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石 油钻 井工程 第4舂 第2明 1 9 9 7 年6月 石西地区水平井钻井液完井液技术探讨 周天辉 危 埘 ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯一⋯⋯ 防漏．裂缝性油蘸保护等几十万面分析了问题的实质，从理论上进行了阐述，探讨了现场控制枝术 _ I N N 苎 ． 生 坐 ． 兰 堡 垒 苎 哇 堕 堡 堑 言 石西地 区石炭系油藏是一个裂缝性整 装油田，是国内 目前最深的水平井试验区块，第 一 轮已钻了 3口水平井，钻井方面出现了许多重大技术问题，本文仅就钻井液完井液技术 进行了探讨 井眼稳定控制 井唯稳定是钻水平井的关键问题之一。不稳定地层的坍塌使井径扩大、井径不规则， 导致携岩困难摩 阻增 大，严重时卡钻，甚至危及水平井的成功．石西地 区水平井造斜点 以下裸眼段有两段不稳定地层，一是 白碱滩组地层 ，属于不易水化的硬脆性 页岩，层理发 茸，当钻井液滤液侵入后沿层理呈薄片状剥落，剥蚀程度与钻井液密度、冲蚀情况、机械 碰撞有关，严重时 f 起井径扩大 二是克拉玛依组地层，该地层砂泥岩交替 砂岩薄层夹 层多，泥岩水化能力， { 等．具有水化坍塌趋势，控制不好会引起井径扩大。 S HW0 1 井在老 井限钻进中这两层地层有轻微掉块，在使用偏心扶正器 破键器 划眼时返出很多不规则 的泥岩掉块，反映 了上述地层的不稳定特性 钻 水平井 时井眼稳定性控制 比钻直井时更需特别重视，因为随着井斜角的增大，不稳 定地层的坍塌趋势上升，控制更难；钻水平井 时裸 眼浸泡时间增长，随浸泡时间增长井眼 稳定状况越来越差。实践证明，当井眼不稳定时再进行控制往往事倍功半 所以，在钻遇 不稳定地层前必额全面实施井眼稳定控制，这是一条重要的原则 1． 井曝稳定力学控审 4 首先，钻井设计应尽可能将井眼的不稳定性减至最小程度．一是根据地层 L 隙压力、 坍塌压力、破裂压力 及岩石强度等参数设计套管层次；二是分析井眼剖面岩石受力状况， 按照减小岩石力学不稳定性的原则来确定井眼轨迹的走向，即井眼轨迹走向平行于最小地 应力方向。 合理选择钻井液密度来平衡井筒周围岩石所受应力，这是运用钻井液从力学角度稳定 维普资讯 马世昌石西地区水平井钻井液完井液技术探讨 3 7 井眼．当钻开井眼后，井筒岩石应力平衡受到破坏，这就需要钻井液流体压力来平衡．斜 井与直井不同，随着井斜角的增大，井壁岩石坍塌趋势线是上升的，即防止坍塌所需平衡 压力增大。钻井液密度应比直井要高．钻井液密度应根据井壁岩石的应力平衡来设计。目 前还没有准确的计算方法．石西地区钻直井时，从白碱滩组到克拉玛依组钻井液使用密度 均在 1 ．2 5 g ／ e m 左右，钻进中有不同程度的掉块和井径扩大．从 S H W0 1 井老井眼实钻情况 来看，白 碱滩组钻井液密度在 1 ．2 2～ 1 ．2 5 g ／ c m 时剥蚀掉块明显，将钻井液密度提高到 I ． 3 2 g ／ e m 以后趋于正常， 此后克拉玛依组钻井液使用密度在 1 ． 3 5～1 ．4 5 g ／ m 范围内基本正 常． 百口泉组地层厚度小， 很快进入目的层， 钻井液密度将提高到 1 ．5 7～1 ．6 0 g ／ e m ． 所以， 从地层剖面来看钻井液密度是一个逐渐升高的过程，按照密度逐渐变化的控制原则，白碱 滩组使用密度 1 _3 O～1 ． 