高效潤滑鉆井液在大位移井鉆井中的研究及應用

班耀服

摘 要 鉆井液在高鉆井方面的使用優(yōu)點在遼河油區(qū)得到廣泛的應用。針對遼河盆地深層地質(zhì)特點和水平井施工中存在的問題，研究解決遼河油田水平井鉆井中的井壁穩(wěn)定、井眼凈化、潤滑防卡和防漏堵漏等關(guān)鍵技術(shù)難題。通過優(yōu)選處理劑，提高鉆井液的抑制性和潤滑性;通過優(yōu)化流變參數(shù)，提高攜巖能力;采用超低滲透技術(shù)及時封堵漏層，達到防漏堵漏要求。

關(guān)鍵詞 鉆井液 處理劑 大位移井

中圖分類號：TE25 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）04-0030-02

1 前言

隨著遼河油田勘探開發(fā)進入中后期，修井工程施工的難度越來越大，大位移井、水平井越來越多，這給鉆井液工作者提出了更高的要求，要求鉆井液具有良好的潤滑性能。在國內(nèi)，鉆大位移井和水平井一般采用水包油、油包水或全油鉆井液體系，而采用水基鉆井液體系的井往往因為鉆井液潤滑性能不佳給施工帶來一定困難。本課題分析了大位移井鉆井施工中鉆井液方面的幾個關(guān)鍵技術(shù)：（1）降低摩阻技術(shù);（2）井眼清洗技術(shù);（3）井壁穩(wěn)定技術(shù)，通過分析各關(guān)鍵技術(shù)難題的原因我們找到解決辦法，并制定了相關(guān)的試驗方案，研制了一種適合水基鉆井液的新型高效潤滑劑，解決了水基鉆井液體系的潤滑性能問題，同時確定了一種較穩(wěn)定的油包水鉆井液配方，為下一步的科技發(fā)展貯備。

2 關(guān)鍵技術(shù)難題原因分析

2.1 高摩阻產(chǎn)生的原因

產(chǎn)生高摩阻的主要原因是：（1）隨著井斜的增大，鉆柱對井壁的載荷增大，增大了鉆柱的移動阻力;（2）液柱壓力與地層壓力差大，易形成壓差粘壓;（3）洗井效果差，井筒內(nèi)巖屑層形成嚴重，井壁坍塌，易產(chǎn)生砂橋粘滯;（4）井眼周圍應力不平衡引起井眼變形，增大起下鉆阻力和鉆井摩擦[1]。

2.2 井眼清洗困難的原因

在正常延伸井修井過程中，巖屑和沙子碎片很容易偏離并在鉆井液的流動井下壁沉積，巖屑沉積物層墻傾斜井將在泵停止時向下滑動，很難把巖石清理，容易導致粘砂橋。在斜井段容易形成穩(wěn)定的碎屑沉積，其厚度隨著井斜角的增大而增大。隨著井斜的增大，巖屑的移動方向逐漸偏離軸向，向徑向靠攏，形成巖屑層。同時，隨著井斜的增大，鉆柱偏心位于井筒的井壁上，鉆柱下部的環(huán)空間隙變小，使得巖屑床的移除更加困難。

2.3 井壁不穩(wěn)定的原因

鉆完井后，地層原有的應力平衡被破壞，地層周圍的應力重新分布。新的應力平衡受時間、鉆井液化學性質(zhì)、地層力學性質(zhì)等因素的影響。井眼失穩(wěn)既是一個機械問題，又是一個化學問題。

3 關(guān)鍵技術(shù)難題解決辦法

3.1 選擇合適的鉆井液體系

據(jù)文獻報道，世界上大多數(shù)大位移井采用的是油基或合成基鉆井液。這兩種鉆井液均具有良好的潤滑性能和抗坍塌性能，但成本較高，有時還會對環(huán)境造成一定的污染。水基鉆井液在潤滑性、防塌性和緩蝕性方面有一定的局限性，一般用于水平驅(qū)替量小于5000m的大位移井。

3.2 改善鉆井液的潤滑性

大位移井對鉆井液潤滑的基本要求是：鉆井液潤滑系數(shù)小于0.15，濾餅摩擦系數(shù)小于0.1。研究表明，油水比對鉆井液的潤滑性有很大的影響。例如，油水比為90：10的油基鉆井液的摩擦系數(shù)比油水比為68：32的油基鉆井液的摩擦系數(shù)低40%以上。對于水基鉆井液，可以添加極壓潤滑劑、多元醇等處理劑，改善鉆井液的潤滑性能，降低鉆井摩擦。

