伊朗地區(qū)淀粉-飽和鹽水鉆井液體系探究及應(yīng)用

蘇 哲

中國(guó)石油遼河油田分公司特種油開發(fā)公司（遼寧盤錦124010）

伊朗地區(qū)淀粉-飽和鹽水鉆井液體系探究及應(yīng)用

蘇 哲

中國(guó)石油遼河油田分公司特種油開發(fā)公司（遼寧盤錦124010）

介紹了伊朗淀粉-飽和鹽水體系，并對(duì)鉆井液性能的影響因素進(jìn)行分析；針對(duì)該體系的不足，提出了可行的改進(jìn)方案；通過室內(nèi)研究，提高了該體系的流變性、護(hù)膠能力、抑制能力以及抗污染能力等，并得出最優(yōu)體系配方；先后將該體系應(yīng)用于伊朗北阿地區(qū)AZNN-009井、AZNN-016井、AZNN-018井，現(xiàn)場(chǎng)施工順利，鉆井液性能穩(wěn)定；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，優(yōu)選出的鉆井液體系適合伊朗北阿地區(qū)的三開高壓井段，并在該區(qū)塊應(yīng)用取得成功。

淀粉-飽和鹽水鉆井液體系；鉆井液性質(zhì)；伊朗地區(qū)

淀粉-飽和鹽水鉆井液體系主要應(yīng)用于伊朗地區(qū)三開311.2mm（124?″）井眼段，該井段地層主要為鈣質(zhì)泥巖、石膏、巖鹽及混合夾層，地層壓力系數(shù)高，并伴有高壓鹽水層，實(shí)鉆最高密度達(dá)到2.56g/cm3。該體系具有流動(dòng)性好、抗鹽抗鈣污染能力強(qiáng)、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但體系中材料的單一也表現(xiàn)出諸多不足。通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合長(zhǎng)城鉆井液體系優(yōu)點(diǎn)，對(duì)淀粉-飽和鹽水鉆井液體系進(jìn)行了優(yōu)化改良，形成了淀粉-飽和鹽水聚磺鉆井液體系，目前該體系已成功應(yīng)用于北阿地區(qū)多口井，并取得了良好的實(shí)鉆效果，完全能夠滿足鉆井施工要求，保證井下安全。

1 淀粉-飽和鹽水鉆井液體系的組成

基本組成：飽和鹽水+5.706kg/m3純堿+22.824～ 34.236kg/m3淀粉+Ca(OH)2；

該體系用Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH值，Ca(OH)2加量根據(jù)所需要的pH值高低確定。

該體系的性能參數(shù)見表1。

2 淀粉-飽和鹽水鉆井液性能的影響因素

2.1 淀粉對(duì)淀粉-飽和鹽水鉆井液性能的影響

淀粉做為淀粉-飽和鹽水體系的護(hù)膠降失水劑，可有效地控制鉆井液濾失量，并有明顯的提粘效應(yīng)。其加量會(huì)影響鉆井液的粘切和API濾失量。

圖1為淀粉加量與鉆井液動(dòng)切力的關(guān)系曲線。相同密度的鉆井液，動(dòng)切力隨著淀粉加量的增加呈上升趨勢(shì)，當(dāng)?shù)矸奂恿吭黾又?×2.853kg/m3以后，動(dòng)切力上升趨勢(shì)變得平緩。

表1 淀粉-飽和鹽水體系性能參數(shù)

圖1 淀粉加量與鉆井液動(dòng)切力的關(guān)系曲線

圖2 為淀粉加量與濾失量關(guān)系曲線圖。可以看出，淀粉加量對(duì)于鉆井液的濾失量有很大影響，淀粉具有良好的降失水效果，API濾失量隨著淀粉濃度的增加呈明顯下降趨勢(shì)，當(dāng)?shù)矸蹪舛冗_(dá)到8× 2.853kg/m3以后，API濾失量減小至1mL以內(nèi)。

圖2 淀粉加量對(duì)API濾失量的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，配制淀粉飽和鹽水鉆井液，22.824～34.286kg/m3濃度的淀粉加量較為合適，為保持足夠的懸浮能力，在配制高密度鉆井液時(shí)淀粉加量一般采取上限。

