淺談深海鉆井中鉆井液適應(yīng)性評(píng)價(jià)與應(yīng)用

邱文發(fā)，馬合軍，趙遠(yuǎn)遠(yuǎn)，狄明利

（中海油田服務(wù)股份有限公司，廣東深圳 518067）

國(guó)際上，深海鉆井是指在海上作業(yè)中水深超過(guò)500 m 的區(qū)域[1]，當(dāng)水深超過(guò)1 500 m 時(shí)的海上作業(yè)稱為超深海鉆井[2]。目前國(guó)內(nèi)深海鉆井從2009年開(kāi)始逐漸被認(rèn)知，承鉆海域水深越深，隔水管越長(zhǎng)，海床溫度越低[3]。如南海東部流花區(qū)塊水深750 m左右，海床溫度約5 ℃左右；南海西部的陵水區(qū)塊深水在1 000 m左右，海床溫度約4 ℃左右；南海東部的荔灣和白云區(qū)塊水深在1 500 m左右，海床溫度3 ℃左右。這些區(qū)塊均已成功鉆探[4]。

隨著工業(yè)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求越來(lái)越大。隨著陸上石油的逐漸枯竭，深海勘探不斷傳來(lái)大發(fā)現(xiàn)的喜報(bào)，人類逐漸把石油勘探的目光和主戰(zhàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移到深海。深海鉆井技術(shù)在油氣勘探和開(kāi)發(fā)中的能力，代表著海洋石油鉆井工程技術(shù)發(fā)展的水平，與之相配套的深海鉆井液技術(shù)將是關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。深海鉆井實(shí)踐表明，水深的增加帶來(lái)鉆井技術(shù)難度的增加，低溫流變性對(duì)鉆井液性能穩(wěn)定是重大挑戰(zhàn)，原有的鉆井液處理劑與現(xiàn)有鉆井液體系已經(jīng)不能完全滿足深海鉆井技術(shù)發(fā)展的需要[6]；作為鉆井血液的鉆井液，其適應(yīng)性是確保深海井的井下安全、快速鉆進(jìn)的重要指標(biāo)[7]。近年來(lái)世界各國(guó)都在努力研制深海鉆井液，以滿足深海鉆井技術(shù)發(fā)展的需要，國(guó)內(nèi)主要有兩種深海鉆井液體系：水基深海鉆井液體系和合成基鉆井液體系[8]。

1 深海鉆井液使用所面臨的挑戰(zhàn)

深海鉆井液使用所面臨的挑戰(zhàn)包括：

（1） 低溫高壓環(huán)境易形成天然氣水合物，導(dǎo)致無(wú)法解脫BOP等問(wèn)題出現(xiàn)，直接影響井控安全等 [9]；

（2） 地層孔隙和破裂壓力差值小，安全鉆井液密度窗口窄，容易發(fā)生井下漏失風(fēng)險(xiǎn)[10]；

（3） 大尺寸井眼攜砂難，井眼清潔差，導(dǎo)致起下鉆困難，直接影響鉆井時(shí)效[11]；

（4）鉆井液溫度低、易糊振動(dòng)篩篩布，導(dǎo)致振動(dòng)篩跑漿，增加鉆井液成本[12]；

（5） 地層黏土極易水化，易污染鉆井液，導(dǎo)致鉆井液性能變壞，降低泥漿泵的壽命等[13]。

2 深海鉆井液適應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)室研究與評(píng)價(jià)

2.1 預(yù)防形成水合物的模擬實(shí)驗(yàn)

圖1為深海鉆井液體系防水合物的壓力溫度曲線相圖。在曲線下方的壓力溫度條件下，鉆井液不易形成天然氣水合物，從該相圖曲線來(lái)看，配方為海水+ 9%NaCl + 5%KCl的深海鉆井液體系具備抑制1 000 m（10.3 MPa，4 ℃）以下水深天然氣水合物的形成，如果水深再增加，需要重新做更高濃度的NaCl鹽水水合物抑制實(shí)驗(yàn)。圖2為防噴器腔室內(nèi)所注入防凍液防水合物的壓力溫度曲線相圖，從該相圖曲線可以看出，此配方的BOP防凍液可抑制1 500 m（15.5 MPa，3 ℃）水深的天然氣水合物形成。

圖1 鉆井液：海水+9%NaCl + 5%KCl

圖2 BOP腔防凍液：19%NaCl + 10%PF-MEG

2.2 鉆井液密度窗口窄，需要一個(gè)相對(duì)較穩(wěn)定的井底ECD（當(dāng)量循環(huán)密度）

圖3是采用Drillbench軟件模擬計(jì)算深海鉆井液體系的ECD曲線圖。

圖3 深海鉆井液體系在MW=1.125 g/cm3 ECD模擬計(jì)算

從Drillbench軟件模擬現(xiàn)場(chǎng)ECD曲線圖看出，深海鉆井液體系在鉆進(jìn)過(guò)程中的ECD相對(duì)比較穩(wěn)定，而且因循環(huán)產(chǎn)生的ECD增量比較小。

