无土相复合盐水钻井液的研究与应用.pdf

第 2 7卷 第 6 期 2 0 1 0年 l 1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D ＆ COM PLETI ON FLUI D 、 ， 0 1 ． 27 No． 6 No re ．2 0l 0 文章编号 1 0 0 1 。 5 6 2 0 2 0 1 00 6 0 0 3 4 0 4 无土相复合盐水钻井液的研究与应用 刘兆利， 李晓明， 张建卿， 付红卫， 王玉鹏， 兰正升， 夏俊 川庆钻探_ 【 程有限公司长庆钻井总公司，西安 摘要长庆气田水平井斜井段将钴遇石千峰细、石盒子细易坍塌地层以及山西组、本溪组易垮塌煤层，以往 使用的三磺钻井液防塌能力差，井径扩大率大，为 了稳定井壁，提高钻井液密度和黏度后，又导致机械钻速降低， 泥饼质量和润滑性变差，摩阻增大。针对以上情况，开发了复合盐水钻井液，其可由聚合物体系和抗盐三磺体系 直接转化，使用甲酸钠、氯化钠和氯化钾 3种盐，复配抗盐降滤失剂、提黏剂、超细碳酸钙 、阳离子乳化沥青粉 等材料。室内研究和现场应用结果表明，该体系具有抑制性好、防塌能力强、密度高、滤失量低 、固相含量低、 润滑性良好、性能易于控制等特性，有效地解决了钻进中地层掉块、垮塌、岩屑携带及阻卡等问题，起下钻畅通， 下套管顺利， 井径规则， 平均井径扩大率在 1 0 ％ 以内， 控制了井下复杂情况的发生， 满足了水平井安全钻井的需要。 关键词 水平井 ；气井 ； 复舍盐水钻井液 ； 无黏土相钻井液 ；井眼稳定 ； 机械钻速 ； 钻头泥包 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标 识码 A 随着长庆气 田开发和产能建设的需要 、水平井 增产效果的凸显、水平井应用 的范围逐步扩大，以 往使用 的水基 三磺 钻井液存在 的不足突 出表现如 下 抑制性差 ， 具体表现为防塌能力差 、P DC钻头 泥包 、井径扩大 、井眼不规则等 ； 密度较高时，体 系中固相含量高 ，泥饼厚 ，润滑性差，摩阻大 ，滑 动钻进时托压 、压差卡钻严重。针对以上情况 ，研 究应用了复合盐水无土相钻井液体系 ，目的是用无 机盐和有机盐提高钻井液的密度 、降低钻井液的总 固相含量 、增强钻井液的防塌抑制能力 、提高机械 钻速 ，降低钻井事故复杂时效 ，提高整体经济效益 。 1 室 内实验 1 ． 1 体系配方的确定n 1 引入甲酸钠。甲酸钠自身密度较高，溶于 水后可形成较高密度 的溶液 ，且价格便宜 ，是配制 无固相 、 低固相流变性较好的高密度钻井液的基础。 2 抗盐三磺材料的选择。在三磺材料选择方 面保 留了原j磺盐水体系中使用效果较好的阳离子 乳化沥青粉 S F T - 1 和磺化酚醛树I S MP 一 2 ，新 引 入了聚合物抗 盐降滤失剂 HL 一 6 0 。室 内对 S F T - 1 和 HL 一 6 0在 甲酸钠 和氯 化钠混合盐溶液 中的使用 效 果进行 了评 价，结 果见 表 1 。可 以看 出，加 入 S F T - 1 和H L ． 6 0 后，基浆密度变化较小，漏斗黏度 升高幅度不大 ，降滤失效果 明显 ，S F T - 1和 HL ． 6 0 是 该体系理想的三磺材料。表 1 中钻井液配方如下。 1 清 水 0 ． 3 ％P AC 0 ． 