鉆井液技術(shù)規(guī)范研究制定與應(yīng)用

劉自廣，馬文英，孫林峰

1.中國(guó)石化中原石油工程有限公司 鉆井二公司（河南 濮陽457001）2.中國(guó)石化中原石油工程有限公司 鉆井工程技術(shù)研究院（河南 濮陽457001）3.中國(guó)石化中原石油工程有限公司 物資采辦中心（河南 濮陽457001）

1 鉆井液技術(shù)規(guī)范研究的必要性分析

鉆井液是鉆井的血液，鉆井液技術(shù)決定著鉆井能否安全、順利、高效進(jìn)行。雖然經(jīng)過多年的積累，對(duì)鉆井液研究及施工有著一定的經(jīng)驗(yàn)，但目前現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員多是根據(jù)各自習(xí)慣選用處理劑，鉆井液配方、配制維護(hù)工藝等沒有統(tǒng)一規(guī)范，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果相差較大，且被做為降低成本的主要途徑，缺乏預(yù)處理的意識(shí)，導(dǎo)致處理難度提高。同時(shí)鉆井液與地質(zhì)、鉆井工程結(jié)合不緊密，導(dǎo)致鉆井液技術(shù)無法有效保障現(xiàn)場(chǎng)高效鉆井施工。

目前鉆井液專業(yè)的各級(jí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，基本都是鉆井液用原材料和處理劑以及測(cè)試程序等標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于鉆井液體系的現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)僅有3項(xiàng)[1-3]，涉及油包水鉆井液、無固相鉆井液完井液和油基鉆井液；也有技術(shù)手冊(cè)[4]，但總體來講編寫存在內(nèi)容不全面、重點(diǎn)不突出等問題，如鉆井液的配制、維護(hù)處理方法等重點(diǎn)內(nèi)容闡述過于簡(jiǎn)單，操作性不強(qiáng)；安全環(huán)保健康方面的提示太少。對(duì)常用的聚合物鉆井液、飽和鹽水鉆井液、聚磺鉆井液等沒有制定標(biāo)準(zhǔn)，也未形成規(guī)范，無法有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

針對(duì)目前鉆井液體系標(biāo)準(zhǔn)少、標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容不全面、現(xiàn)場(chǎng)施工過程簡(jiǎn)單、鉆井液體系涵蓋不完全等問題，從鉆井液設(shè)計(jì)、處理劑選擇、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程以及環(huán)境保護(hù)等方面考慮，依據(jù)目的性、適用性、技術(shù)性、安全性原則制定鉆井液技術(shù)規(guī)范，以滿足地層巖性和鉆井工程需要；提高鉆井液應(yīng)用的針對(duì)性和適應(yīng)性；強(qiáng)化鉆井液的預(yù)處理（流變性、濾失量、井壁穩(wěn)定等），對(duì)可能出現(xiàn)問題預(yù)測(cè)；減少處理劑的品種及復(fù)配產(chǎn)品，降低因質(zhì)量導(dǎo)致的不利影響（處理費(fèi)用、處理難度增加）；鉆井液性能滿足需要的前提下，盡可能降低處理劑用量（采用高效處理）；滿足現(xiàn)場(chǎng)要求的鉆井液性能有與之匹配的鉆井液成本。

通過研究形成了包括飽和鹽水鉆井液、聚磺鉆井液等10種鉆井液體系在內(nèi)的一套鉆井液技術(shù)規(guī)范。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施該規(guī)范后，有效解決了鉆井液配制不規(guī)范，性能調(diào)整難度大、處理劑使用量大的問題，為鉆井液現(xiàn)場(chǎng)施工提供了技術(shù)保障。鉆井液技術(shù)規(guī)范的制定對(duì)實(shí)現(xiàn)提質(zhì)、提效和技術(shù)進(jìn)步，提升鉆井液精細(xì)化管理水平，實(shí)現(xiàn)鉆井液技術(shù)規(guī)范化、品牌化，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

2 鉆井液技術(shù)規(guī)范研究

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外資料的分析，結(jié)合已有的鉆井液相關(guān)技術(shù)規(guī)程文獻(xiàn)，按照技術(shù)規(guī)程制定原則，提出鉆井液技術(shù)規(guī)程應(yīng)包含的內(nèi)容。其中，鉆井液性能是決定所配制的鉆井液能否滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的關(guān)鍵，對(duì)其檢測(cè)是重要環(huán)節(jié)，常用鉆井液性能測(cè)試執(zhí)行國(guó)家規(guī)定的鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)方法[5-7]。