3 5 g ／ m 、克拉玛依蛆使用密度 1 ．3 5～1 ．5 O g ／ m 是合适的．在密度 控制上应逐渐升高．避免大幅度被动，特别是密度增加后不要突然下降． 2．井眼靛化学控斜 钻井液与地层的化学作用也影响井眼稳定．水基钻井液与泥岩的化学作用最大，通常 不稳定的泥岩具有吸水膨胀、分数的特性，降低了岩石强度而引起剥落和坍塌．钻井液的 化学防塌措施就是将这种化学作用减至最小，主要的手段是进行滤失量控制和滤液化学性 质控制．白碱滩组页岩本身不易水化，但滤液进入解理面中仍可降低其强度导致沿层理剥 落；克拉玛依组地层泥岩具有中等水化特性．这两种地层都应减少滤液的侵入量并控制滤 液的化学性质．对于深井。应考察高温高压滤失量．降低高温高压滤失量的措施有 ① 保持体系中足够的坂土含量 ②具有足够的固相浓度并具有合适的粒度分布 加足高温降滤失剂． 由于井较深，密度比较高，此时钻井液体系大都采用水基聚磺体系，该体系使用中普 遍存在的问题是缺少中等分子的护胶型增牯剂．因而不得不使用过量的磺化处理荆，滤液 牯度低，降滤失效果并不好．解决的办法是在体系中使用中等分子量的纤维索类树脂．而 对于水平井，最好使用聚阴离子纤维素． 控制滤液化学性质的措施有 0体系中具有一定的含盐量，钻水平井可以使用 3 ％一5 ％K C 1 ； ②使用抑制性强的高聚物． 现在普遍使用的两性离子聚合物分子量较低。 不仅物理包被 减弱，而且滤液牯度低，抑制性弱，建议使用 8 0 A 5 1 、 K P A M等高分子量聚合物； 滤液应具有一定的液相牯度． 3 ．沥青睛塌j l薯 沥青防塌剂的作用机理是封堵不稳定地层，提高胶结强度．并使井壁疏水．对白碱滩 组地层防塌特别适用，对克拉玛依组地层同样有效．沥青产品的使用应考虑两个重要指标 ∞沥青的有效含量．现在干粉产品中究竟有多少沥青含量不清楚， 有些甚至用煤焦油生 产，由于沥青质含量少和胶质分子量低而防塌效果差 沥青产品的软化点．现在沥青产品大多是混合物． 按照炼化产品测定方法无法准确测 定，也不能以原料沥青的软化点作为产品的软化点 因为原料沥青经过不同的生产工艺后软 化点会改变 ．沥青产品软化点的测定办法是绘制产品在高温高压下滤失量l i直 温度变化的曲 线．高温高压滤失量最低点的温度可以视为产品的软化点，即是该产品使用的最佳温度． 维普资讯 石油钻井工程 第4 卷 第2 朔 1 9 9 7 年6 月 沥青产品的软化点必须等于或大于井下温度才具有防塌性． S H W0 1 井使用了大量沥青产品，在侧钻水平井中保持高密度、高钙浓度、低滤失量等 强化措施，裸眼浸泡时间虽然长达5 个多月，但白碱滩蛆与克拉玛依蛆地层仍然保持稳定． 减 阻 防卡 减小摩阻力、扭矩和防止卡钻是钻水平井的重大技术问题．在大斜度及水平段，由于 钻具贴向井壁使摩阻力增大、扭矩增加，以及钻柱重力沿井筒轴向分力减小，使钻头上所 加钻压减少甚至加不上钻压，下钻时下不到底．划眼困难，起钻时遇阻吨位增大．石西第 一 轮 3口水平井的实钻表明，水平井阻卡比直井成倍增加，成为影响钻井效率的主要原因． 减阻防卡是综合性的技术，不能简单说成只与钻井液润滑性相关，应综合控制各个方面． 1 ． 并眼孰述控制 经过第一轮水平井的钻井，在掌握地质情况、地层造斜变化规律的基础上，全井段用 基本不变的钻具蛆合连续钻进，精心控制井斜、方位，剖造平滑过渡的井眼条件，这是减 阻防卡的基础．