大位移井钻井液技术综述.pdf

第 2 7卷 第 3期 2 0 1 0年5月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D ＆ C0M PLETI oN FLUI D V_0 1 ． 27 No． 3 M a v 2 01 0 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 0 0 3 0 0 0 1 1 3 大位移井钻井液技术综述 蔡利 山， 林永学， 王文立 中石化石油工程技术研究院，北京 摘要大位移井技术是一项实施难度极高的钻井技术，其技术难点涉及到井眼净化、井壁稳定、润滑与减摩 等几方 面的 问题 ，其 中每 一个 问题都 与钻 井液技术 密切相 关，但仅仅 依靠提 高钻井液 技术又 无法解决相 关 问题。 通 过收集和分析 国 内外大 量水平井和部分 典型大位 移井 的施 工资料 ，介绍 了大位 移井 的施 工技术现状 ，指 出 了国 内外相关领域的技术差别，并就常见问题的解决对策及其实用性进行 了归纳总结，并提出大位移井钻井所遇到的 绝大部分技术问题实际上都可以归结到摩擦领域，对中国发展真正意义上的大位移井技术具有一定的借鉴意义。 关键词 大位移 井 ；井眼净化 ； 摩 阻 ； 钻井液流变性 能 ； 井 眼稳定 ； 现场操作 中图分类号 T E 2 5 4 - 3 文献标识码 A 随着大型整装油气 田以及优 良储层开发程度 的 不断加大 ，以单井方式获得 的可采油气储量也呈现 出递减趋势。为 了降低开采成本 ，尽可能提高单井 可控储量 ，根据储层分布情况实施定 向钻进 的工艺 技术便应运 而生。由于大位移井 ／ 水平井可以最大 限度地揭露储层 ，在老油 田的增储上产 、稠油储层 、 低渗储层 以及施工环境受限井位等情况下 ，这种施 工工艺 已经逐渐成为整个钻井工程不可缺少 的组成 部分 ，实践表 明，采用大位移井钻井工艺技术能够 有效提高特定储层 的开发效率 ，大幅度降低建井和 完井成本。但 由于管柱钻进方式的技术局限性 ，极 大地制约 了大位移井 ／ 水平井井 眼的延伸极 限，即 便是在 同等技术条件下 ，不 同施工者所 能得到的最 大延伸长度也相差很大 ，因此从工程角度讲 ，尽管 先进技术 的采用对增加大位移井 ／ 水平井井段 的延 伸长度 至关重要 ，但先进 的组织与管理同样 重要 ， 并且后者常常是前者得 以有效发挥的平 台。 大 位移井施工现状 大位移井 E R D 一般是指水平位移 HD 与垂直 深度 T v D 之 比大于 2的定 向井和水平井 ，当水垂 比大于 3时，则称为特大位移井 。大位移井具有以 下技术特点 ①能够实现 目的层的精确锁定 ； ②施 工的技术难度高 ，要求井下工具 、测量技术 、钻井 工艺实行三位一体的管理模式 ，否则无法达到预期 目标 ； ③改善井眼环境的技术措施非常有限 ，在常 规井中应用效果明显的技术手段绝大多数不再适合 于大位移井 ； ④钻进时采取的工艺参数难以兼顾各 方面的技术需求 ，比较典型的如泵参数难以同时满 足井眼净化与导向马达功率发挥 的需求 。以上 4点 决定 了大位移井是一项集技术 、管理 、现场工艺于 一 体 的综合性高技术工程 ，正是 由于这种原因，世 界 上具备大位移井施工能力的石油公 司屈指可数 ， 有 大位移井施 工经历 的石油公 司如美 国的贝克 休 斯 、帕克、斯伦贝谢 、菲利普斯 ； 法 国的道达尔石 油公 司 ； 英 国石油阿莫科 公司 ； 马拉松石油公 司 ； 丹麦 的马士基石油公司等 。即便是以上具有大位移 井独立施工能力的石油公 司，在实际操作中也常常 采取合作 承包方式相互 协作完成一 口井 的建井工 程 ，大位移井的实施难度由此可见一斑。 随着施 工大位 移井 的各 种技术 手段 的不 断成 熟 ，大位 移井或水 平井 的钻 井成本 已降至直井 的 1 ． 2 ～2 ． 0 倍 ，而水平井的产量却是直井的 4 ～8倍 ， 第一作者简介 蔡利山，高级工程师，1 9 6 3年生，1 9 9 1年毕业于中国地质大学 武汉 探矿工程专业，现在从事钻井液 技术研究工作。