膜效应，可有效维护裂缝性地层的井壁稳定。

配制3%成膜封堵剂WDJ+2%纳米乳液(配方1)，加到滤纸表面，进行抽滤，抽滤半小时后，取出滤纸。采用扫描电镜法，分析滤纸表面的变化情况，如图2所示。配方1在滤纸表面观察到良好的成膜封堵结构。

4 钻井液性能评价

在优选出梳型聚合物降滤失剂、钙离子控制剂和复配增黏剂的基础上，同时引入抗高温改性淀粉、SMP-2、SPNH等，增强抗盐性，使之具有很好的滤失造壁性，引入成膜封堵剂、纳米乳液等提高钻井液封堵性，引入无机+有机(KC1+聚胺)的组合抑制剂方案，进一步强化钻井液抑制性能，优化钻井液性能，最终形成了抗污染能力较强的抗突发性盐水钻井液体系。

其钻井液的基本配方为：4%膨润土+1.0%LV-PAC+0.5%DSP-1+3%梳型聚合物降滤失剂+1.5%抗高温淀粉+3%SMP-2+3%SPNH+3%成膜封堵剂+2%纳米乳液+3%随钻堵漏材料+3%复配超细+0.5%聚胺+5%KCl+6%Na2SO4。

4.1 基本性能评价

将钻井液体系分别在150 ℃恒温热滚24 h，测试其性能，结果见表3。由表3可知,该钻井液体系热稳定性好，经150 ℃热滚老化的黏度变化不大，API滤失量仅为1.8 mL，高温高压滤失量9.6 mL。

表3 抗突发性盐水钻井液体系性能评价

4.2 封堵性评价

采用fann公司生产的PPA渗透堵塞仪、北京探矿工程研究所研制的Transparent-Filter-2高温高压可视型砂床滤失仪，在测试压力3.5 MPa，温度150 ℃下，评价抗突发性盐水钻井液体系的封堵性能，结果如图3所示。该钻井液在高温高压下，30 min内滤液侵入深度≤5 cm，滤失量小于10 mL，表明其封堵效果较好。

4.3 抑制性评价

采用塔河油田顺北地区志留系柯坪塔格组地层钻屑，采用线性膨胀实验和滚动分散回收实验，评价抗突发性盐水钻井液的抑制性能，结果见图4 和图5。从图4 可知，该钻井液抑制性较好，16 h的线性膨胀高度为0.45 mm，150 ℃的滚动回收率大于90%。

地层钻屑在KCl钻井液中的线性膨胀高度为3.11 mm，而在抗突发性盐水钻井液和油基钻井液中的线性膨胀率均较低，16 h抗压抗钙钻井液的膨胀高度仅为0.52 mm，接近油基钻井液的0.31 mm，说明该钻井液具有良好的抑制泥岩水化膨胀的性能。由图5可以看出，地层钻屑在KCl钻井液中滚动回收率小于90%，在抗突发性盐水钻井液中回收率>92%，说明抗突发性盐水钻井液具有优异的抑制地层岩屑水化分散的性能。

4.4 体系稳定性

在基本配方基础上用重晶石进行加重，然后测其流变性能和密度，实验结果如表4。

表4 体系的加重稳定性

从表5中数据可以看出：从1.02 g/cm3加重至1.75 g/cm3，24 h钻井液上下密度差小于0.01 g/cm3，说明该体系加重至1.75 g/cm3仍很稳定。

5 抗污染性能分析

5.1 抗NaCl污染

在抗突发性盐水钻井液体系中于常温下加入5%、10%、15%和20%的NaCl，充分搅拌后，静置24 h，测定室温下性能；然后，在150 ℃下热滚24 h，再测其性能。结果见表5。表5显示，该钻井液体系抗盐性较好，经热滚后，性能变化也不大，流变性好，高温高压滤失量略有增大。

表5 抗突发性盐水钻井液体系的抗盐性评价

5.2 抗钙污染

在抗突发性盐水钻井液体系中于常温下加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的CaCl2，充分搅拌，静置24 h，测其室温和150 ℃热滚24 h后的性能，其结果见表6。从表6可以看出，当CaCl2达3%后，老化前后体系搅拌12 h，测定游离的Ca2+离子质量浓度均小于650 mg/L，且体系流变性能满足钻井要求，数据表明该配方抗钙性较好。

表6 抗突发性盐水钻井液体系的抗钙性评价

6 结论

1)梳型聚合物降滤失剂具有较好的抗盐、抗钙和滤失造壁性，对体系流变性能影响小，有效降低滤失量。

2)复配增黏剂具有很好的抗温抗盐能力，有效维护体系的胶体稳定性，保证钻井安全施工。

3)以梳型聚合物降滤失剂、复配增黏剂和钙离子控制剂为核心处理剂形成的抗突发性盐水钻井液体系，其抗盐抗钙能力较强，该钻井液具有良好的流变性、滤失造壁性、封堵性及抑制性，抗盐抗钙能力强，能够满足钻遇顺北区块突发性盐水层的钻井需要。