對(duì)于鉆井液，原材料及處理劑是基礎(chǔ)，對(duì)鉆井液性能起著決定作用。目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及石油公司一級(jí)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)大多是這一類，制定的標(biāo)準(zhǔn)基本可覆蓋，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，確定執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)即可。配制工藝是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)鍵處理劑含量是鉆井液特殊性能的體現(xiàn)，決定著鉆井液的性能是否滿足安全、順利、高效鉆井的需要，需要通過實(shí)驗(yàn)研究確定。

2.1 原材料及處理劑質(zhì)量控制

原材料和鉆井液用處理劑是配制鉆井液的基礎(chǔ)物質(zhì)，處理劑的選擇滿足流變性、濾失量控制等基本需要，滿足潤(rùn)滑、高溫等特殊需要，滿足預(yù)防井壁失穩(wěn)、漏失等復(fù)雜需要；處理劑的質(zhì)量是保證鉆井液性能的關(guān)鍵，因此原材料和處理劑質(zhì)量應(yīng)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及使用要求。

綜合分析原材料及處理劑的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)情況，水基鉆井液配漿用的膨潤(rùn)土、聚陰離子纖維素（LVPAC和HV-PAC）等只有1項(xiàng)現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行即可，但有的原材料或處理劑有多個(gè)有效標(biāo)準(zhǔn)，比如重晶石粉，有2項(xiàng)現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)[8-9]，鉆井液技術(shù)規(guī)程研究中實(shí)驗(yàn)使用的重晶石粉應(yīng)該選用什么技術(shù)指標(biāo)。因此對(duì)此類原材料和處理劑的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，遵循實(shí)驗(yàn)方法科學(xué)性、檢測(cè)項(xiàng)目全面性、技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)性的原則，根據(jù)質(zhì)量從高的要求，最終確定原材料及處理劑質(zhì)量控制應(yīng)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，具體見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)研究

制定某種鉆井液體系的技術(shù)規(guī)范[10-15]，除了選擇合適的處理劑，鉆井液還應(yīng)滿足不同的地層條件，比如溫度、壓力條件，并且測(cè)定其性能可以滿足要求。水基鉆井液配制時(shí)需要使用預(yù)水化膨潤(rùn)土漿，其性能好壞對(duì)配制成的鉆井液性能影響很大；其次是配制工藝，比如處理劑加入的先后順序，攪拌速度等；另外是決定鉆井液性能的關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測(cè)，比如氯化鉀鉆井液中的K+、鈣處理鉆井液中的Ca2+等。

表1 原材料及處理劑質(zhì)量控制要求

續(xù)表1

上述影響因素均需通過實(shí)驗(yàn)確定，經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，預(yù)水化膨潤(rùn)土漿配制時(shí)，如果水中Cl-含量高于500 mg∕L、Ca2+和Mg2+含量高于150 mg∕L，則配制的膨潤(rùn)土漿出現(xiàn)絮凝或不造漿等現(xiàn)象，因此在配漿、配液前對(duì)鉆井液用水需進(jìn)行軟化處理，或者轉(zhuǎn)運(yùn)符合配漿要求的清水。

下面就配制工藝和關(guān)鍵處理劑有效含量監(jiān)測(cè)進(jìn)行說明。

2.2.1 配制工藝

配制工藝是決定鉆井液性能高低的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不同的工藝得到不同的結(jié)果，比如油包水鉆井液、水包油鉆井液，如果工藝不合適可能導(dǎo)致無法形成穩(wěn)定的乳狀液；再如飽和鹽水鉆井液，使用淡水、加入護(hù)膠劑充分護(hù)膠后再加鹽，或直接使用鹽水配制，最終都能得到飽和鹽水鉆井液，但直接用鹽水配制的鉆井液配制維護(hù)成本卻高出許多，且維護(hù)處理周期縮短。

