塔河油田小井眼侧钻水平井钻井液技术.pdf

第 2 8卷 第 4期 2 0 1 1 年 7月 钻井液与完井液 DRI L LI NG F LUI D C0M P L ET I ON F LUI D V_o 1 ． 2 8 NO． 4 J u l Y 2 01 1 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 1 0 4 0 0 4 4 0 3 塔河油田小井眼侧钻水平井钻井液技术 陈涛， 乔东宇， 郑义平 中国石油西部钻探克批玛依钻井T艺研究院，克拉玛依 摘 要 小 井眼钻 井特定 的井 眼结构 与钻井工 艺条件 决定 了其环 空水力学与常规 井眼育较大 区别 ， 此其钻 斗 液技 术也具 育一定 的特 殊性。在选择小井 眼钻 井液 的合适流 变模 式的基础上 ，分析 了小井 眼窄环 空间隙对钻井嘏 技术的特殊要求，提出了实现小井眼钻井的钻井液技术参数和措施 ； 并且通过对塔河油田删钻小井眼T K 2 0 9 C H水 平井 的钻井实践 ，进一步论证 了小井眼钻井 中钻井液参数合理选择的必要性 关键词 小艰井 ； 井眼净化 ； 钻井液参数 ； 流变模式 中图分类号 T E 2 5 4 3 T E 2 4 6 文献标识码 A 近年来在新疆塔河油 田，在老区直井基础上进 行 1 7 7 ． 8 mm套管 开窗侧钻 或底部裸 眼 西1 4 9 ． 2 mm井眼 的侧钻 是主要开发方 向之一 ，目的层一 般为石炭系和奥陶系 ，此类井一般采用 西1 4 9 ． 2 mm 钻头侧钻 ，侧钻点井深为 5 4 0 0 ～5 8 0 0 m，造斜率 高达 2 5 。 ～3 5 。／ 3 0 m，完钻井深在 5 8 0 0 ～6 2 0 0 m 之间，钻井过程 中往往存在泵压高 、井漏多发 、摩 阻扭矩大等难题。这类小井眼侧钻井与常规井眼钻 井存在着较 大的 别，小井眼钻井液 的性能设计 、 流变性控制等应 罔绕小井眼特殊环空水力学特征， 以钻井液的流变性能满足携屑、利于降低环空压耗 和压力激动 为主要控制原则 ，实现确保井 内安全 、 保护储层 、经济合理 、易于施工的工程 目标 J 。 1 钻井液流变模式的选择 宾汉模式与幂律模式是用 AP I 范氏流变仪对剪 切速率与剪切应力对应关系进行推导而来的 ，它们 能够 比较真实地反映在常规井 眼中的钻井液流动规 律。但在小井眼中。则需要一个更为精确的流变模 式来反映窄环空间隙和较低剪切速率下 的钻井液流 动规律。 H e r s c h e 1 ． B u lk l e y 流变模式是一个三参数 0 、 K、y 式 ，各参数能较好地反映钻井液的流变性并 有 明确 的含义 ，也 能较好地描述钻井液在低 、中、 高剪切速率下的流变特性 ，故其作为小J 卜 眼钻升液 流变性模式是较为合适的，如 围外 D i a ma n t B o a r t S t r t a b i t 公 司和 T o t a l 公 司对 匕 述模式在小蚪眼钻井 作业 中进行 现场验证 ，得到 了较好 的符合程度 此式略显不足的是流变参数的理论确定和数据处理 较复杂 ，但借助计算机 ，利用最小二乘法原理 ，也 可很快合理地确定其特征参数 0 】 。 2 钻 井液的技 术要求及解 决措施 2 ． 