小井眼鉆井液性能研究

王平雙，邢希金，劉書杰（中海油研究總院，北京 100027）

羅剛，舒福昌（荊州市漢科新技術研究所，湖北 荊州 434000）

一般認為井筒中大于90%的井眼直徑小于7in（1in＝2.54cm）或70%的井眼直徑小于6in的井稱為小井眼井。但周煌輝等認為穿透目的層的井段是用小于7in鉆頭鉆成的井眼也可以稱為小井眼［1］。

小井眼鉆井的關鍵技術是環(huán)空水力學。它不僅涉及到環(huán)空鉆屑舉升、環(huán)空壓耗、井壁穩(wěn)定、鉆具與井壁的潤滑等，還與正確選擇鉆井工藝參數(shù)有關［2］。環(huán)空壓力損失很高，成為小井眼水力學研究中必須首先研究的核心問題［3］。筆者根據(jù)海上某井的井身結構，結合小井眼對鉆井液的要求，研究出了適合該井的小井眼鉆井液。該體系既具有常規(guī)鉆井液良好的綜合性能，又很好地控制了鉆井液的當量循環(huán)密度（ρec），從而保證小井眼鉆井施工的安全。

1 體系的基本配方及基本性能

室內通過大量處理劑的優(yōu)選以及處理劑加量對鉆井液性能影響規(guī)律的研究，最終研究出了適合海上某井小井眼鉆井液的配方，其基本配方為：

100ml海水＋0.2gNa2CO3＋0.3g包被劑PF－PLH ＋0.2g流型調節(jié)劑PF－XC＋2g降濾失劑 HFL－X＋2g頁巖防塌劑PF－TEX＋2g潤滑劑HLB＋2g防水鎖劑HAR－D，甲酸鈉加重到1.25g／cm3，重晶石加重到1.50g／cm3。

該配方鉆井液的基本性能見表1。

表1 小井眼鉆井液基本性能

2 體系的常規(guī)性能評價

2.1 不同密度鉆井液的性能

配方：100ml海水＋0.2gNa2CO3＋0.3g包被劑PF－PLH ＋0.2g流型調節(jié)劑PF－XC＋2g降濾失劑HFL－X＋2g頁巖防塌劑PF－TEX＋2g潤滑劑 HLB＋2g防水鎖劑 HAR－D，甲酸鈉加重到1.25g／cm3，重晶石加重至所需密度。

表2 不同密度小井眼鉆井液性能

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，隨著密度的增大，體系τd和μp均有所增加，體系總體性能變化不大。說明研制的小井眼鉆井液體系流變性能穩(wěn)定，在一定的密度范圍可調。

2.2 體系的抑制能力評價

小環(huán)空間隙致使鉆具容易發(fā)生卡鉆，鉆井液應能抑制地層造漿以防止塑性泥頁巖地層水化膨脹產生縮徑，維護井壁穩(wěn)定，避免發(fā)生井塌、卡鉆等復雜情況。室內對研制的小井眼鉆井液抑制能力進行了評價，主要從巖屑的150℃條件下熱滾回收率和16h線性膨脹率兩個方面來進行評價，熱滾回收率高和線性膨脹率小，說明體系的抑制性能好。結果表明：鉆屑在小井眼鉆井液體系中的熱滾回收率高達92%，16h的線性膨脹率僅為9.5%，說明研制的小井眼鉆井液體系具有很強的抑制黏土水化能力。

2.3 體系的潤滑性

由于小井眼的環(huán)空間隙小，要求鉆井液必須具備良好的潤滑性以改善摩阻和減小鉆具黏卡機會。室內采用E－P極壓潤滑儀分別測定潤滑劑HLB不同質量濃度的極壓潤滑系數(shù)，結果見表3。由表3結果表明，潤滑劑HLB加入后，體系極壓潤滑值明顯降低，說明極壓潤滑劑加入后能夠明顯地改變體系的潤滑性能，有助于降低鉆井過程中的摩阻、降低扭矩，能夠有利于減少井下復雜情況的發(fā)生。

表3 小井眼鉆井液的潤滑能力

3 當量循環(huán)密度（ρec）計算

3.1 ρec的計算公式

環(huán)空間隙小是小井眼井身結構的一個主要特點，所以鉆井液密度的使用范圍變窄。小間隙環(huán)空的存在極易造成井漏、壓差卡鉆及喪失循環(huán)等情況的出現(xiàn)。因此合理控制ρec，是解決小井眼鉆井液密度窗口的安全以及快速鉆井的關鍵問題。

研究和實踐表明，鉆井液的ρec可定義為鉆井液的當量靜態(tài)密度與鉆井液流動造成環(huán)空壓力損失轉化的密度之和［4］，其計算方法可用如下方程表示：

式中：ρec為當量循環(huán)密度，g／cm3；ρes為鉆井液靜態(tài)密度，g／cm3；Δp 為環(huán)空壓耗，Pa；g 為重力加速度，9.8m／s2；H 為井深，m。

