预防PDC钻头泥包的钻井液工艺技术.pdf

弟 3 0巷弟 1期 2 0 1 3年1月 钻开液与无开液 DRI LLI NG FLUI D COM PLET1 0N FLUI D VOI ．jU O． 1 J a n．2 01 3 【 理论研究与应用技术 】 预防 P DC钻头泥包的钻井液工艺技术 陈胜 ， 余可芝， 邱文发， 狄明利， 杨波 中海油田服务股份有限公司油田化学事业部深圳基地，广东深圳 陈胜等 ． 预 防 P DC钻头泥包 的钻 井液工 艺技 术 [ J ] ． 钻 井液 与完井液 ，2 0 1 3 ，3 0 1 3 8 4 0 ． 摘要钻 井液的性 能恶化是造成 P DC钻 头泥包 的主要 因素之 一，通 过综合分析 P Y3 6 2 1井 2次 泥包 时的钻 井液性能，探讨了如何通过对钻井液性能的优化和玄观调控预防P D C钻头泥包 ，分析结果指出，在正常钻进时控 制好钻井液的黏度和切力，使其达到实现平板型层流的要求 ； 在软泥岩段易发生泥包的地层采用注稀胶液或是向 循环池大量补充稀胶液的方法来制造紊流 ； 钻进期问尽量保证离心机、除砂器和除泥器的全程开启，必要时使用 稀释的方法 ； 振动筛的用法应以钻井液覆盖筛网总长度的7 5 ％～8 0 ％ 为宜 ； 推荐直井润滑剂加量为 1 ％～2 ％，斜 井水平 井加量 为 2 ％～3 ％ ； 对于聚合 物水 基钻井液 ，应控制包被和抑制剂 的浓度分别为 5 ～ 8和 3 0 ～5 0 k g ／ m 关键词P DC钻头 ； 泥包 ； 聚合物钻井液 ； 流变性 ；固桕 含量 ；润滑性 ；抑制性 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 3 0 1 - 0 0 3 8 0 3 造成 P D C钻头泥包 的原 因很多 ，钻井 液的性 能恶化经 常是 主要 因素之一 。P Y3 6 2 1井 四开钻 进 西2 1 5 ． 9 mm井 眼，在 钻 穿 西2 4 4 ． 5 mm套 管 浮 鞋及水泥 口袋后，进入新地层仅 0 ．6 1 0 m 井深 2 5 0 0 ． 6 7 m发生第 1 次泥包 ，处理无效后 ，起钻 手动清除。下钻到底继续钻进至井深 3 0 1 4 m发生 第 2 次泥包。2 次泥包降低了钻井时效，拖长了钻 井周期。通过综合分析该井 2 次泥包时的钻井液性 能 ，探讨 了如何通过对钻井液性能 的优化设计 和宏 观调控达到预防 P DC钻头泥包的 目的 [ 1 - 2 1 。 1 钻井液流变性 首先分析了P Y 3 6 ． 2 ． 1 井发生泥包现象时的钻 井液流变性能。流变性能中的关键参数塑性黏度和 动切力都是反映钻井液在层流流动时的流变参数 ， 因此应先判断钻井液在环空中的流态。对于非牛顿 流体，一般采用综合雷诺数 尺 e 来判别流态，将钻 井液作为塑性流体来考虑。 1 判断第 1 次发生泥包时钻井液的流态。第 1 次泥包时时的水力学参数和钻井液性能参数为 排量为2 ．2 7 m ／ m i n ，密度为 1 ． 1 0 8 g ／ c m ，钻杆内径 为 1 0 8 ． 5 mm，钻杆外径为 1 2 ． 7 0 r n ff l ，井径为 2 1 5 ． 9 mm，套管 内径 为 2 2 0 ． 5 n a m， 6 3 0 0 、 3 的读数 分别为 4 0 、2 6 、2 ，塑性黏度为 1 4 mP a S ，动切力 为 5 ．8 P a ， 静切力为 1 ．4 ／ 1 ． 9 P a ／ P a 。计算得综合雷诺 数 为 3 5 6 3 ． 6 3 ，判断此时钻井液在环空中的流态为 紊流， 具有高流速的特点， 对钻头的冲洗作用较好， 且此时的环空返速 1 ．5 8 m ／ s 也满足携砂的要求， 从流变性能看没有泥包的可能。况且在该井段开钻 前排掉 了地面沉砂池及泥浆池内的所有老浆 ，此 时 大部分井浆为新浆，固相含量很低。