“低聚”超高密度钻井液技术.pdf

第 2 9卷 第 1 期 2 0 1 2年1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUl D 、 ， o 1 ． 2 9 No．1 J a n．2 01 2 【 理论研究与应用技术 】 “ 低聚“超高密度钻井液技术 艾贵成， 李德全 ， 王卫国， 梁志印， 乔 国文 西部钻探工程有限公司国际钻井公司，乌鲁木齐 艾贵成等 ． “ 低聚”超高密度钻井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 1 3 1 ． 3 3 ． 摘要为解决超高密度钻井液在流动性、滤失量、润滑防卡等方面的技术难题，以控制钻井液中聚合物的种 类和加量为突破 口，采用低碳链的聚合物，并以尽量减少聚合物加量为重点，根据内滤饼质量控制理念和理想充 填理论，经过粒度分析和粒径曲线拟合，以调节不同粒径石墨粉的加量来控制高温滤失量和润滑性，研发出了 “ 低 聚”超高密度钻井液技术，该体系具有 良好的流动性、润滑性和低滤失量等特点。该钻井液在吉达 4 、南贡 1井的 应用 中最高密度为2 ． 4 4 g ／ c m ， 温度达 1 6 3℃，实现了零事故作业，创造 了良好的经济和社会效益。 关键词 超高密度钻井液 ； 钻井液添加剂 ； 聚合物 ； 石墨粉 ； 理想充填量 ； 流变性 ； 滤失量 ； 费尔甘纳 中图分 类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 2 0 1 0 0 3 1 - 0 3 目前， 国内外高密度钻井液技术应用比较普遍， 有油基、聚磺、盐水和有机盐钻井液等。在实际作 业 中，处理好技术可行性、经济合理性 、储层保护 和环境保护等方面 的综合 因素就显得特别重要 。有 机盐钻井液技术优势 明显 ，但成本高出普通聚磺钻 井液 3 ～l 0 倍， 制约其推广应用。为解决这一难题， 在乌兹别克斯坦费尔甘纳盆地吉达 3 井 的钻探 中应 用了氯化钠 一 氯化钾复合盐水钻井液体系，在吉达 4井的钻探 中 ，通过总结分析氯化钠 一 氯化钾复合 盐水钻井液技术的得失 ，开发出了超高密度氯化钠 盐水钻井液技术，并取得了良好的应用效果，成功 在南贡 1 井进行了推广应用 [ 1 - 4 ] 。 1 “ 低 聚” 超 高密度钻井液概念的提出 超 高密度钻井液的核心难题是如何优化控制流 动性、滤失量、润滑防卡和沉降稳定性等主要性能 指标。在吉达 3和吉达 4井前期的现场作业 中发现 钻井液流动性差 ，氯化钠 一 氯化钾复合盐水钻井液 密度达到 2 ． 3 5 g ／ c m。 后 ，再也无法进一步提高密度 ， 致使无法压稳高压过饱和盐水层 ； 钻井液沉降现象 严重 ； 润滑防压差卡钻性能差 ； 盐结晶现象严重。 在现场作业中，发现聚合物 的加入对流变性影 响很大 ，甚至影响到了正常施工作业 ，从而着手开 发少用、不用聚合物或使用低碳链的聚合物的超高 密度钻井液工艺。 乌兹别克斯坦矿产资源丰富，考虑运输、关税 等综合成本 因素 ，选择使用当地 的重晶石 、铁矿粉 和氯化钠 ， 氯化钾需要从 中国采购 。在现场作业 中， 氯化钾对流变性 、滤失量有一定 的影响，因此选择 氯化钠作为单一盐水加料。在此基础上，开发了聚 合物含量低和低碳链的 “ 低聚”超高密度钻井液。 2 钻井液 主要 性能 的控制 2 ． 1 抑制性 现场作业用钻井液基本配方如下，在此基础上 进行优化设计 。 