第六章高密度饱和盐水钻井液.docx
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第六章高密度饱和盐水钻井液
第六章高密度饱和盐水钻井液技术
第一节高密度饱和盐水钻井液概述
一、饱和盐水钻井液的作用和发展概况
凡NaCl含量超过1%（质量分数，Cl-含量约为6000mg/l）的钻井液统称为盐水钻井液。
一般将其分为以下三种类型：
（一）欠饱和盐水钻井液
其Cl-含量自6000mg/l直至饱和之前均属于此类。
（二）和盐水钻井液
是指含盐量达到饱和，即常温下NaCI浓度为3.15XI05mg/l（Cl-含量为1.89>105mg/l）
左右的钻井液。
注意NaCl溶解度随温度变化而变化。
（三）海水钻井液
是指用海水配制而成的含盐钻井液。
体系中不仅含有约3X104mg/l的NaCl，还含有一
定量的Ca2+和Mg2+。
根据含盐量的多少，在国外出版的专著中又将盐水钻井液分为以下几种类型：
含盐量
在1%~2%时为微咸水钻井液，在2%~4%时为海水钻井液，在4%与近饱和之间时为非饱和盐水钻井液，在含盐量达最大值31.5%时则被称为饱和盐水钻井液。
如前所述，为了防止盐膏层发生塑性变形和盐溶而造成缩径或井塌等复杂情况的发生，提高所用钻井液的密度是非常有效和必要的，这一点已被国内外盐膏层钻井的实践所证实。
例如，华北油田新家4井使用油包水乳化钻井液钻3630~4518m的盐膏层井段，当钻井液密度为1.90~1.95g/cm3时，在盐岩或含盐膏泥岩处，起下钻均会遇阻。
而钻井液密度提高至2.03~2.04g/cm3时，井下情况正常，下钻仅轻微遇阻，不需划眼就可通过。
因此，为保证安全顺利钻穿盐膏层，必须提高钻井液密度至能够控制盐岩蠕变和塑性变形所需范围。
所需密度应根据井深、井温及盐岩蠕变规律来确定，同时还要根据已钻井实际资料和岩心实测试验数据来进行修正，钻井过程中还需根据该井段的实际情况随时进行调整，以确保钻井作业的顺利进行。
钻井液密度的具体确定方法和应用图版已在第四、五章详细介绍过，在此不再赘述。
一般情况下，盐的溶解是造成盐膏层钻井过程中各种井下复杂情况的主要原因。
因此，要想顺利钻穿盐膏层，就必须采取有效的措施以控制盐的溶解速率。
当钻遇盐岩层、盐膏层或盐膏与泥页岩互层时，盐的溶解会使钻井液的粘度、切力上升，滤失量剧增，因此会进一步增加盐膏层钻井的难度。
若在钻井液中预先加入工业食盐，可使水基钻井液具有更强的抗盐能力和抑制性。
由于饱和盐水钻井液矿化度极高，因此抗污染能力强，对地层中粘土的水化膨胀和分散有极强的抑制作用。
钻遇盐膏层时，由于体系中的盐已达饱和，使盐的溶解受到抑制，因此可使盐膏层中盐的溶解减至最小程度，避免大肚子井眼的形成和井塌等复杂情况的发生，从而使井眼规则，确保钻井过程的顺利进行。
在20世纪80年代中期，我国就研究成功饱和盐水钻井液体系，使其顺利钻进盐膏层，基本解决了盐膏层的盐溶、缩径、井塌及卡钻等井下复杂情况。
因此，现已形成了较成熟的饱和盐水钻井液体系和针对不同地层的饱和盐水钻井液配方。
如胜利油田在新东风10井使用聚合物复合钾盐饱和盐水钻井液顺利通过含盐膏的红层，钻达5344.71m;青海油田在
狮20井使用新型的三磺饱和盐水钻井液钻进；中原油田使用了磺化沥青三磺盐水钻井液钻进。
这些井的钻井实践表明，只要根据地层实际情况对饱和盐水钻井液的配方进行适当调整，就可以顺利钻穿盐膏层。
对于高密度饱和盐水钻井液体系，不仅能尽可能减少盐岩的溶解，而且由于其“高密
度”（2.0~2.5g/cm3），因此可以有效控制盐岩的蠕变和塑性变形，从而解决了盐膏层两大主
