大位移井钻井液关键技术问题.pdf

第 2 9卷 第 2 期 2 0 1 2年 3月 钻井液与完井液 DRl LL I NG F L UI D COMP LE TI ON F LUI D V_o l _ 29 No． 2 M a t ．201 2 【 专论 】 大位移井钻井液关键技术问题 谢彬强， 邱正松， 黄维安， 沈忠厚 中国石油大学 华东 石油工程学院，山东青岛 谢彬强等．大位移井钻井液关键技术问题 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 1 2 ，2 9 2 7 6 ． 8 2 ． 摘要 目前大位移井已成为开发边际油田的最有效手段之一，其 中的钻井液技术关系到大位移井的成败。从 降低摩阻和扭矩、保持井眼清洁、维持井壁稳定 3个方面总结分析 了大位移井钻井液的关键技术问题，并提 出了 相应的解决措施，同时综述 了近年来国内外在大位移井钻井液关键技术方面取得的研究进展，最后预测 了大位移 井钻井液技术在未来一段时期的发展趋势。 关键词 大位移井 ； 钻井液 ； 井眼稳定 ； 井眼净化 ； 摩阻 ； 扭矩 ； 综述 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 20 2 0 0 7 6 ． 0 7 大位移井具有能大范围地控制含油面积、提高 油气采收率、降低油田开发成本等优点，具有显著 的经济、社会效益，所以大位移井已成为目 前开发 边际油田的最有效手段之一。大位移井钻井液技术 作为影响大位移井成败的关键因素，是大位移钻井 技术的核心部分，其关键技术集中在降低摩阻和扭 矩、保持井眼清洁、维持井壁稳定和随钻防漏堵漏 等4 个方面。 针对这4 大关键问题， 进行了总结分析， 并提出了相应的解决措施 。 1 降低摩阻和扭矩技术 管柱的摩阻扭矩问题是大位移井技术的核心问 题之一 ，它决定水平位移的最大延伸 ，而提高钻井 液的润滑性是降低井下摩阻的主要手段之一。可以 通过以下几种方法 ，达到降低摩阻和扭矩的目的。 1 ． 1 合理选择钻井液体系 适 合于大位移井作业的钻井液有油基钻井液 、 合成基钻井液和水基钻井液，在实际钻井过程中要 根据具体的情况采用不同类型钻井液。 为 了降低摩阻和扭矩 ，超长大位移井一般都采 用润滑性能 良好 的油基和合成基钻井液。 近 1 0 年来 ， 世界上 7 0 ％以上大位移井钻井作业是由油基 ／ 合成 基钻井液钻成的，并且所有水平位移在 5 0 0 0 m 以 上的大位移井均是用油基 ／ 合成基钻井液钻成的 1 。 但是传统的油基钻井液以原油或柴油为基础油，不 能满足环保毒性指标的要求，且成本较高。目前 国内外一些专业化公司研发了低毒 或无毒 油基 钻井液，使用的基础油是精炼油 或称白油 ，如 E X XOM 公 司生 产 的 E S C AI O1 1 0号矿 物油 。并形 成了如 V e r t ． o i l 、O i l ． F a z e 等体系 [2 】 。在水平位移为 8 2 2 0 m、最大井斜角为 7 9 。 的西江2 3 ． A1 4大位移 井选用了 V e r s a C le a n 低毒性油基钻井液，该体系 表现 出了润滑性好 ，对泥岩抑制性强 ，滤失量低 ， 在低剪切速率下具有较高黏度等特点 ，确保 了该井 钻井作业的成功 p J 。 为 了彻底解决油基钻井液对环境污染问题且保 留其优良特性，2 0 世纪9 0 年代国外石油公司开发 出了合成基钻井液，其性能比油基钻井液更好， 具 体表现在泥饼摩擦系数更低，润滑性能良好，能更 好地解决大位移井摩阻和扭矩问题。目前合成基 钻井液的基液主要有酯基、醚基、线型 0 [． 烯烃等， 其中以酯、 醚和聚6 c一 烯烃为代表的称为第一代产品， 以线型 ． 烯烃 L A O 与异构烯烃 1 0 等为代表的 基金项目 十二五国家科技重大专项 复杂地质条件下深井钻井液与高温高压固井技术研究 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 1 ． 0 0 4 o 第一作者简介 谢彬强，在读博士研究生，1 9 8 1 年生，主要从事油气井工作液方面的研究。