钻井液沉降稳定性测试与预测方法研究进展.pdf

第 2 9卷第 5期 2 0 1 2年9月 钻井液与完井液 DRI LLI N G FLUI D ＆ COM PLETI ON FLUI D 、 ， o 1 ． 2 9 No． 5 S e pt ． 2 01 2 【 专论 】 钻井液沉降稳定性测试与预测方法研究进展 王健 ， 彭芳芳 ， 徐同台 2 ， 孙鹏 ， 卢小川 ， 韩笑 ， 张冬梅 1 ． 中海油田服务股份有限公司，河北燕郊 ； 2 ． 北京石大胡杨石油科技发展有限公司，北京 ； 3 ． 华北油田分公司采油工程研究院，河北任丘 王健等 ． 钻井液沉降稳定性测试与预测方法研究进展 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 5 7 9 8 3 ． 摘要在钻井作业中，为 了平衡地层压力和维持井壁稳定 ，通常需要在钻井液中加入重晶石，铁矿粉等高密 度材料。然而，加重材料在重力作用下容易发生沉降，并引发井下漏失、卡钻、井控和固井作业困难等问题。2 0 世纪 8 0年代末以来，国外学者对重晶石沉降问题进行 了广泛研究。对目前常用的钻井液沉降稳定性测试技术、影 响沉降稳定性因素以及钻井液沉降稳定性预测和控制方法进行了论述。 关键词 沉降测试 ； 沉降稳定性 ； 评价方法 ； 沉降预测 ； 综述 中图分类号T E 2 5 4 ． 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 20 5 0 0 7 9 0 5 在石油工业中，钻井液沉降是指钻井液中高密 度 固相或加重剂下沉而引起的钻井液密度变化 【 1 ] 。 由于主要使用重晶石作加重剂，通常也称为重晶石 沉降，包括静态沉降和动态沉降。过去主要关注重 晶石的静态沉降，对沉降性能的评价一般在静态条 件下进行。1 9 9 0 年，H a n s o n等人发现，钻井液在 循环过程中发生的动态重晶石沉降比静态沉降更加 普遍， 且更难控制 [2 】 。 在斜井中， 发生重晶石沉降后， 液柱的横截面会产生一定 的压力梯度 ，使较轻的流 体向上移动，较重的流体向下移动，从而加速重晶 石的沉降速度 b o y c o R效应 [2 - 3] o加之斜井的安 全密度窗口窄，重晶石沉降问题更加突出。随着大 斜度井开发数量的 日趋增加 ，解决重晶石沉降问题 显得更加迫切和重要。 场的流动回路的沉降测试法。 1 - 1 静态沉降测试法M { 静态沉降测试是评价钻井液在井筒内静态条件 下沉降趋势的方法。将钻井液加入不锈钢罐中，在 特定温度下静态放置一段时间后，分别测量钻井液 液柱上部 游离液体下层 密度P 。 和底部的密度 P 。 栅 。静态沉降因子 ’ 的计算式如下。 b 。m ／ b ～ 0 p S F为 0 ． 5 O时说明未发生静态沉降， S F大于 0 ． 5 2 时说明静态沉降稳定性较差。该方法利用钻井液常 规测试仪器，操作方法简单，适合现场使用。但是 计算静态沉降因子时未考虑脱水收缩作用 ，即上层 游离液体未参与计算，实验结果与真实值会存在一 定的偏差 。 1 重 晶石沉降 测试 方法 1 ．2 黏度计沉降测试法 石油行业现有的重晶石沉降测试方法，是针对 不同的沉降条件建立的，如模拟静态条件、动态条 件、倾斜角度、流动回路、高温高压等。文献报道 的沉降测试方法有多种，包括传统的老化罐静态沉 降测试法，黏度计沉降测试法、大型的能够模拟现 1 标准黏度计沉降测试。1 9 9 1 年，J e ff e r s o n 使 用 F A N N3 5黏 度 计 模 拟 井 下 动 态 条 件 ，首 次 将重晶石沉降与钻井液黏度测量联系起来，建立 了一种低成本且适用于现场的动态沉降测试方法 V i s c o me t e r S a g T e s t VS T 。 第一作者简介 王健，工程师，1 9 8 1 年生，2 0 0 7年毕业于天津大学并获应用化学专业硕士学位，现从事钻完井液及储 层保护研究工作。地址 河北省三河市燕郊中海油服油田化学研究院钻完井液所 ； 邮政编码 0 6 5 2 0 1 ； 电话 0 3 1 6 3 3 6 7 0 4 8 。 