要原因引起的复杂情况。
同时由于体系中加入了抗盐、抗高温和强抑制性的处理剂，如磺化酚醛树脂、氯化钾和硅酸盐等，因此可以保证井壁稳定，并可在深井和超深井中使用。
值得注意的是，盐的溶解度会随温度上升而有所增加（见表6-1-1）。
因此在地面配制的
饱和盐水钻井液，当循环到井底时就变得不饱和了，而当循环至地面时又会发生盐的重结晶。
这样，使用饱和盐水钻井液钻进对下部盐膏层仍会因盐溶而带来各种井下复杂情况，而盐的重结晶会给钻井工作带来困难，还会增加泵压、磨损钻具和泵的部件。
此外，如在大段裸眼盐层中钻进时，盐的重结晶会使上部盐层缩径，造成起下钻遇阻卡。
例如江汉油田的王深二井，表层套管下至366m，裸眼钻至5163m。
该井从900m就进入盐层，全井共
钻穿纯盐层1925m，当钻深部井段时，起下钻经常在2000~3400m盐层处遇阻卡。
上下活动钻具比原悬重增减10~30t，因缩径，下钻时钻头受很大测向力，钻头在最薄处产生裂缝，新钻头下钻至井底没有钻进，起钻后就发现钻头直径缩小8mm。
此井段在刚钻穿时，电测
井径均大于钻头直径，但钻深部井段时，曾多次对上部盐层进行测井，发现盐层段井径一次小于一次，后来竟小于钻头直径，但泥岩井径变化不大，而在3400~3900m井段的盐层，
井径扩大。
上述上部盐层由钻开时的扩径，随时间推移而变为缩径，主要是由于盐的重结晶引起的。
此外，盐层本身塑性变形随时间增长而增大亦会造成缩径。
目前，用于抑制盐的重结晶比较有效的方法就是在钻井液中加入适量盐重结晶抑制剂，这样就可以配制在井下高温条件下处于饱和状态的钻井液，而上返至地面时，随温度下降，盐也不会从钻井液中结晶出来，从而解决了上部钻杆、接头及地面循环系统中因重结晶盐粒造成的泵压增加、钻具磨损带来的操作困难。
由于井底的盐处于饱和状态而使盐溶解度减小，因此在饱和盐水钻井液中加入重结晶抑制剂使其成为过饱和盐水钻井液是非常必要的。
另外，配制饱和盐水钻井液时最好选用抗盐粘土，但含量不宜太高。
其配制和维护技术将在本章第三节详细介绍。
表6-1-1几种无机盐在不同温度下的溶解度
溶解度,
盐类
温度，
°C
20
40
60
80
100
CaCl2
\
74.5
115.0
136.8
147.0
159.0
NaCI
36.0
36.6
37.3
38.4
39.8
KCI
34.0
40.6
45.5
51.1
56.7
MgCl2
54.25
57.5
60.71
68.87
72.7
三、高密度饱和盐水钻井液的类型、特点和应用范围
各油田在钻井实践中，已应用成功4种典型的高密度饱和盐水钻井液体系，即聚合物
饱和盐水钻井液、氯化钾聚磺饱和盐水钻井液、氯化钠/氯化钾过饱和盐水钻井液和复合饱
和盐聚合醇硅酸盐钻井液。
尽管它们组成有所不同，但它们都具有以下特点：
1.由于矿化度极高，因此具有很强的抑制性，能有效抑制泥页岩水化，保证井壁稳定;
2•不仅具有很强的抗盐侵的能力，而且能够有效地抗钙侵和抗高温，适于钻穿大段盐膏层，并可在深井和超深井中使用；
3.由于其滤液性质与地层原生水比较接近，因此对油气层的损害较小；
4•饱和盐水钻井液还能有效地抑制地层造浆，流动性好，性能稳定。
因此，高密度饱和盐水钻井液适于钻穿埋藏较深、厚度较大的大段深、厚盐层及岩性复杂的复合盐膏层。
但由于该体系矿化度高，对钻具腐蚀性较大，维护工艺较复杂，耗盐量大导致配制成本较高，因此在一定程度上限制了它的广泛使用。
但总的来说，高密度饱和盐水钻井液是钻进复合盐层和深层大段纯盐层的理想钻井液体系，可以在欠饱和盐水钻井液无法对付的盐膏层中使用。