1 钻 井液 体 系的选择 在常规井眼巾约有 1 0 ％ 的循环压力损 ，火发牛存 环 空，而在小井 眼中，该值可能 高达 6 0 ％～9 0 ％， 环 空压耗过高不利于水 力能量 的有效利，L } J 干 发挥 ， 并且环空当量循环密度 的增大容易引发井漏 、【大 1 此 小井眼钻井液宜为流动性好 、静切力小的低 相 聚 磺 、正电胶或聚合醇等体系，应具有体系稳定 、成 分相对简单 、易于操作 、方便固控设备发挥效率等 特点。 2 ． 2 钻井液流变性及悬浮能力的控制 1 采用合适泵排量和返速 ， 使之既能携带岩躺， 又具有较低的环空压耗且满足机泵能力。首先 ，由 如下公式计算出临界返速 、。 第一作者简介 陈涛，工程师，1 9 7 5年生，毕业于西安百油大学，现在从事钻井流体 的设计与研究工作 地址 嚆 克拉玛依市鸿雁路 8 0号钻井工艺研究院科研中心 ； 邮政编码 8 3 4 0 0 0； 电话 0 9 9 0 6 8 8 3 0 4 6； E - mi a l j q d y c n p c ． c o i l ] ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 4期 陈涛等 塔河油田小井眼侧钻水平井钻 井液技术 4 5 c 0 8 [ P P 9 ． 2 6 D h D p 1 Mw C 3 ／ Mw ～D p 式中 ， 为钻井液密度 ，g ／ c m ； D 为井眼直径或 套管 内径 ，D 为钻具外径 ，mm ； G、c 4 为与单位 有关 的系数 ，采用英制单位 时，C a 1 ，c 4 1； 采用法定计量单位时，C 3 0 ． 0 0 6 1 9 3 ， 1 ． 0 7 8 。 然后 ，根据环空间隙流态的要求推算出所需的最小 排量 ； 由莫尔软件推算出 H e r s c h e l B u l k l e y 流变模 式下钻井液的排量 、泵压 、环空返速 、岩屑运 移 比及其对应关系。最后结合式 1 和软件计算结 果分析钻井液的流变性和流态 ，找到最佳的参数配 合 ，达到既能满足地面机泵条件 ，又能具有 良好的 携岩能力 的效果 。 2选择剪切性能好 、黏度适当降低 的钻井液。 由环空压耗计算 公式 见 2 、 3 可知 ，在流量 一 定时 ， 环空压耗随稠度系数的增加而呈直线增加 ， 随流性指数的减小而呈指数规律增加 ，随间隙的增 加而减小 ，因此应优化钻井液的流变性 ，即在相近 的稠度系数值中，应选择剪切性能好、黏度适当降 低的钻井液 ，以减小环空压耗 。 P a t D h O p 2 - n b 鬲 - 2 ￡ Q 一 2 一 ” 2 D “h Dp 叶 一 ㈥ 式 中， 为旋转因子 ； R 为偏心 因子 ； 为流性 指数 ； K为稠度系数 ； 6 [ 1 ． 7 5 一 i n ， z ] ／ 7 。 3保证 钻井液有优 良的悬浮岩屑能力。严格 控制初、终切力差值 ，且终切力应略高于完全悬浮 岩屑时所需要 的最小静切力 ，其计算公 式如下 适 用于密度小于 1 ． 4 0 g ／ c m 的水基钻井液 。 “L- s 5 d s 0 p p I 3 0 4 式中 Z “s 为岩屑完全悬浮时所需最小 1 0 mi n静切力 值 ； 为岩屑直径 ， P 为岩屑密度 ， P为钻井液密度。 此外 ，需保持钻井液有一定 的低剪切速率黏度 ，即 一 定的 ， 和 读数，以利于提高悬浮岩屑能力。 