川西地區鉆井鹽水侵危害機理及其應對措施

李 誠， 米光勇， 高德偉， 王 強， 羅 樂， 袁和義

(1中石油西南油氣田分公司川西北氣礦 2四川長寧天然氣開發有限責任公司)

川西大興場構造位于“上揚子地臺”的西部邊緣，處于龍門山山前斷褶構造帶、峨眉山前緣斷褶帶和川西南平緩構造帶的過渡區[1-2]，經過地質分析，結合已鉆DS1井、DS001-X1井來看，構造上雷口坡組、嘉陵江組高壓鹽水，易導致井漏、井壁失穩、卡鉆的多種風險[3-5]；因此高壓鹽水的認識和處理，是亟待研究解決的重要問題[6-10]。

一、 鹽水侵危害實驗

對已鉆井DSX1井雷口坡組取樣鹽水進行化驗：鹽水中一價陽離子以鉀離子和鈉離子為主，綜合含量在100 000 mg/L以上，二價陽離子以鈣離子和鎂離子為主，鈣離子80 000 mg/L以上，鎂離子13 000 mg/L以上。大量的陽離子對鉆井液性能穩定性造成嚴重的影響。因此，在實驗室環境下將現場使用的鉆井液(JFS-有機鹽體系)與高Na、Ca、Mg鹽水，在高溫高壓下按不同比例混合，觀察其性能改變情況：隨著Na+的含量增加，JFS有機鹽鉆井液的表觀黏度和塑性黏度均先增加后降低。動切力亦呈現先增高再降低隨后不斷波動規律，其質量分數在2.5%前增加，然后降低。Ca2+污染后，其黏度、切力均上升，并且在實驗范圍內并沒有拐點出現。而百分之一的Ca2+就足以使鉆井液失去懸浮穩定性，對鉆井液性能影響巨大。相同濃度的Mg2+和Ca2+對鉆井液的流變影響是不同的，鎂離子的加入會使蒙脫石在一定程度的絮凝，但是其效果沒有鈣離子強。

分析認為，鉆井液中的黏土礦物由于晶格取代，其黏土顆粒表面帶有負電荷，吸附陽離子形成擴散雙電層，NaCl進入鉆井液后，Na+濃度的不斷增加，進入黏土顆粒吸附層并置換氫離子，使得鉆井液的pH值降低。吸附層鈉離子的增加，壓縮了黏土膠體顆粒的雙電層，降低了電動電位，離子的水化程度減弱，黏土顆粒間的斥力減小，聚結穩定性變差，宏觀上形成絮凝結構，使鉆井液黏度、切力增加；黏土的水化膜變薄，使鉆井液中自由水增加，失水量增大，同時會造成處理劑失效，鉆井液喪失膠體性質。隨著Na+量的增加，壓入作用加劇，黏土的分散度明顯降低，使得鉆井液的黏度、切力轉而下降，濾失量繼續上升。嚴重時鉆井液中顆粒聚結而失去穩定性，膠體被破壞，上層析出清水出現水土分層現象。Ca2+的引入其原理與Na+相似，但二價鈣離子庫侖力強于單價鈉離子，壓縮雙電層的作用更強，使黏土顆粒水化膜變薄，特別是黏土顆粒邊角部分水化膜變得更薄，鉆井液更易形成網狀結構，因此對鉆井液性能影響更大。而且Ca2+的水化能力要比Na+弱得多，因此Ca2+的引入使蒙脫石的絮凝程度增加，致使鉆井液的黏度、切力及濾失量顯著增大。而Mg2+的影響規律從實驗結果來看與Ca2+相似但影響程度較低。

由上述結果可知：對于三種化學污染物對鉆井液的影響程度由小到大為NaCl

二、鹽水侵復雜及原因分析

1.鹽水侵帶來的現場復雜工況

2013年04月16日DS001-X1用密度1.62 g/cm3欠飽和鹽水鉆進至井深3 781.58 m(層位:雷四段)發現高壓復合鹽水侵，出現井壁失穩、卡鉆、井漏等現象造成4次填井側鉆，多次蹩停頂驅，隨著鉆井液密度的提升，后期出現多次井漏，其造成了大量的時間和經濟損失。