地址 北京市朝阳区北辰东路 8号北辰时代大厦 5层 5 1 8室； 邮政编码 1 0 0 1 0 1 ； 电话 0 1 0 8 4 9 8 8 6 6 2； E ma i l y h 1 7 7 8 1 2 6 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 5月 这种经济 因素促使大位移井或水平井 的施工数 量 呈逐 年上 升趋势 ，如 图 l和图 2所示 。由图 1 和 图 2可以看 出，2 0 0 8年发表 “ 大位移井 ”相关论 文 7 8篇 ，为历年最高 ；由于现场钻井资料统计及 报道的滞后效应，目前还无法 比较精确地得到最近 1 ～2年水平井或大位移井的井数增长情况 ，但据 1 9 9 9年 5月的统计结果 ，世界 6 7个国家 不包括 中 国和沙特 共钻水平井 2 0 4 3 0口 完井数达到 2 6 2 0 9 口 ，美 国钻 了 8 9 9 8口 完井数 为 1 2 8 8 2口 ，按 照这一数据并结合历年来水平井施工数量变化情况 推测，2 0 0 8 年全世界施工水平井数量可能达到 5万 口左右。 摆 ＼ 捌 年度 图 1 各年度发表 “ 大位移井”相关 文献统计 3 5 o o Ⅱ3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 球1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 一-_ _ - 1 9 8 7 1 9 8 8 1 9 8 9 1 9 9 0 1 9 91 1 99 2 l 9 9 3 l 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 年度 图 2 世界水平井数增长概况 1 ． 1 中国大位移井施工技术现状 近年来 ， 中国水平井施工及完井数量上升很快 ， 从各种报刊、技术杂志所报道的相关信息分析 ，中 石化 、中石油两大公 司 2 0 0 7年完成各类水平井大 约 1 2 0 0 ～ I 3 0 0口，2 0 0 8年可能达到 2 3 0 0 ～2 5 0 0 口，相 比之下，中国水垂 比大于 3的特大位移井数 量还不是很多。从资料报道情况看 ，中国海洋石油 总公司与菲利普斯中国有限公司在南海海域的西江 油田合作完成了4口大位移井，其中西江 2 4 ． 1 井的 水垂 比达到了 2 ． 7 4 ，其余 3口大位移井 的水垂 比也 均接近 3； 在南海东部海域流花 1 1 ． 1 油 田完成 的 4 口大位移井的水垂比均大于 2 ，其 中 B 3 E R W4大位 移井 的最大水平位移为 5 6 3 4 ． 0 7 m，水垂 比达到了 4 ． 5 8 ，是迄今为止 中国水垂 比最大 的 1口井 。按照 大位移井的概念，上述 8口井在中国是真正意义上 的大或超大位移井， 其余各油田施工的水平井 ／ 大位 移井的水垂比大于 2的不多。从资料的检索情况看， 中国陆上水垂比达到或大于 2的大位移井分别有新 疆 油 田的 F H W1 1 0 1 3水 平井 ，其水 垂 比为 2 ． 7 3 3 ， 大港油 田的庄海 8 Ng ． Hl 井 ，水垂 比为 2 ． 7 3 ，楼平 3井 ，位垂 比为 2 ． 3 9 I ； 其余大部分水平井的位垂 比均不大于 2 ，例如胜利油 田的通 5 9 ． 平 l 井的位 垂 比为 1 ． 4 3 ，渤海油 田的 QK1 7 2大位移水平井的 水垂 比为 1 ． 9 4 l 2 ] ，辽河油田海南 2 7 7井的位垂 比为 1 ．5 2 。吴爽早在 2 0 0 2 年就明确指出 从总体上看， 所有由中国 自身力量完成的大位移井 ，实际上并不 符合大位移井技术的概念，只能算是位移较大的定 向井或大位移定向井 ，这说明中国大位移井技术远 远落后于国际水平 『 3 ] 。笔者认为 ，这一观点直到今 天仍是 中国大位移井施工技术状况的概括。 1 ． 2 国际大位移井施工技术现状 迄今 为止 ，世界范围内水平位移超过 7 0 0 0 m 的井有 2 0口以上 2 0 0 7 年 5月数据 ， 水平位移超过 1 0 0 0 0 m 的井已有 6口，位垂 比最大 已超过 了 1 O 。 