地址 山东省青岛市经济 技术开发 区长江西路6 6号 ； 邮政编码2 6 6 5 5 5；电话 1 3 8 5 4 6 0 1 1 6 2； E - ma i l x i e b i n q i a n g 1 9 8 1 1 6 3 ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 2期 谢彬强等大位移 井钻井液关键技术问题 7 7 称为第二代产品，第二代合成基钻井液的综合性能 优于第一代合成基钻井液，特别是 L A O和 I O钻 井液是 目 前较为理想的合成基体系，但使用成本较 高 ] 。近几年来，S t a t O o r d 油田使用合成基钻井液 成功钻探 了C 1 0 井、C 0 3 井、C 0 2 井等，其中C 0 2 井打破了该地区的大位移钻井记录，水平位移达 7 2 9 0 m，并且大部分井段是在 7 0 。 ～8 4 。 的井斜角 下钻成的 J 。 由于对环保要求的提高，以及低钻井成本和现 场易处理的需求，使在地质条件不十分复杂的前提 下， 大位移井钻井作业尽可能采用水基钻井液体系。 近些年水基钻井液技术水平在不断提高，国内外相 继开发出了聚醇类钻井液 、KC 1 ／ 聚合物钻井液 、硅 基防塌钻井液、正电胶钻井液等体系，这些体系在 结合各种润滑剂的情况下， 在现场取得了成功应用。 例如在胜利油 田永 l 2断块 4 2口井大位移水平井段 钻井中，结合原油等润滑剂推广使用了聚合醇钻井 液，均未出现钻井事故，该体系表现出了良好的润 滑性能 [7 -9 1 ； 在南海东部流花油 田多 口大位移井作 业 中选用 KC I ／ 聚合物钻井液 ， 该体系结合 MC V i s 、 S o l t e x 、I D L u b e X L和微珠颗粒等润滑剂取得 了成 功应用 ，并形成了具有特色的大位移井水基钻井液 成套技术 [ 】 。但是总的来说水基钻井液与油基、合 成基钻井液相比在润滑性方面仍有明显差距，至今 使用水基钻井液作业的最大水平位移为 4 5 8 2 m。 1 ． 2 研选高效润滑剂 钻井过程 中，存在钻柱与井壁间无任何介质隔 开的干摩擦 、钻柱与井壁边界膜产生的边界摩擦和 由钻井液产生的流动摩擦 3 种摩擦方式。从减小摩 阻的角度出发，要尽量避免干摩擦 ，降低边界摩擦 和流动摩擦 。实践证 明，可以通过研选高效润滑剂 来提高钻井液的润滑性能。 对于油基钻井液，润滑剂对钻井液润滑性影响 很小，而油水比对其影响较大，高油水比的油基钻 井液可使金属 ． 金属 或金属 ． 砂岩界面之 间的摩擦 力下降近 5 0 ％，而润滑剂的影响并不大 [3 - 5 ] o所以， 提高油水比可明显改善油基钻井液的润滑性。 在油基或水基钻井液中加入石墨、塑料小球等 惰性固体润滑剂，可明显降低边界摩擦，提高钻井 液润滑性能 ，因为石墨和塑料小球的加入 ，可改变 钻柱与套管或裸眼井壁的接触方式， 改变摩擦状态， 有效地降低 2者之间的摩擦系数 [ 1 ” 。 哈里伯顿公 司 的 C a me r o n [ 1 ] 通过研 究得 出， 水基钻井液经过一些特殊润滑剂的处理后 ，其润滑 性可以达到接近油基钻井液的水平。目 前，研制高 效润滑剂已成为国内外提高水基钻井液润滑性能的 主要措施 。例如 ，哈里伯 顿公 司成功研 制应用 的 c o c k t a i l 特殊润滑剂 ，在 阿拉斯加地 区大位移井作 业 中，其降低扭矩程度达 5 0 ％～6 0 ％，使摩擦 系数 从 0 ．2 8 ～0 ．3 8 降至 0 ． 1 2 ～0 ．2 0 ，有效地降低了边界 摩擦 ，且有利于环境保护，从而降低了对油基或合 成基钻井液的依赖。c ．A． S a w d o n [ 1 5 ] 研制出了一种 代号为 L UB R I C ANT 7 3的新型润滑剂 ，该剂具有优 良的润滑性能，其降低扭矩程度达 8 8 ％，在多元醇 抑制剂 N P和低分子量聚合物抑制剂 N S I P同时加 入的情况下 ，其降低扭矩程度能增加到 9 3 ％，且抗 温能力达到 2 0 0℃，具有 良好的应用前景。近些年 中国也研制 出了很多性能 良好的极压润滑剂、环保 润滑剂等，但总体来说，在改善钻井液润滑性方面 与油基钻井液还有一定差距 。