小井眼提速钻井液体系.pdf

第 3 3 卷 第 2 期 2 0 1 6年 3月 钻井液与完井液 DRI LLI NG F LUI D ＆ COM P L ET I ON F LUI D V o l I 3 3 No ． 2 Ma t ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 6 9 6 。i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ．2 0 1 6 ． 0 2 ．0 1 2 小井眼提速钻井液体系 罗刚 ， 任坤峰 ， 邢希金 ， 舒福昌 ， 向兴金 1 ． 湖北汉科新技术股份有限公司，湖北荆州4 3 4 0 0 0； 2 ． 中海油研究总院， 北京 1 0 0 0 2 7 罗刚等 ． 小井眼提速钻井液体系 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 6 ，3 3 2 5 5 ． 5 9 ． 摘要小井眼钻井由于 自身特点如环空间隙小等，对钻井工艺和钻井液性能提 出了更高的特殊要求，不断提高钻井速 度是钻井作业的一直追求，其中钻井液的作用至关重要。通过室内实验，研究出了针对小井眼钻井提速的钻井液配方，优 选 出了适合小井眼提速钻井液体系的增黏剂P L US 流型调节剂、降滤失剂 H F L X S P NH、提速剂 H DS以及用甲酸钠和重 晶石联合加重的方式。提速剂 H DS是室内研制的， 其具有 良好的防黏附聚结能力和降低亚微米颗粒含量的效果。结果表明， 该小井眼提速钻井液具有良好的润滑性、抑制性以及提高钻井速度的效果。现场应用结果表 明，小井眼钻井液可以较好控 制循环 当量密度，并且具有显著的提高机械钻速的效果，能够满足小井眼钻井的要求。 关键词 小井眼钻井 ； 提高钻速 ； 钻井液 ；抑制性 ； 综合性能 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 60 2 ． 0 0 5 5 ． 0 5 Dr i l l i n g F l u i d T e c h n o l o g y f o r ROP En h a n c e me n t i n S l i m Ho l e Dr i l l i n g L U O G a n g ， R E N K u n f e n g ， X I N G X i j i n ， S H U F u c h a n g ， X I A NG X i n g j i n 1 ． Hu b e i Ha n c Ne w T e c h n o l o g y C o ． L t d ． ， J i n g z h o u ， Hu b e i 4 3 4 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o fC N O O C , B e ij i n g 1 0 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t S l i m h o l e d r i l l i n g ， b e c a u s e o f t h e n a r r o w a n n u l u s ， i mp o s e s mo r e s t r i c t r e q u i r e me n t s o n d r i l l i n g e n g i n e e ri n g a n d d r i l l i n g fl u i d ． Dril l i n g flu i d p l a y s an i mp o r t a n t r o l e i n f a s t d r i l l i n g o f s l i m h o l e s ． A d r i l l i n g f l u i d f o r mu l a t i o n f o r s l i m h o l e d r i l l i n g h a s b e e n d e v e l o p e d i n l a b o r a t o r y ,a n d d r i l l i n g fl u i d a d d i t i v e s s u i t a b l e f o r s l i m h o l e d r i l l i n g a r e e n g i n e e r e d ． T h e s e a d d i t i v e s i n c l u d e v i s c o s i fi e r P L US ， fl o w p a t t e r n c o n t r o l a g e n t ， fi l t e r l o s s r e d u c e r HF L- X and S P NH， ROP e n h a n c e r HDS ， a n d we i g h t i n g ma t e ria l s o d i u m f o r ma t e u s e d i n c o mb i n a t i o n wi t h b a r i t e ． HDS h a s b e e n d e v e l o p e d i n l a b o r a t o ry for