最新报道显示 ，由马士基石油天然气公司在卡塔尔 海上 S h a h e e n A I 油田所钻的一 口大位移井创下了新 的井深和水垂 比记录，该井以 1 2 2 8 9 m的总深位居 世界最深井 ，其水垂 比达到了 1 0 ． 4 8 5 见表 1 。 从相关的论文及技术分析资料可以看出，水垂 比大于2 的大位移井的施工必须具备以下技术条件 ①井眼轨迹设计及控制技术 ； ②摩 阻预测及减摩技 术 ； ③井壁稳定技术 ； ④井眼净化技术 ； ⑤随钻测 井技术 ； ⑥下套管及 固井技术。例如马拉松石油公 司与美国帕克钻井公司合作在 B r a e 油田施工的B 3 1 井水平位移达到了 6 1 4 1 ． 7 2 1T I ，位垂比为 1 ． 4 6 ，该 井除采用有效的技术手段控制尽可能光滑的井眼轨 迹外 ，还就各施工 阶段的钻具组合 、钻井液技术、 降摩减阻和井 眼清洁 等技术制订 了详细的操作方 案 ，但在井深 3 4 4 7 ． 2 9 m 1 1 3 1 0 R 处因摩阻上升启 用顶驱建立循环时 ，由于井眼内的压力超过 了地层 的破裂压力 而导致井壁失稳 ，并发生 了卡钻事故， 最终采用打水泥塞侧钻的方法恢复了正常钻进。这 一 案例表 明，上述所列 出的 6 项技术除 “ 下套管及 固井技术”外 这属于大位移井完井技术系列 ，其 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 3期 蔡利 山等大位移井钻井液技术综述 3 余 5项技术 中的任何一项如果不能达到大位移井施 工要求 ，都足以导致大位移井钻井作业的中断或是 使整个工程失败，而其中3 项是与钻井液技术密切 相关或者说其本身就是大位移井钻井液所要研究解 决的问题 。 表 1 全球大位移 井排名 蒌 ／m位 ／m垂 水 匕 名移 深 ⋯ 一 石 油 油 田 及 一 公 司 井 号 地 区 2 大位移井钻井液难点技术 简 明起见 ，以下结合大位移井作业特点 ，提出 了钻井液技术实施难点和技术盲 区并进行了分析讨 论 ，供 同行参考。 2 ． 1 钻井液 性能 的合理 控制 关于大位移井钻井液性能的掌握 ，目前在技术 界 尚无统一 的范围或标准 ， 但有 2个原则是公认 的， ① 常规性能及专项性能 如高温高压滤失量 、摩擦 系数等 的维护原则与普通钻井液相同 ； ②流变性 能 的维护应以保证井眼净化为原则 ，这是大位移井 钻井液性能控制 的技术难点。马拉松石油公 司在施 工 B3 1 井时 ，在 3 l 1 ． 2 mm井 眼使用 了油基钻井 液 ，在总结现场经验基础 上认 为体系的 读数为 1 2 ～ 1 5最好 ，比以往的 读数应是井眼直径 单位 以 “ i n ”计 的 1 ． 5 倍标准要低 。 随着 中国大位移井施 工标 准和技术 的不断提 高 ，中国技术人员也逐渐认识 到提高低剪切速率下 的钻井液黏度对于提高水平段井 眼净化效果 的重要 性。沈伟 【 4 等人通过总结 ，提 出了以下观点 ①提 高低剪切速率下的钻井液黏度能明显减小岩屑的垂 沉现象 ， 提高携砂效果 ； ②应严格控制 仇 和 读数 ， 保证钻井液对岩屑 的悬浮能力 ； ③不同的井 眼尺寸 对低剪切速率黏度 的要求不同 ，一般低剪切速率黏 度随井眼尺寸的增大而降低 ； ④井斜角大于 5 5 。的 井段不宜采用提高钻井液黏度的方式改善井眼净化 效果 ； ⑤应设法控制体 系的触变性 ，保持终切应力 不大 于 3 0 P a ，以保证液流在斜井 段仍具有较好 的 携带上返能力。 2 ． 1 ． 1 关 于零 切 力值 的定 义及 使用 以上所列观点均是大位移井现场施工经验的总 结 ，实际上 由于标准井径和裸 眼井段井径变化率 的 不 同，必然导致井 眼各处钻井液 当量黏度的不 同 ， 正常情况下 ，井径偏大的井段钻井液当量黏度也会 相应变高 ，这就提出了一个流变学 问题 ，即循环状 态下整个井眼环空中钻井液 的流型是各不相同的， 大井径段为层流甚至塞流 ，小井径段为紊流或过渡 流。这种情况下该如何界定合理的 读数范围，国 外倾 向于在层流条件下保持较高 的屈服值 大于 1 3 P a ，而紊流条件下 以适 当降低屈服值 小于 8 P a 为宜 ， 实际上就是层流状态下应保持较高的 读数 ， 紊 流状态 下保持较低 的 读数。 