因此 ，研发可完全替 代油基钻井液的高效润滑剂， 仍是以后的重要目标。 1 ． 3 合理调整钻井液性能 钻井液流动摩擦主要与钻井液 固相含量 、 黏度 、 流速和钻具管壁粗糙度等多个因素有关。添加润滑 材料后，可以通过其管壁吸附，来提高管壁的光滑 度， 降低流动摩阻。也可通过合理调整钻井液性能， 来降低流动摩阻。 严格控制钻井液黏土含量 ，并充分利用 固控设 备，降低劣质固相含量，合理使用降滤失剂的种类 及用量 ，调整失水造壁性和 固相颗粒粒径分布 ，改 善泥饼质量 ，减小泥饼厚度 ，降低钻具与泥饼的接 触面积 ； 合理使用流型调节剂 ，调整钻井液流变性 ， 降低黏滞性，从而改善、提高钻井液润滑性能。 2 井眼净化技 术 井眼清洁效果不好会增大钻井扭矩和摩阻，因 此在大位移、大井斜、低排量、低返速的条件下， 如何及时有效地携带出井内岩屑，消除岩屑床， 保 持井眼清洁 ，是大位移井能否顺利施工 的关键。 2 ． 1 合理调整钻井液流变性 水平管路设备模拟试验表明 n 流变性能相似 的油基钻井液和水基钻井液的井眼净化能力基本相 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 钻 井 液 与 完 并 液 2 0 1 2年 3月 同，所 以在相同动态条件下，钻井液的井眼净化能 力主要取决于其流变性而不是体系类型 。 在钻井液环空返速一定 时，调整钻井液流型 、 选择适当的流变参数是井眼净化的关键。从环空钻 井液的流态来看，紊流较层流容易携带岩屑，不易 形成岩屑床，但大位移井井深且井眼大，该方法受 现场机泵条件 限制难于应用。当环空钻井液流态为 层流时 ，必须调整钻井液流变性 ，用平板型层流来 代替尖峰型层流，从而改善钻井液的携岩能力。如 果体 系动塑比过低 ，会导致尖峰型层流 ； 如动塑 比 过高 ，往往会 因动切力 的增大引起泵压显著升高 ， 所以适当高的动塑比，使体系形成平板型层流有利 于井眼清洁。不论是紊流还是层流，提高钻井液黏 度都能有助于携岩。 在大斜度及水平井段中，由于环空返速沿重力 方向分量随井眼斜度增大而减小 在水平井段 ，环 空流速的垂向分量为零 ，钻井液携屑能力被降低， 致使岩屑加快沉积在环空的下井壁 ，易于形成岩屑 床 ， 所 以必须不断适度提高钻井液的临界返速。 Q． D o a n [1 7 ] 等人研制出了特殊工艺井作业中钻井液携 岩瞬变过程模型，该模型模拟了环空中岩屑的运动 状况，其中包括岩屑沉积和再悬浮、岩屑床的形成 及运动等过程。通过该模型可以计算不 同水力条件 下 ，满足特殊工艺井钻井的最低临界携岩速度 ，试 验证明其具有较高的准确度 。 现现场作业经验表明，在低剪切速率下，钻井 液 、 读数较高的钻井液能够明显减小岩屑的垂 沉现象，很大程度地改善井眼清洁状况。所以为了 减小岩屑的滑落速度 ，钻井液在低剪切速率下 的黏 度应保持在适 当的范围内，如在西江 2 4 ． 3 一 A ． 1 4井 中的 西2 1 5 ．9 m m井段和 3 1 1 ．2 m m井段，当低固 相聚合物钻井液的 、 仇读数保持在 6 ～1 2 时，现 场井 眼清洁方面具有很好 的效果 [ 1 8 - 2 0 ] 。 2 ． 2 提高钻井液携岩能力新方法 通过调节钻井液流变性 ，可以改善钻井液携岩 能力，但在目前条件下 ，钻井液还难以调整到使岩 屑在钻井液中不下沉的程度，还必须配合使用其它 方法，才能有效地保持井眼清洁。 1 弱凝胶技术 [2 1 -2 2 ] O为了解决大位移水平井 的岩屑床问题 ，目前国内外 的研究方 向之一是研究 一 种不同于传统钻井液的新型钻井液弱凝胶钻 井液体系。常规凝胶的形成主要是依赖于交联剂， 聚合物通过与交联剂的作用在一定的温度和一定的 时间下成胶 ，而弱凝胶钻井液是一种快速弱凝胶体 系，与常规凝胶的形成机理不同，它是利用聚合物 之间的协同效应，可在低温和短时间内成胶，所形 成的弱凝胶具有独特的流变性，具有很高的动塑比 1 P a ／ mP a S 和低剪切黏度 、良好的剪切稀释 能力和触变性 ，静切力无时间依赖 ，具有优 良的悬 浮能力 ，可以有效地防止钻屑在井壁的低边形成岩 屑床 ，具有很强的井眼净化能力 ，且可以利用特殊 的完井液解除泥饼、保护储层、提高油井产量。