特别是在砂泥岩交替、砂岩薄层和夹层发育地层造抖时，井眼轨迹应避免 出现 “ 台阶 或 “ 拐点”．应避免频繁更换钻具蛆合，发生复杂情况时应坚持采用原钻具 蛆合通井划眼 改变钻具蛆合阻卡几率增加，也容易导致井眼条件恶化 ． 井壁不稳定时岩屑携带不净，环空岩屑浓度大，使摩阻力、扭矩增大，严重时即卡钻． 3 ．畸止压差 粘附 卡钻 石西地区克拉玛依蛆地层孔隙压力当量密度估计在 1 ．2 5 g ／ c m 左右．钻水平井时，为控 制该地层不稳定泥岩的坍塌，钻井液密度在 1 ．3 5～1 ．5 0 g ／ c m ，而且当钻开石炭系时钻井液 密度达 】 ． 5 7一I ．6 0 g ／ c m ．这样就对克拉玛依蛆地层产生正向压差，特别是在克拉玛依蛆砂 岩段地层有产生压差卡钻的可能．直井时，因为钻具旋转和钻具居中，尚没有明显的表现． 假设克拉玛依蛆地层的孔隙压力系数为 】 ． 2 5 ，钻井液使用的最高密度为 1 ．6 0 g ／ c m ，剐 克拉玛依蛆地层的正压差为 】 4 MP a ，相当大．在目前井身结构条件下，克拉玛依组地层的 井斜角通常在 2 0～5 0 。 ．钻柱的一部分很容易与井壁接触．钻柱运动时，钻井液包围并润 滑钻具，钻柱周围的压力分布相等，形不成压差；当钻柱静止时，钻柱紧贴井壁泥饼，被 钻井液柱隔离，形成压差，当摩阻力大于钻柱的推力或拉力时，便发生卡钻．克拉玛依蛆 地层砂泥岩交替，砂岩薄层和夹层多，可钻性变化大，造斜时井斜、方位不易控翻，泥岩 稳定性差，易水化坍塌，存在着压差等等，可能是该地层容易发生阻卡的主要原因． 压差卡钻解卡所需外力随压差、接触面积和摩擦系数的增大而增加，而且与静止时间、 井斜角、钻铤直径等有关，随井径增大而减小．当确定为压差卡钻，活动钻具等不能解除 时．泡油基解卡液是有效的方法．油基解卡液可渗透并润温钻柱与泥饼之间的接触面，解 除压差而获得解卡． 预防压差卡钻的技术措施是多方面的，如减小井眼狗腿度、缩短钻具静止时间、使用 可变径扶正器和较小尺寸钻铤、转盘旋转钻进、经常短起下钻等． 钻井液方面的措施是使之形成薄而致密的泥饼．减小钻具静止时贴附在泥饼上时所形 成的压差．形成薄而致密的泥饼需要有适当的固相浓度．而且固相应有合适的粒度分布． 维普资讯 马世昌石西地区水平井钻井液完井液技术探讨 3 9 变形树脂对封堵非常有效，特别是封堵渗透性砂岩地层预防压差卡钻有明显效果． S H W0 1 井试用了一种软化点为 1 0 5℃的纯沥青粉， 细度 8 0目 ， 最佳封堵温度 9 51 0 5 ℃，特别适台石西地区井下温度，它形成的泥饼渗透率低，高温高压滤失量减小，而且具 有防塌作用，在 4 3 3 0 m井段使用 1 0 t ，很长一段时间内井眼条件良好．变形树脂分水溶与 油溶两种，软化点都必须略大于或等于井下温度．其中，油溶变形树脂在混油水基钻井液 中使用时，软化点特降低，吸油后颗粒有聚结增大现象． 4．保持良好的润滑性，以降低摩阻与扭矩 在保证形成薄而致密泥饼的基础上，现在水基钻井液的润滑性控制在现场上已经可以 接近油基钻井液的水平，降低了钻具上提下放的摩阻与旋转时的扭矩． 石炭系地层防喷防漏 石炭系是目的层，主要为安山岩和英安岩，硬脆，不水化，井眼稳定，这是有利条件， 但地层压力高，含气比高，易发生井涌、井喷．该地层微裂缝发育，又处于大斜度及水平 段 随着井斜角的增大，地层微裂缝的破裂压力下降，因此容易沿裂缝漏失．