因此，第 1 次 泥包排除钻井液性能方面的因素。结合录井图和现 场分析判断 ，第 1 次泥包的主要原因是 由于该井段 的岩性主要为不成岩的软泥岩 ，所选用 的钻头攻击 性过强，与地层的配伍性不好 ，加之操作时司钻送 钻过猛和半潜式平台的升沉而导致送钻不均所致。 2 判断第 2 次发生泥包时钻井液的流态。第 2 次泥包时的水力学参数和钻井液性能参数为 排 量 为 2 ． 2 7 m ／ mi n ，密度 为 1 ． 1 0 8 g ／ c m ，钻杆 内径 为 1 0 8 ． 5 mm，钻杆外径为 l 2 ． 7 0 mm，井径为 2 1 5 ． 9 m m，套管内径为 2 2 0 ．5 mm， 6 0 、 3 o o 、 3 读数分 别为 6 6 、4 4 、3 ，塑性黏度为 2 2 mP a S ，动切力为 第一作者简介 陈胜，助理工程师，1 9 8 5年生，毕业于原大庆石油学院，现在从事钻井液技术工作。地址 广东省深 圳市南山区后海大道蓬莱花园3栋 1单元 8 0 1室 ； 邮政编码 5 1 8 0 6 7； 电话 1 3 6 8 2 4 5 1 5 6 4； E ma i l c h e n s h e n g l 0 2 1 6 3 ．c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0 卷 第 1 期 陈胜等预防P D c 钻头泥包的钻井液工艺技术 3 9 1 0 ．6 P a ，静切力为 1 ．9 ／ 2 ．9 P a ／ P a 。计算得综合雷诺 数 为 2 1 6 8 ．3 2 ，判断此时钻井液在环空中的流态为 层流 。此时的钻井液动塑比达 0 ． 5 P a ／ mP a S ，具 备实现平板型层流 0 ．3 6 ～0 ． 4 8 P a ／ m P a s 的要 求，具有良好的剪切稀释性。因此此时钻井液的流 变性也不是此次泥包 的原因。 曾有人用玻璃井筒进行实验观察发现，钻井液 在作紊流流动时，岩屑不存在转动和滑落现象，几 乎都能携带到地面上来，且紊流的高流速对钻头的 清洗作用较好 ，能预防泥包现象。因此在泥岩段易 发生泥包的地层 ，应采用注稀胶液或是往循环池大 量补充稀胶液的方法来制造紊流，以达到清洗钻头 目的。在该井段连续发生 2次泥包以后 ，在继续钻 进时视泵压和扭矩的变化打稀胶液冲洗钻头，每柱 划眼 2次 ，视扭矩和泵压变化上提钻具划 眼至泵压 稳定 ，最终顺 利完 成该井作 业。稀 胶液 的密度 为 1 ． 0 6 6 g ／ c m ， ／0 6 0 0 ． 3 0 0 、 6 、 3 读数分别为 3 9 、 2 6 、 2 、 1 ， 塑性黏度为 1 3 mP a S ，动切力为 4 - 3 P a ，静切力为 1 ．0 ／ 1 ． 4 P a ／ P a ，计算得综合雷诺数 为 4 0 7 0 ． 9 8 ，此时 稀胶液在环空中的流态为紊流。但是紊流的高流速 对井壁冲蚀严重 ，不能很好地形成泥饼 ，容易引起 易塌地层井壁垮塌 。因此 ，在易垮塌地层和受泵压 影响的条件下，排量达不到紊流要求时应慎用注稀 胶液塞的方法 。 此外还应提醒 的是 ，现场钻井液工程师在追求 平板型层流时， 应首先考虑钻井液在环空中的流态。 因为通过控制动塑比使环空液流处于平板型层流的 方法只适用于层流状态 ，这是 因为塑性黏度和动切 力都是反映钻井液在层流流动时的流变参数。如果 通过计算，得知环空液流处于紊流状态时，则应首 先考虑通过降低环空返速或同时提高黏度、切力， 使钻井液从紊流状态转变为层流状态，然后再考虑 如何通过控制动塑比使其转变为平板型层流 口 ] 。 2 钻井液劣质 固相含量 钻 井 液 中 过 大 的 大 于 2 0 0 0 I．t m 和 特 小 的 小于 2 I．tm 颗粒都不多，大于 7 4 I．tm的颗粒仅占 3 ．