3.2 海上某井的基本情況

海上某井主要采取四開結構，斜深4546.0m，垂深3887.0m。其中三開和四開的套管程序為7in×3700m＋6in×816m，鉆桿程序為5in×3700m＋4in×816m，具體井身結構見圖1。

根據(jù)力學試驗分析，海上某井始新統(tǒng)平湖組中段及以后破裂壓力對應的鉆井液當量密度為2.1g／cm3。這就要求下部四開6in井眼鉆井液的ρec必須小于2.1g／cm3才能保證安全施工的要求。

3.3 鉆井液ρec的計算

在小井眼鉆井過程中，機械轉速、泵排量、鉆具的偏心度以及鉆屑入侵等都會影響到ρec值，分別對各影響因素的ρec值進行了計算，從而驗證室內研制的小井眼鉆井液體系是否滿足海上某井鉆井作業(yè)要求。

1）轉速對ρec的影響 在鉆井施工的過程中，鉆桿的機械轉速對小井眼的水力參數(shù)有非常大的影響。室內以泵排量 0.8m3／min為條件，對密度為1.50g／cm3的小井眼鉆井液在不同轉速下的ρec進行了計算，結果見圖2。由圖2看出，轉速增加鉆井液的ρec隨之增加，當機械轉速在60～160r／min變化時，ρec在1.667～1.704g／cm3之間變化，沒有超過目標井位井漏發(fā)生的極限ρec，說明研制的小井眼鉆井液不會因為機械轉速過高引起ρec劇烈上升而壓漏地層。

2）泵排量對ρec的影響 在鉆井施工的過程中，不同的泵排量對小井眼的水力參數(shù)有很大的影響。室內以轉速100r／min為條件，對密度為1.50g／cm3的小井眼鉆井液在不同泵排量下的ρec進行了計算，結果見圖3。由圖3看出，隨著泵排量的增加，鉆井液的環(huán)空壓耗及ρec隨之增加，當泵排量在0.6～1.2m3／min變化時，ρec在1.668～1.717g／cm3之間變化，沒有超過目標井位井漏發(fā)生的極限ρec，說明研制的小井眼鉆井液不會因為現(xiàn)場泵排量過高引起ρec劇烈上升而壓漏地層。

圖1 海上某井的井身結構示意圖

圖2 機械轉速對ρec的影響

圖3 泵排量對ρec的影響

3）偏心度對ρec的影響鉆具的偏心度也對小井眼的水力參數(shù)會造成一定的影響。室內以轉速100r／min和泵排量0.8m3／min為條件下，對密度為1.50g／cm3的小井眼鉆井液在不同泵排量下的ρec進行了計算，結果見圖4。由圖4看出，隨著鉆具偏心度的增加，鉆井液的ρec隨之減小，當偏心度在0～0.4之間變 化 時，ρec在 1.686 ～1.682g／cm3之間變 化，沒有超過目標井位井漏發(fā)生的極限ρec。

圖4 鉆具偏心度對ρec的影響

圖5 鉆屑污染對ρec的影響

4）鉆屑污染量對ρec的影響 在鉆井過程中，因為各種原因，鉆屑侵入鉆井液是不可避免的，從而導致鉆井液固相含量增加，影響環(huán)空壓耗及ρec。室內以轉速100r／min和泵排量0.8m3／min為條件，計算了鉆屑侵入對ρec的影響，結果見圖5。由圖5看出，隨著鉆屑侵入量的增加，鉆井液的ρec隨之增加，當鉆屑污染量為10%時，ρec僅僅由1.50g／cm3增加到1.691g／cm3，說明鉆屑的侵入對所研制的小井眼鉆井液的ρec影響很小。

4 結論

1）室內研制出了適合密度為1.50g／cm3的小井眼鉆井液的配方。

2）通過對所研制的小井眼鉆井液體系常規(guī)綜合性能的評價，發(fā)現(xiàn)該體系表現(xiàn)出了良好的流變性、高溫濾失量、抑制性和潤滑性等綜合性能。

3）結合海上某井的具體情況，對研制的小井眼鉆井液體系在不同情況下的ρec進行了計算，結果表明該體系的ρec得到了良好的控制，不會超過井底破裂壓力，從而保證了施工安全。

［1］周煜輝，趙凱民 .小井眼鉆井技術 ［J］.石油鉆采工藝，1994，16（2）：16～24.

［2］李少池，周煜輝 .小井眼環(huán)空水力學評述 ［J］.石油鉆采工藝，1997，19（5）：27～31.

［3］汪海閣，白仰民，高振果，等 .小井眼環(huán)空壓耗的室內實驗研究 ［J］.石油鉆采工藝，1998，20（4）：9～15.

［4］趙勝英，鄢捷年，李懷科，等 .高溫深井鉆井液當量循環(huán)密度預測模型 ［J］.鉆井液與完井液，2009，26（2）：31～34.