以飽和鹽水配制程序?yàn)槔?，考察不同的配制方法?duì)飽和鹽水鉆井液性能的影響，配制方法見表2。其中膨潤(rùn)土漿指已加入純堿的預(yù)水化膨潤(rùn)土漿，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3數(shù)據(jù)可見，先加鹽再加處理劑時(shí)鉆井液黏切低，濾失量大，處理劑的降濾失效果較差。分析其原因，飽和鹽水鉆井液中NaCl溶解于水中電離出Na+，壓縮了黏土表面的雙電層，使擴(kuò)散層厚度減小，這種情況下，黏土顆粒間的靜電斥力減小，水化膜變薄，顆粒的分散度降低，產(chǎn)生絮凝，導(dǎo)致鉆井液性能變差。因此在加入NaCl之前先加入處理劑，使其與黏土顆粒充分作用并將其包裹起來，再加入NaCl時(shí)，Na+與黏土顆粒的接觸減少，可降低其對(duì)鉆井液性能的影響，因此配制飽和鹽水鉆井液時(shí)應(yīng)采用先加處理劑再加鹽的順序。

2.2.2 關(guān)鍵處理劑有效含量監(jiān)測(cè)

通過實(shí)驗(yàn)研究及多年現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)[16-20]，鉆井液濾液分析測(cè)定的Cl-、K+、Ca2+等是表征鉆井液性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，如Cl-表明鉆井液的含鹽量，飽和鹽水鉆井液濾液中Cl-應(yīng)超過18×104mg∕L，Ca2+濃度則根據(jù)Ca2+作用要求進(jìn)行，如果用于處理污染，可控制在較低濃度，如果用于防塌穩(wěn)定井壁則應(yīng)不低于1 000 mg∕L。氯化鉀作為最常用的抑制劑，在易發(fā)生井壁失穩(wěn)的地層應(yīng)用取得良好效果，目前使用量較大，多用于配制氯化鉀聚合物、氯化鉀聚磺鉆井液等，實(shí)驗(yàn)研究了鉆井液中鉀離子含量對(duì)井壁穩(wěn)定的作用。

表2 鉆井液配制方法

表3 NaCl加入順序?qū)︺@井液性能影響

配制氯化鉀聚磺鉆井液，基礎(chǔ)配方為：4%預(yù)水化膨潤(rùn)土漿+0.5%LV-CMC+0.7%COP-HFL+3%SMP-Ⅱ+3%SMC+3%FT-1+0.3%NaOH+KCl，120℃∕16h滾動(dòng)老化后，壓制濾液，測(cè)定不同加量氯化鉀條件下濾液中K+含量。同樣條件下進(jìn)行滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)，巖心為馬12井2 760 m處巖心，清水回收率為10.6%。由表4中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，濾液中K+含量為5 200 mg∕L時(shí)，一次滾動(dòng)回收率較低，僅48.6%，含量超過16 000 mg∕L后一次滾動(dòng)回收率超過90%，且相對(duì)回收率也達(dá)到90%以上，說明其抑制性較好，才能滿足穩(wěn)定井壁的需要。需要說明的是，濾液中K+含量與氯化鉀加量沒有線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，其與鉆井液中其他處理劑的類型、分子結(jié)構(gòu)、膨潤(rùn)土含量甚至地層巖性等有關(guān)系，因?yàn)镵+可以與膨潤(rùn)土中的Na+發(fā)生晶格置換，處理劑分子也可與K+發(fā)生絡(luò)合、螯合等作用，K+與地層中的泥巖發(fā)生置換，這些均可降低其含量，因此不能僅根據(jù)鉆井液中氯化鉀的加量判斷能否滿足井壁穩(wěn)定需要，必須進(jìn)行濾液中K+含量的監(jiān)測(cè)。

表4 濾液中鉀離子含量對(duì)滾動(dòng)回收率影響

2.3 形成規(guī)范

通過確定各鉆井液技術(shù)規(guī)程的內(nèi)容，對(duì)組成鉆井液的原材料和處理劑進(jìn)行優(yōu)選使用并確定加量范圍，研究配制工藝以及維護(hù)處理要點(diǎn)，提出HSE要求等內(nèi)容，形成鉆井液體系技術(shù)規(guī)范，內(nèi)容主要包括定義、適用范圍、原材料及處理劑質(zhì)量控制、配方、技術(shù)指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)方法、技術(shù)關(guān)鍵、配制方法或工藝、維護(hù)處理、固相控制、后處理、HSE要求等。形成后的技術(shù)規(guī)范發(fā)往中石化所屬地區(qū)工程公司征求意見，結(jié)合各工程公司的意見，最終形成10項(xiàng)鉆井液技術(shù)規(guī)程。其中，水基鉆井液和油基鉆井液在各工區(qū)應(yīng)用較多，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)使用的規(guī)范性具有重要意義；氣基鉆井流體和氣液混合鉆井流體雖然應(yīng)用相對(duì)較少，但由于沒有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程，施工工藝不完善，可能出現(xiàn)復(fù)雜情況，因此制定該類鉆井流體的技術(shù)規(guī)程，可提高對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的指導(dǎo)性。