第二节高密度饱和盐水钻井液体系设计和主要技术指标
一、高密度饱和盐水钻井液的设计原则
盐膏层对钻井液体系的选择和使用提出了非常严格的要求，因此高密度饱和盐水钻井液体系设计应遵循以下原则：
1．盐侵、抗高温，能有效抑制盐溶和水敏性地层水化膨胀，以保证井眼和钻井液性能的稳定；
2．高温条件下，钻井液仍能保持良好的流变性能；
3．具有良好的防塌性、润滑性，并对岩屑具有较好的悬浮和携带能力；
4．具有抗高压、抗低渗含盐量较低的地层水污染的能力和抑制钻井液中盐重结晶的能力；
5．高温高压下仍具有较低的滤失量，能形成薄而韧、压缩性好的泥饼。
二、高密度饱和盐水钻井液的组成
高密度饱和盐水钻井液一般主要由以下组分组成：
一）膨润土或抗盐土
主要用来提高饱和盐水钻井液的塑性粘度和动切力。
一般情况下，钻井液中膨润土含量应控制在25~50g/l。
如膨润土含量过低，则钻井液切力低，影响岩屑的携带与加重剂的悬浮；而膨润土含量过高则钻井液粘切过大，性能不稳定。
钻井液中最佳膨润土含量应随钻井液密度与温度增高而下降。
由于膨润土在盐水中不易水化，故应先将膨润土在淡水中进行预水化，然后再加盐或加到盐水钻井液中。
而抗盐土可以直接加到盐水或饱和盐水钻井液中，但必须使用剪切枪使抗盐土在水中充分分散。
（二）盐类
一般选用氯化钠。
在特殊情况下，亦选用氯化钾与氯化钠进行复配。
对于石膏含量较高的地层，亦可选用硫酸胺，利用同离子效应来控制Ca2+对钻井液性能的不良影响。
（三）护胶剂与降滤失剂
通常选用野生植物胶、生物聚合物、羧甲基纤维素、预胶化淀粉、羧甲基淀粉、聚丙烯酸盐类（如水解聚丙烯腈、水解聚丙烯酰胺、PAC141、SK1104等）来使钻井液流变参数
与滤失量达到钻井工程的要求。
使用时，处理剂数量必须加足，才能保证性能稳定。
上述处理剂抗温能力不同，因此需依据所钻井最高井底温度来选用护胶剂和降滤失剂，以确保在高温下仍具有良好的性能。
钻进深部盐膏层时，为了降低高温高压滤失量，可加入磺化度高的磺化酚醛树脂或SPNH、SLSP等。
（四）降粘剂
对于未加重的饱和盐水钻井液，只要控制好膨润土含量，加足护胶剂和降滤失剂，通常不需要降粘剂。
但对于加重的饱和盐水钻井液，尤其当密度大于1.8g/cm3时，若膨润土
含量过高，则往往需要加入饱和盐水以降低土含量，并加入降粘剂来调整流变参数。
常用的降粘剂有铁铬木质素磺酸盐、磺化单宁、SK-3、XB-40、XY-27以及水解聚丙烯腈的盐类
（五）流型调整剂
饱和盐水钻井液往往动切力低，携带岩屑能力较差。
可加入1%~2.5%改性石棉或海泡
石。
海泡石应预先配成10%预水化浆再加入井浆中。
在高密度饱和盐水钻井液中加入改性
石棉或海泡石之后的性能变化情况见表6-2。
从表中数据可见，加入这两种流型调整剂以后，
动塑比明显增加。
表6-2-1饱和盐水钻井液加入改性石棉或海泡石后的性能变化
钻井液处理情况
钻井液性能
密度
g/cm3
漏斗粘度
s
塑性粘度
mPa-s
动切力
Pa
王西新7-4井浆（井深1518.75m）
1.315
26.5
14
2
加入改性石棉，2%
1.33
29.3
15
5
广1-8井井浆（井深2704m）
1.32
40
28
7
加入海泡石浆
1.34
64
32
11
（六）磺化沥青类产品
对于层理裂隙发育的复合盐膏泥页岩层，为了防止井塌，可加入1%~2%的磺化沥青来
封堵泥页岩的层理与裂隙。
（七）烧碱与纯碱
根据所选用处理剂的需要，可用纯碱除钙，用烧碱调整pH值。
（八）润滑剂
为了改善钻井液的润滑性能，应加入适量的润滑剂或原油、柴油等。
