東海大位移井水基鉆井液評價研究

宮吉澤，張海山

（中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200030）

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東海大位移井水基鉆井液評價研究

宮吉澤，張海山

（中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200030）

摘 要：為了減少大位移井對油基鉆井液的依賴，滿足海上作業(yè)對環(huán)保的要求，通過對海上應(yīng)用較成熟的PEM、平衡水和低自由水等鉆井液體系在防塌性能、封堵性能、流變性能和抗污染性能等方面的評價，認(rèn)為低自由水體系綜合性能較好，優(yōu)選其作為T13井的鉆井液體系，以滿足T13大位移井對鉆井液體系抑制能力、封堵能力、攜巖能力和潤滑能力的要求。

關(guān)鍵詞：東海；大位移井； PEM；平衡水；低自由水

國內(nèi)外的大多數(shù)大位移井是用油基鉆井液來完成的［1-3］，只有少數(shù)大位移井使用水基鉆井液，其技術(shù)難點包括鉆井液的抑制性、封堵能力、攜巖能力和潤滑能力等［4-5］。東海T13井設(shè)計井深7429.9 m，水垂比達2.12，由于海上使用油基鉆井液作業(yè)成本且環(huán)保要求很高，所以，在海上應(yīng)用較成熟的PEM、平衡水和低自由水等三種鉆井液體系中進行評價優(yōu)選，以滿足大位移井作業(yè)的要求。

T13井φ311.15 mm井段長達3 400 m以上，最大井斜角達74.14°（表1），T區(qū)塊已往鉆井的井深雖不算很深，但作業(yè)過程中還是出現(xiàn)了起下鉆遇阻頻繁，井壁穩(wěn)定問題突出；T13井水平位移接近6 335 m，當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）較常規(guī)定向井更高，井下鉆柱重量大，摩擦阻力大，一旦出現(xiàn)遇阻卡問題，處理的難度要大大高于常規(guī)定向井。

因此，有必要優(yōu)選并改進適合T13大位移井作業(yè)的鉆井液體系，在鉆前評價體系可行性，力求最大限度地減少井下復(fù)雜問題。

1 三種水基鉆井液體系配方

1.1 PEM鉆井液

PEM（Protecting Environment Mud）鉆井液體系是在海油系統(tǒng)內(nèi)廣泛應(yīng)用的環(huán)境可接受的水基防塌鉆井液體系，用于中下部井眼段、強水敏性的復(fù)雜地層、大斜度大位移井和環(huán)境敏感地區(qū)的鉆井作業(yè)。T區(qū)塊已鉆11口井二開井段均采用PEM鉆井液體系。PEM鉆井液體系配方如下：

0.1%NaOH+0.1%Na2CO3+3%BENTONITE +1%PF-PAC-LV+0.4%PF-PLUS+0.5%PF-XCH+1%PF-TEMP+3%KCl+1%PF-SMP-1+1%PFLSF+1%PF-LPF+1% PF-DYFT-2+2%PF-JLX-C。

表1 T13井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計表

1.2 平衡水鉆井液

平衡水鉆井液體系是一種具有強抑制性水基鉆井液。其配方如下：

3%膨潤土 + 0.3%Na2CO3+ 0.2%NaOH + 20% HBA + 1%HFL-T + 2%DR-8 + 2%HCM + 5%KCl。

1.3 低自由水鉆井液

低自由水鉆井液體系已在東海大規(guī)模應(yīng)用，其最主要特點為加入自由水絡(luò)合劑HXY，該絡(luò)合劑是一種適度交聯(lián)的聚電解質(zhì)聚合物，該絡(luò)合劑在水中離解成陰離子與陽離子，陰離子連接在主鏈上面，陽離子在陰離子一定范圍內(nèi)自由擴散，形成松散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。自由水不斷進入高濃度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使體系內(nèi)自由水含量急速降低，因而提高了泥漿體系的抑制能力。其配方如下：

0.3%NaOH+0.2%Na2CO3+ 1% BENTONITE + 0.6%PF-PLUS + 0.3%PF-PAC-LV + 1% HXY-3 + 2%PF-FLOCAT + 1%PF-LSF+ 2% HCM + 3%HGW + 2%HSM + 3%KCl+2%PFLUBE + 3%HPI + 0.4%PF-XC-H。

2 防塌性能評價

防塌性能主要測試鉆井液的抑制性能，用來評價鉆井液侵入泥頁巖后泥頁巖井壁的穩(wěn)定性能。研究中使用巖屑滾動回收實驗、線性膨脹實驗、巖塊浸泡強度實驗評價鉆井液的抑制性能。巖屑滾動回收實驗使用滾子加熱爐，線性膨脹實驗使用常溫壓膨脹儀及點載荷實驗儀進行測試。

2.1 巖屑滾動回收實驗

實驗條件：溫度120 ℃，測試時間16 h，以花港組上段巖屑作為滾動回收樣品。

實驗結(jié)果見圖1。由圖1可知，低自由水鉆井液體系的巖屑滾動回收率高于其他兩種體系。

圖1 滾動回收實驗數(shù)據(jù)