钻水平井时， 油层暴露井段长，钻井时间长，各种井下作业频繁，经常存在压力澈动，因此比直井更容 易发生井喷 井漏．实钻情况表明，钻水平井时，井喷与井漏的密度差范围仅在 0 ．0 3 ,--．0 ．0 5 g ， c ． 井喷时，压井必然导致井漏；井漏时，又很容易发生井喷．所以，目的层井段喷、 漏危险并存，防喷与防漏密切相关． 1 ．严格控翻钻井液密度 钻井液密度控制在 1 、 5 7 ～ 1 、6 0 g ／ c m 时石炭系地层略有正压差， 地层天然气进入井筒流体 中很少，只要起钻时勤灌泥浆，可以防止井涌、井喷． 2．实施防葺措施，翻定堵暑的应息方案 对于裂缝地层漏失，使用桥接堵漏剂的方法防漏堵漏较有效．但是如果井下钻具带 MWD随钻测量仪． 桥接堵漏材料会影响其正常工作，而且石炭系地层裂缝宽度范围大，这 些都给钻井液防漏 堵漏增加了困难． 钻井液防漏的措施是 ①钻井液具有足够的固相浓度， 并且固相颗粒粒度分布范围广；适当增加粗颗粒，以便 有效地在裂缝上形成桥堵．可以放大振动筛网尺寸，停开除砂器，间断使用除泥器，还可 以添加不同尺寸的固体颗粒 如碳酸钙、单封、可变性树脂等． ②应避免在该地层强开泵和在同一位置长时间循环． 下钻时采取分段循环，以减少压力 激动。当不带MWD仪器进入水平段时，可以采用桥接堵漏剂防漏、堵漏，直至完井． 3 ．钻并队应配备液气分离器 当发生井喷时进行液气分离节流循环，可以实现等密度连续压井，避免高附加密度压 井造成井漏，大大减少复杂情况的损失． 裂缝性油藏保护 石炭系油藏裂缝发育，裂缝宽度范围广 4～2 0 0 p ．m ，易漏失．裂缝宽度的非均匀 维普资讯 4 0 - 石油钻井工 程 第4 鲁 第2 j盯 1 9 9 7 年 6 月 性和易漏失特性，增大了油层保护的难度．水平井作为提高单井产量的一种开发方式，目 的是保护产层，必须解决这方面的技术难题． 首先．完井方式和开采技术对油藏保护很重要．对于石炭系这样稳定性好的地层，采 用非固井完井方式是可行的，而且可以避免水泥浆的污染．非固井完井方式应封固好产层 以上克拉玛依组等不稳定地层，开采段也应分段隔离，以便于增产措施和修井等作业． 钻井液完井液是油藏保护系统工程中的重要组成部分，目前对裂缝性油藏的保护还没 有突破性进展，难点在于裂缝分布宽，液相与固相侵入深度较深。钻井液完井液豹保护主 要足降低滤液损害和固相堵塞两方面，对于石炭系油蘸保护，一是防漏．二是如何在裂缝 上桥堵，降低固相堵塞深度从而容易解除桥堵． 我们认为裂缝性油藏严重影响采收率，而需要重点保护的是那些宽度大的裂缝，关键 技术在于弄清产层裂缝宽度分布，实时分析钻井液完井液固相粒度分布．固相颗粒应能在 裂缝上架桥，与 L 隙架桥理论不同，我们认为裂缝上的架桥粒子直径应大于裂缝的宽度． 那些小于裂缝宽度的各种级配粒子作为嵌入粒子和填充粒子．传统钻井液的固相控制使钻 井液中通常缺乏大颗粒，所以应适当放宽固相控制．并根据裂缝宽度分布补充～定量的架 桥粒子．架桥粒子最好是剐性粒子．它可以是惰性矿粉颗粒，也可以是重结晶的悬浮盐粒 等。嵌入粒子和填充粒子最好是刚性粒子与变形粒子相结合．变形粒子可以是各种纤维与 可软化的油溶或水溶树脂，其软化点必须高于井温．油溶树脂作为填充粒子。投产后能被 油溶解，将会大大提高渗透率恢复值，可以提高产量，是研究的方向之一． 评价水基泥浆中使用的油溶性树脂的～个指标是在水基泥浆中它的软化点要比井下 温度高，在油中它的溶解温度要比井温低． 