3.3 調(diào)節(jié)鉆井液的其它性能

使用合理的劑量和各種過濾損失減速器和調(diào)整鉆井液中的固體顆粒的分布可以提高泥餅質(zhì)量，降低濾餅的厚度，并降低濾餅的包容區(qū)域鉆柱，以減少鉆柱之間的接觸面積和濾餅。此外，短時間內(nèi)形成的低滲透餅降低了流體柱與地層之間的壓差對裸眼段鉆柱的影響，減少了壓差卡鉆的機會。加強井筒穩(wěn)定措施，提高井筒清潔效率，確保井筒規(guī)律，減少塊體收縮和坍塌，避免起下鉆時鉆柱與井壁劃傷。同時，應加強清井措施，提高井眼凈化程度，減少巖屑層的形成，減少起下鉆和鉆井[2]的摩擦。

3.4 加強固控

減少鉆井液中的有害固體，特別是那些小顆粒尺寸的鉆井液。因為微小的固相不僅會對鉆井液的性能產(chǎn)生不利影響，而且還會使濾餅質(zhì)量惡化，增加鉆柱與井筒濾餅之間的粘附力，增加粘著的機會。

4 試驗方案

4.1 高效潤滑劑的研究

鉆井液潤滑劑應滿足幾個基本要求：潤滑劑必須能夠潤滑金屬表面，并在其表面形成邊界膜和二級結(jié)構(gòu)。與基漿配伍性好，對鉆井液流變性能和濾失性無不良影響。不降低巖石破碎效率;具有良好的熱穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性。不腐蝕金屬，不損壞密封材料;不污染環(huán)境，易生物降解，價格合理，來源充足;低熒光或無熒光。潤滑劑有液體和固體兩種形式。液體型一般選用植物油，無熒光和毒性，易生物降解，來源廣泛。更適合做潤滑劑的材料。植物油可選用大豆油、蓖麻油、亞麻油、棉籽油等。固體潤滑劑也常用于鉆井液中。主要產(chǎn)品有塑料球團、石墨、炭黑、玻璃球團、堅果球團等。塑料球都是無毒、無味、熒光、壓縮阻力，耐酸性，耐堿性，減少摩擦效果好，但成本高，雖然玻璃珠也可以實現(xiàn)塑料球的效果，但是容易被摧毀和畸形，這種潤滑劑是容易被固體控制設(shè)備除去，因此在使用時有一定的限制。石墨粉具有耐高溫、無熒光、減摩效果明顯、添加量少、不影響鉆井液流變性能等特點。最近，一種新型多功能固體潤滑劑彈性石墨已在路易斯安那州、德克薩斯州、俄克拉荷馬州、墨西哥灣、北海等地區(qū)成功應用。彈性石墨是無毒，無腐蝕性，不阻止鉆井泵在高濃度，并不影響鉆井液的性能，它可以牢牢地吸附在井筒的墻上和鉆井工具，減少摩擦，但也可以把井筒壁微孔隙，減少過濾損失和保護油層的作用。

基于以上要求，本課題決定通過對植物油的改性，增加吸附基，形成較強的吸附膜，從而增加其潤滑、抗壓能力和穩(wěn)定性，達到滿足大位移井鉆井需要，同時植物油中的雙鍵發(fā)生加成反應而熒光性降低。

4.2 油基鉆井液的研究

根據(jù)現(xiàn)有的資料及文獻統(tǒng)計，大位移井多數(shù)使用油基鉆井液或合成基鉆井液，雖然配制成本較高，但可以重復利用，并且具有良好的潤滑性及抑制性，可減少井下復雜情況，機械鉆速比水基泥漿快50%以上，綜合鉆井成本并不比水基鉆井液高。油基鉆井液、合成基鉆井液也是當今世界針對地質(zhì)條件復雜的、鉆井難度較大的井應用的主流體系，英國北海、挪威Statf及中國南海西江等油田創(chuàng)世界紀錄的大位移井都是用這兩種鉆井液鉆成的。油基鉆井液一般以柴油和各種低毒礦物油作為基礎(chǔ)油，以含一定量CaCl2或NaCl的鹽水做油基鉆井液的水相，選用HLB值（即親水親油平衡值）在3.5～6之間的表面活性劑做乳化劑，選擇叔胺鹽或季胺鹽做潤濕劑，選親油的有機土做親油膠體，用石灰控制pH值。本項目通過對配漿土、乳化劑、降濾失劑的選擇和配比優(yōu)化，控制鉆井液的流變性，形成一套適合現(xiàn)場應用的鉆井液配方，達到滿足大位移井的施工要求。

5 結(jié)論

1.植物油經(jīng)過改性后潤滑效果優(yōu)于原油品，1%加量相當于2%原油品加量，且能抗120℃高溫。加濃硫酸時要緩慢，避免油品被濃硫酸碳化，若選用SO3做磺化劑效果可能更好，但試驗裝置較復雜。

