高效润滑钻井液在大位移井钻井中的研究及应用

    班耀服

    摘 要 钻井液在高钻井方面的使用优点在辽河油区得到广泛的应用。针对辽河盆地深层地质特点和水平井施工中存在的问题，研究解决辽河油田水平井钻井中的井壁稳定、井眼净化、润滑防卡和防漏堵漏等关键技术难题。通过优选处理剂，提高钻井液的抑制性和润滑性;通过优化流变参数，提高携岩能力;采用超低渗透技术及时封堵漏层，达到防漏堵漏要求。

    关键词 钻井液 处理剂 大位移井

    中图分类号：TE25 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2020）04-0030-02

    1 前言

    随着辽河油田勘探开发进入中后期，修井工程施工的难度越来越大，大位移井、水平井越来越多，这给钻井液工作者提出了更高的要求，要求钻井液具有良好的润滑性能。在国内，钻大位移井和水平井一般采用水包油、油包水或全油钻井液体系，而采用水基钻井液体系的井往往因为钻井液润滑性能不佳给施工带来一定困难。本课题分析了大位移井钻井施工中钻井液方面的几个关键技术：（1）降低摩阻技术;（2）井眼清洗技术;（3）井壁稳定技术，通过分析各关键技术难题的原因我们找到解决办法，并制定了相关的试验方案，研制了一种适合水基钻井液的新型高效润滑剂，解决了水基钻井液体系的润滑性能问题，同时确定了一种较稳定的油包水钻井液配方，为下一步的科技发展贮备。

    2 关键技术难题原因分析

    2.1 高摩阻产生的原因

    产生高摩阻的主要原因是：（1）随着井斜的增大，钻柱对井壁的载荷增大，增大了钻柱的移动阻力;（2）液柱压力与地层压力差大，易形成压差粘压;（3）洗井效果差，井筒内岩屑层形成严重，井壁坍塌，易产生砂桥粘滞;（4）井眼周围应力不平衡引起井眼变形，增大起下钻阻力和钻井摩擦[1]。

    2.2 井眼清洗困难的原因

    在正常延伸井修井过程中，岩屑和沙子碎片很容易偏离并在钻井液的流动井下壁沉积，岩屑沉积物层墙倾斜井将在泵停止时向下滑动，很难把岩石清理，容易导致粘砂桥。在斜井段容易形成稳定的碎屑沉积，其厚度随着井斜角的增大而增大。随着井斜的增大，岩屑的移动方向逐渐偏离轴向，向径向靠拢，形成岩屑层。同时，随着井斜的增大，钻柱偏心位于井筒的井壁上，钻柱下部的环空间隙变小，使得岩屑床的移除更加困难。

    2.3 井壁不稳定的原因

    钻完井后，地层原有的应力平衡被破坏，地层周围的应力重新分布。新的应力平衡受时间、钻井液化学性质、地层力学性质等因素的影响。井眼失稳既是一个机械问题，又是一个化学问题。

    3 关键技术难题解决办法

    3.1 选择合适的钻井液体系

    据文献报道，世界上大多数大位移井采用的是油基或合成基钻井液。这两种钻井液均具有良好的润滑性能和抗坍塌性能，但成本较高，有时还会对环境造成一定的污染。水基钻井液在润滑性、防塌性和缓蚀性方面有一定的局限性，一般用于水平驱替量小于5000m的大位移井。

    3.2 改善钻井液的润滑性

    大位移井对钻井液润滑的基本要求是：钻井液润滑系数小于0.15，滤饼摩擦系数小于0.1。研究表明，油水比对钻井液的润滑性有很大的影响。例如，油水比为90：10的油基钻井液的摩擦系数比油水比为68：32的油基钻井液的摩擦系数低40%以上。对于水基钻井液，可以添加极压润滑剂、多元醇等处理剂，改善钻井液的润滑性能，降低钻井摩擦。