2.2 pH值對(duì)淀粉-飽和鹽水鉆井液性能的影響

淀粉-飽和鹽水鉆井液以淀粉為護(hù)膠劑，維持膠體的各項(xiàng)性質(zhì)，該鉆井液體系對(duì)pH值較為敏感，pH值的變化會(huì)導(dǎo)致淀粉分子形態(tài)、結(jié)構(gòu)的變化，同時(shí)也會(huì)影響Ca2+的濃度，進(jìn)而引起性能的改變。

2.2.1 pH值對(duì)黏度的影響

室內(nèi)配制了4種不同密度的基漿，并對(duì)每一種基漿加入不同濃度的Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH值，測(cè)定不同pH值條件下4種基漿的鉆井液黏度，在相同鉆井液密度下，黏度隨pH值的升高而下降；鉆井液密度越高，黏度隨pH值的升高下降速率越快。

對(duì)于淀粉飽和鹽水鉆井液，pH值不能過高，超過11以后，鉆井液黏度很低，懸浮能力大幅下降，有可能導(dǎo)致加重材料的沉積；反之，如果pH值過低，容易造成淀粉發(fā)酵變質(zhì)，護(hù)膠能力不夠，API濾失量上升，泥餅虛厚，流變性變差。

2.2.2 pH值對(duì)動(dòng)切力的影響

室內(nèi)配制了4種不同密度的基漿，并對(duì)每一種基漿加入不同濃度的Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH值，測(cè)定不同pH值條件下4種基漿的鉆井液動(dòng)切力,結(jié)果見圖3。

圖3 pH值對(duì)動(dòng)切力的影響

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，鉆井液動(dòng)切力隨pH值的升高而減小，當(dāng)pH值大于12以后，鉆井液動(dòng)切力減小至近乎為零。

2.2.3 pH值對(duì)濾失量的影響

室內(nèi)配制了4種不同密度的基漿，并對(duì)每一種基漿加入不同濃度的Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH值，測(cè)定不同pH值條件下4種基漿的鉆井液的濾失量，結(jié)果見圖4。

圖4 pH值對(duì)API濾失量的影響

由圖4可以看出，隨pH值的升高，API濾失量緩慢上升，當(dāng)pH值高于11以后，API濾失量會(huì)快速升高，直至完全濾失，這是因?yàn)轶w系的pH值由Ca(OH)2提供的，提供OH-的同時(shí)，也提供了大量的Ca2+。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：pH值對(duì)淀粉飽和鹽水鉆井液和普通的水基鉆井液的影響截然不同。在普通的水基般土鉆井液中，主要以Na2CO3和NaOH來調(diào)節(jié)pH值，離子交換吸附有利于粘土的水化分散，在一定程度上降低鉆井液的濾失量、提高黏度、切力。對(duì)于淀粉飽和鹽水鉆井液體系，無土相，pH值對(duì)體系的影響很大。實(shí)驗(yàn)證明，向pH值大于12的鉆井液中加入一定量的酸，鉆井液的黏度和切力可以在一定程度上恢復(fù)，API濾失量也會(huì)減小，全濾失的情況消失；而發(fā)生鹽水侵后，鉆井液流動(dòng)性變差，切力顯著升高，向體系中緩慢加入石灰（即氫氧化鈣），將pH值調(diào)整到9～9.5，鉆井液流動(dòng)性恢復(fù)。這可以解釋為淀粉由于體系酸堿性變化引起分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使膠體溶液中分子鏈的伸展形態(tài)發(fā)生變化，另外分子鏈中有與酸堿發(fā)生反應(yīng)的基團(tuán)，使分子鏈醚化、斷裂水解。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，密度在115～125pcf時(shí)，pH值控制在8.5～9.0之間；密度在125～135pcf時(shí)，pH值控制在9.0～9.5之間；密度為135～145pcf時(shí)，pH值控制在9.5～10.0之間，密度在145～155pcf時(shí)，pH值控制在10.0～10.5之間，這樣淀粉能發(fā)揮最大效用，體系性能穩(wěn)定，流變性良好，可以滿足井下安全的需要。

