SJY-1防塌钻井液的研究及应用.pdf

第 2 6卷 第 5 期 2 0 0 9年 9月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI I I I NG FLUI D COM P LETI ON FI UI D Vo 1 ． 2 6 NO ． 5 Se pt ．2 0 09 文 章 编 号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 9 0 5 0 01 4 0 3 S J Y一 1防塌钻井液的研究及应用 金祥哲 陈在君 杨斌 中石油川庆钻 探工程有 限公 司工程技术研究院 ， 西安 摘要 为解决长北气 田双分支水平井 3 ． 1 5 mm斜 井段钻进 中缩径 、 扩径、 坍塌掉块 、 钻头 泥包 等井下情况 所致的机械 钻速低 、 建 井周 期长 的技术难题 ， 研发 出 了有机抑 制剂， 将 它与无机 抑制剂 复配形成 复合抑制 剂， 以其 为主要防塌 剂优选 出了无膨润土的 s J Y 1防塌钻 井液 。对该 防塌钻井液的防塌性、 润滑性及对加 重材 料的悬浮性 能进行 了室内评价 。结果表 明， 该钻 井液 的一次 回收率大于 8 5 ， 二次 回收率大于 6 9 ， 页岩 膨胀量 降低 率最低 达 7 2 ． 4 ； 用 D A I I 动态润滑仪测得 6 O N侧 向力条件下该钻 井液 的扭矩 降低 2 7 ． 5 ％ ， 摩擦 系数降低 1 8 ． 2 。该 钻井液在现场试验 9口井 ， 均没有 出现 明显 的遇阻现象 ， 岩屑 内部呈现 干态； 稳定 井壁 的钻 井液 密度 从 1 ． 2 3降至 1 ． 1 8 g ／ c m。 ， 使 3 1 1 ． 1 5 r n m 井段机械钻速提高 了 4 7 ． 7 ， 施工周期缩短 了 5 7 ． 1 ； 解决 了 P D C钻 头的泥包 问题。 关键词 防塌钻 井液 ； 抑制 剂； 井眼稳定； 机械钻速； 长北气 田 中 图分 类 号 TE 2 5 4 ． 3 文 献标 识 码 A 在 长 北气 田双 分 支 水平 井 3 1 1 ． 1 5 mm 斜 井 段 钻进时 ， 因“ 双 石层” 属 于易 吸水膨 胀 的泥页岩 ， 且 其 底部夹 有煤层或 煤一 泥 页岩} 昆 层 ， 易发 生 由泥 页岩 吸水膨胀引起的缩径、 扩径 、 坍 塌掉块、 钻头泥包等 井 下复杂情 况或事 故 ， 导致斜 井段施 工周 期延 长 ， 如 C B 3 1 井 ， 其斜 井 段 施 工 周 期 长 达 1 8 9 d 。长 北 气 田 自 2 0 0 5年 开始 开 发至 2 0 0 7年 底 ， 仅 完钻 9口 水 平井 。针对上 述 难题 ， 分 析 了导致 井 下 复 杂 的 因 素 ， 研究 出 了以复合抑 制剂 为主要 防塌剂 ， 具 有强 抑 制性 、 携砂性 能 良好 、 润滑 减 阻效 果 明显 的 S J Y一 1 防塌钻 井 液 ， 使 长 北 气 田斜 井 段 的 机 械 钻 速 提 高 5 0 以上 ， 实现 了 2 0 0 8年 内完钻 9口井 的 目标 。 l S J Y l钻 井 液 防塌机 理 通过正交试验 ， 形成 S J Y _ l防塌钻井液配方如下 。 淡水 0 ． 2 Na OH0 ． 2 有 机 抑 制 剂 KP A 0 ． 3 生物 聚合 物 AS V 一 1 I 7 ． 0 无 机钾 盐 抑制 剂 C P 一 1 0 ． 5 P AC R0 ． 2 HC HO 消 泡剂 1 ． 5 润 滑剂 D F I 一 1 加 重材料 其中， KP A是根据聚合物在黏土颗粒上 的多 点 吸 附和成膜作 用 阻止 黏 土水 化膨 胀 的机 理 ， 自主 研发 的有 机 长 链 抑 制 剂 。KP A 既含 有 抑 制 页 岩 、 稳定 井壁 的 阳离子 ， 还 含有有 机 长链 ， 其 在长链 上氢 键或静电引力的作用下， 在黏土颗粒表面发生多点 吸附， 吸附多个黏土颗粒的有机长链包被黏土颗粒 进而阻止其吸水分散 。C P 一 1为常用的无机钾盐 ， 主 要用 其抑 制黏 土 的水 化分 散 。