復雜處理期間現場通過多次重漿舉砂，循環出井底垮塌掉塊包含粒徑3～5 cm雷三下部深灰色灰巖掉塊和灰白色石膏以及粒徑1～4 cm沙灣組掉塊。在鉆至雷二依然有粒徑1～6 cm深灰色掉塊。

DS001-X4井以密度1.65 g/cm3的有機鹽-JFS鉆井液鉆至井深3 714.20 m(進入雷四55 m)發生鹽水侵，逐步提高鉆井液密度至2.25～2.27 g/cm3基本壓穩鹽水層。其后在嘉三發生嚴重井漏，降低密度至2.20 g/cm3維持鉆進，每趟起鉆前在套管鞋附近提高密度至2.25 g/cm3。在打鉆過程中，頻繁出現蹩跳、扭矩波動大、蹩停頂驅現象，通過循環重漿舉砂，返出巖屑掉有深灰色灰巖、紫紅色泥巖、黑色碳質頁巖，最大粒徑達5 cm。

2.原因分析

鹽水侵帶來的風險主要是因鉆井液改性后引起的卡鉆和井漏為主，以現場參數為基礎進行實驗，對鹽水侵后這兩種復雜發生的原因進行分析。

為分析鹽水侵對井壁巖石強度的影響，利用人造巖心，采用壓裂實驗法，研究鹽水污染鉆井液、水基分散鉆井液、橋堵鉆井液三種注入體系下對應的薄弱地層破裂壓力、裂縫傳播壓力及重啟壓力，分析薄弱地層承壓能力與注入體系性能的關系。結果表明，鹽污染水基鉆井液的API濾失量較大，形成的濾餅厚且疏松，其對應的巖心破裂壓力僅為17.5 MPa。而未受污染水基鉆井液的API濾失量較小、濾餅薄而密，其對應的巖心破裂壓力可高達31 MPa，高出前者達13.5 MPa。而橋堵鉆井液對應的巖心破裂壓力位30 MPa，井壁具有較高的強度。

DS001-X1在雷四段的鉆井過程中，出現鹽水侵入，污染鉆井液，隨之引起3 313～3 314.58 m發生多次裂縫性漏失，因此為減少漏失情況的發生，需提高鉆井液的抗鹽性，從而提高地層的承壓能力。

分析復雜出現的原因主要有三點：①過多的提高鉆井液密度壓井，導致井底壓力過大發生壓差卡鉆；②鉆井液被污染后濾餅API濾失量較增加，井筒壓力傳遞到近井地帶中，壓差減小后井壁受到支撐力減弱，并且巖心受鉆井液液相的物理或化學作用的影響，從而使巖心承壓能力減弱；③鉆井液濾液在正壓差的作用下，侵入地層微裂縫中而產生水劈作用，出現地層破碎型井壁失穩及井漏復雜情況。

三、解決措施及現場應用

鉆遇鹽水層后有兩種工程措施：①繼續鉆進，將鹽水層打穿后固井；②立即壓井固井，下一開再解決鹽水問題。

1.鉆井液配方的改進

根據復雜原因分析，在鉆井液性能上就必須具有更致密的濾餅，降低濾失量，減小近井地帶空隙壓力的增加，減小水劈作用，來保障井壁穩定；增強抗Na、Mg、Ca離子的功能，降低其對鉆井液流變性的影響，對此研制了新的JFS-有機鹽鉆井液體系：2%～3%膨潤土+2%～3%聚合物降濾失劑+2%～3%鉆井液用降濾失劑+5%～8%SMP-2+3%～5%固壁防塌劑+6%～8%改性樹脂瀝青+2%～2.5%鉆井液用硬膠乳化潤濕劑+1%SP-80+6%～8%封堵劑樹脂膠微粒+5%～6%抗鹽高溫降失水劑+1.0%～1.5%燒堿+工業鹽至飽和+0.5%～1.0%稀稀釋劑+0.5%～1.0%鹽重結晶抑制劑+0.4%～0.7%金屬離子螯合劑+ 5%～6%潤滑劑+ 5%～7%KCl+BaSO4。

