多分支水平井钻井液技术研究与应用.pdf

第 2 5卷 第 2期 2 0 0 8年 3月 钻 井 液与 完 井 液 DRI LL I NG FLUI D COMPLETI ON FLUI D Vo 1 ． 2 5 NO ． 2 M a r ． 2 0 0 8 文 章 编 号 1 0 0 1 - 5 6 2 0 2 0 0 8 0 2 0 0 3 卜O 3 多分支水平井钻 井液技术研 究与应 用 张洪 霞 鄢捷年 宋元森 1 ． 中国石油大学石油工程教育部重点实验室 ， 北京 ； 2 ． 辽河石 油勘探局 钻井 一公 司泥浆公 司 ， 辽宁盘锦 摘要 多分支 井技 术将 是 2 1世纪油气 田开发 的主体 工艺技 术之 一。结合 多分 支井钻 井技术 的特点 ， 讨论 了 钻 井液 面临的技术难题及其 相应的解决措施， 包括 井眼净 化、 润滑 防卡 、 井漏的预 防和 油气层保 护。介绍 了辽河 油 田 2口多分支水平 井钻 井液技术 。现场应用 结果表 明， 边 台一 HI Z和小 3 5 一 HI Z井的钻井液工艺技术满足 了多分支 水平 井钻 井作 业的特 殊要求。 关键词 多分 支水 平井 钻 井液性能 钻井液配方 井眼净化 润滑 性 防止地层 损害 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标 识码 A 多分支井技术是在定 向井、 大斜度井和水平 井 技 术基础 上 迅 速 发 展起 来 的 一 项 新 的 石 油 开 采 技 术 ， 它可以提高油藏的采收率 ， 降低开采综合成本 ， 是 2 1 世纪油气 田开发的主体工艺技术之一 ] 。近 年 来 ， 辽河油 田应 用 多 分 支水 平 井 技 术 显 著 提高 了 油藏的储 量动用程度 和油 田开发效果。边 台一 H1 Z 和小 3 5 一 H1 Z井是 2 0 0 7年完成 的 2口多分支水 平 井 ， 实 现 了工 程 为地质 油藏 服务 的 目标 。 1 钻井液技术难 点与对策 由于分支井连接处之 间距离较小 ， 原始地应力 释放后 ， 连接处处于力学最不稳定状态 ， 因此 ， 分支 井 钻井 对钻 井液具 有 比普通 定 向井更 高 的要求 。在 保 持井 壁稳 定 的前提 下 ， 必 须解 决好 以下 技术 难点 。 1 ． 1 井眼净化 保持环空清洁 、 减少岩屑床 的形成是多分支水 平井钻进中的重要环节 ， 决不能使 固相颗粒严重沉 积在窗口附近。根据已经建立的水平井环空岩屑多 层流动 结构 模型分 析 ] ， 环 空流 态为层 流 时 ， 斜 井 段 和水 平段环 空岩 屑 以接 触质 运 动 形 式 为 主 ， 即与 下 井壁接 触 的岩 屑颗 粒 多 以滚 动 、 跳 跃 或 层 移 方 式 向 前运 动 ， 仅极 少 细小 岩 屑 颗 粒 才 随着 钻 井 液 主 流 以 悬浮方式运动 ， 岩屑 的清除效果受井 下条件和钻井 液水力 、 流变性 的影 响。钻 井实践表 明， 井斜角在 4 O 。 ～6 5 。 的斜 井段 为携 屑最 困难 的井 段【 3 ] 。 