由于实际条件下 环空液流 的流变学状态十分复杂 ，上述原则的现场 可操作性很差 ，即便是配合精确的电算模拟 ，亦无 法保证钻井液流变性能能够依照不 同的流型进行调 节 。笔者 以为，采用 “ 零切力值”考察大位移井钻 井液净化井眼的能力 ， 不但具有明确的流变学意义 ， 且操作也 比较简洁 ，适合于现场应用 ，其基本定义 为 在 “ 零”静止时间下 ，一定泵量下某环空段液 流所对应的切力值。例如某水平井在正常循环时计 算得到钻杆部位 的环空剪率 西1 2 7 ～ 2 1 5 ． 9 mn l 环空 为 1 4 8 ． 4 8 S ～，该 值落在 六速黏度计 ～ 。 。 0 所对应 的标准剪率为 l 0 ． 2 2 ～ 1 7 0 S ～，故 以 读数 作为该剪率下的零切力值。下面给出了直接采用排 量计算环空剪率 的公式 ， 以方便现场使用 ， 见式 1 o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 5月 9 3 1 ． 6 5 一 I Dp 一J [ 式中 Q为泥浆泵实测 排量 ，S ‘ 。 ； D 为井径 ，i n； D 为钻具外径，i n 。零切力值也叫做胶凝强度，它 可以直接反映出环空钻井液在上返状态下对 固相颗 粒 钻屑 的承托能力 ，从理论上说 ，该值越高 ，钻 屑越不易滑落。由于这一指标需要以大量的现场操 作数据为依据进行界定 ，因此其合理范 围有待于对 一 些典型大位移井所使用的钻井液流变性能进行分 析后方可得 出。文献 [ 5 ] 曾报道 了静 5 2 一 H1 Z分 支 水 平井在 施工 1 0 0 2 r n的 西 3 1 1 ． 2 mm水平 段 时， 控制钻井液 读数为 6 ～8 、 读数为 4 ～6 ，很好 地满足了大井眼的携岩净化要求 ，这一控制指标明 显低于国外推荐数值 ，可能与所施工水平井段长度 较短有关 ，但这并不意味着水平段较短时可以使用 较低的零切力值 ，它只体现了中国施工这种长度的 水平井段时钻井液流变性能的控制水平 。 笔者认为 ， 就现场钻井液作业性质讲 ，维护流变性能时，在保 持表观黏度值相对稳定 的情况下，尽可能提高低剪 切速率下钻井液的黏度能够有效提高水平井眼施工 的安全性。现场经验也表明，随着井深的增加 ，不 断提高钻井液的 、 读数能够增强钻井液的携岩 能力 ，非常有利 于大斜度井的钻进 。 2 ． 1 ． 2 钻井液的动塑比 提高动塑比能够有效改善井眼净化状况 已是一 个常识性的结论。通常认为 ，当动塑比接近或等于 1 P mP a S 时能够达到最好的返出效果 ，在普通井 的施工中，一般建议动塑比应不低于 0 ． 5 P mP a S ， 从流变学角度讲 ，施T大斜度井时应进一步提高动 塑比，以保证环空流态和保持不同容积环空 的有效 黏度 ，较好地平衡过度冲刷和下井壁岩屑沉积效应 之间的矛盾。但就相关数据的报道情况看 ，动塑 比 值的现场掌握情况差异很大 ，中国的技术专家一般 将动塑比控制为 0 ． 3 0 ～0 ． 6 8 P a ／ mP a S ，极少能够达 到 0 ． 7 P mP a S 以上 文献报道 中只有东河 l - H 8 l6 】 、 东河 l - H5 和东河 l H3 井 的钻井液动塑比最高 ， 达到了0 ． 7 6 P mP a S ， 即便是像 L i u h u a 1 1 ． 1 2 1 A 4 E R W3井这样的符合国际标准的大位移井 ，其动塑 比也只维持在 0 ． 3 6 ～0 ．4 8 P a ／ mP a S 【 9 ] 。从资料中介 绍的情况看 ，国外似乎不是十分强调钻井液的动塑 比，而 比较重视对动切力的维护。但一味维持较高 的动切力，尽管能够有效改善井眼净化效果，但也 会引起体系过高的胶凝强度和较大的当量循环密度 值，诱发井漏、引起井眼稳定性下降等井下复杂情 况 。因此掌握合理的动切力值对于提高大位移井施 工的安全性十分重要 ，这已成为国内外钻井液技术 界的共识。 对于如何合理掌握动塑 比，万绪新 【 l 叫建议应 按照井眼曲率的不同分别对待 ，认为大、中曲率水 平井钻井液动塑 比宜控制为 0 ． 