目 前 ，麦克巴钻井液公司已开发出这种具有特殊结构 的弱凝胶钻井液 F L O P R O体系。现场大量应用表 明，F L O ． P R O体系具有优良的井眼清洁能力，完 全可以满足大位移井作业的携岩要求。 2 特殊清岩流体技术。研究表明，注入具有 很强悬浮、携带岩屑能力的特殊流体段塞是清扫井 下岩屑床的有效方法之一 [ 2 。 目前该技术在国内外 都有一定范围内的应用 ，该流体在流变性或密度上 不同于普通的钻井液 ，一般可将其分为 4类 低黏 清岩流体 ； 高黏清岩流体 ； 高密度清岩流体 ； 以上 2 种流体串联的流体。低黏流体易于达到较高的速 度梯度，并在岩屑床处形成较高的水力作用力，这 将有利于岩屑再运动 ，并起到对岩屑的举升和再悬 浮作用，但是它不能阻止岩屑的再沉积 ； 高黏流体 具有很强 的悬浮岩屑能力 ，主要起到防止岩屑 的再 沉积作用 ； 如把这两种流体串联使用将会有效地清 除岩屑床。在实际应用中，首先用低黏流体把岩屑 搅动和再悬浮，然后用高黏流体使岩屑保持悬浮状 态， 并循环携带出来 ； 高密度清岩流体靠浮力作用， 降低岩屑下沉速度和提高其举升能力，但循环漏 失 E C D限制了它的应用范围。该清岩流体的清 岩效率还受到其它参数的影响 [2 4 ] ，如井斜角、钻柱 旋转速度 、环空循环速度等 ，如钻柱旋转有助于岩 屑的转动和再悬浮，有助于提高岩屑清除效率。钻 井液环空循环速度也是岩屑清除效率的影响因素之 一 ，但 E C D限制了其应用范围。 如何在不影响正常作业的前提下， 进一步改进、 提高该流体的岩屑清除效率，是该技术的主要难 点。C a m e r o n [2 孓 研制了一种新型高效携岩剂，试 验证明，该剂可明显提高特殊流体的清岩能力。该 处理剂是一种合成纤维类物质，能形成类似于网状 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 2期 谢彬强等 大位移井钻 井液关键技 术问题 7 9 的结构 ，从 而能有效地携带 出大小不同的岩屑 ，保 持井眼清洁。同时它还能明显降低大斜度段和水平 段的摩阻 、扭矩。在 Ab u D h a b i 地 区由 ADC O公司 承钻的第一 口大位移井 中应用 了这种携岩剂 ，该剂 在 9 9 ～ 1 1 4 k g ／ m 的加量下 ，表现出了良好的性能 ， 有效地解决 了携岩和摩 阻扭矩 问题 ，确保了井眼清 洁，提高了机械钻速。B u l g a c h e v 、A h m e d E2 7 -2 8 等人 进一步对该纤维处理剂进行了研究 ，并进行 了清岩 效果对 比试验。结果表 明，加入该纤维处理剂的清 岩流体具有最优的井眼清洁能力，能有效清除由细 岩屑形成的岩屑床，他们同时也进行了流变性相似 的常规钻井液和加入该纤维处理剂钻井液的清岩效 率对 比试验 清岩效率通过测量达到平衡状态时的 岩屑床高度来评价 ，试验结果表明，后者表现出 了优 良的破坏岩屑床的能力 ，但是对该剂 的流动特 性 、作用机理等方面还缺乏深入的认识 。 3 泡沫流体技术。随着泡沫钻井液在水平井、 大位移井等特殊工艺井中的成功应用，有关泡沫流 体携岩理论越来越受到关注 ，但 目前 国内外对泡沫 流体携岩作用的研究还非常有限。虽然室内试验和 现场应用证明了泡沫钻井液具有良好的携岩能力， 但国外学者通过大量的室内试验研究表明 泡沫钻 井液仍不能有效地消除岩屑床 [ 2 9 - 3 1 ] o深入研究泡沫 流体的携岩特性及机理 ，并进一步提高其携岩能力 已成为提高钻井液携岩方面研究的热点之一。 美国塔尔萨大学的E ． O z b a y o g l u t3 0 - 3 1 等人用低 压室温 L P A T循环系统对水平井 、大斜度定 向井 作业中岩屑传输问题进行了研究 其中采用的泡沫 体系流速范围较宽，泡沫特征值范围为 O ．7 ～0 ．9 o 他们通过大量的室内研究指出 泡沫体系在一定程 度上对岩屑床起到破坏作用，但不能有效清除岩屑 床 ，并给出如下主要建议和结论 在某一泡沫体系 流速 、渗人速度恒定时 ，岩屑床厚度随泡沫特征值 的增加而增加 ； 井斜角为 5 5 。 ～6 5 o 时 ， 携岩最困难 ， 当井斜角大于 7 0 。 