>對新配方不同密度、黏度、切力性能在150℃高溫條件下濾餅失水量進行室內試驗測試，結果如表1。

由表1可知，在高溫高壓工業鹽飽和情況下，其失水量很少控制在6 mL以內，說明其濾餅的抗鹽能力較強，為進一步控制鉆井液流變性不變，除去鈣鎂離子，分別使用Na4P2O7除去大量Ca2+，提高OH-離子濃度除去大量Mg2+，其原理如式(1)、式(2)：

Na4P2O7+2Ca2+=Ca2P2O7↓+4Na+

(1)

2OH-+Mg2+=Mg(OH)2↓

(2)

表1 JFS復合鹽水防塌鉆井液性能測試

DS001-X4井在新JFS-有機鹽鉆井液配方結合Na4P2O7、OH-共同使用條件下，井壁失穩和漏失情況較DS001-X1井有明顯減輕，卡鉆解卡程度也更容易，創造出大興場構造上零側鉆記錄，成功應對地層鹽水，驗證了新配方新添加的實用性，為進一步解決鹽水侵問題指明了研究方向。

2.壓井工藝的探索

針對在DS001-X4井壓井過程中出現在壓井初期的一段時間內，井內平穩或少量漏失，過1～2 d后又出現緩慢溢流，隨后再提高密度，如此循環，甚至壓漏上部地層，但溢流依然會發生的現象，分析其壓井困難的原因：在提密度壓井過程中，鉆井液不斷侵入地層，近井地帶壓力孔隙不斷增加，直到地層壓力近似等于井筒壓力出現平衡點。又由于地層鹽水密度整體低于鉆井液密度，在鹽水層一段的空隙壓力梯度小于井筒內壓力梯度，造成在平衡點以上地層空隙壓力大于井筒壓力，發生鹽水侵，平衡點以下井筒壓力大于地層空隙壓力發生漏失，最終導致DS001-X4井每次提高密度一段時間后又出現鹽水侵，每次循環均有鹽水排出的現象。

為此制定DS001-X4井壓井思路：先通過一段時間靜置，一方面讓鹽水溢出，集于井底，讓井筒在井底處的液體密度與地層中鹽水密度相近達到壓力梯度相近的目的；另一方面讓鉆井液中自帶重晶石粉沉底。然后將鉆頭提至鹽水層頂部后循環高密度鉆井液壓井，將上部替為密度、黏度較大的高密度鉆井液，起到平衡地層壓力、防止鹽水上竄并將井底重晶石粉推進鹽水層空隙的作用，使重晶石粉起到一定的封堵作用，減小鹽水的流動通道，增大流動的啟動壓差。最后觀察一個施工周期，判斷井內是否穩定。

DS001-X4井通過該方法成功壓井，順利完成了固井工作，證實了該方法的正確性，也驗證了理論分析的可信度。

四、結論

(1)通過水樣分析得出大興場構造鹽水主要以鈉、鈣、鎂離子為主。通過實驗與現場相結合的方法得出：隨鈉離子增加，鉆井液表觀黏度、塑性黏度均先增加后降低，切力增加后反復波動；隨鈣鎂離子的增加表觀黏度、塑性黏度、切力均增加。從影響程度由小到大為NaCl

(2)根據鉆井液性能改變情況結合已鉆井井漏、卡鉆情況，分析得出過高的提高鉆井液密度、鹽水透過濾餅滲入地層造成近井壁巖石強度下降以及水劈效應是造成風險的主要原因。

(3)在實驗室通過改進鉆井液配方并加入Na4P2O7和OH-除鈣鎂離子，使鉆井液流變性和造壁性在鹽水環境得到一定保障。