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 第 2 9卷 第 5期 王健等 钻井液沉降稳定性测试与预测方法研 究进展 8 l 式相同，此时的系数 k取 5 0 。 图5 流动回路沉降测试仪 流动回路沉降测试仪的操作程序为 在样品池 中加人 7 5 ． 7 L钻井液 ，调节测试段角度和钻杆偏心 率 ，加热到 4 8 ． 9℃，加热过程 中以最大流量循环。 ①动态重晶石沉降测试 待钻井液密度均匀后，测 量钻井液初始密度 ； 减少流量 ，并保挣 叵定流量 3 0 m i n； 测量底部和顶部取样口的密度，计算底部和 顶部密度差。②静态重晶石沉降测试 待钻井液密 度均匀后 ， 将流速降为零 ； 在 4 8 ． 9℃下静置 1 6 h； 测量底部和顶部取样口的密度， 计算密度差 ； 试验 后用最大流量循环冲洗测试段。 流动回路沉降测试仪的缺点是，需要占用较大 的空间和安装复杂的仪器组件，测试时钻井液样品 用量较大 ，不适合现场应用 。此外 ，使用流动 回路 沉降测试仪也无法完全再现井下真实情况，如高温 高压条件， 井眼几何形状等。 1 ． 4 倾斜角度动态沉降测试法 针对现有沉降测试仪的不足， J a m i s o n 等人发明 了倾斜角度动态沉降测试仪 D y n a m i c H ilg h A n g l e S a g T e s t e r ，或 D HAS T 。 ，见图 6 。用 D HAS T 可进行动态和静态沉降测试。与流动回路沉降测试 仪相 比，倾斜角度动态沉降仪可测定高温高压条 件下的钻井液沉降性能 最高温度为 1 7 7℃， 最大 压力为 6 9 MP a ，且 占用空间小 ，样品用量少。 自 2 0 0 3 年初以来 ， D H A S T已被成功应用于大斜度井 项 目的设计和诊断工具。 倾斜角度动态沉降仪主体为放置在压力容器中 的密封测试管 容积约为 5 0 c m 3 ，测试管由其中 心 附近 的减摩枢轴支撑。测试管内有一 同轴转子 ， 为待测钻井液提供剪切力。转子由磁耦合驱动，具 有较大的剪切速率范围。在测试管中心，与其轴线 垂直的是钻井液膨胀补偿器和隔离活塞，使系统在 温度和压力发生迅速变化时保持平衡，同时将加压 液体与待i 贝 4 钻井液隔离 。 使用 D H A S T测试时，将钻井液样品加入测试 管中，保持测试管在特定的角度，将样品加热到所 需的温度和压力 ，在一定 的剪切速率下进行动态沉 降测量，当测试管中发生重晶石沉降时，测试管重 心将发生变化，使测试管像杠杆秤一样发生倾斜。 用 D H A S T控制系统对外部线圈通电，产生一定的 推动力使测试管回到原位，线圈中的电流变化反映 出钻井液沉降速率 的大小。 D H A S T沉降测试的操作步骤为 ①测试前将 样品充分搅拌 ， 在加入测试管之前将样品真空脱气 。 ② 预热 7 0 mi n ，加热 过程 中，转子保持 以 l r ／ mi n 的转速旋转 。③加热 完成后 ，测 量不 同剪 切速率 O ．3 5 、 1 ． 7 6 、 1 0 ．5 5 和2 1 ． 0 9 S q _F的钻井液沉降速率。 每个剪切速率的测试时间为 3 h ，间隔 3 0 mi n测量 沉降性能。先测量动态沉降速率，最后测定静态沉 降速率 。沉降速率通过每个剪切速率对应的试验数 据对时间进行线性回归的斜率来确定 ，见 图 7 。 童 嚼∈ 姆 田 舞 图 6 倾斜角度沉降测试仪 D H AS T 时 图7 倾斜角度沉降测试仪测试结果 2 重 晶石 沉降 的预 测方法 根据大量研究表明，静态重晶石沉降I生 能与钻 井液凝胶强度有关 ，动态重 晶石沉降 l生能与低剪切 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 9月 速率条件下的钻井液流变性或结构性能有关 。通过 测定钻井液的流变性或结构性能，可以间接预测重 晶石的沉降稳定性。 由于悬浮重晶石需要足够的凝胶强度 ，形成凝 胶对防止静态沉降至关重要。S a a s e n f9 】 发现，钻井 液的弹性模量 G 与黏性模量 G 的比值 G ／ G 能 够预测重晶石的静态沉降趋势。 当 G ／ G 大于某 一 值时， 发生静态沉降的几率较小， 见图 8 。G ／ G 的值与振荡频率和振幅有关，图 8中 G ／ G 的值 大于 1 时，发生静态沉降的几率较小。 