时，井斜角对岩屑床厚度的影响 很小 ； 通过试验研制 出了泡沫钻井液三层携岩空间 模型，并利用质量和动量守恒原理，开发出了适用 于稳态、等温流动条件的计算机模拟软件，应用该 模拟软件计算出的井内岩屑床厚度误差小于 2 0 ％， 总压 降误差小于 2 5 ％。A． L ． Ma r t i n s l 3 等人进一步 推测了泡沫钻井液对岩屑床的破坏程度 试验采用 了2 种液体流速 2 0和3 0 L ／ ra i n 和多种气流速度， 泡沫特征值范围为 0 ． 6 0 ～0 ．9 5 。试验证明，增加 环空总流速有助于破坏岩屑床 ； 提高环空液流速度 有利于保持井眼清洁 但是在高泡沫特征值下以上 两结论 不明显 ； 研 制出了回归模型 ，推测认为相 对岩屑床高度是泡沫特征值和体系雷诺数的函数， 该模型还需进一步的试验证 明。 上述研究都是常温 、常压下进行的。Z ． C h e n _ 3 等人通过模拟井下高温、高压条件，用美国塔尔萨 大学的岩屑传输高级设备 A C T F 对泡沫的携岩 特性进行了研究 ，发现 泡沫钻井液携岩能力随环 空流速增加而增加 达到临界携岩速度后 ，井眼内 岩屑浓度明显降低 ； 加入增黏类处理剂可提高体 系携岩能力，但同时也能增加压耗 ； 泡沫钻井液携 岩能力随泡沫特征值 的增加而增加 ，而井内压力和 温度对其携岩能力影响不大。M． Du a n [ 3 等人进一 步研制 出 了能模拟钻 柱旋转 的泡沫钻 井液携岩模 型，该模型能在不同钻柱旋转速度、泡沫特性值、 温度和压力下 ，预测井 眼钻屑浓度 、压力损耗等。 他们通过试验研究得出，泡沫体系在高泡沫特性值 0 ．9 时，增加泡沫特性值能明显提高泡沫体系 的携岩能力 ，而在其它情况下 ，增加泡沫特性值对 提高体系携岩能力影响有限。 4 气体浮选技术 [3 5 -3 8 ] 借鉴在工业中常用的 气体浮选技术，提高钻井液携岩能力，笔者认为这 将是解决大位移井岩屑携带问题的一个重要研究方 向。气体浮选技术就是以在水中产生大量的微小气 泡为载体 ，利用微泡的憎水亲油性 ，使水中微细的 疏水性 、悬浮颗粒黏附在微气泡上 ，随气泡浮升到 水面 ，形成泡沫层一气 、水、颗粒三相混合体 ，然 后用机械方法撇除，从而使悬浮颗粒得以从水中分 离的一种处理方法。气体浮选技术能否成功引入的 关键在于浮选剂 表面活性剂 和浮选设备的研选。 由于疏水性的物质易气浮 ，而亲水性 的物质不易气 浮 ，为 了使亲水性 的物质 如岩屑 也能通过气浮 除去 ，需添加浮选剂 表面活性剂 ，改变物质表 面特性 ，使某些亲水性物质转变为疏水性物质，然 后通过吸附、举升后除去。在钻井过程中将产生大 量的岩屑，目前工业中应用的浮选剂存在浮选效率 低、用量大等缺点， 研选高效浮选剂，提高浮选剂 的作用效率，将成为气体浮选技术能否成功应用的 关键影响因素之一。 通过综合考虑工业中浮选动力学和浮选效率之 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年 3月 间的关系，可以得出 浮选槽中微颗粒低效浮选 的 原因是颗粒与气泡的碰撞概率低 ，而粗颗粒浮选效 率低的原因是大量颗粒从气泡上脱落。而影响浮选 效果的因素主要包括， 气泡的尺寸和数量及其分布、 浮选剂类型及浓度 、颗粒粒度分布等 ，其 中气泡的 大小是影响浮选效果 的最关键 因素之一 ，而气泡的 尺寸、数量、分布等取决于泡沫发生器。近年来浮 选柱泡沫发生器得到了极大的关注和发展 ，目前有 报道通过开发、利用纳米泡发生器产生的纳米泡， 可明显提高颗粒的浮选效果。这种纳米泡可以通过 提高颗粒与气泡的碰撞和附着的概率，并通过减少 颗粒从气泡上脱落概率来改善浮选效果。因为浮选 过程中纳米泡会优先聚集在疏水性颗粒表面，无需 通过颗粒碰撞而黏附于颗粒表面 ，且进一步起到了 辅助捕收作用 。此外 ，由于纳米泡在运动过程 中存 在较低的加速度力和离心力，使得颗粒不容易从微 泡上脱落，这将有助于浮选效率。同时，纳米泡还 具有较好的耐温、抗压能力。因此，借鉴、引人纳 米泡沫发生器， 并进一步对其产生的纳米泡进行温 度、压力等稳定性实验，将是下一步研究该技术能 否应用于携岩作业 的主要研究内容。 3 井壁稳定技 术 大位移井钻井的另一个技术难点是如何保持井 壁稳定 ． 