7 ％～2 5 ． 9 ％。也就是说即使是用筛孑 L 为 0 ．0 7 6 m m 的振动筛布也只能筛除整个固相含量的 1 ／ 4 ，其余 都是小于 7 4 Ix m的颗粒，有害固相很容易混入钻井 液 中 [ 3 】 。有研究表 明一颗直径 为 1 0 0 g m 的钻屑从 井底被携带到地面后，未被清除而留在钻井液中， 经过钻井液泵的多次循环和钻头的重复破碎后，就 有可能变成 l 2 ． 5万个直径约为 2 I ．t m的小颗粒 ，严 重影响机械钻速。固相的增加和密度的升高为高渗 透性砂岩地层形成厚泥饼创造了条件 ，劣质 固相易 吸附在钻头上 ，从而增加 了泥包的可能 [4 ] 。 下 面分析 P Y3 6 ． 2 ． 1 井第 2次泥包 时钻井 液 中 有害 固相的含量 。此时钻井 液、固相及滤液的密度 分别为 1 ． 1 1 、 2 ． 6 、1 ． 0 5 g ／ c m ， 膨润土含量为 2 2 g ／ L 。 可计算得钻井液中固相的体积分数为 3 ．8 7 ％，膨润 土的体积分数为 0 ． 8 5 ％，钻屑的体积分数为 3 ． 0 2 ％。 由计算可知，该钻井液的固相含量并不高，仅为 3 ． 8 7 ％，而有害固相的含量却高达 3 ．0 2 ％。现场钻 井液工程师有 时为预防井眼缩径 ，采用具有较小筛 孔孔径 的筛布和停止离心机 的方法 以增加钻井液 中 固相含量，从而提高钻井液的密度。但靠有害固相 堆积起来的钻井液密度或许能防止井眼缩径但并不 能保证起下钻的顺畅，反而会形成厚泥饼，使起下 钻遇阻 。劣质 固相也易吸附在钻头上 ，增加 了泥包 的可能。 现场应采用加入加重材料的方法提高比重， 对地质要求较高的探井 ，可采用超细碳酸钙加重。 为保持钻 井液 的低 固相 和预 防泥包。钻进期 间应保证离心机 、除砂器 和除泥器的全程开启 ，必 要通过稀释的方法向循环体系中补人新 的胶液。振 动筛的使用方法应以钻井液覆盖筛网总长度的7 5 ％ ～ 8 0 ％为宜，在不跑浆的情况下应将振动筛调到最 低，这样更利用钻屑传出，减少钻屑在筛面的停留 时间， 避免钻屑在筛面的重复破碎而混入钻井液中。 3 钻 井液润滑性 对大多数水基钻井液来说 ，摩阻系数维持在 O ． 2 O左 右是合格 的。对水平井 则要求钻 井液 的摩 阻系数 应保 持在 O ． O 8 ～0 ． 1 0范 围 内。实验 分析 了 P Y 3 6 ． 2 ． 1 井第 2 次发生泥包时的井浆润滑性能，结 果见表 1 。由表 1 可知 ，该井钻井 液的润滑性差 ， 摩阻系数为 0 ． 3 6； 润滑剂 的加入能很好地改变钻井 液的摩阻系数，且不会对钻井液的流变性能造成任 何影响； 2 种润滑剂复配使用效果更好。 受天气影响， 开钻前润滑剂备料不足，泥包前润滑剂加量不足 1 ％，由于在 西3 1 1 ． 1 5 mm井段下套管到位，固井 前循环返出大量的淤泥， 导致井浆中固相含量偏高， 考虑有害固相的侵入对后续钻井液性能的维护造成 不必要的麻烦，在 西2 1 5 ． 9 m n l 井段开钻前，将地 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钻 井 液与 完 井 液 2 0 1 3年 1月 面沉砂池和钻井液池 的旧钻井液全部排完 ，因此该 井钻井液润滑剂加量严重不足 ，润滑性能差 ，黏性 泥岩的钻屑在 P DC钻头上黏附堆积是导致该井第 2 次泥包钻头的一个主要原 因。 表 1 室温下在 P Y3 6 ． 2 ． 1井浆中加入不同润滑剂后的性能 润滑剂 K f P Y3 6 2 ． 1 井开钻钻井液配方如下 ， 性能见表 2 。 由表 2 可知，新浆的摩阻系数很小，用重晶石加重 至泥包时的密度后，摩阻系数没有增大，反而略有 减小 ，这是 因为重晶石 的加入在地层中形成的 “ 承 压层” ，改善 了钻具与地层 的接触条件 。