4 工程上可定期打人段塞并配合钻具旋转， 以破坏刚形成的岩屑床，清扫井眼，保证井眼的畅 通 ； 严格执行短程起下钻措施 ，以减少岩屑床的形 成 ；同时在每次起钻前充分循环洗井 ，携带 出钻进 时滞留在井眼内的钻屑。 2 ． 3 防漏措施 通常情况下 ，老井眼经多年采油或注水 ，在井 筒周围的产层油气压力会下降， 且油井在生产过程 中地层 填充 物被长期 冲蚀运移 ，岩层渗透性增加 ， 因而使小井 I I I I I i i 井在地质条件上存在着更大的井 漏可能性 ，因此应采取适当的防漏措施。①在井下 正常情况下保持较低的钻井液密度 ，不随意提高钻 井液密度 。如果发现钻井液密度过小， 有溢流发生 ， 建议先采用加大泵排量、提高转盘转速的方法抑制 溢流发展，同时循环加重，逐步提高密度至平衡住 地层压力即可。②泥浆泵排量应选择适当。③对于 易发生漏失 的地层 ，可采用随钻堵漏 的方法 ，应复 配使用颗粒状与粗细纤维类堵漏剂 ； 也可加入单向 压力屏蔽剂、 非渗透处理剂等以提高地层承压能力。 ④当钻井液黏度和切力较大或井较深时 ，应考虑起 钻前洗井，以将环空钻井液洗出和振动筛面无井内 泥饼或钻屑为准 ； 下钻时进行 中途循环破坏静切力 ； 下钻到底后采用小排量 ，应缓慢开泵。⑤快速钻进 会导致钻屑含量递增 ，环空密度增大 ，因此预防井 漏 的措施还应包括清洁钻井液固相 、适当控制机械 钻速等 。 2 ． 4 钻井液降摩减阻措施 小 井眼窄环 空间 隙使 钻具黏 附卡钻 的机 会增 多 ，所 以在现场要 加强对摩 阻 、扭矩 的观察 ，然 后 进 行 分 析 和 排 除。为 防止 摩 阻 过 大，可 加 入 6 ％～ 1 0 ％ 的原油或 2 ％～3 ％ 的润滑剂 ； 还需保持 钻井液有较低的膨润土和固相含量 。 3 应 用实例 以塔河油田 T K 2 0 9 C H井为例 ， 介绍侧钻小井眼 水平井钻井液参数的合理选择及相关的技术措施。 T K 2 0 9 C H原 已钻直井位于塔河油 田阿克库勒 凸起 南坡构造 ，完钻井深为 5 7 0 5 m，下入 西1 7 7 ． 8 mm 套 管 至 井 深 5 5 0 8 ． 7 7 m，井段 5 5 0 8 ． 0 7 ～5 7 0 5 m 为 西1 4 9 ． 2 mm 裸 眼。T K2 0 9 C H井 开 发 目的层 为 奥 陶系地层 ，是在原直井的基础上进行注灰 回填 的 短半径开发水平井，使用 西1 4 9 ．2 m m钻头在井深 5 5 8 8 m处进行裸I I I I 钻，并采取高曲率螺杆导向 钻进 ，造斜 率高达 3 1 ． O l 。 ～3 2 ． 5 4 。 ／ 3 0 m，在井 深 5 6 9 5 ． 4 9 m进入靶窗 A点 ， 钻至井深 6 2 3 5 m 垂 深 为 5 6 6 3 ． 2 3 1T I 完钻。因此钻进 中解决好 该井的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 I 1 年 7月 降摩减 阻难题及高环空压耗与 良好携岩之间的矛盾 得十分重要 。 3 ． 1 钻 井液体 系及配 方 该 井使用剪切稀释性能好 的低固相聚磺混油体 系，以减小环空压耗 。该体系具有抗温能力强 、高 温高压滤失量低 、造壁性能好等特点 ，有利于实施 井眼稳定及油层保护措施 ，其基本配方如下。 预水化膨润士浆 0 ．2 ％～0 ． 