2 ％K P A M l 5 ％ 甲酸钠 W T - 1 2 0 ％Na Cl 2 1 5 ％SFT - 1 2 ％ HI 一 6 0 表 1 S F T - 1 和 H L 6 0对 甲酸钠 ／ 氯化钠溶液性 能的影响 注 配方 中加入 5 ％S F T - 1和 2 ％H L 一 6 0后 ，充分搅 拌 均匀并加热至 7 5℃，然后降至室温测定性能。 3同相的优选。将基浆充分搅拌均匀后分成 4 份 ，分别加人同等含量 5 ％ 的不同活性 固相 ，搅拌 均匀后静止 2 4 h ， 搅拌 3 0 mi n 测其性能， 结果见表 2 。 从表 2可以得出以下结果 。①重晶石提高密度的效 第一作者简介 刘兆利，工程师，毕业于重庆石油学校油田化学专业，现任川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司技 术管理发展部钻井液办公室主任。地址 西安市未 央区长庆大厦 2 1 0 7； 邮政编码 7 1 0 0 2 l； 电话 0 2 9 8 6 5 9 2 0 2 0 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 6期 刘兆利等 无土相复合盐水钻井液的研究与应用 3 5 果较 明显，但是加入其导致摩阻变大，且降滤失效 果差 ，需和大量润滑剂配合使用 ； ②膨润土在加入 过程 中先期效果不 明显 ，在其加量超过 2 ％后黏度 突然上升 ，流动性变差 ，搅拌困难。可见膨润土的 加入破坏 了体 系的基本性能 ，导致黏度迅速上升 、 切力变大、泥饼虚厚、降滤失效果不明显，虽然摩 阻在适当范围，但不适合此体系使用。③在加量一 样时，超细钙和石灰石粉提高密度的效果一样 ，超 细钙由于粒度小，其形成的泥饼较加石灰石粉时致 密，降滤失效果明显，且钻井液摩阻容易控制，因 此其适合该体系使用 ，但是其价格 昂贵，不适用于 现场大量加入。④体系中加入石灰石粉后，性能稳 定，降滤失效果明显。在其加量较大时可能导致摩 阻上升 ，配合使用少量润滑剂可解决该 问题。由于 石灰石粉价格相对低廉 ，因此是该体 系现场使用时 首选的加重剂。表 2中基浆配方如下。 1 5 ％N a C l 1 0 ％甲酸钠 2 ％K C l 0 ． 1 ％Na O H 0 ． 3 ％ P AC0 ． 2 ％KP AM 3 ％S FT_ 】 1 ． 5 ％ S M P一 2 1 ％HL一 6 0 表 2 基浆中加入不同活性固相后的性能对比 最终确定复合盐水体系基本配方如下。 0 - 2 ％～0 - 3 ％ P AC O ． 2 ％C MC 1 ． 5 ％～2 ． 0 ％ S F T - 1 烧碱 1 ． 0 ％S MP ． 2 0 ． 5 ％～ 1 ． 0 ％ HL 一 6 0 1 0 ％～1 5 ％甲酸 钠 十 1 5 ％～2 0 ％Na C I KC I 4 ． 0 ％～5 ． 0 ％超细碳酸钙 Qs 一 4 石灰石粉 重晶 石粉 聚合醇 XC S 一 3 石墨粉 G D． 2 1 ． 2 钻井液 的防塌性 能 选用 苏平 1 4 1 9 ． 0 9 井 石盒 子组 盒 6段 泥岩做 岩屑 回收率实验 。实验测得 岩屑在复合盐水 钻井 液、三磺盐水和聚磺钻井液中的回收率 过孔径为 2 r n l n的筛 分别为 7 4 _ 3 ％、6 6 ． 2 ％ 和 5 8 ． 7 ％ ； 当筛 孔 为 0 ． 9 ml T l 时， 回收率 分别 为 9 7 ． 0 ％、8 3 ． 1 ％ 和 7 6 ．4 ％。该结果表明 ，复合盐水钻井液具有抑制泥 页岩水化 的特性。 1 ． 3 钻井液的维护处理措施 1 提高体系的综合 防塌能力。