3 驗(yàn)證應(yīng)用

為了驗(yàn)證制定的鉆井液體系技術(shù)規(guī)范的效果，在鉆井液施工現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行該規(guī)范。在東濮、新疆、四川等工區(qū)的30多口井應(yīng)用，使用了飽和鹽水鉆井液、聚合物鉆井液、氯化鉀聚磺鉆井液等常用鉆井液體系。以飽和鹽水鉆井液為例，應(yīng)用結(jié)果表明，采用規(guī)范中的配制工藝進(jìn)行鉆井液配制維護(hù)，在鉆井液性能滿足安全施工的前提下，處理劑用量減少5%～10%，縮減了鉆井液成本，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。下面是實(shí)施規(guī)范前（衛(wèi)81-1井）和實(shí)施規(guī)范后（衛(wèi)81-2井）鉆井液情況。

3.1 基本情況

衛(wèi)81-1井和衛(wèi)81-2井的井身結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2，可以看出，2口井的井身結(jié)構(gòu)基本一致，二開都是從350 m開始，衛(wèi)81-1井的設(shè)計(jì)井深為3 079 m，衛(wèi)81-2井設(shè)計(jì)井深為3 044 m。2口井的鹽膏層位置基本相同，衛(wèi)81-1井鹽膏層段（衛(wèi)城鹽）垂深2 360～2 520 m、2 610～2 680 m；衛(wèi)81-2井鹽膏層段（衛(wèi)城鹽）垂深為2 355～2 515 m、2 555～2 600 m。

3.2 鉆井液配制維護(hù)

衛(wèi)81-1井和衛(wèi)81-2井均在鉆至鹽膏層前50 m轉(zhuǎn)換成飽和鹽水鉆井液，鉆井液配方為：3%～5%預(yù)水化膨潤(rùn)土漿+0.5%～1.0%LV-CMC+2.0%～4.0%SMP-Ⅱ+0.2%～0.3%HP+0.5%～1.0%銨鹽+1.0%～2.0%PZ-7+1.0%～2.0%FT+0.5%～1.0%COP-LFL∕HFL+工業(yè)氯化鈉，用NaOH調(diào)節(jié)pH值為9～10，Cl-含量1.8×104mg∕L以上，密度為1.43～1.45 g∕cm3。進(jìn)入目的層，鉆井液濾失量控制在5 mL以下，使用SMP-Ⅱ、SMC、COP-LFL、COP-HFL鹽水膠液進(jìn)行日常維護(hù)處理，原則以“護(hù)膠為主，稀釋為輔”。

圖1 衛(wèi)81-1井身結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 衛(wèi)81-2井身結(jié)構(gòu)示意圖