2.3 低溫流變性評(píng)價(jià)

配方1：海水+ 2 kg/m3Na2CO3+ 20 kg/ m3低溫降失水劑 + 5 kg/m3低溫包被劑 + 30 kg/ m3潤(rùn)滑劑 + 30 kg/m3泥巖抑制劑 + 50 kg/m3KCl + 90 kg/m3NaCl + 2 kg/m3提黏劑 +石灰石加重至比重1.20 g/cm3。

配方2：海水 + 2 kg/m3Na2CO3+ 20 kg/m3低溫降失水劑 + 7 kg/m3普通包被劑 + 30 kg/m3潤(rùn)滑劑 + 30 kg/m3泥巖抑制劑 + 50 kg/m3KCl +90 kg/ m3NaCl + 2 kg/m3提黏劑 + 25 kg/m3防塌劑+ CaCO3加重至比重1.20 g/cm3。

以上兩個(gè)配方在不同低溫下的六速流變性隨溫度的變化很?。ㄒ?jiàn)表1）。

表1 加重至1.20 g/cm3，120 ℃老化16 h后，不同低溫鉆井液性能對(duì)比

圖4是深水鉆井液體系流變性隨溫度變化曲線：

圖4 深海鉆井液體系流變性與溫度曲線圖

由圖4可以看出深海鉆井液體系隨著溫度的不斷降低，動(dòng)切力變化不大，說(shuō)明深海鉆井液體系在低溫條件下有著更好的攜砂能力。

2.4 鉆井液抗鉆屑污染評(píng)價(jià)

深海鉆井液體系抗鉆屑污染評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)不同濃度鉆屑對(duì)鉆井液污染。對(duì)鉆井液的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇10%、20%、30%鉆屑及5%CaCl2這四種污染條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出，不同濃度的鉆屑污染深海鉆井液體系后，鉆井液各項(xiàng)性能基本穩(wěn)定。

表2 深海鉆井液體系受不同濃度鉆屑污染的鉆井液性能對(duì)比

2.5 儲(chǔ)層保護(hù)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

由表3可以看出，該鉆井液配方對(duì)儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)值達(dá)到85%以上，滿足儲(chǔ)層保護(hù)要求。

表3 巖心被深海鉆井液體系污染后的滲透率恢復(fù)評(píng)價(jià)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

近年來(lái)，先后在NH26-1-1、NH16-1-1、NH26-2-1、NH29-2-2等幾口井中應(yīng)用了該深海鉆井液體系，這些井的水深分別在372 m至1 520 m不 等。

3.1 深海鉆井液體系的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和在使用中的不斷改進(jìn)

通過(guò)表4可以看出，深海鉆井液體系的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和不斷改進(jìn)的過(guò)程。從第一口井（NH26-1-1井）出現(xiàn)跑漿的現(xiàn)象，分析認(rèn)為是因高分子聚合物包被劑在低溫條件先出現(xiàn)糊振動(dòng)篩所引起的；第二口井（NH16-1-1井）的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)包被劑分子量低，鉆井液的包被性能差；到第三口井、第四口井成功地應(yīng)用，經(jīng)歷了多次配方的優(yōu)化和改進(jìn)。在NH5-2-1井的應(yīng)用中，開(kāi)鉆時(shí)鉆井液采用低分子量的包被劑，開(kāi)鉆后以保證不跑漿為前提，在循環(huán)系統(tǒng)中加入高分子量的包被劑，最終成功地鉆成該井。下面著重介紹深海鉆井液體系在NH5-2-1井中的應(yīng)用示例。

表4 深海鉆井液體系的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.2 深海鉆井液體系在NH5-2-1的應(yīng)用示例

3.2.1 鉆井工程概況

30"井段：采用30"套管+26"鉆頭海水（噴射）從1 545 m鉆進(jìn)至1 625 m，吸附30"套管。

17-1/2"井段：采用17-1/2"鉆頭海水從1 625 m鉆進(jìn)至2 220 m，下/固13-3/8"套管作業(yè)。

12-1/4"井段：采用12-1/4"鉆頭、深海鉆井液體系從2 220 m鉆進(jìn)至4 210 m完鉆，電測(cè)作業(yè)順利。

3.2.2 地質(zhì)簡(jiǎn)況

從2 220 m至4 210 m，所鉆遇的地層主要是中新統(tǒng)珠江組和上漸新統(tǒng)珠海組。珠江組地層巖性以淺-中灰色泥巖為主，偶見(jiàn)少量粉砂，含極少量分散黃鐵礦，為深海相的厚層灰色泥巖夾薄層灰色泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。底部界面附近有中-厚層含鈣粉質(zhì)泥巖。珠海組地層巖性以淺灰色細(xì)砂巖與灰色泥巖互層，砂巖分選好，灰質(zhì)膠結(jié)，泥質(zhì)膠結(jié)，較致密。泥巖性軟-中硬，次塊狀-塊狀，局部含灰質(zhì)。