B e m 1 9 9 6 认 为 [ 1 由于在高剪 切速率 下 ， 钻井液结构被破坏，由 钆和 仍读数计算的低剪切 速率屈服值 L S R I _ 2 3 -- 0 ，能更合理地反映钻 井液真正的屈服应力。 B e r n 根据试验研究结果发现， 当 L S R Y P达到 7 ． 2 P a 1 5 l b ／ 1 0 0 f t 2 时，动态沉降 几乎完全消除 ，见图 9 。 龆 G／G” 注 1 l b ／ g a l 0 ． 1 1 9 8 g ／ c m 。 图 8 G ／ G 对静态重晶石沉降的影响 0 0．35 0．3 0 0．2 5 0 ． 1 0 0 , 0 5 黼0 ．0 0 L S R Y P ／ 1 b ／ 1 0 0f t 2 4 8 ． 9℃ 注 1 l b ／ g a l 0 ． 1 1 9 8 g ／ c m 。 图 9 L S R Y P对动态重 晶石沉降 的影 响 Dy e 1 9 9 9在偏心钻杆 中研究动态重 晶石沉 降规律中发现 [ 1们 对普通重晶石加重的常规钻井 液，当剪切速率在 4 S 时开始发生动态重晶石沉 降，剪切速率在 0 ． 1 7 ～1 ．7 S 范围内时，动态重晶 石沉降最严重。根据一定剪切速率下重晶石动态沉 降与钻井液黏度的关系 ，确定了控制重 晶石沉降的 合理的黏度范围，即动态沉降窗 口 D y n a m i c S a g Wi n d o w[ 1 0 - 1 1 1 ，见图 1 O 。在剪切速率为 1 ． 7 S 时 ， 合理的黏度范围是 1 5 0 0 ～2 5 0 0 m P a S ，在剪切 速率为 0 ． 1 7 S ～，合理的黏度范围是 1 2 0 0 0 2 0 0 0 0 mP a S 。对钻井液作剪切速率 一 黏度 曲线。若黏度曲 线低于 “ 动态沉降窗口”下限，说明钻井液有动态沉 降风险，见图 1 1 。反之，黏度曲线高于 “ 动态沉降窗 口”下限，说明钻井液动态沉降稳定性较好，见图 1 2 。为优化 E C D考 虑 ，钻井液 黏度 曲线应 尽量控 制在 “ 动态沉降窗口”之内。 目前，使用 “ 动态沉 降窗口”预测重晶石沉降趋势已经过了现场验证。 图 1 0 动态沉降窗口“ D y n a mi c S a g Wi n d o w” 墨 0 盘 注 1 l b ／ g a l 0 ． 1 1 9 8 g ／ c m。 。 图 1 1 黏度低于沉降窗口下限的钻井液沉降稳定性较差 4 2盘 0 注 1 l b ／ g a l 0 ． 1 1 9 8 g ／ c m 。 图 1 2 黏度在沉降窗口之内的钻井液沉降稳定性较好 由于新型加重材料 ，如赤铁矿 、钛铁矿 、四氧 化锰、 微米重晶石以及新的钻井液体系的发展应用， 钻井液体 系的作用机理也随之发生变化 ，“ 动态沉 降窗口”的应用受到限制。 Ma x e y 2 0 0 7介绍 了一种适用性更广的沉降 预测方法 ，即通过测量钻井液 的结构变化 ，包括静 态和动态结构变化 ，预测钻井液的沉降稳定性 】 。 对钻井液样 品分别进行振荡频率扫描和时间扫 童 耦 ∞ 德 ∞ 知 d Ⅱ 【／ 德 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 9 卷 第5 期 王健等钻井液沉降稳定性测试与预测方法研究进展 8 3 描 ，根据钻井液 的弹性模量 G 和 内耗 t a n 6的变化， 判断钻井液静态条件下的结构变化，可问接测量钻 井液的静态沉降稳定性。 形成结构时， t a n g 减小， G 增加 ； 反之 ，结构破坏 时，t a n fi 增加 ，G 减小。 为了测定钻井液动态条件下的结构特性 ，首先 测定钻井液的屈服应力 、动态屈服应力 ，再 对钻井液样品进行应力叠加振荡试验 ，逐渐增加恒 定应力 ，直 到接 近屈 服应力 ，应力振 幅 略低 于动态屈服应力 ，试验结果及测定方法见表 1 。 表 1 钻井液的屈服应力、动态屈服 应力 、临界应力和沉降性能 注 O -y的测定 钻井液静置形成凝胶，增加应力直到 钻井液开始流动 ； a D 的测定 钻井液静置形成凝胶 ，增加 应力振幅直到非线性出现 ； 静态沉降因子、动态沉降性能由 流动回路沉降仪测定。 将钻井液结构性能参数与沉降性能进行比较发 现 ，钻井液 的动态屈服应力 越大 ，钻井液的动 态沉降稳定性越好 。