大位移井的井壁稳定与直井有显著差别， 其不仅与地层岩石强度特性、井壁围岩的应力状态 有关，还受到井眼轨迹、地应力方位等多因素的直 接影响。从钻井液的角度来看，大位移井井壁稳定 的核心问题是大位移井中大段泥页岩的井壁稳定问 题 ，泥页岩井壁失稳的主要原因是忽略了由钻井液 与地层流体间水动力压差和化学势差引起的，水基 钻井液滤液或油基钻井液的水相进入地层 ，造成孔 隙压力不断升高，导致钻井液丧失有效液柱支撑作 用和近井壁有效应力在井壁周围的重新分布，水化 引起井壁岩石强度降低，最终导致井壁失稳。必须 依据 “ 多元协 同”钻井液稳定井壁理论 ，通过调整 钻井液类型及性能，维持井壁处于稳定状态 [3 9 1 。 1 封固井壁或提高泥页岩膜效率。由于某些 泥页岩的渗透率极低，可部分阻止离子通过而起到 半 透膜作用 一种非 理想 的半透膜 。对于孔 隙、 裂缝发育或破碎性泥页岩地层 ，可采用聚合醇、硅 酸盐、超低渗透等成膜钻井液体系，改善泥页岩与 钻井液问的膜效率， 并借助沥青类、 树脂类等物理、 化学封固井壁材料，进一步加强钻井液封堵孔缝和 胶结裂缝的能力，从而降低滤液侵入，阻缓压力传 递 ，保持井壁稳定 [ 3 9 - 4 2 ] o 2抑制泥页岩水化 。由于某些泥页岩可以起 到半透膜作用，通过降低钻井液水活度，使化学渗 透压部分抵消水力压差引起的滤液侵入和压力传递 作用，甚至使地层水流向井眼，促进井壁稳定 】 。 例如 ，向水基钻井液或油基钻井液的水相 中加入无 机盐，降低水活度，减缓页岩水化作用。但不能完 全依靠提高无机盐浓度来实现，无机盐抑制剂存在 一 个最佳浓度范围，因为高浓度差可能会促进无机 盐离子交换进入页岩内部 ，这将会适得其反。 提高水基钻井液 的抑制 性，利用聚合物 与 或 N H 盐的协同抑制作用，可明显改善钻井液的 抑制性。其 中最有效的方法是使用聚胺化合物 ，其 用量少，吸附能力强，作用周期长 。麦克巴公司 于 2 0 0 1 年研制 出了此类有机 聚胺化合物 ，并开发 出了高性能水基钻井液 H P WB M 体系，该体系 的综合性能与油基钻井液相类似，在墨西哥湾、美 国、 巴西等地 区的大位移井作业中均取了成功应用 ， 但中国近几年才开展此项研究，在关键产品开发和 利用方面存在一定差距 [4 5 - 4 8 ] 。 3 确定合理钻井液密度 ，维持井壁力学稳定 。 受大位移井井眼轨迹的影响，其井壁地应力更易于 释放 ，钻井液密度是平衡地应力和地层压力 、阻止 水化膨胀的主要手段，提高钻井液的密度有助于增 大井下液柱压力对井壁的力学支撑作用，但当钻井 液密度大于地层破裂压力时，会造成井漏，而且只 提高钻井液密度，不一定有利于井壁稳定，因为随 着液柱压力的不断提高，又会促进水力压差引起 的 滤液侵人和孔隙压力传递 ，导致水化作用的加剧和 孔隙压力升高，从而降低钻井液对井壁的有效力学 支撑。 同时由于滤液的侵入使岩石强度大幅度下降， 进而引发更严重的井壁失稳。所以必须充分考虑井 壁岩石与钻井液间的压力传递和泥页岩水化应力对 井壁应力状态的影响以及泥页岩水化强度特性的改 变等多因素，建立泥页岩地层井壁稳定的力学与化 学耦合分析模型，将影响泥页岩井壁稳定性的力学 与水化作用有机地结合起来，预测或计算受孔隙压 力传递、水化膨胀应力以及水化引起的岩石力学参 数变化等诸多因素影响的泥页岩地层坍塌压力和破 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 9 卷 第2 期 谢彬强等大位移井钻井液关键技术问题 8 l 裂压力 ，从而确定安全钻井液密度窗 口，保持井壁 处于力学稳定状态 [4 0 -4 4 ] 。 近年来，国内外对井壁稳定性力学 ． 化学耦合 研究 已经进入 了深 人 的发展 阶段 ，取得 了一些成 果。中国石油大学 华东 邱正松教授等 伽 应用压 力传递实验基本原理，率先在中国研制出泥页岩水 化／ 力学耦合模拟实验装置 S H M，建立了压力传递 实验方法，实现了泥页岩的极低渗透率和膜效率的 定量模拟测试 ，进一步研究概括提出了 “ 物化封固 井壁阻缓压力传递 一 加强抑制水化 ． 有限水活度平 衡 ． 合理 密度有效应力 支撑井壁”的 “ 四元 协同” 防塌基本理论 ，为进一步深入开展泥页岩井壁化学／ 力学耦合作用机理研究以及研制高效防塌水基钻井 液提供了有效的实验手段。 