2.3 淀粉飽和鹽水鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理要點(diǎn)

1）鉆進(jìn)過程中，主要以飽和鹽水淀粉膠液維護(hù)泥漿性能，保證體系中鹽含量達(dá)到飽和狀態(tài)，并且根據(jù)粘切、濾失量大小調(diào)節(jié)淀粉加量。如果動(dòng)切力不足以滿足攜砂要求，可以在膠液中適量加入紅淀粉以提高動(dòng)切力。

2）鉆進(jìn)過程中pH值會(huì)降低，使用Ca(OH)2調(diào)節(jié)體系pH值，根據(jù)泥漿密度、切力的要求補(bǔ)充適量Ca(OH)2，保證性能的穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，應(yīng)配成一定濃度的石灰水加入，切忌干加，否則會(huì)使局部pH值過高而引起加重劑聚沉。同時(shí)，2種不同pH值泥漿不可混合，以免造成混漿時(shí)因pH值差別較大引起鉆井液短期劇烈增稠而出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象。

3）每班及時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液Ca2+含量，使用pH計(jì)精確測(cè)量pH值。若Ca2+濃度升高，pH值降低，且出口黏度下降，表觀黏度增大，則可以確定發(fā)生鹽水侵，應(yīng)及時(shí)提高鉆井液密度，同時(shí)加入石灰水調(diào)節(jié)pH值，改善和恢復(fù)鉆井液流動(dòng)性。

3 淀粉-飽和鹽水鉆井液體系的不足及優(yōu)化

3.1 淀粉-飽和鹽水鉆井液體系的不足：

根據(jù)以上分析，淀粉具有很好的降失水作用，能滿足對(duì)加重材料懸浮的要求。但是體系材料的單一，使該體系對(duì)pH值很敏感，尤其對(duì)于高密度鉆井液；在鉆水泥塞過程中，由于水泥的堿性，導(dǎo)致鉆井液黏度顯著下降，懸浮能力差，加重劑沉淀嚴(yán)重，而且由于全濾失，泥餅很厚，如不及時(shí)妥善處理，極易造成卡鉆等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。另外，該體系僅靠鹽來抑制粘土的水化分散，缺少大分子包被抑制劑，在三開鉆進(jìn)過程中無法有效的控制劣質(zhì)固相的侵入，隨著土相的增加，Ca2+會(huì)壓縮粘土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層，使水化膜變薄，引起粘土晶片面與面和端與面聚結(jié)，流變性變差，濾失量劇增，泥餅虛厚，造成起下鉆困難。

3.2 淀粉-飽和鹽水鉆井液體系的優(yōu)化

針對(duì)伊朗井隊(duì)使用的淀粉飽和鹽水鉆井液體系的不足，結(jié)合長(zhǎng)城鉆井液體系的優(yōu)點(diǎn)，通過大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出了一套適合北阿區(qū)塊的三開高密度淀粉飽和鹽水聚磺鉆井液體系。

體系配方：飽和鹽水+0.2℅燒堿+3%～4℅淀粉+ 0.3%～0.5%PAC-LV+0.2%～0.3℅KPAM+1.5%～2% SMP-2+加重劑。性能如表2。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，加重后的鉆井液經(jīng)過井底高溫后，表觀黏度下降，動(dòng)切力無明顯變化，完全能滿足對(duì)加重劑的懸浮要求。

4 優(yōu)化后的淀粉-飽和鹽水聚磺鉆井液體系的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理要點(diǎn)

1）水泥塞對(duì)三開高密度鉆井液的污染程度較為嚴(yán)重，三開前使用二開老漿鉆塞，鉆塞完成后，轉(zhuǎn)換三開新漿時(shí)先替入5～8m3清水做為隔離液，這樣可有效防止老漿對(duì)新漿的污染。