提高井眼净化能力的综合技术措施有 ①加强 对钻井液流变参数的监控， 主要是 值的监控 ， 可用 钻井液低剪切速率流变值旋转黏度计 6 r ／ mi n 的读值作为评价携屑能力 的参数 ， 一般将 控制在 2 ～4之间， 使环空流态为层流； ②造斜井段选择以 中空型为主的单弯壳体螺杆钻具 ， 采用大排量钻进 ， 扰动岩屑床 ； ③进入大斜度段 、 主井眼水平段和分支 井眼水平段 ， 每次接单根前 ， 上下活动并转动钻具 ， 依据现场静态监测法循环钻井液若干分钟 ， 破坏淤 积岩屑床的稳定性 ； ④用好多级固控设备 ， 控制低密 度固相含量 ， 使钻井液始终具有合适的结构强度。 1 ． 2 润滑防卡 在多分支水平井作业中， 在大斜度段和水平段 ， 管 柱和 井壁 接触所 产 生的轴 向阻力和扭 矩损 失对钻 井作业有很大 的影响， 甚 至成 为作业成败的关键 。 如何提高钻井液润滑性 ， 降低管柱与井壁之间的摩 阻系数是多分 支水平井钻井液技术 的重要 内容之 一 。目前 ， 在辽河油 田水平井、 大位移井、 小井眼以 及多分支井等特殊工艺井钻井作业 中， 普遍采用 固 体润滑剂和液体润滑剂复配使用的方法来降低钻井 液与井壁／ 套管之间的摩阻系数 ， 减小管柱与井眼间 的摩擦 ， 达 到 了润滑 防卡 的 目的 。 1 ． 3井漏 的预防 与控 制 多分支水平井 ， 特别是羽状水平井能够最大 限 度 地揭开渗透性油层 ， 穿越地层裂缝 由原来的纵 向 第一作者简介 张洪霞， 中国石油大学在读博 士研 究生 ， 主要从事钻 井液和油气层保护方面 的研 究。地址 北京市 昌平 区中 国石油大学石油天然气工程学院 2 0 0 6级； 邮政编码 1 0 2 2 4 9 ； 电话 1 3 9 9 8 7 8 5 8 6 0 ； E - m a i l z h a n g h o n g x i a 9 1 9 s i n a ． c o m。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 钻 井 液与 完 井 液 2 0 0 8年 3月 穿越几十条变成了横向穿越百余条 ， 穿越大裂缝的几 率增加， 同时由于在钻井过程中存在抽吸压力和激动 压力 ， 导致水 平井 眼附 近应力 场发 生 变化 ， 进 一 步诱 导了井眼附近原始微裂纹 的扩张 与扩展 ， 因此 与常规 直井相 比， 多分支井发生漏失 的可能性更 大。 与相 同垂深 的直井相 比， 多分支水平井钻井 液循 环所经过的环空长度 明显增大 ， 加 之造斜段 和水 平段 易于形成岩屑床 ， 因此钻井液循环压耗 大 见 图 】 ， 井 底循环当量密度高， 从而钻井液密度与地层破裂压力 梯度之间的安全窗 口窄 ， 井漏 的风 险系数增 大。 5 3 0 7 0 3l o o 31 5 0 3 2 o o 3 2 5 0 3 3 o o 3 3 5 0 3 4 0 0 环空压耗 a 0 5 ． 5 6 ． 0 6 ． 5 7 ． 0 7 ． 5 8 ． 0 8 ． 5 9 ． 0 9 ． 5 l 0 ． 0 图 1直 井 和水 平 井环 空 压耗 对 比 多分支水平井除了采取常规钻井防漏技术之外， 还应该注意以下几点 ①由于大部分漏失发生在油层 段 ， 因此选 择防漏 剂必 须 以不污 染油 层为 前提 ； ② 随 着多分支水平井漏失压差 的增加 ， 防漏剂 的承压能力 也要 相 应增 加 ； ③ 随着 多分 支水 平 井 的漏失 面 积增 大 ， 要求 防漏剂 的有效 浓度 相应增 加 ， 粒度分 布 范 围 加宽； ④为保证 随钻信号的有效传输， 要求防漏剂的 粒径中值小于 1 ． 5 mm， 并且具有可调性 ； ⑤随钻防漏 液在大斜度和水平井段循环 时易沉积在 井眼的下侧 ， 因此在防漏剂 的开发 和选 择上应注意其可悬浮性 。 