5 ～0 ． 8 P a ／ mP a S ，小 曲率水平井为 0 ． 8 ～1 ． 0 P mP a S ，侧钻水平井宜为 0 ． 8 ～1 ． 2 P mP a S 。这种做法尽管能够有效克服因 岩屑下沉而引起 的岩屑床效应，但 同时也会造成很 高的钻井液静切力 ，对于位移不太大或水平段不很 长的井眼 ，这种维护方法还不至于引起很高的负面 效应 ，如 E C D值增大 、循环泵压升高 、地层破裂 等 ，但对 于典型的大位移井 ，使用这种手段后所出 现的问题可能会影响正常钻进。有过现场作业经历 的人都知道 ，在现场作业 中，技术人员都期望能够 在保持较低的表观黏度情况下 ，得到尽可能高的动 切力值 ，但由于多种因素的制约，做到这一点非常 困难 ，如果 没 有相应 新 材料 的开 发应 用 ，达到 这种 目标几乎是不可能的。从近年来钻井液添加剂的研 发情况看 ，部分技术公司已经在着手开发低剪切速 率提黏降滤失剂，其主要优点是能够有效提高体系 在低剪切速率下 的黏度 即 、 读数 ，但对 。 。 读数 的影响很小 ，这种材料的开发与使用有望解决 上述问题 。从这种角度看 ，动塑比值 的高低实际上 反映了一个作业公司甚至一个地区的整体钻井液技 术水平 ，如新型材料的开发与应用 、现场维护与管 理 、固相控制等，这已不是单纯的参数控制问题了。 2 ． 2 井眼净化 问题 不论是常规井 还是大位移井 ，井 眼的净化从 来就不是仅仅依靠提高钻井液技术水平就能够做好 的 ，一个清洁的井眼是各种技术手段相互配合协作 的结果 ，所不 同的是大位移井对 于配合 的要求更 高 ，甚至已经成为主要的技术措施 。关于与钻井液 密切相关的井眼净化问题，早在 2 0 世纪 8 0 年代后 期就有人做过 比较系统的研究 ，这方面比较具有代 表性的是陈谱所进行的变井斜角实验研究及机理分 析 ” 。作者结合实验数据并通过对数学模型进行分 析研究后得到如下结论 ①当井斜角大于 l 0 。以后 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 3期 蔡利山等 大位移井钻 井液技术综述 5 随着井斜角的增大 ，钻屑开始在下井壁具有积累趋 势 ，在较低排量下这种情况更加 明显 ； ②排量一定 时，当井斜角大于某一临界值 以后 ，岩屑床厚度增 加的趋势会 随着井斜角的增大而变大 ； ③排量和井 斜角一定 时，钻柱 偏心度对 岩屑床 的厚度影 响很 大，而钻井液黏度只具有中等影响程度 ； ④钻屑颗 粒越大 ，越不易形成岩屑床 ； ⑤环空返速低于临界 值时，岩屑床厚度会突然增大 ； ⑥井斜角超过 1 0 。 时 ，钻屑的传输应按照斜井作业特点考虑 ，井斜角 在 3 0 。～6 0 。时钻 屑的上返最为 困难 ； ⑦钻柱 的旋 转有利于钻屑的上返 ； ⑧提高钻井液密度有利于岩 屑 的传输 ； ⑨钻井液 的触变性对钻屑的传输不利 ， 应设法降低。考虑到现场应用的方便 ，同时给出了 不同斜井段施工时能够保证钻屑不滑落的最小环空 返速的计算公式为 2 f 1 i 1 i l 1 ． 1 p s P g lj 2 I J 式 中 ， 为环空最低 临界返 速 ，m／ s； K为与井 斜角有关 的系数 ，可 由实验 得 出 ； P 为钻井 液密 度 ，k g ／ m ； p 为钻屑密度 ，k g ／ m ； g为重力加速度 ， m ／ s ； 为钻井液黏度 ，P a S 。 环空净化 程度对钻 进参数 和施工 过程均有 影 响，如泵 压 、扭 矩 、钻柱摩 阻 、机械 钻速等 会 随 着井 眼的清洁程度而发生变化。由此 ，美 国 B a k e r H u g h e s 公司研制了一种环空压力监测仪 ，该仪器能 够 即时分析环空钻井液 的当量密度 ，并通过精确测 量井眼的清洁程度 ，早期预告砂桥及垮塌迹象，最 终实现通过变化钻速和排量来判断所采用的技术措 施对提高井眼清洁程度是否有效 ，以指导优化钻井 参数 [ 1 2 1 o在大位移井的钻井施工 中，井下异常情况 绝大多数是 由于井眼不干净所致 ，因此提高和保持 井眼净化程度应是大位移井在整个钻进工序中都应 始终坚持的原则 。 2 ． 