2）現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)主要以KPAM、PAC-LV、SMP-2按一定比例復(fù)配成飽和鹽水膠液均勻補(bǔ)充，控制濾失量，保持泥餅質(zhì)量薄而致密。針對(duì)該地區(qū)大段泥巖、石膏及含膏泥巖，必須加足大分子抑制劑和鹽（使用一定量的KCL效果更佳），確保鉆井液具有極強(qiáng)的抑制能力，防止劣質(zhì)固相的侵入。

3）使用燒堿水調(diào)節(jié)pH值，控制Ca2+含量，維持pH值在9～10之間，盡量避免大量使用純堿，這樣可有效防止生成CaCO3，造成體系中低密度固相大幅增加。

4）低密度固相的大幅侵入對(duì)于高密度鉆井液體系是致命的，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致體系失去流動(dòng)性，因此現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，必須嚴(yán)格控制低密度固相的污染。除上述化學(xué)控制方法外，還應(yīng)注意從凈化設(shè)備方面加以控制。震動(dòng)篩要盡量使用0.15mm(100目)以下的篩布，鉆進(jìn)過程中堅(jiān)持使用除砂器，必要時(shí)可間隔使用除泥器。

表2 優(yōu)化后的鉆井液性能參數(shù)

5）伊朗地區(qū)三開井段存在高壓富含鈣的鹽水層，因此密度使用極為關(guān)鍵。現(xiàn)場(chǎng)操作過程中要根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)及鄰井實(shí)鉆資料及時(shí)提高鉆井液密度，防止因密度低造成的高壓鹽水的污染。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

優(yōu)化后的淀粉-飽和鹽水聚磺鉆井液體系先后應(yīng)用于伊朗北阿地區(qū)AZNN-009井、AZNN-014井、AZNN-016井、AZNN-018井，并取得了良好的實(shí)鉆效果。實(shí)鉆最高密度達(dá)到2.28g/cm3，流變性良好，三開鉆井過程中鉆井液黏度控制在較高（漏斗黏度85s以內(nèi)）水平，具有良好的剪切稀釋特性和觸變性，抗污染能力強(qiáng)，實(shí)鉆過程中如果遇到高壓鹽水侵，處理工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，易于操作。起下鉆及下套管作業(yè)順利，無阻卡現(xiàn)象，保證了鉆井施工的安全，平均機(jī)械鉆速明顯提高，平均機(jī)械鉆速達(dá)到6.42m/h，大大縮短了三開鉆井周期。

上述幾口井的鉆井液性能參數(shù)見表3、表4、表5、表6。

表3 AZNN-009井三開鉆井液性能參數(shù)

表4 AZNN-014井三開鉆井液性能參數(shù)

表5 AZNN-016井三開鉆井液性能參數(shù)

表6 AZNN-018井三開鉆井液性能參數(shù)

5 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

1）優(yōu)化后的淀粉-飽和鹽水聚磺鉆井液體系具有流變性好、護(hù)膠和抑制能力及抗污染能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有較好的剪切稀釋特性和良好的觸變性，尤其適用于配制高密度鉆井液。

2）淀粉飽和鹽水聚磺鉆井液體系特別適用于伊朗地區(qū)三開高壓井段，完全能夠滿足鉆井施工要求，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理工藝簡(jiǎn)單，易于操作。

3）低密度固相控制對(duì)高密度鉆井液體系來說極為關(guān)鍵，現(xiàn)場(chǎng)施工中必須嚴(yán)格控制，避免低密度固相的大量侵入。

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The starch-saturated salt water drilling fluid system is introduced,and the factors influencing the performance of the drilling fluid are analyzed.The feasible improvement scheme is put forward in view of the shortage of the system.The rheological property,the glue protecting ability,the inhibition ability and the pollution resistance of the system are improved by laboratory research,and the optimal system formula is obtained.The system is applied to the AZNN-009 well,AZNN-016 well and AZNN-018 well in Iran Beia area,the field construction is smooth and the drilling fluid performance is stable.The optimized drilling fluid system is suitable for high pressure well section in the area.The application of the drilling fluid system in Iran Beia area is successful.

starch-saturated salt water drilling fluid system;property of drilling fluid;Iran area

尉立崗

2015-07-19

蘇哲（1986-），男，現(xiàn)主要從事鉆井液的研究工作。