井 眼清 洁 1 ．辩并执岩起律 在斜井段，岩屑运移不再全部由上返的钻井液摩擦力所支持，岩屑在重力作用下将滑 向下井壁．用直井的岩屑上返速率判断净化能力已 不适宜，而通常使用环空内岩屑浓度来 评价井眼净化效果．国内外的研究表明，影响井眼清洗的主要因索有环空返速、钻井液密 度、井斜角和钻杆旋转；次要因素有钻井液流变性、岩屑尺寸和偏心度再次鼍 ； 响程度的 因素有机械钻速、钻井液类型和钻具尺寸． 1 环空返速 在任何井斜角条件下，环空返速越高，流体的动量越大，输送岩屑的分力越大，携岩 效果越好．防止岩屑沉淀于下井壁所需要的最低环空返速被定义为临界环空返速，即环空 返速大于或等于临界环空返速时，下井壁不会有岩屑沉积；反之，下井壁形成岩屑床 ．实 验表明，钻柱偏心度越大，所需要的临界环空返速越大；高牯度流体的临界环空返速也将 增大；机械钻速越快，井眼清洁所需的临界环空返速也越大．至于井径增大，达到临界环 空返速的排量也需增大． 2钻井液密度 钻井液密度增大，流体动量增加，输送岩屑的力增加．当使用低密度钻井液时 ，用增 加密度来提高辅送效果显著． 3井斜角 维普资讯 骂世昌石西地区水平井钻井液完井渣技术探讨 4 1 对于岩屑的输送 按井斜 角可 以分为 3个 区域 I区 0～4 5 。 ；I I 区 4 5～5 5 。 ；n t 区 5 s一9 0 。 J区岩屑运移情况最好， Ⅱ区岩屑运移情况最差． 4钻柱旋转 钻柱旋转，可以扰动岩屑、提高输送效果，防止形成岩屑床。 5】钻井液流变性 在 I区时，层流携岩效果最好；在I 1 I 区时，紊流携岩效果最好；在 t i 区时，层流与紊 流携岩效果相当．层流时，在低井斜角条件下 小于 5 5 。 ，提高屈服值 Y p可以提高岩 屑输送能力在任何井斜角条件下，提高动塑比 Y P ／ P V 有利于岩屑的输送．紊流时， 岩屑的运移基本上不受钻井漓流变性的影响． 2 ．岩届床的清除 当岩屑输送效果差，或者钻进后不洗井、洗井时间不够时，就会在下井壁形成岩屑床 井斜角在 4 5～6 0 。 之问时，形成的岩屑床可能连续 向下滑动和垮塌；井斜角在 6 O一9 o o 时， 岩屑床比较稳定；当环空停止流动时，岩屑床一般会留在原地．清除岩屑床的规律与岩屑 输送规律是一致的 为了更好地清除岩屑珠，应改变影响井眼清洗的主要因素，如提高返 速，提高钻井液密度 旋转钻柱等。 3． 现场实际应用 ①在各种井斜角条件下，最好使用大排量，特别是在 5 5～ 9 O 。 时，如果排量上不去， 就无法形成紊流， 携岩变得困难。 在妒1 5 9 m m井眼内， 排量应保持在3 4～3 6 U s ； S H W0 1 井实际排量经常在 2 3～2 5 1 ／ s 如果在 1 1 ． 2 ra m 井眼内造斜，排量应至少在 4 5 1 ／ s以上 ② 井斜角在 0～4 5 。 范围内，必须使钻井液流态为层流，此时应尽可能提高屈服值 Y P 】 与动塑比值 Y P ／ P V 。根据石西的实际情 况，此时 YP为 1 5～2 5 P a， YWP V为 0 ． 7～ 】 ． 0 比 较台适．井斜角 4 5～5 5 。 时，两种流态都可以采用，但是通常排量上不去，只能保持层 流流态；井斜角在5 5～9 O 。 时，应采用紊流流态，但由于排量上不去不得不采用层流流态， 此时屈服值 YP 对携岩能力没有影响，只有动塑I , Y P ／ P V 仍然起作用，因此必须尽可能使 钻井液的 YP ／ P V值最高． 