盐井钻探施工护壁技术研究与实践

　　◎  舒智 刘帅 齐占凯

　　针对盐井地层的特殊性，本文从钻井液和固井两方面出发，研究摸索出一套钻井液护壁体系和套管水泥固井护壁技术。根据盐井施工的实际情况，优选井身结构和套管程序、钻井液类型以及固井水泥浆配方；科学地使用和管理钻井液体系，才能有效地防止盐井的坍塌、漏失、超/缩径、水敏性剥蚀、砂侵等井内事故发生，从而保证了盐井钻探施工的顺利进行和工程质量。

　　钻井工艺及取心方法

　　湖北省潜江市盐矿勘探及成井工程施工的地层构造复杂，第四系、上第三系覆盖层较厚，含盐矿层厚度大、层数多、埋藏深，一般井深为1200-1500米。钻井施工中易发生坍塌、漏失、缩径、剥落、砂侵等复杂情况，给钻探施工增加了难度。

　　一开、二开、三开均采用全面钻井工艺（牙轮钻头或PDC钻头），全面钻进时，环空间隙大，岩屑量大颗粒粗，主要考虑钻井液的携岩能力和胶结性能，四开采用金刚石绳索取心钻具（半合管）进行取心作业。在钻井工艺措施方面，在保证纯钻速度的条件下，应尽量降低钻具转速和钻压。若泥浆粘度、切力大，应适当降低泵量，以免环空压力过高。严格控制起下钻速度，避免或减小因激动压力和抽吸作用对井壁破坏。坚持起钻时回灌钻井液。加强泥浆固相控制，及时清除固相颗粒，防止钻杆结垢。

　　钻井液设计原则及护壁机理

　　钻井液设计应考虑地层特点、施工条件、工程要求、安全环保等因素，根据具体情况合理选择不同类型的钻井液体系，以满足井内复杂情况施工的要求，并保证具有较低的固相含量、良好的流变性能、较强的清孔和携岩能力和良好的润滑性能。在钻进如砂岩地层等高渗透性地层，易形成较厚泥饼，容易造成卡钻。钻井液应具有低滤失、封堵性和良好的润滑性能，并配备一定数量的解卡剂。钻进蒙脱石含量高的强水敏性地层，要求钻井液具有较低滤失量和良好的抑制性能，需采用抑制性较强的钻井液，如优质聚合物钻井液、钾基钻井液等。钻进软页岩、有裂隙的硬页岩，由于井壁表面剥落、崩解易产生扩径、掉块及井壁坍塌，要求钻井液滤失量低，且具有较好的封堵功能，掉块较严重时，应适当提高钻井液比重……另外，钻井液设计还要考虑孔径大小。

　　盐井钻探施工用钻井液护壁机理如下：CMC高分子聚合物能显著提高钻井液的粘度，从而提高了粘土颗粒的聚结稳定性，有利于保证钻井液中细颗粒的含量，形成致密的泥饼，降低滤失量。水解聚丙烯酰胺（PHP）是一种选择性絮凝剂，水解聚丙烯酰胺在钻井液中主要起絮凝岩粉作用。CMC与PHP可以相互交联形成网状结构，能有效提高完整或部分破碎地层的钻进效率，还具有润滑减阻作用。

　　饱和盐水钻井液由于矿化度高，因此具有较强的抑制性、流动性且性能稳定，能有效地抑制泥页岩水化剥落，保证井壁稳定。

　　钻井液的选择及维护使用

　　钻井液的选择及性能参数可借鉴以下参数：

　　钻进第四系和第三系松散地层时，通过钻井液配方试验和实践，采用高粘度、低失水的聚合物钻井液体系进行护壁，效果较好。其配方为：1m³/清水+100kg/膨润土+0.1～0.2kg/PHP+3kg/Na₂CO₃+5～8kg/HV-CMC。

　　钻进第三系较完整井段时，采用低固相或无固相钻井液，以保证钻井护壁及绳索取心钻进工艺的要求。

　　低固相聚璜钻井液配方：1m³/清水+50kg/膨润土+0.25kg/PHP+1.5kg/Na₂CO₃+3～5kg/MV-CMC+8～10kg/磺化沥青+5～8kg/磺化褐煤。

　　无固相钻井液的配方：1m³/清水+8～10kg/HV-CMC+1kg/PHP+0.1kg/NaOH+10kg皂化油。

　　在盐层钻进阶段采用无固相饱和盐水钻井液或低固相饱和盐水钻井液，保证了盐矿层的采取率。

　　无固相饱和盐水钻井液配方：1m³/清水+350kg/NaCl+10～15kg/MV-CMC+0.3～0.5kg/PHP+0.1kg/NaOH。

　　低固相饱和盐水钻井液：1m³/清水+30kg/膨润土+1kg/Na₂CO₃+315kg/NaCl+5～8kg/PAC-LV+8～10kg/磺化沥青+50～70kg/氯化钾+8～10kg/褐煤树脂。

　　钻井液维护使用及现场管理分阶段主要采取以下措施：

　　钻进石膏层，为了防止钻井液污染，应预先进行钙处理，可采用钙处理钻井液。在将见盐层前20～30m，应先配备优质饱和盐水钻井液，以防止岩盐溶蚀出现超径。饱和盐水钻井液的维护应以护胶为主，降粘为辅。

　　在钻井过程中，若发现钻井液粘度、切力增高，一般是粘土侵蚀的造浆地层，这时应在钻井液中加入适量清水或稀释剂，或使用选择性絮凝剂、抑制剂，还可用离心机清除钻井液中的有害固相，以维护钻井液性能的稳定。