3 摩擦 问题 摩擦 问题在大位移井 的施工 中变得尤其突 出， 客观地讲 ，摩阻的控制程度直接关系着水平井段延 伸的长度 ，由于井下环境的复杂性及井眼曲率变化 的影响 ，钻井过程 中摩阻的准确测定实际上是一个 非常困难的问题 ，目前所推 出的各种测定摩阻系数 的仪器和方法 只能使操作人员对井下钻具的润滑状 态具有一种定性的估计 ，远不能反映钻柱与井壁之 间的真实摩擦情况。对于大位移井而言 ，控制摩阻 首先来 自于钻头掘进的需要 ，亦即通常所说 的钻头 处必须保持一定 的钻压 ，如果地面设备施加 的钻压 在传 递过程 中全部用 于克 服钻柱与井壁 之间 的摩 阻 ，传递至钻头的力接近于零时，则井眼的延伸 自 动终止 。 井 眼摩擦 问题的复杂性在于 ①井下钻柱为非 线弹性存在状态 ； ②井眼横截 面呈非 圆形 可能也 不是近似椭 圆形； ③井壁刚性 较差 ； ④在整个井 眼中，各段的摩擦系数不 同 ； ⑤温度对摩擦系数 的 影响程度不确定 ； ⑥钻柱的受力状态 、环空液流的 流型、各井段环空钻屑浓度等的差异也会引起摩擦 阻力的较大变化 。目前推出的摩擦系数测定仪有 l 0 多种 ，中国现场常用的也达到了 4 ～5种 ，但 由不 同仪器得到的摩阻数据没有可 比性 ，为了尽可能准 确客观地反映井下钻具所受到摩擦阻力 的大小 ，中 国部分水平井作业现场采用同时使用几种仪器监测 泥饼 摩擦 系数的方法 ，将所得 到 的不 同摩擦 系数 进行分析对 比后制订钻井液的润滑处理方案 。天东 9 7 X井 是在这方面做的比较典型的一 口井 ，表 2 是该井采用不同仪器测定出的摩擦系数。 表 2 天东 9 7 X井采用不同仪器测定出的泥饼摩擦系数 注 为 4 5 mi n泥饼摩擦系数， 为滑块式泥饼摩 擦 系数 。 可以看出 ，4种仪器得 出的 4组数据各不相同， 现场以哪一组为主 ，基本上是钻井液工程师根据施 工井 的历史数据并 结合个人 的经验积累进行掌握 ， 这必然造成润滑方案和相应 的技术维护措施产生极 大的差别 ，对于水垂 比较小的水平井 ，这种做法尚 不至于 出现太大的误差 ，但对于典型的大位移井 ， 仅凭经验和简单的数据对 比分析结果 ，制定出的维 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 5月 护处理方案显然无法满足井下润滑要求 。表 2的实 测数据表明，在评估大斜度井的摩阻情况时，必须 要注明泥饼摩擦系数是采用何种仪器测定以及测定 条件，否则会严重降低测定数据的可参考性。 为了有效控制超长水平段 的摩 阻系数 ，国外的 最新做法是在掌握大位移井井眼轨迹数据、地层参 数及所使用的钻井液性能指标基础上 ，对各施工阶 段的井 眼摩擦阻力进行预测 ，并直接将预测结果体 现在钻井工程设计中，以方便施工人员参考和提前 预测井眼摩阻变化情况，关于这方面的工作 ，郭永 峰 [ 1 等人进行 了比较细致 的调研和分析，并提出 了 “ 未来大位移井的实施很可能由摩阻预测结果一 票否决”的观点。由于大位移井 的技术特点所致， 摩阻的预测与控制很可能成为该类井技术突破的关 键环节 ，按照文献 [ 1 4 ] 的提法，中国在摩擦领域的 理论研究水平与国际水平大体相当 ，差距主要体现 在工具、仪器等硬件设施 的配套与使用上 ，一旦具 备实施条件 ，相信很快即能获得成果。 大位移井 的井眼摩阻之高在很多情况下出乎我 们的想象，在来 自B 3 1 井的现场信息 中，提到 2个 与摩擦有关的数据 该井在钻达井深 4 1 6 8 ． 1 4 m 时 因扭矩升高而起钻 ，检查井底钻具时发现 ，有 2个 稳定器 的外径 分别磨 损 了 6 ． 3 5 mm和 9 ． 5 2 5 mm ； 另外一个情况是 ，在使用顶驱钻至井深 4 7 8 5 ． 6 7 m 时 ，因在大扭矩和超载提升情况下继续使用顶驱 ， 导致连续烧毁 2台顶驱驱动马达。由此看来 ，郭永 峰的观点具有事实基础和技术预见性 。 2 ． 4 井壁稳定问题 研究和实践均表 明，大位移井 的井壁稳定问题 比常规井更加突出，在实际施工中，大位移井的井 壁失稳常常发生在水平井段的上井壁部位 ，关于这 一 情况 ，沈伟 『4 等人提出，地层破裂压力梯度与井 斜角密切相关 ，并 给出了式 3 所示 的地层破裂压 力与井斜 角的数学关系。