无 机盐 的加入 还能 提 高钻 井液 水相 的矿化 度 ， 降低水 相活 度 ， 减小 钻井 液 水相与地层水相间的渗透压差 ， 降低了钻井液水相 进入地层黏土 中的势能 。另外 ， 加入无机钾盐可减 少 KP A在水相中的溶解度 ， 使其在黏土表面的吸 附量增加 ， 并产 生 致 密 、 坚 实 的保 护膜 ， 充分 发 挥 膜 隔离水 分子 和碳 链 憎 水 阻水 的双 重 作用 ] 。因此 ， 将 自主研 发 的有机 抑制剂 KP A 与优选 的无 机钾 盐 抑制剂 C P 1 进行复配， 形成复合抑制剂。 2 S J Y - 1防塌钻 井液室 内评价 2 ． 1 抑 制性 在 上述 配方 基 础 上 ， 改 变 C P 1和 KP A 的 加 量 ， 分别测其一 次、 二次岩心 回收 率和页岩膨胀 率 实验 温 度 为 1 0 0℃ ， 结 果 见表 1 。由表 1可 以看 出 ， 随着 抑制剂 加 量 的降低 ， 一次 、 二 次 回收率 都 略 基金项 目 川庆钻探工程有限公司 2 0 0 8年度科研 项 目 双钾离子聚合物钻井液体 系研 究及 应用 。 第一作者简介 金祥哲 ， 工程师， 1 9 7 0年生， 2 0 0 5年于西安石油大 学硕 士研 究生毕业 ， 现在从事钻 井液研 究工作。地址 陕 西 省 西 安 市未 央 区兴 隆 园小 区长庆 大夏 A3 0 1 ； 邮政 编 码 7 1 0 0 1 8 ； 电话 0 2 9 8 6 5 9 3 5 0 1 ； E ma i l j i n x ia n g z h e l 9 7 0 1 2 6 ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 5期 金 祥哲 等 S J Y ～ 1防 塌钻 井液 的研 究及 应 用 1 5 有下降， 但一次回收率 均大于 8 5 ， 二次回收率均 大于 6 9 ， 页岩膨胀降低率最低也达 7 2 ． 4 ， 表 明 S J Y 一 1钻井 液具 有很 强 的抑制 性 。 表 1 S J Y - 1 防塌钻井液的抑制性 8 O． 3 9 2． 83 76 ． 5O O． 2 91 ． 04 7 4．7 2 0． 1 8 8． 74 71 ．5 3 8 2． 7 0 7 9． 6 0 7 3． 2 O 0． 3 9 0． 51 73 ．3 0 0． 2 8 8． 56 7 0． 27 O．1 8 5． 38 69 ． 35 8 0． 43 7 6． 6 O 7 2． 4 0 2 。 2 润滑 性 采用上述钻井液配方， 改变 D F L 一 1的加量， 借 助 DA I I 动态模 拟 润滑 仪测其 在 不 同侧 向力条件 下 的摩擦系数和扭矩 ， 观察在不 同侧 向力下体 系的润 滑性 能 ， 结 果见 表 2 。 表 2 Sd Y 一 1防 塌 钻 井 液 的 润 滑 性 侧 向力 D F I 1 ， 扭矩 侧 向力 DF I ～ K 扭 矩 K f N N m N N m 1 2 O 0 0． 17 0 3 0． 0 6 O O O ．1 48 2O ．O O． 25 O． 16 6 2 8． O O ．2 5 O ．1 43 1 8 ．6 O． 5O O．1 6 2 26 ． O O ．5 O O ．1 39 1 7 ，3 1 ． OO O． 15 8 25 ． O 1． O O O ．1 35 1 6 ．8 1 ． 50 0．1 5 5 2 4． 5 1． 5 0 0 ．1 32 1 6 ．0 2 ． OO O．1 5 1 2 4． O 2． O O O ．1 3O 1 5 ．4 3． OO 0．1 5 0 2 4． 0 3． O O O ．1 27 1 5 ．O 4 ． OO O． 14 8 2 3． 6 4 ．0 O O ．1 25 1 4 ．8 5 ． OO O．1 4 7 23 ． 0 5． O O O ．1 21 1 4． 6 6 ． 00 0．1 4 7 22 ． 5 6． O 0 0 ．1 21 1 4． 