王官屯油田石膏地层钻探关键技术

刘建华 冯永建 吴华 罗平 李岱忠 邢孟冬

摘要：王官屯位于南大港断裂构造带孔南地区，钻井难度在于第三系古新统孔店组孔一段枣0组上部的石膏层。钻遇石膏层钻井液易受污染，造成密度、粘度上升，初切力上升，从而影响钻井液循环速度，携屑能力减弱，钻头易产生泥包，影响钻速，发生卡钻。石膏层吸水膨胀，长时间浸泡导致地层蠕性增强，发生井壁塌陷或缩径的复杂地下情况，造成井漏或卡钻。通过优化钻具组合，调整钻井液，从降低失水和粘度，提高携岩性能，提高润滑等方面调整钻井液体系，采用提前加入有机磷酸盐，保证其PH值为9-11。

关键词：王官屯;石膏层;孔一段;缩径;有机磷酸盐

1 王官屯地区石膏地层分布及特点

王官屯位于南大港断裂构造带孔南地区，由始新统孔店组，渐新统沙河街组，东营组及中新统馆陶组组成。其中孔店组可划分为孔一、孔二、孔三段不同的沉积地层，孔一段当中的枣0油组发育出一套膏泥岩沉积， 主要以灰白色膏泥岩为主（CaSO4·2H2O），厚度呈从中心向四周逐渐减薄。

2 石膏层钻探风险

该地层钻井液容易发生钙侵，导致钻井液密度、粘度、初切力增大，流动性变弱，不能完成携带岩碎，清理井眼的工作，会磨损钻具，影响钻速，发生卡钻。因钻井液粘度和密度增加，导致井底压差失控，在起下钻过程中容易因抽吸或激动作用导致地层破裂，发生井漏。

2.1 石膏产生事故的机理

石膏层主要成分为含钙化合物，具有遇水发生化学反应生成大量氢氧化钙，而氢氧化钙在水中可电离出钙离子Ca2+和氢氧根离子OH-，如化学反应式（1）所示。我们常规钻井液中含有钠基蒙脱石，其中的钠离子易与钙离子发生离子交换，生成了钙质粘土，如化学反应式（2）和化学反应式（3）所示，黏土的ξ电位减弱，电流方向变为向内聚集，水化分散程度降低，形成的水化膜变薄，造成组织固体颗粒聚集的斥力减小，固体颗粒聚集，黏土固相体积增大，钻井液密度升高。而氢氧根OH-则会致使钻井液PH值增大，呈碱性，对钻具造成伤害，污染地层。

钻井液中的水分被石膏层所吸收，其内部分子结构发生膨胀反映，分子之间的作用力称之为膨胀压力，此时膨胀压力远远大于当前井内压力，钻井液密度不足以平衡，该地层逐渐出现蠕变，故发生缩径现象，为通井带来困难。石膏层中的泥页岩、泥岩等在吸收水分后井壁出现碎片剥落，电离出的SO42-离子使得钻井液酸碱PH值降低，粘度增加，初切力增加，液体流动性变差，井底岩碎不能很好地被钻井液循环出，井眼不够干净，钻头磨损严重，降低了钻速，同时易产生堆积，在钻头逐渐形成泥包，堵塞出水眼，钻具内压力升高，导致破裂。而钻遇石膏层，钻井液失水越多，井壁泥饼越厚，在起下钻过程中增加了钻具摩擦力，多种原因并存最终导致卡钻。由于密度升高导致粘度和初切力都上升，导致钻井液循环压耗过大，需提高泵压，过大压力会造成地层被压漏的井下复杂事故。

2.2 事故处理难度

（1）卡钻后通井划眼，钻井液需要降低失水性，保证钻井液密度值合适平衡井壁力学平衡，防垮塌，控制泥饼厚度优质，提高润滑性，减小钻具与井壁之间，固相与固相之间的摩擦，从而调整钻井液流动性能，确保其携岩携砂效率，减少扭矩。

（2）抑制黏土矿物水化分散，抑制石膏层遇水后产生的钙离子聚集形成钙性黏土颗粒增多增大，固相含量降低，粘度和切力降低，环空压耗降低，泵压变化减小。

3 钻井液处理

3.1钻井液体系及特点

王官屯油区钻井过程二开段主要地质以泥岩、泥质砂岩为主，具有成岩性差，可钻性值高，钙侵、水化分散严重等特点。钻井液配方：井浆+0.4%降滤失剂中粘羧甲基纤维素+0.8%水解聚丙烯腈铵盐+1.5%防塌剂腐植酸钾+1%封堵剂+1%磺化沥青+0.5%聚丙烯酰胺钾盐。

孔一段枣0油组有含膏泥岩，需提前加入有机磷酸盐调整好钻井液性能，保证PH值9-11，以预防钻井液遭石膏侵而引起的井下复杂和事故发生，故转成硅基防塌钻井液，钻井液配方为：上部井浆+2%防塌剂有机硅改性聚合物+2%降粘剂改性烷基硅+ 2.5%降滤失剂聚合物改性腐殖酸+1%封堵剂磺化沥青+1%磺甲基酚醛树脂。