1 ． 4 储层保护 多分支井技术的优势之一就是最大限度地沟通 油气藏， 增加油藏内所钻的有效进尺与钻井总进尺的 比率， 因此与直井相比， 多分支水平井与油气层接触 的时间和面积要大得 多 ， 在钻井 时必须设 法降低钻 井 液对油气层 的损害 。 现场应 用及 实验研究结果表 明 ， 在钻井 过程 中固 相对储层的伤害率高达 9 O ， 侵入深度达 1 ． 5 m； 滤 液对储层的伤害率达 4 O ， 伤害半径可达 4 m。从保 护储层 的角度 出发 ， 辽河 油 田多分支井一 般在水平 段 选用无 固相钻井液， 以降低微粒侵入造成的储层损 害， 或选用水包油钻井液 ， 以减小滤液侵入深度， 而且 这 2 种体系的摩阻系数较低， 有利于多分支井作业。 使用水泡 油钻井液 的多分支水平 井 ， 再配合 采用 复配暂堵技术， 使具有一定粒度分布的固相颗粒在很 短的时 间内对储层极浅部位产 生严 重堵塞 ， 防止钻开 液中固相和液相进一步侵入储层， 可更好地保护储 层 。 2 现 场应 用实例 2 ． 1 边台一 H1 Z井 辽河油 田边 台一 H1 Z井 为羽 状分 支水 平井 ， 用 于 开发边 台潜 山北部裂 缝 型块状 高凝 油藏 。该 井 主井 眼为 O ～3 1 1 6 ． 4 m， 第一分支为 2 7 1 9 ． 9 ～2 8 2 0 m， 第 二分支为 2 8 1 7 ． 6 7 ～2 9 2 0 m， 第三分支为 2 9 1 6 ． 4 9 ～ 3 0 1 8 ． 2 2 m， 第 四分支为 3 0 1 6 ． 3 5 ～3 1 2 0 m。 1 3 4 6 mm表层井段 0 2 0 5 m 。该井段使用 普通水基钻井液 。在钻进 过程中 ， 为 了有效 携带大井 眼高钻速产生的大量岩屑， 要保持钻井液有较高的膨 润土含量 ， 黏度为 8 O ～ 9 5 S 。打完 进 尺后 ， 充分 循 环 钻井液洗井， 将钻井液黏度提高到 1 0 0 S 以上 ， 表层套 管顺利下入 。 2 2 4 1 ． 3 mm直井段 2 0 5 ～1 7 6 7 m 。①该 井 段使用聚合物不分散钻井液。由于该井段的沙三中 上段地层泥岩较软， 蒙脱石含量高， 水化造浆强， 因此 使用 N P AN调节钻井液流变性， 保持钻井液黏度在 3 5 “ - 4 0 S 之间； 用 F T - 8 8 1改善泥饼质量 ； 用 F A - 3 6 7 提高钻井液的抑制能力， 控制了泥岩造浆。②1 5 4 0 ～ 1 7 6 7 m井段使用无毒聚合物分散钻井液。该井段 的沙四段地层含有大套深灰色泥岩， 水化分散性强， 极易发生掉块和垮塌 ， 因此将钻井液密度逐步提高到 设计上限， 以平衡地层泥岩的坍塌压力； 加大降滤失 剂的用量， 使钻井液滤失量小于 5 mL ； 利用 固控设 备， 使膨润土含量保持为 3 ～4 。中途完钻时， 钻 井液密度为 1 ． 2 3 g ／ c m3 ， 黏度为 5 7 S ， 施工顺利。 3 1 5 2 ． 4 mm多分支水平段 1 7 6 7 3 1 1 6 m 。 该井段使用水 包油钻井液 ， 配方如下 。 6 5 ～7 O 淡水 3 0 ～3 5 柴油 0 ． 2 ～ O ． 4 ％ Na OH 0 ． 4 ～0 ． 6 XC 1 ～3 油溶性树脂 O ． 1 ～O ． 3 8 0 A 5 1 1 ～2 乳 化剂 O ． 