5 从表 2可 以看 出 ， 随着 D F I ～ 1加 量 的 增 加 ， 防 塌钻 井液 出现 较 好 的 润 滑 效 果 ， 6 0 N 侧 向力 时 ， 扭 矩从 2 0 ． 0 N m 降到1 4 。 5 N m， 降低率为 2 7 ． 5 ， 摩擦系数从 0 ． 1 4 8降低到 0 ． 1 2 1 ， 降低率为 1 8 ． 2 ； 1 2 o N侧向力 时， 扭矩从 3 0 ． 0 N m 降低到 了2 2 ． 5 N m， 降低 率 为 2 5 ， 摩 擦 系数 从 0 ． 1 7 0降低 到 了 0 ． 1 4 7 ， 降 低 率 为 1 3 ． 5 9 ／ 6 ； 且 D F L 一 1浓 度 超 过 3 时 ， 扭 矩 和摩擦 系 数趋 于稳 定 ， 润 滑 剂加 量 以 1 ． 5 为宜 。 2 ． 3 对加重材料的悬浮性 向钻 井 液 中加 入 1 4 重 晶石 粉 后 ， 静 置 1 2 h ， 取 容 器上 部样 品测 其热 滚 前后 的性 能 ， 结果 见 表 3 。 由表 3可 以看 出 ， 钻井 液加 重后 除 密度相 应 升高外 ， 其它 性 能变化 较 小 ， 只是润 滑 系数有 所 回升 ， 这是钻 井液 中固相含 量 增 加 的 结 果 ， 热 滚 后无 沉 淀 。表 明 该钻井液能够满足加重 的要求 ， 加重后能够悬浮加 重 固相 于钻井 液 中而 不发 生下沉 。 表 3 钻 井液加重前后 的性能 注 * 取 容器上部钻井液测其密度 。 3 现 场 应 用 S J Y一 1防 塌钻 井 液 于 2 0 0 8年 初 在 长 北气 田进 行 了现场 应用 ， 应 用 中该 防塌钻 井液 性能 良好 、 易 于 配制 、 维 护方 便 、 简 单 。钻 井 液 密 度 为 1 ． 0 3 ～ 1 ． 1 8 g ／ c m。 ， 漏 斗黏 度 为 4 5 ～ 8 5 S ， 中压 滤 失 量 为 3 ～ 8 mL， 摩 擦 系数 为 0 ． 0 2 ～O ． 0 7 ， 静 切力 为 2 ～6 ／ 5 ～ 1 4 P a ／ p a ， p H 值 为 8 ． 5 ～ 1 0 ． 0 ， 塑 性 黏 度 为 1 1 ～ 2 0 mP a S ， 动切 力 为 6 ～ 1 4 P a ， 。 读 数 为 4 ～ 1 5 ， 膨 润 土含 量 为 3 3 ． 0 ～ 4 6 ． 5 k g ／ m。 ， 固 相 含 量 为 4 ～ 8 ， 含砂 量 为 0 ． 1 ～0 ． 5 。 该钻 井液 的成 功 应 用 ， 使 3 1 1 ． 1 5 mm 斜井 段 井下复杂减少 、 机械钻速提高、 施工周期缩短 ， 保 障 了 2 0 0 8年 完 钻 9口井 的 目标 ， 刷 新 了 多项 气 田记 录 C B 5 1斜井段 的机 械钻 速 达 7 ． 8 m／ h ， C B 6 1井 2 8 0 0 m 长 的 3 1 1 ． 1 5 mi l l 裸 眼斜井 段 钻进 只用 了 2 9 d ； 2 0 0 8年 3 1 1 ． 1 5 mm 井 眼 进 尺 突 破 3万 m， 较 2 0 0 7年翻一倍 。应用中取得 了如下的效果 。 1 降低稳定井壁的平衡密度。使用 S J Y l防塌 钻井 液后 ， 稳定 井 壁 的 钻井 液 密 度 从 1 ． 2 3降 低 至 1 ． 1 8 g ／ c m。 。主要 原 因是 钻 井 液 具 有 较 强 抑 制性 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 钻 井 液与 完 井 液 2 0 0 9年 9月 能阻止泥页岩吸水膨胀 ， 降低井壁页岩的坍塌压力。 2 良好 的井 眼净化 效果 。该钻 井液始 终保 持 良 好的流变性 和低剪切速率下的有效携岩能力 ， 在 9 口井 的 钻 进 中 没 有 出现 明 显 的 阻 卡 现 象 ， 每 口井 2 4 4 ． 5 mm 技术套 管均顺 利下 至井底 ， 其 中 C B 5 1 井长达 2 8 0 0 m 的 2 4 4 ． 5 mm套管仅用 1 9 h就下 至设计位 置 。 3 良好 的抑 制 防塌性 。