the p r e v e n t i n g b i t b a l l i n g a n d r e d u c i n g the c o n t e n t o f s u b mi c r o n p a r t i c l e s ． HDS h a s g o o d l u b r i c i t y , i n h i b i t i v e c a p a c i t y a n d the a b i l i ty t o i n c r e a s e ROE Fi e l d a p p l i c a t i o n h a s p r o v e d t h a t t h i s d r i l l i n g fl u i d f o rm u l a t i o n c o n tr o l l e d E CD f a i r l y we l l an d n o t a b l y e n h a n c e d ROP , s a r i s l y i n g the n e e d s for s l i m h o l e d ril l i n g ． Ke y wo r d s S l i m h o l e d r i l l i n g ； ROP e n h a n c e me n t ； Dril l i n g fl u i d ； I n h i b i t i v e c a p a c i ty； Ge n e r a l p e rfo r man c e 小井眼钻井技术的最主要特点是能够减少钻井 成本，提高经济效益。但是其自身特点带来的一些 特殊问题 ，如环空压耗 的控制 ，井眼的净化 、井壁 稳定及漏失、润滑性等，也给钻井工艺和钻井液体 系及工艺提出了更高的特殊要求 [1 。对于小井眼 钻井来说 ，不断提高钻井速度是小井眼钻井作业的 一 直追求，其中钻井液的作用至关重要。钻井液提 高机械钻速，主要是通过处理剂在钻头等金属的表 面定向吸附并形成一层润滑油膜来提高其润滑性， 减小扭矩 ； 钻井液处理剂能够吸附在岩石表面，可 以向岩石的孔隙内部渗透 ，从而改变岩石表面和内 部的润湿性，降低岩石的表面张力及毛细管力，使 钻井液更容易渗人到钻头冲击井底岩层时所形成的 微裂缝中，黏土不吸附钻头、降低压持效应，进而 可以提高钻速 ； 降低岩石的瞬间强度，从而增加岩 石的可钻性，提高机械钻速 [5 -6 ] o结合小井眼钻井 对钻井液的要求以及钻井液提高钻速的原理，研究 出了小井眼提速钻井液。该体系除了具有其他常规 钻井液优良的性能外，还能提高钻井速度，能够保 证小井眼钻井过程中的安全。 第一作者简介 罗刚，高级工程师，现在从事油田化学技术研究工作。电话 0 7 1 6 8 3 2 7 1 0 3； E ． ma i l l u o g ang 8 6 5 8 1 6 3 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 钻 井 液与 完 井 液 2 0 1 6 年 3月 1 小井眼提速钻井液处理剂的优选 1 ． 1 增黏剂 小井眼钻井液除要具有较好的常规性能外，为 了更好地携岩，还要求流性指数值保持在 O - 4 ～0 ． 7 之间 ； 另外，稠度系数太小不利于携带岩屑， 太大 又会造成 环空压耗 的增加 ，所 以小井眼钻井液要 有适 当稠度系数 。室内首先评价了增黏剂的加量 ， 见表 l。由表 1可以看出 ，经 1 5 0 c C 老化 1 6 h后 ， 0 ． 3 ％P L U S 和 0 ． 2 5 ％的流型调节剂复配时，流性指 数为 0 ． 6 2 ，稠度系数值为 0 ． 1 3 ，符合小井眼钻井液 的特点， 初步选择增黏剂为P L U S 和流型调节剂复 配。实验用钻井液基浆配方如下。 3 ％海水膨润土浆 0 ． 2 ％烧碱 O ． 2 ％ N a 2 C O 3 表 1 不同增黏剂对钻井液性能的影响 注 热滚条件为 1 5 0℃、 1 6 h ； 流性调节剂加量为 0 ． 2 5 ％。 1 ． 2 降滤失剂 小井眼钻井液体系优选降滤失剂主要考虑钻井 液滤失量的大小以及泥饼质量的好坏。为了保证较 低的滤失量， 将容易酸溶的碳酸钙作为基础降滤失 剂 ，结果见表 2 ，实验用基本配方如下 。 3 ％海水膨润土浆 0 ． 2 ％烧碱 0 ． 2 ％N a 2 C O 0 - 3 ％P L US 0 ． 2 5 ％流型调节剂 5 ％碳酸钙 表 2 降滤失剂的优选 降失 热滚PV ／ Y P ／Y P ／ PV ／凡 A P I ／ 凡H T H P ／ 水剂 条件 m P a S P a P a ／ m P a s m L m L 注 1 1 ． 2 ％S P NH 1 ． 5 ％P F ． T E X I ％S MP ． 2； 2 2 ％HF L． X1 ． 5 ％P F ． T EX ；3 2 ％HF L． X 2 ． 5 ％S P NH。 由表 2 可知，钻井液经 1 5 0℃老化 1 6 h 后， 2 ％H F L ． X 2 ． 5 ％S P N H复配时，高温高压滤失量为 1 3 ． 1 m L， 初步选择 H F L X和 S P N H作为降滤失剂， 再加入一定的固相材料碳酸钙，达到进一步降低滤 失量的 目的。 1 ． 3 加重剂及加重方式 综合考虑成本、性能等因素影响，重点评价了 重晶石、甲酸钠和甲酸钾以及它们之间复合使用的 加重方式 ， 实验结果见表 3 和表 4 。 