由式 3 可以看 出，井斜 角越大 ，破裂压力梯度越小。 1 P w f r 一1 6 s i n 3 j 式中 P w r 为井斜角为 r时的地层破裂压力梯度 ； 尸 0 为地层孑 L 隙压力梯度 ； P w 为同一地层垂直深度 上的压力梯度 。 对于如何提高大斜 度井 眼的井壁 稳定性 ，廖 扬强 等人认为 ，当井斜角在 0 。～6 0 。 之间变化 时，为不致压漏地层 ，建议钻井液密度应降低 0 ． 3 6 g ／ c m ，而保持井壁不至于发生坍塌的钻井液密度 则需要提高 0 ． 3 g ／ c m 。一般而言，井斜角对井壁稳 定性的影响非常明显 ，并且随着井斜角的增加 ，钻 井液的安全密度窗口变小。从施工角度看 ，井壁稳 定性的破坏首先会使井壁与钻具之间的摩擦阻力变 大 ，引起钻具运动阻力增加甚至于发生卡钻 ，其次 是由于水平井段井壁完整性被破坏 以后可能导致的 漏失 问题 。大位移井一旦发生井壁失稳 ，其后果比 常规井要严重许多 ， 处理工作的复杂程度也高得多， 因此保持大斜度井尤其是水平井段井壁的稳定性是 大位移井钻进施工得以顺利进行 的技术基础 ，是一 项系统性和协作性很强的工程 ， 技术难度无疑更高。 2 ． 5 其它 问题 和常规井一样 ，大位移井在钻进 中也可能遇到 一 些非常规地质问题 ，如异常高压地层 、漏失地层 、 异常高温带等，这些问题的出现肯定会增加大位移 井的施工难度。 1 钻遇异常高压地层 时，使用高密度钻井液 会 加大钻井液维护管理的难度。天东 9 7 X井 [ 1 用 钾基聚磺 一 聚合醇钻井液钻进至井深 3 1 5 0和 3 7 2 5 m 时，因井涌 分别 将密 度提 高 到 了 1 ． 9 4 g ／ c m 和 2 ． 1 5 g ／ c m ，并 以 2 ． 1 5 g ／ c m 的密 度完成 了井斜 角 为 6 5 ． 4 8 。、长 9 8 0 m 的斜 井 段 ； 磨 0 0 5 2 H 8井 【 采用水包油钻井液钻至井深 3 3 0 0 ． 2 m时发生盐水 侵 ，提高密度至 2 ． 3 6 g ／ c m 后恢复钻进 ，并于井深 3 3 3 3 m处进入水平段 ，钻至井深 3 8 3 4 m完钻 ，密 度一直保持在 2 ． 3 4 ～2 ， 3 6 g ／ c m ，钻井液性能十分 稳定 ，这是迄今为止施工的大斜度井使用钻井液密 度的最高记录。从现场情况看 ，高密度钻井液属于 一 项难度较高的技术 ，并且 随着密度的升高 ，难度 也急剧增大 ，主要表现在流变性能不好控制 ，以至 于出现泵压升高、循环阻力明显增大的现象 ，发生 循环漏失的可能性很大。上述 2口大斜度井之所 以 能够成功应用高密度钻井液，除钻井液体系选择合 理 、现场维护技术好以外 ，主要是所施工的大斜度 井段较短 分别只有 9 8 0 m 和 5 0 1 m ，提高密度以 后循环摩阻的升高还不是特别明显 ，基本不影响正 常的钻进作业，如果是典型的大位移井 ，情况可能 就不是如此简单了。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 3期 蔡利 山等 大位移井钻井液技术综述 7 2 施工水平井 时一旦 发生漏失 ，处理方案 的 制定将难于抉择 。添加堵漏材料实施封堵会导致井 壁摩阻急剧增大 ，严重时会发生卡钻事故 ； 而不加 处理坚持钻进又会损失大量 的优质钻井液 漏失严 重时可能无法正常钻进 ，并且极不利于储层保护。 在笔者掌握 的部分资料中就有类似情况 ，如川东北 地区普光气田的 P G1 0 5 ． I 井在 6 2 3 6 6 5 3 8 I 1 3 的水 平井段钻进时发生了较严重 的漏失 ，平均漏速达到 了 8 ． 6 m ／ h ，添加堵漏材料后钻具摩阻增 大 ，上提 钻具严重遇卡，以至于影响 了正常钻进。经过研究 ， 决定筛除堵漏材料 ，适 当降低密度 以控制漏失 ，以 1 ． 3 0 g ／ c m 作 为钻进时 的钻井液密度 ，起钻时加重 至 1 ． 3 3 ～ 1 ． 3 4 g ／ c m ，采用 这种方法将 漏失速度控 制在 2 ～3 m ／ h ，顺 利完成 了 3 0 2 m 的水平段 。