2.2 常溫壓膨脹實驗

實驗條件：溫度常溫，測試時間16 h，膨潤土。

實驗結(jié)果見圖2。試驗結(jié)果顯示純水對巖屑分散能力最強，PEM鉆井液體系對泥頁巖抑制性在很大程度上有所提高，比水對泥頁巖的抑制能力提高了近7倍。平衡水鉆井液體系抑制性能優(yōu)于PEM鉆井液體系，抑制能力比PEM體系強約1倍，低自由水體系抑制巖屑分散能力與平衡水體系相當(dāng)。

圖2 　膨潤土在不同鉆井液中膨脹率隨時間變化規(guī)律

2.3 點載荷實驗

使用該油田巖心制成巖塊進行點載荷試驗，分別使用低自由水、PEM、平衡水、蒸餾水、油基泥漿浸泡巖塊24 h后測定強度。

試驗結(jié)果見圖3。巖塊浸泡試驗顯示油基泥漿浸泡巖塊后強度基本不變，使用蒸餾水浸泡后強度降低至原強度的約1/3，說明浸泡試驗準(zhǔn)確度較高。對比低自由水、PEM、平衡水三種體系泥漿，低自由水泥漿強度浸泡后降低最少，降低約21%，平衡水泥漿次之，PEM泥漿強度降低較多，約降低47%。

圖3 巖塊浸泡不同溶液試驗強度

2.4 小結(jié)

上述三種試驗評價均證明低自由水體系與平衡水體系抑制性能相當(dāng)，但是低自由水體系要略好于平衡水體系，PME體系較前兩者抑制性能要差。

3 封堵性能評價

采用中壓濾失試驗與高溫高壓濾失儀評價鉆井液的封堵性能。中壓濾失試驗使用濾紙模擬地層，濾紙上面所形成泥餅?zāi)M井壁表面外層泥餅，可模擬致密地層封堵情況。高溫高壓濾失巖石使用石英砂床模擬地層，鉆井液在石英砂內(nèi)部及表面分別形成內(nèi)外泥餅，可模擬滲透性砂巖地層封堵情況。根據(jù)SY/T5241—91水基鉆井液用降濾失劑評價程序，高溫高壓濾失評價使用砂床代替濾紙模擬地層進行封堵試驗，砂床為80 ～ 100目砂。

3.1 中壓濾失試驗

試驗條件：常溫，壓差0.69 MPa，測試時間30 min。試驗結(jié)果見圖4。

圖4 中壓濾失試驗結(jié)果

3.2 高溫高壓濾失試驗

試驗條件：溫度120℃，壓差3.5 MPa，測試時間30 min。

試驗結(jié)果見圖5。

圖5 高溫高壓濾失試驗結(jié)果

3.3 模擬堵漏試驗

試驗條件：溫度120 ℃，壓差3.5 MPa，測試時間30 min。

試驗材料：80～100目砂，等效滲透率約15.9 μm2。

試驗結(jié)果見圖6。

圖6 模擬堵漏試驗結(jié)果

3.4 小結(jié)

從濾失試驗及封堵試驗看，PEM體系、平衡水體系、低自由水體系封堵性能均較好，在滲透性砂巖地層，三種體系都能在10 cm內(nèi)有效封堵地層。對比三者砂床侵入量，可以看出低自由水體系封堵效果最好，其5 cm砂床及10 cm砂床侵入總量相比平衡水體系要降低約25%。

4 流變性能評價

對三種鉆井液體系的流變參數(shù)進行了測定，結(jié)果見表2。

表2 三種鉆井液體系流變參數(shù)

從流變性能看，三種體系均具有較好的流變性，根據(jù)原定配方配制出的體系中PEM體系黏度最低，低自由水體系與平衡水體系黏度相當(dāng)。體系黏度由反映顆粒間摩擦力的塑性黏度及處理劑相互交聯(lián)所形成的動切力共同構(gòu)成，體系中只有動切力能夠起到懸浮、攜帶巖屑作用，因此，從這個角度評價動切力越大越好，但是，動切力過大導(dǎo)致開泵困難、井內(nèi)激動壓力過大、ECD增加等，因此，一般保持動切力與塑性黏度比值在0.4 ～ 0.8之間比較合適，三種體系均在合適范圍之內(nèi)，但低自由水體系低轉(zhuǎn)速下黏度最高，初/終切力也最大，對于大位移井，因攜巖壓力較大，因此，將切力調(diào)大一些以便達到清潔井眼的要求。從大位移井清潔井眼的角度看，低自由水體系更適用于大位移井。

5 減阻性能評價

對于大位移井，潤滑性能至關(guān)重要，潤滑性好的鉆井液可以大幅度降低鉆具與井壁間的摩擦，降低起下鉆、鉆進過程中的摩阻及扭矩，大大提高鉆機鉆井能力，防止鉆具粘卡及其它井下復(fù)雜情況。對三種水基泥漿進行潤滑性測定，使用儀器為極壓潤滑儀，潤滑儀滑塊及固定塊模擬著鉆具及井壁，在兩者之間加上444.8 N壓力，測試60 r/min時兩者之間的潤滑系數(shù)。另外，鉆井液體系中加入油服常用的水基鉆井液潤滑劑GRA，加量1%、2%、3%，測試潤滑劑降低摩阻的能力。結(jié)果見表3。

