小井眼钻井液性能研究.pdf

石油天然气学报 江 汉石 油学院学报2 0 1 3 年 l 1 月 第 3 5 卷 第 l 1 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I N o v ． 2 0 t 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 1 1 小 井眼钻 井液性能研究 王平 双 ，邢希金 ，刘书杰 中海油研究总院， 北京1 0 0 0 2 7 罗 刚 ，舒福昌 荆州市汉科新技术 研究所， 湖北荆州4 3 4 0 0 0 [ 摘要] 由于小 井眼环空 间 隙小 ，小井 眼钻 井较 常规井钻 井具 有更 大 的难 度 ，对钻 井液 提 出 了更 高的 要 求。研 究 了适合海上某井 密度为 1 ． 5 0 g ／ c m。的小井眼钻井 液 的配方及 性 能。结 果表 明，该小 井 眼钻 井液 具 有流变性、滤失量 、抑制性 、润滑 性等 良好 的综合性 能，很好地保 证 了 目标井 的 当量 循环 密度 的控制 ，从而有效地 防止 小井眼环 空间隙小 ⋯ P 过高 而压 漏地 层，能够 满足 目标 井小井眼钻 井要求。 [ 关键词]小 井眼井；钻 井液 ；钻井要求 [ 中图分类号]T E 2 5 4 ． 3 [ 文献标志码]A [ 文章编 号]1 0 0 09 7 5 2 2 0 1 3 儿 一 0 1 0 1 一O 4 一 般认为井筒中大于 9 O 的井眼直径小于 7 i n 1 i n 一2 ． 5 4 c m或 7 0 的井眼直径小于 6 i n的井称 为 小井 眼井 。但 周煌 辉等 认 为穿 透 目的层 的井段 是 用小 于 7 i n钻 头钻 成 的井 眼也 可 以称 为小井 眼[ 1 ] 。 小井眼钻井的关键技术是环空水力学 。它不仅涉及到环空钻屑举升、环空压耗、井壁稳定 、钻具与 井壁的润滑等，还与正确选择钻井工艺参数有关口 ] 。环空压力损失很高 ，成为小井眼水力学研究 中必须 首先研究的核心问题L 3 ] 。笔者根据海上某井的井身结构，结合小井眼对钻井液的要求 ，研究出了适合该 井的小井眼钻井液 。该体系既具有常规钻井液 良好的综合性能，又很好地控制了钻井液的当量循环密度 ，从而保证小井眼钻井施工的安全。 1 体系的基本配方及基本性能 室内通过大量处理剂的优选 以及处理剂加量对钻井液性能影响规律的研究，最终研究出了适合海上 某井小井眼钻井液的配方 ，其基本配方为 1 0 0 ml 海水0 ． 2 g Na C O。 O ． 3 g包被剂 P F P L H 0 ． 2 g流型调节剂 P F X C2 g降滤失剂 HF L X q - 2 g页岩 防塌 剂 P F - TE X 2 g润 滑剂 HL B2 g防水 锁剂 HAR D，甲酸钠 加重 到 1 ． 2 5 g ／ c m。 ，重 晶石 加 重 到 1 ． 5 0 g ／ c m。 。 该 配 方钻 井液 的基 本性 能见 表 1 。 表 1小井眼钻井液基本性能 注 1热 滚 条 件 为 1 5 0℃ 1 6 h；流 变 性 测 试 温 度 为 5 0 ℃ ；高 温 高 压 滤 失 条 件 为 1 5 0℃ 3 ． 5MP a3 0 mi n。 注 2 为表 观黏度 ； 为塑性黏度 ； r d为动切力 ； Ra 为动塑 比； N 、No 3分别为六速旋转黏度计 6 、3 r ／ mi n对应的读值； VA P I 为 AP I 滤失量 ； Vh t h 。 为高温高压滤失量 。 2 体系的常规性能评价 ‘ 2 。 1 不 同密 度钻 井液 的性 能 配方 l O O ml 海 水 O ． 2 g Na 。 C O。 0 ． 3 g包被 剂 P F P L H 0 ． 2 g流 型调 节剂 P F XC2 g降滤失 剂 [ 收稿 日期]2 0 1 3一o 6一 O 6 [ 作者简介 ]王平双 1 9 5 9一 ，男 ，1 9 8 2年华东石油学院毕业 ，高级工程师 ，现主要从事海洋钻完 井工程 方面研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天 然气工程 2 0 1 3 年 1 1月 HF L X2 g页岩 防塌 剂 P F TE X 2 g润 滑剂 HI B2 g防水 锁 剂 HAR D，甲酸 钠 加重 到 1 ． 2 5 g ／ c m。 ， 重 晶石 加重 至所需 密度 。 表 2不同密度小井眼钻井液性能 密度／ g c m 。 