1 5 ％～8 ％ S MP 一 2 4 ％～6 ％ S MC 3 ％ ～ 5 ％ S P N H 0 ． 4 ％～0 ． 6 ％ Na OH 8 ％～1 0 ％ 基金项 目 中石油集团公司重点项 目 乌兹别克斯坦费尔甘纳盆地深井超深井钻井技术研究与应用 2 0 0 8 E 一 1 6 ． 0 7的 钻井液现场研究与应用部分。 第一作者简介 艾贵成，高级工程师，1 9 9 8年毕业于西南石油学院化学工程专业，现在从事钻井液技术研究与技术服 务工作。地址 新疆乌鲁木齐市河滩北路 1 5 3号西部钻探工程有限公司国际钻井公司工程技术部 ； 邮政编码 8 3 0 0 0 0；电话 0 9 9 1 4 5 8 5 6 2 0； E ma i l a g c 3 9 2 6 1 3 4 s o h u ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 钻 井 液与 完 井 液 2 0 1 2年 1月 S MT O ． 3 ％～0 ． 5 ％Na 2 C O 3 3 ％～5 ％F S o l t e x 2 5 ％～3 0 ％ Na C I 0 ． 1 ％～0 - 3 ％ L v _ P A C 1 ％ ～ 3 ％ S D5 0 5 0 ． 0 2 ％～0 ． 0 3 ％ S P 一 8 0 0 ． 2 ％NT A 加重剂 重晶石与铁矿粉的比例为 2 1 现场作 业过程 中，在 井浆 中加人 0 ． 1 ％～0 ． 5 ％ 的 F A． 3 6 7 ，发现 F A ． 3 6 7 对钻井液的流变性影响很 大，因此，考虑以单一的氯化钠盐水提供抑制性， 结果如图 1 ～图3 所示。据现场试验结果可知 氯 化钠溶 液的岩屑 回收率达到 6 0 ％ ； 在 2 0 ％Na C I 溶 液 中加入不同浓度 的 F A． 3 6 7 ，随着 F A． 3 6 7浓度 的 增加 ，回收率升高 ， 在 F A一 3 6 7 浓度达到 0 ． 5 ％ 以后 ， 回收率达到 8 5 ％，浓度再增加 ，回收率无明显升高 ； 但 F A ． 3 6 7 的加入能显著影响流变性，致使表观黏 度、塑性黏度和动切力大幅上升，钻井液流动性变 差，直至滴流。因此使用单一氯化钠取代了F A 一 3 6 7 和氯化钠复合配方。 7 0 6 0 逞5 0 瓣4 O 3 O 国2 O l O O Na Cl 图 1 岩屑在不同浓度氯化钠溶液中的回收率 F A- 3 67 ／ ％ 图 2 岩屑在 2 0 ％Na C I F A 一 3 6 7溶液中的回收率 籁 爆 FA- 3 6 7 ／ ％ 图 3 F A． 3 6 7 对钻井液流变性的影响 2 ． 2 滤 失量 对于高密度钻井液 ，控制滤失量的关键是要形 成渗透率低 的内滤饼 『 1 _ 。在前期施工和实验的基础 上 ，优化了钻井液配方 ，形成的配方如下 。 2 2 0 ％3 0 ％ Na C I 0 ． 5 ％～ 1 ％ S MP ． 2 0 ． 5 ％～ 1 ％ S P 一 8 2 ％～3 ％ 硬沥青 3 ％～ 5 ％ S P NH 3 ％～5 ％ P S C 3 ％～5 ％ 石墨粉 2 ％ ～ 5 ％ S F ． 2 6 0 1 ％～ 2 ％ S D一 5 0 5 0 ． 1 ％ ～0 ． 2 ％ S P ． 8 0 加重材料 7 0 ％ 重晶石 3 0 ％铁矿粉 该钻井液 主要 以 S MP 一 2 、 S P 一 8 、硬沥青、 S P NH 作为主降滤失剂，但体系流动性较差，高温滤失量 为 3 5 mL 。