表3 潤滑劑GRA潤滑性能評價

從潤滑性能評價中可以看出三種鉆井液體系潤滑性能均較好，一般水基鉆井液潤滑系數(shù)均大于0.2，而PEM體系鉆井液潤滑系數(shù)僅為0.15，平衡水鉆井液與低自由水體系僅為0.09，基本達到油基鉆井液潤滑能力。另外，隨著潤滑劑加量的升高能夠提高鉆井液減阻性能，但是，潤滑劑的減阻性能有一個極限值，可以看到加量提高很多后，對于潤滑性較好的低自由水體系、平衡水體系潤滑性能的改善已經(jīng)相當(dāng)平緩，平衡水體系的潤滑性雖有所降低，但是潤滑劑加量也已經(jīng)極大，而且潤滑性能只是維持在平衡水與低自由水體系的極值。還應(yīng)注意，地面測試的潤滑系數(shù)與井底潤滑系數(shù)是有所差別的，因此，使用水基鉆井液時，現(xiàn)場應(yīng)備足潤滑劑。

6 抗污染性能評價

抗污染性能是鉆井液重要性能之一，在大位移井鉆井液體系內(nèi)鉆屑含量要高于普通井，鉆屑含量高后易導(dǎo)致鉆井液黏度上升，切力上升，從而導(dǎo)致ECD過高，構(gòu)成對排量的限制而使攜巖能力不斷下降，易導(dǎo)致卡鉆等復(fù)雜事故，增加鉆井液摩阻系數(shù)，因此，評價抗污染性很有必要。

在PEM體系、平衡水體系、低自由水體系中加入不同量巖屑來評價其抗固相污染能力。巖屑為使用高速粉碎機粉碎后過150目篩網(wǎng)的地層巖屑，加量分別為1%、4%、7%、10%。

實驗結(jié)果見圖7～圖9。

圖7 PEM體系抗污染性能

圖8 平衡水體系抗污染性能

圖9 低自由水體系抗污染性能

抗污染性能試驗結(jié)果顯示PEM鉆井液體系在鉆屑侵入后黏度略有上升，動塑比升高，6轉(zhuǎn)及3轉(zhuǎn)讀數(shù)升高，說明PEM體系在鉆屑侵入后，體系的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)并沒有因為鉆井液的侵入而受影響，能夠較好地保持未污染的狀態(tài)。平衡水鉆井液體系在鉆屑入侵后體系黏度上升較多，平衡水抗鉆井液污染能力較差。低自由水體系在巖屑量增加過程中，表觀黏度及塑性黏度上升，動切力和低轉(zhuǎn)速黏度基本維持不變，鉆屑的加入并沒有對體系內(nèi)聚合物的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，仍保持了較高的容納鉆屑能力。

7 結(jié)論

（1）系統(tǒng)性地對三種水基鉆井液體系在防塌性能、封堵性能、流變性能、減阻性能、抗污染性能進行了評價及測試，綜合評價表明，低自由水體系在三者中性能最好，最適于東海T13大位移井的鉆井作業(yè)。

（2）同油基泥漿相比，水基鉆井液在抑制能力與潤滑性能等方面還是有所欠缺的。因此，實際作業(yè)過程中還需在防塌性能、潤滑性能等方面對低自由水鉆井液體系進一步優(yōu)化，以使該體系更好地滿足鉆大位移井作業(yè)的要求。

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中圖分類號：TE254

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.02.085

文章編號：1008-2336（2016）02-0085-05

收稿日期：2016-02-01；改回日期：2016-02-29

第一作者簡介：宮吉澤，男，1982年生，碩士，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，主要從事海上油氣勘探開發(fā)的鉆井技術(shù)工作。E-mail：gongjz@cnooc.com.cn。

Evaluation and Research on Water-based Drilling Fluid for Extended Reach Well in East China Sea

GONG Jize， ZHANG Haishan
（Shanghai Branch of CNOOC Ltd.， Shanghai 200030， China）

Abstract：In order to reduce the dependence on oil-based drilling fuid in the operation of extended reach well（ERW）， and to meet the requirements of offshore environmental protection， a kind of specifc drilling fuid should be used in the operation of ERW in East China Sea. Based on the comparison and evaluation of several types of drilling fuid systems such as PEM， Balance-Water Drilling Fluid and DHS in the anti-collapse， plugging performance， rheological property and anti-contamination， the authors believe the DHS，with better comprehensive performance， can meet the requirements of drilling fuid system for ERW in inhibition ability， sealing ability， carrying ability， and lubrication ability， and can be selected as the drilling fuid of the Well T13.

Keywords：East China Sea； extended reach well； PEM； balance-water； DHS