仍 以 B3 1 井为例 ，该井在水平段钻进时也遇到了同样 的问题 ，经验表 明，试 图采用添加堵漏剂的方式处 理漏失会使情况变得很糟糕 ，因此马拉松石油公司 的技术人员不主张在水平井段 出现漏失后轻易使用 常规堵漏材料 。 3 大位移井 以小井 眼施工水平井 段可能带来 的技术 问题 。采用 1 5 2 ． 4 mm井 眼施 工水平 井段 在 国 内外均 比较常见 ，B 3 1 井则 以 1 5 2 ． 4 1T l r n井 眼作为应急井眼，由于井眼尺寸缩小 以后环空 间隙 相应减少 ，由此导致 的各种技术问题更加突出，例 如适合于小环空间隙的流变性能的调节 、钻井液加 重技术、地层漏失的处理方式 以及泵参数的掌握等 等 ，均和常规井眼 或井眼直径大于 2 1 6 i n l r l 的大井 眼 有很 大不 同 ，技术上对现场操作过程 的要求也 更加严格 ，特别是大位移井可能只有最后面的部分 井段属于小井眼，施工时如何兼顾大、小井 眼对钻 井液 、特殊情况的处理 、固井 、测 录井等不 同专业 或施工 阶段 的技术要求 ，也是大位移井应 当引起重 视 的技术问题之一。 3 大位移 井难 点技 术的解 决措施 大位移井作为一项极端钻井技术 ，与常规井相 比，与之相配套的各种施工工艺必定具有更高的技 术要求 ，限于篇幅，笔者只就与钻井液技术相关且 直接影响钻进施工 的部分问题的解决措施进行归纳 与分析。 3 ． 1 流变性能的调控 通过对大量的与现场施工工艺相关 的文献资料 进行分析后可 以看出，无论是学术界 ，还是现场工 程师，在大斜度井钻井液流变性能的控制上均倾 向 于设法提高低剪切速率下钻井液 的黏度 ，这种观点 目前在行业 内已达成共识 ，这主要是考虑到高低剪 切速率黏度钻井液能够有效提高大斜度井的井眼净 化效率。就中国情况看 ，大斜度井钻井液流变性能 的控制主要有 以下一些技术手段 。 1 水 平段 较短 时可 以采用 较高 黏度钻 井液 ， 如 C 2 1 3 3井 『 l 在施工 2 7 5 ． 1 m 的大斜度井眼时 其 中水平段长 6 5 ． 7 m ，使用 了黏度为 6 0 ～8 0 S 的钻 井液 ，而东河 l - H3 、东河 l - H 5 、东河 l H 8井 [7 3 口井各 自的井底总位移均不超过 8 0 0 m，井斜角大 于 8 0 。的水平段 总长约 5 0 0 m，施 工时采用 了黏度 为 5 0 ～6 0 S 、表观黏度为 3 0 mP a S 的钻井液。 2 国外在大位移井施工 中控制钻井液流变性 能常用 的经验做法是 ，控制 读数约等于 以 “ i n ” 计的井 眼直径 【 4 】 。在大斜度井段特别是井斜角大于 5 5 。的井段 ，较高黏度 的钻井液会 弱化井壁清洗效 果。在 临界排量下如不考虑钻具转动效应 ，则黏度 较低 的钻井液更易扰动岩屑床，有利于井眼净化 。 3 根据地 层情况选择合适 的钻井液体系 ，并 千方百计做好钻井液 的固相控制工作 ，使各种处理 剂能够有效发挥作用 。 3 ． 2 井眼净化技术 由于大位移井 的长水平段特点 ，钻进中钻屑的 上返 已成为施工中必须要解决的主要矛盾之一 。调 节 良好 的钻井液流 变性能 固然 能提高井筒净化 效 率 ，但在大位移井 的长距离钻具偏心条件下由于重 力作用所形成的岩屑床仅凭 良好 的流变性能基本上 失去了清除效果。现场实践表明 ，配合机械手段清 除岩屑床已经成为大位移井实现井筒净化的主要操 作方式 ，综合大位移井各方 面的现场施工情况，将 常用且行之有效的井眼净化技术归纳如下 。 1 调 节 良好 的钻井液 流变性能 ，合理 掌握 泵 参数 如排量 、压力 ，目的是保持环 空流型和上返 速度始终处 于最佳状态 ，降低钻屑沉降速度 ，提高 返出率。 2 钻进时的循环排量应和机械钻速相匹配 ，亦 即在某一排量下应保持一个合理的机械钻速 ，避免 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 5月 瞬时岩屑浓度过高导致产生岩屑床 ，例如 B 3 1 井在 施工大斜度井眼时就明确规定 ，瞬时机械钻速不能 高于 4 ． 5 7 m／