4 ％ DB F ． 2 0 ． 1 ％ ～ 0 ． 2 ％ CMC． HV 3 ％～ 4 ％ S MP． 2 1 ％～2 ％ K N- P A N 1 ． 5 ％～ 2 ％ GL A 3 ％QS 一 2 十 1 ％～2 ％ RH一 1 0 2 6 ％～8 ％ 原油 0 ． 2 ％～0 ． 3 ％ S P 一 8 0 0 ． 1 ％～0 ． 2 ％ P D一 1 0 0 0 ． 3 ％～0 ． 5 ％ T B ． 1 保 护 油层加 重剂 3 ． 2 流变 性和悬 浮性控制 技术 为 了保证钻井液具有较好 的携岩效果 ，应使 部 1 5 9 ． 4 mm井 眼 即 西1 7 7 ． 8 mm套 管 内径 和 下部 1 4 9 ． 2 mm 井眼的钻井液均为紊流状态 ，因 此需要 有较高 的环空上返 速度。由临界 流速 、 计 算 公 式 叮知 ，该 井 b 1 7 7 ． 8 mm套 管 内环 空 和 1 4 9 ． 2 mm井眼的临界流速分别为0 ． 9 6 和 0 ． 6 7 m／ s 。 然 后 由较大 的临 界流速 0 ． 9 6 m／ s 可 推算 ，使 全 部环空钻井液为紊流所需的最小排量 为 1 3 ． 2 0 L ／ s 。 莫尔钻井软件计算结果如表 1 所示 ，由此可选择 小 合 理 的钻井 作业 参数。表 1的计 算条件 如下 钻 具 组 合 为 1 4 9 ． 2 mm H A5 1 7 G钻 头 5 L Z] 2 0单 弯 螺 杆 3 3 1 X 3 1 0 单 流 阀 3 1 1 x 3 1 0保 护 接 8 8 ． 9 mm无磁承压钻 杆 1 根 8 8 ． 9 1 T I 1T I 斜坡 钻 杆 6 3根 8 8 ． 9 mm加 重 钻 杆 3 0根 1 2 0 mmJ A R 8 8 ． 9 mm加 重 钻 杆 1 4根 8 8 ． 9 mm 斜 坡 钻 杆 ；机 械 钻 速 为 2 ． 8 0 m／ h；喷 嘴 尺 寸 为 2 3 ． 0 0 2 3 ． 0 0 2 3 ． O 0 mm ； 井深为 6 2 3 5 m ； 钻井液 的 流变模式为 He r s c h e 1 ． B u l k l e y模式 ，钻井液 密度为 1 ． 1 0 g ／ c m ，塑性黏度为 2 0 mP a S ，动切力为 8 P a ， 流性指数为 0 ． 7 8 7 1 ，稠度系数为 0 ． 1 0P a S 。 在依据上述方法取得合适 的钻井液的排量 、返 速等钻井作业参数 的前提下 ，与常规井眼水平井相 比，T K 2 0 9 C H小井 眼钻井 液 的黏度 、动切力 、塑 性黏度 、动塑 比呵略低一些 ，控制较低环空压耗及 保持钻井液具有 良好 的剪切稀释性 ，以利于高压 喷 射钻井。钻井液的流变性性能控制主要用膨润土浆 、 0 ． 2 ％～0 - 3 ％ D B F 一 2 、 0 ． 1 ％～0 ． 2 ％ C MC H v 来 调整 ，维持体系具有较强抑制性和低 l古 ] 相特性 ； 同 时 ，使用细 目筛布 ，及时去除钻屑 ，保证钻升液的 有效蒙脱土含量 ，控制钻井液的黏度和 ，小定 期进行打段塞措施 ，并配合钻具旋转 ，清扫 眼。 表 1 环空临界返速及莫尔钻井软件计 算结果 排量／泵 ／ L／ s MPa 西 l 7 7 ．8 mm 西 l 49 ． 2 mm西 l 7 7． 8 Inm 西 I 4 9． 