热滚条件 ／ mP a s p／ mP a s Z d ／ P a Ra p ／ ms N 滚前 滚 后 滚前 滚 后 滚前 滚后 注 热滚条件为 1 5 0 ℃ 1 6 h ；流变性测试温度 为 5 0 ℃。 从表 2中数据可以看出，随着密度的增大，体系 r d 和 均有所增加 ，体系总体性能变化不大 。说 明研制 的小井 眼钻 井液 体 系流变性 能稳 定 ，在一定 的密 度范 围可调 。 2 ． 2 体 系的抑 制能 力评价 小环空间隙致使钻具容易发生卡钻 ，钻井液应能抑制地层造浆 以防止塑性泥页岩地层水化膨胀产生 缩 径 ，维护 井壁 稳定 ，避免 发生 井塌 、卡钻 等复 杂情况 。室 内对研 制 的小井 眼钻井 液抑 制能 力进 行 了评 价，主要从岩屑的 1 5 0 ℃条件下热滚 回收率和 1 6 h线性膨胀率两个方面来进行评价 ，热滚回收率高和线 性 膨胀 率小 ，说 明体 系的抑 制性 能好 。结果 表 明 钻 屑在小 井 眼钻井 液体 系 中 的热滚 回收率 高 达 9 2 ， 1 6 h的线性 膨胀 率仅 为 9 ． 5 ，说 明研制 的小 井 眼钻 井液 体系 具有很 强 的抑制 黏土水 化 能力 。 2 ． 3体 系的润 滑性 由于小 井 眼 的环 空间 隙小 ，要求 钻井 液 必须 具备 良好 的润滑 性 以改善摩 阻 和减小 钻 具黏卡机会。室 内采 用 E P极压润滑仪 分 别测 定润 滑剂 HL B不 同质 量 浓 度 的极 压 润 滑 系数 ，结果 见表 3 。 由表 3结 果 表 明 ，润 滑剂 HL B加入后 ，体系极压润滑值 明显降 低 ，说 明极压 润 滑剂加 入后 能够 明显地 改变 表 3 小 井眼钻井液的润滑能力 注 表中空白表示无此项 。 体系的润滑性能 ，有助于降低钻井过程中的摩阻、降低扭矩 ，能够有利于减少井下复杂情况的发生。 3 当量循环密度 p e c 计算 3 ． 1 的计算公式 环空间隙小是小井眼井身结构的一个主要特点，所 以钻井液密度的使用范围变窄。小间隙环空的存 在 极易 造成 井漏 、压差 卡钻 及丧 失循 环等情 况 的出现 。因此 合理 控制 P 是 解决 小井 眼钻井 液密 度窗 口 的安全 以及 快速 钻井 的关键 问题 。 研 究 和实践 表 明 ，钻 井液 的 P 可定义 为钻 井液 的 当量静 态 密度 与钻 井 液 流动 造 成环 空 压力 损 失 转 化 的密度 之和 ] ，其计 算方 法可用 如下 方程 表示 。 等 式 中 P 为 当量 循 环 密度 ， g ／ c m。 ； P 为 钻 井 液 静 态 密 度 ， g ／ c m。 ； △ 为 环 空 压 耗 ， P a ； g为 重 力 加 速 度 ， 9 ． 8 m／ s ； H 为 井深 ， m。 3 ． 2 海 上某 井的 基本情 况 海上 某井 主要 采取 四开 结构 ，斜深 4 5 4 6 ． 0 m，垂 深 3 8 8 7 ． 0 m。其 中三开 和 四开 的套 管 程序 为 7 i n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 5 卷 第 儿 期 王平双 等 JJ 、 井眼钻井液性能研究 3 7 O O m6 i n 8 1 6 m，钻杆程序为 5 i n 3 7 0 0 m4 i n8 1 6 m，具体 井身 结构 见 图 1 。 根据 力学 试验 分 析 ，海 上某 井 始新 统平湖组中段及以后破裂压力对应的钻 井液当量密度为 2 ． 1 g ／ c m。 。这就要求下 部四开 6 i n井 眼钻 井液 的 p e c必须小 于 2 ． 1 g ／ c m。 才能保证安全施工的要求。 3 ． 3钻 井液 p 睇 的计 算 在 小 井 眼 钻 井 过 程 中 ，机 械 转 速 、 泵排量 、钻具的偏心度 以及钻屑入侵等 都会影响到P 值 ，分别对各影响因素的 p 。 值 进行 了计 算 ，从 而验证 室 内研制 的 小井 眼钻井液体 系是否满足海 上某井钻 井作 业 要求 。 1 转 速对 p 的 影 响 在钻 井 施 工 的过 程 中 ，钻杆 的机 械转 速对 小 井 眼 的 水力 参数 有 非 常大 的影 响 。室 内 以泵 排 量 0 ． 8 m。 ／ rai n 为 条 件 ，对 密 度 为 1 ． 5 0 g ／ c m。的 小 井 眼 钻 井 液 在 不 同转 速下 的 P 进 行 了计 算 ，结 果 见 图 2 。 由图 2看 出 ，转速 增加 钻 井液 的 P 。 随 之增 加 ，当机 械转 速 在 6 O ～ 1 6 0 r ／ mi n 二 变化 时 ， P 在 1 ． 6 6 7 ～ 1 ． 7 0 4 g ／ c m。