但是动态屈服应力与钻井液体 系的组成有关，使用动态屈服应力预测动态沉降性 具有一定的局限性 。应力叠加振荡试验测定的钻井 液结构破坏时的临界应力 b r e a k s t r e s s ，也可以间 接表现钻井液的动态沉降稳定性。临界应力越大， 钻井液动态沉降稳定性越好。此外，钻井液 “ 临界应 力 ／ 屈服应力 ”的值 ，也可以反映钻井液 的动态沉 降趋势，比 值越大，钻井液的动态沉降稳定性越好。 3 结论 1 ． 经过 2 O 多年的研究与实践，沉降测试仪器 和测试方法的不断改进，对重晶石沉降规律的认识 也不断深人。在认识沉降规律的基础上，初步掌握 了钻井液沉降稳定性的预测和现场控制方法 。 2 ． 由于大斜度井眼和高温高压井开发数量 的 日 趋增加 ，重晶石沉降稳定性控制和调节面临着严峻 的挑战。一方面 ，需要进一步改进或开发能够模拟 现场条件，又能简化操作的沉降测试仪器。另一方 面，需要进一步掌握重晶石沉降规律， 通过钻井设 计 ，钻井液性能调控和井场监测 ，有效地防止或控 制重晶石的沉降，提高钻井效率。 [ 6 】 参 考 文 献 Be r n P A，Va n Oo r t E， N e u s s t a d t B，e t a 1 ．Ba r i t e S a g me a s u r e me n t ， mo d e l l i n g a n d ma n a g e me n t [ R 】 S P E ／ I A DC 47 78 4， 1 9 98 ． Ha n s o n P M ， T r i g g J r ． ， Ra c h a l G ， e t a 1 ． I n v e s t i g a t i o n o f b a r i t e ‘ S a g’i n we i g h t e d d r i l l i n g fl u i d s i n h i g h l y d e v i a t e d we l l s [ R ] ． S P E 2 0 4 2 3 ， 1 9 9 0 ． Bo y c o t t A E ． S e d i me n t a t i o n o f b l o o d c o r p u s c l e s [ J 】 ． N a t u r e ， 1 9 2 0 ， 1 0 4 5 3 2 ． J a s o n M a x e y ， Rh e o l o g i c a 1 ． An a l y s i s o f s t a t i c a n d d y n a mi c s a g i n d r i l l i n g fl u i d s [ J ] ． A n n u a l t r a n s a c t i o n s o ft h e N o r d i c Rh e o l o g y S o c i e ty ， v o 1 ． 1 5 ， 2 0 0 7 ． J e f f e r s o n D T． Ne w p r o c e d u r e h e l p s mo n i t o r s a g i n t h e fi e l d [ C ] ． AS ME 9 1 - P E T - 3 ， E n e r g y S o u r c e s T e c h n o l o g y Co n f e r e n c e a n d Ex h i b i t i o n ， Ne w Or l e a n s ， 2 0 2 4 J a n 1 9 9 1 ． Za mo r a M Ba r a n o ws k i M ． Vi s c o me t e r s a g t e s t s h o e ． US 6 9 3 】 9 】 6 ． [ 7 ] S c o t t P D， Z a mo r a M， Al d e a C ． B a r i t e s a g ma n a g e me n t c h a l l e n g e s ， s t r a t e g i e s ， o p p o r t u n i t i e s [ R ] ． S P E 8 7 1 3 6 ， 2 0 0 4 ． [ 8 ] E r h u Ga o ， Ma r