在斜井段施工 时，由于轨迹控制需要 ，使用牙轮钻头钻进 ，机械 钻速下降，使钻井液对井壁的浸泡时间加长。随着 井斜 的增加 ，新井眼井壁的稳定性逐渐下降 ，且盒 6 、盒 7组泥岩易塌井段 的井斜为 6 0 。 ～8 0 。 ，对地 层的稳定极为不利 ， 容易造成井下复杂情况的发生 ， 为此决定采用物理防塌和化学防塌措施 。在钻进该 井段 前，维持钻井液密度大于 1 ． 2 8 g ／ c m ，用高的 液柱压力平衡地层坍塌压力 ，同时以 0 ． 5 ％～1 ． 0 ％ 的 XC S ． 3 、1 ． 5 ％S F 1 为 主 防 塌 剂 ，配合 使 用 小 阳离子 页岩抑制 剂 C WD一 1 、QS 一 4 ，在钻进 中控制 AP I 滤失量小于 4 mL，采用屏蔽封堵防塌技术 ，提 高易坍塌地层井壁的完整性和钻井液的防塌能力。 2提高钻井液的润滑性。以液体润滑剂为主 ， 配合固体润滑剂 ，强化 固相控制 ，降低摩阻，确保 不因为钻井液的问题发生压差卡钻 。在斜井段钻进 过程 中，加人 液体 润滑剂 XC S 一 3 ，并补充 0 ． 3 ％ 固 体润滑剂 G D． 2 ，以增 强钻井液 的润滑性 ；同时还 要改善泥饼质量 ，通过 固相控制降低无用固相的含 量 ，及 时补充活性 固相 ，进一步增加 S MP 一 2等抗 盐抗高温降滤失剂的加量 ，复配使用 Os ． 4 、S F T - 1 ， 使钻井液形成薄而韧的泥饼。进人下部井段 井斜 达 8 0 。 以后即将人窗时，提高液体润滑剂含量为 1 ％～2 ％，并控制泥饼黏滞系数小于 0 ． 0 5 。 3 增强钻 井液 的悬 浮携 砂能力 和清洁能力。 由于斜井段地层主要以泥岩为主 ，为了防止出现钻 头泥包和岩屑受到钻具挤压形成岩屑饼包裹钻具而 增加摩阻等 ，加入 甲酸钠 、KC 1 和页岩抑制剂 ，提 高体系的包被抑制能力，保证钻屑的完整性，提高 钻井液的润滑性 ，减小钻屑之 间的黏结力 。进入施 工后期将钻井液的黏度维持在 5 5 S 以上 ，使其塑性 黏度为 2 5 ～3 5 m P a S ，动切力 大于 8 P a ，同时尽 可能使用大的排量，提高钻井液对岩屑的冲刷破坏 能力 ，必要时采取短程起下钻作业刮拉破坏等 。 4电测下套管前的钻井液处理。 电测下套管 前循环处理钻井液，注入稠浆清洗井筒，开启固控 设备使钻屑完全被带出井筒并在地面清除 ； 补充润 滑剂，使体系中的润滑剂含量充足。注入 4 0 1T I 密 度大于 1 ． 3 0 g ／ c m 、润滑 防塌能强的封闭浆将斜井 段有效封闭，确保测井和下套管作业的顺利进行。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年1 1 月 2现 场应 用及 效 果 在 2 0 0 9年施工 的气井水平 井的斜井段均应用 了该钻井液。通过现场施工 ，复合盐水钻井液逐步 得到了完善。该体系具有抑制性好 、防塌能力强 、 密度高 、滤失量低 、固相含量低 、润滑性 能 良好 、 性 能易于控制等特性。该 体系配合合理 的技术措 施，有效地解决 了钻进过程 中地层掉块 、垮塌 、岩 屑携带及阻卡等问题 ，起下钻畅通 ，井眼干净无砂 桥 ，下套管施工顺利 ，井径规则 ，平均井径扩大率 在 1 0 ％ 以内， 满足了水平井斜井段安全钻进的需要。 2 ． 1 气井水平井斜井段指标 用该钻井液完成的气井水平井斜井段电测成功 率高，吊测正常 ，平均测到 5 8 。 ，其 中靖平 0 1 1 1 井测至 6 8 。 ，钻具送测正常 、无遇阻，而且技术套 管人井正常，下人基本顺利 ，全年未出现套管下人 事故，具体情况见表 3 。 表 3 2 0 0 9年气 井水平井斜井段各项指标 2 ． 2 复合盐水钻井液特性 复合盐水钻井液特性主要表现在以下几方面。 1 钻 井 液 性 能 稳 定 ，易 维 护 控 制。 苏 平 1 4 ． 2 1 0 井斜井段钻井 液性能见表 4 。从表 4可知， 该体 系性能 良好 ，各项技术指标优 良，满足了斜井 段的施工要求， 保证了长裸眼井段的井下安全。 2 低黏度 ，较高的密度 ，低 固相含量，良好 的流动性 。该体系既可直接由聚合物体系转换 ，也 可由抗盐三磺体系转换 ，转换完成后初始钻井 液 黏度控制在 4 5 S ，密度为 1 ． 1 2 g ／ c m ，固相含量为 6 ％～7 ％。在整 个斜井 段钻 进过程 中可控 制黏度 小于 6 0 S ，密度至 1 ． 3 0 g ／ c m 时固相含量可控制为 1 2 ％～1 4 ％。低黏度能有效提高机械钻速 ，较高的 密度 能够平衡盒 6 、盒 7地层的坍塌压力 ，保证 了 井下安全 ， 低 同相含量 、良好的流动性可有效携砂 ， 减轻对设备的磨损。 表 4 苏 平 1 4 2 ． 1 0井斜井段钻井液性能 请深 ／ P／ F y i P y |YP f G e l } F L |C y 』 一 C I ／ m g ／ c m s mP a ． s P a Pa ／ P a mL％ ％ ／X f g ／ L 3 滤失量低 ，泥饼质 量和润滑性好。该钻井 液转换完成后滤失量小于 5 mL，使用后期 可控制 为 3 ～4 mL 。由于滤失量小 ，使形成的泥饼薄而致 密，阻止钻井液中的 自由水进人地层 ，从 而使长裸 跟井段地层稳定。优质的泥饼质量配合使用液体润 滑剂 ，使得钻具与井壁之问的摩阻减小 ，防止了长 时间滑动钻进时出现的压差卡钻 ，以减小托压现象。 4 强抑制性 。 强抑制性是该钻井液最大 的特点 。 由于加入 了 Na C 1 和甲酸钠 ，增强了体系的抑制性 ， 在造浆性强的石千峰 、石盒子组泥岩井段钻进时 ， 配合加入 C WD一 1和 2 ％KC l ，进一 步提高抑制性。 ①该钻井液的强抑制性使钻屑不易水化分散混人钻 井液，提高了清除钻屑的效率。图 1 为同样在石盒 子组地层钻进时 ，三磺体系和复合盐水体系在振动 筛处返出钻屑的比较。可 以看 出，使用复合盐水体 系时岩屑不包振动筛 ，混杂度低 ，井壁没有明显的 剥蚀掉块现象 ，岩屑返 出量正常。②该钻井液的强 抑制性有效防止了钻头泥包 ，如图 2和图 3 所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 6期 刘兆利等无土相复合盐水钻井液的研 究与应用 3 7 一 一 ■譬 圈 _ 上接第3 3 页 6 结论 2 ．在长庆气 田水平井斜井 段的钻进施 工 中， 要密切监控井斜和方位的变化 ，掌握摩阻和扭矩变 化的规律 ，勤分析原 因，优化轨迹控制 ，避免出现 复杂的井眼轨迹后增加现场钻井液施工的难度。 3 ．固相控制是该钻井液的关键环节 ，振动筛 的使用率为 1 0 0 ％，筛布孔径小 于 0 ． 1 5 4 mm，推荐 使用孑 L 径为 0 ． 1 2 5 mm 的波浪式筛布。 参 考 文 献 武学芹，李公让，李斌 ，等 ． 胜利油田无固相抗高温钻 井液体系的研究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 5 ，2 2 5 4 1 4 3 ． 