3.2 石膏地层钻探工程技术

由于石膏层可钻性极值高，常采用钻具组合Ф215.9mmPDC+Ф172mm螺杆+Ф165mm浮阀+Ф210mm稳定器+Ф165mmMWD短节+Ф165mm无磁钻铤+Ф165mm无磁钻铤+Ф127mm加重钻杆+Ф127mm钻杆9根+Ф178mm水力振荡器+Ф127mm钻杆若干，效果较好，其中水力激荡器的作用是起到降低磨阻，提高钻井机械钻速。

3.3 钻井液维护

3.3.1钻进石膏层前的处理

进入石膏层前200m，更改钻井液体系为硅基防塌钻井液：膨润土﹢0.2%包被剂+2%硅稳定剂+2%液体硅稀释剂+2%降失水剂改性腐殖酸+2%防塌剂磺化沥青+2%润滑剂。进入石膏层前50-100米前，添加包被剂控制硅基防塌钻井液的坂土含量小于70g/ml。封隔循环罐钻井液，控制井筒及地面循环罐钻井液到最少量，只要可以满足循环钻进即可。添加质量体积浓度为3%的六偏磷酸钠胶液，以4-6㎥/h的流速持续跟入，直至钻穿石膏层，石膏层较厚或较纯时，添加质量体积浓度4%的六偏磷酸钠胶液，当钻井液粘度上涨过快达到以60s以上，加入质量浓度为0.5～1%的硅氟高温降粘剂溶液，降低钻井液粘度到45s。

3.3.2钻进石膏层后的处理

穿完石膏层，添加六偏磷酸钠胶液控制钙离子浓度低至300mg/L以下，添加改性烷基硅降粘剂控制钻井液漏斗粘度低于50s，使用浓度2%的降滤失剂中改性腐殖酸、2%的防塌剂有机硅改性聚合物改善泥饼质量，保障后续井下施工安全。

3.3.3六偏磷酸钠作用原理

在石油钻井中，六偏磷酸钠作为钻井泥浆添加剂可以避免多价金属离子沉淀，提高泥浆的抗盐能力，降低钻井液失水。六偏磷酸钠是常用的一种抑制剂，主要用于抑制石英和硅酸盐矿物，以及方解石、石灰石等碳酸盐矿物，在钻井工程中，多用于石膏地層的处理。

六偏磷酸钠的抑制机理主要有：首先，六偏磷酸钠在浮选抑制钠长石、锆英石、霞石、烧绿石和多水高岭石时，六偏磷酸钠能无选择性地降低油酸钠在上述岩性中的吸附，并与矿物表面的多价金属离子形成稳定的络合物。其次，六偏磷酸钠在水溶液中容易电离，并与钙离子络合，如化学反应式（4）。

4 小6X现场试验

小6X井构造位置小集油田官979断块，二开定向井，其钻遇地层自上而下为平原组，明化镇组，馆陶组，东营组，沙河街组，孔店组，其中含石膏层的孔一段枣0组，底界深度为3130m，在钻井过程的二开垂直段。

钻具组合：Φ215.9mmPDC+Φ172mm螺杆+Φ165mm浮阀+Φ210mm稳定器+Φ170mmMWD+Φ165mm无磁2根+Φ127mm加重18根+Ф127mm钻杆

钻进2930m时将聚合物钻井液体系改型为硅基防塌钻井液，钻井液配方：膨润土﹢0.2%包被剂+2%硅穩定剂+2%液体改性烷基硅+2%降失水剂改性腐殖酸+2%防塌剂磺化沥青+2%润滑剂。钻进至3030m时，添加包被剂，钻井液坂土含量，钻井液性能密度为1.4g/cm3，马氏漏斗粘度53s，API失水3.8ml，PH值9.5，初切力为2.5pa，钻进至3080m时，添加质量体积浓度2%的六偏磷酸钠胶液。

本井完钻后仍处于石膏层，检测ca2+浓度小于300mg/l，不用添加有机磷酸盐，钻井液性能保持稳定，施工顺利。

5 结论

（1）钻遇石膏层易发生钙侵导致钻井液受到污染，造成缩径，地层坍塌，漏失等复杂地下情况引起的卡钻事故，通过增加钻井液包被性能，抑制性能，抗污染性能等措施，可以恢复钻井液体系的整体结构强度，达到继续钻井施工的要求。

（2）提前加入有机磷酸盐，是必要的隔离钙离子污染钻井液的重要方法，阻碍了钙离子与膨润土中的钠离子发生离子交换，降低钙质黏土颗粒聚拢力，根据情况适时补充降失水剂，降粘剂，防塌剂以维护钻井液性能稳定，保证施工顺利完成。

参考文献

[1]马晓晓，王宇斌，华开强等.六偏磷酸钠对制备超细生石膏粉体的助磨作用及其机理研究[J].矿产保护与利用，2021，41（01）：146-151.

[2]张琦，吴墨染，靳颖.探析大港油田钻井液密度优选关键因素[J].化学工程与装备，2019（11）：63-64.

[3]吴泓璇. 阿姆河右岸巨厚盐膏层蠕变规律及安全钻井研究[D].西南石油大学，2018.

第一作者：刘建华 （1989-） ， 男， 汉， 中级工程师， 2013年毕业于河北工业大学电子信息工程专业， 本科， 从事石油钻井技术管理工作。