之 间变 化 ，没 有 超 过 目标 井 位 井 漏 发 生 的极 限 P ，说 明研 制 的小 井 眼钻 井 液 不会因为机械转速过高引起 剧烈上 升 而压 漏地 层 。 ， 2 泵排 量 对 P 的影 响 在 钻 井 施 工 的过 程 中 ，不 同 的泵 排 量 对 小 井 眼的水 力 参 数 有 很 大 的 影 响 。 室 内 以 转 速 l O O r ／ mi n 为 条 件 ， 对 密 度 为 1 ． 5 0 g ／ c m。的小 井 眼 钻 井 液 在 不 同泵 排 量下 的 P 进行 了计 算 ，结果 见 图 3 。 e 由图 3看 出 ，随 着 泵 排 量 的增 加 ，钻 井 液 的环 空压 耗及 P 随 之增 加 ，当泵 排 量 在 0 ． 6 ～ 1 ． 2 m。 ／ rai n变化 时 ， P 。 在 1 ． 6 6 8 ～ 1 ． 7 1 7 g ／ c m。之 间 变 化 ，没 有 超 过 目标井 位 井漏 发生 的极 限 P ，说 明研 制 的小 井 眼钻 井 液 不 会 因 为 现 场 泵 排量 过 高 引 起 P 剧 烈 上 升 而 压 漏 地 层 。 图 1 海上某井的井身结构示意图 机械转J g ／ r m i n 图 2机械转速对 的影响 泵排t／ m mi n 图 3泵排量对 的影晌 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油 天然 气工程 2 0 1 3 年 1 1 月 3 偏 心度 对 P 的影 响 钻具 的偏 心 度 也 对 小 井 眼 的 水力 参数 会 造 成 一 定 的 影 响 。 室 内 以转 速 l O O r ／ mi n和 泵 排 量 0 ． 8 m。 ／ mi n为 条 件 下 ，对 密 度 为 1 ． 5 0 g ／ c m。的 小 井 眼 钻井 液 在 不 同 泵 排 量 下 的 进行 了计算 ，结果见 图 4 。由 图 4看 出 ，随 着 钻 具 偏 心 度 的增加 ，钻 井 液 的 P 随之 减 小 ，当偏 心度 在 0 ～0 ． 4之 间 变 化 时 ， 在1 ． 6 8 6 ～ 1 ． 6 8 2 g ／ c m。之 间 变 化 ，没 有 超过 目标 井 位 井 漏 发 生 的极 限 。 4 钻屑 污 染量对 的影 响在钻井过程中，因为各种 原 因，钻 屑侵入 钻井 液是 不可 避免 的 ，从 而导 致钻 井液 固相 含 量 增 加 ，影 响 环 空 压 耗 及 。室 内 以转 速 l O O r ／ mi n和 泵排量 0 ． 8 m 。 ／ mi n 为 条件，计 算 了钻 屑 侵 入 对 p e 的 影 响 ， 结果 见 图 5 。 由图 5看 出 ，随 着 钻屑侵入 量 的增加 ，钻井 液 0 O ． 0 5 0 ． 1 0 ． 1 5 0 ． 2 0 ．2 5 0 ． 3 0 - 3 5 0 ． 4 04 5 钻具偏心度 图 4钻具偏心度对 的影响 0 5 l 0 钻屑污染量P ／ o 图 5 钻屑污染对 的影响 的 p o 随之增加 ，当钻屑污染量为 1 0 ％N ， p o 仅仅 由 1 ． 5 0 g ／ c m 3 增加 到1 ． 6 9 1 g ／ c m3 ， 说 明钻 屑的侵入对 所研 制的小井 眼钻 井液的 p e 影响很小 。 4 结论 1 室 内研 制 出了适合 密度 为 1 ． 5 O g ／ c m。 的小井 眼钻 井液 的配方 。 2 通过对 所研 制 的小井 眼钻井 液 体 系 常规 综 合性 能 的评 价 ，发 现该 体 系 表 现 出 了 良好 的 流变 性 、 高温滤失量、抑制性和润滑性等综合性能 。 3 结合海上某井的具体情况 ，对研制 的小井眼钻井液体系在不同情况下的 P 进行了计算 ，结果表 明该体系的 得到了良好的控制 ，不会超过井底破裂压力，从而保证了施工安全。 [ 参考文献] [ 1 ]周煜辉 ，赵凯民 ．小井 眼钻井技术 E J ]．石油钻采工艺 ，1 9 9 4 ，1 6 2 1 6 ～2 4 ． [ 2 ]李少池 ，周煜辉 ．小井 眼环空水力学评述 [ J ]．石油钻采工艺 ，1 9 9 7 ，1 9 5 2 7 ～3 1 ． [ 3 ]汪海 阁，白仰民 ，高振果，等 ．小井眼环空压耗的室 内实验研究 [ J ]．石油钻采工艺 ，1 9 9 8 ，2 0 4 [ 4 ]赵胜英 ，鄢捷年 ，李怀科，等 ．高温深井钻井液当量循环密度预测模型 [ J ]．钻井液与完井液 ，2 0 0 9 ， 醯 矾 醯 2 O 8 6 4 醯 铝 船 雨 萧 弘 一 [ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m