t i n B o o t h ，Ni a l l Ma c Be a t h ． C o n t i n u e d i mp r o ve me n t s o n hi g h - p r e s s u r e ／ hi g h t e mp e r a t u r e d r i l l i n g p e r f o r ma n c e o n w e l l s wi t h e x t r e m e l y n a r r o w d r i l l i n g wi n d o ws-e x p e r i e n c e s f r o m mu d f o r m u l a t i o n t o o p e r a t i o n a l p r a c t i c e s ， s h e a r wa t e r p r o j e c t [ R ] ．S P E 5 9 1 7 5 ． [ 9 ] S a a s e n A，Da we i L，Ma r k e n C D． P r e d i c t i o n o f b a r i t e s a g p o t e n t i a l o f d r i l l i n g flu i d s fro m r h e o l o g i c a l me a s u r e me n t s [ R ] ． S P E ／ I A DC 2 9 4 1 0 ，1 9 9 5 ． [ 1 0 ]D y e W， H e mp h i l l T ， G u s l e r W， e t a 1 ． C o r r e l a t i o n o f u l t r a l o w s h e a r r a t e v i s c o s i t y an d d y n a m i c b a r i t e s a g i n i n v e r t - e mu l s i o n d r i l l i n g fl u i d s [ R 】 ． S P E 5 6 6 3 6 ， 1 9 9 9 ． [ 1 1 ]D y e W， Mu l l e n G ， Gu s l e r W． F i e l d p r o v e n t e c h n o l o g y t o mana g e d y n a mi c b a r i t e s a g [ R ] ． S P E 9 8 1 6 7 ． [ 1 2 ]R o b e r t Mu r p h y ， Da l e J a mi s o n ， T e r r y H e mp h i l 1 ． Me a s u r i n g a n d p r e d i c t i n g d y n a mi c s a g [ R ] ． S P E 1 0 3 0 8 8 ． [ 1 3 ]Be l l S A， Mu r p h y R J ． I mp r o v i n g d r i l l i n g e c o n o mi c s u s i n g d y n a mi c h i g h a n g l e s a g t e s t i n g DHAS T [ C ] ． pa pe r pr e s e n t e d a t t h e AADE Dr i l l i n g Fl u i d s T e c h n i c a l C o n f e r e n c e ， A AD E - 0 6 - DF - HO - 2 9 ， 2 0 0 6 ． [ 1 4 ]Be m P A， Z a mo r a M， S l a t e r K S ， e t a 1 ． T h e i n fl u e n c e o f dri l l i n g v a ri a b l e s o n b a r i t e s a g [ R] ． S P E 3 6 6 7 0 ， 1 9 9 6 ． 收稿 日期2 0 1 2 ． 0 7 ． 1 2 ；I N DDF 1 2 0 5 W1 ；编辑 汪桂娟 Ⅲ 网 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m