　　当钻遇砂层，钻井液受砂侵时，其含砂量会急剧升高，也会加剧水泵、钻具、钻头的磨损，必须及时采用除砂机进行除砂处理，还可添加聚丙烯酰胺絮凝粉砂，降低钻井液的粘度和切力。

　　在小口径金刚石绳索取心钻进中，应采用乳化钻井液，以改善钻具润滑条件，减少钻具回转阻力，提高钻进速度。

　　钻井液中添加处理剂时要缓慢、均匀，避免钻井液性能突变，不准任意添加清水，不要让污水、山水、雨水流进钻井液中。

　　钻井液护壁取得明显效果。该矿区OZK2孔施工中，一开采用311mm口径钻进穿过第四系松散地层后就下入井口管，然后换253mm口径钻进至811.41m，该井段采用优质低固相聚合物钻井液护壁，裸眼钻进易坍塌的砂岩、泥质粉砂岩、页岩等松散破碎地层，从未发现坍塌和严重漏失现象，只是在砂岩钻进中钻井液有轻微渗漏现象。通过该层位后，便下入219技术套管并用水泥封固，然后再换150mm口径钻进到1020m后，下127mm技术套管。800m以下地层比上部覆盖层稍完整一点，但是胶结性依然较差，遇水易水化分散，会造成钻井坍塌超径现象。在该井段施工中我们采用优质低固相聚璜钻井液体系和无固相钻井液护壁，井壁稳定，施工顺利，最后采用80绳索取心金刚石钻进至终孔。在该井段施工中，始终采用优质低固相饱和盐水钻井液护壁，顺利通过长达600多米厚的强水敏性易水化剥落、坍塌缩径的泥页岩、石膏、岩盐地层，直到终孔1501.43m都未发生坍塌超径现象，从而保障盐井工程施工的顺利进行。

　　套管护壁及固井

　　套管护壁是钻探施工最有效和最可靠的钻井护壁方案之一，盐井钻探施工所用套管有井口管、技术套管、生产管。除生产管以外，其他套管均起到稳定井壁，保证顺利施工的作用。根据套管在井内的工作条件，设计的套管柱应能承受内、外压力及井下地层所产生的横向载荷和套管本身的重力。设计的套管柱都应能承受相当大的拉力，最大拉力发生在套管柱顶部。上部受拉力大，下部受外挤力大，中间的套管受外力较小。为确保安全，大部分套管柱设计采取的安全系数为：抗拉安全系数1.5～1.8；抗外压（抗挤）安全系数1.0～1.25；抗内压（压崩）安全系数1.1～1.3。

　　固井受水泥浆设计及水泥浆的物理性能等因素影响。

　　影响水泥浆设计的因素包括：井深、钻井液液柱压力、水泥浆粘度与水灰比、井温、可泵时间及稠化时间、支持套管柱所需的水泥强度、配浆水质、钻井液及其处理剂类型、水泥浆比重、水泥水化热、水泥石渗透率、水泥浆失水量、抗井内盐水之腐蚀能力。

　　水泥浆的物理性能主要受比重、流动度、失水、水泥石的强度、水泥浆灌注等影响，提高注水泥固井质量主要应采取以下十项措施：一是适当提高水泥浆的回返速度，使之处于紊流而非层流状态；二是适当降低水泥浆的粘度和切力， 以改善其流动性；三是钻井时注意井身质量，把井打直，套管扶正；四是水泥浆比重应均匀；五是在渗透性大、易漏的地层采用低失水量的水泥浆；六是在大段泥岩、页岩地层固井，应采用盐水钻井液；七是缩短水泥浆的初凝和终凝时间差；八是采用膨胀水泥，可提高水泥与井壁及套管间的胶结强度；九是精确地进行注水泥计算，采用符合当地实际情况的水泥用量附加系数；十是下管前适当增大排量洗井，既使井内岩粉全部返出，又使井壁适应大排量的冲刷，以防注水泥过程中发生坍塌。

　　结   论

　　该矿区地层特点：第四系、上第三系覆盖层较厚，软硬互层多，且地质构造复杂，另外含盐矿层的厚度大、层数多、埋藏深。钻井施工中易发生坍塌、漏失、缩径、剥落、砂侵等复杂情况。

　　根据地层特性和工程质量要求及钻机能力，合理设计井深结构，以保证顺利施工和工程质量。采用ф311开孔，ф80终孔。一开钻进通过第四系平原组的松散的粘土、砂卵石层后，即下入ф273井口管，并用水泥固井护壁；二开钻进穿过胶结性较差的上第三系广华导组和荆河镇组岩石后，就下入ф219技术套管，并用水泥固井护壁；三开钻进到较完整的下第三系潜江组地层后，就下入ф127技术套管，然后换ф80钻进至终孔。针对钻井工艺和地层特点，因地制宜合理选择钻井液体系和性能参数，通过科学地设计水泥浆配比和套管结构，并严格控制其物理性能参数和水泥浆灌注工艺，采取有效的技术措施，提高注水泥浆的成功率和固井质量。该套钻井液体系和套管护壁工艺技术，不仅可以应用于盐井钻井施工，还可用于其他松散、强水敏性地层的钻探施工。无固相饱和盐水钻井液和低固相饱和盐水钻井液还可应用于冰层冻土、可燃冰层或低温工作条件下的钻探施工的护壁。

　　（作者系倬方钻探工程集团有限责任公司钻探技术中心主任、生产指挥中心主任、技术部部长。）