配制維護(hù)工藝分別如下。

3.2.1 衛(wèi)81-1井

1）化驗(yàn)配漿水，不符合配漿要求則需進(jìn)行處理或轉(zhuǎn)運(yùn)清水。

2）充分清理鉆井液循環(huán)罐，往循環(huán)罐內(nèi)加入所需量的清水，加入所需量的工業(yè)氯化鈉，充分溶解，Cl-含量達(dá)到要求。

3）配制4%膨潤(rùn)土漿，攪拌老化24 h。

4）從混合漏斗加入配方量的處理劑，循環(huán)均勻至充分溶解。

5）檢測(cè)鉆井液性能符合設(shè)計(jì)要求，否則調(diào)整性能。

3.2.2 衛(wèi)81-2井

1）化驗(yàn)配漿水，不符合配漿要求則需進(jìn)行處理或轉(zhuǎn)運(yùn)清水。

2）充分清理鉆井液循環(huán)罐，往循環(huán)罐內(nèi)加入所需量的清水。

3）配制4%膨潤(rùn)土漿，攪拌老化24 h。

4）從混合漏斗加入2∕3配方量的處理劑，循環(huán)均勻至充分溶解。

5）加入工業(yè)氯化鈉，充分溶解，Cl-含量達(dá)到要求。

6）檢測(cè)鉆井液性能符合設(shè)計(jì)要求，否則調(diào)整性能。

3.3 鉆井液性能及處理劑用量

衛(wèi)81-1井和衛(wèi)81-2井分別從2 310 m和2 305 m轉(zhuǎn)換為飽和鹽水鉆井液，直至完井，使用井段長(zhǎng)度分別為1 769 m和1 725 m。鉆井過程中鉆井液性能穩(wěn)定，施工順利，下套管、測(cè)井一次到底。衛(wèi)81-1井和衛(wèi)81-2井分段鉆井液性能分別見表5和表6。由表5、表6數(shù)據(jù)可知，雖然2口井的處理劑用量有差別、鉆井液配制工藝不同，但鉆井液性能基本相同。由此可見，先用清水配制預(yù)水化膨潤(rùn)土，處理劑護(hù)膠，最后加工業(yè)氯化鈉的配制工藝，較以前使用鹽水配漿的工藝，可在減少處理劑用量的同時(shí)保證鉆井液性能滿足鉆井要求；在鉆井過程中發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)81-2井鉆井液性能較衛(wèi)81-1井鉆井液性能更易于調(diào)整。

對(duì)比衛(wèi)81-1井和衛(wèi)81-2井飽和鹽水鉆井液主要原材料和處理劑用量，見表7。由表7數(shù)據(jù)可知，兩口井的工業(yè)氯化鈉、氫氧化鈉、銨鹽及重晶石用量相當(dāng)，但降濾失劑、增黏劑等材料用量明顯降低，說明先配制預(yù)水化膨潤(rùn)土漿、處理劑護(hù)膠、最后加鹽的配制工藝，在滿足鉆井液性能的前提下，可降低處理劑的用量。統(tǒng)計(jì)飽和鹽水鉆井液總成本，分別為58.5萬元和53.4萬元，衛(wèi)81-2井鉆井液成本較衛(wèi)81-1井降低了8.72%。處理劑用量降低率按下式計(jì)算：用量降低率=（衛(wèi)81-1井用量-衛(wèi)81-2井用量）∕衛(wèi)81-1井用量×100%。

表5 衛(wèi)81-1井分段鉆井液性能

表6 衛(wèi)81-2井分段鉆井液性能

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）研究制定了一套鉆井液技術(shù)規(guī)范，執(zhí)行該規(guī)范進(jìn)行鉆井液現(xiàn)場(chǎng)施工，可提高鉆井液的配制效果，降低了處理劑用量。統(tǒng)計(jì)飽和鹽水鉆井液施工的十余口井，處理劑使用量降低了5%～10%，有效降低了鉆井液成本。

2）該規(guī)范經(jīng)過中原石油工程公司應(yīng)用，取得良好的應(yīng)用效果，擬經(jīng)過應(yīng)用進(jìn)一步完善補(bǔ)充，將現(xiàn)有鉆井液體系均進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，由10種鉆井液體系擴(kuò)充至10類24種鉆井液體系。該規(guī)范可轉(zhuǎn)化為中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司的《鉆井液技術(shù)規(guī)范》，對(duì)提升國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

3）該規(guī)范解決了現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配方及配制維護(hù)工藝不統(tǒng)一，鉆井液性能有差異，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果相差大的問題。該規(guī)范的推廣應(yīng)用可為鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)施工提供技術(shù)保障，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。

表7 衛(wèi)81-1井和衛(wèi)81-2井飽和鹽水鉆井液主要處理劑用量

4）膨潤(rùn)土是配制鉆井液的基礎(chǔ)材料，其質(zhì)量決定著鉆井液性能好壞，而目前國(guó)內(nèi)原礦品質(zhì)差異大，應(yīng)研究形成具有統(tǒng)一性能的鉆井用膨潤(rùn)土，利于鉆井液規(guī)范的實(shí)施。常規(guī)鉆井液濾液中Cl-、K+、Ca2+等離子測(cè)定在國(guó)標(biāo)中有規(guī)定，但關(guān)于胺基聚醚鉆井液、烷基糖苷鉆井液等新型鉆井液體系，關(guān)鍵處理劑胺基聚醚和烷基糖苷等有效含量測(cè)定尚無方法，應(yīng)開展這方面的研究工作。