5 ～1 KH 一 9 3 1 该钻井液密度为 0 ． 9 O ～O ． 9 5 g ／ c m。 ， 漏斗黏度为 6 O ～ 8 0 S ， p H值为 8 ～9 ， 滤失量小于 5 mI ， 静切力为 2 ～ 4 ／ 3 5 P a ／ P a ， 塑性黏度为 2 0 “ -2 5 r n P a S ， 动切力为 1 0 - , 1 5 P a ， 流性指数 为 0 ． 4 O ～O ． 5 0 ， 稠度 系数 为 8 0 0 ～ 1 2 0 0 mP a S n ， 含砂量小于 0 ． 2 ， 含油 量为 3 O ～ 5 O ， 摩 阻系数小于 0 ． 0 5 。 为了降低钻井液对油层的损害， 采用近平衡压力 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 5卷 第 2期 张洪霞等 多分支水平并钻井液技术研究与应用 3 3 钻井技术 。邻井试油资料显示 ， 油层原始地层压力为 0 ． 9 6 ～1 ． 0 2 MP a ／ 1 0 0 m， 因此设 计使用 的钻井液密 度 为 0 ． 9 0 tO ． 9 5 g ／ c m3 。边 台北潜 山油 藏 储集 空 间 为 构 造 裂缝 和 微 裂缝 ， 于 是 采 用油 溶 性 树脂 作 为 暂 堵 剂 ， 在近井地层形成低渗透性封闭滤饼 ， 防止钻井液 微粒 和滤 液进 一 步侵 入 储层 。该井 的完 井方 法 是 确 定油溶性树脂作为暂堵剂的主要原 因。其主井眼采 用打孔筛管完井； 分支井眼完钻后用柴油替泥浆至主 井眼， 裸眼完井， 因此在完井阶段就可 以部分清除油 溶性树脂造成的堵塞。 该井 主井眼从 井深 2 0 5 0 m 定 向， 随着井斜 的增 大 ， 及时补充石墨、 塑料小球和极压润滑剂 ， 以提高钻 井液 的润 滑性 ， 降低钻柱 在造斜段 和稳 斜段 的摩 阻扭 矩。在整个水平段钻井过程中， 加强对钻井液流变参 数的监控， 保证井眼的清洁水平 。主水平和分支井段 钻井液流变性控制情况见图 2 和图 3 。该井中途完钻 及完井电测一次成功， 完井周期为 1 0 0 d 。 器 6 0 ； ； 5 7 ； 5 4 5 3 2 0 40 21 6 0 2 2 8 0 2 4 0 0 2 5 2 0 2 6 4 0 2 76 0 28 8 0 3 0 0 0 31 2 0 累计水平井段长度， m 图 2 水平井段钻井液黏度变化 2 0 4 0 2 1 6 0 2 28 0 2 4 0 0 2 5 2 0 2 6 40 2 7 6 0 2 8 8 0 3 0 0 0 31 2 0 累计水平井段长度， m 图 3 水平井段钻井液 6 r ／ ra i n 读值变化 2 ． 2 小 3 5 一 H1 Z井 辽河 油 田小 3 5 一 H1 Z井 为 反 向分 支 水平 井 。第 一 分支 H1 一 Z 1从井深 2 4 8 0 m处定 向， 最大井斜为 1 0 3 ． 5 。 ， 最大位 移为 1 1 8 6 m； 第 二分支 H1 一 Z 2在 井深 2 3 8 0 m 处 侧 钻 开 窗 ， 最 大 井 斜 为 9 O 。 ， 最 大 位 移 为 6 0 7 ． 8 7 m。分支水平段 用无 固相 钻井液 ， 配方 如下 。 水 O ． 2 ～ 0 ． 4 ％ Na OH 0 ． 4 ～0 ． 6 X C O ． 2 t0 ． 4 8 0 A5 1 0 ． 