钻井液配方如下。 1 3 ％海 水 膨 润 土 浆 0 ． 2 ％ 烧碱 0 ． 2 ％ Na 2 CO O ． 6 ％PL US 0 ． 2 5 ％ 流 型 调 节 剂 2 ％ HF L- X1 ％P F TE X1 ％S P NH 5 ％Ca CO3 3 ％KCl 2 ％抑制剂 J L X C 2 ％ 润滑剂 H L B； 重 晶石加重至 密度为 1 ． 5 0 g ／ c m’ 2 3 ％ 海 水 膨 润 土 浆 0 ． 2 ％ 烧 碱 0 ． 2 ％ Na 2 CO O ． 3 ％P LUS 0 ． 2 5 ％流 型 调 节 剂2 ％ H FL X 2． 5％ PF- TEX 2％ SPN H5％ CaCO 3 I ％R HJ l 2 ％H L B 甲酸钠加重至密度为 1 ．2 5 g ／ c m3 3 3 ％海 水 膨 润 土浆 0 ． 2 ％ 烧碱 O ． 2 ％ Na ， CO 0 ． 3 ％P L US 0 ． 2 5 ％ 流 型 调 节 剂2 ％ HF L X1 ％PF T EXI ％ S P NH 5 ％Ca C03 2 ％HL B 甲酸钠加重到密度为 1 ． 2 5 g ／ c m3 ，再用甲酸钾加重 至密度为 1 ． 5 0 g ／ c m 表 3 不同加重方式钻井液的性能 由表 3和表 4可知，用重晶石加重钻井液的黏 度和环空压耗均比较高 ； 若采用甲酸钠和甲酸钾加 重，无论在黏度上还是在环空压耗上都是最低的， 最适用于小井眼钻井 ， 且重晶石加重体系的润滑性、 固相含量都会严重影响钻井速度 ； 甲酸盐还能提高 聚合物的抗温能力，但在高密度条件下，甲酸钾的 加入会大幅度增加钻井液成本。因此，选择用甲酸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 钻 井 液与 完 井 液 2 0 1 6年 3月 2 小井眼提速钻井液性能评价 2 ． 1 润滑性能 采用 E ． P 极压润滑仪评价 H L B和 R H J 一 1 的润 滑性能， 见表6 。 由表 6 可知， 加入 H L B和R H J ． 1 后， 润滑系数降低明显， 说明体系具备良好的润滑性能。 表 6 小井眼提速钻井液的润滑能力 2 ． 2 抑制性能 通过室内实验可知，页岩在蒸馏水中的回收 率为 3 1 ． 3 ％，在小井眼提速钻井液中的回收率为 9 4 ． 6 ％。室内采用 页岩 回收和黏土膨胀实验评价体 系的抑制性 ，结果见表 7 。由此可知 ，研制 的小井 眼提速钻井液具有很强的抑制黏土水化能力 。 表 7 黏土水化膨胀实验结果 膨 胀／ 不同体系膨胀量 ／ mL 膨 胀／不同体系膨胀量 ／ mL mi n 蒸馏水 滤液 mi n蒸馏水 滤液 1 O O ． 2 3 0 ． 0 2 3 0 0 0 ． 9 3 0 ． 2 6 5 0 0 - 3 9 0 ． 0 9 5 0 0 1 ．5 5 0 - 3 2 1 0 0 0 ． 5 6 0 ． 1 4 9 6 0 1 ． 8 2 0 ． 4 9 2 ． 3 对钻井速度的提高 体系具备一定的润湿反转能力 ，可以提高机械 钻速。具有一定 的润湿反转能力是指能够把岩石表 面的亲水性改变为亲油或者介于亲油亲水之间的状 态。一般岩石的表面均带有负电荷 ，具有很强的亲 水能力，带有正电荷的提速剂分子如果与岩石表面 接触，就会有规律地吸附在岩石的表面，使岩石的 表面改变为亲油性 [ 7 - 8 ] o通过测定接触角的变化来 表征提速剂的性能。用 HA R KE ． S P C A视频接触角 测定仪，考察了提速剂 H D S加量对钻井液接触角 的影响，结果见表 8 。由表 8 可以看出，加入提速 剂后，滤液与岩石表面的接触角变大，岩石的表面 张力变小 ，并且 随着 HDS加量的增加 ，接触角逐 渐增大 ； 由拉普拉斯方程可知，接触角增大后毛管 阻力就会降低， 会使钻井液进入地层微裂缝中的阻 力减小，进而能够减小压持效应，从而有利于机械 钻速的提高 。 表 8 提速剂 H DS加量对钻井液体系接触角的影响 3 现 场 应 用 3 ． 1 海上某油田A4 、A 2 井的基本情况 海上某油 田A4 、A2 井主要采取四开结构 ，斜 深为 3 9 1 0 r n 、4 0 5 1 m，垂深为 3 6 5 6 m、3 9 1 9 m。 其中三开和四开的程序 A 4井为套管 1 7 7 ． 8 m n q 3 1 6 5 m 钻头 1 5 2 ． 4 m l i 1 7 1 4 m， A 2 井的为套管 1 7 7 ． 8 m l T l 3 4 3 0 m钻头 西1 5 2 ． 4 mm6 0 0 m， 钻杆程序为 西1 2 7 ml r l 3 1 6 5 m 1 0 1 ． 6 n q l l l 7 1 4 m和 西1 2 7 mm3 4 3 0 m 1 0 1 ． 6 r n l i 1 6 0 0 I 1 1 。根 据力学试验分析 ，海上某油 田 A 4 、A2 井 四开井段 破裂压力当量钻井液密度为 1 ． 8 g ／ c m 、1 ． 9 5 g ／ c m ， 这就要求下部四开 西1 5 2 ． 4 ra i n井眼钻井液当量循 环密度必 须小于 1 ． 8 g ／ c m 、1 ． 9 5 g ／ c m ，才能保证 安全施工的要求 。 3 ． 