2 mil l 汴 屑运移 比为 O ． 9 4 ～O ． 9 5； 流态为紊流 为 r保持钻井液具有一定的悬浮性 ，根据静切 力公式 ，吖计算 _b 3 1 T i m 的岩屑 ，在岩腾密度为 2 ． 6 0 g ／ c m ，钻井液密度为 1 ． 0 9 ～1 ． 1 1 g ／ c m 条件下 发生完全悬浮的最小静切力值为 7 ． 5 0 ～7 ． 5 5 P a ， 此该井钻井液 的终切值为 8 ～ l 0 P a 。此外 ，采 J i 略高的 2 ～4 P a 和 值 4 ． 0 ～7 ． 5 P a ，许 其 数值大小 ，补充聚合物胶液 、膨润土浆或引入同卡 H 进行 调节 、 表 2 T K 2 0 9 C H井定向井段钻 井液性 能 3 ． 3 降摩减 阻控制技 术 造斜后一次性加人 6 ％原油 ， 许加入 0 ． 3 ％S P ． 8 0 充分乳化 以减小摩擦 系数。优选 具有檄性 川的 R H一 1 0 2作为润滑剂 ， 减小钻具 与井壁间的摩阻及扭 矩，防止压差卡钻事故的发生。在水平段及时补允 并保持原油和润滑剂 的有效含量，使摩阻系数小 j 0 ． 0 5； 同时保持钻井液的膨润土含量 为 2 5 ～3 5 g ／ L， 固相含量 为 6 ％～8 ％，减少虚滤饼 ，降低钻具上提 下放时摩阻和斥差卡钻 的几率。 下接苇5 0 7 6 0 6 9 0 8 0 2 4 7 9 2 2 2 2 2 m m 0 0 l l l 2 4 4 ● 4 7 7 8 8 9 9 2 5 8 O 3 5 3 3 3 4 4 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年7月 2 ． 合成的降失水剂 C D L抗温 、抗盐性 能 良好 ， 在温度为 1 7 0 或饱和盐水中可控制水泥浆失水量 小于 1 0 0 mL 。掺有 C DL的水泥浆在高温高压高盐 条件下同样具有较好 的直角稠化特征。 3 ． 掺有降失水剂 C D L的水泥浆，其水泥石强 度值大于 2 2 MP a ，满足胶结实验及射孔要求 。对 比空 白实验 ，其缓凝效果也不明显 ，满足现场注水 泥施工要求 。 4 ． 涂膜 法工艺 合成 固体产 品可 以与水泥灰 干 混 ，且在加量低于 0 ． 6 ％ 时降失水剂 C DL加量对初 始稠度影响不大，利于水泥浆泵送 。 参 考 文 献 [ 1 ] 李焕明，庄稼，张梁，等 ． 耐高温耐盐油井水泥降失水 上接第4 6 页 3 ． 4防漏控 制技术 由于 T K 2 0 9 C H的原直井在 5 5 8 7 ～5 6 3 5 I T I 裸 眼井段 进行了酸压施工 ，因此更增加 了 T K2 0 9 C H ／ J , H l井漏失的风险 ，所以采取了以下防漏措施 。钻 井液使用密度 为 1 ． 0 9 ～ 1 ． 1 1 g ／ c m ； 保持泵排量 为 1 3 ． 2 0 ～ 1 4 ． 0 0 L ／ s ，泵压 为 1 8 ～1 9 MP a ，在此 条件 下携岩 良好 ，且避免 了泵压力过高 ； 在钻井液 中加 入 2 ％ 改性沥青和 3 ％ 轻质碳 酸钙来达到屏蔽暂堵 目的 ，并加 入 0 ． 3 ％～0 ． 