张冬玲，薛玉志，马云谦，等 ． 无固相抗高温钻井完井 液在渤深 6 块的应用 [ J 1 ． 钻井液与完井液， 2 0 0 8 ，2 5 1 1 2 1 4 ． 娄铁强 ，蒙友朋 ，周显东 ，等 ． 无同相 甲酸盐 钻井液在 三塘湖区块探井中的研究与应用 『 J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 8．2 5 6 8 3 8 4 ． 黄宏军，杨海军，蔺志鹏，等 ． 尤拉电 No ． 1 5井超高 密度聚磺复合盐水钻井液技术 [ J 1 ． 钻井液与完井液， 2 0 0 9．2 6 51 0 ． 1 3 ． 张丹阳，耿晓光，周大宇，等 ． 无固相钻井液的室内实 验研究 【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 3 3 8 4 0 ． 刘彦妹，左风江，高丽鹃，等 ． 聚合醇与有机盐的协同 效应 f J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 2 3 2 3 3 ． 收稿日期2 0 1 0 - 0 6 1 5 ；H G F 1 0 0 6 W7 ；编辑 汪桂娟 1 ． 热重分析和高温老化分析表明，磺酸盐共聚 物 DS P具有耐高温 的水化基 团和吸附基团，可 以 明显降低钻井液的高温高压滤失量 ， 抗温达 2 0 0℃。 2 ． 抗高温海水基钻井液在 2 0 0℃下 的高温流变 性好、 不同密度的钻井液均符合塑性流体宾汉模式 ， 且性能可调 、热稳定性好 ； 在 1 8 0 下 的滤失量不 大于 1 5 mL； 具有较好的润滑 眭和抑制性 ； 抗 N a C 1 为 8 ％，抗 C a C 1 ， 达 0 ． 5 ％ ； 岩心渗透率恢复值高达 8 8 ． 1 7 ％，滤液对岩心的侵入仅仅在 1 c m 范围内。 3 ． 抗 高温海水基钻井液应用于滨海 8井四开井 段 西2 1 5 ． 9 mm井 眼 4 1 1 2 ～5 0 6 1 m井 段 ，井底 温度达到 1 8 0 ～1 9 0℃。应用效果表 明 该钻井液 性能稳定 ，满足 了滨海 8井四开高温复杂地层 的钻 进 ，提高了钻井效益 。 参 考 文 献 [ 1 ] 马云谦 ，李公让，薛玉志．耐高温增黏型聚合物降滤失 剂 S L H一 1 的研究 [ J ] _ 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ， 2 6 5 4 - 6 ． [ 2 】 张宝 庆，武 玉 民，单光 云，等．耐高 温降滤 失剂 A MP S ／ A M／ I A共聚物 的合成及表 征 [ J 】 ．油 田化学， 2 0 0 1 ，1 8 2 1 0 5 ． 1 0 7 ． [ 3 ] 郭靖， 李天太，张喜凤，等 ． 温度和密度对高密度钻井液 流变性的影响 石油地质与工程， 2 0 0 8 ， 2 2 1 9 5 9 7 ． 【 4 ] 左凤江，贾东民，刘德庆，等．钻井液快速封堵油层 保护技术 f J ] ．钻井液与完井液，2 0 0 5 ，2 2 6 7 6 ． 7 8 ． 收稿 日期2 0 1 0 - 0 1 ． 0 9 ；HG F 1 0 0 5 N 2 ；编辑 王小娜 ⋯ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m