张乐文 等 _ 4 9 ] 基于多孔介质弹性 力学和渗流力 学理论 ，建立了泥页岩地层井壁稳定的力学与化学 耦合分析模型，该模型将半透膜等效孔隙压力理论 应用到页岩与钻井液的相互作用 中，从而 以孔隙压 力 的形式将钻井液与泥页岩 间的化学作用引人到井 壁稳定模型 中，并进一步推导得出了在井 眼围岩一 定 区域 内孔隙压力分布的计算公式和孔 隙压力在井 眼周 围产生 的附加应力场的计算公式 。该 附加应力 结合井周内总的应力分布 ， 根据一定的强度准则 应 用最广泛 的是库伦摩 尔准则 ，便可 以计算 出近井 壁岩石的坍塌压力和破裂压力。 王炳 印等 [ 5 0 - 5 2 ] 在前人研究 的基础上 ，将泥页岩 地层视为孔隙介质，建立 了泥页岩地层孑 L 隙压力变 化以及井 壁围岩温度变化引起 的附加井周应力变化 计算公式 ，并依据孔隙热弹性小变形 可叠加原理 ， 给出了泥页岩地层在地应力及钻井液液柱压力作用 下，耦合温压影响下直井周总应力计算公式。并进 一 步对井 壁温度及地层压力变化对泥页岩地层破裂 和坍塌压力的影响规律进行 了研究 ，为解决大位移 井泥页岩井壁失稳问题提供了必要的理论支撑。 4 结束 语 通过综合分析当前大位移井钻井液的研究应用 现状 ，笔者认为大位移井钻井液技术未来一段时期 的发展趋势及仍需解决的关键问题如下。 1 ． 针对油基钻井液存在的环保、后续处理工艺 复杂等问题，研制低毒可降解基油、新型油基钻井 液处理剂 如通过降低基油在钻屑上的滞留量、提 高岩屑排放能力的新型处理剂 等， 并进一步优化、 完善油基钻井液应用性能。 2 ． 水基钻井液的摩阻问题是制约其在大位移井 中应用程度 的关键 问题 ，应进一步研制新型高效润 滑剂 ，以显著改善水基钻井液的润滑防卡性能，提 高其作业能力。加强研究、解决大位移井水基钻井 液在钻遇复杂油气藏时所亟待解决的许多难题，如 高温潜山地层的岩屑携带、裂缝性碳酸盐岩地层的 防漏堵漏等。 参 考 文 献 [ 1 】 宋玉玲 ，董丽娟 ，李 占武 ，等 ． 国外大位移井钻井技术 发展现状 【 J ] ． 钻采工艺，1 9 9 8 ， 2 1 5 4 - 8 ． [ 2 ] 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 ． [ 3 】 沈伟 ． 大位移井钻井液润滑性研究的现状与思考 [ J ] ． 石 油钻探技术， 2 0 0 1 ， 2 9 1 2 5 2 8 ． f 4 】 蔡利山， 林永学， 王文立 ． 大位移井钻井液技术综述 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 3 1 - 1 3 ． [ 5 ] 赵正尧 ． 低毒性油基钻井液的使用 [ J ] ． 中国海上油气 工 程 ，1 9 9 8 ，1 0 4 4 3 5 4 ． 『 6 ]6 孙金声，刘进京，潘小镛，等 ． 线性 6 [ 烯烃钻井液技术 研究 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 3 ，2 0 3 2 7 3 0 ． [ 7 ] 王洪宝，王庆，孟红霞，等 ． 聚合醇钻井液在水平井钻 井中的应用 [ J ] ． 油田化学 ，2 0 0 3 ，2 0 3 2 0 0 2 0 1 ． 【 8 ] 王宝田，何兴华 ． 胜利油田大位移井钻井液技术研究与 应用 『 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 6 ，2 3 2 8 0 8 2 ． [ 9 】 黄河福 ． 正电胶聚合醇钻井液在临盘地区的应用 [ J ] ． 钻 井液与完井液，2 0 0 2 ，1 9 4 4 4 ． 4 5 ． [ 1 0 】鄢捷年，杨虎，王利国，等 ． 南海流花大位移井水基钻 井液技术 [ J ] ． 石油钻采工艺，2 0 0 6 ，2 8 1 2 3 2 8 ． [ 1 1 1沈伟， 谭树人 ． 大位移井钻井作业的关键技术 [ J 】 ． 