5 ％ 单 向压 力屏 蔽 剂 T B 一 1 以提高地层承压能力 ； 每次下钻时进行 1 ～2次中 途循环，以破坏钻井液静切力 ； 下钻到底后 ，启动 转盘 3 ～5 mi n ，再小排量缓慢开通泵 ，将环空井浆 剂的合成及性能研究 [ J ] ． 钻井液与完 液， 2 0 0 9 ， 2 6 5 3 9 4 2． [ 2 ] 武世新，向兴金，杨红 等 ． 油“水泥 降大水刹 H C W一 1 的合成及性 能 价 ⋯． 钻井液 片液，2 0 0 4 ， 2 1 4 1 0 一 l 1 ． [ 3 ] 陆屹，胡星琪 ，刘勇 ．一 种新型油 井水泥 降火水剂的事 内评价 [ J ] ． 钻井液与完 液，2 0 0 5 ，2 2 6 1 9 - 2 1 ． [ 4 ] 卢甲晗，袁水涛，李同旗，等油升水泥抗高湍抗 降 失水剂的室内研 究 l L l 1 ． 钻 淑 完井液， 2 0 0 5 ， 2 2 B 0 5 6 7 6 8． [ 5 ] 谭春勤，徐江，孙义俊，等 ． 深井油井水 耐盐饥温降 失水 剂 J S S 3 0 0的试验研究 [ J ] ． 4 5 油钻探披术 ， 2 0 0 9 4 50 53 ． [ 6 ] 陈道元，李韶利，杨吕勇，等 ． M8 3 S油 水泥降火水剂 的性能评价 ． 钻井液与完 仆液，2 0 0 4 ．2 1 6 1 2 1 4 ． B u l k l e y流变模式进行描述。 2 ． 在小井 眼中，较高的环空压耗与 良 的携岩 之问的矛盾需要得到解决 ，可结合相关公』 I 和荧尔 软件计算结果来分析钻井液的流变性和流态 ，找到 最佳 的参数配合 ，达到既能满足地面机泵条件，义 能具有 良好的携岩能力的效果。 3 ． 塔河油 匹 I T K2 0 9 C H小井眼侧钻水平井实钻 表明，其有关钻井液参数的使用是可行的，在 该井 深达 6 2 3 5 1 T I 的情况下 ，钻井液依然具有 良好的携 岩 、降摩阻 、降压耗 、防漏能力 ，即町满足地面机 泵条件 ，义保证了钻井的井下安伞。 全部顶 ，然后再逐渐换到钻进排量使循环正常。 3 ． 5 应 用效 果 [ ] 采用计算取得的钻井作业参数范围及配合适当 [ 2 ] 的小井 眼钻井液维护措施 ，完全满足了井眼净化 、 降低压耗及地面机泵条件的要求 ，全井钻进 、起下 钻 、电测作业无明显遇阻现象 ，岩屑返 出正常 ，且 未发生漏失及 明显井壁失稳 ，应用效果 良好。 『 4 ] 4 结论 1 ． 小井眼钻井液 的流变特性适合选用 H e r s c h e l 一 参 考 文 献 刘希 圣 ， 李洪乾 ． 流变模式 的优化 干 修 _ F 幂律模 式参数 的确定 [ J ] ．钻井液 与完井液 ，1 9 9 3 ，1 0 2 1 - 4 ． 李庆 光 ，聂荣 国 ，吴晓明，等 ． 套管 内侧钻水平外小井 眼流体力学分析 l J _ ． 钻采T艺，2 0 0 3 ，2 6 5 1 3 ． 史沛谦，上善举，贾朝敬，等 ． 西1 4 0食管开窗侧钻小 井眼防漏防卡技术 f J 】 ． 油钻采 I ，2 0 0 4 ，2 7 2 l 5 1 7 艾贵成，王宝成，李件车 ． 深井小计眼钻井液技术 『 J ] ． 石油钻采T 艺，2 0 0 7 ，2 9 3 8 6 8 8 ． 收稿 日期2 0 1 0 1 1 2 5 ；H GF 1 1 0 3 F 4 编辑 汪桂 娟；付明 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m