2 A4 井钻井液当量循环密度的计算 A 4 井现场使用小井眼提速钻井液，在转速为 1 0 0 r ／ mi n、泵排量为 O ． 8 m。 ／ mi n 、偏心度为 0 ． 1的 条件下，对 A 4井的环空压耗和循环当量密度进行 了计算 [ 8 - 1 o ] ，结果见表 9 。 表 9 A4井环空压耗及循 环当量密度 压耗 ／ MP a E C D／ 井 名 竺 窒 竺 A4 1 ． 8 0 ． 9 3 3 ． 9 5 3 ． 9 4 6 ． 0 9 6 ． 0 7 1 ． 6 6 由表 9 可以看出， 海上某油田A 4 井使用该小 井眼提速钻井液后，循环当量密度比较小， 说明构 建的小井眼提速钻井液体系对环空压耗和循环当量 密度有很好的控制，保证了钻井作业过程中不会因 循环当量密度过高而导致复杂情况。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 3 卷 第2期 罗刚等小井眼提速钻井液体系 5 9 3 ． 3 提速效果对比 A 2 井使用常规聚合物钻井液钻进，A 4 井使用 该小井眼提速钻井液。对四开 1 5 2 ． 4 m i l l 井眼段 的平均钻井速度进行统计，得到 A 2 井的平均钻井 速度为 1 2 ． 5 r n ／ h ， A 4 井的平均钻井速度为 1 4 ． 8 m ／ h 。 由此可知，使用小井眼提速钻井液体系的A 4 井平 均钻井速度比使用常规聚合物钻井液体系的A 2 井 提高了 1 8 ． 4 ％，具有较好的提速效果。 4 结论 1 ． 优选出了适合小井眼提速钻井液体系的增 黏剂 P L U S 流型调节剂 、降滤失剂 H F L ． x S P N H 、提速剂 H D S 以及用 甲酸钠和重晶石 联合加重的方式，其中提速剂 H D S 具有 良好的防 黏附聚结能力和降低亚微米颗粒含量的效果。 2 ． 研制并评价了密度为 1 ． 5 0 g ／ c m 的小井眼提 速钻井液配方，该体系表现出了良好的润滑性、抑 制性和提高钻井速度等综合性能。 3 ． 现场应用情况表明，小井眼提速钻井液体系 对循环当量密度具有较好的控制，并且可以显著提 高机械钻速。 参 考 文 献 [ 1 】 张金波 ， 鄢捷年． 国外特殊工艺井钻井液技术新进展 [ J ] ． 油田化学 ，2 0 0 3 ，2 0 3 2 8 5 ． 2 9 0 ． ZHANG J i n b o，YAN J i e n i a n． Ne w d e v e l o p me nt o f d r i l l i n g f l u i d t e c h n o l o g y i n s p e c i a l p r o c e s s we l l s i n f o r e i g n c o u n t r i e s [ J ] ． O i lfie l d C h e m t r y ，2 0 0 3 ，2 0 3 2 8 5 ． 2 9 0 ． [ 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 ． LI S h a o c h i ，ZHOU Yu h u i ． S l i mh o l e a n n u l a r h y d r a u l i c s r e v i e w[ J ] ． Oi l Dr i l l i n g＆ P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y，1 9 9 7 ， 1 9 5 2 7 ． 3 1 ． [ 3 】 孙金声，杨字平，安树明，等 ． 提高机械钻速的钻井 液理论与技术研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ， 2 6 2 1 ． 2 ． S UN J i n s he n g，YANG Yu p i n g，AN S h u mi n g，e t a 1 ． Re s e a r c h o n t h e t h e o r y a n d t e c h n o l o g y o f i mp r o v i n g t h e d r i l l i n g fl u i d the o ry a n d t e c hno l o g y [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o nF l u i d ，2 0 0 9 ，2 6 2 1 - 2 ． [ 4 】4 彭双磊，冯雪钢，田剑，等 ． 国内钻井液增黏剂的研 究及应用进展 [ J ] ． 广州化工 ，2 0 1 2 ，4 0 1 2 3 2 ． 3 6 ． P ENG S h u a n g l e i ，F ENG Xu e g a n g，TI AN J i a n，e t a 1 ． Pr o g r e s s i n r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f d r i l l i n g fl ui d v i s c o s i t y i n c r e a s e i n d o me s t i c [ J ] ． G u a n g z h o u C h e mi c a l I n d u s t r y ，2 0 1 2 ，4 0 1 2 3 2 ． 