5 三 乙 醇胺 1 t 3 KH一 9 3 1 2 9 ／ 6 ～3 超低渗透剂 该钻井液 密度为 0 ． 9 5 t1 ． 2 0 g ／ c m3 ， 漏斗黏 度为 6 5 tg 0 S ， p H 值 为 9 ～ 1 O ， 高 温 高压 滤 失 量小 于 1 2 mL ， 切 力 为 2 ～4 ／ 4 ～ 6 P a ／ P a ， 塑 性 黏 度 为 2 O ～3 O P a ， 动切 力为 1 2 t1 8 P a ， 流性 指 数 为 0 ． 6 2 t0 ． 6 6 ， 稠 度 系数 为 8 0 0 t1 2 0 0 ， 含砂 量小于 0 ． 2 ， 润滑剂含量 为 4 ～6 ， 摩 阻系数小于 0 ． 0 5 。 与边台一 H1 Z井相 比， 小 3 5 一 H1 Z井 的储层埋藏 深 ， 2 个 分支 的 造斜 段 和 水平 段 长 ， 因此 在 井斜 大 于 6 0 。 以后， 在无固相钻井液中加入聚合醇和石墨， 提高 钻井液的润滑防卡能力； 同时加强低剪切速率下的流 变性监控， 减少岩屑床的形成。 小 3 5 块火 山岩 储层 为 巨厚 粗 面岩 ， 储 集 空 间具 有缝洞一 孔 隙双 重介质 ， 平均孔 隙度为 1 3 ． 6 ， 平 均渗 透率为 2 ． 3 2 1 0 F m 。邻井资料显示， 在粗面岩地 层钻进时， 钻井液漏失严重 ， 因此小 3 5 一 H1 Z井采用随 钻防漏技术， 在无固相钻井液中加入超低渗透剂 、 单 向压力封闭剂等堵漏材料。现场小型实验表明， 钻井 液中压砂床侵入深度为 6 ． 2 c m。钻进 中仅有 0 ． 5 ～ 0 ． 8 m 3 ／ h的轻微渗漏 ， 施工顺利。 3认 识 与 结论 1 ．提 高 井眼 清 洁水 平 、 降低 钻柱 的摩 阻和扭 矩 是 多分 支井钻井作业 成功 的关键 。 2 ．低剪切速率下的钻井液流变性 6 r ／ mi n或 3 r ／ mi n 读值 可作为水平井钻井液携屑能力的评价指 标 ， 确保井眼净化能力。 3 ．在大斜度段和水平段， 复配使用固体和液体 润滑剂能降低金属与金属之 间以及金属与岩石之间 的摩擦 系数 。 4 ．在采用筛管完井和裸眼完井方法时， 水包油 钻 井液和无 固相钻 井液 能够 降低滤 液 和微粒 侵入 造 成 的地层伤害 。 5 ．在无固相钻井液 中加入超低渗透剂等材料 ， 可以有效提高地层破裂压力梯度 ， 适合于油层堵漏 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张焱 ， 刘坤芳 ， 余雷． 多分支 井钻井完井应 用技术研究． 石油钻探技术 ， 2 0 0 1 ， 2 9 6 1 1 1 3 [ 2 ] 蒲晓林 ， 魏 治明 ， 杨玉 良． HW1 0 1水平井复合 离子 聚合 物泥浆技术研究． 石油钻探技术 ， 1 9 9 1 ， 2 2 1 3 0 3 2 [ 3 ] C a m e 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 Ex t e n d e d Re a c h Dr i l l i n g ．S PE 7 2 2 9 0 收稿 日期 2 0 0 7 - 0 9 - 0 5 ； HG F O 8 o 2 w3 ； 编辑 汪桂娟 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m