    3.3 调节钻井液的其它性能

    使用合理的剂量和各种过滤损失减速器和调整钻井液中的固体颗粒的分布可以提高泥饼质量，降低滤饼的厚度，并降低滤饼的包容区域钻柱，以减少钻柱之间的接触面积和滤饼。此外，短时间内形成的低渗透饼降低了流体柱与地层之间的压差对裸眼段钻柱的影响，减少了压差卡钻的机会。加强井筒稳定措施，提高井筒清洁效率，确保井筒规律，减少块体收缩和坍塌，避免起下钻时钻柱与井壁划伤。同时，应加强清井措施，提高井眼净化程度，减少岩屑层的形成，减少起下钻和钻井[2]的摩擦。

    3.4 加强固控

    减少钻井液中的有害固体，特别是那些小颗粒尺寸的钻井液。因为微小的固相不仅会对钻井液的性能产生不利影响，而且还会使滤饼质量恶化，增加钻柱与井筒滤饼之间的粘附力，增加粘着的机会。

    4 试验方案

    4.1 高效润滑剂的研究

    钻井液润滑剂应满足几个基本要求：润滑剂必须能够润滑金属表面，并在其表面形成边界膜和二级结构。与基浆配伍性好，对钻井液流变性能和滤失性无不良影响。不降低岩石破碎效率;具有良好的热稳定性和低温稳定性。不腐蚀金属，不损坏密封材料;不污染环境，易生物降解，价格合理，来源充足;低荧光或无荧光。润滑剂有液体和固体两种形式。液体型一般选用植物油，无荧光和毒性，易生物降解，来源广泛。更适合做润滑剂的材料。植物油可选用大豆油、蓖麻油、亚麻油、棉籽油等。固体润滑剂也常用于钻井液中。主要产品有塑料球团、石墨、炭黑、玻璃球团、坚果球团等。塑料球都是無毒、无味、荧光、压缩阻力，耐酸性，耐碱性，减少摩擦效果好，但成本高，虽然玻璃珠也可以实现塑料球的效果，但是容易被摧毁和畸形，这种润滑剂是容易被固体控制设备除去，因此在使用时有一定的限制。石墨粉具有耐高温、无荧光、减摩效果明显、添加量少、不影响钻井液流变性能等特点。最近，一种新型多功能固体润滑剂弹性石墨已在路易斯安那州、德克萨斯州、俄克拉荷马州、墨西哥湾、北海等地区成功应用。弹性石墨是无毒，无腐蚀性，不阻止钻井泵在高浓度，并不影响钻井液的性能，它可以牢牢地吸附在井筒的墙上和钻井工具，减少摩擦，但也可以把井筒壁微孔隙，减少过滤损失和保护油层的作用。

    基于以上要求，本课题决定通过对植物油的改性，增加吸附基，形成较强的吸附膜，从而增加其润滑、抗压能力和稳定性，达到满足大位移井钻井需要，同时植物油中的双键发生加成反应而荧光性降低。

    4.2 油基钻井液的研究

    根据现有的资料及文献统计，大位移井多数使用油基钻井液或合成基钻井液，虽然配制成本较高，但可以重复利用，并且具有良好的润滑性及抑制性，可减少井下复杂情况，机械钻速比水基泥浆快50%以上，综合钻井成本并不比水基钻井液高。油基钻井液、合成基钻井液也是当今世界针对地质条件复杂的、钻井难度较大的井应用的主流体系，英国北海、挪威Statf及中国南海西江等油田创世界纪录的大位移井都是用这两种钻井液钻成的。油基钻井液一般以柴油和各种低毒矿物油作为基础油，以含一定量CaCl2或NaCl的盐水做油基钻井液的水相，选用HLB值（即亲水亲油平衡值）在3.5～6之间的表面活性剂做乳化剂，选择叔胺盐或季胺盐做润湿剂，选亲油的有机土做亲油胶体，用石灰控制pH值。本项目通过对配浆土、乳化剂、降滤失剂的选择和配比优化，控制钻井液的流变性，形成一套适合现场应用的钻井液配方，达到满足大位移井的施工要求。

    5 结论

    1.植物油經过改性后润滑效果优于原油品，1%加量相当于2%原油品加量，且能抗120℃高温。加浓硫酸时要缓慢，避免油品被浓硫酸碳化，若选用SO3做磺化剂效果可能更好，但试验装置较复杂。