（九）重结晶抑制剂
为了抑制深井段因盐岩溶解而引起井径扩大，并避免出现井下复杂情况以及防止盐的
重结晶，可在饱和盐水钻井液中加入适量的重结晶抑制剂，使其成为过饱和盐水钻井液。
常用的重结晶抑制剂有氮一三乙酰胺、亚铁氰化钠、亚铁氰化钾、氯化镉和NTA。
其中NTA
是一种合成的氮氚三乙酰胺的衍生物盐抑制剂，除了具有抑制盐重结晶的作用外，还能提高钻井液的热稳定性，使滤失量略有下降，对钻井液流变性能影响不大，其加量一般为
0.2%~0.4%（见表6-2-2）。
表6-2-2NTA对钻井液性能的影响
钻井液类型
NTA加
量，%
Cl-浓度，104mg/l
钻井液性能
塑性粘度，
mPa-s
动切力，
Pa
API滤失量，ml
CMC-FCLS
0
17.57
32
4
7
饱和盐水钻井液
0.2
19.83
36
5
6.8
PAC141-143
0
17.53
75
15
5.8
饱和盐水钻井液
0.2
20.45
67
10
5.6
实验表明，NTA不仅在饱和盐水钻井液中具有较好的抑制效果，而且在欠饱和盐水钻井液中亦能起到抑制盐的溶解的作用（见表6-2-3）。
表6-2-3NTA抑制盐溶情况
NTA加量，%
原浆中［CI-，
mg/l
加入盐量，g
浸泡24h后未被溶解的盐
卓C
量，g
溶解率，%
0
134629
4.67
0.21
95.5
0.2
134629
4.30
0.75
82.6
0.4
134629
4.21
1.16
72.4
NTA不仅在过饱和NaCI溶液中具有抑制重结晶的作用，而且在含有Ca2+、Mg2+的过
饱和复合盐溶液中，亦有较好的抑制重结晶的作用（见表6-2-4）。
表6-2-4NTA在过饱和复合盐溶液中的抑制作用
NTA加量溶液中离子浓度，mg/l
%
小2+
Ca
2+
Mg
Cl-
0
820
1430
188300
0.1
820
1430
204300
0.2
820
1430
193600
目前，NTA已在中原、江汉、长庆、新疆、青海、胜利等油田得到应用，取得较好的
使用效果。
如中原油田文东地区在饱和盐水钻井液中加入NTA后，盐层平均井径扩大率从
10%降至5%以下，并消除了在钻具和地面循环系统中产生的盐重结晶现象。
江汉油田钻进潜四下盐层时，使用NTA后有效地防止了因盐重结晶而引起的盐卡。
为了提高饱和盐水钻井液的热稳定性，还可加入适量的司盘-80、烷基苯磺酸钠或烷基
磺酸钠、重铬酸钠等。
三、高密度饱和盐水钻井液的典型配方和性能
高密度饱和盐水钻井液各种主要性能的一般范围是：
密度，2.0~2.30g/cm3;漏斗粘度，
60~80s;塑性粘度，60~75mPas;动切力，10~20Pa；API滤失w4ml/1.0mm;HTHP滤失w10ml/3.0mm;膨润土含量,20~30g/l;[Cl]>190,000mg/l;pH值,9~10。
表6-2-5、6-2-6、6-2-7和6-2-8分别是应用比较成功的几种饱和盐水钻井液的配方和性
表6-2-5中原油田文东地区使用的高密度聚合物饱和盐水钻井液配方
处理剂加量，kg/m3
处理剂名称
主要功用
配方1
配方2
配方3
配方4
钠膨润土
提粘切、降滤失
30~40
30~40
30~40
30~40
纯碱
除钙
5〜7
5~7
5~7
2~3
烧碱
除镁调节pH值
3~5
3~5
3~5
5~6
氯化钠
提高含盐量
360~370
360~370
360~370
360~370
CMS
护胶、降滤失
20~25
20~25
20~25
20~25
CMC（高粘）
提粘、降滤失
10~15