2.以目前方法無法定量的檢測樣品熒光級別，只能用照熒光燈法判斷熒光性有無強弱。

3.油包水鉆井液的油水比和乳化劑還可以進一步的優(yōu)化以增強體系穩(wěn)定性。

4.油包水鉆井液的濾失量較大，應選擇一種合適的降濾失劑。

6 現(xiàn)場應用

根據(jù)對沈625、沈257區(qū)塊資料進行統(tǒng)計，得出鉆速與鉆井液相關(guān)的因素有：般土含量、固相含量以及處理劑使用。結(jié)合磨溪提速經(jīng)驗，沈625-平8井采用以下工藝：

（1）應用無粘土鉆井液。二開時放掉罐中鉆井液，徹底清洗罐內(nèi)殘留土粉和巖屑，打入清水，按配方加入處理劑，循環(huán)均勻，達到要求性能進行二開作業(yè)，其中密度通過加入重晶石提供。（2）延長不分散鉆井液的使用井深。眾所周知，不分散鉆井液的鉆速是常用體系中鉆速最快的，因為其亞微米顆粒含量最少。分散鉆井液主要使用稀釋劑來控制流變性，使粘土和鉆屑顆粒分散更細，不利于鉆速提高，但在保證井下安全，是有益的。處理劑使用得當，性能控制的比較好，不分散鉆井液應用井段長。沈625-平8改型井深為2200m，鄰井沈625-20-30改型井深1831m，625-24-32改型井深1860m。（3）強調(diào)多用大分子聚合物，少用稀釋劑。無論分散、不分散鉆井液，為避免粘土和鉆屑顆粒分散更細，使用大分子可以使細的粘土顆粒連接在一起變成大顆粒，通過固控設(shè)備除去。因此其比值在一定程度上可以衡量鉆速，大分子與稀釋劑比值高，鉆速越快，比值越低，鉆速越慢。在3100m前，大分子與稀釋劑比值達到37.2%。（4）固控設(shè)備使用合理。沈625-平8在二開至改型時，離心機使用時間占鉆井時間的60%以上，改型后，密度高時，也定期使用離心機。（5）在井下安全的情況下，密度、粘度執(zhí)行設(shè)計下限。（6）使用PDC鉆頭應考慮地層巖性，注意泥漿性能調(diào)整。純泥巖地層，抑制性是重點;砂泥巖地層，低失水薄泥餅是關(guān)鍵。在起鉆不好起時，考慮間斷大排量紊流洗井，降低泥餅厚度。

水平井的特點使得井壁穩(wěn)定問題更加復雜：（1）井斜大，在同一層位中與直井相比井段較長;（2）巖屑床的存在導致環(huán)空有效空間變小，巖屑濃度大，液流阻力變大;（3）頻繁短起下鉆等作業(yè)造成井壁承受的壓力在不斷變化之中;（4）鉆速較慢，延長了鉆井液對地層的浸泡時間，增加了井壁不穩(wěn)定性。

在井壁穩(wěn)定的力學方面，需要鉆井液保持合適的密度，同時施工操作上必須平穩(wěn);在化學方面，使用硅氟混油鉆井液，優(yōu)選添加劑，降低濾失量并提高對泥頁巖水化分散的抑制力。通過對目前常用的幾種降濾失劑進行評價，篩選出降濾失性能好，有利于調(diào)整適合水平井特點的鉆井液流型的降濾失劑為硅氟混油鉆井液為主添加劑。

HA樹脂、KH-931、SMP和PSP是目前廣泛用于深井的降濾失劑，與硅氟鉆井液有良好的配伍性。本課題針對水平井對鉆井液流型的要求，在硅氟鉆井液中對以上降濾失劑進行評價遼河盆地深井鉆井中井壁穩(wěn)定問題一直是重點研究課題，沈北地區(qū)是一個比較典型的區(qū)塊，鉆深水平井比常規(guī)鉆井則使這些問題更加重要。造成井壁不穩(wěn)定的主要因素為：（1）裸眼井段長，鉆井液與井壁接觸時間長，對井壁的浸泡時間長;（2）鉆遇的地層復雜;同一井筒存在不同壓力層系，沈北地區(qū)東營組軟泥巖發(fā)育，易縮徑，沙河街組沙一、二段有易塌的硬脆性泥巖地層，開發(fā)古潛山油藏還面臨潛山頂部風化帶和裂縫性油藏特有的裂縫性漏失。

參考文獻：

[1] 王深維.現(xiàn)代修井工程關(guān)鍵技術(shù)實用手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2] 周金葵.鉆井液工藝技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社， 2010.

（中油遼河油田遼河技術(shù)工程處，遼寧 盤錦 121209）