分析认为，影 响流变性的原因是加入了 S MP 一 2和 s P 一 8 ，因此，考虑不加或少加聚合物类降 滤失剂控制滤失量。根据 内滤饼质量控制理念和理 想充填理论，经过粒度分析和粒径曲线拟合，在体 系中加入 粒径分别为 0 ． 1 8 0 、0 ． 1 5 4 、0 ． 1 0 0 、0 ．0 7 6 、 0 ． 0 3 8 5 mm的石墨粉，按最优配 比复配，利用石墨 粉优化 内泥饼质 量，且石墨粉具有 天然抗 高温能 力，在 1 8 0 o C 下成功将滤失量控制在 1 5 mL以内。 采用高压悬辊磨工艺获得 的石墨 成品粒度在 0 ． 0 3 3 ～ 0 ． 1 7 8 mm范 围内可任 意调节，部分 物 料可达 到 0 ． 0 0 9 8 mm。优化后 的控滤失量方案为 2 ％～5 ％ 沥青 5 ％～1 0 ％S P NH 3 ％～8 ％石墨粉。 嘉 鑫 6 0 鐾 4 0 2 0 略 ’ 0 9 0 ． 1 5 4 9皿 m 2 O 2 5 3 O d a ／ im a 图 4 最优复配石墨粒径拟合曲线 2 ． 3 流 变性 超高密度钻井液通常选用活化重 晶石 或经过 酸洗、碱洗 的重 晶石 、高纯度 的铁 矿粉。在 施工 中， 受当地原材料限制，只能通过改善工艺来改善 流动性，包括用无黏土配浆，尽量减少钻井液 中的 土质含量 ； 在满足悬浮防沉降的条件下， 减少聚合 物类处理剂加量和采用低碳链的聚合物 ； 选用优质 的降黏剂， 作业中选用了硅氟降黏剂 S F 2 6 0 ； 采用 1 0 ％P s c 1 0 ％s MT 1 0 ％s Mc复合胶液加重后，等 浓度混入井浆中进行维护，避免性能波动。 2 ． 4 润滑 性 通过对润滑剂的复配试验，单一的液体润滑效 衄蛳衄 ∞ m 为 为 为 径 径径 线 化 粒 粒 粒 基 优 } } 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 1 期 艾贵成等 “ 低聚”超高密度钻井液技术 3 3 果不是太理想，因而采用固一 液接合方式大幅降低 摩擦系数，室内优选出的润滑方案为 1 ％～2 ％ S D． 5 0 5 3 ％～8 ％ 石墨粉 O ． 0 1 ％S P ． 8 0 ， 作业 中， 摩 阻系数 小 于 0 ． 2 0 ，润 滑性能 良好 ，避免 了超 高密度钻井液施工中的压差卡钻事故 。 2 ． 5 悬浮 性 在减少聚合物加量情况下， 如何减少加重材料 的沉降是一个难题。 加重材料颗粒太小， 比表面积越 大，黏度效应越强，但是固相颗粒粒径过大，沉降 稳定性差。 在作业中，通过调整润滑剂 S D ． 5 0 5 的加量， 一 方面增强体系的润滑性，另一方面也提高塑性黏 度， 增加液相黏度， 增强悬浮能力，但效果不是太 理想 ，静置 2 4 h后 ，上下密度差为 0 ． 0 5 g ／ c m。 ，杯 底有 0 ． 5 ～ 1 mm 的沉积。沉积物 中多为较大颗粒的 铁矿粉。经过改善铁矿粉加工工艺，控制粒径为 7 5 m 的颗粒含量小于 0 ． 5 ％、4 5 m 的小于 8 ％、6 1 小于 1 0 ％以后，沉降稳定性得到改善，上下密度差 小于0 ．0 3 g ／ c m。 ， 沉降堆积量在可控范围内。关键要 素是要尽量减少加重材料粗颗粒和细颗粒的含量。 2 ． 6配方评 价 经过不断 的优化 ，最终采用的配方如下 。对配 方进行高温条件下的评价实验 ，结果见表 1 。 2 0 ％～3 0 ％ N a C I 2 ％～5 ％ 沥青 5 ％～ 1 O ％ S P NH 3 ％～8 ％石 墨 粉 1 0 ％P S C 1 0 ％ S MT 1 0 ％S MC 1 ％～ 2 ％ S D一 5 0 5 3 ％～ 8 ％ 石墨粉 0 ． 