由此推断 影响体系摩阻系数的主要 因素是劣质固相的增加 。 1 2 ． 5 ％膨润土 0 ． 2 ％烧碱 0 ． 1 ％纯碱 0 ． 5 ％ PF P AC LV1 ． 5 ％ PF TEX2％ PF LSF1 ． 5％ PF． TEM P1％ PF GBL4％ K Cl 0． 1％ PF． XC 0． 5 ％ P F． P LL J S 表 2 P Y3 6 ． 2 1 井开钻钻井液用重晶石加重前后的性能 综合 以上实验结果 ，要做到黏性泥岩的钻屑在 P D C钻头上黏不起，必须加足润滑剂。推荐直井润 滑剂加量为 1 ％～2 ％， 斜井水平井加量为 2 ％～3 ％。 4 钻井液的包被抑制性 聚合物浓度较高时，在泥页岩井壁上形成较为 致密的吸附膜，可阻止或减缓地层水进入泥页岩， 在防止泥包的同时可以达到防塌的作用。对于聚合 物水基钻井液体系，包被和抑制剂在体系中的浓度 控制 非常重要 ，通常他 们 的浓度 为 5 ～8 k g ／ m 和 3 0 ～5 0 k g ／ m ，但在某些特殊情况下，比如斜井中 应考虑体系的抑制性太好会使井壁过硬而造成起下 钻困难 。 实践证明，高矿化度和含高分子量聚合物 例 如聚丙烯酰胶 的滤液不易引起井壁岩层的膨胀和 坍塌 。P Y3 6 2 1 井 在经 过 2次 泥包后 ，在 后面 的 钻进过程中将 C l - 离子含量提至 4 0 0 0 0 mg ／ L以上 ， 振动筛返出钻屑有明显改观，清洗过后的钻屑齿痕 清晰可见 。 5 结论 1 ． 正常钻进时应控制钻井液的黏度和切力，使 其达到实现平板型层流的要求 ，使钻井液具有 良好 的剪切稀释性 ，以利于携砂 。在软泥岩段易发生泥 包 的地层 ，采用注稀胶液或是往循环池大量补充稀 胶液来制造紊流，以利于清洗钻头，预防泥包。 2 ． 为保持钻井液的低固相，预防泥包，钻进期 间应尽量保证离心机、 除砂器和除泥器的全程开启， 必要时应通过稀释的方法向循环体系中补人新的胶 液 ，置换 出部分老浆 。振动筛的用法应 以钻井液覆 盖筛 网总长度 的 7 5 ％8 0 ％ 为宜 ，在 不跑浆 的情 况下应将振动筛调到最低 ， 这样更利于钻屑被带出， 减少了钻屑在筛面的停留时间，避免钻屑在筛面的 重复破碎而混入钻井液 中。 3 ． 对大 多数 水基钻井 液来说 ，摩阻系数应 维 持 在 0 ． 2 0左 右 ，对 水平 井 则 要 求 尽 可能 保 持 在 O ． 0 8 ～0 ． 1 0范围内。要做到黏性泥岩 的钻屑不 吸附 在 P D C钻头表面，必须加足润滑剂，推荐直井润 滑剂加量为 1 ％～2 ％， 斜井水平井加量为 2 ％～3 ％。 4 ． 对于水基聚合物钻井液，包被和抑制剂在体 系中的浓度控制非常重要 ，通常他们的浓度为 5 ～8 k g ／ m。 和 3 0 5 0 k g ／ m 。 5 ． 预 防 P DC钻头泥包 ，仅靠钻井液性能 的优 化是不够的。除了地质的非人为因素 ，钻井工程的 优化设计也非常重要，包括钻头选型、井身结构的 设计、钻井参数的优化以及精心的操作手法等等。 参 考 文 献 [ 1 ] 邓传光，朱明玉，黄焰，等 ． P DC钻头泥包原因分析 及对策 【 J ] ． 钻采工艺，2 0 0 6 ，2 9 6 1 2 7 - 1 2 9 ． [ 2 ] 隋跃华 ，成效华，高建礼，等 ． 强抑制性钻井完井液研 究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 1 ，1 8 6 l 2 1 4 ． 收稿 日期2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 6 ；HG F 1 2 0 6 N3 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m