石西水平井如何在大斜度及水平段保证大排量，形成紊流是一个紧迫的问题 此时紊 流携岩效果最好，钻井液的流变性对携岩的影响很小，可以保持低的粘切钻进 ③ 在大斜度及水平段，尽可能采用旋转钻进方式，或定期旋转钻柱洗井． 钻进中应避免长时间停泵，定期短提下钻．起钻前尽量充分循环洗井 关于井跟清洁，应明确认识到 ∞使井眼清洁是一项综合控制技术，并不仅仅只是控制钻井液流变性 并不是高牯印就有利于携岩 大斜度及水平段紊流携岩效果最好． 此时高粘切反而是 有害的 使用稠泥浆段塞清除岩屑床效果最好，必须高速旋转钻具才有效，单纯稠泥浆段塞只 在井斜角较低时 I 区 才有效果，在Ⅱ区是不起作用的，在大斜度及水平段 珊区 甚至会大 大地延长清除环空岩屑所需的时间 因为在大斜度及水平段，环空中钻具偏心度很大，钻 柱靠近下井壁，在这种状况下，位于钻柱下边的岩屑运移通道 环空间隙 最窄，泥浆流 动减弱，泥浆牯度越高，岩屑的运移、清除就愈困难 ． 下转第4 6页 维普资讯 - 4 6- 石油钻井工程 第4 卷 第2 期 1 9 9 7 年6 月 诸如施工效率、技术选择、产层合理保护、环境等问题． 随着市场经济的发展．石油钻井效益的评价最终将完全转向以井的产能为主要指标的 目标化管理，不难想象，未来的钻井液技术将围绕储层保护这一中心展开各种工作．而现 场管理人员对于各项拟定好的钻井液技术能否进行比较到位的实施，关键在于钻井液施工 设计是否能准确、周详地将各项技术内容体现出来．因此钻井液设计将不再是一种简单格 式化的文本，而是各种数据、资料系统有机的运用．这就要求设计人员应具备较为全面的 知识和技能，不但要精通与钻井液直接相关的各种技术．而且要熟悉或掌握相邻专业的一 些基本知识，如地质录井、电测井、测试及试采等各学科的综合知识， ． 并能够借助计算机 专家系统对设计进行不断更新与完善． 有了质量较高的设计．还必须在现场认真执行设计．设计能够执行到何种地步最终取 决于现场操作者，因此有必要以井的最终经济 目 标来控制、引导操作者认真执行设计．对 此，笔者有如下建议和构想 ①对于具有一定规模的油田，试采部门应对所有的生产井进行综合评价，最终得出在 当时的技术条件下所能达到的合理的产能指标． ②以上述指标为基准．对于已完成并投入生产的井进行产量评价，逐步探索并制定相 关的经济政策，对于产量达到或超过基准产能的井的施工者进行经济奖励．有了良好的保 护开端，才有最终的高产量．一口井的成功是所有参加施工者劳动的结晶，对于主要负责 人员及直接管理者如钻井队长、钻井液技术负责人、司钴应进行专门的奖励． 参考羹抖 1 ．钻井手册 ‘ 甲方 ．石油工业出版社， 1 9 9 0 2 钻井工程技术规范 - 标准条例{ [ 鳊石油大学 出版杜 1 9 9 4 责任警辑●玉良 上接第 4 1 页 结束语 归结趋来，石西地区水平井钻井液完井液技术要点应考虑以下几个方面 1． 提高排量，增大返速．这是一个必须高度重视的问题，它关系到井眼清洁、减阻防 卡问题的解决． 2． 合理控制钻井液密度．这是井眼稳定、防喷防漏的重要控制措施。 3． 按照斜井携岩理论，台理进行钻井液流变性控翩． 4 ．促使形成薄而致密的低渗透泥饼，降低高温高压滤失量，保持优良润滑性．这是保 证井眼稳定，减阻防卡所必须的． 5 ．对裂缝性油藏实施有效的保护． 责任编辑冀涪啊 维普资讯