磺化酚醛树脂类产品
（SP或SLSP或SPNH）
降滤失
20~25
20~25
20~25
15~30
聚丙烯酸盐类产品（KPAM或
CPA或MAN101.101或SK）
护胶、降滤失、
抑制泥岩分散
2〜4
2~4
2~4
0.75~1
磺化沥青
封堵剂
15~20
15~20
15~20
15~20
磺化褐煤
降粘、降滤失
5~10
XW-74
降粘、降滤失
1~3
磺化单宁
降粘切
5~3
（5~10）
铁铬木质素磺酸盐
降粘切
5~10
盐重结晶抑制剂
抑制盐溶与重结
晶
3~4
0.5~1
润滑剂
降低泥饼摩擦系
数
视需而
疋
视需而
疋
视需而
疋
改性石棉
提高携岩能力
视需而
疋
视需而
疋
视需而
疋
表6-2-6中原油田文东地区使用的高密度聚合物饱和盐水钻井液的性能
层位
23
S3〜S3
S34
井深，m
2600~3700
3400~4300
密度，g/cm3
1.75〜1.95
1.85~2.0
粘度，s
40~60
40~70
滤失量，ml
2〜4
2~4
泥饼，mm
<1
<1
初切力，Pa
0.5〜1.0
1.0~2.0
终切力，Pa
2.0〜3.0
2.0~4.0
含砂量，%
<0.5
<0.5
pH值
8~10
8~10
塑性粘度，mPas
30~60
35~70
动切力，Pa
10~20
15~22.5
HTHP滤失量，ml
<15
<15
泥饼摩擦系数
<0.15
<0.15
n值
0.6〜0.8
0.6~0.8
低密度固相含量，%
<15
<15
亚甲基蓝含量，g/l
20~35
15~30
总固相含量，%
—
30~45
Cl-浓度，mg/l
>185,000
>185,000
表6-2-7塔里木油田羊塔克地区使用的高密度KCI聚磺饱和盐水钻井液的
配方及性能
井段，m
4800~5250
层位
Nj〜E
钻井液配方
（1.5%〜2%）膨润土浆+6%SMP-1+7%KCI+3%FT-1+3%柴油+2%DH-1+2%RH-4+3%FCLS
钻
P，g/cm3
1.6~2.3
井
FV，s
60~90
液
PV，mPa-s
35~100
性
YP,Pa
10~25
能
Tg，Pa
3〜6/8〜10
APIFL,ml/mm
3~5/0.5~1
HTHPFL,ml/mm
<20/3.0
MBT,g/l
15~20
Kf
<0.1
pH
9.5〜11
含砂量，%
<0.5
Cl-浓度，mg/l
>185,000
Ca2+浓度，mg/l
<200
表6-2-8塔里木油田克拉苏地区使用的高密度复合饱和盐聚合醇硅酸盐钻井液的
配方及性能
层位
下第三系
钻井液配方
（1.5%〜2%）膨润土浆+1.5%烧碱+（6%〜8%）SMP-2+
（1.5%〜2.0%）SPC+（1.0%~1.5%）PSC-2+1.0%润滑剂+
（3%~5%）聚合醇+1.5%硅酸盐
+25%NaCl+7%KCI+（3%~5%）沥青类
P，g/cm3
2.00~2.38
钻
PV，mPa-s
70~115
井
YP，Pa
7.5~15
液
tg，Pa
3~5/7~15
性
APIFL，ml/mm
2.5~4.2/0.5
能
HTHPFL，ml/mm
4.8~15/1~2
MBT，g/l
15~20
10
190,000
pH
含砂量，%
Cl-浓度，mg/l
Ca2+浓度，mg/l
对于不同的高密度饱和盐水钻井液体系和配方不同，其适用的地层、应用效果和配制成本等也有所不同。
因此，应根据实际地质特点和以往的钻井实践，并同时综合考虑成本和维护等方面的因素，对高密度饱和盐水钻井液体系及配方进行优化设计，使其能够达到所需的各项钻井液性能指标，以满足钻井、测井和固井对钻井液的要求，达到安全、顺利地钻穿复杂的盐岩层和盐膏层的目的。