0 1 ％S P ． 8 0 7 0 ％重晶石 3 0 ％铁矿粉 表 1 优化配方钻井液的性能评价 注 热滚条件为 1 8 0℃、1 6 h 。 实验表明，密度达 2 ． 5 0 g ／ c m 时该钻井液抗温 达到 1 8 0℃，高压热滚后性 能稳定，流变性可调 ， 能够满足钻探 的需要。 3 现 场应 用 将优选出的钻井液配方在费尔甘纳区块卡拉吉 达构造上 的吉达 4、南贡 1 井进行 了应用。吉达 4 井井深为 6 5 9 6 m，钻井周期为 3 6 0 d ，最高密度为 2 ． 4 4 g ／ c m ， 温度为 1 6 3℃。 南贡 1 井井深为 5 7 1 7 m， 钻井周期为 2 9 5 ．9 6 d ，同比周期缩短 5 7 ％，最高密 度为 2 ． 2 5 g ／ c m ，温度为 1 5 7℃。2 15井实现 了零事 故作业，没有发生压差卡钻、沉降卡钻事故。 维护处理工艺 ①配制前先对循环罐和过渡槽 进行彻底清理 ，根据钻井液配方 ，严格按照井浆与 胶液的配制 比例用小排量进行缓慢混掺 ，过快会导 致加重材料下沉。②合理使用固控设备，特别是离 心机 。超高密度条件下 ，使用离心机时，除去 的加 重材料较多，密度下降快，一般停止使用离心机， 主要通过调换不同筛孔大小的除砂器来控制固相。 4 结论 1 ． 开发的低聚超高密度钻井液具有流动性好、 高温滤失量小、润滑防卡性能优等特点，能满足密 度为 2 ． 5 0 g ／ c m 、温度为 1 8 0 c 条件下 的施工作业。 2 ． 从控制钻井液中聚合物的加量、聚合物的分 子链 的角度 ， 对超高密度钻井液进行 了有益的探索。 通过减少聚合物的加量，根据理想充填理论合理调 控体系固相粒子分布，并配合硅氟降黏剂的应用， 保持了钻井液的良好流动性。采取 “ 固 一 液接合” 的润滑方式 ，有效改善了钻井液的润滑 防卡能力 。 3 ． 进一步研究石墨粉的降滤失和润滑机理，并 开发相应的产品，将有助于超高密度钻井液技术的 进步 。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘德胜，徐学兵，李济生，等 ． 严重造浆地层高密度钻 井液技术研究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 6 ，2 3 ， 5 4 7 ． [ 2 ] 匡韶华，蒲晓林 ，柳燕丽 ，等 ． 高密度钻井液稳定性和 流变性控制技术 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 1 1 ， 2 8 3 5 - 8 ． [ 3 ] 赵利，郭延辉，李竞，等 ． 金河 1 井有机盐氯化钾高密 度钻井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 1 ，2 8 1 7 8 8 0 ． 【 4 ] 盖靖安 ，王多夏，王莉，等 ． 乌兹别克斯坦费尔甘纳地 区吉达 4井钻井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 1 1 ，2 8 3 1 9 ． 2 3 ． 收稿 日期2 0 1 1 - 8 ． 2 5 ；HGF 1 2 0 1 F 5 ；编辑付碉颖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m