    2.以目前方法无法定量的检测样品荧光级别，只能用照荧光灯法判断荧光性有无强弱。

    3.油包水钻井液的油水比和乳化剂还可以进一步的优化以增强体系稳定性。

    4.油包水钻井液的滤失量较大，应选择一种合适的降滤失剂。

    6 现场应用

    根据对沈625、沈257区块资料进行统计，得出钻速与钻井液相关的因素有：般土含量、固相含量以及处理剂使用。结合磨溪提速经验，沈625-平8井采用以下工艺：

    （1）应用无粘土钻井液。二开时放掉罐中钻井液，彻底清洗罐内残留土粉和岩屑，打入清水，按配方加入处理剂，循环均匀，达到要求性能进行二开作业，其中密度通过加入重晶石提供。（2）延长不分散钻井液的使用井深。众所周知，不分散钻井液的钻速是常用体系中钻速最快的，因为其亚微米颗粒含量最少。分散钻井液主要使用稀释剂来控制流变性，使粘土和钻屑颗粒分散更细，不利于钻速提高，但在保证井下安全，是有益的。处理剂使用得当，性能控制的比较好，不分散钻井液应用井段长。沈625-平8改型井深为2200m，邻井沈625-20-30改型井深1831m，625-24-32改型井深1860m。（3）强调多用大分子聚合物，少用稀释剂。无论分散、不分散钻井液，为避免粘土和钻屑颗粒分散更细，使用大分子可以使细的粘土颗粒连接在一起变成大颗粒，通过固控设备除去。因此其比值在一定程度上可以衡量钻速，大分子与稀释剂比值高，钻速越快，比值越低，钻速越慢。在3100m前，大分子与稀释剂比值达到37.2%。（4）固控设备使用合理。沈625-平8在二开至改型时，离心机使用时间占钻井时间的60%以上，改型后，密度高时，也定期使用离心机。（5）在井下安全的情况下，密度、粘度执行设计下限。（6）使用PDC钻头应考虑地层岩性，注意泥浆性能调整。纯泥岩地层，抑制性是重点;砂泥岩地层，低失水薄泥饼是关键。在起钻不好起时，考虑间断大排量紊流洗井，降低泥饼厚度。

    水平井的特点使得井壁稳定问题更加复杂：（1）井斜大，在同一层位中与直井相比井段较长;（2）岩屑床的存在导致环空有效空间变小，岩屑浓度大，液流阻力变大;（3）频繁短起下钻等作业造成井壁承受的压力在不断变化之中;（4）钻速较慢，延长了钻井液对地层的浸泡时间，增加了井壁不稳定性。

    在井壁稳定的力学方面，需要钻井液保持合适的密度，同时施工操作上必须平稳;在化学方面，使用硅氟混油钻井液，优选添加剂，降低滤失量并提高对泥页岩水化分散的抑制力。通过对目前常用的几种降滤失剂进行评价，筛选出降滤失性能好，有利于调整适合水平井特点的钻井液流型的降滤失剂为硅氟混油钻井液为主添加剂。

    HA树脂、KH-931、SMP和PSP是目前广泛用于深井的降滤失剂，与硅氟钻井液有良好的配伍性。本课题针对水平井对钻井液流型的要求，在硅氟钻井液中对以上降滤失剂进行评价辽河盆地深井钻井中井壁稳定问题一直是重点研究课题，沈北地区是一个比较典型的区块，钻深水平井比常规钻井则使这些问题更加重要。造成井壁不稳定的主要因素为：（1）裸眼井段长，钻井液与井壁接触时间长，对井壁的浸泡时间长;（2）钻遇的地层复杂;同一井筒存在不同压力层系，沈北地区东营组软泥岩发育，易缩径，沙河街组沙一、二段有易塌的硬脆性泥岩地层，开发古潜山油藏还面临潜山顶部风化带和裂缝性油藏特有的裂缝性漏失。

    参考文献：

    [1] 王深维.现代修井工程关键技术实用手册[M].北京：石油工业出版社，2007.

    [2] 周金葵.钻井液工艺技术[M].北京：石油工业出版社， 2010.

    （中油辽河油田辽河技术工程处，辽宁 盘锦 121209）