3.2.3 深海鉆井液體系使用情況

開(kāi)鉆基漿配方：海水 + 2 kg/m3Na2CO3+2 kg/ m3檸檬酸 + 20 kg/m3低溫降失水劑 + 5 kg/m3低分子包被劑 + 1 kg/m3NaOH + 30 kg/m3潤(rùn)滑劑 +25 kg/m3抑制劑 + 50 kg/m3KCl + 90 kg/m3NaCl +1 kg/m3提黏劑。

配制過(guò)程嚴(yán)格按照此順序加料，加完低分子包被劑后至少循環(huán)剪切10 h，等待低分子包被劑完全溶解后再加入燒堿，然后依次加入其它料。待所有材料全部加完后，再與密度為1.20 g/cm3的NaCl鹽水混合為密度1.12 g/cm3的開(kāi)鉆鉆井液，配制開(kāi)鉆鉆井液時(shí)使用低分子量包被劑PF-UCAP，預(yù)防開(kāi)鉆振動(dòng)篩跑漿；待建立循環(huán)后，在振動(dòng)篩不跑漿的情況下，補(bǔ)充高分子量包被劑PF-PLUS來(lái)滿足對(duì)泥頁(yè)巖鉆屑的包被性要求。

膠液配方：2 kg/m3Na2CO3+ 20 kg/m3低分子降失水劑 + 30 kg/m3潤(rùn)滑劑 + 25 kg/m3抑制劑 +50 kg/m3KCl+ 25 kg/m3井壁穩(wěn)定劑+ 10 kg/m3包被劑。

表5為深海鉆井液體系中主要鉆井液材料的簡(jiǎn)介。

表5 深海鉆井液體系的主要材料簡(jiǎn)介

該井段采用海水鉆水泥塞，替入稠漿（海水+15 kg/m3提黏劑）8 m3做隔離液，替入開(kāi)鉆深海鉆井液體系建立循環(huán)。鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆進(jìn)參數(shù)正常情況下，在循環(huán)系統(tǒng)中快速補(bǔ)充高濃度包被劑膠液，提高循環(huán)系統(tǒng)鉆井液包被性濃度達(dá)到7 kg/ m3；采用補(bǔ)充膠液來(lái)提高循環(huán)系統(tǒng)中防塌劑的含量；在循環(huán)系統(tǒng)中加入抑制劑提高鉆井液抑制性，采用提黏劑來(lái)調(diào)節(jié)流變性，采用用潤(rùn)滑劑保證鉆井液潤(rùn)滑性、防止鉆頭泥包，通過(guò)加入燒堿來(lái)維持pH值，用碳酸鈣調(diào)節(jié)鉆井液密度來(lái)平衡地層壓力。

表6為NH5-2-1井在不同井段鉆井液的性能，可以看出該鉆井液系統(tǒng)在鉆井過(guò)程中性能穩(wěn)定。

表6 NH5-2-1井鉆井液性能

鉆井過(guò)程中，返出鉆屑成型性好。在鉆進(jìn)期間，若有需要，則開(kāi)環(huán)空提速泵使隔水管內(nèi)的環(huán)空返速達(dá)0.5 m/s，振動(dòng)篩返砂量和ROP都能對(duì)應(yīng)、相稱。整個(gè)鉆井過(guò)程無(wú)憋泵現(xiàn)象，起下鉆過(guò)程順利，電測(cè)也順利。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

通過(guò)在NH5-2-1井、NH26-2-1井等幾十口井在南海成功應(yīng)用，證明該深海鉆井液體系抗鉆屑污染能力強(qiáng)、預(yù)防泥巖水化分散等能力強(qiáng)；在低溫條件下流變性能穩(wěn)定性；具有較好地預(yù)防井壁坍塌能力；抑制天然氣水合物形成效果好，隔水管等大尺寸井眼的攜砂性能良好；鉆井液密度穩(wěn)定，適合于窄密度窗口的需要；添加NaCl等鹽提高體系抑制性。從已完成井情況分析，該深海鉆井液體系性能穩(wěn)定、鉆井作業(yè)安全，鉆井速度提高，較大提高了鉆井時(shí)效，節(jié)約了作業(yè)成本。

5 結(jié)論

（1）該深海鉆井液體系具有良好的低溫流變性及隔水管等大尺寸井眼的攜砂能力。

（2）該深海鉆井液體系能較好地抑制氣體水合物，將會(huì)減少BOP被冰凍而卡住的可能性，降低井控失控的風(fēng)險(xiǎn)。

（3） 該深海鉆井液體系具有良好的抑制性、包被性和抗鉆屑污染能力，增加了井壁穩(wěn)定性，降低了井眼垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高深海鉆井時(shí)效。

（4） 該深海鉆井液對(duì)作業(yè)要求的適應(yīng)性直接影響著深海鉆井工程的時(shí)效和成本，應(yīng)該引起參與深海鉆井各方的重視。