钻进过 程 中返 出的岩屑 和 捻碎后 的岩屑 内部 照片如 图 1 所 示 。由图 1可 以 看 出 ， 返 出岩 屑 形 状 规 整 ， 没 有 出 现 水 化 或 分 散 迹 象 ； 捻碎后的岩屑 内部呈现于态 ， 没有任何水分进入 其 中 ， 进一 步表 明 S J Y 一 1防塌 钻 井液 具 有 非 常强 的 抑 由表 4可 以看 出 ， 使用 S J Y 一 1防塌 钻井 液 钻进 井段 的平 均机 械钻 速 得 到 突破 性 的提 高 ， 由使 用 前 的 4 ． 6 3 m／ h提高到 6 ． 8 4 m／ h ， 提高率为 4 7 ． 7 ； 币 3 1 1 mm井段的施工周期平均值从使用前的 9 1 ． 4 4 d减 至 3 9 ． 2 2 d ， 减少率 为 5 7 ． 1 。 5 实现 P DC钻 头 无 泥包 。使 用 防塌 钻 井 液 前 后 的 P D C钻头 照片见 图 2 。 由图 2可 以看 出 ， 使 用 原钻井液时， P D C钻头发生了明显泥包 现象 ； 使 用 S J Y一 1防塌钻井液后 ， P D C钻头表面没有发生任何 泥包现象 。由此可以看出， 该钻井液解决了 P D C钻 头 易泥 包的技 术难题 ， 提 高 了机 械钻速 ， 减少 了起 下 钻的次数 ， 使得施工周期明显缩短。 返出岩屑照片 捻碎后 的岩屑 内部照片 图 1 返出岩屑 和捻碎后 的岩屑 内部照片 4 机 械 钻 速 得 到 突 破 性 提 高 。机 械 钻 速 和 3 1 1 ． 1 mm 井段施 工 天数对 比情况 见表 4 。 表 4机械钻速和咖3 1 1 ． 1 mm井段施工天数对比 ⋯ 机械钻速 -r ⋯ 机械钻 速 井号 m ／ h d 井 号 m／ h d CB1 1 3 ． 6 8 9 CB1 4 1 5 ． 2 5 7 CB1 2 5 ．3 9O CB4 1 6 ．2 46 CBl 一 3 4 ．5 95 CB4 2 6 ．8 41 CB2 1 5 ．2 6O CB5 1 6 ．1 5O CB2 2 5 ．3 47 CB5 2 7 ．8 40 CB2 3 3 ．8 1 29 CB6 1 7 ．1 28 CB3 1 3 ．8 1 88 CB1 4 2 7 ．1 29 CB3 2 4 ．4 59 CB6 3 7． 6 31 CB12 1 5 ．8 66 CB5 3 7 ．7 31 平 均 4 ． 6 3 9 1 ． 4 4 6 ． 8 4 3 9 ． 2 2 注 *为使 用 S J Y - 1防塌钻井液的井 。 使用前 使用后 图 2使用 s J Y 一 1防塌钻井液前后 P D C钻头照片 4 结论 1 ． S J Y 一 1防塌钻井液具有较强 的抑制性 ， 返出 岩屑内部呈现干态 ， 降低 了稳定井壁 的平衡钻井液 密度 ， 减少 了井 下 复 杂 情 况 ， 使 得 3 l 1 ． 1 5 mm 井 段 的平 均机 械钻 速提高 了 4 7 ． 7 ， 施 工周 期 也缩 短 了 5 7 ． 1 。 2 ． S J Y 一 1 防塌 钻井 液具有 良好 的流变 性 和低 剪 切速率 下 的有效 携岩 能 力 ， 减 少 了钻 进 中阻 卡现 象 的发生 ， 为套管顺利下至设计位置提供了技术保障。 3 ． S J Y 一 1防塌钻井 液解决 了因泥 页 岩水 化膨 胀 而引起 的缩径 、 扩径 、 坍塌掉块、 钻头泥包等技术难 题 ， 在 长北气 田获得 了 良好 的应用效 果 。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘波 ， 鄢捷 年． 高效防塌 钻井液 的研 制及在新疆 塔河 油 田的应用[ J ] ． 石油大学学报 ， 2 0 0 3 ， 2 7 5 5 6 5 9 [ 2 ] 鄢捷 年． 钻井液 工艺 学 [ M] ． 东 营 石 油大 学 出版社 ， 2 001 32 3 3 2 4， 33 8 3 4 0 收 稿 日期 2 0 0 9 4 9 ； HGF一0 9 0 5 N4； 编 辑 王 小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m