石油 钻采工艺 ，2 0 0 0 ，2 2 6 2 1 2 6 ． [ 1 2 ]Z h a n g Mi n g J i a n g ． C r i t i c a l A s p e c t s E x p e ri e n c e d i n D ri l l i n g a W o r l d Re c o r d E x t e n d e d Re a c h W e l l i n S o u t h Ch i n a S e a 【 R ] ． S P E 5 0 8 7 6 ，1 9 9 8 ． [ 1 3 ]Ca me r o n C ． D r i l l i n g f l u i d s d e s i g n a n d ma n a g e me n t f o r e x t e n d e d r e a c h d ri l l i n g [ J [ ． S P E ／ I A DC7 2 2 9 0 ，2 0 0 1 ． 【 1 4 ]Gu p t a A． P l a n n i n g a n d i d e n t i l y i n g b e s t t e c h n o l o g i e s f o r E R D w e l l s [ J [ ． S P E ／ I A DC 1 0 2 1 1 6 ，2 0 0 6 ． 【 1 5 】S a wd o n C A，Br a d y M E，S t e v e C l i f f e ，e t a 1 ． An I n t e g r a t e d Ap p r o a c h t o t h e De v e l o p me n t o f a W a t e r Ba s e d Mu d wi t h Oi l Ba s e d Mu d P e r f o r ma n c e [ J ] ． S P E ／ I A DC 2 9 3 7 5 ， 1 9 9 5 ． 『 l 6 1吴爽，李骥，张焱 ． 大位移井技术研究的现状分析 [ J ] ． 石油钻探技术 ，2 0 0 2 ， 3 0 5 1 7 ． 1 9 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年 3月 [ 1 7 ] Do a n Q T，e t a 1 ． Mo d e l i n g o f T r a n s i e n t C u t t i n g s T r a n s p o r t i n Un d e r b a l a n c e d D ri l l i n g [ J ] ． S P E 8 5 0 6 1 ， 2 0 0 3 。 【 1 8 】黄浩清 ． 西江 2 4 - 3 一 A2 0 E R W 大位移井钻井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 2 ，1 9 1 2 8 3 1 ． [ 1 9 】沈伟 ． 钻井泥浆性能改进技术研究与实践 [ J ] ． 中国海上 油气 工程 ，2 0 0 0 ，1 2 5 2 6 ． 2 9 ． [ 2 0 ]张洪泉， 任中启，董明健 ． 大斜度大位移井岩屑床的解 决方法 [ J ] ． 石油钻探技术 ，1 9 9 9 ，2 7 3 6 - 8 ． [ 2 1 ]H e r z h a f t B， R o u s s e a u L ． De v e l o p me n t o f a Na n o c o mp o s i t e G e l f o r L o s t C i r c u l a t i o n T r e a t me n t [ J ] ． S P E 9 4 6 8 6 ，2 0 0 5 ． [ 2 2 】韩立胜，白亮清， 李晓岚 ，等 ． F L O． P R O无固相钻井 液在冀东油田水平井中的应用 [ J ] ． 钻井液与完井液， 1 9 9 9 ，2 6 4 8 1 _ 8 5 ． [ 2 3 】A h me d R M ，T a k a c h N E，S a v i t r i M． E x p e r i me n t a l S t u d y o n F i b e r S we e p s i n Ho riz o