第三节高密度饱和盐水钻井液的配制和维护技术
一、配制高密度饱和盐水钻井液的一般方法
配制高密度饱和盐水钻井液的方法可大致分为两种。
一种是在地面直接配好饱和盐水钻井液，在钻达盐层前将其替入井内，然后钻穿整个盐岩层。
另一种方法是在上部地层使用淡水或一般盐水钻井液，然后在循环过程中提前进行加盐处理，使含盐量和钻井液性能逐渐达到要求，在进入盐岩层前转化为饱和盐水钻井液。
然而，在现场实际操作中，有以下四种方法用于配制高密度饱和盐水钻井液。
（一）新浆转化
采用该方法配制高密度饱和盐水钻井液的一般步骤为：
1配制预水化膨润土浆。
首先往清水中加入NaOH（约4.3kg/m3）与Na2CO3（约7kg/m3）,沉除Ca2+与Mg2+后,调整pH至9~10。
再加入钠膨润土110~150kg/m3。
以上处理剂和配浆土的加量应依据钻井用水的总矿化度及各种离子含量和土的来源而定。
2.配制饱和盐水胶液。
当下钻至技术套管鞋以上10~20m时，用清水替出老浆。
再加入2/3所需的各种处理剂，
待溶解后，加入NaCl至饱和。
3•将预水化膨润土浆与饱和盐水胶液混合。
按所需密度控制钻井液中膨润土的含量，其含量应随钻井液的密度增加而降低（参考表6-3-1）。
然后加入剩下的1/3各种处理剂，循环至处理剂全部溶解。
待钻井液性能稳定后，
加盐至饱和。
如果需要，再加入0.4%左右的盐重结晶抑制剂。
4•将钻井液加重至所需的密度。
表6-3-1膨润土的推荐加量
钻井液密度，
g/cm3
1.20〜1.40
1.40〜1.60
1.60〜1.80
1.80~2.0
2.0~2.5
推荐的膨润土含量，g/l
45~60
35~50
20~35
15~25
15~20
（二）技术套管内用井浆转化
将钻具下至技术套管中，边加清水边放掉1/3~1/2井浆，按所需配浆密度调整钻井液
中膨润土的含量，使其达到所需要的范围。
然后按照与新浆转化同样的步骤加入各种处理
剂与盐。
（3）裸眼转化
在进入盐层之前，配好转化饱和盐水所需处理剂的胶液。
然后根据室内试验确定胶液与井浆的混合比例，边混胶液边放掉多余的钻井液。
完成替换之后，加盐至饱和，并补充部分处理剂，使其达到所需的性能，必要时加重并加入盐重结晶抑制剂。
（4）裸眼替浆
在地面按第一或第二种方法配制饱和盐水钻井液，然后将井浆全部替出放掉。
二、用抗盐粘土配制高密度饱和盐水钻井液的方法
如果条件允许，最好选用海泡石、凹凸棒石等抗盐粘土配制饱和盐水钻井液。
如选用膨润土，则体系中总固相和膨润土含量均不宜过高，以防止在配浆过程中出现粘度、切力过高的情况。
若饱和盐水钻井液体系是由井浆转化而成，应在加盐前先将固相含量及粘度、切力降下来。
用抗盐粘土配制饱和盐水钻井液的步骤如下：
（1）在每桶（0.159m3）淡水中加入125lbm（56.75kg）工业食盐，即可得到密度为1.13g/cm3的饱和盐水；
（2）在饱和盐水中加入28~30lbm/bbl（79.9~85.6kg/m3）优质抗盐粘土，即可配成漏斗粘度为36~38s的原浆；
（3）然后加入淀粉，边加边搅拌。
当加量为4~5lbm/bbl（11.4~14.3kg/m3）时，一般可使滤失量降至15ml以下；而加量为8~10lbm/bbl（22.8~28.5kg/m3）时，可使滤失量控制在5ml以内。
三、配浆实例
塔里
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