3 6 ． 【 5 】 孙长健 ，陈大钧，彭园 ． 钻井液提速剂新进展 [ J ] ． 钻 井液与完井液，2 0 0 7 ，2 2 3 5 2 ． 5 5 ． S UN Ch a n g J i a n ，C HE N Da j u n，P E NG Yu a n ． Ne w p r o g r e s s i n t h e s p e e d o f d r i l l i n g fl u i d a g e n t [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 7 ，2 2 3 5 2 ． 5 5 ． [ 6 ]6 李秀红，杨桦，陈喜 田，等 ． 润湿反转提高压裂液返 排技术在吉林油 田新 1 1 9 区块的应用 [ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 4 ，1 1 6 5 1 ． 5 2 ． LI Xi uh o n g，YANG Hua，CHEN Xi t i a n， e t a 1 ． Ap p l i c a t i o n o f we t t i n g i n v e r s i o n t o i mp r o v e the f r a c t u r i n g flu i d r e t u r n t e c h n o l o g y i n t h e ne w l 1 9 b l o c k o f J i l i n O i l fi e l d [ J ] ．Dr i l l i n g＆P r o d u c t i o n T e c h n o l o gy ，2 0 0 4 ，1 1 6 5 1 ． 5 2 ． [ 7 ] 王平双， 邢希金 ， 刘书杰， 等 ． 小井眼钻井液性能研究 [ J ] ． 石油天然气学报，2 0 1 3 ，1 1 3 5 1 0 1 ． 1 0 4 ． WA NG P i n g s h u a n g ，XI NG Xi j i n ，L I U S h u j i e ，e t a 1 ． S t u d y 0 n t h e p e r f o r ma n c e o f d r i l l i n g flu i d f o r s i l m h o l e d r i l l i n g [ J ] ． J o u r n a l o fOi l a n d Ga s T e c h n o l o gy ，2 0 1 3 ， 1 1 3 5 1 0 1 ． 1 0 4 ． [ 8 】 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 ， 2 6 2 3 1 ． 3 4 ． ZHAO S h e n g y i n g，YAN J i e n i a n，LI Hu a i k e，e t a 1 ． P r e d i c t i o n mo d e l o f e q u i v a l e n t c i r c u l a t i n g d e n s i ty o f h i 曲 t e mp e r a t u r e d e e p we l l d r i l l i n g fl u i d[ J 】 ．Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 9 ，2 6 2 3 1 3 4 ． [ 9 ]9 赵胜英 ，鄢捷年 ，王利国，等 ． 高温高压条件下钻井 液当量静态密度预测模型 [ J ] ． 石油钻探技术，2 0 0 9 ， 3 7 3 4 8 ． 5 1 ． ZHAO S he ng y i n g，YAN J i e n i a n， WANG Li g u o． P r e d i c t i o n mo d e l o f e q u i v a l e n t d r i l l i n g fl u i d d e n s i t y a t h i g h t e mp e r a t u r e and h i g h p r e s s u r e [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ，2 0 0 9 ，3 7 3 4 8 - 5 1 ． [ 1 0 】张金波，鄢捷年 ． 高温高压钻井液密度预测新模型的 建立 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 6 ，2 3 5 8 - 1 1 ． Z HANG J i n b o，YAN J i e n i a n ． T h e c o n s t r u c t i o n o f a n e w mo d e l p r e d i c t i n g HT HP mu d d e n s i t i e s [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 6 ，2 3 5 8 - l 1 ． 收稿 日期2 0 1 5 ． 1 2 - 2 8 ；HG F 1 6 0 1 C1 3 ；编辑王超 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m